基于DSP的并聯(lián)電力有源濾波器的仿真研究

1引言

近十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力有源濾波器(簡(jiǎn)稱APF)逐步進(jìn)入成熟應(yīng)用的階段。電力有源濾波器是一種基于脈寬調(diào)制、信號(hào)處理和大功率高速自關(guān)斷電力電子器件的電力電子設(shè)備(不排除利用多重化技術(shù)由低頻器件構(gòu)成等效高頻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式和早期的強(qiáng)迫換流方式)，它通過(guò)向交流電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)注入與系統(tǒng)諧波相位相反大小相等的補(bǔ)償諧波，達(dá)到消除系統(tǒng)諧波污染的目的。國(guó)內(nèi)對(duì)電力有源濾波器的研究起步很早，所取得的理論成績(jī)也并不比國(guó)際水平低，但是由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的限制，造成資金和制造技術(shù)落后以及供求關(guān)系難以形成，這一先進(jìn)產(chǎn)品一直處于實(shí)驗(yàn)室階段。

國(guó)外工程界已對(duì)有源濾波器進(jìn)行了多年的實(shí)踐，在電力電子設(shè)備的制造技術(shù)和運(yùn)行方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，目前已經(jīng)先后有ABB、西門子、梅蘭日蘭等幾家外國(guó)公司開始在我國(guó)國(guó)內(nèi)推銷該類產(chǎn)品。在這種情況下，推動(dòng)國(guó)內(nèi)電力有源濾波器的實(shí)用化研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本文希望從工程應(yīng)用的角度發(fā)表一些淺見。

2研究方案選擇

文獻(xiàn)[1]列舉了數(shù)百篇APF的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)近年來(lái)的有源濾波器技術(shù)進(jìn)行了概括性的點(diǎn)評(píng)。串并聯(lián)合用的APF(又稱UPQC)對(duì)電力系統(tǒng)的諧波抑制效果最佳，但成本最高，適用范圍受限；串聯(lián)型APF主要適合于抑制電壓型諧波和擾動(dòng)；并聯(lián)型APF做為最基本的、也是最早出現(xiàn)的系統(tǒng)形式，主要適合于抑制電流型諧波和擾動(dòng)。

文獻(xiàn)[2]將負(fù)載產(chǎn)生的諧波分為電流源型和電壓源型，認(rèn)為并聯(lián)型APF對(duì)前者有較好的補(bǔ)償效果而對(duì)后者補(bǔ)償效果較差，串聯(lián)型APF則反之。雖然這樣的分析有重要的理論意義，但是從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，文獻(xiàn)[2]中純粹的電容性整流型負(fù)載并不存在，即便在對(duì)蓄電池充電的場(chǎng)合，也會(huì)加裝直流側(cè)的平波電抗器，退一步說(shuō)，即便存在這類負(fù)載，在交流側(cè)的隔離變壓器前也可使用并聯(lián)型APF對(duì)負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。因此，可以說(shuō)并聯(lián)型APF的適用范圍要比串聯(lián)型APF大得多。另外，由于工業(yè)型的三相三線制APF技術(shù)改進(jìn)后即可用于民用的三相四線制情況，本文的仿真限于對(duì)工業(yè)型APF的研究，如圖1所示。

圖1有源濾波器示意圖

圖2同步dq坐標(biāo)法的階躍響應(yīng)

圖3同步dq坐標(biāo)法的斜坡響應(yīng)

APF技術(shù)的關(guān)鍵在于：

（1）指令電流分離技術(shù)；

（2）補(bǔ)償電流形成技術(shù)；

（3）整體系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

對(duì)補(bǔ)償電流的形成，目前公認(rèn)的適用于較大功率場(chǎng)合的方法如文獻(xiàn)[8]提供的固定頻率的空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，只要開關(guān)頻率足夠高，逆變器就有足夠的響應(yīng)速度；對(duì)于整體系統(tǒng)的穩(wěn)定控制策略涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，不在本文討論范圍內(nèi)；指令電流分離技術(shù)的種類繁多，而且這一部分性能的好壞直接影響APF整體性能優(yōu)劣，是本文討論的重點(diǎn)；另外由于近年來(lái)DSP技術(shù)的迅猛發(fā)展，使在APF設(shè)計(jì)過(guò)程中充分利用數(shù)字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并附加復(fù)雜功能的方式成為可能，因而在工程應(yīng)用中用DSP實(shí)現(xiàn)具體算法是有意義的。

當(dāng)前除直接使用模擬濾波器以外的幾乎所有指令電流分離技術(shù)都可以用DSP實(shí)現(xiàn)，其中比較適合的方式有：瞬時(shí)虛功率法、同步dq坐標(biāo)法[3]、無(wú)差拍法[4][5]和檢測(cè)逆變器直流電容電壓換算的方法[6]。但是瞬時(shí)虛功率法在系統(tǒng)電壓出現(xiàn)畸變時(shí)不能準(zhǔn)確檢測(cè)諧波電流(見文獻(xiàn)[9]第6章)。無(wú)差拍控制法基于零極點(diǎn)配置技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)非常敏感，難以適用于實(shí)際工程應(yīng)用，本身就還有待改進(jìn)。檢測(cè)直流電容電壓的方法[6]在極端情況下將會(huì)負(fù)擔(dān)一個(gè)周期的負(fù)載有功損耗[6]，因而僅適用于相對(duì)較小功率場(chǎng)合。同步dq坐標(biāo)法對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行旋轉(zhuǎn)Park變換后利用數(shù)字積分方法直接抽取對(duì)應(yīng)于交流側(cè)電氣量基波成分的方法，再利用簡(jiǎn)單加減法獲得補(bǔ)償電流指令值，物理意義明確而且易于實(shí)現(xiàn)；文獻(xiàn)[3]在同步dq坐標(biāo)軸上進(jìn)行積分的同時(shí)，以當(dāng)前點(diǎn)的測(cè)量值為基準(zhǔn)，根據(jù)坐標(biāo)軸上各次諧波軌跡延伸預(yù)測(cè)下一點(diǎn)應(yīng)產(chǎn)生的瞬時(shí)補(bǔ)償電流，具有很明確的物理意義和工程實(shí)用性，可用于大功率場(chǎng)合，是本文的首選方案。

3仿真結(jié)果

本文利用MATLAB對(duì)文獻(xiàn)[3]的方案進(jìn)行了仿真研究，利用電氣庫(kù)對(duì)一次部分進(jìn)行建模，利用SIMULINK的基本庫(kù)和S埠數(shù)構(gòu)建具體的離散算法，并在NT工作站上進(jìn)行仿真。同步dq坐標(biāo)法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖2及圖3所示：(仿真頻率為50Hz)

圖2中，虛線為代表交流電流輸入值，幅值呈兩次上下階躍變化，實(shí)線為同步dq坐標(biāo)法的計(jì)算輸出值，實(shí)線在第一個(gè)周期002s的上升過(guò)程是由于計(jì)算中數(shù)字積分的數(shù)組初始狀態(tài)為全零值，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)周期才能精確跟上系統(tǒng)值的過(guò)程，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致APF調(diào)制錯(cuò)誤，在實(shí)際運(yùn)用中可以利用封閉一個(gè)周期的逆變器控制脈沖的方法避過(guò)。由圖2可見，這一方法需要約一個(gè)周期時(shí)間做到精確跟隨輸入信號(hào)的變化，這也是任何一種方法都不可避免的；如果計(jì)及電源跟上負(fù)載變化有一定的延遲，當(dāng)負(fù)載突然增加，電源供電能量增加之前，APF將為負(fù)載提供一部分能量；反之，APF將吸收一部分電源多提供的能量。這說(shuō)明在實(shí)際系統(tǒng)的變化過(guò)程中，APF將會(huì)在電源和負(fù)載之間起到一定的緩沖作用。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中必須考慮到這種情況帶來(lái)的器件容量的選擇問(wèn)題。

圖3中第一個(gè)周期的情況同上。由圖3可見，同步dq坐標(biāo)法的斜坡響應(yīng)滯后于輸入信號(hào)的變化約半個(gè)周期，表明在負(fù)荷單調(diào)連續(xù)變化過(guò)程中，APF將

圖4負(fù)載電流波形及頻譜分析