有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略

第31卷第27期中国电机工程学报Vol.31No.27Sep.25,2011142011年9月25日ProceedingsoftheCSEE©2011Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013(2011)27-0014-07中图分类号：TM85文献标志码：A学科分类号：470⋅40有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略刘威葳，丁洪发，段献忠(国家脉冲强磁场科学中心(华中科技大学)(筹)，湖北省武汉市430074)SelectiveHarmonicCurrentControlStrategyinActivePowerFiltersLIUWeiwei,DINGHongfa,DUANXianzhong(NationalHighMagneticFieldCenterofHuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,HubeiProvince,China)ABSTRACT:Inthispaper,oneconventionalproportionalintegral(PI)controlandonenewcurrentcontrol,forshuntactivepowerfiltersdesign,werecompared.Becauseofthesystemstabilityconstrained,thesystemloopgainofthePIcontrolisrestricted.Hence,inordertoimprovethesystemcompensationperformance,anewcurrentcontrolschemeforselectiveharmonicscompensationwasproposedforshuntactivepowerfilters.BasedontheconventionalPIcontrol,thenewmethodextractsthemainharmonics(the5thand7thharmonicsmainly)respectively,whicharecontrolledbydifferentPIcontrollersindependently.Simultaneously,anotherPIcontrollerisemployedtodealwiththeotherharmonicsalltogether.Thedesignmethodisprovided,whichincreasesthesystemloopgaintofollowthemainharmonics,improvesthecompensationcapabilityofAPFs，andachievesthecontrolsystemanperfectfrequencyresponse.Conclusionsaresupportedbybothsimulationsandexperimentalresultsona30-kVAlaboratoryAPF,indicatingareductioninlinecurrentTHDfactorfrom23.21%to3.75%.KEYWORDS:activepowerfilters;PIcontrol;loopgain;systemstability;currentcontrolschemeforselectiveharmonics摘要：良好的控制策略是实现并联型有源电力滤波器(activepowerfilter，APF)补偿功能的关键。由于并联型APF常规电流PI控制方法的闭环增益受系统稳定性条件约束，并联型APF对负载主要谐波分量补偿不充分。针对该问题，提出一种用于APF的新型选择性谐波电流控制策略。该控制策略在常规电流PI控制策略的基础上，对负载电流主要谐波(该文主要指5次、7次谐波)单独提取与控制，而对其余次谐波采用一个常规电流PI控制器控制。该设计方法，增大了系统对主要谐波分量的跟踪增益，提高了APF对谐波的补偿率，实现了控制系统更好的频率响应。将该方法应用于实验室制作基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2007BAA12B03)。KeyProjectoftheNationalEleventh-fiveYearResearchProgramofChina(2007BAA12B03).的一台30kVA并联型APF实验装置，可将电流总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD)由23.21%补偿为3.75%。仿真与实验结果证明了以上结论。关键词：有源电力滤波器；PI控制；闭环增益；系统稳定性；选择性谐波电流控制0引言由于非线性负载，如不控整流器和开关电源等的大量应用，其造成的谐波对电力系统和用电设备产生了严重的危害[1-2]。电力网络中的谐波污染会造成电压畸变、附加损耗、电气设备的共振和干扰、过早老化等问题[3-5]。有源电力滤波器(activepowerfilter，APF)作为一种动态抑制谐波的新型电力电子装置，被认为是谐波治理中最有前途的滤波手段，主要用于电流谐波或电压谐波的补偿或隔离[6]。其附加功能，如无功功率补偿和电压调整，可以通过某些拓扑结构和各种控制策略来实现[7-10]。独立运行的APF一般分为两种基本结构：串联型和并联型。并联型APF与系统并联，可等效为一个受控电流源，主要用于感性电流源型负载的谐波补偿。并联型APF由于要产生非正弦电流，其控制器设计要涵盖整个频域，采样延时和逆变器控制的一拍滞后给其控制器的设计带来了巨大挑战。在控制结构方面，人们开发了很多复合控制技术用于APF控制，其中包括：滞环控制[11]，重复控制[12]，自适应控制[13]，线性PI控制[14]，选择性谐波电流PI控制[15-20]，滑模变控制等。线性PI控制是一种使用较广泛的控制方法。该方法优点是开关频率固定，简单易行，动态响应特性好；缺点是存在稳态跟踪误差，控制器带宽受限，易产生高频失真。针第27期刘威葳等：有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略15对稳态跟踪误差和控制器带宽受限问题，APF选择性谐波电流PI控制是一种很好的解决方法。本文对APF选择性谐波控制进行深入研究，针对常规电流PI控制器关于负载电流主要谐波补偿不充分的问题，提出改进控制方案：在采用常规电流PI控制器的基础上，本方案对负载电流主要谐波(5次和7次)单独提取和补偿，而对其余次谐波采用一常规电流PI控制器统一补偿。本文提出的设计方案已成功应用于一台30kVA有源电力滤波器。对三相不控整流桥带RL类型负载补偿的仿真及实验，证明了以上方案的正确性和可行性。1三相四线制有源电力滤波器1.1拓扑结构并联型APF采用三相四线制结构，图1给出了并联型APF拓扑及其控制系统的结构图。由图1可知，它用电抗器和电网相连，采用两个串联电容器作为直流侧能量存储器件。装置系统侧并联有RC滤波器，用来滤除逆变器高频纹波。非线性负载采用传统的三相不控整流桥，该类型负载作为电流源负载通常会带来总谐波畸变率(totalharmonicdistortion，THD)大约25%的非线性电流。其典型特点是，它的频谱中仅包含谐波次数=61kn±，n=1,2...。=61kn++次谐波为正序分量，而=61kn−−次谐波为负序分量[16]。图1中：lai、lbi、lci、lni和fai、fbi、fci、fni分别为负载电流和APF输出电流；ea、eb、ec为系统电压；θe为由系统电压锁相得到的同步角，ekθ为对θe进行k倍频得到的同步角(k=5或7)；*dcu和dcu为直流母线参考电压以及直流母线实测电压。图1所示的控制器策略检测负载相电流来得到参考谐波电流，检测APF输出电流来进行反馈控制。控制系统包含直流电压控制回路，电压电流检测电路，以及电流控制器。其中，电流控制器可分为两部分：一是常规电流PI控制，其参考信号为直流电压控制器输出，以及除去5次谐波、7次谐波外的其余谐波分量；二是5次谐波和7次谐波电流控制，其参考信号为负载电流经过检测调理后得到的部分。利用脉宽调制技术，可以将所有经过控制器处理的信号与三角波载波进行比较，最后送入逆变器。直流电压控制器采用传统的PI控制单元，将参考电压*dcu作为参考信号输入。为了避免电流和电压控制器之间的干扰，对实测电压dcu做周期滑窗平均，将其作为电压控制器的反馈信号输入。abcAPFnPLL检测调理检测调理PWM电流控制策略k倍频PI控制Lifnifcifbifaθeθekθeθekeaebecudcudc*图1三相四线制有源电力滤波器拓扑结构图Fig.1Topologicalstructureofthethree-phasefour-wireAPF1.2谐波电流检测谐波电流检测采用基于瞬时无功功率的ip−iq法。其基本思想是，先将系统A相电压ea进行k(k=5或7)倍频后锁相，得到所需参考电压矢量的ktω和ktω−；再对待检测电流进行矩阵变换、低通滤波和矩阵逆变换，可以得到待检测电流k次谐波的正序分量和负序分量[21]。此时，第k次谐波正序分量的ip−iq变换及其逆变换由式(1)所示，第k次谐波负序分量的ip−iq变换及其逆变换由式(2)所示ap+32k+bq+ciiiii⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦CC，ak+p+1Tbk+32q+ck+kiiiii−+⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦CC(1)16中国电机工程学报第31卷ap32kbqciiiii−−−⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦CC，ap1Tb32qckkkkiiiii−−−−−−−⎡⎤⎡⎤⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎢⎥⎣⎦CC(2)检测原理如图2所示。LPFLPFPLLLPFLPFip−iq正序变换ip−iq负序变换aki+bki+cki+pi+pi+iaibicC32Ck+1k−+CT32CC32Ck+1k−+CT32Cqi+qi+pi−pi−qi−qi−aki−bki−cki−iaibick倍频sinkωtcoskωtcos(−kωt)sin(−kωt)图2第k次谐波正序和负序分量检测原理图Fig.2Diagramofharmonickdetectioninbothpositiveandnegativesequences在式(1)和式(2)中：32C为abc坐标系到αβ−坐标系的变换矩阵；k+C和k−C分别为第k次谐波αβ−坐标系到pq−坐标系正序分量和负序分量的变换矩阵，依次表示如下：3211/21/22303/23/2−−⎡⎤=⎢⎥−⎣⎦Csincoscossinkktktktktωωωω+−⎡⎤=⎢⎥−−⎣⎦Csin()cos()cos()sin()kktktktktωωωω−−−−⎡⎤=⎢⎥−−−−⎣⎦C对于特定负载，如三相不控整流桥型负载，由于负载电流中第k次谐波的零序分量含量较小，通过传统电流控制和并联型APF第四桥臂的有效配合，即可有效滤除。因此，第k次谐波的零序分量在本文提出的控制策略中未单独检测与控制，而是通过常规电流PI控制器统一控制。1.3常规电流PI控制经典控制理论中的前馈控制设计是基于负荷控制思想，当闭环系统为连续系统时，设计前馈环节，使得其与闭环系统的传函之积为1，以提高系统的跟踪性能[14]。常规电流PI控制原理图如图3所示，R和L分别为出口电抗器的电阻值和电感值；GPI和GPWM分别为PI控制器传函和逆变器传函；if和*refi分别为逆变器输出电流和参考电流；se和*se分别为系统电压和参考电压。其中，*refi检测采用常规ip−iq检测法：如图2的ip−iq正序变换部分所示，对负载电流进行正序变换以得到其基波正序分量，然后用原负载电流与其相减，得到负载电流中的畸变分量，再将其作为参考量*refi。ifGPWM*refi1RLs+GPIRLs+++++−*sese图3常规电流PI控制原理图Fig.3DiagramoftheconventionalPIco