基于間接電流控制策略的新型有源電力濾波器

盧柏樺　李永皓　馬千里

摘 要 有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）是一種能夠?yàn)V除電網(wǎng)上諧波污染，有效地改善電網(wǎng)波形質(zhì)量，同時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)無功缺額，提高功率因數(shù)的新型電力電子裝置，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文提出了一種新型有源電力濾波器，這是一種基于間接電流控制方法的新型APF，它不需要對諧波電流進(jìn)行檢測，而是直接獲取電網(wǎng)側(cè)的電流，然后利用雙閉環(huán)對電流進(jìn)行控制以達(dá)到提高功率因數(shù)及補(bǔ)償諧波的目的；同時(shí)，為了節(jié)約成本和降低開關(guān)損耗，這種APF采用了新型三相四開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由此構(gòu)成了新型三相四開關(guān)有源電力濾波器。

關(guān)鍵詞 有源電力濾波器；間接電流控制；無諧波檢測；三相四開關(guān)

中圖分類號(hào) TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）11-0079-02

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)中非線性負(fù)載日益增多，從而導(dǎo)致大量諧波被注入到電網(wǎng)中，電網(wǎng)受諧波的污染變得越來越嚴(yán)重，電能的質(zhì)量日益下降，由于電網(wǎng)中諧波電流的存在，不僅會(huì)使電網(wǎng)電壓畸變，增加功率損耗，還會(huì)危害電網(wǎng)中的電力設(shè)備[1]。為了抑制諧波帶來的危害，采用無源濾波器是常用的傳統(tǒng)方法，這種方法雖然具有結(jié)構(gòu)簡單且投資低、運(yùn)行可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著許多不足的地方[2]，例如只能消除特定次諧波，而且還存在與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能、消耗較大等。而并聯(lián)型有源電力濾波器不僅能夠補(bǔ)償多種非線性負(fù)載造成的諧波，還能較快的進(jìn)行電網(wǎng)無功缺額的補(bǔ)償，提高功率因數(shù)。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于間接電流控制方法的，采用三相四開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無諧波檢測APF。

1 間接電流控制策略

對于目前傳統(tǒng)的APF，諧波電流的檢測是不可缺少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，APF的最終諧波補(bǔ)償?shù)男ЧQ于能否準(zhǔn)確、迅速的把負(fù)載電流中的諧波分量檢測出來。按照傳統(tǒng)APF使用的這種控制策略，首先要利用所設(shè)計(jì)的諧波檢測環(huán)節(jié)把諧波指令電流提取出來，然后再對電流進(jìn)行閉環(huán)跟蹤控制，以達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｒ虼耍C波電流的檢測環(huán)節(jié)至關(guān)重要，如果不能快速準(zhǔn)確地諧波電流分量，將APF的諧波補(bǔ)償效果產(chǎn)生很大影響[3]。針對這一問題，本文提出一種間接電流控制方法，它不需要對諧波電流進(jìn)行檢測，而是直接獲取電網(wǎng)側(cè)的電流，然后再利用控制器對電流進(jìn)行控制以達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)?/p>

目的。

這種基于間接電流控制的新型三相四開關(guān)APF結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該新型APF結(jié)構(gòu)中沒有使用負(fù)載電流檢測模塊，而只是直接獲取電網(wǎng)側(cè)的電流，然后再利用雙閉環(huán)對電流進(jìn)行控制以達(dá)到提高功率因數(shù)及補(bǔ)償諧波的目的，這就是間接電流控制策略。在間接電流控制策略中，通過電流傳感器直接檢測電網(wǎng)側(cè)電流，再經(jīng)過clark和park變換把電網(wǎng)側(cè)電流轉(zhuǎn)換到基頻旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得到，然后由電流控制環(huán)節(jié)的PI-VPI控制器產(chǎn)生所需的APF控制信號(hào)，最后把變流器的輸出電流輸入到電網(wǎng)中，以達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

該間接電流控制策略的APF系統(tǒng)由直流電壓外環(huán)和電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)兩個(gè)控制環(huán)節(jié)構(gòu)成雙閉環(huán)控制。直流電壓外環(huán)采用PI控制器，作為系統(tǒng)的主導(dǎo)控制環(huán)節(jié)，它能夠使APF直流側(cè)電壓很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)無靜差，并且還能對負(fù)載變化起抗擾作用[4]，電壓外環(huán)的輸出電流為，將其作為基頻旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的參考有功指令電流。電網(wǎng)電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)的控制環(huán)節(jié)，采用PI-VPI控制器，它的作用是用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)電流，并將其輸出作為APF的控制信號(hào)。電流控制環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，電流控制器的設(shè)計(jì)將直接影響者APF控制性能的好壞[5]。

2 三相四開關(guān)APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)APF主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，APF可分為三相四開關(guān)APF、三相六開關(guān)APF以及三相八開關(guān)APF等[6]，傳統(tǒng)的APF常采用三相六開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也存在著許多不足，如設(shè)備成本相對較高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、開關(guān)損耗較大，同時(shí)也增加了散熱設(shè)計(jì)的

難度[7]。

根據(jù)圖1可以看出，三相四開關(guān)變流器是在三相六開關(guān)變流器的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行簡單改變得到的，三相四開關(guān)只需要由4個(gè)IGBT和2個(gè)電容器組成，4個(gè)IGBT構(gòu)成了其中的2個(gè)橋臂，2個(gè)電容器和組成第3個(gè)橋臂，其中點(diǎn)接C相。三相四開關(guān)適用于低壓電力系統(tǒng)，因?yàn)橹绷鱾?cè)的兩個(gè)電容器和的端電壓為相電壓，因此兩個(gè)電容的耐壓值要大于電網(wǎng)線電壓的峰值[7]。

三相四開關(guān)型變流器相比于三箱六開關(guān)型變流器少用兩個(gè)IGBT，不僅使得設(shè)計(jì)成本大大減少，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還降低了開關(guān)損耗，并且使得散熱要求也隨之降低。將基于間接電流控制的無諧波檢測APF與新型三相四開關(guān)的變流器相結(jié)合，這將是一種十分經(jīng)濟(jì)的新型有源電力濾波器。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證這種基于間接電流控制策略的新型三相四開關(guān)有源電力濾波器是否具有可行性和其諧波補(bǔ)償?shù)男Ч肕ATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了這種新型APF的仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)相關(guān)需要，對仿真系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，然后再進(jìn)行APF的仿真實(shí)驗(yàn)，最后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對比。加入APF之前，電網(wǎng)側(cè)A相電流波形如圖2所示。加入APF之后，A相電流波形如圖3所示。由此可見，未加APF之前電網(wǎng)側(cè)電流包含大量非線性諧波，呈為馬鞍波，而經(jīng)過APF補(bǔ)償之后電網(wǎng)電流變?yōu)楸容^規(guī)則的正弦波，驗(yàn)證了這種新型APF具有較好的補(bǔ)償諧波效果。

4 結(jié)論

本文分析研究了一種新型有源電力濾波器，該新型APF能夠在沒有諧波檢測的情況下，直接從電網(wǎng)電流中提取諧波電流，然后利用雙閉環(huán)對電流進(jìn)行控制以達(dá)到提高功率因數(shù)及補(bǔ)償諧波的目的。將這種APF與新型三相四開關(guān)的變流器相結(jié)合，不僅結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，并且能夠節(jié)約成本，這是一種十分經(jīng)濟(jì)的新型有源電力濾波器。

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