摘 要：針對(duì)電網(wǎng)中含有大量諧波問題，提出了單周控制的單相并聯(lián)有源電力濾波器(APF)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償，應(yīng)用PSCAD/EMTDC 仿真軟件對(duì)單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)進(jìn)行建模, 并對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真。在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙極性單周控制單相并聯(lián)型APFF 系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單周控制的單相并聯(lián)APF 能很好的補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波，并且具有控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和動(dòng)態(tài)效果好的特點(diǎn)，具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)沃芸刂疲C波補(bǔ)償，有源電力濾波器，PSCAD/EMTDC
1.引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子設(shè)備等非線性負(fù)載的應(yīng)用越來越廣泛[1]。這些非線性負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。因此，開展電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究及相關(guān)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和戰(zhàn)略意義，成為近年來電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]。從上個(gè)世紀(jì)80 年代至今，基于不同控制方法的有源電力濾波器(APF)不斷被提出，并且一些已進(jìn)入了成熟實(shí)用階段[3]。
單周控制作為一種新型的非線性控制方法，其基本思想是不論穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，都能保持受控量(一般為開關(guān)變量)的平均值等于或正比于給定參考值[4]。該控制方法適用于非線性系統(tǒng)場(chǎng)合。相比于傳統(tǒng)控制方法，單周控制理論應(yīng)用于APF，只需要檢測(cè)電源電流和直流側(cè)電容電壓，計(jì)算量小，控制電路簡(jiǎn)單，大大簡(jiǎn)化了APF 的系統(tǒng)[5]。
本文在研究了單周控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)，應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真。在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)雙極調(diào)制工作模式下的單周控制APF 系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性。
2.單周控制單相并聯(lián)型APF 設(shè)計(jì)及仿真
2.1 雙極調(diào)制電路設(shè)計(jì)
2.1.1 控制原理
圖1 為單周控制的單相并聯(lián)型APF 總體框圖。由圖1 可見，APF 的主電路是由一個(gè)H 橋和儲(chǔ)能電容C以及交流側(cè)的濾波電感L 組成的。其中，開關(guān)管分為兩組，S1 和S3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，S2 和S4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，兩組開關(guān)管在調(diào)制頻率fs 下由占空比d 控制輪流導(dǎo)通。
假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和非線性負(fù)載電流的頻率，即在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載電流與補(bǔ)償電流近似不變，則在每個(gè)開關(guān)周期中，濾波電感L 的電流變化為零，所以根據(jù)每個(gè)開關(guān)周期中電感的伏秒平衡原則有：
2.2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)
本文中并聯(lián)型APF 所采用的主電路為單相電壓型PWM 變流電路。對(duì)于單周控制的APF 而言，主要參數(shù)是由控制系統(tǒng)穩(wěn)定性條件來決定的。因此在設(shè)計(jì)參數(shù)前要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
由于開關(guān)調(diào)制頻率fs 遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和負(fù)載電流頻率以及補(bǔ)償電流的變化頻率，因此可以假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)負(fù)載電流不變，所以電網(wǎng)電流is 上升和下降的斜率與交流側(cè)電感電流的上升與下降斜率近似相等。圖4 為比較器輸入端兩個(gè)信號(hào)的波形圖。
根據(jù)對(duì)整個(gè)控制過程的分析可知，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，則需要比較器輸出值在每個(gè)周期內(nèi)都有翻轉(zhuǎn)即在每個(gè)周期內(nèi)都能切換開關(guān)。由此分析得到，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)占空比組成的數(shù)列{dn}收斂。根據(jù)式(9)和等比數(shù)列收斂公式可得：
2.3 單周控制并聯(lián)型APF 的仿真
通過對(duì)雙極調(diào)制工作模式下的單周控制單相APF控制電路的設(shè)計(jì)和主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)， 在PSCAD/EMTDC 中搭建了如圖5 所示的仿真模型，其中is、if、ic 分別代表電網(wǎng)電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。系統(tǒng)仿真參數(shù)為：交流側(cè)電壓有效值為220V;頻率為50Hz;直流側(cè)儲(chǔ)能電容為1000μF;交流側(cè)濾波電感為2mH;開關(guān)調(diào)制頻率為fs=10kHz;負(fù)載為單相不可控整流橋接阻感支路或阻容支路。得到的仿真波形如圖6 和圖7 所示。
從仿真波形可以看出采用雙極調(diào)制的單周控制APF 能對(duì)感性和容性負(fù)載所引起的諧波及無功電流進(jìn)行有效地補(bǔ)償，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流除含有一定個(gè)毛刺和紋波外，是一個(gè)與電網(wǎng)電壓同相位正弦波，并且APF從諧波產(chǎn)生的第一個(gè)周期開始就對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行了補(bǔ)償，補(bǔ)償效果較為理想。為了進(jìn)一步分析補(bǔ)償效果，對(duì)電流的頻譜進(jìn)行了分析，如圖8 所示。可以看出諧波經(jīng)過APF 補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流中，諧波含量明顯降低了。
3.實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提出的單周控制APF 的正確性和可行性，在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，根據(jù)單周控制控制電路與主電路的結(jié)構(gòu)框圖搭建了相應(yīng)部分的實(shí)驗(yàn)電路，構(gòu)建了雙極調(diào)制工作模式下單周控制的單相并聯(lián)型APF 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，輸入電壓有效值為200V，輸入電壓頻率為50Hz，直流側(cè)電壓為400V，開關(guān)頻率為10kHz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形如圖10 所示，其中圖10 a)為補(bǔ)償前負(fù)載電流波形，圖10 b)為投入APF 后的電網(wǎng)電流波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用單周控制的并聯(lián)型APF對(duì)非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波和無功電流有較好的補(bǔ)償效果，驗(yàn)證了理論的正確性和可行性。
4.結(jié)論
本文從抑制諧波和無功對(duì)交流電網(wǎng)的污染角度出發(fā)，通過對(duì)當(dāng)前APF 的各種控制方式的比較，選擇單周控制作為系統(tǒng)的控制策略，推導(dǎo)并建立了雙極性工作模式下的單周控制的單相APF 的控制電路，完成了系統(tǒng)的理論分析，應(yīng)用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建了雙極性工作模式下的系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)的補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真，在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙極性單周控制單相并聯(lián)型APF，搭建了相應(yīng)的硬件電路，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該控制策略的正確性與可行性。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介：
李文娟，女，1968 年生，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及其應(yīng)用。
