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并聯型有源電力濾波器新型諧波檢

李廣兵1,蒲玉興2

(1.長沙航空職業技術學院,長沙  410124 2.湖南大學,長沙  410124)


  要:由于分布式電網中的非線性、不平衡負載和無功負載的增加,造成了諧波電流、負載不平 衡電流、中性線電流和低功率因數等影響電能質量的問題,通常使用并聯型有源電力濾波器來實現諧波消除、無功補償、負載不平衡電流和中性線電流消除。在有源電力濾波器的諧波檢測方面,分析了傳統基于瞬時無功功率理論方法的不足,提出了新的諧波檢測方法,采用滑動平均濾波器 (moving average filter, MAF)代替低通濾波器(low pass filter, LPF)進行直流分量的提取,克服了低通濾波器導致的傳統檢測方法實時性和動態性不強的缺陷,同時簡化了模型結構:搭建了仿真與實驗平臺,仿真與實驗結果表明新的諧波檢測方法具有良好的檢測效果和優越性:

關鍵詞:并聯型有源電力濾波器;非線性負載;屯能質量;滑動平均濾波器(MAF)


引言

在分布式電網中,非線性負載,如變壓器、飽和線圈、復雜電力電子設備等容易造成電網效率低、 功率因數低等問題,影響到其他用電設備正常運 行,因此,分布式電網的諧波抑制和功率因數矯正 成為一個研究熱點。并聯型無源濾波器,如調諧LC濾波器和高通濾波器等,可以用來抑制電網的諧 波,進行功率因數矯正,但是,無源濾波器補償效果有限,濾波器體積大,容易產生諧振現象3近年來的研究表明,有源濾波器可以代替無源濾波器,有 效補償非線性負載帶來的諧波和無功功率。

根據應用需求來分,有源電力濾波器可以分 為:串聯型、并聯型、串并聯相結合3種類型,也可 以和無源濾波器結合形成混合型濾波器。其中,并 聯型有源電力濾波器類似于配電網無功補償器 (STATC0M),當作電流源使用,向電網中注人與負 載諧波電流幅值相同、相位相差180°的補償電流,從而達到消除電網諧波電流的目的。

有源電力濾波器的工作原理是:利用濾波算法檢測負載電流或者電網電流,獲得需要補償的電流參考值,然后采用一定的電流控制策略生成控制信號控制變換器進行諧波補償。在諧波檢測方面,文中分析了基于瞬時無功功率原理的檢測法,該檢測法簡單易實現,但是,低通濾波器的存在,導致諧波補償的實時性、動態性不強,諧波檢測與補償精度不夠,電網電流的總諧波畸變率(THD)較大。基于此,本文提出了一種新的諧波實時檢測方法,該方法采用滑動平均濾波器代替了低通濾波器進行直流分量的提取,克服了ip-iq檢測法因低通濾波器導致的實時動態性不強的缺陷,同時簡化了模型結構,具有良好的檢測效果及優越性。


并聯型APF基本原理

本文研究的有源電力濾波器采用電壓型逆變器,其拓撲結構如圖1所示。

 

 并聯型有源電力濾波器拓撲結構


當電網帶非線性負載時,負載電流會出現畸變,其包含基波和諧波成分,諧波頻率是基波頻率的整數倍,負載電流為

 


電網電壓可以表示為

 

那么,負載的瞬時功率可以寫為

 

將式(1)—(2)帶人式(3)可得

 


式(4)中:Pat)為基波有功功率; Prt)為無功功率,Ph(t)為諧波功率。

      在有源電力濾波器對電網諧波進行完全補償后,電網電流就只含有基波分量,那么基波有功功率Pat)又可以表所為

 

(5)中,is1(t)表示電網電流基波分量,可得

 

(6)中,Im=I1cosφ

所以,需要補償的諧波電流可以寫為

從式(7)可知,要補償諧波功率關鍵就是要求需要補償的諧波電流isn*(t)。


傳統諧波檢測方法

近年來,瞬時無功理論廣泛應用在有源電力濾波器中來檢測諧波,生成需要補償的諧波電流參考值。ip-iq諧波檢測算法如圖2所示,三相靜止坐標系下電網電流isaisbisc經過變換得到兩相旋轉坐標系下瞬時有功分量isp、無功分量isq,經過低通濾波 器得到ispisq的直流分量ispisqispisq經過變換后得到三相靜止坐標系下的電網電流的基波分量islaislbislc,然后與電網電流相減isaisbisc,就得到了需要補償的諧波電流isna*isnb*isnc*

 

 2  ip-iq諧波檢測算法

2的諧波檢測方法中用到了低通濾波器,低通濾波器決定了該諧波檢測方法的動態性能和檢測精度,二者不可能兼而有之,獲得一方面的優異性能,就必須以犧牲另一方面為代價;而且,低通濾波器也不可能達到理論的精度,檢測精度和動態性能都會受到影響,從而影響了諧波補償的效果。


新型諧波檢測方法

基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法不能兼顧動態性能和檢測精度,實際上,帶非線性負載時,電網電流中包含了基波和諧波成分,經過旋轉速度為ωt的Park變換后,只有與坐標旋轉速度和方向相同的基波變成了直流量,其他成分均為交流量,而交流分量在一個周期內的平均值為零,因此,可以采取滑動平均濾波器來檢測兩相同步旋轉坐標中直流分量,也就是檢測出了電網電流的基波分量。以滑動平均濾波器替代圖2傳統低通濾波器算法來求直流分量ispisq,提高了諧波補償的實時性,新型諧波檢測方法如圖3所示。


 

 改進的ip-iq諧波檢測算法

滑動平均濾波器離散表達式為

 

有源電力濾波器采樣頻率設定為5 kHz,那么每個基波周期要采樣N=100個數據。滑動平均濾波器在離散域的具體實現如圖4所示,定義長度為100的數組,每個周期第一個數據將上個周期第一個數據覆蓋,每采樣一個最“新”數據,則覆蓋一個最“舊”數據,形成一個滑動的遞推流程,為了避免重復性的計算,實際上,從第二個周期開始,每采樣一個數據,只需每個最“新”數據減最“舊”數據除以數組個數,再加上一次計算的平均值,即為最新的平均值。

 

滑動平均濾波器采樣原理圖


令輸入x(n)=ejwn,則由x(n)=ejwn引起的輸出

 

定義H(ejw)為系統的頻率響應,則有

 

式中:ω = 2πfTs = 2πf/fsfs = 1/Tsfs為采樣頻率; Ts為采樣周期。

 

DN(ejw)為滑動平均濾波器振幅函數,以衰減3dB作為臨界條件,下面計算截止頻率。

 

其中fs = 5kHz,N=100,解得截至頻率為f = 22.59Hz.

設計截至頻率為22.59 Hz的二階IIR Butterworth低通濾波器與滑動平均濾波器對比,令采樣頻率為5 kHz,得離散域傳遞函數

 

(11)-(12)表示的滑動平均濾波器和低通濾波器的幅頻特性對比如圖5所示。


 

 滑動平均濾波器和低通濾波器幅頻響應


從圖5可以看出滑動平均濾波本質上為一個低通濾波器,在低頻域,與低通濾波器的幅頻特性相同,隨著頻率的增加,滑動平均濾波器的增益以工頻為周期波動,且在工頻的整數倍處增益為0。而負載電流中的諧波恰好又是工頻的整數倍,從而滑動平均濾波器能夠很好地濾除諧波,獲得精確的基波分量,提高了諧波補償的實時性。


實驗研究

有源電力濾波器的控制方案如圖6所示,新的諧波檢測方法得到諧波補償指令isna*isnb*isnc*。,由于控制策略是基于dq坐標系的PI控制設計,所以還需要把isna*isnb*isnc*進行Park變換,變換到dq軸分別為isnd*isnq*,然后與有源電力濾波器實際輸出電流ihd*ihq*相比較,經過PI控制器,得到調制信號與三角波比較,產生PWM驅動信號。

本實驗在一臺功率為5 kW有源電力濾波器上進行的,采樣頻率5 kHz,實驗平臺如圖7所示,具體參數見表1

8為采用傳統諧波檢測方法的實驗波形,自上而下分別為電網電流波形和有源電力濾波器輸 出波形,可以看出,傳統方法補償后,電流波形毛刺較多。

 

 有源電力濾波器控制框圖


 

 有源電力濾波器試驗平臺


實驗參數


采用傳統方法的實驗波形


9為采用新型諧波檢測方法的實驗波形,自上而下分別為電網電流波形、負載電流波形和有源電力濾波器輸出波形,可以看出,新型方法補償后,電流波形比較光滑,諧波補償效果較好。

a相負載電流、a相電網電流進行傅里葉分析的結果見表2,其中負載電流的THD27.25%,傳統諧波檢測方法的有源電力濾波器進行補償后電網電流的THD6.24%,而采用新型檢測方法進 行補償后電網電流THD2.92%,可見新型諧波檢測方法具有較好的實時補償效果。


 

 采用新型方法的實驗波形


負載電流、電網電流傅里葉分析


結束語

針對瞬時無功理論進行有源電力濾波器諧波檢測動態響應慢和精度差的問題,提出了基于滑動平均濾波器的改進諧波檢測方法,滑動平均濾波幾乎能夠完全濾除電網電流整數倍的諧波分量,得到精確的電網電流基波分量,從而獲得更加精確的諧波補償指令,實現了更好的補償效果,補償后電網電流諧波含量低,而傳統的低通濾波器受其特性影響。

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