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

01

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)模型如下式所示。

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Si∈0,1。

根據(jù)圖1，我們可以得到APF內(nèi)電流關(guān)系如下式所示。

直接電源電流的基本原理是對APF系統(tǒng)中電源電流i**S進(jìn)行直接控制。將檢測出的負(fù)載電流中的基波有功分量i**Lp作為指令電流，與實(shí)際電源電流i**S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)目刂颇康模罱K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)模型如下式所示。

02

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

03

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的模型，進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果

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%。

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。

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。

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

04

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。