基于單周期復位積分諧波檢測法的三相并聯APF研究

黃建娜 蘇君

(河南工業職業技術學院 機械工程系，河南 南陽 473009)

0 引言

隨著現代工業的發展，電力負載變得越來越多樣化，使得電力系統中的諧波污染日益嚴重，傳統的無源電力濾波器(PF)不能滿足電力系統的需要。有源濾波器以其良好的性能，成為濾除諧波的重要手段。它先檢測出由于非線性負載引起的電網中的諧波電流，然后通過電力變換器向系統注入一定量的補償電流，來抵消系統中的諧波電流。因此諧波電流的檢測變得尤為重要，要求檢測方法快速、準確。

諧波電流檢測方法主要有以下幾種:離散傅里葉變換法、瞬時無功功率理論檢測法以及自適應檢測法［1－5］。其中前兩者應用最為廣泛，尤其瞬時無功理論以其非常好的實時性被廣泛應用，但也都存在缺點:離散傅里葉變換法雖然具有很高的檢測精度，但其需要一個工頻周期才能得到補償指令信號，因而動態性能受到很大影響。瞬時無功理論檢測法計算過程復雜、且需要用低通濾波器，而低通濾波器的使用使得系統檢測精度和響應速度成為一對矛盾指標，為了獲得好的檢測精度，響應速度就會變差，而為了獲得好的動態性能，檢測精度必然降低［6－7］。

周期復位積分法是一種新的諧波電流檢測法，方法簡單、實時性強。有學者對其在單相系統中的應用做了研究［8－9］，取得了很好的效果。本文將單周期復位積分諧波電流檢測法用于三相系統。該方法通過對瞬時電壓與瞬時電流乘積的周期復位積分得到基波有功電流，然后用負載電流與基波有功電流相減來計算出無功電流與諧波電流之和。省去了復雜的計算和低通濾波器的使用。當這種方法應用于APF存在難以實現直流側平衡控制問題，本文提出一種新方法，即將直流側PI調節器輸出三等分后再與各相基波有功電流相加作為有功電流的參考信號，這樣能實現在提供抵消諧波所需的有功的同時，系統各相均能提供一定的有功電流來維持直流側電壓穩定。

最后，利用EMTP對系統進行了仿真的基礎上，用TI公司的DSP為開發平臺進行了實驗驗證。

1 有源濾波器的整體控制策略

基于單周期復位積分的三相并聯型APF的整體結構與控制策略如圖1示。其中電壓源逆變器通過交流側輸出濾波器并入三相電網，輸出濾波器可將逆變器輸出電壓轉化為補償電流，從而抵消由非線性負載引起的諧波電流，避免了諧波電流流入電網造成危害。輸出采用濾波效果好的LC濾波器。諧波電流的檢測方法采用簡單的單周期復位積分法。為了使逆變器穩定高效工作，需調節逆變器直流側電壓使其穩定在給定量。補償電流跟蹤控制環節采用PI電流控制器。

圖1 APF整體控制框圖

2 單周期復位積分諧波、無功電流檢測

對三相系統，電源電壓可設為

式中Us為電壓幅值;ω1為系統基波頻率。

負荷電流設為

式中I0為直流分量;I1為基波幅值;In為各次諧波的幅值;θ1為基波分量的初相角;θn為各次諧波的初相角。

對電源電壓和負荷電流的乘積進行單周期積分便可得到負荷電流基波有功分量的幅值，如下式

負荷電流基波有功分量的相位與電源電壓相位一致，于是得到負荷電流的基波有功分量為

負荷電流減去基波有功分量便可得到負荷電流的無功與諧波分量，如(5)式

所得到的無功電流及諧波電流之和既是補償電流的指令信號。得到補償電流指令信號后，跟蹤指令電流采用滯環比較方式。相比PI控制或重復控制［10］，本文選擇滯環比較控制能獲得更快的電流跟蹤效果。

3 直流側電壓控制

對一個理想的APF而言，只有無功功率通過逆變器與直流側儲能電容進行能量交換，對直流側電容電壓引起一定的波動，但直流側電容電壓在一個工頻周期內積分為零，所以直流側電壓的平均值仍然是一個定值。但實際的補償裝置存在開關損耗等有功損耗，從而引起直流側電容電壓的變化，也可以說直流側電容因提供少量有功功率而引起直流側電壓下降。為了保持APF的穩定工作，必須對直流電壓進行控制。本文提出的方法是先將直流側電壓的給定與實際的差值經PI調節器輸出得到I*PA，然后將其乘以1/3加到每相基波有功電流幅值信號上。以A相為例，則得到新有功電流幅值信號I'Pa，再與A相鎖相后的正弦信號相乘，得到有功電流i'Pa，這樣使得APF的補償電流中包含一定的基波有功分量，可以使逆變器由交流側向直流側傳遞一定的能量，從而使直流側電壓穩定在給定值。這種控制思想是讓各相系統平均提供一定有功能量由交流側傳遞向直流側去實現直流側穩定。圖2為所提出直流側控制框圖。

圖2 單相有功電流計算及直流側控制圖

從單周期復位積分控制的原理看，檢測信號要延時一個周期，所以對負荷突變的響應會不夠靈敏。實際上有了直流側電壓控制，負荷突變時，由于該方法是通過求得基波有功分量，然后從負荷電流中減去基波有功分量而獲得諧波與無功電流的。當負荷電流變化的一個周期中，iL－不但包含無功和諧波電流，還包含部分有功分量，直流側電壓控制，使得直流側電容提供這部分的有功能量［8］，諧波仍然能被濾除，所以該方法在負荷變化時的動態響應性能仍然較好。

4 EMTP仿真

采用EMTP對三相不可控整流諧波負載的APF進行了仿真分析。仿真電路參數如表1所示。圖3為仿真波形，其中圖3(a)是諧波負載電流及補償電流的仿真波形，圖3(b)是補償后的系統電流波形。

表1 仿真模型參數

5 實驗結果

圖3 仿真結果圖

為了驗證該方法的有效性，研制了一臺5kVA APF實驗樣機，整個實驗系統的具體參數為Us=110V，Udc=320V，Cdc=1880μF，交流側輸出濾波器參數為L=3mH，C=10μF。控制系統使用TMS320F2812為核心的DSP控制平臺。

圖4 實驗波形

圖4為實驗波形，其中圖4(a)所示為未投入APF時的系統電壓和諧波負載電流，圖4(b)為系統運行時APF的補償電流，可以看出電流跟蹤速度快。圖4(c)顯示了濾波后系統電壓電流波形和直流電壓波形，可以看出系統電流諧波明顯降低，總諧波畸變率(THD)達到4.8%，同時直流側控制方法使得直流電壓穩定在給定值。實驗結果和仿真結果基本一致，達到了良好的濾波效果。

6 結論

本文將單周期復位積分用于三相并聯有源電力濾波器的諧波和無功電流的檢測，相對離散傅里葉變換法、瞬時無功理論、自適應等諧波檢測法，這種方法簡單，精度高，容易數字實現。并提出以各相系統平均提供一定有功能量由交流側傳遞向直流側為控制思想去實現其直流側平衡，保持直流側穩定能提高系統的濾波能力。仿真和實驗結果驗證了這種方法良好的濾波效果，濾波的同時能補償無功功率，提高功率因數。這種方法在APF的應用中具有一定的推廣價值。

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