并联有源电力滤波器的动态滞环控制

并联有源电力滤波器的动态滞环控制

对提高电网质量，提高电网利用率，维护能源系统的稳定具有重要意义。有源电力滤波器的基本思想形成于20世纪60年代和80年代出现的瞬时无功功率理论极大地推动了它的发展,使其能够对变化的无功功率和谐波进行快速地动态补偿和抑制,并在三相三线制系统中得到了很好的应用。工业应用中,三相四线系统是广泛使用的,而瞬时无功功率理论是建立在三相三线制系统上的,本文采用一种简单的算法来消除零序电流的影响,研究了一种用于三相四线系统的并联有源滤波器。1电流源型变压器并联有源滤波器的主电路有电压源型(VSI)和电流源型逆变器(CSI)两种结构,二者的区别是直流侧分别采用电容和电感两种储能元件;交流侧电压源型逆变器需要串联连接电抗器并入电网,电流源型逆变器则要并联电容器。理论上,逆变器直流侧无需设置储能元件,但实际中,有源电力滤波器需要补偿负载瞬时实功率中的振荡分量,并且逆变器吸收电流中的谐波会造成少量的无功能量在电源和其自身间的往返,因此,为了维持它的正常工作,储能元件是必需的。对两种类型的逆变器可以采用相应的PWM电流控制,其目的均是使有源电力滤波器以受控电流源的形式工作。电流型具有较好的鲁棒性,电压型则以损耗小,初期投资少的优点更受人们的青睐,因此,目前投入商业运行有源电力滤波器几乎都采用电压源形式的结构。2元臂型电气控制模型用于三相四线系统中的PWM逆变器可以采用图1所示的两种结构。(a)是传统的三桥臂变换器结构,将交流中线直接连接到直流母线的中点上,也称为裂相电容结构;(b)是四桥臂变换器结构,交流中线由第四条桥臂的中点引出。四桥臂变换器的可控性更好,三桥臂变换器使用的功率半导体器件更少,但在这种结构中电流要从C1(或C2)流回中线,这使它存在裂相电容电压均衡较难控制的问题。如果这一问题得到解决,那么三桥臂型是一种较好的结构。文中采用一个简单的电路对裂相电容的电压进行了较好的控制。本文使用的三相四线并联有源电力滤波器的结构如图2所示,其中主电路采用三桥臂逆变器,有源滤波控制器通过检测负载电压和电流信号,利用瞬时无功功率理论计算出补偿电流的指令信号。动态电流滞环控制器跟踪指令电流的瞬时值,发出触发脉冲控制逆变器,使其产生补偿电流。电压调节器的作用是将检测到的电容电压uc1,uc2进行运算,得出用于补偿逆变器自身损耗的控制信号i¯lossi¯loss和对电流滞环位置进行动态调节的控制信号。由于逆变器中功率半导体器件的高速通断,补偿电流中会含有一些高次谐波,用电阻R和电容C构成的小型无源滤波器可以很容易地将这些谐波滤除掉。3控制战略的研究3.1电流基波正序分量的计算谐波电流的检测是有源滤波器中非常重要的一环,在一定程度上决定了有源滤波器的性能。目前国内外对谐波电流检测方法的研究非常热门,主要有三种,这些方法分别基于滑动付里叶分析,瞬时无功理论和APF的能量平衡。本文采用基于瞬时无功理论的方法。运用瞬时功率理论可以将负载电流解耦成各个分量,由不同的补偿算法得到的分量也不同。有源滤波控制器的作用即是根据补偿目的,对检测到的负载电压和电流进行一系列运算,得出补偿电流的指令信号。本文采用图3所示的算法,可以对基波负序、零序、谐波和基波无功电流进行补偿,从而使电网只需向负载提供基波正序有功电流。该算法在电网电压畸变和不对称的情况下依然可以准确地计算出补偿电流值。三相四线系统中,当电流不对称时ia,ib,ic中包含零序分量,需要先对其进行零序电流分离,这样才可以将该算法应用到不对称的三相四线系统。ia,ib,ic所含有的零序分量相同,且为i0=(ia+ib+ic)/3(1)将此零序分量从各电流中剔除,即令i′a=ia−i0i′b=ib−i0i′c=ic−i0(2)i′a=ia-i0i′b=ib-i0i′c=ic-i0(2)则i′a,i′b,i′c中只含有正序分量和负序分量,可以用图3所示的检测方法得到电流基波正序分量。按ip—iq运算方式,由图3得锁相环PLL以ua为输入,将其输出连接到正余弦信号发生电路上,这样生成的正弦信号是与ua同相的。而期望的正弦信号sinωt应与ua的正序分量同相,这样在电网电压不对称时,实际正弦信号和期望正弦信号存在一个相位差θ,但可以证明θ不会对补偿电流计算结果的准确性造成影响。下面的计算是在假设ua未发生畸变的条件下进行的。ip,iq经LPF滤波可得到它们的直流分量i¯p,i¯qi¯p,i¯q。i¯p,i¯qi¯p,i¯q对应于ia,ib,ic中的基波正序分量。由图3可知:i¯′p=i¯p−i¯loss(5)i¯′p=i¯p-i¯loss(5)为了检测谐波和无功电流之和,应将图3中i¯qi¯q的通道断开,即只需对i¯′pi¯′p进行反变换,得最后得补偿电流信号实现了基波负序、零序、谐波和基波无功电流的补偿。这种控制方法适用于中小功率场合应用。3.2电压调节器设计电流PWM控制器采用电流滞环控制。在这种控制下,A相的补偿电流变化规律如图4所示。如果指令电流(k=a,b,c)含有零序分量,那么每一相的电流会经过C1(或C2)流回中线,这会造成电容电压的振荡。表1给出了一个周期内电容电压的变化规律。当时ifk>0,电容C1的电压上升,C2的电压下降,但由于difk/dt的值不同,同时受交流相电压瞬时值的影响,C1和C2电压的变化量并不相同。电压的变化还取决于指令电流的大小和滞环的宽度。在这种情况下,直流母线电压uc1+uc2和电压的差值uc1-uc2,不仅以开关频率进行振荡,同时还随着零序电流i0发生周期变化。如果给电流滞环的上、下阈值加上一个动态的偏移量ε,可以对电容电压的变化进行较好的控制,使其达到可以接受的误差程度。图5所示为电压调节器,在有源滤波器对基波零序电流进行补偿时,瞬时实功和瞬时零序功率的振荡分量p˜p˜、p˜0p˜0会引起基波电压的变化,这会使uc1-uc2和Uref-(uc1+uc2)过于敏感,利用两个截止频率为20Hz低通滤波器可以消除这种影响。电压调节器中,输出量ε和ΔU的函数关系满足下面的等式:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪ε=−1⇔ΔU<−0.05Urefε=ΔU0.05Uref⇔−0.05Uref≤ΔU≤0.05Urefε=1⇔ΔU<0.05Uref(9){ε=-1⇔ΔU<-0.05Urefε=ΔU0.05Uref⇔-0.05Uref≤ΔU≤0.05Urefε=1⇔ΔU<0.05Uref(9)式中Uref是直流母线电压的参考值,ε作为动态的偏移量加在PWM电流控制器中滞环的上、下阈值上,如图3所示。此时滞环的阈值为{iup=i∗ck+Δ(1+ε)ilow=i∗ck−Δ(1−ε)(10){iup=ick*+Δ(1+ε)ilow=ick*-Δ(1-ε)(10)式中i*ck(k=a,b,c)是由式(8)得到瞬时电流参考值,Δ是一个常数,等于滞环宽度的一半。这样ε可以对滞环进行移动,以改变开关时间,从而对电容电压进行控制。控制过程如下:{uc2−uc1>0⇒ε>0⇒uc1↑⏐‚uc2⏐↓uc2−uc1<0⇒ε<0⇒uc1↓,uc2↑(11){uc2-uc1>0⇒ε>0⇒uc1↑‚uc2↓uc2-uc1<0⇒ε<0⇒uc1↓,uc2↑(11)对直流母线电压的控制采用一个PI调节器,其输出i¯lossi¯loss叠加到基波有功支路中,如式(5),使直流侧电容能和交流侧交换能量,以补偿逆变器自身的损耗。4补偿电流生成中零序分量对补偿效果的影响使用Matlab对系统进行了仿真,负载选用晶闸管三相桥式整流电路带阻感负载(触发角为30°)和两个单相的阻感负载。图6是对无功和谐波进行补偿的仿真结果。仿真是在三相负载电流不对称的情况下进行的,中线中存在零序电流,如图6(c)所示。图6(a)是电网三相线电压,图6(b)、(d)分别是补偿前后电网的三相相电流。图7(a)是补偿前网侧A相的电压和电流波形,可以看出电流滞后于电压,并且有很大的畸变;图7(b)是补偿后得到的波形,此时电流是和电压同相位的正弦波,而且电流幅值比补偿前有一定的减小;图7(c)是A相的补偿电流波形。由仿真结果可见,在电流含有零序分量时,对补偿效果没有影响。补偿后的三相电网电流波形对称,已经消除了零序分量。5控制策略及应用本文针