基于多重復系數濾波的電壓補償策略

曾令全,范建兵,戚 鑫

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

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●電力系統及其自動化●

基于多重復系數濾波的電壓補償策略

曾令全,范建兵,戚 鑫

(東北電力大學 電氣工程學院,吉林 吉林 132012)

提出一種基于電壓的選擇性諧波補償方法(SHC),該方法使用多重復系數濾波器來提取諧波電壓,并通過靜止坐標系下的廣義積分器(SGI) 來輸出已檢測出的諧波補償量。多重的復系數濾波器可以在電網處于擾動狀態時精確地分離電網的基波和諧波分量,為控制SAPF提供準確的參考值。仿真試驗結果驗證了該方法對電壓諧波的檢測具有較高精度和很好的補償效果。

諧波電壓;廣義積分器;靜止坐標系;多重復系數濾波器

目前,配電網中使用的各種功率開關器件以及其他非線性負載,方便了電能的轉換,但導致了大量諧波電流注入電網,嚴重威脅了電網和電氣設備的安全運行與正常使用[1-3]。同時電力電子設備中修正功率因數的電容器也增加了諧振現象的發生,放大了由諧波電流引起的諧波電壓[4]。文獻[5-7]提出一種多同步旋轉坐標系下的指定次諧波電流檢測方法,雖然針對各次諧波的檢測很準確,但是由于要在多個同步旋轉坐標系下進行運算,因此造成運算量過大,檢測的響應速度慢。文獻[8]提出一種基于特定諧波消除的并網鎖相環技術,但該方法運算過于復雜,實時性不好。文獻[9]提出采用諧波分次檢測結合單PI控制器集中電流環,并在檢測環節中加入相位補償以抑制檢測環節和電流環固有時延對控制系統穩定性的影響,但未解決采用單PI控制器集中電流環跟蹤各選擇頻次諧波分量時存在的靜差問題。為了解決這些問題,本文采用一種多重復系數濾波器來提取諧波電壓,同時利用于靜止坐標系,可有效減少運算量,提升檢測速度,很好地控制延時問題。

1 有源濾波器諧波補償策略

諧波補償就是通過APF向電網注入一定的電流,通常用非線性負載連接到公共連接點(PCC)進行補償。根據負載電流來控制APF的示意流程,如圖1所示。

源電流Is可以看做是基波電流I1和諧波電流Ih的疊加,即

Is=I1+Ih

其中Ih是各次諧波電流之和:

由SAPF發出與Ih大小相等,方向相反的補償電流。

1.1 基于負載電流補償

在傳統的控制策略中,APF的參考電流IL,h取自負載電流IL(圖1(a))。因為負載電流IL和諧波電流IL,h在補償前并不變化,所以測量出的諧波電流在這種控制策略中可看做是前饋控制,IF是輸出的補償電流。傳統APF控制策略如圖2所示。

圖1 諧波補償控制策略

圖2 傳統APF控制策略

當只考慮諧波電流補償時,濾波器的參考電流為

1.2 基于源電流補償

當考慮補償效果時,傳統的APF控制策略還可以通過檢測源電流IS來補償諧波。從IS中提取出的諧波電流IS,h和諧波電流控制器位于這個反饋回路中,將被檢測出的諧波參考值設置為0,從而輸出與諧波大小相等方向相反的補償值,如圖1(b)所示。

1.3 基于電壓補償

或更精確的表達為

1) 諧波檢測。多重復系數濾波器來檢測諧波,正序和負序的基波和諧波被解耦,正序的基波被用來確定頻率和相位。

2) 諧波控制器。在諧波控制器內,通過靜止坐標系下的廣義積分器(SGI)將各次諧波分離。

3) 鎖相環。通過一種通用的同步旋轉坐標系下的鎖相環技術(SRF-PLL)來確定頻率[10]。

圖3 基于電壓補償的控制策略圖

2 基于電壓補償的控制策略

2.1 多重復系數諧波檢測器

文獻[11]提出了一種頻率同期方法,這種方法通過基于多重復系數一階帶通濾波狀態估計器來實現,如圖4(a)中所示,它通過使用靜止坐標系下的克拉克變換形成一個正交的兩相α-β系統,可以實現復系數濾波器的應用，如圖4(b)所示。

圖4 傳遞函數和復系數濾波器組成

其中

2.2 靜止坐標系下的廣義積分器(SGI)

諧波控制器由各次諧波對應的PI控制器組成。為使控制器適應各自的頻率,將它設計成帶通特性。控制器針對k次諧波的傳遞函數為

靜止坐標系下的廣義積分器如圖5所示,各次諧波的控制器參數設置如表1所示。

圖5 靜止坐標系下的廣義積分器

kKpKi-110．0400-52．04071 530-111 330130 830-170 625190 220

式中:Kp和Ki為比例和積分增益系數,Uh,x為所選擇的諧波電壓。

2.3 結合多重復系數濾波和SGI技術的優點

當電網處于暫態時,準確檢測出基波電壓和諧波電壓對于實現控制器補償電流的控制非常重要。基于SRF-PLL技術為多重復系數諧波檢測器提供了一種簡單高效的方法,當電網處于故障狀態時,可以準確地檢測出基波電壓和諧波電壓的幅值和相角。基于派克變換的SRF-PLL技術減少了計算量,復數濾波器需要的諧波和不平衡提取量取自克拉克變換,減少了完成計算所需的數據量。

將耦合的各次諧波分離,使其獨立地通過諧波積分器,提供基于電壓的諧波補償值。由于復系數諧波檢測器在克拉克坐標下計算諧波電壓,因此SGI控制器的計算量變得非常少。

2.4 多重復系數濾波器模擬測試環境

使用一個簡化的低壓電網作為測試對象,測試系統的構成如圖6所示。

圖6 測試系統的構成

用戶負載接入母線1和母線3,同時快速充電設備接入于母線上,產生諧波電流。測試系統的參數如表2所示。

表2 測試系統參數

本文提出的多重復系數濾波器并聯接到母線2可驗證所提出的諧波補償策略的補償效果。

3 仿真實驗及結果分析

測試系統用MATLAB Simulink里SimPower Systems Toolbox來實現,使用一個理想化的電流源來模擬SAPF變流器提供補償值,選擇具有多種參數的負載來產生較強的諧波電壓。

為了確定補償器的補償效果,在有補償和無補償兩種條件下檢測電網電壓中的諧波含有率THDu。補償前后的諧波含量對比值如表3所示,連接補償器時的電網電流和補償器的補償電流如圖7所示。

表3 總諧波失真率對比

圖7 配電網上的線電流測量值和注入母線2的補償電流

從圖7可以看出,當補償器電流增加時,電網諧波電流明顯減少。

多重復系數濾波器分離諧波的結果如圖8所示。

圖8 各次諧波分離的測試結果

從圖8可以看出,通過多重復系數濾波器檢測技術的應用,可以實現基波電壓和諧波電壓的分離,同時也可以檢測出各單次諧波。

測量點的諧波含量如圖9所示。

圖9 測量點的諧波含量

由圖9可見,補償器連接點母線2處的諧波幾乎被完全補償,同時通過提供母線3和母線1上的諧波含量補償前后的值,可以看到這種補償策略能夠有效地降低諧波電壓。

4 結 語

本文提出了一種基于電壓的選擇性諧波補償控制策略,通過多重復系數濾波器和廣義PI控制器來實現。多重復系數濾波器可以從失真條件下準確且快速地提取出頻率和相位的信息,同時給諧波控制器提供分離的參考信號。而且廣義PI控制器應用于靜止的α-β坐標系,減少了計算量。仿真結果表明,這種控制策略能夠顯著地降低電網中的THDu,同時被選擇的各次諧波也得到了很好的補償。

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(責任編輯 郭金光)

Voltage compensation strategy based on multiple-complex coefficient filter

ZENG Lingquan, FAN Jianbing, QI Xin

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

This paper proposed the method for voltage-based selective harmonic compensation (SHC), a method which used multiple-complex coefficient filter to extract harmonic voltage and transferred the checked harmonic compensation quantity through SGI in static coordinate. Furthermore, multiple-complex coefficient filter could separate grid fundamental wave from harmonic component when the grid is under the condition of disturbance, further providing accurate reference value in the overall SAPF control. The simulation results validate the proposed method for voltage harmonic detection accuracy and compensation effect.

harmonic voltage; generalized integrators; stationary coordinate; multiple complex coefficient filter

2015-09-17。

曾令全(1955—),男,教授,碩士生導師,主要從事電能質量分析與控制方面的研究。

TN713

A

2095-6843(2016)02-0095-05