模塊化多APF并聯(lián)環(huán)流抑制研究

禹華軍， 金金

(1. 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241；2.上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海 200240)

模塊化多APF并聯(lián)環(huán)流抑制研究

禹華軍1， 金金2

(1. 上海電氣風(fēng)電設(shè)備有限公司，上海 200241；2.上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海 200240)

為研究解決模塊化多APF的并聯(lián)運行系統(tǒng)中的環(huán)流問題，根據(jù)環(huán)流產(chǎn)生的原因，提出了環(huán)流抑制的控制策略。正序、負(fù)序和零序協(xié)調(diào)控制的策略能夠通過PI調(diào)節(jié)對裝置電流大小進行調(diào)節(jié)從而消除環(huán)流，預(yù)測控制策略本身存在的超前特性能夠消除信號延遲帶來的裝置電流相位差異，從而達(dá)到消除環(huán)流的目的。仿真結(jié)果驗證了控制策略的可行性和有效性。

模塊化多APF；并聯(lián)運行；環(huán)流電流；正負(fù)零序協(xié)調(diào)控制；預(yù)測控制

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的進步和電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力電子裝置在社會生產(chǎn)、生活等在各方面的廣泛應(yīng)用所引起的諧波危害也越來越嚴(yán)重[1-2]。尤其是采用風(fēng)電、太陽能等分布式電源接入的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，諧波問題顯得更加突出。采用高頻開關(guān)變換技術(shù)的電力有源濾波器APF可以有效抑制諧波并補償無功功率[3]。然而由于開關(guān)功率器件本身的容量限制，制約了單臺APF補償容量的提高，模塊化APF并聯(lián)運行得到大家的關(guān)注。但是，模塊化多APF并聯(lián)運行時也存在環(huán)流現(xiàn)象，國內(nèi)外文獻(xiàn)對于多APF并聯(lián)運行的環(huán)流問題暫時還未涉及。因此研究采用模塊化多APF并聯(lián)運行以求獲得更大的補償容量具有重要的研究意義。

本文基于電容分裂式三相四線制不對稱負(fù)載系統(tǒng)，在模塊化多APF并聯(lián)運行的情況下，由環(huán)流的定義出發(fā)，分析了環(huán)流產(chǎn)生的幾種原因，對系統(tǒng)進行了模型分析和環(huán)流分析。針對裝置電流大小存在差值以及相位存在偏差兩種情況產(chǎn)生的環(huán)流，分別提出了正序、負(fù)序和零序協(xié)調(diào)控制策略和預(yù)測控制策略，并對兩種方法進行了控制理論分析，最后通過仿真驗證了本文所提出的抑制控制策略的正確性和可行性。

1 多APF并聯(lián)的等效模型

1.1 多APF并聯(lián)運行環(huán)流環(huán)路分析

如圖1所示為n個公用直流電容的電容分裂式三相四線制APF并聯(lián)運行系統(tǒng)。USabc為系統(tǒng)電壓，iSabc為電網(wǎng)電流，iLabc為負(fù)載電流，iCabck為第k個APF輸出電流(k=1,2,…,n)，Ta1,Ta2, …,Tc1,Tc2為三相全橋電路中6個IGBT，Cdc1和Cdc2為直流側(cè)上下電容，兩個電容器中點與中性點N相連。逆變器采用LCL濾波器并網(wǎng),其中C為濾波電容用以給高頻分量提供低阻通路,L1為網(wǎng)側(cè)濾波電感,L2為逆變器側(cè)濾波電感,Rd為電容支路阻尼。

圖1 多APF并聯(lián)三相四線制結(jié)構(gòu)

由圖1可知，相比于多逆變器并聯(lián)運行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，多APF并聯(lián)運行增加了負(fù)載回路，并且APF的輸出電流由負(fù)載需要補償?shù)碾娏骺偭繘Q定。

1.2 環(huán)流建模

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，建立電容分裂式三相四線制單臺APF的三相回路方程為:

(1)

其中uAjO、uBjO、uCjO分別為第j組APF的輸出端口A、B、C三相電壓，iCaj和iCAj分別為經(jīng)過電感L1和L2的電流，usa、usb、usc分別為系統(tǒng)A相、B相和C相電壓，uNO為APF中點對O點的電壓。單臺電容分裂式三相四線制的APF是一個三相相互獨立的非耦合系統(tǒng)，可以將其等效為三個獨立的單相半橋逆變電路[4]。以A相為例，由LCL濾波器的基本原理，在圖1中把A相LCL電路看成：L1支路和電容支路C并聯(lián)后再與L2支路串聯(lián)。A相等效電路數(shù)學(xué)模型如下：網(wǎng)側(cè)電感L1與電容支路C存在分流關(guān)系，所以網(wǎng)側(cè)電流i1為:

(2)

其中i1和i2分別為電感L1電流和L2電流，XC和XL1分別為C回路和L1回路的電抗。整理公式(1)和公式(2)，可以得到

(3)

根據(jù)環(huán)流的定義，可以推出多APF并聯(lián)運行的各相環(huán)流表達(dá)式。

(y=a,b,cY=A,B,C)

(4)

Cy1、Cy2…Cyn分別為某相的環(huán)流，Zn為第n相電抗。

2 環(huán)流抑制策略

在多APF并聯(lián)運行的系統(tǒng)中，理想狀態(tài)下，各臺APF同步運行，各裝置電流大小和相位均同步，此時不會產(chǎn)生環(huán)流。然而實際情況并不能滿足理想狀態(tài)，各裝置電流大小或者相位難免存在差值，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流。

當(dāng)并聯(lián)裝置發(fā)出電流相位一樣，大小存在偏差時，為了得到穩(wěn)定的環(huán)流抑制控制策略，環(huán)流首先被分解為正序環(huán)流、負(fù)序環(huán)流和零序環(huán)流三部分，其分解表達(dá)式如公式(5)所示:

(5)

其中CZn，CPn，CNn分別為第n臺APF的零序環(huán)流、正序環(huán)流和負(fù)序環(huán)流。

為了解決此時存在的環(huán)流問題，本文提出了一種正序、負(fù)序、零序環(huán)流協(xié)調(diào)控制策略，即分別對正序、負(fù)序、零序環(huán)流進行協(xié)調(diào)控制，得到環(huán)流控制所需要的調(diào)制波，再加入到系統(tǒng)控制中去，從而達(dá)到消除環(huán)流的目的。總的控制框圖如圖2所示。

圖2 多機并聯(lián)第j臺機環(huán)流抑制控制圖

如圖2中所示，多APF并聯(lián)運行時，要對第j臺機進行環(huán)流抑制，首先提取第j臺機的裝置輸出電流，對其進行前文中的公式轉(zhuǎn)換可以得到第j臺機的正序、負(fù)序和零序環(huán)流，然后對正、負(fù)、零序環(huán)流分別獨立進行PI控制，并將經(jīng)過PI控制之后得到的正序環(huán)流和負(fù)序環(huán)流的信號進行反變換，與得到零序環(huán)流抑制信號相加得到第j臺機的環(huán)流抑制信號，此信號與APF諧波補償信號進行疊加，經(jīng)過PWM變換之后，最終得到第j臺機子的工作指令信號。上述控制方法可以對多APF并聯(lián)運行裝置發(fā)出電流大小存在差異的情況進行環(huán)流控制，并能得到較好的環(huán)流抑制效果，具體效果將在后面的仿真分析中進行分析。

由前面的分析可知，當(dāng)裝置電流存在信號延遲時會產(chǎn)生相位差，從而也會導(dǎo)致裝置之間存在環(huán)流。對于信號延遲產(chǎn)生的環(huán)流，要消除環(huán)流，只需要對延遲信號進行處理，消除信號的延遲即可消除環(huán)流。消除信號延遲，本文采取的是預(yù)測控制。預(yù)測控制是根據(jù)當(dāng)前時刻的輸入電流準(zhǔn)確預(yù)測出下一個采樣時刻的電流，這樣必然會帶來信號的超前，通過預(yù)測控制帶來的信號超前來消除并聯(lián)運行中存在的信號延遲，從而最終達(dá)到消除環(huán)流的目的[5]。

圖3 預(yù)測控制框圖

圖3為圖2中預(yù)測控制的原理拓展圖，iCabcj(k)*為k時刻第j臺APF裝置的參考電流，iCabcj(k+1)*為預(yù)測出來的第k+1時刻第j臺APF裝置的參考電流。

針對k+1時刻的參考電流的常用預(yù)測方法有平推預(yù)測、拉格朗日二階外插值預(yù)測[6,7]、重復(fù)預(yù)測以及各種預(yù)測方法的復(fù)合預(yù)測等[8]。平推預(yù)測常用于穩(wěn)態(tài)電路，即利用上一周期的歷史數(shù)據(jù)作為下一周期采樣點的參考電流，預(yù)測電流如式(6)所示。拉格朗日二階外插值預(yù)測既適用于穩(wěn)態(tài)也適用于暫態(tài)電路，因考慮了各采樣點參考電流的微小變化，因而比平推預(yù)測具有更高的預(yù)測精度。該方法利用拉格朗日二階外插值定理，利用前三拍的歷史數(shù)據(jù)來預(yù)測后一拍的參考電流，其預(yù)測電流如式(7)所示。

(6)

(7)

為了提高電流預(yù)測的精度，本文中采用了預(yù)測精度更高的拉格朗日二階外插值預(yù)測來進行電流預(yù)測。從公式可以看出預(yù)測控制得出的電流具有超前特性，因此可以用來消除信號延遲所產(chǎn)生的環(huán)流。

3 仿真分析

為了驗證本文提出模塊化多APF并聯(lián)運行的環(huán)流抑制策略的正確性和可行性, 在MATLAB/Simulink中按照圖1的拓?fù)浯罱穗娙莘至咽饺嗨木€制多APF并聯(lián)運行的仿真模型。為了方便研究,本文選取了兩臺機并聯(lián)運行的情況進行仿真驗證。系統(tǒng)仿真參數(shù)為：三相線電壓Us=380 V，系統(tǒng)頻率fs=50 Hz,開關(guān)頻率f=10 kHz，LCL濾波器L1=0.02 mH，L2=1.18 mH，C=50 μF，Rd=3 Ω，直流側(cè)電容Cdc1=Cdc2=10 mF。

3.1 多APF并聯(lián)運行不平衡負(fù)載補償

負(fù)載為中性點上下各跨接Rload1=6Ω的整流負(fù)載，其中A相單獨添加了Ra=3Ω,La=3 mH的負(fù)載。對比圖4(a)、圖4(b)兩圖，可以看出，補償前負(fù)載存在較大的諧波電流，并且存在明顯的電流不平衡；補償后，可以看出網(wǎng)側(cè)電流中的諧波電流基本消除，不平衡也基本被全部補償，從而可以看出多APF并聯(lián)能夠比較好地改善電網(wǎng)電流。

圖4 多APF并聯(lián)運行補償效果

3.2 裝置電流大小存在差異

由前文分析可知，當(dāng)兩臺裝置發(fā)出電流大小存在差異時，會產(chǎn)生環(huán)流電流。以A相裝置電流為例，圖5為兩臺裝置發(fā)出電流大小存在差異時，兩臺機A相裝置電流以及此時環(huán)流電流波形，因為APF需要補償負(fù)載的諧波電流，所以裝置電流中存在比較大的諧波電流?？梢悦黠@看出此時兩臺裝置的發(fā)出電流大小存在差異，此時A相存在峰值5 A左右的不規(guī)則環(huán)流電流。圖6為采取控制策略之后的兩臺裝置A相電流以及環(huán)流電流波形，可以看出采取控制策略之后，兩臺裝置的A相發(fā)出電流進行調(diào)整，電流大小基本相等，并且兩臺機的裝置電流之和相比控制之前保持不變，而此時環(huán)流電流也基本被消除。由此可以驗證本文提出的控制策略能有效在保證整個系統(tǒng)補償電流總量不變的情況下，消除裝置電流大小差異所產(chǎn)生的環(huán)流。

圖5 補償前A相裝置電流以及環(huán)流電流波形

圖6 補償后A相裝置電流以及環(huán)流電流波形

3.3 裝置電流相位存在差異

由前文分析可知，當(dāng)兩臺裝置發(fā)出電流相位存在差異時，也會產(chǎn)生環(huán)流。以A相裝置電流為例，圖7為相位存在差異時，兩臺機A相裝置電流以及此時環(huán)流電流波形，其中第二臺機裝置電流相位上存在一個采樣時間的時間延遲?？梢钥闯龃藭r的兩臺裝置發(fā)出電流大小相等，但存在相位偏差，此時的系統(tǒng)中會產(chǎn)生比較明顯的環(huán)流電流。而采取了預(yù)測控制策略后，兩臺機A相裝置電流以及此時環(huán)流電流波形如圖8所示，可以看出，預(yù)測控制策略可以比較好地消除時間延遲帶來的相位偏差，兩臺裝置的發(fā)出電流大小和相位均一致，從而能比較好地消除環(huán)流電流，此時環(huán)流電流基本消除。

圖7 補償前A相裝置電流以及環(huán)流電流波形

圖8 補償后A相裝置電流以及環(huán)流電流波形

本文從環(huán)流定義出發(fā)，分別對環(huán)流產(chǎn)生的兩種原因進行了仿真設(shè)計，并根據(jù)所提出的兩種控制策略分別進行驗證，由上述的仿真結(jié)果可以看出不管是裝置電流的大小或者相位存在差異，本文所提出的控制策略均能比較好地抑制環(huán)流電流，從而可以驗證本文所提出的控制策略的正確性和可行性。

4 結(jié)束語

本文以電容分裂式三相四線制模塊化多APF并聯(lián)運行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了模型，對多機并聯(lián)運行時會產(chǎn)生裝置環(huán)流的問題進行分析，并從環(huán)流定義出發(fā)，分別對環(huán)流產(chǎn)生的兩種原因提出了控制策略，在此基礎(chǔ)上進行了理論分析和仿真研究，最終得出結(jié)論：本文提出的正序、負(fù)序、零序電流控制策略能夠在不改變裝置總補償電流的情況下，通過調(diào)節(jié)兩臺裝置各自發(fā)出電流的大小，從而有效地抑制裝置電流大小存在差異所導(dǎo)致的環(huán)流；而預(yù)測控制策略本身帶來的信號超前的特性可以有效地消除延時影響，最終可以消除裝置電流相位差異所導(dǎo)致的環(huán)流。

[1] 魏學(xué)良,戴坷,梁志珊,等.不平衡負(fù)載下并聯(lián)有源電力濾波器的補償性能[J].高電壓技術(shù),2008,34(6):1195-1200.

[2] 劉景遠(yuǎn),張忠杰,萬玉良,等.三相四線有源電力濾波器的仿真及實驗[J].電力電子技術(shù),2014,48(1)：43-44.

[3] 卓放,楊君,王兆安.用于三相四線制系統(tǒng)的有源電力濾波器研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報,2003,3(34): 57-90.

[4] 王盼,劉飛,查曉明.基于有源阻尼的并聯(lián)有源濾波器輸出LCL濾波器設(shè)計[J].電力設(shè)備自動化,2013,33(4):161-166.

[5] 李國華,張影,汪玉鳳,等.基于預(yù)測控制的有源電力濾波器選擇性諧波補償方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2014,38(10):2938-2942.

[6] 劉永強,嚴(yán)正,倪以信.雙時間尺度電力系統(tǒng)動態(tài)模式降階研究(二)系統(tǒng)降價與分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2002,26 (19):1-6

[7] 韓郁,詹長江,趙炳良,等.三電平并聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制技術(shù)研究[J].清華大學(xué)學(xué)報,2000,40(3):40-43.

[8] 何英杰,劉進軍,王兆安,等.基于重復(fù)預(yù)測原理的三電平APF無差拍控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報,2010,25(2):114-120.

A Study on the Inhibition of Circulating Current in Modular Multi-APFs

Yu Huajun1, Jin Jin2

(1. Shanghai Electric Wind Power Equipment Co., Ltd., Shanghai 200241, China;2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of the Ministry of Education, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

To solve the circulating current problem in the parallel operation system of modular multi-APF, this paper presents a control strategy for inhibition of circulating current in view of the causes of generation of circulating current. Through PI regulation, the coordinated control strategy for positive, negative and zero-sequence can adjust the current of the device so as to eliminate circulating current. The predictive control strategy has a time-advanced characteristic, which can eliminate phase difference caused by signal delay, thus attaining the purpose of eliminating circulating current. Simulation results verify the feasibility and validity of the proposed control strategy.

modular multi-APF; parallel operation; circulating current; coordinated control of positive; negative and zero-sequence; predictive control

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.013

TM761

A

1000-3886(2017)01-0041-04

禹華軍(1977-) 男,湖南人,博士,高級工程師,電力電子與電力傳動專業(yè)。

定稿日期: 2016-06-14