基于次諧波補償?shù)挠性措娏V波器控制方法

胡恒錚

摘要：傳統(tǒng)有源電力濾波器控制方法控制多臺濾波器時補償容量低、動態(tài)性能差，為此提出基于次諧波補償?shù)挠性措娏V波器控制方法。將多臺有源電力濾波器并聯(lián)在一起，設(shè)置各自的控制電路和次諧波檢測裝置，通過CAN總線實現(xiàn)各個裝置的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)傳輸?shù)碾娏鲾?shù)據(jù)與指令信號電流作比較，提出有源電力濾波器的控制策略，在控制策略的支持下，控制有源電力濾波器直流側(cè)電壓，在保證電壓穩(wěn)定的情況下，在DSP芯片上執(zhí)行控制命令，達到控制有源電力濾波器的目的。實驗結(jié)果表明：設(shè)計的有源電力濾波器控制方法電流不平衡度低、所需調(diào)節(jié)時間少，該控制方法的動態(tài)性能更好。

關(guān)鍵詞：次諧波補償;諧波治理;有源電力濾波器

中圖分類號：TN713+.8 文獻標志碼：A

0引言

電力是現(xiàn)代人們?nèi)粘Ｉ畋夭豢缮俚囊环N主要能源，但是諧波問題對電力系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成潛在的威脅，是電網(wǎng)中的一大公害，電網(wǎng)中的諧波污染問題是電氣工程領(lǐng)域中的一個重要研究課題。隨著電網(wǎng)覆蓋面積的增加，電網(wǎng)中諧波污染越來越嚴重，研究人員對諧波污染越來越重視，故國內(nèi)外越來越多的人在大力發(fā)展和研究電網(wǎng)諧波治理技術(shù)。

目前，國內(nèi)外研究的諧波治理技術(shù)主要分為兩種，一種是主動型諧波治理、一種是被動型諧波治理。其中主動型諧波治理往往通過改造自身來達到諧波治理的目的;主動型諧波治理則是利用外部輔助裝置和設(shè)備來抵消諧波，達到諧波治理的目的。出于對電網(wǎng)諧波的動態(tài)補償目的的考慮，采用有源電力濾波器治理電網(wǎng)諧波污染是一個有效手段。使用有源電力濾波器處理諧波時，對有源電力濾波器的控制尤為重要。在傳統(tǒng)控制方法中，對于三相電網(wǎng)，其電流不平衡度比較高，需要消耗的調(diào)節(jié)時間比較多，嚴重影響有源電力濾波器控制方法的動態(tài)性能。因此，提出基于次諧波補償?shù)挠性措娏V波器控制方法，以解決上述傳統(tǒng)控制方法中存在的問題。

1有源電力濾波器控制方法

1.1并聯(lián)有源電力濾波器

單臺有源電力濾波器受到電子器件參數(shù)影響，難以滿足電流負載諧波的補償要求，在使用時很難及時實現(xiàn)控制。為了更好地控制多臺特定有源電力濾波器，提高有源電力濾波器總的補償容量，采用并聯(lián)形式。根據(jù)電子器件參數(shù)獲得負載電流的大小，設(shè)置不同容量的有源電力濾波器，以補償不同階次的次諧波電流，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行分配，由于次諧波的特性是諧波次數(shù)越低，諧波含量越高，因此在分配諧波次數(shù)時利用諧波電流的均衡分攤來實現(xiàn)分配。有源電力濾波器的并聯(lián)原理圖如圖1所示。

這種并聯(lián)裝置中每臺有源電力濾波器都有各自的控制電路和檢測裝置，當(dāng)檢測裝置檢測到次諧波時，在控制器中完成次諧波分析，計算出需要補償?shù)碾娏鞑ㄐ巍Ｅc此同時，控制器根據(jù)柜體的運行狀態(tài)對不同的輸出電流數(shù)據(jù)進行分配，完成輸出電流控制，解決故障保護。在控制中，通過CAN總線實現(xiàn)各個裝置的遠程監(jiān)控與通訊，將監(jiān)控的各項參數(shù)數(shù)據(jù)通過CAN總線傳送至控制室和上位機，此時，技術(shù)人員根據(jù)觀察到的有源電力濾波器的運行參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。

1.2有源電力濾波器的控制策略

將實際電流與指令信號電流的差值控制最小作為控制目的，對有源電力濾波器的主電路的瞬時有功電流和瞬時無功電流進行控制，實現(xiàn)對有源電力濾波器的控制。

在有源電力濾波器的控制中，三相瞬時有功電流和瞬時無功電流定義為：

1.3控制有源電力濾波器

為了使并聯(lián)有源濾波器正常工作，將控制濾波器的直流側(cè)電容的電壓保持在一定值，以確保主電路實時能夠產(chǎn)生正確的補償電流。如果直流側(cè)電壓變化較大，則會發(fā)生過補償或欠補償現(xiàn)象，對諧波輸出電流造成干擾。

在有源電力濾波器中，每相中的瞬時有功功率的和等于三相電路的有功功率，每相中的瞬時有功功率之和為零。除并聯(lián)有源電力濾波器的三相損耗之外，并聯(lián)有源電力濾波器上的有功電流立即轉(zhuǎn)移到直流側(cè)。當(dāng)有源電力濾波器僅用于補償無功功率時，瞬時有功功率始終為零，由此可以看出有源電力濾波器的直流側(cè)電壓始終保持恒定。當(dāng)使用有源電力濾波器來補償次諧波時，此時電源僅需要提供逆變電流的直流分量，以建立對應(yīng)的負載電流的基波分量，在這種情況下，瞬時有功功率的平均值為零，直流側(cè)電壓保持不變，但是由于有交流部分，直流側(cè)電壓將隨瞬時有功功率的變化而變化。

如果有源電力濾波器的直流側(cè)實際電壓低于期望電壓，調(diào)整三相瞬時電流大于零，此時有源電力濾波器從電網(wǎng)中吸取能量，將能量傳遞到直流側(cè)，使其電壓升高;反之調(diào)整三相瞬時電流小于零，電網(wǎng)從有源電力濾波器中吸取能量，直流側(cè)能量減少，此時電壓下降。

在有源電力濾波器直流側(cè)電壓穩(wěn)定的情況下，使用PI控制器對有源電力濾波器進行跟蹤補償控制，在控制過程中，忽略耦合和電壓擾動對有源電力濾波器的影響，PI控制以零極點的形式表示，在考慮PT控制穩(wěn)態(tài)誤差和動態(tài)響應(yīng)特性時，采用零極點抵消的形式等效降階二階控制，處理完成，選擇合適的阻尼比，設(shè)定PI控制器的約束條件。在此基礎(chǔ)上，調(diào)節(jié)特定次諧波的PT參數(shù)，防止不同次的諧波含量影響控制性能，保證有源電力濾波器的補償效果達到最佳。

在電源電壓或者負載不平衡時，將每次諧波電流分解為正序和負序分量，只有當(dāng)正序分量和負序分量實現(xiàn)同步時，才能利用同步的正序諧波和負序諧波來控制次諧波電流，隨著次諧波電流次數(shù)的增加，控制芯片計算量越來越大，此時選用TMS320LF2407A芯片作為控制芯片，利用該芯片組成控制電路，電路中主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、存儲器擴展電路、PWM波形輸出電路等部分。通過上述控制過程可知，有源電力濾波器的控制方法十分復(fù)雜，選擇合適的DSP芯片對于提高控制性能極為重要。以TMS320LF2407A作為核心芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用四級流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，通過兩個狀態(tài)寄存器實現(xiàn)CPU的各種狀態(tài)的保存。如果指定電流的計算與電流的跟蹤控制由模擬器件構(gòu)成，待三相負載電路的瞬時有功電流計算完成后，利用傳感器輸出主電路的三相實際補償電流，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，得到逆變電路實際輸出的瞬時有功電流，再通過上述控制過程實現(xiàn)有源電力濾波器的控制。

2有源電力濾波器控制方法實驗研究

2.1實驗準備

在有源電力濾波器控制方法實驗中，使用MAT-LAB軟件搭建三相三線制有源電力濾波器的仿真，以不同控制方法的調(diào)節(jié)時間和電流不平衡度為實驗指標，對比分析不同控制方法的實際性能。

在仿真中，利用MATLAB軟件建立模，在模型中接入三相平衡的不控整流負載，通過參數(shù)調(diào)節(jié)實現(xiàn)負載平衡，使有源電力濾波器補償電流保持穩(wěn)定，此時，突加單相不控整流負載。在完成整個三相三線制有源電力濾波器的仿真后，觀察有源電力濾波器直流側(cè)電壓、三相負載電流和三相電網(wǎng)電流變化，通過這三個參數(shù)的變化計算出不同控制方法的電流不平衡度，計算公式如下：

在使用不同方法控制后，計算有源電力濾波器穩(wěn)定所需調(diào)節(jié)時間。結(jié)合電流不平衡度和調(diào)節(jié)時間分析不同控制方法。

2.2實驗結(jié)果與分析

使用提出的基于次諧波補償?shù)目刂品椒?、基于降階矢量比例積分器的控制方法以及容錯控制方法對仿真的有源電力濾波器進行控制，控制完成后，計算電流不平衡度和調(diào)節(jié)時間。具體計算結(jié)果見表1所列。對比觀察表1中結(jié)果，從中可以看出，在負載不平衡時，提出的基于次諧波補償?shù)目刂品椒娏鞑黄胶舛鹊停枵{(diào)節(jié)時間短，這是因為提出的控制方法有效地抑制了有源電力濾波器直流側(cè)電壓上的2次諧波對輸出電流的影響，說明該控制方法具有優(yōu)秀的動態(tài)性能，優(yōu)于傳統(tǒng)的有源電力濾波器控制方法。

3結(jié)束語

設(shè)計基于次諧波補償?shù)挠性措娏V波器控制方法，為現(xiàn)階段電網(wǎng)諧波故障問題的解決提供幫助。以現(xiàn)階段國內(nèi)外研究資料和文獻為基礎(chǔ)，完成有源電力濾波器控制方法的設(shè)計。在設(shè)計完成后，以對比實驗的形式驗證控制方法的實際性能，實驗結(jié)果證明了基于次諧波補償?shù)目刂品椒ǜ涌茖W(xué)可靠。但是設(shè)計過程中，由于時間限制，尚有許多問題需要進一步研究，如補償后電源電流尖刺現(xiàn)象的處理，后續(xù)研究中將從這方面展開研究與分析。