无谐波检测环节的三电平有源电力滤波器控制系统

・电能质量・　低压电器（２０１１Ｎｏ．２４）　无谐波检测环节的三电平有源　电力滤波器控制系统　李晓迅，　庄茂东，　张课　（中国矿业大学信电学院，江苏徐州　２２１００８）　摘要：针对传统三相ａｂｃ坐标系控制无法消除系统耦合量的扰动，建立了基于　李晓迅（１９８７一），　男，硕士研究生，研　三电平ＳＶＰＷＭ的无谐波检测环节解耦控制系统。通过对电网电压不平衡时上述无谐　波检测有源电力滤波器解耦系统如何控制进行了研究，提出电网电压不平衡时系统控　制方案。仿真试验表明，该无谐波检测解耦控制系统动态跟踪速度快、补偿效果好，不　受负载突变影响，且当电网电压不平衡时依然能够保证有很好的谐波电流补偿性能。　关键词：有源电力滤波器；三电平；无谐波检测；电压不平衡；中点电位　中图分类号：ＴＮ　７１３　．８文献标志码：Ａ文章编号：１００１－５５３１（２０１１）２４－００４３—　０４　究方向为电力电子　与电力传动。　Ｔｈｒｅｅ・Ｌｅｖｅｌ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｎｏｎ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＬＩ　Ｘｉａｏｘｕｎ，　ＺＨＵＡＮＧ　Ｍａｏｄｏｎｇ，　ＺＨＡＮＧ　Ｋｅ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ａｂｃ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ　ｅａＲ　ｎｏｔ　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ａｍｏｕｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｔ，ｔｈｅ由ａｘｉｓ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ＳＶＰＷＭ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｅｄ，ａｎｄ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｎｏｎ—ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ＡＰＦ　ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｓ　ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　ｗａｓ　ｓｔｕｄ－　ｉｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｎｏｎ—ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｄｅ—　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｈｉｇｈ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ，ｇｏｏｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ，ｗｉｔｈｏｕｔ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｌｏａｄ　ｍｕｔａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｓｔｉｌｌ　ｈａｓ　ｇｏｏｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｇｒｉｄ　ｖｏｈａｇｅ　ｉｓ　ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）；ｔｈｒｅｅ・ｌｅｖｅｌ；ｎｏｎ－ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｖｏｌｔａｇｅ　ｕｎｂ￣ａｎｅｅ；ｍｉｄ－　ｐｏｉｎｔ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　０　引　言　有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）是　一用的是ｉｐ－ｉ　法。在实际应用ＡＰＦ时，无论采用哪　种检测方法都会加大控制芯片的计算量，甚至会　造成一定程度的相位延时，最终影响网侧电流的　种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电　补偿效果。近年来，无谐波检测的ＡＰＦ控制方　法，因其具有不需要检测和计算负载中谐波及无　功电流等一系列优点，引起了人们的关注。对于　ＡＰＦ的无谐波检测控制，有代表性的方法是直流　子装置，具有高度可控性和快速响应性¨Ｊ。　决定ＡＰＦ补偿效果好坏的关键因素之一就　是要精确、实时地检测出谐波及无功电流。目前　已经有很多种谐波检测方法，如快速傅里叶变换、　侧电压控制和单周控制　Ｊ。　由于ＡＰＦ内部变量存在耦合，传统三相ａｂｃ　自适应检测、小波变换检测、同步检测法等，最实　庄茂东（１９８４一），男，硕士研究生，研究方向为电网无功补偿。　张课（１９８７一），男，研究方向为电力电子与电力传动。　．－－－——４３－－－－——　低压电器（２０１１Ｎｏ．２４）　坐标系控制无法消除耦合量的扰动，动态补偿效　果不好。为此，本文在三电平ＡＰＦ的ｄ—ｑ坐标轴　数学模型的基础上建立了无谐波检测环节解耦控　制系统。系统采用三电平ＳＶＰＷＭ调制算法。　ＳＶＰＷＭ调制控制较ＳＰＷＭ调制方法直流侧电压　利用率高、开关损耗低、且易于数字实现。最后，　对电网电压不平衡时上述无谐波检测ＡＰＦ解耦　系统如何控制进行了研究，提出电网电压不平衡　时的控制方案。通过试验，验证了系统在负载突　变及电网电压不平衡时均能取得很好的谐波电流　补偿性能。　１　三电平ＡＰＦ开关函数数学模型建立　三电平ＡＰＦ拓扑结构如图１所示。　Ｐ　Ｊ　ｌｊ　Ｊ　ＣＩ　髓髓一曼一　Ｏ　Ｓｂ３　Ｓｃ３　Ｊ　区　ｊ　ｃ２　Ｓａ４Ｊ　ＳｂａＪ　ｓ叫　Ｎ　图１三电平ＡＰＦ拓扑结构　ＡＰＦ在ｄ—ｇ旋转坐标系下的简化数学模型如　下：　删　＝ｅ　誓　＋　：　Ｊｓ　ｌｃ　＝　＋ｉ￣ｑＳｑ）　式中　Ｓ　、Ｓｑ——三个桥臂开关函数在ｄ－ｑ旋转　坐标的分量　可见，ＡＰＦ是一个互相耦合的多阶非线性时　变系统。　２　三电平电压空间矢量调制算法　三电平ＡＰＦ输出端电压以电容中点为参考　点，产生三个状态：Ｕ　。／２，０，一　。／２（分别标志为　１，０，一１）。三电平逆变器空间矢量图如图２所　一４４一　・电能质量・　图２简化的三电平逆变器空间矢量图　示。该矢量图可以分解为代表传统的二电平空间　矢量的六个小六边形，用Ｓ＝１～６标志。为了方　便处理，常按图２所示形式进行分割。按照电压　矢量幅值从小到大的原则，将其分成四类，即零矢　量　、小矢量Ｕ。～　、中矢量Ｕ　一【，。　和大矢量　～ｕ　。。小矢量存在着冗余开关状态，冗余状　态对中点电位产生相反的影响，因此，通过调整小　矢量及其冗余开关状态的作用时间可用来抑制中　点电位波动　。　三电平ＳＶＰＷＭ的具体步骤为：①判断原参　考电压矢量所在小六边形区域Ｓ；②进行电压修　正，将三电平空间矢量平面简化至二电平空间矢　量平面；③利用成熟的二电平ＳＶＰＷＭ算法计算　矢量作用时间和确定开关次序。其中，不同Ｓ值　时的参考电压矢量修正方法如表１所示。　３　无谐波检测环节双闭环ｄ—ｑ轴解　耦榨制　ＡＰＦ在三相坐标系下无谐波检测控制原理框　图如图３所示。其中，　、　、　ｋ是负载三相电流，　ｉ　ｉ　、ｔ‘ｆｃ是ＡＰＦ输出侧三相电流，ｅ：、ｅ　、ｅ　是经　ＰＬＬ电压锁相后幅值为１的三相电网电压。其控　制原理是：电压环ＰＩ控制器的输出作为电网侧电　流幅值的期望值，通过电网三相电压信号相乘后　・电能质量・　表１不同Ｓ值时的参考电压矢量修正　图３　ａｂｃ坐标三相无谐波检测控制原理图　得到与电网电压同相位的电网三相电流期望值，　经过三相负载电流ｉ　．的前馈环节就可以直接得　到ＡＰＦ的三相指令电流ｉ　。由于直流侧电压稳定　时ＰＩ控制器的输出为直流量，从而可以保证经过　上述双闭环控制，电网侧电流不存在谐波电流，并　且与电网电压同相位…。　由ＡＰＦ的开关函数数学模型可知，ＡＰＦ是强　耦合的多阶非线性时变系统。若不对双环控制系　统进行解耦，会给ＰＩ控制器参数设计带来困难，　同时会加重控制器的负担，降低系统抗扰性能。　为此，根据ＡＰＦ在ｄ—ｑ轴上的数学模型，建立无谐　波检测环节双闭环电压前馈电流解耦控制系统。　解耦系统如图４所示。　图４无谐波检测环节双闭环解耦系统　低压电器（２０１１Ｎｏ．２４）　图４中，ｉｕ、ｉＬｑ是三相负载电流在ｄ－ｑ轴的分　量，ｉ　ｉ　是ＡＰＦ输出侧三相电流在　—ｇ轴的分　量。经过电压前馈电流反馈解耦，ＰＩ控制器的期　望值为电感及电阻两端电压，ＰＩ控制器的输出仅　由ＡＰＦ输出电流来决定，不受电压及耦合量扰动　的影响。解耦后电流环反馈控制框图如图５所　示。　图５　电流环反馈控制框图　４　电网电压不平衡控制研究　对于ＡＰＦ而言，理想补偿的结果是网侧电流　全部为负载电流中的基正序分量。为此，只要时　刻保证ｄ轴指令电流为直流量即可。当电网不平　衡时，传统锁相环检测到的相位不是正序分量，此　时无法保证ｄ轴指令电流为直流量，从而不可避　免向电网注入谐波电流。只要准确检测到电网电　压正序分量的相位，就能保证电网电压不平衡时　的谐波治理效果。　对此，采用基于序分解的三相锁相环，保证电　网电压不平衡时正序相位的准确检测。其原理如　图６所示。　图６传统三相锁相环原理图　电网电压不平衡时，ｄ－ｑ轴存在二次的负序　电压分量，通过低通滤波器（ＬＰＦ），可把电网电压　正序分量（直流量）分离出来。为使ｄ轴分量与　电压矢量完全同相，设定ｑ轴电压参考值为零，将　ｑ轴电压偏差值作为鉴相器输出的角度偏差。经　ＰＩ调节器输出得到频率，再经一个积分环节得到　角度值，通过控制ｑ轴分量为零，就可以实现正序　相位的频率锁定Ｈ　。　５　仿真试验　为了验证该无谐波检测环节解耦系统有良好　一４５—　低压电器（２０１１Ｎｏ．２４）　的动态补偿性能，进行了突加负载和突减负载仿　真试验。最后，进行了电网电压不平衡补偿试验，　将ｂ相电压降到１８０　Ｖ，观察补偿效果。　仿真试验参数：电网线电压３８０　Ｖ，频率　５０　Ｈｚ，非线性负载选用三相不可控整流桥，直流　侧阻感负载参数为８　Ｑ、１　ｍＨ。三电平变换器直　流侧总电压　给定为１　０００　Ｖ。ＡＰＦ输出侧电感　为３　ｍＨ，线路电阻为０．１Ｑ，采样频率为１０　ｋＨｚ。　试验结果如图７—１２所示。由图７一图ｌ０　通过对比可见，该系统动态响应快，补偿后畸变率　低图１１～图１２可见，电网电压不平衡时，该系统　依然能保证电网电流有很好的补偿结果。　１００　Ｏ　●　一ｌｏ０　图７突加负载时三相负载电流波形　图８突加负载时补偿后网侧电流波形　１００　０　‘ｈ－　一１００　０．ＩＯ　０．１５　０．２Ｏ　ｔ，ｓ　图９突减负载时三相负载电流波形　图１０突减负载时补偿后网侧电流波形　－－　——４６－－－——　・电能质量－　５Ｏ　≤０　●＾－　一５０　图１１　电网电压不平衡时三相负载电流波形　图１２电网电压不平衡时补偿后网侧电流波形　６　结　语　提出了一种基于ＳＶＰＷＭ的无谐波检测环节　三电平ＡＰＦ解耦控制系统，除去谐波检测环节，　避免了谐波检测部分带来的相位延迟，能够实现　快速的动态跟踪。对电网而言，ＡＰＦ与三相负载　作为一个整体，负载的突变对电网电流的影响不　大。采用基于序分离的三相锁相环，有效解决了　当电网电压不平衡带来的电流补偿不准确问题。　通过仿真试验可见，该解耦系统补偿效果良好，有　一定的工程应用价值。　【参考文献】　［１］张崇巍，张兴．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：　机械工业出版社，２００５．　［２］　陈仲，罗颖鹏，石磊．并联型ＡＰＦ两种典型控制方式　的机制解析［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１０（３０）：３７—　４３．　［３］谭国俊，张建良，韩耀飞．基于ＳＶＰＷＭ的并联型三　电平有源电力滤波器的研究［Ｊ］．工矿自动化，２００９　（５）：２６－３０．　［４］　张学广，徐殿国，李伟伟．一种适用于电网不平衡故　障情况的数字锁相环［Ｊ］．电气应用，２００９（２８）：５４—　５８．　［５］ＫＡＴＡＯＫＡ　Ｔ，ＦＵＳＥ　Ｙ，ＮＡＫＡＪＩＭＡ　Ｄ，ｅｔ　ａｌ，Ｔｈｒｅｅ—　ｐｈａｓｅ　ｖｏｌｔａｇｅ—ｔｙｐｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｆｌｔｅｒ［Ｃ］∥Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｖａｒ—　ｉａｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　Ｄｒｉｖｅｓ，１　８—１９　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　２０００，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｎｏ．４７５，ＩＥＥＥ，３８６—３９１．　收稿日期：２０１　１—０８—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