1、并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓的相關(guān)問(wèn)題探討丁凱陳允平王曉峰孫建軍(武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院430072摘要討論了并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓的計(jì)算和直流側(cè)電容容量的選擇問(wèn)題,提出了APF 投入電網(wǎng)的方法并將模糊理論運(yùn)用于直流側(cè)的電壓控制,并在實(shí)際裝置上進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞有源濾波器直流電壓模糊控制1引言在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和家用電器中,非線性電力負(fù)荷在大量增加,對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。另一方面,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶(hù)對(duì)供電質(zhì)量提出了更高的要求。有源電力濾波器(APF 具有高度可控和快速響應(yīng)的特性,它不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功,有一機(jī)多能的特點(diǎn)。其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,同時(shí)還具

2、有自適應(yīng)功能,可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。近年來(lái),有源電力濾波器作為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到廣泛的重視并取得了很大發(fā)展。本文根據(jù)對(duì)實(shí)際裝置的研制經(jīng)驗(yàn),詳細(xì)討論了直流側(cè)電壓的相關(guān)問(wèn)題。2裝置的基本情況所研制的并聯(lián)型APF 適用于380V 配電網(wǎng)。采用的主電路為6脈沖IG B T 電壓型逆變器,容量為50kVA ,調(diào)制頻率312kHz ,以便消除安裝處線電流中21次及以下諧波。一般APF 交流側(cè)是通過(guò)耦合變壓器與系統(tǒng)相連,但是由于APF 向系統(tǒng)發(fā)出的補(bǔ)償電流中包含各次諧波,因而對(duì)耦合變壓器 的要求非常高。為了避免耦合變壓器的性能對(duì)補(bǔ)償效果的影響,采用APF 通過(guò)聯(lián)接阻抗直接

3、與系統(tǒng)相連的方式,如圖1所示。圖中,C a 、C b 、C c 和L a 、L b 、L c 組成高次濾波單元。3直流電壓的選擇采用PWM 控制逆變器,PWM 脈寬利用等面積法計(jì)算而得。根據(jù)PWM 原理,其調(diào)制比(即正弦波電壓幅值與直流電壓之比不能大于75%,圖1有源濾波器與系統(tǒng)的聯(lián)接電路同時(shí)考慮到逆變器相當(dāng)于三個(gè)單相半橋逆變器并聯(lián),其輸出電壓幅值只有全橋逆變器的一半,并考慮112倍的裕量,則直流電容電壓應(yīng)為U dc =220×2×2×1120175=996V(1實(shí)際中取直流側(cè)電壓為1000V 。4直流電容的容量計(jì)算直流側(cè)電容C 用于為電壓型逆變器提供一穩(wěn)定的直流

4、電壓。負(fù)序電流和高次諧波電流在直流電容側(cè)造成的能量脈動(dòng),以及由于開(kāi)關(guān)的作用和有源電力濾波器的交流電感儲(chǔ)能造成的能量脈動(dòng),都需要直流電容來(lái)緩沖。補(bǔ)償負(fù)序電流時(shí),直流電容儲(chǔ)存的電能波動(dòng)最為明顯,因此主要考慮由于負(fù)序電流造成的能量脈動(dòng)。直接給出直流側(cè)電容的計(jì)算公式如下C =3E m I -m2U 2dc(2式中E m APF 輸出的相電壓幅值I -m 負(fù)序電流分量幅值直流電壓的脈動(dòng)量72電力電子技術(shù)電工技術(shù)雜志2002年第10期基波角頻率U dc 直流電容輸出電壓考慮負(fù)序電流為輸出電流(76A 的60%,直流電壓允許脈動(dòng)1%,且直流側(cè)電壓U dc =1000V ,則直流電容值為C =3×2

5、×220×016×2×762×0101×314×10002=9585F (3實(shí)際裝置中直流電容取C =10000F 。5直流電壓的控制511直流電壓的獲得獲得直流電壓的傳統(tǒng)方法是:為直流電容提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源,一般是通過(guò)調(diào)壓器和整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種方法雖然能夠達(dá)到目的,但需要另外設(shè)計(jì)一套電路,增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及成本和損耗。為此,可利用裝置自身完成升壓過(guò)程。該過(guò)程分為兩個(gè)階段。采用的電力電子開(kāi)關(guān)器件為德國(guó)西門(mén)子公司制造的兩單元IG B T 模塊,該模塊內(nèi)的每支IG B T 反向并聯(lián)了二極管。在第一階段,關(guān)斷所有的

6、IG B T 器件,利用反向并聯(lián)的二極管對(duì)直流電容進(jìn)行充電,這時(shí)相當(dāng)于三相全橋整流。一般而言,經(jīng)過(guò)第一階段的充電,直流側(cè)電壓可達(dá)520V 左右。待直流電壓穩(wěn)定后,進(jìn)行第二階段的充電,即斬波升壓。任選一支IG B T ,在適當(dāng)時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。如圖1所示,以系統(tǒng)線電壓U AB 作為同步參考信號(hào),當(dāng)U AB 為負(fù)時(shí),開(kāi)通V T 1,這時(shí)有電流流經(jīng)V T 1和VD 3。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,L a 和L b 中積聚了一定的能量,關(guān)斷V T 1,該回路電流突變,于是電感L a 和L b 中的磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能而產(chǎn)生過(guò)電壓。該過(guò)電壓與系統(tǒng)電壓一起通過(guò)二極管對(duì)直流電容充電,這時(shí)還是相當(dāng)于三相全橋整流,只不過(guò)三相

7、電壓幅值更高而已。重復(fù)上述操作,直至直流電壓滿(mǎn)足要求。采用這種方法可以做到直流側(cè)電壓升壓無(wú)超調(diào)。直流側(cè)電壓達(dá)到要求之后,打開(kāi)所有PWM 脈沖,APF 即并入電網(wǎng)。512直流電壓的穩(wěn)定控制APF 要有效地對(duì)系統(tǒng)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償,按照PWM 控制規(guī)律,逆變器的直流側(cè)電容電壓就必須保持恒定,從而提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)。若直流側(cè)電壓波動(dòng)較大,就會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償。欠補(bǔ)償時(shí)會(huì)影響補(bǔ)償?shù)木?過(guò)補(bǔ)償時(shí)會(huì)增加APF 的干擾性諧波電流。因此直流電壓的穩(wěn)定性是很重要的。有源電力濾波器本身并不能產(chǎn)生能量來(lái)維持電容電壓,所以必須采取一定的措施來(lái)穩(wěn)定直流電壓。在實(shí)際運(yùn)行中,影響直流電容電壓的主要因素有:電力電子開(kāi)關(guān)器件

8、工作中的損耗。當(dāng)系統(tǒng)電壓中含有諧波分量,不同次諧波電壓和諧波電流相互作用將和電容產(chǎn)生能量交換,從而影響直流電壓。負(fù)序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生能量脈動(dòng),使得直流電壓波動(dòng)。通過(guò)對(duì)主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂瓶蓪?shí)現(xiàn)直流電壓的恒定。由于有源電力濾波器必須從系統(tǒng)中吸收有功能量來(lái)維持電容電壓的恒定,所以APF 發(fā)出的補(bǔ)償電流中就必須包括一個(gè)有功電流成分。采用簡(jiǎn)單的PI 調(diào)節(jié),即可檢測(cè)到直流電壓與給定電壓的偏差,根據(jù)這個(gè)偏差經(jīng)PI 控制運(yùn)算得到補(bǔ)償直流電壓的有功分量為p =K (U dc +1TTU dc d t (4式中U dc 直流電壓有效值的偏差K 比例系數(shù)T 積分時(shí)間常數(shù)只要直流電壓偏差不為零,那么將產(chǎn)生

9、一有功電流來(lái)維持直流電壓。維持直流電壓所對(duì)應(yīng)的有功電流為i cav =p 3U 2u a i cbv =p 3U 2u b i ccv =p 3U 2u c(5式中U 相電壓有效值u a ,u b ,u c 三相電壓瞬時(shí)值實(shí)際中采用模糊控制器來(lái)對(duì)PI 調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行控制。模糊控制器有更快的響應(yīng)和更小的超調(diào),對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化不敏感,即具有很強(qiáng)的魯棒性,能夠克服非線性因素的影響。把模糊控制器和PI 調(diào)節(jié)器相結(jié)合的方法稱(chēng)為Fuzzy 2PI 調(diào)節(jié)器。設(shè)直流電壓穩(wěn)定時(shí)e (t =0,要求的輸入為U 0,在模糊控制器中U 與e 可以看作一種非線性變換U =f e (t (6則PI 調(diào)節(jié)器的輸入輸出為8

10、2電工技術(shù)雜志2002年第10期并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓的相關(guān)問(wèn)題探討p =K P f e (t +K ITf e (t d t (7f e (t =U 是經(jīng)過(guò)模糊控制器處理后的輸出值。上式實(shí)際是把常規(guī)的PI 調(diào)節(jié)器模糊化。式(7可變換為p =K P U +K ITU d t (8參數(shù)自調(diào)整Fuzzy 2PI 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)框圖如圖2所示。應(yīng)用Fuzzy 修改表對(duì)參數(shù)K 1、K 2及K P 、K I 進(jìn)行自調(diào)整的原則是:當(dāng)誤差e 或誤差變化率e 較大時(shí),可通過(guò)縮小K 1、K 2放大K P 、K I 進(jìn)行“粗調(diào)”控制,降低對(duì)e 或e 的分辨率,而采用較大的控制改變量。當(dāng)e 和e 較小時(shí),也就是

11、系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài),可通過(guò)放大K 1、K 2縮小K P 、K I 實(shí)行“細(xì)調(diào)”控制,提高對(duì)e 或e 的分辨率,而采用較 小的控制改變量。圖2參數(shù)自調(diào)整Fuzzy 2PI 調(diào)節(jié)器系統(tǒng)框圖圖3直流側(cè)電壓響應(yīng)曲線圖3所示為采用Fuzzy 2PI 控制器時(shí)的直流側(cè)電壓波形圖。圖中的直流電壓波動(dòng)部分是由于APF 投入電網(wǎng)時(shí)所造成的沖擊引起的。從試驗(yàn)波形可以看出,采用Fuzzy 2PI 控制器控制直流電容電壓,其靜態(tài)誤差小,響應(yīng)速度快,能快速對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行補(bǔ)償,效果十分顯著。由于直流電壓穩(wěn)定,直流電壓波動(dòng)所導(dǎo)致的APF 干擾性諧波電流大大減小,APF 補(bǔ)償諧波時(shí)的精度得到提高。6結(jié)論本文根據(jù)實(shí)際裝置的研制經(jīng)

12、驗(yàn),系統(tǒng)地講述了并聯(lián)型APF 直流側(cè)電壓的計(jì)算和電容的選取,提出一種簡(jiǎn)單有效的直流電壓升壓方法,解決了并聯(lián)型APF 的并網(wǎng)問(wèn)題,并將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于直流側(cè)的電壓控制中。實(shí)踐證明,該控制器超調(diào)小、響應(yīng)快,控制效果很好。參考文獻(xiàn)1王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19982梁旭,劉文華,陳建業(yè).采用GTO 的±300kvar 新型靜止無(wú)功發(fā)生器.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版,1997,37(73查曉明,陳衛(wèi)勇.三相交流系統(tǒng)綜合補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償分量檢測(cè)研究.電網(wǎng)技術(shù),1999,23(7Investigation on R elevant Problems forD

13、C Side Voltage of ParallelActive Pow er FilterDi ng Kai(Wuhan University Abstract This paper discusses the calculation of DC voltage and selection of capacitor according to research on parallel active power filter.A new method for APF launching into power sys 2tem is presented and a fuzzy theory for

14、 voltage stability control is given out .In the end ,the test in practice is shown.K eyw ords active power filter DC voltage fuzzy control收稿日期:20020425(上接第26頁(yè)6Fujita H.A hybrid active filter for damping of harmonicresonance in industrial power systems.IEEE 2TPE ,2000,15(2:215222Study on Digital Cont

15、rol System ofShunt Active Pow er FilterGu Jianj un(Harbin Institute of Technology AbstractThis paper proposes a novel method measuringcompensating reference current after it analyzes briefly the basic structure and operation principle of a shunt active power filter.Then one kind of digital control system based on DSP is set u p and experim