消除有源電力濾波器系統(tǒng)振蕩的控制方法仿真分析

摘要：提出一種增加局部反饋的控制方法，對(duì)傳統(tǒng)有源電力濾波器控制方式進(jìn)行了改進(jìn)。該方法具有能較徹底地消除系統(tǒng)振蕩，同時(shí)降低電網(wǎng)側(cè)電流和公共連接點(diǎn)電壓畸變率的優(yōu)點(diǎn)。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧振；控制方式；高通濾波器

1  引言

    有源電力濾波器（APF）是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波電流、補(bǔ)償無(wú)功的新型裝置，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。其基本原理在于向電網(wǎng)中注入一個(gè)與諧波電流、無(wú)功電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到消除諧波，使電網(wǎng)側(cè)電流成為正弦且電網(wǎng)功率因數(shù)為1的目的。因此，采用有效的控制方式，精確地產(chǎn)生補(bǔ)償電流是決定濾波效果的重要因素。在各種類(lèi)型的電力有源濾波器中，并聯(lián)型電力濾波器應(yīng)用最為廣泛。本文對(duì)傳統(tǒng)的并聯(lián)有源電力濾波器控制方式進(jìn)行改進(jìn)，增加局部反饋環(huán)節(jié)用于解決系統(tǒng)中無(wú)源濾波器引起的振蕩問(wèn)題。仿真結(jié)果說(shuō)明該方法能同時(shí)改善電網(wǎng)側(cè)電流和公共連接點(diǎn)電壓的波形，降低畸變率。

2  主電路及其傳統(tǒng)控制方式

    并聯(lián)有源電力濾波器主電路基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。由濾波電感Lf，儲(chǔ)能電容C和電壓源型PWM逆變器組成，通過(guò)控制各橋臂的全控型開(kāi)關(guān)器件（如IGBT），使濾波器輸出的補(bǔ)償電流跟蹤參考電流。參考電流由指令運(yùn)算電路對(duì)檢測(cè)到的電流信號(hào)按一定的算法進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生，再由跟蹤和驅(qū)動(dòng)電路對(duì)主電路進(jìn)行控制。由于主電路中各橋臂開(kāi)關(guān)器件高頻開(kāi)通關(guān)斷，會(huì)在工作頻率附近產(chǎn)生次數(shù)很高的諧波。為了消除這些諧波，需要在有源電力濾波器的系統(tǒng)中并聯(lián)由電容、電感、電阻等組成的高通濾波器。為了減少系統(tǒng)的損耗，則消耗在高通濾波器上的功率要盡可能地小。另外，加入高通濾波器以后，電網(wǎng)側(cè)電流中高頻諧波濾除了，但可能帶來(lái)發(fā)生諧振和電網(wǎng)側(cè)電流及公共連接點(diǎn)電壓波形畸變的問(wèn)題。

圖1  三相有源濾波器主電路結(jié)構(gòu)圖

    按檢測(cè)電流的不同，并聯(lián)有源電力濾波器傳統(tǒng)的控制方式分為3種：1種是檢測(cè)負(fù)載電流方式，其指令電流運(yùn)算電路的輸入信號(hào)來(lái)自負(fù)載電流，這是最基本的一種控制方式；另1種是檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流方式；還有1種把上述兩種方式結(jié)合在一起，就得到復(fù)合控制方式。[1]

    針對(duì)高通濾波器引起的諧振和電流電壓畸變問(wèn)題，采用系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖分析3種控制方式，如圖2、3、4所示。圖中GI(s)是指令電流運(yùn)算電路的傳遞函數(shù)，以要檢測(cè)的電流，如負(fù)載電流iL、電源電流is或是兩者之和為輸入，指令補(bǔ)償電流為輸出。GA(s)是跟蹤、驅(qū)動(dòng)電路的傳遞函數(shù)，以指令補(bǔ)償電流為輸入，實(shí)際補(bǔ)償電流ic為輸出。GZ(s)是無(wú)源高通濾波器的傳遞函數(shù)，以負(fù)載電流iL與補(bǔ)償電流ic之和icL為輸入，電源電流is為輸出。G(s)是為防止振蕩而增加的串聯(lián)校正微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

圖2  檢測(cè)負(fù)載電流控制方式結(jié)構(gòu)圖

圖3  檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式結(jié)構(gòu)圖

圖4  復(fù)合控制方式結(jié)構(gòu)圖

    采用檢測(cè)負(fù)載電流方式，從圖2中可看出這種方式為前饋控制。盡管這種方式對(duì)被控量的控制十分有效，但沒(méi)有is的反饋，本身作為一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)無(wú)法解決系統(tǒng)諧振引起的電網(wǎng)側(cè)電流和公共連接點(diǎn)電壓畸變的問(wèn)題。

    使用檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式，有源濾波器是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，產(chǎn)生諧振部分GZ(s)也包括在閉環(huán)內(nèi)。因此在控制算法中加入改善動(dòng)態(tài)性能的比例微分環(huán)節(jié)G(s)可以消除部分振蕩，效果比前一種好些，但仍然不夠理想，而且由于比例微分環(huán)節(jié)的引入，削弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

    復(fù)合控制方式實(shí)質(zhì)是在第一種方式中增加了電網(wǎng)側(cè)電流的反饋控制，成為前饋－反饋復(fù)合系統(tǒng)。其中前饋控制起主導(dǎo)作用，反饋控制主要用于抑制諧振，提高控制精度。這種方式具有前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，效果較為理想，但控制算法也相對(duì)復(fù)雜，因此,可以想到在前兩種方法上進(jìn)行改進(jìn)，得到一種既避免了較復(fù)雜的算法編制，也能取得較好效果的控制方式。

    分析前兩種方式，檢測(cè)負(fù)載電流方式不能抑制振蕩原因在于沒(méi)有對(duì)產(chǎn)生振蕩的無(wú)源濾波器GZ(s)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。而檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式即使加入校正環(huán)節(jié)效果也不太好的原因是,要獲得好的補(bǔ)償效果，必須使比例微分環(huán)節(jié)有較大的增益。而系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的精度則要求比較小的增益。這個(gè)矛盾影響了最終的效果。為了避開(kāi)這一矛盾，直接對(duì)無(wú)源濾波器進(jìn)行控制就能抑制振蕩，改善控制的質(zhì)量。本文由此提出了一種新的控制方法，即檢測(cè)無(wú)源高通濾波器電流，在前兩種控制方式中增加局部反饋的控制方式。

3  新型控制方法的原理分析

    圖5即應(yīng)用本文提出的方法，對(duì)傳統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式改進(jìn)后得到的有源濾波器原理圖。該控制方式的基本原理是使有源電力濾波器產(chǎn)生和無(wú)源高通濾波器中振蕩電流大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而有效地抑制系統(tǒng)振蕩，消除電流、電壓的畸變。這和有源電力濾波器消除電網(wǎng)側(cè)電流中諧波的道理是一樣的。由于通過(guò)高通濾波器的電流相對(duì)電網(wǎng)側(cè)電流來(lái)說(shuō)比較小，因此可以直接在無(wú)源高通濾波器的電流ih中取1％到10％作為抑制高通濾波器振蕩的信號(hào)電流，加入到指令電流運(yùn)算電路產(chǎn)生的補(bǔ)償參考信號(hào)中，得到校正后的參考電流。再經(jīng)過(guò)電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、最后通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)器件的通斷決定補(bǔ)償電流的大小。

圖5  對(duì)檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式改進(jìn)后的有源濾波器原理圖 
 改進(jìn)后控制方式的結(jié)構(gòu)如圖6、7所示。圖中G1(s)、G2(s)是無(wú)源濾波器分別以icL、ih為輸入，ih、is為輸出的傳遞函數(shù)。由于系統(tǒng)本身包含有微分成分，容易振蕩，對(duì)干擾信號(hào)敏感，采用局部反饋，既可以實(shí)現(xiàn)在串聯(lián)校正中改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)性能的作用，又可以抑制諧振干擾信號(hào)的影響。同時(shí)，該局部反饋主要作用在高通濾波器上，對(duì)其它部分沒(méi)有太大的影響。另外，由于該反饋的引入，前向通道的增益有所降低，系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了。和前面介紹的三種方式相比，不僅能很好地消除振蕩，濾除高頻諧波，而且結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，無(wú)須復(fù)雜的算法，很容易實(shí)現(xiàn)。

圖6  檢測(cè)負(fù)載側(cè)電流控制方式改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

圖7  檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

4  仿真結(jié)果分析

    以上分析可以用PSPICE從仿真結(jié)果得到驗(yàn)證。

    仿真中電網(wǎng)頻率為50Hz，三相有源電力濾波器開(kāi)關(guān)器件工作頻率為20kHz。非線性負(fù)載為三相整流器，后接20mH電感和2Ω電阻。高通濾波器采用50μF的電容。仿真結(jié)果如圖8、9、10、11和表1所示。

表1  兩種傳統(tǒng)控制方式改進(jìn)前后仿真結(jié)果比較

圖8  傳統(tǒng)檢測(cè)負(fù)載電流控制方式下電網(wǎng)側(cè)電流和負(fù)載電壓

圖9  改進(jìn)后檢測(cè)負(fù)載電流控制方式下電網(wǎng)側(cè)電流和負(fù)載電壓

圖10  傳統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式下電網(wǎng)側(cè)電流和負(fù)載電壓

圖11  改進(jìn)后檢測(cè)電網(wǎng)側(cè)電流控制方式下電網(wǎng)側(cè)電流和負(fù)載電壓

    從表1可以看出，對(duì)原來(lái)控制方式進(jìn)行改進(jìn)后電網(wǎng)側(cè)電流和公共點(diǎn)電壓的畸變率有效地降低了。對(duì)比圖8和9，圖10和11也看出控制方式改進(jìn)后有源濾波器的電網(wǎng)側(cè)電流和公共點(diǎn)電壓的波形有了較大的改善，更接近正弦形?？傊性礊V波器的性能得到了較大的提高。

5  結(jié)語(yǔ)

    從前面的分析和仿真結(jié)果可以看出，本文提出的這種新型控制方式不僅很好地消除了振蕩，濾除了諧波，而且還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制算法也極其簡(jiǎn)單，具有很好的推廣價(jià)值。缺點(diǎn)是需要檢測(cè)的電流信號(hào)數(shù)量增加了。