三相电力有源滤波器(APF)控制策略的研究

周伟鹏,宋弘

(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡 643000)

三相电力有源滤波器(APF)控制策略的研究

周伟鹏,宋弘

(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡 643000)

介绍了有源电力滤波器控制策略,提出了 PWM控制技术在电网电压畸变情况下对电网中滤波电流进行连续动态补偿。建立了 PWM控制的逆变系统模型并进行仿真研究,结果验证了该控制策略能有效补偿谐波电流。

APF;正弦波脉宽调制;谐波;Matlab/s imulink;控制策略

由于电网中非线性负载的大量使用和单机容量的不断增大,在电力系统中产生谐波和无功,造成电网谐波污染,解决谐波污染的主要途径有两条:一是对电力电子设备进行改进(功率因数校正);二是对电网实施谐波补偿,其中无源电力滤波器 (Passive Power Filter)和有源电力滤波器 (Active Power Filter)是不可或缺的谐波治理手段。无源电力滤波器造价低,但由于自身原理决定存在许多难以克服的缺点;有源电力滤波器成本较高,但响应速度快、补偿效果好、能实现动态连续实时补偿等特点,具有更为广阔的发展应用前景。国外高、低压有源滤波技术均已有实际应用,而我国仅有低压有源滤波技术应用,因此,有效谐波治理控制策略研究具有一定的意义[1]。近年来,由于新型电力半导体开关器件(IGBT)的出现和 PWM控制技术的发展,使有源滤波技术得以迅速发展,本文阐述如何将 PWM电压型逆变器这一先进的控制策略和实际装置的结合使用,并取得良好的成果。

1 有源APF控制策略

常见的有源电力滤波器的控制方法主要有以下几种:三角波SPWM控制、滞环控制、空间矢量PWM控制、无差拍控制、数字 PI控制、最优控制、滑膜控制、反馈线性化解耦等。其中,数字 PI控制、无差拍控制、最优控制、反馈线性化解耦鲁棒性较差,对系统参数变化和外界干扰反应灵敏,一旦遭遇较大干扰或系统模型建立不精确时,可能导致系统失衡,使有源APF补偿性能急剧下降,而三角波 SPWM调制控制法的开关频率固定且简单易行、响应速度快,具有连续动态控制的能力。

SPWM(Sinusoidal pulse W idth modulation)即正弦波脉宽调制。三角波 SPWM控制方式是最常见的一种控制策略方式,通常是采用等腰三角波电压作为载波信号,正弦波电压作为调制信号,由于三角波两腰间的宽度和其高度成线性关系,当任一条不超过三角波幅值的光滑的曲线与三角波相交时,都会得到脉冲宽度正比于该曲线的一组等幅、等距地矩形脉冲列,故用正弦波电压信号作为调制信号时,可获得脉宽正比于正弦值、等幅、等距的矩形脉冲列,所得到的就是 SPWM波形。SPWM控制方式分为单极性驱动和双极性驱动两种。单极性驱动是指对于逆变器的同一个桥臂,在一个 PWM周期内只有 1只功率管导通,另外 1只功率管处于关断状态。而双极性驱动则是指在一个 PWM周期内,同一桥臂的上、下两只功率管都会开通,两只功率管的开通与关断为互补关系[2-3]。

1.1 双极性 PWM控制方式

双极性 PWM控制方式波形如图 1所示。在双极性 PWM控制方式中,ur为调制信号;uc为载波信号,在ur半个周期内,三角波载波有正、负,所得PWM波也有正、负。在ur一周期内,输出 PWM波只有 ±Ud两种,仍在ur和uc的交点控制器件通断。ur正负半周,对各开关器件的控制规律相同。三角波和 SPWM波均有正负极性变化,但在正半周内,正脉冲比负脉冲宽,负半周则反之[4]。

图1 双极性PWM控制方式波形

1.2 双极性PWM控制规律

结合 IGBT单相桥式电压型逆变电路进行说明,双极性 PWM控制规律见图2。

图2 三相桥式PWM型逆变电路

设负载为阻感负载,工作时 IGBT上下桥臂通断互补,三相 PWM控制公用uc,三相的调制信号urU、urV和urW依次相差 120°。当urU>uc时,给V1导通信号,给V4关断信号,uUN=Ud/2;当urU

图3 三相桥式PWM逆变电路波形

输出线电压 PWM波由 ±Ud和 0三种电平构成,负载相电压 PWM波由 (±2/3)Ud、(±1/3)Ud和 0共5种电平组成。基于此,利用 PWM脉冲控制高速电子开关 IGBT通断而实现直流电容电压的投切,得到一系列幅值相等、宽度不同的 PWM电压信号,再经过连接电抗器变换,将能量回馈给电网就可以达到对非线性负载电流中谐波分量的补偿。

2 有源电力滤波器系统结构及工作原理

2.1 滤波器的系统结构及工作原理

有源电力滤波器的系统结构见图 4。图中的三相非线性负载为被补偿谐波电流源。系统采用带阻感性负载的三相不控整流桥产生谐波电流。R表示包括电感电阻在内的每相线路电阻,电感L1代表APF的内电感,电感L2代表 APF的外电感。由 IGBT构成的电压型变流器以电容器做为直流侧储能元件。isa,isb,isc为电源电流,ila,ilb,ilc为负载电流, ia,ib,ic为有源滤波器输出的补偿电流。可以看出,电源电流等于负载电流与补偿电流之和[5-6]。

图4 并联型APF系统原理

有源电力滤波器的工作原理是检测出负载电流中的谐波和无功分量,加上直流侧电压的控制量,作为补偿电流的控制信号。通过控制 PWM逆变器的开关状态,有源电力滤波器产生并向电网注入和负载谐波无功电流相同幅值、相位相反的补偿电流,以抵消负载产生的谐波和无功电流分量,从而在电网侧得到一个和电网同相的正弦基波有功电流,达到滤波和补偿无功的目的。

2.2 硬件配置

并联有源滤波装置包括装置断路器、逆变桥、直流电容器、控制单元、保护单元及连接电抗等,APF补偿装置的主程序见图 5,系统组成见表 1。

图5 APF补偿装置的配置

表1 APF补偿装置的系统组成

设计中有源电力滤波器的硬件系统以 TI公司DSP芯片和三菱公司 IPM模块为核心,辅以相应的外部霍尔电流、电压互感器和驱动信号隔离电路,完成锁相环同步信号处理,电压电流信号的采集、调理,三角波调制的 P WM控制信号的产生,直流侧电压控制,以及控制信号的输入输出等功能,以实现全数字有源电力滤波器装置[7-8]。

3 模型建立与仿真分析

试验中运用Matlab仿真工具箱中的电力系统仿真模块搭建了阻感性负载三相桥式逆变电路系统仿真模型,如图 6所示。

图6 阻感性负载三相桥式逆变电路仿真模型

在实际仿真中关键是参数的设置,其中电感、电阻的参数设置要相匹配,此仿真模型中设电阻为1Ω,电感为 0.01H,设置脉冲 Pulse1的幅值为 15,导通时间为 0.01 s,延迟时间为 0 s,6个主开关元件依次相差 T/6导通。

在仿真模型中,设置仿真起始时间为 0.0 s,终止时间为 0.06 s,仿真算法采用变步长二、三阶隐式龙格库塔法,为了能清楚地看到触发脉冲对输出波形的影响,示波器 Scope1显示了 6个触发脉冲的波形,仿真图中可观察到,T6-T1的脉冲,后一个脉冲依次滞后前一个脉冲 1/6周期。同理改变 T1-T6控制信号的周期就可以方便地改变输出电压的频率,示波器 Scope2显示了负载的输出电压和输出电流,可以看出阻感性负载桥式逆变电路由于电感的自感电动势对电流变化的反作用,A相电流不能突变,体现在负载输出波形上就是输出电流不能突变。

4 结语

介绍了一种 PWM控制电压型逆变器这一先进控制策略,提出并建立了 PWM电压型逆变器仿真模型,通过仿真结果显示提出的 PWM控制技术在电网电压畸变的情况下可以对电网中的谐波电流进行连续动态补偿,良好的仿真结果验证了该控制策略的有效性和设计方案的正确性。特别是将这一先进的控制策略和实际装置有效地结合使用,对电网谐波治理起到良好效果。

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2]李建林,张仲超.有源电力滤波器控制策略综述[M].电力建设, 2003,24(6):44-49.

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[4]杨宏.四桥臂三相逆变器的 PWM控制[J].南京航空航天大学学报,2002,34(6):76-79.

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[6]于树海.有源电力滤波器控制策略的优化研究[D].广州:广东工业大学,2008.

[7]姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波器结构及原理控制[M].北京:科学出版社,2007.

[8]宋洋.并联型有源电力滤波器控制策略的仿真研究[J].电力电子技术,2004,38(2):45-47.

Research on control strategy of three-phase Active Power Filter

Based on the analysis ofActive Power Filter contro l strategy,PWM control techniques which continuously and dynam ically decompensate filter current in case of grid vo ltage distortion on the grid is presented.The s im ulation modelof PWM control inverter system is built and s imulated by exper im ent of s im ulation.The result approved the contro l strategy which can be effective compensat ion harmonic current.

APF;sinusoidalpulse w idth modulation;harmonic;Matlab/s im ulink;control strategy

T M864

B

1674-8069(2011)03-057-04

人工智能四川省重点实验室项目(2008R2001;2008K009)

2010-11-04;

2011-04-27

周伟鹏(1982-),男,河南漯河人,四川理工学院硕士研究生,研究方向为智能控制与电力电子变流。E-mail:zwp0335@ 163.com