三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器直流侧电压控制.pdf

总第 4 8卷第 5 4 5期 2 0 1 1 年第 O 5期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e nt & I n s t r u m e nt a t i o n V01 ．4 8 No ．5 4 5 May ． 2 0I l 三相 四线制 电容 中点式并联有源 电力滤波器 直 流侧 电压 控 制 唐 忠 ， 江颖达 ， 姚永 生。 ， 郭威 ( 1 ． 上海电力学院 计算机与信息工程学院， 上海 2 0 0 0 9 0 ； 2 ． 江苏宜兴供电公司，江苏 宜兴 2 1 4 2 0 0 ； 3 ． 浙江湖州意杰电力科技有限公司，浙江 湖州 3 1 3 2 1 1 ) 摘要： 通过瞬时功率平衡原理得到了有功损耗电流与直流电压波动的关系， 通过基尔霍夫 电流定律得到了直流 侧上下电容电压差与不平衡电流的关系。根据 电压控制性能指标所设计的串联 P I 环节校正装置参数 ， 最后在 P S C A D ／ E MT D C中仿真证 明了所提出直流侧电压控制方法的可行性。 关键词： 有源电力滤波器 ； 直流侧电压控制 ； 功率 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 —1 3 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5— 0 0 4 1 — 0 4 Di r e c t— — s i d e Vo l t a g e Co nt r o l o f M i d — — po i nt Ca p a c i t o r Th r e e— — p h a s e Fo ur— — wi r e S hu nt Ac t i v e Po we r Fi l t e r T ANG Z h o n g ，J I ANG Yi n g—d a ， YAO Yo n g—s h e n g ， G UO We i ’ ( 1 ． S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0， C h i n a ． 2 ． Yi x i n P o we r S u p p l y C o ． ， J i a n g s h u P o w e r G r i d C o ． ，Yi x i n g 2 1 4 2 0 0，J i a n g s h u，C h i n a ． 3 ． Z h e j i a n g H u z h o u Y i j i e E l e c t r i c T e c h n o l o g y L t d ．C o ． ， H u z h o u 3 l 3 2 1 1 ， Z h e j i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t： Th e p a s s a g e h a s o b t a i ne d t he r e l a t i o n b e t we e n p o we r l o s s c u r r e n t a n d d i r e c t—s i d e v o l t a g e t h r o u g h i n s t a n t p o we r b a l a nc e p r i n c i p l e，a n d a l s o o b t a i n e d t h e r e l a t i o n b e t we e n d i r e c t—s i d e u p a n d d o wn c a p a c i t o r v o l t a g e e r r o r a n d u n ba l a n c e d c u r r e n t t h r o ug h k i r c h h o ff S l a w．Ac c o r d i n g t o t he d e s i g n e d s e r i e s PI c o mp o n e n t pa r a me t e r o f v o l t a g e c o n — t r o l p e rfo r ma n c e t a r g e t ，t h e p a s s a g e h a s pr o v e d t h e f e a s i b i l i t y o f p r o po s e d d i r e c t— s i d e v o l t a g e c o n t r o l me t h o d i n PS CAD／EMTDC． Ke y wo r ds ： a c t i v e p o we r fi l t e r ， d i r e c t—s i d e v o l t a g e c o n t r o l ，p o we r 0 引言 三相有源电力滤波器作为一种理想 的谐波补偿 装置， 主要研究方向包括 ： 拓扑结构 、 谐波电流检测算 法、 谐波电流补偿算法及数字化实现。其 中对于拓扑 结构与检测算法 的研究 已经 比较成熟 ， 其关键技术将 主要集中于谐波 电流补偿控 制算 法和数字化实现。 而谐波 电流控制算法 的实现要求直流侧电容 电压必 须保持稳定 。直流侧电容 电压偏低会使得补偿 的精 度降低 ， 而直流侧 电容电压偏高将使得有源电力滤波 器的干扰性谐波电流增加。因此 ， 直流侧 电容 电压的 控制 ， 对于保证有源电力滤波器 的谐波电流补偿效果 具有重要意义。 影 响直流侧 电容 电压稳定 性 的因素 有 ： 三相逆 变 桥元器件 I G B T产生的开关损耗 ， 非线性负载的突加 和突卸 、 三相 四线制产生的负序 电流。这些 因素都会 使得电网与直流侧电容交换有功功率 ， 从而导致 电容 电压的波动。另一方面 ， 三相四线制电容中点式并联 有源电力滤波器在补偿谐波电流时要求 两个电容的 电压都保持稳定 ， 并且要 高于 电网电压峰值。因此 ， 对于直流侧电容电压的控制提出了更高的要求。 本文通过在 P S C A D ／ E M T D C中搭建三相四线制 电容 中点式并联有源电力滤波器的系统模型， 在谐波 检测模块中加入直流侧电容总电压控制和均压控制 模块 ， 采用滞环控制的谐波补偿算法 ， 通过仿真证 明 一 41 — 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 5期 2 0 1 1 年第 O 5期 电测与仪表 El e c t r i c a I M e a s ur e me n t＆ I ns t r u m e nt a t i o n VO 1 ． 4 8 NO ． 5 4 5 M a y ． 2 01 l 了所提出直流侧电压控制方法的可行性。 1 有源 电力滤波器 的工 作原理 图 1 为三相四线制电容 中点式并联有源电力滤 波器系统结构图， 主电路是三相桥 电压源型逆变器 ， 采用基于瞬时无 功功率 的 i ，i 检测算法 ， 如图 2 。 将有源电力滤波器所要补偿 的谐波电流 i ， 与 电流 互感器采集的逆变器输 出电流 i 比较 ， 通过 电流控 制系统、 驱动器 、 三相桥电压源型逆变器 ， 形成一个闭 环反馈控制系统 ， 实现对谐波电流的跟踪 ， 使 电网电 流 i 趋近于正弦波 。 ⋯ ) 一 ．。 一～ 一⋯ ⋯ ⋯⋯ 一 ■ 一 ll_ 二 l [ l -$ _ ‘： ： 乏$ ； 图1三相四线制电容中点式并联有源电力 滤波 器 系统 结构 图 Fi g ． 1 Mi d —p o i n t c a p a c i t o r t h r e e—p h a s e f o u r— wi r e s h u n t a c t i v e p o we r fi l t e r s y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 图 2基 于瞬时无功功率的 i 、 i 谐波检测算法 Fi g ． 2 Ha r mo n i c d e t e c t e d a l g o r i t h m b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r 其 中， 直流侧电容 电压由于有功损耗、 负载波动 等因素产生的波动会影响补偿的性能 ， 电容电压低会 使得补偿精度下 降， 电容电压 高会造成 A P F的干扰 性谐波 电流增加； 而且有源电力滤波器的正常工作必 须是建立在其三相桥电压源逆变器的电容电压高于 电网相电压的峰值 ， 如果电容电压低于电网相 电压的 峰值 ， 三相全桥逆变器电路整流运行 ， 虽然也能补偿 谐波 ， 但电网要向电容注入 大量 的有功 功率。因此 ， 直流侧电容 电压必须加 以控制以满足有源电力滤波 器工作要求。 2 直 流侧 电容 电压 控制 采用 P WM控制技术 ， 由调制 比即正弦波电压 幅 一 42 一 值与直流电压之 比不能大 于 7 5 ％ ， 而采用 电压型全 桥逆变电路， 输 出电压 幅值仅为电容电压一半 ， 考虑 1 ． 2倍的裕量 ， 选择直流侧 电容 电压 ， 取直流侧 电压 I O 0 0 V， 图 3为电容总电压控制原理框图。 蟊～H ]_ 图 3 电容 总电压控 制原理框 图 F i g ． 3 Th e o v e r a l l v o l t a g e c o n t r o l s c h e ma t i c b l o c k d i a g r a m o f c a pa c i t o r 在 时刻 内， 有 ： 尸 d = 号 c ( + △ l，c ) 一 丢 c ( 1 ) 其中 P =3 V a a I 1 。 对式( 1 ) 线性化处理得 ： c =3 V a A， a 】 △ ￡ 一 0时， 有 ： d c 。 3 △， a 经拉氏变换后得到被控对象的传递函数为 ： G = = 为提高动态性能指标超调量 6 ％及调节时间 t ， 并在有噪声的情况下使静差为零 ， 系统 中串联 P I 校 正环节 ， 可使得带宽提高 ， 响应速度得以提升， 据系统 所要求超调量和调节时间， 设计 P I 环节参数分别为 ： K。=1 5， Ki=1 0。 3均 压控 制 三相四线制电容中点式 A P F直流侧有上下两个 电容 ， 由于 D ／ A电路存在零偏 ， 三相补偿 电流含有直 流分量， 造成上下电容 电压不平衡 ， 如果不加控制可 能导致其中有一个 电容电压低于相电压幅值 ， 会使得 三相逆变桥整流运行， 无法实现谐波补偿 j 。 均压控制框图如图4所示 。 旦 p 二 争 壶 图 4 均压控 制原理框 图 F i g ． 4 Av e r a g e v o l t a g e c o n t r o l s c h e ma t i c b l o c k d i a g r a m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 5期 2 0 1 1 年第 0 5期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r ume n t a t i o n V0 I ． 4 8 N0 ． 5 4 5 M a y ． 2 0 1 1 如图 1 所示 ， 不考虑其他因素， 零序电流与上下 电容电压之差 的变化关系如下 ： d ．d C1 2 。 式中 c ， 是上 电容的电容值 ； C 是下 电容的电容值 。 设 C =C ， 经拉氏变换得 ： Ai △ 2 = 1一 Vc 2 = Gc ㈤= 如同直流侧总电压控制 ， 为了达到系统的动态性 能指标 以及抗干扰能力 ， 在均压控制 中加入串联 P I 环节 ， 设计 P I 环节参数 K =1 0， K ， =1 0 。 4 仿 真 在 P S C A D ／ E M T D C中建立如图 1所示三相 四线 制电容 中点式并联有源电力滤波器系统 ， 选择三相 电 源幅值 3 8 0 V， 非线性负载选用三相桥可控整流 电路 ， 整流电路直流侧接电阻 1 Q， 电感 0 ． 1 m H， 并采用如图 2所示谐波检测算法 i 。 ， i 算法 ， 谐波 电流跟踪采用滞 环控制 ， 分别对直流侧电容电压未加 P I 控制方式 ， 直 流侧电容电压加 P I 控制方式进行了仿真分析 。 4 ． 1 直流侧 电容 电压未加 P I 控制 运行 方式 如图 5所示 ， t 在 0～ 0 ． 0 5 s内， 采用直流电压源 对电容 进 行 充 电， t在 0 ． 5 s左 右 ， 电容 电压 达 到 5 0 0 V， 0 ． 5 s 后 ， 断开并联在两 电容 的直流 电压源 ， 有 源电力滤波器并网运行， 在 t =1 S 时电容电压呈锯齿 状下降至 2 8 0 V左右 ， 此时由于电容电压值已小于三 相电源 电压值 ， 三相 逆变桥整 流运行 ， 电 网向电容 充 电 图 5 未加 P I 控制 电容 电压 曲线 Fi g． 5 Ca p a c i t o r v o l t a g e c u r v e wi t ho u t P I c o n t r o l 图 6所示负载侧的谐波电流被三相桥补偿 ， 即三 相逆变桥整流运行时， 同样也能补偿谐 波， 但从图 7 和图 8中可以看到网侧基波含量要 比负载基波含量 大很多， 即电网向电容注入有功功率 。 4 ． 2 直流侧 电容 电压加 P I 控 制运行 方 式 如图9所示 ， t 在 0～ 0 ． 0 5 s内， 直流电压源对电 ’： 、 、 八 柳 d栅 ， 国， 口 口 图6 未加 P I 控制 负载电流及网侧 电流曲线 Fi g ． 6 L o a d c ur r e n t a n d g r i d c u r r e n t c u r v e wi t ho u t P I c o n t r o l 一 一 图7未加 P I 控制负载电流各频率含量 F i g ． 7 Ea c h f r e q u e n c y c o n t e n t o f l o a d c u r r e nt wi t h o u t PI c o n t r o l 。舯 —-∞“ _ —_ ■k - - 图8 未加 P I 控制网侧 电流各频率含量 F i g ． 8 Ea c h f r e q u e n c y c o n t e n t o f g r i d c u rre n t wi t h o u t PI c o n t r o l ∞ ： ⋯ l } l 图 9 含 P I 控 制的 电容 电压 曲线 F i g ． 9 Ca p a c i t o r v o l t a g e c u r v e wi t h P I c o n t r o l 容充电， 并在 0 ． 0 5 s 后保持在 5 0 0 V附近， 三相全桥电 路逆变运行 ， 由于本文采用滞环控制 的电流跟踪策 略 ， 补偿后 的网侧 电流波形有很多毛刺 ， 从图 1 1和图 1 2发现补偿后 ， 网侧 电流还含有少量 的 5次 和 7次 谐波， 从电流补偿策略上看 ， 滞环控制不能实现控制 系统稳态误差为 0 。 ∞ 一 濑 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 8卷第 5 4 5期 2 0 1 1 年第 0 5期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e nt & I n s t r u m e nt a t i o n VO I ． 4 8 NO ． 5 4 5 M a y ． 2 0 1 1 缸 照 ⋯一 -2 0 0 ． ∞ l O ．4 2 0 口咖O．4 4 0 D n ． 图 l 0 含 P I 控 制的 负载 电流及 网侧 电流 曲线 Fi g． 1 0 L o a d c u r r e n t a n d g r i d c u r r e n t C H I V e wi t h PI c o n t r o l 、 蝉 图 1 1 Fi g ．1 1 串联 P I 环节后 负载电流各频率含量 Ea c h f r e q u e n c y c o nt e n t o f l o a d c u r r e n t wi t h PI c o n t r o l | 一曼 熙 噼 臻 斑 搏 4 33 ~1 图 1 2 串联 P I 环节后 网侧电流各频率含量 Fi g ． 1 2 Ea c h f r e q u e n c y c o n t e n t o f g rid c u rre n t wi t h P I c o n t r o l 5结论 ( 1 ) 直流侧电容电压未加 P I 控制时， 有源滤波器 并网后 ， 电压下降 ， 三相桥整流运行 ， 也 能补偿谐波， 但电网要向电容注入大量的有功功率。 ( 2 ) 直流侧电容电压加 P I 控制时， 有源滤波器并 网后 ， 电压保持在允许范围内， 满足系统工作要求。 ( 3 ) 本文采用滞环控制的电流跟踪控制策略， 在 补偿谐波时存在稳态误差 ， 因此 ， 需要进一步研究有 源电力滤波器的谐波电流跟踪控制方法。 一 4 4 一 参 考 文 献 [ 1 ] 王兆安， 杨君 ， 刘进军．谐 波抑制和无功 功率补偿 [ M] ．北京 ：机 械_ r 业出版社 ，1 9 9 8 ． ： 2 ] L e s z e k S ．C z a me c k i ．I n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r P—q t h e o r y a n d p o w e r p r o p e fl i e s o f t h r e e—p h a s e s y s t e ms [ J ] ．I E E E T r a n s ．P o w e r D e — l i v e r ) ，v o 1 ． 21，P P 8 6—9 0，J a n u a ~ 2 0 0 6． [ 3 ] 张东 ， 吕征宇 ， 陈国柱．并联有源电力滤波器直流侧 电容 电压控制 [ J ] ． 电力电子技术 ， 2 0 0 7 ， 4 1 ( 1 0 ) ： 7 7— 7 9 ． ZHANG Do n g ， L V Z h e n g — y u， C HEN Gu o— z h u ．Ca p a c i t o r Vo l t a g e C o n t r o l o f S h u n t A c t iv e P o w e r F i l t e r [ J ] ． P o w e r E l e c t r o n i c s ，2 0 0 7 ， 4 1 ( 1 0 ) ： 7 7—7 9 ． [ 4] 常鹏飞，曾继伦，王彤 ， 等．三相 四线有源电力滤波器直流侧 电压 控制方法 [ J ] ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 8 ) ： 7 5—7 8 ． C HANG P e ng—f e i ， Z ENG J i— l u n， WANG T o n g ．Re s e a r c h o n DC — s i d e Vo l t a g e Co n t r o l Me t h o d s o f Th r e e— — p h a s e F o u r— — wi r e Ac t i v e P o w-- e r F i l t e r s [ J ] ． A u t o n m t i o n o f E l e c t ri c P o w e r S y s t e m s ， 2 0 0 5， 2 9( 8 ) ： 7 5 — 7 8． 『 5 1 R o b e rt G r i 6 ，R a f a e l C a r d o n e r ，R a m o n C o s t a—C a s t e l l6 ，a n d E n r i c F o s s a s ． Di g i t a l Re p e t i t i v e Co n t r o l o f a Th r e e—p h a s e F o u r—wi r e S h u n t A c t i v e F i l t e r [ J ] ．I E E E T r a n s ．I n d u s t r i a l E le c t r o n i c s ，v o 1 ．5 4 ，N o ． 3，J u n e， 2 0 0 7 ． 作者简介 唐忠( 1 9 6 4一)， 男 ， 湖 南武 岗市人 ， 电气 工程 专业博 士 ， 上海 电力学院教授 ， 主要研究方 向和领域 为电力系 统运行与控制 、 电力信息技术 、 基于 电力电子技 术的节 能技术、 电力安全技术等。 江颖达 ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 工程 师 ， 江苏宜 兴人 ， 主要研 究 方 向为供电营销管理 。E m a i l ： j y d t 0 1 0 @s i n a ． e o m 姚永 生( 1 9 7 6一) ， 男 ， 工 程师 ， 浙 江湖州人 ， 主要研究 方 向为高低压成套开关设备制造。 Ema i l ： 6 4 9 5 2 2 9 4 8 @ q q ． c o n 郭威( 1 9 8 6一) ， 男 ， 硕 士研究 生， 湖北荆州 人 ， 主要研 究方向为电力 电子技术在电力系统中的应用。 E ma i l ： g u o we i s y z @ 1 6 3 ． c o n l 收稿 日期 ： 2 0 1 0—1 0— 0 2 ( 杨长江编发) ～ 喧 一 一 ■ ． 一 ． 曩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m