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摘 要:介绍了有源电力滤波器的基本工作原理,从双环软启动的控制策略出发,分析了有源电力滤波器的控制过程和实现方法,建立了对应的Matlab仿真模型,并进行了具体的波形分析,达到了预期的结果,验证了有源电力滤波器在电网谐波抑制中的效果.
关 键 词:有源电力滤波器谐波控制仿真
中图分类号:TM6文献标识码:A文章编号:1672-3791(2012)09(c)-0142-03
L.Gyugyi等人在1976年提出了采用有源电力滤波器,气质要是有PWM控制变流器所构成的,同时APF有源电力滤波器(ActivePowerFilter)的概念被确立下来,就是运用可以控制的功率的半导体器件来向电网中注入的谐波电流与原来的谐波电流的幅值要相位相反和相等的电流,同时还要是其电源的总谐波电流呈现出零值的状态,这样才能达到实时进行补偿谐波电流的目的[1].APF有源电力滤波器是一种最为新兴的电力电子的装置,主要是运用于补偿无功功率和动态抑制谐波两方面的装置,同时APF有源电力滤波器还可以对无功功率和在频率以及大小上都有着变化的谐波成分来进行补偿的,并且还克服了传统的无源滤波器只能做固定补偿的不足之处[2].
1原理及其控制策略
1.1APF基本原理
如图1所示为有源电力滤波器原理图,主要由检测及控制电路和主电路两大部分组成.其中检测及控制电路包含指令电流运算电路、驱动电路以及电流跟踪控制电路.主电路一般采用的是PWM变流器.其基本工作原理为通过指令电流在运算电路中检测出了补偿对象电流中的无功和谐波等方面的电流分量,同时还要再次的通过驱动电路和电流跟踪控制电路这两项来得出补偿电流的指令信号,使主电路的PWM变流器产生出了实际的补偿电流.而在负载电流和补偿电流这两项中的谐波分量的大小是相等的,其方向是相反的,因此两者之间是存在相互抵消,电源电流中只会存在含有基波,不可能含有谐波的特点[3].
1.2双环软启动控制系统描述
现有的实现以上功能的有源电力滤波器控制策略很多,包括滞环电流比较控制[4]、空间矢量控制[5]、无差拍控制、预测控制、滑模控制[6]、模糊控制等.本文采用双环软启动的控制策略,侧重考虑APF控制的可行性和稳定性,如图2所示.
图2中阴影部分为系统的电源以及主要的硬件部分,其余部分为比较环节以及主要的软件实现的环节,包括虚线中的两个软启动的环节,图2中为仅考虑抑制谐波的情况.K1和K2是负载侧和补偿侧的两侧电流互感器的实际应用场合的变化而定的变比系数.K3和K5是为了得到更佳补偿效果和系统稳定的放大系数,K4和K6是两侧变比不同时调节平衡匹配的变比调节系数.
主要是因为APF有源电力滤波器的交流侧的电感呈现出很小的装太,同时直流侧仅仅只有电容,如果不通过软启动过程来直接进行将比较大的电流指令传送给指令跟踪的控制电路,这样就会产生出非常大的冲击电流,从而导致直流侧的电压出现很大的波动,并且还对系统中的功率器件的安全上造成了一定的威胁.在系统中通过抑制启动的过程中直流侧电压过冲和电流的冲击等方面的不良因素这就是软启动的主要目的,同时还保证了APF有源电力滤波器难能够正常安全平稳的启动,并且还可以顺利的进入工作当中.这样就实现了软启动在系统中不但要控制电流环抑制启动中的输出电流冲击,而且还要进行控制直流侧电压的缓升.APF有源电力滤波器的软启动就是电流环和电压环两项同时进行软启动的过程,也就是进行电流内环电压外环的双重的软启动.
1.3电流环分析
1.4双环作用下系统稳定分析
2仿真分析
仿真结果波形如图4所示,从上至下依次为系统三相电压、系统A相电流、A相负载电流、A相补偿电流、通过直流电容的电流、电容两端电压.从这几个仿真波形可以明显的看出,当电容预充电过程完成后,APF投入运行,对系统电流及直流电容电压引起一定的冲击,但很快就可以稳定下来.在0.3s时切去负载,再次引起冲击,此时APF开始停止补偿,并不会向电网注入补偿电流,实际的补偿电流的停止有一个过程,图4中为方便观察只停了0.1s,实际上经过稍长的时间后APF可以完全停止补偿,但APF并未停止运行,一直对负载的电流进行检测跟踪.在0.4s时,重新投入负载,系统同样可以较快进入稳定运行.
图5为系统稳定运行后的波形,分别为系统三相电压、系统A相电流、A相负载电流、A相补偿电流.可以清晰的看到,负载为产生矩形波的谐波源,通过APF补偿后的三相电压和A相电流波形都接近正弦波,其中A相电流谐波总畸变率为3.51%,各次谐波电流含有率在限定的范围内,基本满足补偿要求,达到了预期对谐波抑制的目的.
3结语
与传统的谐波治理技术相比,有源电力滤波器对电能质量的提高有更为明显的优势.随着快速、大功率电力电子开关器件和PWM理论的发展,基于瞬时无功理论的瞬时空间矢量法的提出,以及微机控制和数字信号处理技术的不断进步,有源电力滤波器将有更为广阔的前景.