可選擇諧波型有源濾波器的檢測及其閉環控制

摘　要: 為了實現對電力系統諧波的實時和精確補償, 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方法以及基于該檢測方法的閉環控制方法。這種有源電力濾波器由選擇性諧波檢測環節、電壓控制和電流控制環節組成。為了補償數字控制器和逆變器帶來的延時, 在檢測環節中加入了預測補償角。電壓閉環控制方法借助檢測環節實現了對諧波電流發生電路中逆變器直流側的電壓控制。電流閉環控制方法使得實際補償電流精確地跟蹤檢測出的諧波指令電流。仿真結果驗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。

　　關鍵詞: 有源濾波器; 選擇性諧波檢測方法; 閉環控制方法; 直流電壓控制

　　有源電力濾波器(active pow er filter, APF ) 是目前諧波補償的一種重要的電力電子裝置。大多數傳統APF 的諧波電流檢測方法基于時域瞬時無功功率理論。該檢測方法的核心是將檢測出的基波電流與負載電流相減, 得到全部諧波電流并對其進行補償。這種基于傳統檢測方法的A PF 應用已經比較廣泛。但是由于系統本身固有的延時, 例如檢測環節中的計算延時和電壓型逆變器(voltagesource inverter, VSI) 的延時等, 使得APF 對于高次諧波的補償出現誤差, 甚至于放大某些高次諧波。因為數字控制器及V S I 的延時滯后的存在, 所以很難采用閉環的電流控制方法。另外, 采用傳統的諧波電流檢測方法時, 如果負載中包含容性負載, 由于容性負載和感性負載的諧振, 使得系統在補償諧振頻率附近的諧波時出現不穩定的情況。此外, 當諧波的主要成分是5 次、7 次、11 次等低次諧波時, 系統對于它們的補償的利用率很低。

　　本文提出了一種帶預測補償的選擇性諧波檢測方法以及基于該方法的電壓和電流閉環控制方法。這種檢測方法是從負載電流中直接檢測出指定次諧波(包括正序諧波和負序諧波) , 并通過增加預測補償角徹底解決系統的延時, 達到精確的實時檢測和補償。閉環的電流控制完成了補償電流對檢測信號的跟蹤, 電壓控制完成了對于V S I 直流側電壓的穩定控制。

　帶預測補償的SHC-APF

　　如圖1 所示, 帶預測補償的SHC-APF 采用了帶預測補償的選擇性諧波檢測方法以及基于該檢測方法的電流和電壓的閉環控制。其中, 帶預測補償的選擇性諧波檢測環節直接檢測出任意指定次諧波;電流的閉環控制使得輸出的補償電流可以精確地跟隨給定的補償電流信號; 電壓閉環控制使SHC-A PF 中V S I 的直流側電容電壓控制在指定的電壓值, 從而保持V S I 的交流側與電源之間的電壓差。

　帶預測補償的選擇性諧波檢測方法

　　上述SHC-APF 中的帶預測補償的選擇性諧波檢測方法所基于的理論基礎與傳統方法一致, 即電力系統中基波和各次諧波的頻率基本不變。

　　如圖2 所示, 根據這一假定和Fourier 級數, 可以用鎖相環(PLL ) 來獲得所需要檢測的指定次諧波的頻率值。將電壓ea n 倍頻后通過鎖相環和正、余弦發生電路得到與ea 同相位的正弦信號sin (nωt) 和對應的余弦信號cos (nωt) , 從而得到變換陣

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

　　旋轉變換后的電流分量經過低通濾波器(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, 直接對該分量進行旋轉反變換用來補償時, 由于當系統總延遲時間為ΔT 時, 設基波角頻率為ω, 在這ΔT 內已經旋轉過的角度為

　　即變換矩陣中該次諧波電角度為nθ時刻補償的是電角度為θn - Δθn 時刻的諧波電流值, 從而造成系統的錯誤補償。嚴重時, 某個諧波的補償甚至會形成正反饋。例如對11 次諧波而言, 在工頻50Hz, 延遲時間1 m s 時, 11 次諧波在1 m s 內旋轉了3. 454 rad, 接近180°。