三相三线并联型有源电力滤波器的数字化实现

文章编号:1007-2322(2011)01-0028-08

现󰀁代󰀁电󰀁力

ModernElectricPower

Vol󰀁28󰀁No󰀁1

Feb󰀁2011文献标识码:A

三相三线并联型有源电力滤波器的数字化实现

钟筱怡,王志新,姜宪明

1

2

3

(1.上海电力公司市区供电公司,上海󰀁200032;2.上海交通大学电气工程系,上海󰀁200240;

3.北京理工大学电气工程学院,北京󰀁100081)

DigitalImplementationofThree-phaseThree-wireShuntActivePowerFilter

ZhongXiaoyi,WangZhixin,JiangXianming

1

2

3

(1.ShanghaiUrbanPowerSupplyBranch,SMEPC,Shanghai󰀁200032,China;2.Dept.ofElectricEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai󰀁200240,China;3.Dept.ofElectricEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing󰀁100081,China)

摘󰀁要:基于整流桥非线性负载电流分析,给出三相并联型有源电力滤波器的一种新型谐波检测算法。对新型谐波检测算法的原理进行了阐述并给出其实现方法,阐述了谐波检测滤波器的设计方法,分析和研究对负载突变时谐波检测算法对直流母线电压影响机理,指出负载突变时直流母线电压波动的原因。最后,就全谐波检测算法和新型谐波检测算法进行仿真和实验对比研究,结果验证了新型谐波检测算法的可行性和可靠性。

关键词:有源电力滤波器;数字化实现;控制策略;谐波检测;功率平衡

Abstract:Anovelharmoniccurrentdetectionmethodforthree-phasethree-wireshuntactivepowerfilterisproposedinthispa-perbasedontheanalysisonnonlinearcurrentintroducedbyrec-tifierbridge.Thentheprincipleoftheharmoniccurrentdetec-tionmethodanditsimplementationareillustrated,andthede-signmethodofharmoniccurrentdetectionfilterisalsodis-cussed.Theinfluenceoftheharmonicdetectionmethodondcbusvoltageisanalyzedandstudiedincaseofabruptloadchange,andthecauseofdcbusvoltagefluctuationisalsogiven.Intheend,harmoniccurrentdetectionmethodandthepro-posedmethodarestudiedseparatelythroughexperimentandsimulation,whichverifythefeasibilityandreliabilityoftheno-velharmoniccurrentdetectionmethod.

Keywords:activepowerfilter,digitalimplementation,controlstrategies,harmonicdetection,powerbalance

低与系统阻抗发生串并联谐振的危险。使得有源电

力滤波器在提高电能质量、消除电力系统中电压谐波、抑制电压波动、补偿无功和改善电压平衡等方面具有相当大的优势。关于有源电力滤波器的研究主要集中在拓扑结构[1-5]和控制策略[6-11]两方面。

本文基于以TMS320F28335DS为核心的有源电力滤波器控制平台,系统阐述并联型有源电力滤波器数字化实现方法,给出相应的控制策略。对有源电力滤波器实现过程中的关键问题进行仿真实验研究。

1󰀁并联型有源电力滤波器谐波检测算法

1󰀁1󰀁谐波检测算法原理

谐波检测算法直接影响有源电力滤波器的补偿效果。日本学者赤木泰文提出的瞬时有功瞬时无功谐波检测算法

[12]

,以及由此衍生的基于时域的谐

波检测算法,在有源电力滤波器的研究和应用中具有重要意义。

基于基波电压同步参考坐标系的有源电力滤波器谐波检测算法,结构简单、原理清晰,可以检测到负载电流中的所有次谐波。实际应用中仅要求补偿几种特定次谐波,且受有源电力滤波器带宽限制,谐波指令电流中高次谐波的存在会影响有源电力滤波器的控制效果。因此基于分次谐波检测的有源电力滤波器谐波检测算法被提出来。一部分基于分次谐波检测的谐波检测算法[13]具有预置补偿角的特性,可以减少数字系统延时对有源电力滤波器补偿效果的影响。具有预置补偿角的新型谐波检测算法可以针对任意次谐波预置超前角度,能够解决0󰀁引󰀁言

有源电力滤波器作为改善电网电能质量的装置,具有高度可控性和快速响应性。在拓扑结构合理、控制策略得当的情况下,有源电力滤波器谐波补偿特性可以基本不受电网阻抗的影响,极大地降第1期钟筱怡等:三相三线并联型有源电力滤波器的数字化实现

󰀂C󰀁dq=

29(6)

数字系统延时问题,但算法运算量大,需要采用具

有高运算速度的控制器。

针对分次谐波补偿运算量大的缺点,本文在基于整流桥非线性负载电流分析的基础上给出一种新型分次谐波检测算法。1󰀁2󰀁新型谐波检测算法

电网电压平衡条件下,三相电网电压作用在三相整流桥负载时会使电网电流发生畸变,畸变的电网电流中包含6k󰀁1次谐波。以整流桥加电阻性非线性负载为例,三相静止坐标系下a,b两相负载电流表达式为iLa(t)=I1sin(󰀁t)+

n=6k󰀁1

k=1,2󰀁

󰀁cos󰀁sin󰀁-sin󰀁cos󰀁iLd=iLq=

31

[I+2

k=1,2,󰀁

󰀁

(-I6k-1+I6k+1)cos(6k󰀁t)]

3[(I6k-1+I6k+1)sin(6k󰀁t)]2k=󰀁1,2,󰀁

(7)

󰀁󰀁在静止坐标系下,负载电流矢量为基波和各次谐波电流的合成矢量,其中6k+1次谐波电流矢量

的旋转方向与基波电压矢量旋转方向相同,为正序分量;6k-1次谐波电流矢量的旋转方向与基波电压矢量旋转方向相反,为负序分量。若将相邻的正序和负序次谐波电流变换到基波电压同步旋转坐标系下,则可以想象在基波电压同步旋转坐标系下相邻的正序和负序谐波矢量相对于基波电压矢量的旋转角频率均为6k󰀁。非线性负载谐波电流在基波电压同步旋转坐标系下均变为6k次谐波。

由上述分析可知,静止坐标系下相邻的正序和负序谐波电流矢量在基波电压同步旋转坐标系下为旋转角速度相同的谐波电流矢量。则可以在基波电压同步旋转坐标系下设计6k次谐波频率带通滤波器,每一组带通滤波器可以同时提取静止坐标系下的6k󰀁1次两种不同谐波。以同时检测整流桥负载中的5次负序和7次正序谐波为例(如图1所示)。

󰀁

Insin(n󰀁t)

2󰀁Insinn󰀁t-󰀁3n=6k󰀁1

k=1,2󰀁

2󰀁iLb(t)=I1sin󰀁t-+3

(1)

式中:I1是基波电流幅值;In为谐波电流幅值。由于iLc=-iLa-iLb,负载电流经过静止坐标变换,可以得到两相静止坐标系下负载电流表达式:

iL󰀁=iL󰀁=

3iLa2

2iLa+2iLb2

负载电流中基波、谐波正序、谐波负序在静止坐标系下的表达式分别如式(3)、式(4)和式(5)所示。

iL󰀁1=iL󰀁1=-iL󰀁h=iL󰀁h=-++

(2)

3I1sin(󰀁t)2

3I1cos(󰀁t)2

(3)

3Insin(n󰀁t),n=6k+1,k=1,2󰀁2

3Incos(n󰀁t),n=6k+1,k=1,2󰀁2

(4)

3Insin(n󰀁t),n=6k-1,k=1,2󰀁2

3Incos(n󰀁t),n=6k-1,k=1,2󰀁2

(5)

图1󰀁新型谐波检测算法原理

利用新型谐波检测算法可以实现无功补偿功能,即可以实现单位功率因数控制。以同时检测5、7次谐波以及由负载产生的无功为例,其谐波检测算法原理如图2所示。BPF为中心频率为300Hz的二阶带通滤波器。新型谐波检测算法在补偿无功的同时将带通滤波器的个数减少一半,进一步降低了控制算法计算开销。

本文选用IIR型二阶ButterWorth带通滤波器实现谐波检测。式(8)为带通滤波器频域传递函数。选择品质因数Q=25,则带通滤波器通带宽度为12Hz。对于中心频率300Hz,选择的两个截止频率分别为294󰀁1Hz和306󰀁1Hz。选择采样频率i-L󰀁h=i-L󰀁h=

󰀁󰀁利用式(6)所示基波电压同步旋转坐标变换,将静止坐标系下基波及其谐波正序、负序分量变换到基波电压同步参考坐标系下,得到基波电压同步参考坐标

系下基波和谐波电流表达式,如式(7),其中󰀁=󰀁t。

30现󰀁代󰀁电󰀁力󰀁󰀁󰀁2011年

2󰀁并联型有源电力滤波器的控制策略

2󰀁1󰀁并联型有源电力滤波器数学模型

三相三线并联型有源电力滤波器拓扑结构采用电压源型逆变器拓扑结构,其系统电气结构如图5所示。为分析方便,电流方向按图5所示定义。

图2󰀁补偿无功的新型谐波检测算法原理

12󰀁5kHz,按上述要求设计的双线性变换方式的数字带通滤波器传递函数如式(9)所示。H0j󰀁Q󰀁0HBPF(j󰀁)=

1+j󰀁+j󰀁󰀁0Q󰀁0

=

H0

󰀁0

1+jQ󰀁-󰀁0󰀁(8)

HBPF(z)=Y(z)=

X(z)

0󰀁0030068696110(1-z-2)1-1󰀁9713579957z-1+0󰀁99398626078z-2(9)󰀁󰀁该数字带通滤波器的幅频、相频特性曲线分别如图3、图4所示。利用该带通滤波器可以一次性提取5、7次谐波。

2图5󰀁三相三线并联型有源电力滤波器电气结构

忽略电网侧阻抗作用,设电抗器L的内阻为RL,根据基尔霍夫电压定律,

usk=Ldick+RLick+ukM+uMN

dt

UM,RL为电抗器等效电阻。

󰀁󰀁满足ic1+ic2+ic3=0,us1+us2+us3=0时,由式(10)所代表的3个表达式相加可得到

uMN

=-13

k=1

(10)

式中:k=a,b,c,uMN=UM-UN,ukM=urk-

󰀁u

3

kM

(11)

为书写方便,这里将a,b,c依次写为1,2,3。󰀁󰀁定义

ck=

1,󰀁sk导通、S󰀁k关断0,󰀁sk关断、S󰀁k导通

(12)(13)

则有󰀁ukM=ckudc。

󰀁󰀁将式(11)~(13)代入式(10)可得

dick1L=-RLick-(ck-dt3

m=1

󰀁

3

cm)udc+usk

(14)

󰀁󰀁根据基尔霍夫电流定律,可得

dudc

=1dtC

k=1

󰀁ci

3

kck

(15)

󰀁󰀁由式(14)、(15)所示的三相静止坐标系下有源电力滤波器数学模型表达式变换到两相静止坐标系下有式(16)、(17),其中c󰀁,c󰀁分别为式(18)所第1期钟筱怡等:三相三线并联型有源电力滤波器的数字化实现31

示。式(19)、(20)为基波电压同步旋转坐标系下有源电力滤波器数学模型表达式。

ic󰀁ic󰀁

Ld=-RL-dtic󰀁ic󰀁idc=Cc󰀁c󰀁c󰀁c󰀁udc+

us󰀁us󰀁(16)

流内环跟踪控制、直流母线电压稳定和PWM驱动

信号生成等几部分。

上文已给出了基于基波电压同步旋转坐标系方式的谐波检测算法,以及基于PI调节器实现的有源电力滤波器控制原理。本节给出有源电力滤波器控制结构框图(图6)以及有源电力滤波器控制实现方案(图7)。直流母线电压稳定是通过在基波电压同步旋转坐标系下构造有功分量实现的。当母线电压低于设定值时,APF从电网中吸收能量;反之,APF向电网中释放有功能量,从而维持直流母线电压的稳定。对于PWM驱动信号的生成,本文采用SPMW调制方式,开关频率选择12󰀁5kHz。

ic󰀁dudc

=[c󰀁󰀁c󰀁]=c󰀁ic󰀁+c󰀁ic󰀁(17)dtic󰀁-12-32

c1

abc

=

1-122330

2=

0󰀁L-󰀁L0

icdicqc1

(18)c3cdcqusdusq(19)

c2=C󰀁󰀂c2c3icdicq

L

dicd

dtdicqdt

-RL-udc+

dc

idc=Cdu=cdicdcqicq(20)

dt

󰀁󰀁对于有源电力滤波器而言,电流内环PI调节

器的引入使系统变为I型系统,I型系统无法实现对交流参考指令的无稳态误差跟踪,因此在基波电压同步旋转坐标系下设计PI调节器不仅不能实现对参考谐波指令的无稳态误差跟踪,反而会导致控制算法过于复杂。因此,采用全补偿谐波补偿算法时在两相静止坐标系(󰀁,󰀁)下设计PI调节器(或其它调节器,如重复控制器)更好一些。2󰀁2󰀁有源电力滤波器数字化实现

数字化有源电力滤波器实现包括谐波分析、电

图6󰀁有源电力滤波器控制结构

图7󰀁有源电力滤波器控制实现

32现󰀁代󰀁电󰀁力󰀁󰀁󰀁2011年

3󰀁仿真研究

3󰀁1󰀁新型谐波检测算法仿真研究

为验证所提出的新型谐波检测算法的正确性,本文利用MATLAB/Simulink搭建了APF仿真模型对其进行仿真研究(参数如表1)。图8为非线性负载电流波形,图9为该谐波检测算法补偿后电网电流波形,图10和图11分别为基波电压同步旋转坐标系下,新型谐波检测算法得到的31次以下谐波电流的d、q分量。新算法对应的电网电流谐波畸变率THD如图12所示,可以看出,各主要次谐波THD均小于2󰀁4%,仿真结果验证了该谐波检测算法的正确性。

表1󰀁数字化APF仿真参数表1仿真模型参数电网电压/V直流母线电压/V直流母线电容/󰀁FAPF输出电感/mH

负载电阻/󰀁

参数值38090068000󰀁65

提取。负载突变时指令电流中不含基波成分,不会导致APF直流母线电压大幅波动。

表2为研究直流母线电压波动时的仿真参数。图13为全谐波检测算法,仿真到0󰀁6s时负载电流突升100%,0󰀁75s时负载电流突降50%时补偿电流波形;图14为补偿过程中有源电力滤波器直流母线电压波动曲线。图15为新谐波检测算法,仿真到0󰀁6s时负载电流突升100%,0󰀁75s时负载电流突降50%时补偿电流波形;图16为补偿过程中有源电力滤波器直流母线电压波动曲线。

表2󰀁数字化APF仿真参数表2

3󰀁2󰀁负载突变对直流母线电压影响研究

全谐波检测算法利用负载电流降低通滤波器输

出电流。低通滤波器输出固有时延导致负载突变时指令电流中基波残留。负载突降时APF从电网中吸收有功能量,导致APF母线电压突升;反之,APF母线电压突降。而本文提出的新谐波检测算法不需通过负载电流减滤波器输出量实现谐波指令APF仿真参数电网电压/VAPF直流母线电压/V直流母线电容/VAPF输出电感/mH

负载电阻/󰀁并联负载电容/󰀁参数值38090068000󰀁610,5两组

100第1期钟筱怡等:三相三线并联型有源电力滤波器的数字化实现33

从仿真结果可以看出,负载突变时,全谐波算法最终可以维持直流母线电压稳定,但直流母线电压波动较大;新谐波算法的直流母线电压基本无波动,仿真结果表明新谐波算法更有利于系统的稳定。

4󰀁实验结果

为验证有源电力滤波器数字化实现的可行性,可靠性,构建了三相并联APF实验装置。控制系统采用TI公司浮点DSP芯片TMS320F28335。该DSP芯片具有150MHz时钟频率、强大的信号处理功能。软锁相(PLL)、谐波检测、直流母线稳定控制、谐波电流跟踪控制、脉宽调制(SP-WM)、控制信号输出及其过载和故障保护功能均由该DSP芯片来实现。主功率器件选用IGBT模块(FF200R12KT3),驱动芯片采用M57962L。开关频率12󰀁5kHz。

实验用负载采用整流桥带电阻性负载作为非线性谐波电流源。实验电路参数如表3所示。对有源电力滤波器的启动过程,稳态时有源电力滤波器分次、全谐波补偿,动态时全谐波补偿进行实验研究。图17为有源电力滤波器启动过程。图中波形1为电网电压整流值,作为启动参考。t1时电网为负载供电、APF开始预充电,t2时APF预充电结束,t3时APF投入运行。APF正常启动,对电网无冲击,表明了研制的APF系统的可靠性。

表3󰀁有源电力滤波器实验参数APF实验参数电网电压/VAPF直流母线电压/V直流母线电容/󰀁FAPF输出电感/mH

负载电阻/󰀁

数值380700680015~180

图18为稳态时待补偿的非线性负载电流波形;图19为稳态时分次补偿方式补偿5、7、11和13次谐波后电网电流波形;表4给出采用分次谐波算法补偿后电网电流主要次谐波THD,各主要次谐波THD均在2󰀁3%以下,达到了预期的补偿效果。图20为稳态时全谐波补偿效果,表5给出全谐波补偿各主要次谐波THD,由表5可知,补偿34现󰀁代󰀁电󰀁力󰀁󰀁󰀁2011年

后5次谐波THD变为5󰀁2%,其他各主要次谐波THD均小于2󰀁1%,实验结果表明了全谐波检测补偿的有效性。

5󰀁结󰀁论

本文针对三相平衡系统整流桥式非线性负载电

表4󰀁分次谐波补偿各主要次谐波THD总

THD/%

12󰀁5

H52󰀁3

H72󰀁1

H111󰀁9

H131󰀁3

流特性,提出一种新型谐波检测算法。并通过仿真

和实验研究了新型谐波检测算法的补偿效果。详细给出了有源电力滤波器数字化实现过程和方案。分析了负载突变时谐波检测算法对APF直流母线电压影响机理,并给出相应的解决方案。对设计的数字化有源电力滤波器的稳态补偿效果和动态过程进

H130󰀁0H290󰀁2

表5󰀁全谐波补偿各主要次谐波THD总

THD/%

6󰀁8H17

THD/%

1󰀁4

H55󰀁2H190󰀁8

H71󰀁4H231󰀁9

H112󰀁1H250󰀁2

行了大量实验研究,实验验证了其可行性和可靠性。

参考

文

献

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图21为全谐波补偿APF在负载突降时动态补偿效果。为减缓负载突降时直流母线电压突升影

响,在负载突降时限制补偿指令电流的大小,导致负载突降瞬间补偿受到限制,指令限制解除后补偿效果如图22所示。图23为负载突升时APF动态补偿效果,负载突升时APF向电网释放有功能量,负载突升瞬间APF输出电流增大反映了这一过程。本文对所设计的三相全数字APF进行了最大容量20kVA的系统实验,从稳态和动态效果两方面验证了所设计的数字化APF的可行性和可靠性。

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PedroRoncero-S󰀁nchez,

andPablo

~

收稿日期:2010-09-27作者简介:

钟筱怡(1982-),女,硕士研究生,研究方向为新能源、电力系统智能控制;

王志新(1964-),男,教授,研究方向为机电一体化、风力发电、机电系统智能控制、制造执行系统MES;

姜宪明(1984-),男,硕士,研究方向为有源电力滤波器和新能源发电。

(责任编辑:杨秋霞)