一種新型串聯(lián)型有源電力濾波器無諧波檢測控制方法

1、第43卷第2期2009年2月西安交通大學(xué)學(xué)報J OU RNAL O F XIAN J IAO TON G UN IV ERSIT YVol.432Feb.2009一種新型串聯(lián)型有源電力濾波器無諧波檢測控制方法袁敞,劉進(jìn)軍,王曉鈺,李晶,王兆安(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,710049,西安摘要:提出了一種新型的用于串聯(lián)型有源電力濾波器(SA PF的控制方法,這種控制方法的思路是控制由SA PF產(chǎn)生的補償電壓跟蹤電源電流的K倍來實現(xiàn)電流諧波的抑制.因為控制參考信號直接通過檢測電源電流得到,無需諧波的任何信息,故提出的控制方法實際上消除了傳統(tǒng)方法中必須的諧波檢測的過程.和傳統(tǒng)的控制方法相比,所提出的

2、新型控制方法更簡單,易于實現(xiàn),降低了系統(tǒng)成本,避免了由復(fù)雜的諧波計算所帶來的延時,能夠獲得更好的諧波補償效果.仿真和實驗結(jié)果都驗證了所提出的新型控制方法的有效性.關(guān)鍵詞:串聯(lián)型有源濾波器;諧波檢測;控制方法中圖分類號:TM714文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:02532987X(2009022*Novel Control of Series Active Pow er Filter Without H armonics DetectionYUAN Chang,L IU Jinjun,WAN G Xiaoyu,L I Jing,WAN G Zhaoan(School of Electrical Engi

3、neering,Xian Jiaotong University,Xian710049,ChinaAbstract:A new cont rol strategy for series active power filter(SA PFis propo sed,which at2 tempt s to control t he compensation voltage injected by SA PF to t race t he multiple of whole line current for achieving current harmonics supp ression.Since

4、 t he cont rol reference signal is directly obtained by utilizing t he detected line current wit hout calculating harmonics,t he p roposed strate2 gy act ually eliminates t he harmonics detectio n p rocess which is indispensable for conventional cont rol met hods.Compared wit h t he conventional con

5、t rol met hods,t he propo sed cont rol is t here2 fore much simpler and easier to implement wit h lower co st,and t he time delay caused by compli2 cated harmonics calculation does not exist any more.The simulated and experimental result s are presented to verify t he propo sed cont rol met hod and

6、t he performance of SA PF.K eyw ords:series active power filter;harmonics detection;cont rol strategy由于非線性負(fù)載的廣泛使用,比如大功率晶閘管變流器、整流器以及電弧爐,使得長久以來電力系統(tǒng)中的諧波問題越來越嚴(yán)重123.在傳統(tǒng)的無源濾波器后,產(chǎn)生了有源電力濾波器(A PF并用于解決諧波問題.串聯(lián)型有源電力濾波器(SA PF的混合結(jié)構(gòu)在19世紀(jì)80年代末被首次提出,用于抑制帶大濾波電感的整流器的電流諧波326,系統(tǒng)框圖如圖1所示.單一結(jié)構(gòu)的串聯(lián)型有源電力濾波器拓?fù)浔挥糜谖针妷盒椭C波負(fù)載所產(chǎn)生的電

7、流諧波,如電容濾波的二極管整流電路,這樣流入電網(wǎng)中的諧波幾乎是正弦的.從SA PF的控制關(guān)系到補償性能,一直以來都是SA PF研究的熱點問題5211.傳統(tǒng)的SA PF的控制方法需要諧波檢測,控制SA PF為頻率敏感阻抗,基波呈現(xiàn)零阻抗,諧波呈現(xiàn)高阻抗.如果阻抗足夠大,則電源電流接近于正弦.所以,如何從電源電流收稿日期:2008206210.作者簡介:袁敞(1981-,男,博士生;劉進(jìn)軍(聯(lián)系人,男,教授,博士生導(dǎo)師.基金項目:“十一五”國家科技支撐計劃重點資助項目(2007BAA12B03. .圖1系統(tǒng)框圖1SA PF 的傳統(tǒng)控制方法SA PF 傳統(tǒng)的控制方法基于諧波檢測,在這些方法中,將SA

8、 PF 控制為頻率敏感阻抗,對于基波呈現(xiàn)零阻抗,對于諧波呈現(xiàn)高阻抗.圖2a 為系統(tǒng)的等效電路,圖2b 是相應(yīng)的控制框圖.利用高通濾波器(HPF 、控制器檢測電源電流i s 并計算其諧波成分i sh ,將電流諧波波形的K 倍作為SA PF 補償電壓的參考值,跟隨參考值使SA PF 被控制為頻率敏感阻抗.為維持變流器直流側(cè)電壓恒定,用直流側(cè)電壓反饋控制來維持SA PF 交流側(cè)和直流側(cè)功率平衡.在這些控制方法中,H PF 的性能非常重要.迄今為止,人們已經(jīng)在這個領(lǐng)域展開了深入的研究并提出了很多算法,比如快速傅里葉變換、基于瞬時無功理論的p 2q 法等.這些諧波檢測算法中大多數(shù)需要很大的計算量,并且通

9、常由高成本的DSP 來實現(xiàn).盡管DSP 的計算速度很快,它仍然難以實現(xiàn)理想高通濾波器的性能.非理想濾波器給待濾波的信號帶來相位上的延時,導(dǎo)致補償效果不夠理想.在工程實際中,很多情況下諧波源是固定的,待濾波信號也是周期性的,因此通常用前一周期所得到的信息就可以變相獲得相位超前,這種替換可補償由于非理想H PF 的特性以及數(shù)字控制上的延時.當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時,這種方法的有效性值得懷疑,而且補償效果也大打折扣,甚至系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不能得到保證 .( a 等效電路(b 控制框圖圖2SA PF 的傳統(tǒng)控制方法2SA PF 的新型控制方法為了解決上述問題,有兩種方案:(1設(shè)計更好的濾波器,如自適應(yīng)濾波器、

10、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等13214;(2從控制系統(tǒng)中去除諧波檢測環(huán)節(jié).第一種方案意味著更高的系統(tǒng)成本,本文所提出的新型控制方法基于第二種方案.在所提出的控制方法中,補償電壓的參考由兩部分組成u 3c (t =u c (t +u c (t (1首先,式(1控制信號的第一部分是負(fù)載電流全部分量的倍數(shù),由于去除了高通濾波器,SA PF 不需要復(fù)雜的運算單元u c (t =Ki s (t (2若補償電壓僅等于控制信號的第一部分u c (t ,理論上電源電流的諧波將被消除.但是,這樣補償電壓將含有大量的基波分量,故SA PF 將類似一個真實的電阻,吸收大量的有功.由于整個電路將運行于一種非正常狀態(tài),直流側(cè)電壓將迅

11、速升高,故加入?yún)⒖夹盘柕牡诙糠謥砥胶庥泄?通常這部分的調(diào)節(jié)器選用PI 調(diào)節(jié)器,因此獲得的參考信號的時域表達(dá)為78第2期袁敞,等:一種新型串聯(lián)型有源電力濾波器無諧波檢測控制方法u c (t =-K P (u DC (t -u 3DC +K I (u DC (t -u 3DC d t sin (t +(3式中:K P 、K I 是PI 調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù);u DC (t 表示直流側(cè)電壓瞬時值;u 3DC 表示直流側(cè)電壓的參考值;sin (t +表示與電源電壓同相位的單位正弦量.該控制信號保證SA PF 的直流側(cè)電壓恒定,所以SA PF 不會從電源吸收有功功率,可以正常運行.圖3表示新型控

12、制方法的控制策略,整個控制律為u 3c (t =Ki s (t -K P (u DC (t -u 3DC +K I (u DC (t -u 3DC d t sin (t +(4 圖3新型控制方法的控制框圖3仿真結(jié)果基于圖1中SA PF 的結(jié)構(gòu)框圖,搭建仿真系統(tǒng)以驗證控制策略的有效性.仿真系統(tǒng)中電源為三相正弦電壓源,線電壓有效值為380V ,負(fù)載為三相二極管整流橋帶阻容負(fù)載,直流側(cè)濾波電容為1000F ,負(fù)載電阻為20.SA PF 由三相電壓型PWM 變流器、直流側(cè)電容、輸出開關(guān)次濾波器和耦合變壓器構(gòu)成.直流側(cè)電容為1000F ,輸出濾波電感為1mL ,濾波電容為100F ,阻尼電阻為10,耦合

13、變壓器變比為1.圖4a 是補償前的電源電流,仿真結(jié)果見圖4,計算獲得補償前電流的總諧波畸變率(T HD 為61%.從上至下,通道1為補償后的電源電流,通道2為SA PF 輸出的補償電壓,通道3為SA PF 直流側(cè)電壓.直流側(cè)電壓的指令值為700V ,補償后電源電流總諧波畸變率為314%,諧波抑制效果明顯.圖4d 是在1s 時二極管整流橋直流側(cè)突加負(fù)載時的動態(tài)響應(yīng),1s 時刻直流側(cè)并聯(lián)一個100電阻來產(chǎn)生負(fù)載擾動.新的控制方法能夠穩(wěn)定運行,抑制負(fù)載擾動的影響, 并在動態(tài)過程中保(a 補償前的電源電流(b 補償前電源電流的頻譜(c 穩(wěn)態(tài)補償特性(d 直流側(cè)電壓有擾動時補償效果圖4仿真結(jié)果持滿意的補

14、償性能.仿真結(jié)果驗證了所提出的新控制方法的有效性,在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)時均可有效抑制電88西安交通大學(xué)學(xué)報第43卷流諧波.4實驗結(jié)果為了驗證所提出新型控制方法的性能,搭建了圖5a 、圖5b 是補償前電源電流波形及頻譜,電源電流畸變明顯,諧波含量很大.圖5c 是補償后實驗結(jié)果,317%,電源電流諧波得到抑制,波形明顯改善,接近正弦.由此說明了采用新型控制方法后串聯(lián)型有源電力濾波器的運行有效 .(a 補償前的電源電流波形(b 補償前的電源頻譜(c SA PF 采用新控制策略時的補償電壓和電源電流圖5實驗結(jié)果5結(jié)論對于串聯(lián)型有源電力濾波器的傳統(tǒng)控制方法進(jìn)行回顧后,本文提出了一種新型控制方法,即無需負(fù)1A K

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