基于改进型谐波检测方法的并联型有源滤波器的闭环控制

摘 要：介绍了一种基于改进型谐波检测方法的并联型有源滤波器的闭环控制方案。该改进型检测方法用积分、延时和增益环节代替传统ip,iq检测方式中的低通滤波器,检测延时可减少到1/6个电源周期,同时这种方法可以推广到单相、三相四线电路和三相不平衡负载的场合中。采用三角载波方法进行电流闭环跟踪,主电路器件开关频率固定且补偿电流准确跟踪指令电流。基于能量平衡原理并借助检测环节实现了逆变器直流侧电压的闭环控制。仿真结果验证了该控制方案的正确性,采用该方案后,电源电流得到有效改善。

关键词：并联型有源滤波器；谐波检测；电流跟踪；直流侧电压控制

电力电子器件的广泛使用导致电力系统的谐波问题日益严重。有源电力滤波器(APF)是目前补偿谐波和无功的重要的电力电子装置。传统的APF谐波电流检测方法如快速傅立叶变换方法需要进行2次变换,这大约需要80ms的时间,导致其实时性不好。最小补偿电流法是一种快速(实验部分给出的检测延时是1/2个电源周期)的谐波检测方法,但是检测环节需要比例调节器和一个辨别极性的反馈电路,从而增加了系统复杂度。文献[4]提供了一种基于神经网络自适应算法的可选择谐波和无功电流检测方法,这种方法有约2个电源周期的检测延时,且截止谐波次数的选取缺乏理论根据。基于瞬时无功功率理论的检测方法将检测出的基波电流和负载电流相减,得到全部谐波电流。但是这种检测方法中低通滤波器(LPF)的存在,使检测延时达到1～2个电源周期,从而影响了APF的补偿性能。

本文介绍了一种基于改进型谐波检测方法的并联型有源滤波器的闭环控制方案。改进型方法检测延时小,可以推广到单相、三相四线电路和三相不平衡负载的场合中。采用三角载波方法进行电流闭环跟踪控制,基于能量平衡原理并借助检测环节实现逆变器直流侧电压的闭环控制。仿真结果表明:采用上述控制方案的并联型有源滤波器能实时、有效地补偿系统的谐波和无功电流。

1 改进型ip,iq谐波检测方法

设对称的三相负载电流为

(1)

经过傅立叶分解,有

(2)

式中,ω为电源角频率;I_6k+1,I_6k+3,I_6k+5,φ_6k+1,φ_6k+3,φ_6k+5为各次电流对应的有效值和初相角;k为非负整数。据此可求出i_p,i_q为

(3)

由式(3)可以看出i_p,i_q中除直流分量外,交流分量的周期为电源周期的1/6,即交流分量在1/6个电源周期内的平均值为0。因此通过平均值算法可以得到i_p和i_q的直流分量ip和iq,如图1所示。

图1中,T为电源周期。这种改进型谐波电流检测方法用简单的积分、延时加增益环节来代替传统i_p,i_q方法中的低通滤波器,将检测方法的延时减少到1/6个电源周期。如果需要同时补偿谐波和无功分量,只需要检测出/i_p。

需指出,式(1)中只要求三相电流i_a,i_b,i_c对称,对其中是否包含零序分量不作要求,加上此方法快速的动态响应,这种改进的方法可以推广到单相电路中,推广的关键是构造对称的三相电流,如图2所示。

图2中,i_l为单相电流的瞬时值,T为电源周期。这里由单相构造三相,有2T/3的构造延时,加上检测方法T/6的延时,改进型方法用于单相电路时总的延时为5T/6。在三相四线电路和三相不平衡负载的场合中,只要将单相检测的方法分别应用于每一相,就可以快速准确地检测出每一相的谐波和无功电流。

2 电流闭环跟踪和直流侧电压控制

APF在检测出谐波电流信号后,需要采用合适的控制策略来产生驱动逆变器的开关信号,最终由逆变器输出补偿电流。

三角载波方法可以使主电路器件的开关频率固定并且很容易利用数字处理芯片实现,本文采用这种方法进行电流跟踪控制,如图3所示。本文将实际补偿电流i_c和检测环节得到的指令信号i_c进行比较,形成了电流的闭环跟踪控制。

为了减轻系统的复杂程度,可以在控制中增加逆变器直流侧电压控制。本文对直流侧电压的控制是通过在检测模块中增加直流侧控制部分来实现的,如图4所示。

对APF而言,瞬时无功功率不会导致其交流侧和直流侧的能量交换。从能量平衡角度来讲,忽略APF的开关等损耗,流入APF的有功能量只使电容上的电压发生变化,因此调节系统的有功能量就能进行逆变器直流侧的电压控制。

图4中

式中,U_cdr,U_cdf分别是直流侧电压U_cd的给定值和反馈值,两者之差经PI调节器后得到调节信号Δi_p,它叠加到瞬时有功电流的直流分量/i_p上,这样使得APF的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量,从而使APF的直流侧与交流侧交换能量,将U_cd调节至给定值。

3 仿真分析

3.1　改进型谐波检测方法

　　设a相电网电压表达式为:u_a(V)=380sinωt。图5和图6中,il和i1p分别表示a相负载电流和a相负载基波有功电流。传统i_p,i_q方式中的LPF采用2阶Butterworth低通滤波器,截止频率为20Hz。

仿真结果可以看出:和传统i_p,i_q方式相比,改进型i_p,i_q方法的检测延时小。前面已证明得出:对于对称三相电流,改进型i_p,i_q方法的检测延时为1/6个电源周期。

设单相电网电压表达式为u(V)=220sinωt。图7中i_l和i_1p分别表示单相负载电流和其基波有功电流。可以看出将改进型i_p,i_q方法用于单相电路谐波检测时,由单相构造三相存在2T/3的构造延时,加上平均值算法T/6的延时,检测总的延时达到5T/6。

3.2　系统控制

系统结构如图8所示。采用带阻感负载的三相全控桥整流电路作为非线性负载,APF和负载采用并联结构。图中,n为电网中点,T为整流变压器,e_a,e_b,e_c为三相电网电压,i_sa,i_sb,i_sc为电网输入电流,i_La,i_Lb,i_Lc为负载电流,i_ca,i_cb,i_cc为有源滤波器的输出电流。

L_a=L_b=L_c=1mH,L_R=1010mH,C_R=011μF,C=2000μF,三相电源电压频率为50Hz,幅值经过整流变压器降为220V。整流电路负载R_L=17Ω,L_d=911增刊(Ⅱ)刘国海,等:基于改进型谐波检测方法的并联型有源滤波器的闭环控制

100mH,触发导通角α=π/6(以下波形均基于a相)。

首先,对电流闭环跟踪控制进行仿真。为了便于分析,此时不加直流侧电压控制。在0106s时刻,负载突变为R_L=815Ω,L_d=10mH。图9和图10分别为负载电流和改进型i_p,i_q方法得到的指令电流波形。由三角载波(调制波频率5kHz)跟踪控制环节得到的补偿电流波形如图11所示,指令电流和实际补偿电流的误差如图12所示。可以看出:电流闭环跟踪控制使补偿电流实时、准确跟踪指令电流。

其次,对直流侧电压控制进行仿真,电压给定值设为800V。为了便于观察分析,补偿从0102s开始。在0106s时刻,负载不突变,直流侧电压给定值波动到700V。图13和图14分别是这种情况下直流侧电压波形和基于改进型i_p,i_q方法得到的指令电流波形。可见,直流侧电压控制使直流侧电压很快达到并维持在给定值左右。即使发生波动,直流侧电压也能很快达到新的稳定值,同时检测到的指令电流也能够很快恢复到原来的检测效果。

最后,对整个并联型有源滤波系统进行仿真。补偿从0102s开始,在0106s时刻,负载突变为R_L=815Ω,L_d=10mH。在011s时刻,直流侧电压给定值由800V波动到700V。指令电流波形和补偿后电源电流波形分别如图15和图16所示。仿真结果表明:采用上述控制方案后,并联型有源滤波器能实时、有效地补偿系统的谐波和无功电流。

4 结　语

本文介绍了一种基于改进型谐波检测方法的并联型有源滤波器的闭环控制方案。用简单的积分、延时和增益环节代替传统i_p,i_q检测方法中的低通滤波器,将检测方法的延时减少到1/6个电源周期。同时这种检测方法可以推广到单相、三相四线电路和三相不平衡负载的场合中。采用三角载波方式进行电流闭环跟踪控制,补偿电流能实时、准确跟踪指令电流。基于能量平衡原理实现了逆变器直流侧电压控制。即使发生波动,直流侧电压也能很快达到新的稳定值,同时指令电流也能很快恢复到原来的检测效果。仿真结果验证了该控制方案的正确性,采用该方案后,电源电流得到有效改善。