APF与TSC混合补偿装置控制策略设计_图文

1、第18卷第1期 2014年1月 电 机 与 控 制 学 报Electri C Machines and ControlV01.18No.1 Jan.2014APF与TSC混合补偿装置控制策略设计杨家强, 陈诗澜, 朱洁, 曾争(浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027摘要:针对低压配电网谐波污染以及无功功率失衡的问题,依据瞬时功率理论,设计了一种由并 联型有源电力滤波器(APF和晶闸管投切电容器(TsC组成的动态无功与谐波混合补偿装置 (TAPF。建立了TAPF的通用数学模型,从定性和定量的角度给出了TAPF在电流源型非线性负 载下采用传统控制策略的谐波消除机理。同时提出了一种既能完全补偿网

2、侧谐波电流又能完全消 除电网阻抗和鸭C之间可能发生的谐振的双电流控制策略。并仿真分析了电网参数波动对传统 控制策略和双电流控制策略的性能影响。仿真结果表明,在不同谐波次数和谐波补偿系数情况下, 双电流控制策略比传统控制策略受电网参数波动的影响更小。因此双电流控制策略比传统控制策 略更适合TAPF补偿电流源型非线性负载的谐波。关键词:有源电力滤波器;谐波抑制;无功补偿;控制策略;电网参数中图分类号:TM 761文献标志码:A 文章编号:1007449X(201401001108Control strategy designing of hybrid compensator based on AP

3、F and TSCYANG Jia-qiang, CHEN Shilan, ZHU Jie, ZENG Zheng(College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,ChinaAbstract:In order to compensate reactive power and suppress harmonic current in the low-voltage distri-bution grid,a hybrid dynamic reactive power cording to instantan

4、eous power theory.It CO and harmonic current compensator(TAPFis designed ac of shunt activepowerfilter(APFand thyristorswitched capacitor(TSC.The compensation character of TAPF under traditional control strategies for current-source type nonlinear load were well studied theoretically and quantitativ

5、ely by establishing math ematic model.A double-current control strategy which not only suppress lineside harmonic current but also avoid resonance between line-side impedance and TSC was put forward.Operating performance of the compensator produced by traditional control strategies and doublecurrent

6、 control strategy was simula ted as power network parameters change.The simulation results validate that double-current control strat egy is less susceptible to power network parameters changing than traditional control strategies when har-monic order and compensation factor changing.So doublecurren

7、t control strategy is more suitable for the compensator than traditional strategies in current-source type nonlinear load.Key words:active power filter;harmonic suppression;reactive power compensation;control strategy; power network parameters收稿日期:20130904基金项目:国家自然科学基金(51177150;浙江省公益性技术应用研究计划资助项目(20

8、11C21022作者简介:杨家强(1970一,男,博士,副教授,研究方向为电力电子与电气传动(电能质量管理;陈诗澜(1990一,男,硕士研究生,研究方向为动态谐波抑制及无功功率补偿;朱洁(1992一,女,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动;曾争(1987一,男,博士研究生,研究方向为电能质量及其控制技术,电力电子与电力传动。通讯作者:杨家强万方数据12电机与控制学报 第18卷 0引 言随着开关电源、交流电机变频调速装置、不间断电源等设备的广泛应用,大量谐波和无功注人到电网¨J。谐波和无功的存在不仅会增加线路上的电压损失,降低发、供电设备的利用率,而且还会给电网的安全稳定运行带来

9、巨大隐患。因此近年来,能够同时补偿谐波和无功的并联混合型有源电力滤波器(shunt hybrid active power filter,SHAPF得到越来越多的关注旧。5J。根据整流桥直流侧连接的是电容还是电感,可 以将并联混合型有源电力滤波器的负载类型分别归 为电压源型和电流源型非线性负载两类Mj。文献 7分析了几种经典的并联混合型有源电力滤波器 在电流源型非线性负载下的基本控制策略以及电网 参数波动对系统的影响,但只分析了5次谐波情况 下电网参数波动对系统的影响。文献810分析 了有源电力滤波器与并联电容器组成的SHAPF的 稳定性及控制方法,提出了一种同时检测负载电流 和电源电压的控制

10、方法,但并没有对比分析SHAPF 在不同控制策略下的差异以及不同次数谐波下的补 偿特性。在上述文献的基础上,本文设计了一种由并联 型有源电力滤波器(active power filter,APF和晶闸 管投切电容器(thyristorswitched capacitor, TSC¨纠组成的动态无功与谐波混合补偿装置 (TAPF。TAPF中TSC分级投切电网所需的大部 分无功,APF动态输出TSC投切后电网所需的小容 量无功并消除电网各次谐波。文章建立了TAPF的 通用数学模型。在此基础上,首先分析了该装置在 电流源型非线性负载下采用传统控制策略的谐波消 除机理和优缺点,提出了一种既能

11、完全补偿网侧谐 波电流又能完全消除电网阻抗和TSC之间可能发 生的谐振的新型控制策略。并探讨了全谐波(O一 50次范围电网参数波动对传统控制策略和新型控 制策略的性能影响。1TAPF的数学模型由并联型有源电力滤波器(APF和晶闸管投切 电容器(TSC的组成的动态无功与谐波混合补偿装 置(TAPF的系统结构框图,如图1所示。图中左侧虚线框内为基于LCL的APF的结构 框图,右侧虚线框内为TSC的结构框图。TAPF通 过瞬时控制APF和TSC便能实现动态无功补偿和 谐波消除。图1TAPF的结构框图Fig.1Structure diagram of TAPFTAPF控制框图,如图2所示。图2TAPF

12、控制框图Fig.2Control block diagram of TAPF图2中G。代表谐波电流检测环节,K代表电 流跟踪环节的比例系数,G。代表逆变器PWM环 节,G¨代表LCL滤波环节,K,代表输出电流反馈 系数。谐波电流检测环节G。采用瞬时功率理论¨1-14, 其传递函数的表达式为G小=(,一焘Kidi,式中:。为截止角频率;。为基波角频率;Ki。为谐 波补偿系数;丁,为计算延时。逆变器PWM环节G。的传递函数G。(s表达式 和LCL滤波环节G¨的传递函数GM(s表达式分 别为Gho-忐, (2 Glc小=器。 (3式中:K。为调制系数;九为采样延时;尺d

13、为阻尼电 阻;C为滤波电容;:为网侧电抗器。因此,图2虚线框内整个电流跟踪控制环节Gi 的传递函数表达式为万方数据第1期 杨家强等:APF与TSC混合补偿装置控制策略设计 13刚扣揣=考黜, 其中Tl=L2臼h,疋=Rd舒h+L2C,疋=凡C+丁h+K州K KpRdC,瓦=KiKifKp。(5由式(1和式(4可推导出整个TAPF的传递函数表达式为啪pf(,:等等掣烈舶, Ga s21可瓦万i矗前若尹,(6 式中,Tl、疋、死和L如式(5所示。2TAPF等效电路及其参数当TAPF补偿电流源型非线性负载时,整个补 偿系统在谐波频段的单相等效电路如图3所示。图3TAPF等效电路Fig.3Equiva

14、lent-circuit diagram of TAPF其中以。代表电网谐波电压、,8。代表网侧谐波电 流、z。h代表电网阻抗、Ga#Fxh代表TAPF的谐波补偿 电流、瓦代表TSC谐波电流、瓦代表TSC等效阻抗、 ,lh代表电流源型非线性负载。在图3中,根据基尔霍夫电流和电压定律m可得Ush=ZshIsh+毛,m,1l,Bh=瓦+,1hG。PfF。h,(7 U1h=U+hIshZsh。 J其中F。代表A、B、C、D四点测得的电流或电压。 由式(7可得网侧谐波电流瓦的表达式为氏=氅皇竽+毫。幽Z8h+Zfll 。Z8h+Zfll。、”7文中所要用到的TAPF参数如下表1所示。表1TAPF系统参

15、数Table 1System parameter of TAPF参数 数值网侧电抗器岛/wH逆变器侧电抗器L1/“H滤波电容c/恤F阻尼电阻Rd/11计算延迟r1/ms采样延迟"Th/ms截止角频率。/rad/s基波角频率./rad/sTSC并联电容-/IFTSC串联电感/mH电网阻抗L,/mH控制环节系数5010030O.10.1O.1407r100仃78.59.042Kit=1,Ki=5,K一=128,0Kidl 3TAPF控制策略设计3.1传统控制策略分析传统谐波控制策略有负载谐波电流控制、负载 谐波电压控制、网侧谐波电流控制等3种【1J。如图 3所示,3种控制策略分别对应为检

16、测A点电流、检 测B点电压和检测D点电流。下面分析本文提出 的动态无功和谐波混合补偿装置(TAPF在上述3种控制策略下的性能。3.1.1负载谐波电流控制采用负载谐波电流控制时,TAPF能够产生的 谐波补偿电流t的表达式为,。=GaDfk。 (9 代人式(8可得。紫+丧。,18“一ZBh+ZfIl Zsh+ZflI。1”, 式(10的等效控制框图如图4所示。图4负载谐波电流控制框图Fig.4Control block diagram of load harmonic current 由式(10可见,这种控制策略实质上等效于通 过控制有源电力滤波器来改善无源支路的谐波阻抗 特性,由于直接检测负载谐

17、波电流,其补偿效果只取 决于谐波电流的检测精度和PWM逆变器的控制精万方数据14电机与控制学报 第18卷度,不存在稳定性问题。当G。,为1时,谐波电流将会全部流入TAPF,从而完全消除网侧谐波电流中负载谐波电流的分量盟筹s h ,但是此种控制策凸 l口n1略下TAPF无法治理由电网谐波电压产生的电网谐波电流分量夏盖苌。另外,当电网阻抗和TSc发生谐振时,即式(10的分母部分z。+Zm一0,电网谐波电流会急剧增大,TAPF完全失去了网侧谐波电流的补偿能力,因此该种电流控制策略不能抑制TAPF的谐振。3.1.2负载谐波电压控制采用负载谐波电压控制时,TAPF能够产生的谐波补偿电流t的表达式为,。=

18、G。DfUlh=GapfZfll。 (11代入式(8可得, 瓦,lh (1一GapfZfhU。hti可二瓦蕊十瓦可=瓦蕊。 (12 式(12等效控制框图如图5所示。图5负载谐波电压控制框图Fig.5Control block diagram of load harmonic voltage 由式(12可见,此种控制策略下TAPF的滤波 效果不仅受G。,影响,而且还受影响。当1一G。pf Zm=0时,电网谐波电压产生的谐波电流分量 瓦等享畿将会全部流人TAPF中,且还能 消除电网阻抗和TSC之间可能发生的谐振,但是不 能完全消除电网谐波电流中负载谐波电流的分 且 Zfh,lh量瓦可丁虿丽。3.1

19、.3网侧谐波电流控制采用网侧谐波电流控制时,TAPF谐波补偿电 流L表达式为Ic=Gapf,。h。(13 代人式(8可得氏=拣+高0(14 。s“2瓦订万面:+i疆i瓦赢。(14式(14等效控制框图如图6所示。图6网侧谐波电流控制框图Fig.6Control block diagram of line-side hm-nmnic current 由式(14可以看出,网侧谐波电流控制并不能 完全消除网侧谐波电流,其谐波补偿效果只取决于 Gapf的大小,G耐越大网侧谐波电流就越小。但当Gapf取得过大会造成系统的不稳定,因此该种电流控 制策略消除网侧谐波电流的范围有限。3.2TAPF的双电流控制策

20、略设计由上述分析可知,负载谐波电流控制、负载谐波 电压控制和网侧谐波电流控制3种传统控制策略具 有不能完全补偿网侧谐波电流或者不能完全消除电 网阻抗和TSC之间可能发生谐振的缺点。为了解 决这些问题,文章提出了一种同时检测负载谐波电 流和鸭C电流的双电流控制策略。如图3所示,双 电流控制为检测c点电流。采用双电流控制时,TAPF谐波补偿电流L表 达式为,。=G。f(“+k。 (15 代入式(8可得, (1一Gapf瓦瓦 (1一G。,fU。h气“2百玎产砜+i玎F丽。(16 式(16等效控制框图如图7所示。图7双电流控制框图Fig.7Control block diagram of double

21、-current 由式(16可见,双电流控制策略具有前面3种 传统控制策略的优点,当Gapf为1时,它不仅能完全 补偿负载侧谐波电流“产生的网侧谐波电流分量 糍,而且还能完全补偿电网谐波电万方数据第1期杨家强等:APF与TSC混合补偿装置控制策略设计15压%引起的网侧谐波电流分量瓦等谶。而且此时,分母项始终不为零,能完全消除电网阻抗 和TSC之间可能发生的谐振。因此双电流控制在 理论上比前面3种传统控制策略具有更好的补偿性能。 4电网参数波动对控制策略的影响电网参数波动可以分为很多种,不同的电网参数波动对TAPF的影响也不同。以下将对比分析负 载谐波电流。波动、电网谐波电压U幽波动和电网 阻抗

22、z。波动对采用传统控制策略和双电流控制策 略的TAPF谐波补偿特性的影响。 4.1负载谐波电流k波动的影响作为主要被控对象的负载谐波电流波动,要 求TAPF对其有较快的动态响应性能。TAPF对负 载谐波电流,1。波动的动态响应性能可以表征为系 统对并联谐振的抑制能力。TAPF的并联谐振主要是负载谐波电流,1。于瓦和z小的并联阻抗上产生。因此分析TAPF并联谐振抑制情况时,可以不考虑 电网谐波电压玑。所以TAPF的负载谐波电流波 动影响系数可以定义为田l=(IthI/l,lhI×100%。 (17表2所示为4种控制策略的叼。表达式。表24种控制策略的叩。表达式Table 2,l exp

23、ression of four control strategies控制策略 叩负载谐波电流控制学负载谐波电压控制网侧谐波电流控制双电流控制兰堡Z|+Z。hG。pfZaZ5h刍Z。h+Zll',GapfZtm!二垒!刍ZllI+ZshG札fZ曲由表2可知,田。不仅与谐波次数n有关,而且 还与TAPF谐波检测环节的谐波补偿系数Ki。有关。因此可以画出田。与n和K。的关系图。图8为4种基本控制策略下叼,与n和K。的关 系图,其中TAPF采用的各参数如表1所示。易知,叼,数值越大的地方抑制负载谐波电流 ,lh波动能力就越差。从图8可以看出,采用负载谐 波电流控制和网侧谐波电流控制时,在大部分

24、区 域叼,都浮动在0.10.8。而且补偿系数K讨越小 TAPF抑制,lh波动性能就越差,因此这两种控制策 略抑制负载谐波电流k波动效果最差。对负载谐 波电压控制而言,在低谐波补偿系数(如K讨=0.1时,TAPF对所有次数谐波电流波动抑制能力 都很差,会出现谐波放大的情况。但随着Ki。的增 大,系统对各次谐波电流波动的抑制能力逐渐增 强。对于双电流控制而言,由于曲面上没有极点, 因此不会出现谐波放大的情况,从而保证系统的 稳定性。而且随着补偿系数Ki。的增大,TAPF的抑 制能力也逐渐增强。但是随着谐波次数的增大, TAPF对各次谐波电流波动的抑制能力也逐渐减 小。但总体上对各次谐波电流波动均有

25、良好抑制 效果。因此双电流控制抑制各次谐波电流波动效 果最好。n一面。oK71载谐波电流控制0.5尺控制11.、芦|_( I.5J,I(5s(,7(.5l(0h【0K“网侧谐波电流控制 双电流控制图8四种控制策略下,。与n和%的关系图Fig.8Diagram of 1,l诮m厅and虬under four control sh_tegi够4.2电网谐波电压U曲波动的影响电网谐波电压的影响因素主要有2个方面,一 方面是发电机在向电网提供大量基波功率的同时也 向电网输出一定的谐波功率,引起供电方的电压畸 变。另一方面,电网其他各处谐波负荷的波动也会 引起电网谐波电压波动【_7J。TAPF对电网谐波

26、电压 以。波动的动态响应性能可以表征系统对串联谐振的抑制能力。TAPF的串联谐振主要是电网谐波电 压【,。于Zm和z。的串联阻抗上产生。因此分析 TAPF串联谐振抑制情况时,可以不考虑负载谐波 电流k。所以TAPF的电网谐波电压波动影响系数 可以定义为叼2=(IIshI/AI玑hI×100%。(18类似于分析负载谐波电流,lh波动影响,同样可 以得到四种控制策略的J,7:表达式,并画出其与n和 K。的关系图,如表3和图9所示。万方数据 电机与控制学报 表 种控制策略的仍表达式 第卷 流的大小，也会影响电网谐波电压在电网阻抗上产 生的电流大小。由于除之外，整个系统还包 括两个电源，即电

27、网谐波电压源和负载谐波电流源。 因此，电网阻抗。波动对工作特性的影响也 可以分成两部分，一部分仅考虑负载谐波电流产 生的影响，另一部分仅考虑电网谐波电压玑。产生的 影响。因此的电网阻抗波动影响系数可 以分别定义为 叼 控制策略 负载谐波电流控制 负载谐波电压控制 一 一一 一 鲫梵。 檄 蠖， 网侧谐波电流控制 一瓦 一 一一 一 一一 ×， 、 双电流控制 田。 ×。 按前述方法进行分析可以得到种控制策略的 叼。和。表达式，并分别画出其与和。的关系图， 如表、表和图、图所示。 表 种控制策略的铂表达式 铂 控制策略 负载谐波电流控制 ） ， 负载谐波电压控制 一 瓦 噼

28、川 。 一 。誊一。辩。！一。？。？ 一。 ， ¨ ：。 网侧谐波电流控制 “¨婿波【也氚控；， 图 烈也虎控：“ 双电流控制 种控制策略下，：与和的关系图 一瓦 吼 ， 一 一一 从表和图可知，就抑制电网谐波电压玑。波 动的性能而言，负载谐波电流控制不受。影响，但 随着谐波次数的增大，的抑制能力先减小后 增大。同时可以看出系统在次谐波处的抑制能力 最差。负载谐波电压控制同样对高频段电网谐波电 压波动抑制能力较好，但随着泊的增加，在低 频段的抑制能力也逐渐减弱。双电流控制和网侧谐 波电流控制与负载谐波电压控制抑制电网谐波电压 菇警一÷， ” 如鬟。仑：二。：、 霈

29、一一。一二。 。 。÷嗲彳一一、 。 一 ¨、 紫善 拈，二、一，菇喾等二。 。？、一。 紫誊善一萼考、 波动的整体效果基本相同。但是在这两种控制 策略下，随着。的增加在次谐波处的抑制 能力逐渐增强，其中又以双电流控制的抑制效果最 好。所以双电流控制抑制电网谐波电压以。波动性 能最好。 电网阻抗幽波动的影响 当仅考虑负载谐波电流的影响时，从表和 图可知，负载谐波电压控制在低频段的电网阻抗 。波动抑制能力最差，在高频段的抑制能力较好。 且随着。增加，系统对其抑制能力先增大后减小， 最后趋于稳定。负载谐波电流控制、双电流控制和 电网所处周围环境的变化，会引起线路损耗，使 得电网

30、阻抗出现变化。另外由于现代电网的网状结 构分布格局，电网阻抗会受电网其它各处负荷变化 的影响。电网阻抗。波动会影响输出电 万方数据 第期 杨家强等：与混合补偿装置控制策略设计 能最好。 网侧谐波电流控制曲面基本趋势相同，。在大部分 区域为，即系统在大部分谐波情况下能够完全消 除电网阻抗波动对网侧谐波电流的影响。而且随着 结语 本文设计了一种由并联型有源电力滤波器 氏增大，种控制策略在低频段的抑制能力均增强。 其中尤以双电流控制的抑制能力最好，所以只考虑 负载谐波电流，。的影响时，双电流控制抑制电网阻 抗幽波动性能最好。 表 种控制策略的讯表达式 （）和晶闸管投切电容器（）组成的动态无功 与谐波

31、混合补偿装置（），建立了的通用 数学模型。分析比较发现，当采用负载谐波电流控 制、负载谐波电压控制和网侧谐波电流控制时， 补偿电流源型非线性负载具有不能完全补偿 网侧谐波电流或者不能完全消除电网阻抗和髑 之间可能发生的谐振等缺点。而本文提出的双电流 控制策略既能完全补偿网侧谐波电流又能完全消除 电网阻抗和之间可能发生的谐振。并且仿真 结果表明，双电流控制策略比传统控制策略更能抑 制负载谐波电流、电网谐波电压和电网阻抗等电网 参数波动。因此，双电流控制策略比传统控制策略 更适合补偿电流源型非线性负载的谐波。 参考文献： 王兆安。杨君，刘进军谐波抑制和无功功率补偿北京： 机械工业出版社。： 汤赐，罗安，荣飞混合型并联有源滤波器的设计及工程应用 电工技术学报，（）： ， ， 控制策略 仉 负载谐波电流控制 西 负载谐波电压控制 竹 一 了 一 网侧谐波电流控制 双电流控制 一 一万 一一一一 尺 “一 铡！峨： （ 喇 负载谐波电压控制 ，（）： 张志文，黄际元，吴隆福，等高速电气化铁路负序和谐波统一 治理新方法电机与控制学报，（）： ， 毒卜 图 嗽 壤一 砣 毒 （ 儿 ， ， ， 卯 ，。 （）：