1、并聯型有源電力濾波器直流側電壓的相關問題探討丁凱陳允平王曉峰孫建軍(武漢大學電氣工程學院430072摘要討論了并聯型有源電力濾波器直流側電壓的計算和直流側電容容量的選擇問題,提出了APF 投入電網的方法并將模糊理論運用于直流側的電壓控制,并在實際裝置上進行了驗證。關鍵詞有源濾波器直流電壓模糊控制1引言在現代工業企業和家用電器中,非線性電力負荷在大量增加,對供電質量造成嚴重的污染。另一方面,現代工業、商業及居民用戶對供電質量提出了更高的要求。有源電力濾波器(APF 具有高度可控和快速響應的特性,它不僅能補償各次諧波,還可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點。其濾波特性不受系統阻抗的影響,同時還具

2、有自適應功能,可自動跟蹤補償變化的諧波。近年來,有源電力濾波器作為提高電力系統穩定性、改善供電質量的一項關鍵技術得到廣泛的重視并取得了很大發展。本文根據對實際裝置的研制經驗,詳細討論了直流側電壓的相關問題。2裝置的基本情況所研制的并聯型APF 適用于380V 配電網。采用的主電路為6脈沖IG B T 電壓型逆變器,容量為50kVA ,調制頻率312kHz ,以便消除安裝處線電流中21次及以下諧波。一般APF 交流側是通過耦合變壓器與系統相連,但是由于APF 向系統發出的補償電流中包含各次諧波,因而對耦合變壓器 的要求非常高。為了避免耦合變壓器的性能對補償效果的影響,采用APF 通過聯接阻抗直接

3、與系統相連的方式,如圖1所示。圖中,C a 、C b 、C c 和L a 、L b 、L c 組成高次濾波單元。3直流電壓的選擇采用PWM 控制逆變器,PWM 脈寬利用等面積法計算而得。根據PWM 原理,其調制比(即正弦波電壓幅值與直流電壓之比不能大于75%,圖1有源濾波器與系統的聯接電路同時考慮到逆變器相當于三個單相半橋逆變器并聯,其輸出電壓幅值只有全橋逆變器的一半,并考慮112倍的裕量,則直流電容電壓應為U dc =220×2×2×1120175=996V(1實際中取直流側電壓為1000V 。4直流電容的容量計算直流側電容C 用于為電壓型逆變器提供一穩定的直流

4、電壓。負序電流和高次諧波電流在直流電容側造成的能量脈動,以及由于開關的作用和有源電力濾波器的交流電感儲能造成的能量脈動,都需要直流電容來緩沖。補償負序電流時,直流電容儲存的電能波動最為明顯,因此主要考慮由于負序電流造成的能量脈動。直接給出直流側電容的計算公式如下C =3E m I -m2U 2dc(2式中E m APF 輸出的相電壓幅值I -m 負序電流分量幅值直流電壓的脈動量72電力電子技術電工技術雜志2002年第10期基波角頻率U dc 直流電容輸出電壓考慮負序電流為輸出電流(76A 的60%,直流電壓允許脈動1%,且直流側電壓U dc =1000V ,則直流電容值為C =3×2

5、×220×016×2×762×0101×314×10002=9585F (3實際裝置中直流電容取C =10000F 。5直流電壓的控制511直流電壓的獲得獲得直流電壓的傳統方法是:為直流電容提供一個單獨的直流電源,一般是通過調壓器和整流電路來實現。這種方法雖然能夠達到目的,但需要另外設計一套電路,增加了整個系統的復雜程度以及成本和損耗。為此,可利用裝置自身完成升壓過程。該過程分為兩個階段。采用的電力電子開關器件為德國西門子公司制造的兩單元IG B T 模塊,該模塊內的每支IG B T 反向并聯了二極管。在第一階段,關斷所有的

6、IG B T 器件,利用反向并聯的二極管對直流電容進行充電,這時相當于三相全橋整流。一般而言,經過第一階段的充電,直流側電壓可達520V 左右。待直流電壓穩定后,進行第二階段的充電,即斬波升壓。任選一支IG B T ,在適當時刻進行開關操作。如圖1所示,以系統線電壓U AB 作為同步參考信號,當U AB 為負時,開通V T 1,這時有電流流經V T 1和VD 3。經過一段時間后,L a 和L b 中積聚了一定的能量,關斷V T 1,該回路電流突變,于是電感L a 和L b 中的磁場能轉化為電場能而產生過電壓。該過電壓與系統電壓一起通過二極管對直流電容充電,這時還是相當于三相全橋整流,只不過三相

7、電壓幅值更高而已。重復上述操作,直至直流電壓滿足要求。采用這種方法可以做到直流側電壓升壓無超調。直流側電壓達到要求之后,打開所有PWM 脈沖,APF 即并入電網。512直流電壓的穩定控制APF 要有效地對系統諧波電流進行補償,按照PWM 控制規律,逆變器的直流側電容電壓就必須保持恒定,從而提供一個電壓基準。若直流側電壓波動較大,就會出現過補償或者欠補償。欠補償時會影響補償的精度,過補償時會增加APF 的干擾性諧波電流。因此直流電壓的穩定性是很重要的。有源電力濾波器本身并不能產生能量來維持電容電壓,所以必須采取一定的措施來穩定直流電壓。在實際運行中,影響直流電容電壓的主要因素有:電力電子開關器件

8、工作中的損耗。當系統電壓中含有諧波分量,不同次諧波電壓和諧波電流相互作用將和電容產生能量交換,從而影響直流電壓。負序電流和系統電壓在直流側產生能量脈動,使得直流電壓波動。通過對主電路進行適當的控制可實現直流電壓的恒定。由于有源電力濾波器必須從系統中吸收有功能量來維持電容電壓的恒定,所以APF 發出的補償電流中就必須包括一個有功電流成分。采用簡單的PI 調節,即可檢測到直流電壓與給定電壓的偏差,根據這個偏差經PI 控制運算得到補償直流電壓的有功分量為p =K (U dc +1TTU dc d t (4式中U dc 直流電壓有效值的偏差K 比例系數T 積分時間常數只要直流電壓偏差不為零,那么將產生

9、一有功電流來維持直流電壓。維持直流電壓所對應的有功電流為i cav =p 3U 2u a i cbv =p 3U 2u b i ccv =p 3U 2u c(5式中U 相電壓有效值u a ,u b ,u c 三相電壓瞬時值實際中采用模糊控制器來對PI 調節器的參數進行控制。模糊控制器有更快的響應和更小的超調,對過程參數的變化不敏感,即具有很強的魯棒性,能夠克服非線性因素的影響。把模糊控制器和PI 調節器相結合的方法稱為Fuzzy 2PI 調節器。設直流電壓穩定時e (t =0,要求的輸入為U 0,在模糊控制器中U 與e 可以看作一種非線性變換U =f e (t (6則PI 調節器的輸入輸出為8

10、2電工技術雜志2002年第10期并聯型有源電力濾波器直流側電壓的相關問題探討p =K P f e (t +K ITf e (t d t (7f e (t =U 是經過模糊控制器處理后的輸出值。上式實際是把常規的PI 調節器模糊化。式(7可變換為p =K P U +K ITU d t (8參數自調整Fuzzy 2PI 調節器系統框圖如圖2所示。應用Fuzzy 修改表對參數K 1、K 2及K P 、K I 進行自調整的原則是:當誤差e 或誤差變化率e 較大時,可通過縮小K 1、K 2放大K P 、K I 進行“粗調”控制,降低對e 或e 的分辨率,而采用較大的控制改變量。當e 和e 較小時,也就是

11、系統已接近穩態,可通過放大K 1、K 2縮小K P 、K I 實行“細調”控制,提高對e 或e 的分辨率,而采用較 小的控制改變量。圖2參數自調整Fuzzy 2PI 調節器系統框圖圖3直流側電壓響應曲線圖3所示為采用Fuzzy 2PI 控制器時的直流側電壓波形圖。圖中的直流電壓波動部分是由于APF 投入電網時所造成的沖擊引起的。從試驗波形可以看出,采用Fuzzy 2PI 控制器控制直流電容電壓,其靜態誤差小,響應速度快,能快速對直流側電壓進行補償,效果十分顯著。由于直流電壓穩定,直流電壓波動所導致的APF 干擾性諧波電流大大減小,APF 補償諧波時的精度得到提高。6結論本文根據實際裝置的研制經

12、驗,系統地講述了并聯型APF 直流側電壓的計算和電容的選取,提出一種簡單有效的直流電壓升壓方法,解決了并聯型APF 的并網問題,并將模糊控制技術應用于直流側的電壓控制中。實踐證明,該控制器超調小、響應快,控制效果很好。參考文獻1王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償.北京:機械工業出版社,19982梁旭,劉文華,陳建業.采用GTO 的±300kvar 新型靜止無功發生器.清華大學學報(自然科學版,1997,37(73查曉明,陳衛勇.三相交流系統綜合補償的補償分量檢測研究.電網技術,1999,23(7Investigation on R elevant Problems forD

13、C Side Voltage of ParallelActive Pow er FilterDi ng Kai(Wuhan University Abstract This paper discusses the calculation of DC voltage and selection of capacitor according to research on parallel active power filter.A new method for APF launching into power sys 2tem is presented and a fuzzy theory for

14、 voltage stability control is given out .In the end ,the test in practice is shown.K eyw ords active power filter DC voltage fuzzy control收稿日期:20020425(上接第26頁6Fujita H.A hybrid active filter for damping of harmonicresonance in industrial power systems.IEEE 2TPE ,2000,15(2:215222Study on Digital Cont

15、rol System ofShunt Active Pow er FilterGu Jianj un(Harbin Institute of Technology AbstractThis paper proposes a novel method measuringcompensating reference current after it analyzes briefly the basic structure and operation principle of a shunt active power filter.Then one kind of digital control system based on DSP is set u p and experim