基于多重复系数滤波的电压补偿策略

曾令全,范建兵,戚 鑫

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)



●电力系统及其自动化●

基于多重复系数滤波的电压补偿策略

曾令全,范建兵,戚 鑫

(东北电力大学 电气工程学院,吉林 吉林 132012)

提出一种基于电压的选择性谐波补偿方法(SHC),该方法使用多重复系数滤波器来提取谐波电压,并通过静止坐标系下的广义积分器(SGI) 来输出已检测出的谐波补偿量。多重的复系数滤波器可以在电网处于扰动状态时精确地分离电网的基波和谐波分量,为控制SAPF提供准确的参考值。仿真试验结果验证了该方法对电压谐波的检测具有较高精度和很好的补偿效果。

谐波电压;广义积分器;静止坐标系;多重复系数滤波器

目前,配电网中使用的各种功率开关器件以及其他非线性负载,方便了电能的转换,但导致了大量谐波电流注入电网,严重威胁了电网和电气设备的安全运行与正常使用[1-3]。同时电力电子设备中修正功率因数的电容器也增加了谐振现象的发生,放大了由谐波电流引起的谐波电压[4]。文献[5-7]提出一种多同步旋转坐标系下的指定次谐波电流检测方法,虽然针对各次谐波的检测很准确,但是由于要在多个同步旋转坐标系下进行运算,因此造成运算量过大,检测的响应速度慢。文献[8]提出一种基于特定谐波消除的并网锁相环技术,但该方法运算过于复杂,实时性不好。文献[9]提出采用谐波分次检测结合单PI控制器集中电流环,并在检测环节中加入相位补偿以抑制检测环节和电流环固有时延对控制系统稳定性的影响,但未解决采用单PI控制器集中电流环跟踪各选择频次谐波分量时存在的静差问题。为了解决这些问题,本文采用一种多重复系数滤波器来提取谐波电压,同时利用于静止坐标系,可有效减少运算量,提升检测速度,很好地控制延时问题。

1 有源滤波器谐波补偿策略

谐波补偿就是通过APF向电网注入一定的电流,通常用非线性负载连接到公共连接点(PCC)进行补偿。根据负载电流来控制APF的示意流程,如图1所示。

源电流Is可以看做是基波电流I1和谐波电流Ih的叠加,即

Is=I1+Ih

其中Ih是各次谐波电流之和:

由SAPF发出与Ih大小相等,方向相反的补偿电流。

1.1 基于负载电流补偿

在传统的控制策略中,APF的参考电流IL,h取自负载电流IL(图1(a))。因为负载电流IL和谐波电流IL,h在补偿前并不变化,所以测量出的谐波电流在这种控制策略中可看做是前馈控制,IF是输出的补偿电流。传统APF控制策略如图2所示。

图1 谐波补偿控制策略

图2 传统APF控制策略

当只考虑谐波电流补偿时,滤波器的参考电流为

1.2 基于源电流补偿

当考虑补偿效果时,传统的APF控制策略还可以通过检测源电流IS来补偿谐波。从IS中提取出的谐波电流IS,h和谐波电流控制器位于这个反馈回路中,将被检测出的谐波参考值设置为0,从而输出与谐波大小相等方向相反的补偿值,如图1(b)所示。

1.3 基于电压补偿

或更精确的表达为

1) 谐波检测。多重复系数滤波器来检测谐波,正序和负序的基波和谐波被解耦,正序的基波被用来确定频率和相位。

2) 谐波控制器。在谐波控制器内,通过静止坐标系下的广义积分器(SGI)将各次谐波分离。

3) 锁相环。通过一种通用的同步旋转坐标系下的锁相环技术(SRF-PLL)来确定频率[10]。

图3 基于电压补偿的控制策略图

2 基于电压补偿的控制策略

2.1 多重复系数谐波检测器

文献[11]提出了一种频率同期方法,这种方法通过基于多重复系数一阶带通滤波状态估计器来实现,如图4(a)中所示,它通过使用静止坐标系下的克拉克变换形成一个正交的两相α-β系统,可以实现复系数滤波器的应用，如图4(b)所示。

图4 传递函数和复系数滤波器组成

其中

2.2 静止坐标系下的广义积分器(SGI)

谐波控制器由各次谐波对应的PI控制器组成。为使控制器适应各自的频率,将它设计成带通特性。控制器针对k次谐波的传递函数为

静止坐标系下的广义积分器如图5所示,各次谐波的控制器参数设置如表1所示。

图5 静止坐标系下的广义积分器

kKpKi-110．0400-52．04071 530-111 330130 830-170 625190 220

式中:Kp和Ki为比例和积分增益系数,Uh,x为所选择的谐波电压。

2.3 结合多重复系数滤波和SGI技术的优点

当电网处于暂态时,准确检测出基波电压和谐波电压对于实现控制器补偿电流的控制非常重要。基于SRF-PLL技术为多重复系数谐波检测器提供了一种简单高效的方法,当电网处于故障状态时,可以准确地检测出基波电压和谐波电压的幅值和相角。基于派克变换的SRF-PLL技术减少了计算量,复数滤波器需要的谐波和不平衡提取量取自克拉克变换,减少了完成计算所需的数据量。

将耦合的各次谐波分离,使其独立地通过谐波积分器,提供基于电压的谐波补偿值。由于复系数谐波检测器在克拉克坐标下计算谐波电压,因此SGI控制器的计算量变得非常少。

2.4 多重复系数滤波器模拟测试环境

使用一个简化的低压电网作为测试对象,测试系统的构成如图6所示。

图6 测试系统的构成

用户负载接入母线1和母线3,同时快速充电设备接入于母线上,产生谐波电流。测试系统的参数如表2所示。

表2 测试系统参数

本文提出的多重复系数滤波器并联接到母线2可验证所提出的谐波补偿策略的补偿效果。

3 仿真实验及结果分析

测试系统用MATLAB Simulink里SimPower Systems Toolbox来实现,使用一个理想化的电流源来模拟SAPF变流器提供补偿值,选择具有多种参数的负载来产生较强的谐波电压。

为了确定补偿器的补偿效果,在有补偿和无补偿两种条件下检测电网电压中的谐波含有率THDu。补偿前后的谐波含量对比值如表3所示,连接补偿器时的电网电流和补偿器的补偿电流如图7所示。

表3 总谐波失真率对比

图7 配电网上的线电流测量值和注入母线2的补偿电流

从图7可以看出,当补偿器电流增加时,电网谐波电流明显减少。

多重复系数滤波器分离谐波的结果如图8所示。

图8 各次谐波分离的测试结果

从图8可以看出,通过多重复系数滤波器检测技术的应用,可以实现基波电压和谐波电压的分离,同时也可以检测出各单次谐波。

测量点的谐波含量如图9所示。

图9 测量点的谐波含量

由图9可见,补偿器连接点母线2处的谐波几乎被完全补偿,同时通过提供母线3和母线1上的谐波含量补偿前后的值,可以看到这种补偿策略能够有效地降低谐波电压。

4 结 语

本文提出了一种基于电压的选择性谐波补偿控制策略,通过多重复系数滤波器和广义PI控制器来实现。多重复系数滤波器可以从失真条件下准确且快速地提取出频率和相位的信息,同时给谐波控制器提供分离的参考信号。而且广义PI控制器应用于静止的α-β坐标系,减少了计算量。仿真结果表明,这种控制策略能够显著地降低电网中的THDu,同时被选择的各次谐波也得到了很好的补偿。

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(责任编辑 郭金光)

Voltage compensation strategy based on multiple-complex coefficient filter

ZENG Lingquan, FAN Jianbing, QI Xin

(School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China)

This paper proposed the method for voltage-based selective harmonic compensation (SHC), a method which used multiple-complex coefficient filter to extract harmonic voltage and transferred the checked harmonic compensation quantity through SGI in static coordinate. Furthermore, multiple-complex coefficient filter could separate grid fundamental wave from harmonic component when the grid is under the condition of disturbance, further providing accurate reference value in the overall SAPF control. The simulation results validate the proposed method for voltage harmonic detection accuracy and compensation effect.

harmonic voltage; generalized integrators; stationary coordinate; multiple complex coefficient filter

2015-09-17。

曾令全(1955—),男,教授,硕士生导师,主要从事电能质量分析与控制方面的研究。

TN713

A

2095-6843(2016)02-0095-05