有源电力滤波器直流侧自适应平衡控制 .pdf

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1、第 5 1卷第 1 5期 2 0 1 4年8月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t at i o n VO I 5 1 NO 1 5 Au g 1 0， 2 0 1 4 有源 电力滤波器直流侧 自适应平衡控制 江伟 ， 孙健 ， 徐保友 ( 1 广东交通职业技术学院， 广州 5 1 0 6 5 0 ； 2 国网济宁供电公司， 山东 济宁 2 7 2 0 0 0 ) 摘要： ： 针对实际电网电压波动导致有源 电力滤波器系统不能进行谐波有效补偿 的问题 ， 提 出一种有源 电力滤 波器直流

2、侧 自适应平衡控制策略。通过下垂控制器使有源电力滤波器直流侧 电压能够 自适应 电网电压波动 ， 使有源 电力滤波器直流侧 电压始终维持在一个合理的水平上 ； 通过 I P控制器对直流侧母线 电压 的进行快速调 节 。最后在 M A T L A B S I MU L I N K中建立 了仿真模型 ， 验证了所提算法的正确性和可行性 。 关键词 ： 有源电力滤波器 ； 电压波动 ； 自适应平衡控制 ； 下垂控制 ； I P控制 中图分类号 ： T M7 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) l 5 0 0 8 0 0 4 DC Si de A

3、d a pt i v e Ba l a n c e Co n t r o l o f Ac t i v e Po we r Fi l t e r J I AN G We i ，S U N J i a n ，XU B a oy o u ( 1 G u a n g d o n g C o mm u n i c a t i o n P o l y t e c h n i c ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 5 0， C h i n a 2 S t a t e G i r d J i n i n g P o w e r S u p p l y C o mp a n y ， J

4、i n i n g 2 7 2 0 0 0 ， S h a n d o n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T o d e a l wi t h t h e p r o b l e m t h a t a c t u a l g r i d v o l t a g e fl u c t u a t i o n l e a d s t o i n e f f e c t i v e c o mp e n s a t i o n o f a c t i v e p o w e r f i l t e r( A P F )s y s t e m，t h e p a

5、p e r p r o p o s e s a D Cs i d e a d a p t i v e b a l a n c e c o n t r o l s t r a t e g y o f t h e A P F Wi t h t h e d r o o p c o n t r o l l e r ，t h e DC v o l t a g e o f t h e AP F c a n a d a p t t o g r i d v o l t a g e fl u c t u a t i o n，a n d t h e D C v o l t a g e c a n ma i n t

6、 a i n a t a r e a s o n a b l e l e v e 1 Wi t h t h e I P c o n t r o l l e r ， t h e b u s v o l t a g e o n t h e D C s i d e c a n b e a d j u s t e d q u i c k l y MA T L A B S I M U L I N K mo d e l a n d s i mu l a t i o n v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s a n d f e a s i b i l i t y o

7、 f t h e p r o p o s e d a l g o r i t h m Ke y wo r d s： a c t i v e p o we r fil t e r，v o l t a g e flu c t u a t i o n，a d a pt i v e ba l a n c e c o nt r o l ，d r o o p c o n t r o l ，I P c o n t r o l 0 引 言 相 比无源滤波器 ， 有源 电力滤 波器具有滤波 特 性好 、 体积小 、 应用灵 活等特点 ， 逐渐 成为 电力 系统 谐波抑制 的研 究 热点 - 6 。 目前有 源

8、电力滤 波器 ( A P F ) 控制方法主要分为电流控制和直接功率控制 ， 其 中直接功率控制 以其响应速度快 ， 控制算法简单 ， 利 于硬 件 实 现等 优 点逐 渐 成 为 A P F控 制 的 主 流 方 法 。 A P F直流侧 电压大小与 A P F系统功率损耗及补 偿能力有密切关系， 过高的直流侧电压会增加 A P F 系统功率损耗 ， 过低 的直流侧 电压则会降低谐波补 偿能力， 如何实现 A P F系统功率损耗和补偿能力的 平衡成为一个研究 的热点。文献 7 分析 了直流侧 电压与 A P F补偿 能力的关 系 ， 给 出了线性调制范围 内 A P F正常工作 时直 流侧

9、电压 的选 择标 准。文献 8 提出了一种新型的直流侧电压控制方法 ， 具有一 定 的自适应 电网电压波 动的能力 ， 但系统 的动态响 一8 O 一 应能力较差。 本文 阐述了 A P F直接功率控制的机理 ， 分析 了 A P F直流侧 电压大小与 A P F系统功率损耗和补偿能 力的内在联 系。在此 基础上 ， 提 出了一种有源 电力 滤波器直流侧 电压 自适应平衡控制策 略 ， 并对控 制 系统进行 了优化设计和仿真验证。 1 A P F直接功率控制系统 A P F直接功率控制控制系统如图 1 所示 ， 系统主 要由谐波功率检测 、 补偿 功率计算和直流侧 电压 控 制等环节组成。 在

10、三相负载平衡条件下， 根据瞬时功率理论可 以计算负载瞬时有功功率和无功功率为： S = u b c t s a b c=P +j Q ( 1 ) 式中 s 为瞬时视在功率 ； P 为瞬时有功功率 ； Q 为 瞬时有功功率 。 系统瞬时有功功率和无功功率可以表示为 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 1卷第 l 5期 2 0 1 4年8月 l 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me nt I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 5 1 N0 1 5 Au g 1 0。 2 01 4

11、 图 1 A P F直接功率控制 系统原理图 F i g 1 AP F d i r e c t p o w e r c o n t r o l s y s t e m d i a g r a m P =( “ i + M p i p ) ( 2 ) Q ：_ ( “ B i 一 U s a i 8 ) 式中 u 、 B、 i 、 i B 分别为 p坐标系下网侧电压 和负载侧 电流分量 。经 B变换后 ， 通过瞬时功率计 算可 以得到参 考瞬时有功功率P 和参 考瞬时无功 功率 Q 。如图2 所示。 图2 负载谐波功率检测原理图 Fi g 2 S c h e ma t i c d i a g r

12、 a m o f l o a d h a r mo ni c p o we r d e t e c t i o n 同理 ， A P F实际输出的瞬时功率 P 、 Q 也可 以 根据瞬时功率理论计算得到， 直流侧瞬时功率 P 可 以通过直 流侧 电压控 制得 到。参考 瞬时 有功 功率 P 与电源实际瞬时有功功率 P 比较后得到有功功 率误差 P， 参考瞬时无功功率 Q 与实际补偿的瞬 时无功功率 Q 比较后得到无功功率误差 Q， 功率 误差 P和 p经过滞环比较器调节得到开关信号s 和 s ， 最后根据 s 、 。 和电压矢量位置查询开关矢量 表生成 AP F参考 电压矢 量并 输 出， 从

13、 而实 现 了对 A P F系统的快速功率控制。 2 A P F直流侧 自适应平衡控制 有源电力滤波器输出电流的各次谐波分量是 由 P WM逆变器输出电压 U i 的各次谐波分量和电网电压 决定的。设 P WM逆变器幅度调制比为 ， 则有： ， )， M = z tJ i n v f 3 1 U d 式中U i = ll U 1 “ + U k e “ + U e ， “ l l l 1 常见的三相不可控整流阻感负载电流 中只含 6 n 1 次正负序谐波分量。考虑在非线性负载最恶劣 的情况下所需的最大逆变器输 出电压 i ， 需要满 足 U i U 。 M 。 i M= + ， l + k w

14、 L ， + h o L ， ( 4 ) 式中U 为直流侧额定电压值。又 ， ， 假设 A P F工作时保证 恒定在最大值 ， 可得： A U ： 一 ： 一U ( 5 ) 3 式中 f 为电网电压与直流侧额定 电压 的差值。由 式( 5 ) 可以看出， AU决定了 A P F谐波补偿能力 ， 直流 侧电压 的升高 ， 可以提高 A P F的补偿能力 ， 但也会增 加系统损耗 ； 直流侧 电压 的降低 ， 可 以减小 系统损 耗 ， 但也会降低 A P F的补偿能力。 由于实际 电网电压较长时间 内在 9 0 1 1 0 范围内波动 ， 为实现 A P F功率损耗和补偿能力的平 衡 ， 本文提

15、 出了一种基于下垂控制和 I P控制 的直流 侧电压优化控制策略。该控制器的功能是在 电源电 压较高或者非线性负载增多 时， 提 高直流侧 电压值 ， 保证 A P F的谐波补偿性能； 在电源电压较低或者非 线性负载减少时， 降低直流侧电压值， 减少 A P F的功 率损耗。A P F直流侧下垂控制结构如图 3所示。 电网电压和电流经过下垂控制器获得参考电压 U d c ， 与实际电压 比较后 ， 经过 I P控制器的调节 ， 控制器 图 3 A P F直流侧 电压控 制 结构 F i g 3 AP F DC s i de v o l t a g e c o n t r o l s t r u

16、 c t u r e 一8l 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 l卷第 1 5期 2 0 1 4年8月 1 0日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 5 1 NO 1 5 Au g 1 0， 2 0 1 4 得到直流侧电流信号 i 与 u 。 相乘获得参考有 功功率 P d c 。 设在额定 电网 电压下设定 直流侧 电压 为 ， A P F系统符合补偿要 求。在 电网电压波动时 ， 下垂 系数为 m 可以根据式 ( 6 ) 和(

17、 7 ) 设计下垂调节器 来控制直流侧电压的指令值 。 ， ， AU d ：1 1 m d ( 一u ) ( 6 ) 3 =, 3( U a + ) ( 7 ) 式 ( 6 ) 中 为参考 电压 与实际电压 的比较 值； 式( 7 ) 中 为电网电压和电流经过下垂控制器 调节后获得的参考电压。由于I P 控制器对参考信号 的响应速度和抗干扰能力比 I )I 控制器更好 。 。 ， 本 文选择采用 I P控制对直流侧母线电压进行控制 ， 以 减小直流母线电压 波动和补偿 A P F系统功率损耗。 当开关频率较高时， A P F直接功率控制系统内环的 瞬时功率控制必须足够快， 也就是说瞬时功率 P

18、 和 Q 能够快速跟踪参考功率 P 和 Q ， 因此我们可以 认为功率闭环控制器 G ( s ) = 1 ， 此时 I P控制器参 数可以根据阶跃响应特性来选取。则 A P F直流侧电 压 和参考电压 的关系可以表示为 ： 一Ud c一 ： 一5 +k JC s +k k J C ( 8 ) 式 中 k 、 k i 分别为 I P控制器的 比例参 数和积分参 数 ； C是电容。 由式( 8 ) 可以看出 。 和 的关系是一个二阶 传递函数 ： U d ： 一s +2 s+ ： ( 9 ) 式中 0 9 和 分别为 自然频率和阻尼系数 。 上述传 递 函数 中包含两 个极 点 ， 不存 在零 点

19、。 这表明 I P控制器 比 P I 控 制器具有更快 的响应速度 和更好 的稳定性 。对 比式( 8 ) 和( 9 ) 可知 ： 丁k p k i= 2 ， =2 ( 1 0 ) k =2 C， i： ( 1 1 ) 式中 I P控制器参数 k 。 和 k i 可以根据 自 然频率 0 9 和 阻尼系数 的要求来设计 ， 阻尼系数通常取工程最佳 系数 =0 7 0 7。为限制和平滑在系统启动和切换 时的电源电流 ， 可 以在 I P控制器 中增加 了一个抗饱 和补偿环节 ， 用来解决 由于控制饱 和引起 的不利后 果 。则 I P控制系统的结构如图4所示 。 一8 2 一 图 4 I P控

20、制 系统结 构 F i g 4 S t r u c t u r e o f I P c o n t r o l s y s t e m 3仿真分析 为验证所提出的 A P F直接功率控制算法 的正确 性和可行性 ， 在 MA T L A B中搭建 A P F控制系统仿 真 模型。系统参数 为： 电网电压 U =2 2 0 V， 频率f= 5 0 H z ； 直流侧电容 C d =1 1 0 0 1x F； 负载采用不控整 流电路 R ： 2 0 f I、L =2 mH ； 滤 波 电感 为 L 。= 0 5 mH ； 开关频率 =1 0 k Hz； I P控制器参数为 k = 0 1 2、 k

21、 =5 4； 下垂系数 md c： 0 0 2 。 t ： 0 0 4 s 时 A P F系统投入运行 ， 补偿前后 电网 电流波形 、 F F T分析和谐波 功率情 况如图 5 、 图 6和 图 7所示。 从 图5可以看 出， A P F投人前 ， 电源电流畸变 比 较严重， 根据 M A T L A B计算得出系统的谐波总畸变 率 T H D达 2 6 3 6 ； A P F投入后 ， 电流波形平滑 ， 系统 的谐波总畸变率 T H D降为 2 2 7 。 图5 补偿前后 电网电流波形 Fi g 5 Gr i d c u r r e n t wa v e f o r m b e f o r

22、 e a n d a f t e r c o mp e n s a t i o n ar t z ( a ) 补偿前电流F F I 分析 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 5 l卷第 1 5期 2 0 1 4年8月 1 0日 电测 与仪表 Vo 1 5 1 No 1 5 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i on Au g 1 0 2 0 1 4 Hz 补偿后电流F F T “ 析 图6 补偿前后 电流 F 兀1 分析 F i g 6 Cu r r e n t F F

23、T a n a l y s i s b e f o r e a n d a f t e r t h e c o mp e n s a t i o n 图7 补偿前后谐波功率波形 F i g 7 Ha r mo n i c po we r wa v e f o r m b e f o r e a n d a f t e r c o mpe n s a t i o n 从 图 6可以看出 ， A P F投入前 ， 电流含有较多的 谐波分量； A P F投入后， 谐波含量大幅度下降。 从 图 7可以看出 ， A P F投入前 ， 谐波有功和无功 功率的波动比较大 ； A P F投入后 ， 谐波有功和

24、无功功 率波动得到了较好的控制。 设定 t ：1 S 之前 ， 电网电压值降至 1 9 8 V， 则直流 侧电压被控制器调节到 8 5 0 V； t =1 S 1 5 s 时 A P F电 网电压为 额定 电压 ， 直 流侧 电压 设 置为 9 0 0 V； t = 1 5 s 之后电网电压值升至 2 4 2 V， 则直流侧 电压被调 节到 9 9 0 V。表 1为不同 电压下 A P F系统功率损耗 和补偿能力的定量分析 ， 图 8为采用 自适应平衡控制 时直流侧 电压控制效果。 根据图 8 ( 横坐标 为时间 t 0： 0 0 2 ： 0 2 ， 纵 坐 标为电压 u 0 ： 1 0 0：

25、 1 0 0 0 ) 和表 1可以看 出， 采用基 于下垂控制和 I P控制 的 A P F直流侧 自适应平衡 控 制 ， A P F直流侧电压能够 自适应 电网电压波动 ， 具有 良好的动态性能 ； 并且较好 的平衡 了 A P F系统功率 损耗和补偿能力。 表 1 A P F系统功率损耗和补偿 能力分析 Ta b 1 APF s y s t e m p o we r l o s s a n d c o mp e n s a t i o n c a p a b i l i t y a n a l y s i s i i r f 一 ! ； l I l 图 8直流侧 电压控 制效 果 Fi g

26、 8 Ef f e c t o f DC s i de v o l t a g e c o n t r o l 4结束语 电网电压波动导致 A P F系统不能进行有效 的谐 波补偿 ， 为此本 文提出了一种有源 电力滤波器 直流 侧优化控制策略， 并进行 了仿真验证， 得出 以下 结论 ： ( 1 ) 阐述了 A P F直接功率控制机理 ， 论证了 A P F 直流侧电压大小与 A P F系统功率损耗和补偿 能力之 间存在内在联系 ； ( 2 ) 提出了一种基 于下垂控制和 I P控制的 A P F 直流侧 自适应平衡控制策略 ， 较好 的平衡 了 A P F系 统功率损耗和补偿能力 ， 提高

27、了系统的动静态性能。 参 考 文 献 1 B r u c e S C h e n ，G e z a J o o s D i r e c t P o w e r C o n t r o l o f A c t i v e F ih e m Wi t h A v e r a g e d S w i t c h i n g F r e q u e n c y R e g u l a t i o n J I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 6 ) ： 2 7 2 9

28、2 7 3 7 2 李志勇 ， 沈玲菲， 徐保友， 等 基于无谐波检测的L C L A P F 直 接功率控制 J 电网技术 ， 2 0 1 2， 3 6( 1 2 ) ： 2 1 7 2 2 1 L I Z h iy o n g ，S HE N Lin gf e i ，XU Ba oy o u，e t a 1 An L C L AP F Di r e c t P o w e r Co n t r o l Ap p r o a c h B a s e d o n No n Ha r mo n i c D e t ect i o n T e c h n o l o g y JP o w e r S y s t e m T e c hno l o gy， 2 0 1 2 ， 3 6 ( 1 2 ) ： 2 1 7 2 2 1 ( 下转第 8 9页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m