三相三線制三電平APF仿真

萬(wàn)卓

摘要：非線性負(fù)載裝置的大量使用造成電網(wǎng)中出現(xiàn)大量的諧波污染，應(yīng)用無(wú)源濾波器補(bǔ)償諧波已經(jīng)不能滿足，而有源濾波器可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波。再次，應(yīng)用并闡述了并聯(lián)型三電平APF的主電路、基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波電流檢測(cè)方法。控制系統(tǒng)運(yùn)用電流內(nèi)環(huán)控制，電壓外環(huán)控制，在PSIM軟件中搭建仿真，通過(guò)在C-BLOCK模塊進(jìn)行鎖相環(huán)設(shè)計(jì)與諧波算法設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，并聯(lián)型三電平APF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波得到了不錯(cuò)的效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)源濾波器；有源濾波器；瞬時(shí)無(wú)功功率；諧波電流檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）06-0212-04

Three-phase Three-wire System Three-level APF Simulation

WAN Zhuo

（Xi‘a(chǎn)n Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The application of passive filter to compensate harmonics is not enough， and active filter can compensate harmonics dynamically and in real time.Secondly， the main circuit of parallel three-level APF and the harmonic current detection method based on instantaneous reactive power are introduced.The control system USES current internal loop control and voltage external loop control to build simulation in PSIM software. The PLL design and harmonic algorithm design are carried out in the c-block module. The experimental results show that the parallel three-level APF dynamic harmonic compensation has achieved good results.

Key words： passive filter， active filter， instantaneous reactive power， harmonic current detection

電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性的電力電子裝置的大量使用給電力系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波，這使得諧波治理已經(jīng)刻不容緩。無(wú)源濾波器利用諧振原理來(lái)消除掉電網(wǎng)中特定煩人諧波頻率，靈活性比較差。[1]工業(yè)應(yīng)用的基于LC與RC無(wú)源濾波器的諧波補(bǔ)償需要大量的電容元件，而電容的補(bǔ)償效果隨著時(shí)間的增加而減小，已經(jīng)不能滿足工業(yè)設(shè)備的應(yīng)用，我們需要對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。PWM技術(shù)的出現(xiàn)以及多電平技術(shù)的提出，才使得逆變器的主電路性能得以提升，有開關(guān)管的耐壓降低，輸出電壓、電流波形更好。[2]現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)對(duì)并聯(lián)型APF研究已經(jīng)比較成熟。利用PSIM進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，可以直接生成固定的程序，方便對(duì)硬件的軟件控制設(shè)計(jì)。

1 并聯(lián)型APF的介紹

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的要求，我們選擇并聯(lián)型三電平APF可以靈活的補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波[3]，并且應(yīng)用三電平控制技術(shù)，使得開關(guān)器件可以承擔(dān)網(wǎng)側(cè)的高電壓，降低了開關(guān)管的耐壓，輸出損耗減小，使用壽命增加，改善了整個(gè)逆變電路輸出電流波形。

1.1 工作原理

圖1為APF的工作原理圖，包括三相交流負(fù)載、并聯(lián)APF電流補(bǔ)償模塊、整流負(fù)載。其電路中系統(tǒng)電流為Is、負(fù)載電流IL、諧波電流Im*、補(bǔ)償電流Im。APF主要分為控制模塊和主電路模塊，主要工作是逆變和諧波檢測(cè)。通過(guò)硬件DSP與FPGA的搭建，使得諧波電流檢測(cè)的處理速度更加快，提升了系統(tǒng)的吞吐量。采集負(fù)載電流，基于瞬時(shí)無(wú)功功率算法計(jì)算出諧波電流。通過(guò)FPGA發(fā)出脈沖，控制IGBT的通斷，在逆變電路中產(chǎn)生補(bǔ)償電流，這些補(bǔ)償電流在大小上等于網(wǎng)側(cè)中的諧波電流，但相位上剛好相反，電網(wǎng)就得到了很好的諧波補(bǔ)償效果[4]。APF的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，最終網(wǎng)側(cè)的電流可以基本接近正弦波。

1）當(dāng)T1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷，電容CI通過(guò)開關(guān)管T1、T2對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，輸出a相電壓為Ud/2；同時(shí)，電流也可以通過(guò)續(xù)流二極管Ta1、Ta2對(duì)電容進(jìn)行充電。

2）當(dāng)T2、T3導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷，電流流過(guò)鉗位二極管D1、T2，輸出的a相電壓為零；同時(shí)，電流也可以流入T3、鉗位二極管D2，a相電壓仍為零。

3）當(dāng)T3、T4導(dǎo)通，T1、T2關(guān)斷，電容C2通過(guò)續(xù)流二極管Ta3、Ta4對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，輸出a相電壓為-Ud/2；同時(shí)，電流也可以通過(guò)開關(guān)管T3、T4對(duì)電容C2進(jìn)行充電。

2 諧波電流檢測(cè)

諧波電流檢測(cè)的精確度影響著APF對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性、準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性[5]，是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。1983年赤木泰文提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論P(yáng)Q理論[6]，此后瞬時(shí)無(wú)功功率功率理論被多次采納應(yīng)用于諧波檢測(cè)。以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，計(jì)算從p、q與ip、iq為出發(fā)點(diǎn)，分別得到了p、q運(yùn)算方式與ip、iq運(yùn)算方式。兩種檢測(cè)方法在電網(wǎng)電壓波形畸變與無(wú)畸變時(shí)的結(jié)果比較顯示，ip、iq運(yùn)算方式所得到的基波電流分量iLf和諧波電流分量iLh不受電壓波形畸變的影響[7]。我們制作的三電平APF應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)，得益于此種運(yùn)算方法的成熟的與優(yōu)點(diǎn)，本文采用的ip、iq運(yùn)算方式。

2.1 ip、iq算法

下面建立瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq的模型，通過(guò)設(shè)定三相系統(tǒng)的各相瞬時(shí)電流為ia、ib、ic與各相瞬時(shí)電壓為ea、eb、ec。將它們轉(zhuǎn)換到α、β兩者相交的坐標(biāo)系下[8]，如圖4，通過(guò)以下的公式可以計(jì)算得到瞬時(shí)電壓eα、eβ與瞬時(shí)電流iα、i.β。

2.2 低通濾波器的選擇

在matble編輯環(huán)境下輸入需要的設(shè)計(jì)的參數(shù)，可以得到需要設(shè)計(jì)的2階低通濾波器的參數(shù)，然后在psim的math-function模塊中輸入?yún)?shù)。

3 調(diào)制策略

NPC三電平變換器采用的調(diào)制方法與傳統(tǒng)的兩電平不同，其廣泛使用有載波層疊調(diào)制法、空間矢量調(diào)制方法、特定諧波消去法。[10]載波層疊調(diào)制法輸出電壓波形好，控制簡(jiǎn)單，并且易于DSP上實(shí)現(xiàn)。借助DSP實(shí)現(xiàn)PWM輸出時(shí)，一般采用對(duì)稱規(guī)則采樣法，將調(diào)制波信號(hào)與載波比較后得出PWM信號(hào)，如圖6所示。

4 仿真設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)以上主電路的設(shè)計(jì)與分析參數(shù)的設(shè)計(jì)，搭建仿真圖，如圖7，來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能，其中要控制的有電流內(nèi)環(huán)回路的PI調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、電壓外環(huán)的回路PI調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、中點(diǎn)電壓回路PI調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)。這里只給出電流內(nèi)環(huán)回路的Kp、Ki分別為100、0。

4.1鎖相環(huán)的軟件編程

應(yīng)用PSIM中的c-block模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)端口的定義，通過(guò)鎖相環(huán)設(shè)計(jì)可以得到一系列的鋸齒波脈沖，具體的編程如下：

4.2諧波算法的模塊

根據(jù)算法的基本框架模塊進(jìn)行搭建如圖8，可以得到檢測(cè)的諧波電流波形圖。

5 結(jié)論

三電平的應(yīng)用越來(lái)越普遍，對(duì)于改善裝置的耐壓起到了不錯(cuò)的效果。通過(guò)應(yīng)用NPC三電平拓?fù)渲麟娐罚C波電流檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)基于瞬時(shí)無(wú)功功率，采用載波層疊調(diào)制法。此次對(duì)系統(tǒng)投入APF的仿真試驗(yàn)得到的仿真效果還是很不錯(cuò)，但具體的補(bǔ)償性能還有待改進(jìn)。后續(xù)將在硬件FPGA與DSP上進(jìn)行軟件控制，并投入實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，完善它的實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)募皶r(shí)性與準(zhǔn)確性。

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【通聯(lián)編輯：梁書】