基于DSP的并聯(lián)電力有源濾波器的仿真研究

1引言

近十年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力有源濾波器(簡稱APF)逐步進(jìn)入成熟應(yīng)用的階段。電力有源濾波器是一種基于脈寬調(diào)制、信號(hào)處理和大功率高速自關(guān)斷電力電子器件的電力電子設(shè)備(不排除利用多重化技術(shù)由低頻器件構(gòu)成等效高頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式和早期的強(qiáng)迫換流方式)，它通過向交流電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)注入與系統(tǒng)諧波相位相反大小相等的補(bǔ)償諧波，達(dá)到消除系統(tǒng)諧波污染的目的。國內(nèi)對(duì)電力有源濾波器的研究起步很早，所取得的理論成績也并不比國際水平低，但是由于國民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的限制，造成資金和制造技術(shù)落后以及供求關(guān)系難以形成，這一先進(jìn)產(chǎn)品一直處于實(shí)驗(yàn)室階段。

國外工程界已對(duì)有源濾波器進(jìn)行了多年的實(shí)踐，在電力電子設(shè)備的制造技術(shù)和運(yùn)行方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)先后有ABB、西門子、梅蘭日蘭等幾家外國公司開始在我國國內(nèi)推銷該類產(chǎn)品。在這種情況下，推動(dòng)國內(nèi)電力有源濾波器的實(shí)用化研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本文希望從工程應(yīng)用的角度發(fā)表一些淺見。

2研究方案選擇

文獻(xiàn)[1]列舉了數(shù)百篇APF的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)近年來的有源濾波器技術(shù)進(jìn)行了概括性的點(diǎn)評(píng)。串并聯(lián)合用的APF(又稱UPQC)對(duì)電力系統(tǒng)的諧波抑制效果最佳，但成本最高，適用范圍受限；串聯(lián)型APF主要適合于抑制電壓型諧波和擾動(dòng)；并聯(lián)型APF做為最基本的、也是最早出現(xiàn)的系統(tǒng)形式，主要適合于抑制電流型諧波和擾動(dòng)。

文獻(xiàn)[2]將負(fù)載產(chǎn)生的諧波分為電流源型和電壓源型，認(rèn)為并聯(lián)型APF對(duì)前者有較好的補(bǔ)償效果而對(duì)后者補(bǔ)償效果較差，串聯(lián)型APF則反之。雖然這樣的分析有重要的理論意義，但是從現(xiàn)場的實(shí)際情況來說，文獻(xiàn)[2]中純粹的電容性整流型負(fù)載并不存在，即便在對(duì)蓄電池充電的場合，也會(huì)加裝直流側(cè)的平波電抗器，退一步說，即便存在這類負(fù)載，在交流側(cè)的隔離變壓器前也可使用并聯(lián)型APF對(duì)負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。因此，可以說并聯(lián)型APF的適用范圍要比串聯(lián)型APF大得多。另外，由于工業(yè)型的三相三線制APF技術(shù)改進(jìn)后即可用于民用的三相四線制情況，本文的仿真限于對(duì)工業(yè)型APF的研究，如圖1所示。

圖1有源濾波器示意圖

圖2同步d?q坐標(biāo)法的階躍響應(yīng)

圖3同步d?q坐標(biāo)法的斜坡響應(yīng)

APF技術(shù)的關(guān)鍵在于：

（1）指令電流分離技術(shù)；

（2）補(bǔ)償電流形成技術(shù)；

（3）整體系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

對(duì)補(bǔ)償電流的形成，目前公認(rèn)的適用于較大功率場合的方法如文獻(xiàn)[8]提供的固定頻率的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，只要開關(guān)頻率足夠高，逆變器就有足夠的響應(yīng)速度；對(duì)于整體系統(tǒng)的穩(wěn)定控制策略涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不在本文討論范圍內(nèi)；指令電流分離技術(shù)的種類繁多，而且這一部分性能的好壞直接影響APF整體性能優(yōu)劣，是本文討論的重點(diǎn)；另外由于近年來DSP技術(shù)的迅猛發(fā)展，使在APF設(shè)計(jì)過程中充分利用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并附加復(fù)雜功能的方式成為可能，因而在工程應(yīng)用中用DSP實(shí)現(xiàn)具體算法是有意義的。

當(dāng)前除直接使用模擬濾波器以外的幾乎所有指令電流分離技術(shù)都可以用DSP實(shí)現(xiàn)，其中比較適合的方式有：瞬時(shí)虛功率法、同步d?q坐標(biāo)法[3]、無差拍法[4][5]和檢測逆變器直流電容電壓換算的方法[6]。但是瞬時(shí)虛功率法在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)畸變時(shí)不能準(zhǔn)確檢測諧波電流(見文獻(xiàn)[9]第6章)。無差拍控制法基于零極點(diǎn)配置技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)非常敏感，難以適用于實(shí)際工程應(yīng)用，本身就還有待改進(jìn)。檢測直流電容電壓的方法[6]在極端情況下將會(huì)負(fù)擔(dān)一個(gè)周期的負(fù)載有功損耗[6]，因而僅適用于相對(duì)較小功率場合。同步d?q坐標(biāo)法對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Park變換后利用數(shù)字積分方法直接抽取對(duì)應(yīng)于交流側(cè)電氣量基波成分的方法，再利用簡單加減法獲得補(bǔ)償電流指令值，物理意義明確而且易于實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[3]在同步d?q坐標(biāo)軸上進(jìn)行積分的同時(shí)，以當(dāng)前點(diǎn)的測量值為基準(zhǔn)，根據(jù)坐標(biāo)軸上各次諧波軌跡延伸預(yù)測下一點(diǎn)應(yīng)產(chǎn)生的瞬時(shí)補(bǔ)償電流，具有很明確的物理意義和工程實(shí)用性，可用于大功率場合，是本文的首選方案。

3仿真結(jié)果

本文利用MATLAB對(duì)文獻(xiàn)[3]的方案進(jìn)行了仿真研究，利用電氣庫對(duì)一次部分進(jìn)行建模，利用SIMULINK的基本庫和S?函數(shù)構(gòu)建具體的離散算法，并在NT工作站上進(jìn)行仿真。同步d?q坐標(biāo)法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2及圖3所示：(仿真頻率為50Hz)

圖2中，虛線為代表交流電流輸入值，幅值呈兩次上下階躍變化，實(shí)線為同步d?q坐標(biāo)法的計(jì)算輸出值，實(shí)線在第一個(gè)周期0?02s的上升過程是由于計(jì)算中數(shù)字積分的數(shù)組初始狀態(tài)為全零值，必須經(jīng)過一個(gè)周期才能精確跟上系統(tǒng)值的過程，這一過程會(huì)導(dǎo)致APF調(diào)制錯(cuò)誤，在實(shí)際運(yùn)用中可以利用封閉一個(gè)周期的逆變器控制脈沖的方法避過。由圖2可見，這一方法需要約一個(gè)周期時(shí)間做到精確跟隨輸入信號(hào)的變化，這也是任何一種方法都不可避免的；如果計(jì)及電源跟上負(fù)載變化有一定的延遲，當(dāng)負(fù)載突然增加，電源供電能量增加之前，APF將為負(fù)載提供一部分能量；反之，APF將吸收一部分電源多提供的能量。這說明在實(shí)際系統(tǒng)的變化過程中，APF將會(huì)在電源和負(fù)載之間起到一定的緩沖作用。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中必須考慮到這種情況帶來的器件容量的選擇問題。

圖3中第一個(gè)周期的情況同上。由圖3可見，同步d?q坐標(biāo)法的斜坡響應(yīng)滯后于輸入信號(hào)的變化約半個(gè)周期，表明在負(fù)荷單調(diào)連續(xù)變化過程中，APF將

圖4負(fù)載電流波形及頻譜分析 [!--empirenews.page--]

圖5補(bǔ)償后電源電流波形及頻譜分析

圖6大電流情況下電源電流波形及頻譜分析

注：圖5中的頻譜分析中2000Hz以上部分有小的突起，這些部分可以很容易地用并接小電容的方法濾除，由于SIMULINK未能仿真出這一效果，故有待使用試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

持續(xù)為負(fù)載提供能量，或?qū)⒊掷m(xù)被電源充電；這將會(huì)導(dǎo)致逆變器直流側(cè)的電壓不穩(wěn)；由于不論數(shù)字式濾波或模擬式濾波都有的滯后性，這種情況難以避免，當(dāng)然在實(shí)際系統(tǒng)中，將會(huì)由電容電壓控制部分進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償電容能量的波動(dòng)，因而實(shí)際的運(yùn)行效果不會(huì)這么惡劣。實(shí)際系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的PI控制法需要人工通過現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整，如何簡化整定方法或采取其它策略獲取較好的特性還有許多工作可做。

基于諧波電流預(yù)測控制法進(jìn)行指令電流分離和預(yù)測的推算方法和有關(guān)公式請參閱該文獻(xiàn)[3]，這里僅列出部分仿真結(jié)果如圖4及圖5所示。

圖4和圖5中的仿真條件見表1。

表1圖4和圖5的仿真條件

(1)在負(fù)載電流較大的情況下(減小負(fù)載阻抗)，APF的補(bǔ)償效果明顯改善，如圖6所示，圖中的頻譜分析方法同上：THD=1?98％

其中原因可能是因?yàn)橄嗤淮吻闆r下固定的開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的調(diào)制引起的高頻諧波電流基本相近，尚需進(jìn)行具體的分析。

(2)補(bǔ)償電感確定時(shí)，諧波電流抑制的效果與電容電壓的關(guān)系為：(電容電壓值以滿足符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)償效果為合適值)

?電容電壓低于合適值(欠補(bǔ)償狀態(tài))諧波較大，主要為低頻畸變。分析主要原因?yàn)槟孀兤黠柡?，無法產(chǎn)生足夠的實(shí)時(shí)補(bǔ)償電流，補(bǔ)償效果不佳；

?電容電壓高于合適值(過補(bǔ)償狀態(tài))諧波較大，主要為高頻畸變。分析主要原因?yàn)槟孀兤鞴ぷ鲿r(shí)產(chǎn)生的補(bǔ)償電流的震蕩。

?電容電壓處于合適值范圍，補(bǔ)償后電源電流諧波在允許范圍以內(nèi)。

(3)文獻(xiàn)[9]中認(rèn)為直流側(cè)電容電壓至少應(yīng)大于3倍的交流側(cè)電壓峰值，并給出了具體的分析，但是在實(shí)際仿真中，將電容電壓降至450V，遠(yuǎn)低于3倍的交流側(cè)電壓峰值，仍然得到了如圖5的效果，考慮原因是本文所使用的SVPWM方法特性與文獻(xiàn)[9]中的情況不同，具體情況有待進(jìn)一步分析。

4結(jié)語

(1)通過具體的仿真研究發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[3]提供的基于同步d?q坐標(biāo)軸法的諧波預(yù)測算法對(duì)三相三線制整流負(fù)載的特征諧波具有較好的檢測效果，在較大功率的應(yīng)用場合有較好的適用性，但是對(duì)于系統(tǒng)中的瞬變過程以及分?jǐn)?shù)次諧波無效，對(duì)這部分信號(hào)的抑制作用由APF的基本原理完成。

(2)由于短期內(nèi)電力電子器件本身的限制，一方面IGBT等相對(duì)快速的器件還未能達(dá)到足夠的開斷和耐壓容量，另一方面器件的價(jià)格造成高電壓、大電流的APF成本很高，而且即便采用各種多重化技術(shù)，這類裝置要完全取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)技術(shù)，無論從資金、制造技術(shù)來說法，在國內(nèi)外都不現(xiàn)實(shí)(美、日等國的制造水平約為單臺(tái)1000kVA以內(nèi)[1])；

而在中小功率的負(fù)載端，并與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，應(yīng)用于各級(jí)電網(wǎng)專門治理諧波污染，有廣闊的或者說即將有廣闊的前景。因而在實(shí)際的與傳統(tǒng)技術(shù)配合的過程中，對(duì)文獻(xiàn)[3]提出的方法需要做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。

(3)文獻(xiàn)[3]本身的仿真沒有考慮系統(tǒng)阻抗對(duì)補(bǔ)償效果的影響，這一假設(shè)在實(shí)際系統(tǒng)中負(fù)載端正常運(yùn)行時(shí)是可以接受的，進(jìn)一步的仿真也說明在系統(tǒng)阻抗相對(duì)于負(fù)載阻抗較小的場合，這種諧波預(yù)測方法可以取得較好的效果。

綜上所述，本文所選的方案具有較好的工程可實(shí)現(xiàn)性。