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(jiǎn)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(guó)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(jī)也并不比國(guó)際水平低，但是由于國(guó)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(guó)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(guó)公司開始在我國(guó)國(guó)內(nèi)推銷該類產(chǎn)品。在這種情況下，推動(dòng)國(guó)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(chǎng)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

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。[!--empirenews.page--]

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(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整，如何簡(jiǎn)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(cè)控制法進(jìn)行指令電流分離和預(yù)測(cè)的推算方法和有關(guān)公式請(qǐng)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

由于篇幅所限，所有仿真結(jié)果不能一一列出，僅簡(jiǎn)單列出分析結(jié)果如下：

(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(cè)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(cè)效果，在較大功率的應(yīng)用場(chǎng)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(guó)內(nèi)外都不現(xiàn)實(shí)(美、日等國(guó)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(chǎng)合，這種諧波預(yù)測(cè)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。