可选择谐波型有源滤波器的检测及其闭环控制

摘　要: 为了实现对电力系统谐波的实时和精确补偿, 该文提出了一种用于有源电力滤波器任意指定次谐波的检测方法以及基于该检测方法的闭环控制方法。这种有源电力滤波器由选择性谐波检测环节、电压控制和电流控制环节组成。为了补偿数字控制器和逆变器带来的延时, 在检测环节中加入了预测补偿角。电压闭环控制方法借助检测环节实现了对谐波电流发生电路中逆变器直流侧的电压控制。电流闭环控制方法使得实际补偿电流精确地跟踪检测出的谐波指令电流。仿真结果验证了该控制方法的正确性, 在采用上述方法后, 电源电流得到根本的改善。

　　关键词: 有源滤波器; 选择性谐波检测方法; 闭环控制方法; 直流电压控制

　　有源电力滤波器(active pow er filter, APF ) 是目前谐波补偿的一种重要的电力电子装置。大多数传统APF 的谐波电流检测方法基于时域瞬时无功功率理论。该检测方法的核心是将检测出的基波电流与负载电流相减, 得到全部谐波电流并对其进行补偿。这种基于传统检测方法的A PF 应用已经比较广泛。但是由于系统本身固有的延时, 例如检测环节中的计算延时和电压型逆变器(voltagesource inverter, VSI) 的延时等, 使得APF 对于高次谐波的补偿出现误差, 甚至于放大某些高次谐波。因为数字控制器及V S I 的延时滞后的存在, 所以很难采用闭环的电流控制方法。另外, 采用传统的谐波电流检测方法时, 如果负载中包含容性负载, 由于容性负载和感性负载的谐振, 使得系统在补偿谐振频率附近的谐波时出现不稳定的情况。此外, 当谐波的主要成分是5 次、7 次、11 次等低次谐波时, 系统对于它们的补偿的利用率很低。

　　本文提出了一种带预测补偿的选择性谐波检测方法以及基于该方法的电压和电流闭环控制方法。这种检测方法是从负载电流中直接检测出指定次谐波(包括正序谐波和负序谐波) , 并通过增加预测补偿角彻底解决系统的延时, 达到精确的实时检测和补偿。闭环的电流控制完成了补偿电流对检测信号的跟踪, 电压控制完成了对于V S I 直流侧电压的稳定控制。

　带预测补偿的SHC-APF

　　如图1 所示, 带预测补偿的SHC-APF 采用了带预测补偿的选择性谐波检测方法以及基于该检测方法的电流和电压的闭环控制。其中, 带预测补偿的选择性谐波检测环节直接检测出任意指定次谐波;电流的闭环控制使得输出的补偿电流可以精确地跟随给定的补偿电流信号; 电压闭环控制使SHC-A PF 中V S I 的直流侧电容电压控制在指定的电压值, 从而保持V S I 的交流侧与电源之间的电压差。

　带预测补偿的选择性谐波检测方法

　　上述SHC-APF 中的带预测补偿的选择性谐波检测方法所基于的理论基础与传统方法一致, 即电力系统中基波和各次谐波的频率基本不变。

　　如图2 所示, 根据这一假定和Fourier 级数, 可以用锁相环(PLL ) 来获得所需要检测的指定次谐波的频率值。将电压ea n 倍频后通过锁相环和正、余弦发生电路得到与ea 同相位的正弦信号sin (nωt) 和对应的余弦信号cos (nωt) , 从而得到变换阵

　　三相电流i_a、i_b、i_c 经过C₃₂变换矩阵完成静止坐标系下三相到两相的变换。将两相电流i_α、i_β 经过变换阵C_n 得出在旋转坐标系下的n 次谐波的有功和无功电流分量i_pn、i_qn , 其中,

　　旋转变换后的电流分量经过低通滤波器(L PF)滤波, 可得到用直流分量{ idn , iqn}表示的该次谐波的幅值。

　　但是, 直接对该分量进行旋转反变换用来补偿时, 由于当系统总延迟时间为ΔT 时, 设基波角频率为ω, 在这ΔT 内已经旋转过的角度为

　　即变换矩阵中该次谐波电角度为nθ时刻补偿的是电角度为θn - Δθn 时刻的谐波电流值, 从而造成系统的错误补偿。严重时, 某个谐波的补偿甚至会形成正反馈。例如对11 次谐波而言, 在工频50Hz, 延迟时间1 m s 时, 11 次谐波在1 m s 内旋转了3. 454 rad, 接近180°。