可選擇諧波型有源濾波器的檢測(cè)及其閉環(huán)控制

摘　要: 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)諧波的實(shí)時(shí)和精確補(bǔ)償, 該文提出了一種用于有源電力濾波器任意指定次諧波的檢測(cè)方法以及基于該檢測(cè)方法的閉環(huán)控制方法。這種有源電力濾波器由選擇性諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)、電壓控制和電流控制環(huán)節(jié)組成。為了補(bǔ)償數(shù)字控制器和逆變器帶來的延時(shí), 在檢測(cè)環(huán)節(jié)中加入了預(yù)測(cè)補(bǔ)償角。電壓閉環(huán)控制方法借助檢測(cè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧波電流發(fā)生電路中逆變器直流側(cè)的電壓控制。電流閉環(huán)控制方法使得實(shí)際補(bǔ)償電流精確地跟蹤檢測(cè)出的諧波指令電流。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的正確性, 在采用上述方法后, 電源電流得到根本的改善。

　　關(guān)鍵詞: 有源濾波器; 選擇性諧波檢測(cè)方法; 閉環(huán)控制方法; 直流電壓控制

　　有源電力濾波器(active pow er filter, APF ) 是目前諧波補(bǔ)償?shù)囊环N重要的電力電子裝置。大多數(shù)傳統(tǒng)APF 的諧波電流檢測(cè)方法基于時(shí)域瞬時(shí)無功功率理論。該檢測(cè)方法的核心是將檢測(cè)出的基波電流與負(fù)載電流相減, 得到全部諧波電流并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。這種基于傳統(tǒng)檢測(cè)方法的A PF 應(yīng)用已經(jīng)比較廣泛。但是由于系統(tǒng)本身固有的延時(shí), 例如檢測(cè)環(huán)節(jié)中的計(jì)算延時(shí)和電壓型逆變器(voltagesource inverter, VSI) 的延時(shí)等, 使得APF 對(duì)于高次諧波的補(bǔ)償出現(xiàn)誤差, 甚至于放大某些高次諧波。因?yàn)閿?shù)字控制器及V S I 的延時(shí)滯后的存在, 所以很難采用閉環(huán)的電流控制方法。另外, 采用傳統(tǒng)的諧波電流檢測(cè)方法時(shí), 如果負(fù)載中包含容性負(fù)載, 由于容性負(fù)載和感性負(fù)載的諧振, 使得系統(tǒng)在補(bǔ)償諧振頻率附近的諧波時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。此外, 當(dāng)諧波的主要成分是5 次、7 次、11 次等低次諧波時(shí), 系統(tǒng)對(duì)于它們的補(bǔ)償?shù)睦寐屎艿汀?/p>

　　本文提出了一種帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)倪x擇性諧波檢測(cè)方法以及基于該方法的電壓和電流閉環(huán)控制方法。這種檢測(cè)方法是從負(fù)載電流中直接檢測(cè)出指定次諧波(包括正序諧波和負(fù)序諧波) , 并通過增加預(yù)測(cè)補(bǔ)償角徹底解決系統(tǒng)的延時(shí), 達(dá)到精確的實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償。閉環(huán)的電流控制完成了補(bǔ)償電流對(duì)檢測(cè)信號(hào)的跟蹤, 電壓控制完成了對(duì)于V S I 直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制。

　帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)腟HC-APF

　　如圖1 所示, 帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)腟HC-APF 采用了帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)倪x擇性諧波檢測(cè)方法以及基于該檢測(cè)方法的電流和電壓的閉環(huán)控制。其中, 帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)倪x擇性諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)直接檢測(cè)出任意指定次諧波;電流的閉環(huán)控制使得輸出的補(bǔ)償電流可以精確地跟隨給定的補(bǔ)償電流信號(hào); 電壓閉環(huán)控制使SHC-A PF 中V S I 的直流側(cè)電容電壓控制在指定的電壓值, 從而保持V S I 的交流側(cè)與電源之間的電壓差。

　帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)倪x擇性諧波檢測(cè)方法

　　上述SHC-APF 中的帶預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)倪x擇性諧波檢測(cè)方法所基于的理論基礎(chǔ)與傳統(tǒng)方法一致, 即電力系統(tǒng)中基波和各次諧波的頻率基本不變。

　　如圖2 所示, 根據(jù)這一假定和Fourier 級(jí)數(shù), 可以用鎖相環(huán)(PLL ) 來獲得所需要檢測(cè)的指定次諧波的頻率值。將電壓ea n 倍頻后通過鎖相環(huán)和正、余弦發(fā)生電路得到與ea 同相位的正弦信號(hào)sin (nωt) 和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cos (nωt) , 從而得到變換陣

　　三相電流i_a、i_b、i_c 經(jīng)過C₃₂變換矩陣完成靜止坐標(biāo)系下三相到兩相的變換。將兩相電流i_α、i_β 經(jīng)過變換陣C_n 得出在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的n 次諧波的有功和無功電流分量i_pn、i_qn , 其中,

　　旋轉(zhuǎn)變換后的電流分量經(jīng)過低通濾波器(L PF)濾波, 可得到用直流分量{ idn , iqn}表示的該次諧波的幅值。

　　但是, 直接對(duì)該分量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)反變換用來補(bǔ)償時(shí), 由于當(dāng)系統(tǒng)總延遲時(shí)間為ΔT 時(shí), 設(shè)基波角頻率為ω, 在這ΔT 內(nèi)已經(jīng)旋轉(zhuǎn)過的角度為

　　即變換矩陣中該次諧波電角度為nθ時(shí)刻補(bǔ)償?shù)氖请娊嵌葹?theta;n - Δθn 時(shí)刻的諧波電流值, 從而造成系統(tǒng)的錯(cuò)誤補(bǔ)償。嚴(yán)重時(shí), 某個(gè)諧波的補(bǔ)償甚至?xí)纬烧答?。例如?duì)11 次諧波而言, 在工頻50Hz, 延遲時(shí)間1 m s 時(shí), 11 次諧波在1 m s 內(nèi)旋轉(zhuǎn)了3. 454 rad, 接近180°。