并聯(lián)型有源電力濾波器雙環(huán)控制技術(shù)研究

王紅艷

(許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

并聯(lián)型有源電力濾波器雙環(huán)控制技術(shù)研究

王紅艷

(許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

摘要：結(jié)合并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理，設(shè)計(jì)了由電壓環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，電流檢測電路采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波檢測算法，電壓外環(huán)采用限幅PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用電壓空間矢量SVPWM控制. 通過MATLAB軟件的Simulink工具箱對并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真分析，仿真結(jié)果證明了雙環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用于并聯(lián)型有源電力濾波器的有效性和合理性.

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；雙環(huán)控制；諧波檢測；MATLAB

隨著電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛使用，公用電網(wǎng)中無功和諧波的含量日益增多，對電力系統(tǒng)環(huán)境造成了極大的污染，嚴(yán)重影響了電能的質(zhì)量. 有源電力濾波器( APF)作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，既能動態(tài)地補(bǔ)償諧波電流，又能補(bǔ)償無功分量[1]，日益成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn). 有源電力濾波器是一種電力電子補(bǔ)償裝置，能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果不受電網(wǎng)阻抗的影響[2].并聯(lián)型有源電力濾波器作為一種可控電流源，用于補(bǔ)償電流型諧波源, 是目前諧波治理應(yīng)用最多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3].

1并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理

并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理是從非線性負(fù)載電流中檢測出諧波和無功電流分量，由APF產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電流與該諧波無功電流分量相互抵消，從而達(dá)到抑制諧波、補(bǔ)償無功的目的[4]. 如圖1所示.

圖1　并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成

iL=iLp+iLh+iLq.

(1)

ic=-(iLh+iLq).

(2)

is=iL+ic=iLp.

(3)

2并聯(lián)型有源電力濾波器的控制策略

并聯(lián)型有源電力濾波器的控制器由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)2個(gè)部分組成[5]，如圖2所示.

圖2　并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)控制框圖

2.1諧波電流檢測算法

2.2電壓環(huán)控制策略

當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)，直流母線電壓一開始為零，與給定值相差很大，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號Δip就會很大.而有源電力濾波器的交流電感很小，如果不采取措施，就會有很大的沖擊電流，有可能燒壞IGBT和直流母線電容，因此必須對系統(tǒng)進(jìn)行軟啟動. 在APF主電路進(jìn)行諧波無功補(bǔ)償之前，將主電路交流側(cè)的接觸器斷開，如圖2所示，使直流側(cè)電容首先通過主電路開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻進(jìn)行預(yù)充電；直到直流側(cè)電壓充電至三相線電壓峰值左右時(shí)再合上交流側(cè)接觸器，將限流電阻短路，直接對電容充電[8]. 另外，為了限制直流側(cè)電壓的超調(diào)量，穩(wěn)定電容實(shí)際電壓值和參考值之間的偏差，對直流側(cè)電壓的PI控制進(jìn)行誤差限幅. 當(dāng)直流側(cè)電壓的參考值與實(shí)際值的誤差ΔU小于限定值時(shí)，不干預(yù)PI控制器的正常工作，將實(shí)際電壓誤差作為其輸入；而當(dāng)電壓誤差ΔU大于限定值時(shí)，將限定值作為PI控制器的輸入[8]．

2.3電流環(huán)控制策略

補(bǔ)償電流的控制方法是實(shí)現(xiàn)APF功能的核心環(huán)節(jié)，它通過產(chǎn)生開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖實(shí)現(xiàn)對諧波和無功電流的動態(tài)補(bǔ)償. 電壓空間矢量(SVPWM)控制可以大大提高APF主電路直流側(cè)電壓的利用效率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率進(jìn)而減少APF引入的諧波成分，而且SVPWM控制策略更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，因此廣泛應(yīng)用于有源濾波器控制系統(tǒng)和電機(jī)控制中.SVPWM調(diào)制算法用于有源濾波器時(shí)，首先需要通過電流電壓轉(zhuǎn)換將電流檢測電路輸出的補(bǔ)償電流指令值變換為三相電壓指令值，然后由三相電壓指令值根據(jù)SVPWM調(diào)制算法得到主電路開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖[7]. 電壓空間矢量控制的重要環(huán)節(jié)是電壓空間矢量的合成，先將電流電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的三相電壓指令值經(jīng)三相/兩相坐標(biāo)變換變換至兩相靜止αβ坐標(biāo)系下，在αβ坐標(biāo)系中合成得到參考電壓空間矢量，通過參考電壓空間矢量的相位角判斷其所在的扇區(qū)；選擇所在扇區(qū)的相鄰兩個(gè)基本電壓空間矢量和合適的零矢量，遵循伏秒平衡的原則運(yùn)算獲得基本電壓空間矢量的作用時(shí)間，從而合成參考電壓空間矢量[9].

3并聯(lián)型有源電力濾波器的MATLAB仿真

圖3　并聯(lián)型有源電力濾器仿真結(jié)果

從圖3仿真波形可以看出：0.15s之前，由于APF只補(bǔ)償諧波電流沒有進(jìn)行無功補(bǔ)償，電源電流波形滯后電壓波形；0.15s后APF同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功電流，電源電流和電壓波形完全同步；0.1s時(shí)突增負(fù)載，APF輸出電流快速跟蹤負(fù)載電流的變化. 仿真結(jié)果表明基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波檢測法能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波和無功電流，SVPWM控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)精確補(bǔ)償，顯著改善了與電網(wǎng)連接處的電能質(zhì)量，并且所設(shè)計(jì)的有源電力濾波器具有很好的快速響應(yīng)特性.

4結(jié)語

本文對并聯(lián)型有源電力濾波器采用電壓內(nèi)環(huán)和電流外環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)控制技術(shù)，電壓內(nèi)環(huán)在基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波檢測算法的基礎(chǔ)上采用限幅PI控制，電流外環(huán)采用電壓空間矢量SVPWM控制. 通過MATLAB軟件對并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明：采用雙環(huán)控制技術(shù)的并聯(lián)型有源電力濾波器能夠?qū)崟r(shí)地對電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波與無功電流實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)償，使電網(wǎng)電流得到明顯地改善；證明了并聯(lián)型有源電力濾波器采用雙環(huán)控制技術(shù)的有效性和合理性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和研究提供了參考和依據(jù).

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StudyontheTechnologyofDouble-loopControlfor

ShuntActivePowerFilter

WANGHong-yan

(School of Electrical & Information Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

Abstract:This paper introduces the basic working principle of the shunt active power filter and designs a double-loop control system that is composed of voltage loop and current loop. The current detection circuit uses the ip-iq harmonic detection algorithm based on instantaneous reactive power theory. The paper proposes an amplitude limiting PI control strategy for the outer voltage loop, and the voltage space vector PWM control strategy for the inner current loop. The model of parallel active power filter system was built through Simulink toolbox of MATLAB software. The simulation results prove that the parallel active power filter using dual loop control technology is effective and reasonable.

Key words:active power filter; double-loop control; harmonic detection; MATLAB

責(zé)任編輯：趙秋宇

中圖分類號：TM921

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9824(2015)02-0039-04

作者簡介：王紅艷(1980—)，女，河南孟州人，講師，碩士，研究方向：電力電子技術(shù)及其應(yīng)用.

收稿日期：2014-02-21