延時(shí)對(duì)有源濾波器補(bǔ)償性能的影響

張能 耿攀 袁陽 高宜朋

（1.海軍駐431軍代表室，遼寧葫蘆島 121000；2.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064；）

0 引言

艦船綜合電力系統(tǒng)是整個(gè)艦船系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)。它會(huì)影響幾乎所有其它系統(tǒng)，影響整條艦船的運(yùn)行安全性、戰(zhàn)斗性能和經(jīng)濟(jì)效率。隨著電力電子裝置等非線性負(fù)荷在艦船中的大量應(yīng)用，為了提高艦船綜合電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，采用有源濾波技術(shù)構(gòu)建電能質(zhì)量保證模塊，對(duì)艦船大容量獨(dú)立交流電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合治理已成為必然的趨勢(shì)。

有源電力濾波器（APF）是可以動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，與傳統(tǒng)的無源濾波相比，APF的調(diào)節(jié)和響應(yīng)更加快速、靈活，對(duì)短路容量、復(fù)雜負(fù)載和電網(wǎng)頻率波動(dòng)并不十分敏感，更加適合在艦船綜合電力系統(tǒng)中使用。

在數(shù)字控制的有源濾波器中，不可避免的存在由測(cè)量和AD采樣等因素引起的時(shí)間延遲，必然造成有源濾波器系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)恼`差，補(bǔ)償?shù)臏髮⒅苯訍夯性措娏V波器的電流跟蹤特性和補(bǔ)償效果。

本文以三相三線并聯(lián)型有源濾波器為研究對(duì)象，分析補(bǔ)償延時(shí)的原因和對(duì)有源濾波器的影響，并提出控制策略。

1 補(bǔ)償延時(shí)原因分析

并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種APF，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過產(chǎn)生與負(fù)載電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使網(wǎng)側(cè)電流成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。此外并聯(lián)APF能夠防止無源濾波器和電網(wǎng)阻抗之間的諧振產(chǎn)生。

圖1 并聯(lián)型APF電路

并聯(lián)型 APF補(bǔ)償電流響應(yīng)的時(shí)間延遲的成因有：

1）交流側(cè)電感具有減緩電流變化之特性，使電流響應(yīng)滯后。

2）假設(shè)采用PI控制，則一階傳函為：

式中：id為輸出補(bǔ)償電流，id*為輸出補(bǔ)償電流指令，Kp_i為PI系數(shù)中比例參數(shù)，可見加大P可加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但P過大，又導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以PI控制無法從根本上消除延遲。

3）輸出電流和負(fù)載電流檢測(cè)回路有前置低通濾波器，來對(duì)高頻分量進(jìn)行衰減。低通濾波器在濾除高頻分量的同時(shí)會(huì)引起檢測(cè)信號(hào)相位的滯后。

4）負(fù)載電流和輸出電流信號(hào)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，采樣延遲一個(gè)采樣周期Ts。

5）電流電壓信號(hào)經(jīng)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生指令，但是在程序運(yùn)行中K次載波產(chǎn)生的指令在K+1次載波產(chǎn)生作用。程序流程機(jī)理產(chǎn)生了一個(gè)載波周期的滯后。

6）鎖相產(chǎn)生的相位誤差，造成輸出相位偏移。

根據(jù)以上成因，可以對(duì)電流響應(yīng)延遲時(shí)間進(jìn)行估算，以系統(tǒng)開關(guān)頻率10 kHz為例，估算總延遲約 200 ～300 μs。

假設(shè)非線性負(fù)載為不控整流負(fù)載，考慮以上各項(xiàng)延時(shí)因素，電流環(huán)采用PI控制進(jìn)行仿真，可得到指令電流與實(shí)際輸出電流波形對(duì)仿真照?qǐng)D2。圖2中在指令電流突變的上升沿和下降沿，系統(tǒng)滯后約 200 μs。

2 延時(shí)對(duì)補(bǔ)償時(shí)效性的影響

假設(shè)三相系統(tǒng)平衡，電流環(huán)可以完全跟蹤指令電流，APF可以視為理想的電流源。

設(shè)單位幅值電網(wǎng)電壓為：

由假設(shè)條件，可知補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流為：

為了考察濾波器諧波抑制效果，定義補(bǔ)償失效率為網(wǎng)側(cè)無功功率在補(bǔ)償后和補(bǔ)償前的百分比。補(bǔ)償前的網(wǎng)側(cè)無功功率為：

補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)無功功率為：

則根據(jù)定義可以得到單次諧波補(bǔ)償失效率為：

根據(jù)上式可以繪制出不同階次諧波的補(bǔ)償失效率和時(shí)間延遲的關(guān)系曲線，如圖3所示。

如圖3所示，若補(bǔ)償五次諧波電流源，200 μs延時(shí)將導(dǎo)致35%的補(bǔ)償失效率，若是七次諧波電流源，將導(dǎo)致50%的補(bǔ)償失效率。

圖3 單次諧波補(bǔ)償失效率與時(shí)延的關(guān)系

3 超前拍補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

為了補(bǔ)償有源濾波器控制的延遲，可采用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行提前預(yù)測(cè)，利用提前預(yù)測(cè)的狀態(tài)量獲得超前的控制作用。

從以上分析可知，某些延遲原因是無法消除的，只能采用構(gòu)造一個(gè)內(nèi)模的方法來消除延遲。

超前拍PI控制基本思想是：假設(shè)非線性負(fù)載是恒定不變的，每個(gè)周波諧波指令是相同的。如果把上個(gè)周波的指令值和電網(wǎng)諧波數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在DSP的內(nèi)部 RAM，然后當(dāng)前周波提前幾拍讀取上個(gè)周波的指令值。這種方法實(shí)際上以犧牲動(dòng)態(tài)性能為代價(jià)來消除穩(wěn)態(tài)電流滯后。其控制框圖為圖4。波中含有的載波數(shù)，即載波比。N2為需要超前的拍數(shù)，即實(shí)際系統(tǒng)滯后的拍數(shù)。由此可見這種控制方式下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)將滯后一個(gè)周波。

圖4 超前拍PI控制框圖

超前拍 PI控制方法可以解決穩(wěn)態(tài)滯后的問題，但是對(duì)于諧波指令、開關(guān)死區(qū)等造成的擾動(dòng)還是不能實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)和仿真系統(tǒng)采用圖1所示結(jié)構(gòu)。有源電力濾波器交流側(cè)并入電感取0.3 mH，直流側(cè)電容取值20 mF，正常工作時(shí)直流側(cè)電壓穩(wěn)定為700 V，最大補(bǔ)償電流100 A，輸出功率70 kVA，開關(guān)管開關(guān)頻率為 10 kHz，數(shù)字控制芯片采用 TI公司的TMS320LF2407。以直流側(cè)帶阻感負(fù)載的三相不控整流橋?yàn)檠a(bǔ)償對(duì)象，整流橋直流側(cè)電感為0.2 mH，直流側(cè)電阻為8Ω。

圖5為電流環(huán)PI控制方式下系統(tǒng)仿真波形。PI控制方式下，APF投入運(yùn)行后系統(tǒng)電流 THD由 28%降為 12.41%，補(bǔ)償后仍含有比較多的 5次、7次、11次諧波（如圖5（d））。同時(shí)補(bǔ)償后電流波形有周期性尖沖出現(xiàn)，這是由于非線性負(fù)載電流發(fā)生跳變（如圖5（a）），使補(bǔ)償指令突變（如圖5（b）），由于指令的延遲時(shí)間超出了電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器控制的帶寬范圍，APF無法輸出需要的諧波以抵消這些突變量，造成網(wǎng)側(cè)電流出現(xiàn)尖沖（如圖 5（c））。

圖5 PI控制系統(tǒng)仿真波形

圖6是PI控制下的實(shí)驗(yàn)波形。由于系統(tǒng)延遲和 PI控制不能實(shí)現(xiàn)對(duì)指令的無差跟蹤，并聯(lián)型APF投入運(yùn)行后，系統(tǒng)電流THD值僅從27.6%降到了13.7%。

圖6 PI控制電流波形

仿真和實(shí)驗(yàn)證明了，單純的PI控制在做諧波補(bǔ)償時(shí)帶寬不夠，難以消除指令延遲的影響，補(bǔ)償效果不好。

圖7為電流環(huán)超前2拍PI控制方式下系統(tǒng)仿真波形。PI+超前2拍控制方式下，APF投入運(yùn)行后系統(tǒng)電流THD由28%降為2.98%。與圖5相比，補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流 THD值大幅下降，周期性尖沖變小，補(bǔ)償效果明顯改善。

圖7 超前2拍PI控制系統(tǒng)電流波形

圖8為PI+超前2拍控制方式下系統(tǒng)電流實(shí)驗(yàn)波形。超前控制抵消了系統(tǒng)延遲，系統(tǒng)電流THD值從27.6%降到了4.5%，并聯(lián)型APF的補(bǔ)償效果得到了極大改善。

仿真和實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)的采樣延時(shí)對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償效果影響很大，超前控制能有效的消除系統(tǒng)延遲的影響。

5 結(jié)論

本文首先對(duì)造成有源濾波器補(bǔ)償延時(shí)的原因進(jìn)行了分析，然后分析了延時(shí)與補(bǔ)償失效的關(guān)系，通過計(jì)算可推斷補(bǔ)償?shù)难訒r(shí)將直接惡化有源電力濾波器的電流跟蹤特性和補(bǔ)償效果。為此，本文提出了一種基于PI控制的超前控制策略，通過仿真和試驗(yàn)證實(shí)了理論分析的正確性以及新型控制策略的有效性。

圖8 超前PI控制電流波形

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