并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨

1、并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨丁凯陈允平王晓峰孙建军(武汉大学电气工程学院430072摘要讨论了并联型有源电力滤波器直流侧电压的计算和直流侧电容容量的选择问题,提出了APF 投入电网的方法并将模糊理论运用于直流侧的电压控制,并在实际装置上进行了验证。关键词有源滤波器直流电压模糊控制1引言在现代工业企业和家用电器中,非线性电力负荷在大量增加,对供电质量造成严重的污染。另一方面,现代工业、商业及居民用户对供电质量提出了更高的要求。有源电力滤波器(APF 具有高度可控和快速响应的特性,它不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点。其滤波特性不受系统阻抗的影响,同时还具

2、有自适应功能,可自动跟踪补偿变化的谐波。近年来,有源电力滤波器作为提高电力系统稳定性、改善供电质量的一项关键技术得到广泛的重视并取得了很大发展。本文根据对实际装置的研制经验,详细讨论了直流侧电压的相关问题。2装置的基本情况所研制的并联型APF 适用于380V 配电网。采用的主电路为6脉冲IG B T 电压型逆变器,容量为50kVA ,调制频率312kHz ,以便消除安装处线电流中21次及以下谐波。一般APF 交流侧是通过耦合变压器与系统相连,但是由于APF 向系统发出的补偿电流中包含各次谐波,因而对耦合变压器 的要求非常高。为了避免耦合变压器的性能对补偿效果的影响,采用APF 通过联接阻抗直接

3、与系统相连的方式,如图1所示。图中,C a 、C b 、C c 和L a 、L b 、L c 组成高次滤波单元。3直流电压的选择采用PWM 控制逆变器,PWM 脉宽利用等面积法计算而得。根据PWM 原理,其调制比(即正弦波电压幅值与直流电压之比不能大于75%,图1有源滤波器与系统的联接电路同时考虑到逆变器相当于三个单相半桥逆变器并联,其输出电压幅值只有全桥逆变器的一半,并考虑112倍的裕量,则直流电容电压应为U dc =220×2×2×1120175=996V(1实际中取直流侧电压为1000V 。4直流电容的容量计算直流侧电容C 用于为电压型逆变器提供一稳定的直流

4、电压。负序电流和高次谐波电流在直流电容侧造成的能量脉动,以及由于开关的作用和有源电力滤波器的交流电感储能造成的能量脉动,都需要直流电容来缓冲。补偿负序电流时,直流电容储存的电能波动最为明显,因此主要考虑由于负序电流造成的能量脉动。直接给出直流侧电容的计算公式如下C =3E m I -m2U 2dc(2式中E m APF 输出的相电压幅值I -m 负序电流分量幅值直流电压的脉动量72电力电子技术电工技术杂志2002年第10期基波角频率U dc 直流电容输出电压考虑负序电流为输出电流(76A 的60%,直流电压允许脉动1%,且直流侧电压U dc =1000V ,则直流电容值为C =3×2

5、×220×016×2×762×0101×314×10002=9585F (3实际装置中直流电容取C =10000F 。5直流电压的控制511直流电压的获得获得直流电压的传统方法是:为直流电容提供一个单独的直流电源,一般是通过调压器和整流电路来实现。这种方法虽然能够达到目的,但需要另外设计一套电路,增加了整个系统的复杂程度以及成本和损耗。为此,可利用装置自身完成升压过程。该过程分为两个阶段。采用的电力电子开关器件为德国西门子公司制造的两单元IG B T 模块,该模块内的每支IG B T 反向并联了二极管。在第一阶段,关断所有的

6、IG B T 器件,利用反向并联的二极管对直流电容进行充电,这时相当于三相全桥整流。一般而言,经过第一阶段的充电,直流侧电压可达520V 左右。待直流电压稳定后,进行第二阶段的充电,即斩波升压。任选一支IG B T ,在适当时刻进行开关操作。如图1所示,以系统线电压U AB 作为同步参考信号,当U AB 为负时,开通V T 1,这时有电流流经V T 1和VD 3。经过一段时间后,L a 和L b 中积聚了一定的能量,关断V T 1,该回路电流突变,于是电感L a 和L b 中的磁场能转化为电场能而产生过电压。该过电压与系统电压一起通过二极管对直流电容充电,这时还是相当于三相全桥整流,只不过三相

7、电压幅值更高而已。重复上述操作,直至直流电压满足要求。采用这种方法可以做到直流侧电压升压无超调。直流侧电压达到要求之后,打开所有PWM 脉冲,APF 即并入电网。512直流电压的稳定控制APF 要有效地对系统谐波电流进行补偿,按照PWM 控制规律,逆变器的直流侧电容电压就必须保持恒定,从而提供一个电压基准。若直流侧电压波动较大,就会出现过补偿或者欠补偿。欠补偿时会影响补偿的精度,过补偿时会增加APF 的干扰性谐波电流。因此直流电压的稳定性是很重要的。有源电力滤波器本身并不能产生能量来维持电容电压,所以必须采取一定的措施来稳定直流电压。在实际运行中,影响直流电容电压的主要因素有:电力电子开关器件

8、工作中的损耗。当系统电压中含有谐波分量,不同次谐波电压和谐波电流相互作用将和电容产生能量交换,从而影响直流电压。负序电流和系统电压在直流侧产生能量脉动,使得直流电压波动。通过对主电路进行适当的控制可实现直流电压的恒定。由于有源电力滤波器必须从系统中吸收有功能量来维持电容电压的恒定,所以APF 发出的补偿电流中就必须包括一个有功电流成分。采用简单的PI 调节,即可检测到直流电压与给定电压的偏差,根据这个偏差经PI 控制运算得到补偿直流电压的有功分量为p =K (U dc +1TTU dc d t (4式中U dc 直流电压有效值的偏差K 比例系数T 积分时间常数只要直流电压偏差不为零,那么将产生

9、一有功电流来维持直流电压。维持直流电压所对应的有功电流为i cav =p 3U 2u a i cbv =p 3U 2u b i ccv =p 3U 2u c(5式中U 相电压有效值u a ,u b ,u c 三相电压瞬时值实际中采用模糊控制器来对PI 调节器的参数进行控制。模糊控制器有更快的响应和更小的超调,对过程参数的变化不敏感,即具有很强的鲁棒性,能够克服非线性因素的影响。把模糊控制器和PI 调节器相结合的方法称为Fuzzy 2PI 调节器。设直流电压稳定时e (t =0,要求的输入为U 0,在模糊控制器中U 与e 可以看作一种非线性变换U =f e (t (6则PI 调节器的输入输出为8

10、2电工技术杂志2002年第10期并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨p =K P f e (t +K ITf e (t d t (7f e (t =U 是经过模糊控制器处理后的输出值。上式实际是把常规的PI 调节器模糊化。式(7可变换为p =K P U +K ITU d t (8参数自调整Fuzzy 2PI 调节器系统框图如图2所示。应用Fuzzy 修改表对参数K 1、K 2及K P 、K I 进行自调整的原则是:当误差e 或误差变化率e 较大时,可通过缩小K 1、K 2放大K P 、K I 进行“粗调”控制,降低对e 或e 的分辨率,而采用较大的控制改变量。当e 和e 较小时,也就是

11、系统已接近稳态,可通过放大K 1、K 2缩小K P 、K I 实行“细调”控制,提高对e 或e 的分辨率,而采用较 小的控制改变量。图2参数自调整Fuzzy 2PI 调节器系统框图图3直流侧电压响应曲线图3所示为采用Fuzzy 2PI 控制器时的直流侧电压波形图。图中的直流电压波动部分是由于APF 投入电网时所造成的冲击引起的。从试验波形可以看出,采用Fuzzy 2PI 控制器控制直流电容电压,其静态误差小,响应速度快,能快速对直流侧电压进行补偿,效果十分显著。由于直流电压稳定,直流电压波动所导致的APF 干扰性谐波电流大大减小,APF 补偿谐波时的精度得到提高。6结论本文根据实际装置的研制经

12、验,系统地讲述了并联型APF 直流侧电压的计算和电容的选取,提出一种简单有效的直流电压升压方法,解决了并联型APF 的并网问题,并将模糊控制技术应用于直流侧的电压控制中。实践证明,该控制器超调小、响应快,控制效果很好。参考文献京:机械工业出版社,19982梁旭,刘文华,陈建业.采用GTO 的±300kvar 新型静止无功发生器.清华大学学报(自然科学版,1997,37(73查晓明,陈卫勇.三相交流系统综合补偿的补偿分量检测研究.电网技术,1999,23(7Investigation on R elevant Problems forDC Side Voltage of Paralle

13、lActive Pow er FilterDi ng Kai(Wuhan University Abstract This paper discusses the calculation of DC voltage and selection of capacitor according to research on parallel active power filter.A new method for APF launching into power sys 2tem is presented and a fuzzy theory for voltage stability contro

14、l is given out .In the end ,the test in practice is shown.K eyw ords active power filter DC voltage fuzzy control收稿日期:20020425(上接第26页6Fujita H.A hybrid active filter for damping of harmonicresonance in industrial power systems.IEEE 2TPE ,2000,15(2:215222Study on Digital Control System ofShunt Active

15、 Pow er FilterGu Jianj un(Harbin Institute of Technology AbstractThis paper proposes a novel method measuringcompensating reference current after it analyzes briefly the basic structure and operation principle of a shunt active power filter.Then one kind of digital control system based on DSP is set u p and experimen