并聯(lián)型有源濾波器直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略

摘要：有源濾波器直流側(cè)電壓的波動(dòng)對(duì)有源濾波器的穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響，針對(duì)這個(gè)問題，分析了直流側(cè)電壓波動(dòng)產(chǎn)生的原因及對(duì)有源濾波器運(yùn)行的影響，對(duì)傳統(tǒng)的PI控制提出了基于電壓偏差平方的PI控制改進(jìn)的方法，這種控制直流側(cè)電壓的方法對(duì)處理傳統(tǒng)PI控制的非線性問題也有很大的改進(jìn)。并通過matlab仿真驗(yàn)證了改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)控制策略對(duì)諧波的消除有很好的效果，這種控制策略通過軟件即可實(shí)現(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，是一種經(jīng)濟(jì)的解決措施。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)型有源濾波器；直流側(cè)電壓；改進(jìn)PI控制

    隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)諧波污染問題越來越嚴(yán)重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，有源濾波器(APF)作為一種可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波的設(shè)備得到了廣泛的關(guān)注和研究。為保證并聯(lián)型有源濾波器能達(dá)到預(yù)期的諧波治理效果，直流側(cè)電壓必須保持穩(wěn)定。但在工程應(yīng)用中，直流側(cè)電壓往往會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，嚴(yán)重影響了有源濾波器的正常工作。
    現(xiàn)階段，直流側(cè)電壓穩(wěn)定的控制策略大多采取傳統(tǒng)的PI控制，另外有模糊-PI控制策略，直流側(cè)電壓閉環(huán)控制策略，直流側(cè)電壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
控制等策略。本文在參考大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，探討了直流側(cè)電壓波動(dòng)的原因，以及對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定控制、諧波補(bǔ)償效果的影響，在不增加硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的PI控制策略進(jìn)行改進(jìn)。并通過matlab仿真進(jìn)一步證明了這種方法能有效地控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，進(jìn)一步保證諧波的補(bǔ)償效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    并聯(lián)有源濾波器采用電壓型逆變器，其中負(fù)載作為諧波源，APF輸出與電網(wǎng)中諧波電流幅值相同相位相反的電流，與負(fù)載產(chǎn)生的諧波相疊加，可以濾除電網(wǎng)中的諧波。諧波檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波成分，驅(qū)動(dòng)電路將電流跟蹤電路生成的PWM信號(hào)轉(zhuǎn)變成逆變電路開關(guān)器件的開關(guān)信號(hào)，逆變電路向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，通過這幾部分來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償諧波的目的。有源濾波器工作性能很大程度取決于對(duì)諧波電流的高精度和實(shí)時(shí)的檢測(cè)，目前有基于時(shí)域理論的傅立葉變換法、小波變換、瞬時(shí)無功功率理論、模糊閉環(huán)檢測(cè)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，其中采用基于瞬時(shí)無功功率理論最廣泛?；谒矔r(shí)無功功率理論有d—q算法、p—q算法以及ip—iq算法，通過比較精度，采用ip—iq算法。它可以準(zhǔn)確檢測(cè)出電網(wǎng)的負(fù)序和諧波電流，準(zhǔn)確度不受電網(wǎng)電壓畸變和負(fù)載變化的影響。

2 直流側(cè)電壓波動(dòng)的原因及影響
    直流側(cè)電壓出現(xiàn)波動(dòng)的原因主要有： (1)濾波器與電網(wǎng)之間大容量的無功交換； (2)負(fù)序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生能量脈動(dòng)，使直流側(cè)電壓波動(dòng)；(3)逆變器開關(guān)損耗引起直流側(cè)電壓降低； (4)APF本身存在由線路電阻帶來的有功損耗，在工作狀態(tài)變化時(shí)需從系統(tǒng)吸收一定的有功功率。
    由圖1中的APF原理框圖可知
   
    其中Us(t)和Ucom(t)分別是系統(tǒng)電壓和有源濾波器輸出電壓，Lcom是等效電感。

    根據(jù)電壓源逆變器的調(diào)制控制理論，可以將電壓源逆變器等效為一個(gè)比例放大器，即
    Ucom(t)=KUdc(t)     (2)
    Udc(t)為電壓源逆變器的直流側(cè)電容電壓，而K為與調(diào)制控制方法有關(guān)的函數(shù)。
    為了使ic(t)能夠快速的跟蹤要補(bǔ)償?shù)碾娏?，設(shè)計(jì)時(shí)必須重視其電流變化率，而要提高dicom(t)／dt，要么減小有源濾波器的等效電感Lcom，要么提高逆變器輸出電壓Ucom(t)。APF中等效電感Lcom越小，其電流跟蹤能力越強(qiáng)，但Lcom過小，APF輸出電流中基于開關(guān)頻率的特征諧波會(huì)很大，一旦有源濾波器本身出現(xiàn)故障，會(huì)產(chǎn)生很大的過電流，從而影響系統(tǒng)。由于調(diào)制控制函數(shù)的變化范圍通常是固定的，因此提高直流側(cè)電容電壓成為Udc(t)提高有源濾波器電流跟蹤能力的有效手段。取值過低，不能將諧波電流完全消除；取值越高，補(bǔ)償效果越好，但它將增加逆變器和電容器的容量，提高對(duì)器件耐壓的要求，還將增加成本。電流側(cè)電容電壓波動(dòng)或引起直流側(cè)出現(xiàn)欠壓，都將影響有源濾波器的正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓，危及有源濾波器的安全可靠運(yùn)行。

3 直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略
    由于流入有源濾波器的有功電流直接影響其直流側(cè)電壓，目前主要采用PI控制，其基本原理是如圖2所示：根據(jù)直接母線電壓的實(shí)際測(cè)量值Udc與參考電壓值Udset之差，通過PI控制方法得到調(diào)節(jié)結(jié)果△Ip，將此調(diào)節(jié)結(jié)果疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量上，然后產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的指令電流，使APF的補(bǔ)償電流包含一定的基波有功電流分量，將Udc調(diào)節(jié)到參考電壓值。

    傳統(tǒng)的PI控制雖然能對(duì)直流側(cè)電壓起到有效的控制作用，但會(huì)導(dǎo)致被控制系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，具有較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也比較慢。為了獲得更好的穩(wěn)態(tài)控制方法，各種新型的控制方法產(chǎn)生了，有模糊控制理論；有自適應(yīng)濾波控制；還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等，但很多都只是處于理論階段，本文根據(jù)原有的理論提出了基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)的控制策略，通過軟件設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其有效地控制了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，保證了APF的穩(wěn)定運(yùn)行和諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?br /> 3．1 基于電壓差平方的PI控制理論
    根據(jù)兩端口網(wǎng)絡(luò)的能量守恒定律，忽略逆變橋的開關(guān)損耗，它從交流側(cè)吸收或釋放的能量等于它向直流側(cè)電容充電或放電的能量，即：
   
    由此可知，可以由直流側(cè)電容電壓的變化的值來確定。

3．2 基于電壓差平方的PI控制對(duì)諧波電流控制的原理
    與電網(wǎng)A相同相位的正余弦信號(hào)，通過鎖相環(huán)PLL保證與電網(wǎng)同相位，通過正余弦發(fā)生器產(chǎn)生正余弦信號(hào)。自動(dòng)實(shí)時(shí)的跟蹤電網(wǎng)頻率，采樣的負(fù)載電流通過低通濾波對(duì)20 Hz以上頻率進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行ip—iq算法。其中，低通濾波器保證盡可能衰減交流分量，為保證濾波算法簡單易行，系統(tǒng)采用IIR濾波器。直流側(cè)電壓對(duì)諧波電流的影響通過基于電壓差平方的PI控制將補(bǔ)償?shù)?，得到諧波電流。

4 仿真研究與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    本文搭建的仿真模型模型如圖5，相關(guān)參數(shù)如下：系統(tǒng)相電壓220V，系統(tǒng)線路阻抗0.3 Ω+0．3 mH，連接電感0．68 mH，變流器開關(guān)頻率10 kHz，直流側(cè)電容5000 uF，整流負(fù)載直流側(cè)電感160 mH，電阻15 Ω。中間電壓采用軟啟動(dòng)，分三次升至穩(wěn)定電壓700 V。因?yàn)楫?dāng)APF濾波裝置啟動(dòng)時(shí)，由于直流側(cè)電壓突然由未投入裝置時(shí)的穩(wěn)定值在極短的時(shí)間內(nèi)上升至設(shè)定值，從而造成了較大的Udc。

5 結(jié)束語
    從可以看出基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)比傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)對(duì)直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制在超調(diào)量和靜差上都有很好的改善。通過仿真可以看到基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)對(duì)補(bǔ)償效果有明顯改善，未補(bǔ)償前THD=28．51％，采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)后，諧波含有率大大降低，THD=3．74％，采用基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)后，THD=2．23％，比傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)有進(jìn)一步改善。基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)的控制策略，提高了APF穩(wěn)定工作的性能。這種方法有較強(qiáng)的處理非線性的能力，且不需要增加硬件設(shè)備。仿真證明不僅提高了直流側(cè)電壓穩(wěn)定，而且改善了濾波效果。