基于自適應信號處理技術的有源電力濾波器控制方法

田田豐(重慶科創職業學院 機電工程學院,重慶 402160)

基于自適應信號處理技術的有源電力濾波器控制方法

田田豐
(重慶科創職業學院 機電工程學院,重慶 402160)

為提高電網并聯型有源電力濾波器的電流控制性能,通過有效獲取補償信號的控制方法,采用自適應無限脈沖響應濾波器進行負載的諧波補償,并使用MATLAB/SIMULINK軟件進行模擬仿真.模擬仿真結果表明,該方法具有良好的性能.

有源電力濾波器;非線性;諧波抑制

0　引 言

在工業、商業和住宅小區中,非線性器件的廣泛使用導致電力系統電能質量的大幅下降.由非線性負載產生的諧波失真會導致客戶設備、電力變壓器和電源線功率損耗的增加,以及信號的漂移、有機絕緣材料壽命的縮短等問題[1].使用無源和有源諧波濾波器已被公認為是解決諧波抑制最有效的方法.

由電容、電感和電阻構成的傳統無源諧波濾波器(PHF)被用于基本諧波抑制.PHF的主要優點是設計簡單、成本低,且沒有固定模式,可以正確地校準功率因數,但也存在補償相對固定、尺寸較大、容易產生共振等問題.近年來,有源電力濾波器(APF)作為諧波電流補償的有效器件,在日本及歐美等發達國家已被廣泛應用,技術也相對成熟.與國外相比,從20世紀90年代中期開始,我國部分高等院校和科研機構才開始對有源電力濾波器進行深入研究.補償信號的計算是有源電力濾波器控制的重要組成部分,也影響著其瞬態及穩態性能.目前,其算法從快速傅里葉變化(FFT)到瞬時P-Q理論,以及人工神經網絡和自適應陷波濾波器,多種不同的控制方法已被廣泛提出.本文提出一種通過有源諧波濾波器有效獲取補償信號的控制方法,采用自適應無限脈沖響應(IIR)濾波器進行負載的諧波補償.

1　并聯型有源電力濾波器

有源電力濾波器基本上分為并聯型和串聯型,當前最流行的有源電力濾波器是并聯型有源電力濾波器[2].并聯型有源電力磁波器(見圖1)具有良好的電流控制能力,易于保護,可靠性高.

圖1　并聯型有源電力濾波器

對于一個非線性負載的h次諧波,對其提出它的等效諾頓電路.該電路包括與阻抗Zlh并聯的電流源Ilh,網格通過戴維南等效電路構成,包括與阻抗ZG串聯的電壓源UG.

并聯型有源電力濾波器通過注入等量諧波補償電流來補償電流的諧波,因而補償電流約為純正弦波.本文不考慮有源諧波濾波器的實際情況,而將其假定為一個理想的受控電流源,其負載電流的諧波分量成比例,即:

其中,ILh為扭曲的負載電流諧波,IGh為電網電流諧波.其補償電流為扭曲負載電流成分減去其基波成分.h次諧波耦合點電壓UCPh與負載電流IL0h的函數關系可以表示為:

這表明,當參數K趨近于1時,耦合點電壓UCPh≈0.在理想情況下,對于基波和所有其他諧波K應等于零.

2　補償信號的算法

產生補償信號的控制策略是基于頻域或時域技術,在頻域中的控制策略則是基于失真電流或電壓的傅里葉分析.高階諧波分量是從畸變信號中分離出來的,并最終將其組合成補償信號.但在非平穩情況下,離散傅里葉變換(DFT)將會失去準確性[3].對于頻域計算方法,這種控制方法的策略是基于傅里葉級數DFT和FFT.在時域中常用的算法有瞬時有功和無功P-Q理論、神經網絡理論、陷波濾波器方法及自適應信號處理.大多數算法比DFT具有更好的動態響應.

3　自適應無限脈沖響應陷波濾波器

陷波濾波器在信號處理領域中有著不同的應用,用于去除單頻或窄帶正弦干擾.理想的陷波濾波器的幅度特性被定義為:

其中ω0為陷波頻率.陷波濾波器可以從無害相移高次諧波的失真電流波形中提取基波正弦電流波形.理想的陷波濾波器具有零帶寬,但在實際中不能實現零帶寬.

自適應數字陷波濾波器的最簡單類型是由Widrow提出的自適應譜線增強器[4](ALE),其結構如圖2所示.有限脈沖響應(FIR)濾波器的適應性通過采用最小均方(LMS)算法成功實現.ALE的缺點是存在比較低的收斂速度和潛在的不穩定性.

圖2　ALE結構

對于無限脈沖響應(IIR)陷波濾波器而言,它能夠提供比ALE更加清晰的幅度響應[5].同時,IIR也需要比ALE更小尺寸的濾波器.

二階I IR陷波濾波器的傳遞函數被定義為:

其中λ為零極點收縮因數,一般情況下,λ應有效接近于1.

一個單一頻率的陷波濾波器的傳遞函數可以表示為:

其中A(z)表示IIR陷波濾波器的傳遞函數.IIR陷波濾波器結構如圖3所示.

圖3　IIR陷波濾波器結構

IIR陷波濾波器的傳遞函數為:

其中k1為自適應系數,收斂于-cosω0.陷波濾波器的頻率抑制可以通過修改k1和阻帶寬度k2來實現.

格型IIR陷波濾波器結構如圖4所示.

圖4　格型IIR陷波濾波器結構

格型IIR陷波濾波器的傳遞函數為:

由于(7)式中分子分母具有鏡像對稱性,所以格型IIR陷波濾波器的傳遞函數在所有頻率范圍內近似等于1.

自適應IIR陷波濾波器適合采用與格型FIR陷波濾波器相關的自適應算法.二階格型FIR陷波濾波器結構如圖5所示.

圖5　二階格型FIR陷波濾波器結構

二階格型FI R陷波濾波器具有結構簡單且收斂速度快的特點.運用梯度運算法更新k1和k2的表達式為:

其中,μ為梯度級,Di(n)定義為:

其中β為遺忘因子,且0<β<1.

4　模擬仿真

本文所設計的受控并聯型有源電力濾波器如圖6所示.使用MATHLAB/SIMULINK軟件對系統進行模擬仿真,仿真過程如圖7所示.

4.1網格與第一整流器連接

在t=0.1s時,第一整流器連接網格,在0.3s時并聯型有源電力濾波器被接入網絡,并開始啟動補償非線性負載電流的諧波成分(見圖6).0.3s前后總諧波失真情況見表1.有源電力濾波器的電網、負載及電流波形如圖7所示.

由表1可知,電網電流的THD在接入并聯型有源電力濾波器前為11.29%,在接入濾波器后,THD降為1.35%;同時,線性諧波失真也由原來的5.44%下降至0.64%.由此證明所提出的電流控制策略有很高的補償精度.

4.2有源電力濾波器與第二整流器連接

非線性負載在t=0.5s時開始增加,其總諧波失真情況見表2.

圖6　受控并聯型有源電力濾波器

圖7　有源電力濾波器的電網、負載及電流波形

表1　0.3s前后總諧波失真情況

由表2可知,0.5s非線性負載增加前后,電網電流的THD由原來的1.35%提高至1.98%;非線性電流失真由原來的40.32%下降至40.28%,其瞬間變化幅度均很小.可見,在階躍負載變化的瞬間無嚴重變化,補償信號計算方法運行正常.

5　結束語

采用自適應無限脈沖響應濾波器可以實現負載的諧波補償,進而實現電網電流的諧波補償.該方法對于電網電流的波動擁有自適應能力,且結構簡單,收斂速度快,算法也較為傳統簡單,很容易在數字控制器上實現,有效解決了有源諧波濾波器對諧波的抑制.同時,通過使用MATHLAB/SIMULINK軟件進行模擬仿真,結果表明,該方法具有良好的性能.

表2　0.5s前后總諧波失真情況

[1]馬立新,嚴亮.一種改進的自適應諧波檢測方法及其應用[J].電力科學與工程,2014(11):7-10.

[2]汪玉鳳,張東宇,蘇佰超.并聯型有源濾波器自適應模糊控制方法研究[J].電氣傳動,2014(11):33-37.

[3]曹培培,周凱杰.有源電力濾波器的自適應滯環電流跟蹤策略[J].淮陰師范學院學報(自然科學版),2013(3):218-221.

[4]沈廷鰲,涂亞慶,張海濤,等.一種改進的自適應格型陷波頻率估計算法及其收斂性分析[J].振動與沖擊,2013(24):28-32.

[5]包明,王云亮.改進的變步長自適應諧波檢測算法[J].電力自動化設備,2011(1):71-74.

[責任編輯:吳志榮]

Study of Active Power Filter Control Based on Adaptive Signal Processing Technique

TIAN Feng
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Chongqi Creation Vocational College, Chongqi, 402160, China)

A research has been done to employ adaptive infinite impulse response filter to perform laden harmonic compensation by controlling means of effectively obtaining compensation signals, and use Matlab/Simulink software to imitate and emulate in order to improve the current control quality of shunt active power filter in power grid. The result of imitation and emulation displays that this method is of fine quality.

Active power filter; Nonlinear; Harmonic suppression

TN713+.8

A

1671-4326(2016)02-0051-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.037

2016-03-28

田豐(1983-),男,陜西寶雞人,重慶科創職業學院機電工程學院講師,碩士.