并聯(lián)型有源電力濾波器雙環(huán)控制技術研究

王紅艷

(許昌學院 電氣信息工程學院，河南 許昌 461000)

并聯(lián)型有源電力濾波器雙環(huán)控制技術研究

王紅艷

(許昌學院 電氣信息工程學院，河南 許昌 461000)

摘要：結合并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理，設計了由電壓環(huán)和電流環(huán)構成的雙環(huán)控制系統(tǒng)，電流檢測電路采用基于瞬時無功功率理論的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)進行建模和仿真分析，仿真結果證明了雙環(huán)控制技術應用于并聯(lián)型有源電力濾波器的有效性和合理性.

關鍵詞：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，嚴重影響了電能的質量. 有源電力濾波器( APF)作為改善供電質量的一項關鍵技術，既能動態(tài)地補償諧波電流，又能補償無功分量[1]，日益成為國內外研究的熱點. 有源電力濾波器是一種電力電子補償裝置，能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償效果不受電網(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，用于補償電流型諧波源, 是目前諧波治理應用最多的拓撲結構[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載電流中檢測出諧波和無功電流分量，由APF產(chǎn)生一個補償電流與該諧波無功電流分量相互抵消，從而達到抑制諧波、補償無功的目的[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環(huán)和電壓外環(huán)2個部分組成[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

當系統(tǒng)啟動時，直流母線電壓一開始為零，與給定值相差很大，經(jīng)PI調節(jié)后得到調節(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)進行軟啟動. 在APF主電路進行諧波無功補償之前，將主電路交流側的接觸器斷開，如圖2所示，使直流側電容首先通過主電路開關器件的反并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻進行預充電；直到直流側電壓充電至三相線電壓峰值左右時再合上交流側接觸器，將限流電阻短路，直接對電容充電[8]. 另外，為了限制直流側電壓的超調量，穩(wěn)定電容實際電壓值和參考值之間的偏差，對直流側電壓的PI控制進行誤差限幅. 當直流側電壓的參考值與實際值的誤差ΔU小于限定值時，不干預PI控制器的正常工作，將實際電壓誤差作為其輸入；而當電壓誤差ΔU大于限定值時，將限定值作為PI控制器的輸入[8]．

2.3電流環(huán)控制策略

補償電流的控制方法是實現(xiàn)APF功能的核心環(huán)節(jié)，它通過產(chǎn)生開關器件的驅動脈沖實現(xiàn)對諧波和無功電流的動態(tài)補償. 電壓空間矢量(SVPWM)控制可以大大提高APF主電路直流側電壓的利用效率，減小開關器件的開關頻率進而減少APF引入的諧波成分，而且SVPWM控制策略更容易實現(xiàn)數(shù)字化控制，因此廣泛應用于有源濾波器控制系統(tǒng)和電機控制中.SVPWM調制算法用于有源濾波器時，首先需要通過電流電壓轉換將電流檢測電路輸出的補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調制算法得到主電路開關器件的觸發(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，先將電流電壓轉換電路輸出的三相電壓指令值經(jīng)三相/兩相坐標變換變換至兩相靜止αβ坐標系下，在αβ坐標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算獲得基本電壓空間矢量的作用時間，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果

從圖3仿真波形可以看出：0.15s之前，由于APF只補償諧波電流沒有進行無功補償，電源電流波形滯后電壓波形；0.15s后APF同時補償諧波和無功電流，電源電流和電壓波形完全同步；0.1s時突增負載，APF輸出電流快速跟蹤負載電流的變化. 仿真結果表明基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波檢測法能夠準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波和無功電流，SVPWM控制算法能夠實現(xiàn)精確補償，顯著改善了與電網(wǎng)連接處的電能質量，并且所設計的有源電力濾波器具有很好的快速響應特性.

4結語

本文對并聯(lián)型有源電力濾波器采用電壓內環(huán)和電流外環(huán)構成的雙環(huán)控制技術，電壓內環(huán)在基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波檢測算法的基礎上采用限幅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)進行仿真，仿真結果表明：采用雙環(huán)控制技術的并聯(lián)型有源電力濾波器能夠實時地對電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波與無功電流實現(xiàn)精確補償，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)控制技術的有效性和合理性，為后續(xù)的設計和研究提供了參考和依據(jù).

參考文獻：

[1]劉毅,石信語,劉金濤,等.有源電力濾波器的控制及仿真分析[J].科技資訊,2012,27:142-144.

[2]陳國柱,呂征宇,錢照明.有源電力濾波器的一般原理及應用[J].中國電機工程學報,2000,20(9):17-21.

[3]夏益輝,張曉鋒,喬鳴忠,等.串聯(lián)復合控制應用于并聯(lián)有源電力濾波器研究[J].電力電子技術,2013,47(4):103-105.

[4]郭光偉,李曜,馬振華,等.并聯(lián)混合型有源電力濾波器研究[J].低壓電器,2010,19: 26-29.

[5]任子暉,朱慧,劉偉,等.并聯(lián)型有源電力濾波器雙閉環(huán)控制策略研究[J].工礦自動化,2013,39(12): 51-54.

[6]石軍奇,肖慧榮,黃同意.基于高通濾波器的電網(wǎng)諧波電流檢測方法研究[J].計算機仿真,2014,31(5):102-106.

[7]孫曙光,王景芹,杜太行,等.有源電力濾波器控制技術的研究與應用[J].電力電子技術,2014,48(3):24-27.

[8]王淮生,夏慧峰.并聯(lián)有源電力濾波器的軟啟動[J].上海電力學院學報,2011,27(3):209-213.

[9]楊樺,程蕾萌,吳俊.SVPWM在具有APF的光伏并網(wǎng)逆變器中的應用[J].湖北工業(yè)大學學報,2014,29(2):56-59.

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

責任編輯：趙秋宇

中圖分類號：TM921

文獻標識碼：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：電力電子技術及其應用.

收稿日期：2014-02-21