基于谐波分解的有源电力滤波器控制方法研究(2014北京)

基于谐波分解的有源电力滤波器

控制方法研究

报告人：卓放西安交通大学电气工程学院2014年5月北京2/182024/2/3目录1.引言2.基于检测原理的APF控制方法3.基于谐波解耦的APF控制方法4.直流侧电压控制分析5.仿真和实验研究6.结论3/182024/2/3

随着电力电子装置等非线性负载的广泛应用，电力系统的谐波污染越来越严重。谐波电流的存在不但使用电设备所处的环境恶化，还对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害：谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确；…………

1引言谐波治理势在必行4/182024/2/31引言解决谐波污染问题的基本思路有两条：装设谐波补偿装置来补偿谐波；对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波。谐波补偿装置主要有两类：无源滤波器结构简单，成本较低。只能补偿固定次谐波，易和系统发生并联谐振。有源滤波器成本较高能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。

5/182024/2/3有源电力滤波器工作原理框图：1引言

有源电力滤波器主电路结构已经比较成熟，因此谐波电流的准确检测和采用有效的控制方法使得补偿电流能够实时、准确地跟踪指令电流信号是提高有源电力滤波器补偿性能的关键。

6/182024/2/3单独使用无源滤波器的特：成本低、易实现。补偿效果欠佳。易与系统发生谐振。

因此将二者结合起来，相互取长补短，充分发挥各自的优势，无疑是一种好的选择。1引言-----混合型电力滤波器使用混合滤波器的必要性单独使用APF的特点：可以动态补偿谐波，补偿效果好。投资大、成本高。混合型电力滤波器分类串联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用方式并联型有源电力滤波器与LC滤波器并联方式并联型有源电力滤波器与LC滤波器串联方式7/182024/2/3串联型有源滤波器与LC滤波器混合使用方式1引言-----混合型电力滤波器8/182024/2/3并联型有源滤波器与LC滤波器串联方式1引言-----混合型电力滤波器9/182024/2/3并联型有源滤波器与LC滤波器并联方式1引言-----混合型电力滤波器10/182024/2/31引言-----混合型电力滤波器系统结构示意图系统单相等效电路图11/182024/2/31引言-----混合型电力滤波器有源和无源滤波器同时并入电网的补偿特性谐波等效电路图谐波补偿幅频特性对比图12/182024/2/31引言-----并联混合型有源电力滤波器系统电路结构图13/182024/2/31引言-----并联混合型有源电力滤波器控制方案14/182024/2/32.基于检测原理的APF控制方法系统采用双环控制：电压外环通过检测直流侧电压与参考电压做比较，经过PI调节器后得到有功电流参考信号。电流内环实现输出电流的跟踪控制，保证电流跟踪的快速性和准确性。15/182024/2/32.基于检测原理的APF控制方法PWM逆变器等效为一阶简化模型，同时忽略电源电压和负载电流的影响，可得到电流内环在S域下的等效数学模型：电流跟踪环的开环传递函数：Ⅰ型系统，而输入为交流信号，不能实现无差跟踪控制16/182024/2/32基于检测原理的APF控制方法可以看出，通过对系统中基波电流的检测计算得到所有次谐波电流，然后通过电流环的PI控制来实现谐波电流的全补偿。但电流控制环节固有的延时会使补偿效果变差，很难对谐波电流完全补偿，原因是受VSI开关频率的限制，APF的系统频带相对于补偿谐波的频段还不够宽，对次数较高的谐波补偿效果变差甚至可能形成正反馈。在实际应用中，负载电流的高次谐波并不明显，APF只需补偿次数较低的几次谐波，因此，可选择性谐波电流检测具有重要的意义。17/182024/2/33.基于谐波解耦的APF控制方法基于谐波解耦的APF系统框图

其中：18/182024/2/3考虑采样延时的APF在S域下的等效数学模型如图a所示。

3.基于谐波解耦的APF控制方法(a)(b)

当系统处于稳态时，谐波电流经坐标旋转变换后的幅值是恒定的，带通滤波器BPF输出的各次谐波的给定也是不变的。假设负载电流和APF输出电流采样的延时和电流传感器变比相同，则图(a)可以简化为图(b)。

19/182024/2/33.基于谐波解耦的APF控制方法

根据等效数学模型（如图所示），可得系统的简化开环传递函数为：Ⅰ型系统，但稳态时给定是个恒定量，可以实现指令信号无差跟踪20/182024/2/34.直流侧电压控制分析

本文采用锁相环（PLL）检测电网电压频率及相位，从而确定变换矩阵。假设相位检测误差为，则变化矩阵C变成：经过低通滤波后得：

再经反变换后得到：

相位检测误差对负载电流的检测没有影响，在变换和反变换的过程中相互抵消了。

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但反变换中加入了稳定直流侧电容电压的基波有功分量（如图），这样经过反变换后：4.直流侧电压控制分析

加入后，锁相环的检测误差会对基波电流的检测产生误差，从而引起直流侧电压的波动，而且随着的增大，对直流侧调节的影响也越大。22/182024/2/34.直流侧电压控制分析

基于谐波解耦的选择性谐波检测算法，把直流侧电容电压的调节与谐波的检测分离；为了减小相位误差对直流侧电压调节的影响，采用相位补偿的方法，在反变换矩阵中加入补偿相位，则变换矩阵变成：

当时，理论上可以消除相位检测误差给直流侧电容电压带来的影响。

23/182024/2/35.仿真和实验研究

利用MATLAB/Simulink仿真工具箱和相应函数对整个系统进行仿真。

(b)基于谐波解耦控制的负载和电网电流波形(a)基于控制的负载和电网电流波形

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本文搭建了一台三相三线制APF实际装置进行实验研究，负载为三相二极管整流桥。

5.仿真和实验研究装置实物照片25/182024/2/35.仿真和实验研究(a)基于控制的实验波形

(b)基于谐波解耦控制的实验波形表1基于不同控制方法的谐波含量对比谐波电流（A）THD/（%）5次7次11次13次17次12.251.090.870.490.4727.2720.2140.1080.080.0720.0654.7730.1180.0650.0990.0430.0412.09表1基于不同控制方法的谐波含量对比1为负载电流；2为基于控制时的的电网电流；3为基于谐波解耦控制时的电网电流其中：26/182024/2/36.结论

本文对电流检测算法进行了改进，提出了基于谐波解耦的APF控制方法：