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基于電流采樣的并聯(lián)有源電力濾波器改進(jìn)控制方法研究

An improved control method based on source current sampled

for shunt active power filter

錄用時(shí)間：2020.03.16

發(fā)表期刊：Energies，JCR Q1  

原文DOI：https://doi.org/10.3390/en13061405

作者：曹旭東 信息科學(xué)與工程學(xué)院

    董   堃  信息科學(xué)與工程學(xué)院 電子與通信工程 2017級(jí)

    魏學(xué)良 信息科學(xué)與工程學(xué)院

論文簡介：

有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和無功的電力電子裝置。為了簡化傳統(tǒng)APF的諧波和無功電流的檢測(cè)和提取，本文使用了一種基于三相三線并聯(lián)APF的直接電流源控制。對(duì)電源電流在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中利用比例-積分（PI）控制器對(duì)其做到無靜差控制。此外，考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)，提出了采用下垂調(diào)節(jié)器來解決直流母線電壓對(duì)APF功率損耗和補(bǔ)償性能的影響。該調(diào)節(jié)器與傳統(tǒng)的電壓外環(huán)PI控制相結(jié)合，可在APF系統(tǒng)的功率損耗和補(bǔ)償性能之間實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。

論文內(nèi)容：

1、數(shù)學(xué)模型建立

文章以三相三線并聯(lián)APF為例，建立了APF電源電流控制的數(shù)學(xué)模型，并分析了其基本原理。圖一為并聯(lián)型APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖 1并聯(lián)型APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)該三相三線并聯(lián)APF是一個(gè)平衡系統(tǒng)。根據(jù)基爾霍夫電壓電流定律，可以根據(jù)圖一建立APF在三相靜止abc坐標(biāo)下下的數(shù)學(xué)模型如式1所示。

（1）

其中：iCa、iCb和iCc是APF輸出電流，uSa, uSb, 和 uSc是三相電網(wǎng)電壓，Sa, Sb, 和 Sc是六個(gè)開關(guān)管的占空比，且（i為a、b、c）。

根據(jù)圖一，我們可以得到APF內(nèi)電流關(guān)系如式2所示。

（2）

直接電源電流的基本原理是對(duì)APF系統(tǒng)中電源電流iS進(jìn)行直接控制。將檢測(cè)出的負(fù)載電流中的基波有功分量iLp作為指令電流，與實(shí)際電源電流iS進(jìn)行比較，控制電源電流跟蹤其指令電流的變化，達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)目刂颇康?，最終使電網(wǎng)電流只含有基波有功分量。

為了實(shí)現(xiàn)無靜差控制，需將APF通過abc-dq轉(zhuǎn)換矩陣由三相abc靜止坐標(biāo)系變化為兩相dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，其數(shù)學(xué)模型如式3所示。

(3）

2、控制策略實(shí)現(xiàn)

APF直接電源電流控制主要由補(bǔ)償電流控制環(huán)節(jié)和直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)組成，根據(jù)式3的數(shù)學(xué)模型采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。電流環(huán)是通過解耦方式使d-q軸相互獨(dú)立，并通過前饋通道抵消擾動(dòng)量。圖2是并聯(lián)型APF電源電流控制的系統(tǒng)框圖。

圖 2 APF電源電流控制的系統(tǒng)框圖

電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，設(shè)計(jì)下垂調(diào)節(jié)器控制直流側(cè)電壓的指令值，實(shí)現(xiàn)APF的功率損耗和補(bǔ)償性能的綜合優(yōu)化。

APF 直流側(cè)電壓指令值采用下垂調(diào)節(jié)器的控制策略如圖 3所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過abc /dq變換后經(jīng)過下垂控制器獲得參考電壓Udc* ，與實(shí)際采樣值Udc 比較后經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)器輸出一個(gè)有功電流調(diào)節(jié)信號(hào)ΔiSd，引入到電流內(nèi)環(huán)來維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)APF的雙閉環(huán)控制。

圖 3  dq坐標(biāo)系下APF電壓外環(huán)采用下垂調(diào)節(jié)器的控制框圖

3、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提方案的正確性，在Simulink中搭建基于電源電流檢測(cè)的模型，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

       (a)                                                   (b)

經(jīng)基于直接電源電流控制策略的APF補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流基本為正弦波，且網(wǎng)側(cè)電流THD由投入前的26.7%下降到2.29%。

(a)

(b)

(c)

圖 5 APF的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

由圖5可知，APF能夠快速跟蹤指令電流的變化，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)在15ms以內(nèi)，完全補(bǔ)償達(dá)標(biāo)大約在30ms左右。

 通過66KVA的APF驗(yàn)證理論的正確性。由圖6可知，投入APF后，各次諧波均明顯降低。

(a)

(b)

圖 6 APF投入前后負(fù)載電流和系統(tǒng)電流波形頻譜

由圖7可知，當(dāng)APF負(fù)載突變時(shí)，控制器的響應(yīng)速度較快。

(a)

 (b)

圖7 APF突加、突卸負(fù)載后電流波形

在電網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下，采用下垂控制器，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，通過提高直流側(cè)電壓來提高APF的補(bǔ)償能力:

表1 APF的補(bǔ)償性能與功率損耗分析

4、結(jié)論

本文分析了APF直接電源電流控制策略，通過構(gòu)建電壓電流雙閉環(huán)串級(jí)控制器，將APF在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下通過PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)無靜差控制，使其具有良好的補(bǔ)償精度與動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，設(shè)計(jì)下垂控制器來控制直流側(cè)電壓參考值并結(jié)合PI控制，最終實(shí)現(xiàn)APF的功率損耗和補(bǔ)償性能綜合優(yōu)化。