有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略概述

2.2 控制系統(tǒng)及控制策略

有源電力濾波器的控制系統(tǒng)及選用的控制算法是其濾波效果好壞的關(guān)鍵。有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要有模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)三類。近年來(lái)隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種數(shù)字處理芯片的性能大大提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)及純數(shù)字控制系統(tǒng)。下面主要介紹有源電力濾波器的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)。

2.2.1 數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)

有源電力濾波器的控制系統(tǒng)一般由兩個(gè)部分組成，即控制算法部分和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生部分。其中控制算法處理部分對(duì)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，采用諧波檢測(cè)算法，快速檢測(cè)出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號(hào)送給觸發(fā)脈沖發(fā)生部分。而觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖去驅(qū)動(dòng)有源電力濾波器的變流器，使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波電流或電壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?。所謂數(shù)字模擬混合控制就是通過(guò)數(shù)字電路檢測(cè)并產(chǎn)生所需補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C波信號(hào)，獲得參考諧波信號(hào)后，通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)諧波跟蹤(通常為比例積分PI 控制)，PWM脈沖控制具有更快的速度和更高的分辨率。

2.2.1.1 滯環(huán)控制

此類控制器中滯環(huán)比較器由于產(chǎn)生的補(bǔ)償電流參考信號(hào)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤諧波電流變化，具有很好的實(shí)時(shí)性，所以在有源濾波器中得到了廣泛的應(yīng)用。滯環(huán)比較器的控制框圖如圖9所示，圖10為滯環(huán)比較示意圖。

滯環(huán)比較控制采用滯環(huán)比較器，把檢測(cè)出的補(bǔ)償電流信號(hào)ie 與實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ic進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM 信號(hào)，從而控制補(bǔ)償電流ic的變化。此類控制器中由于滯環(huán)比較器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流參考信號(hào)能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤諧波電流變化，具有很好的實(shí)時(shí)性，所以在有源濾波器中得到了廣泛的應(yīng)用。滯環(huán)比較控制的特點(diǎn)可歸結(jié)為：硬件電路十分簡(jiǎn)單;屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快;不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量;屬于閉環(huán)控制方式;若滯環(huán)的寬度固定，則電流跟隨誤差范圍是固定的，但是電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。

在采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式中，滯環(huán)的寬度通常是固定的，由此導(dǎo)致主電路中電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。尤其是當(dāng)ic變化的范圍較大時(shí)，一方面，在ic 值小的時(shí)候，固定的環(huán)寬可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差過(guò)大;另一方面，在ic值大的時(shí)候，固定的環(huán)寬又可能使器件的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，甚至可能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞。另外，由于開(kāi)關(guān)頻率不固定，增加了高通濾波器及連接電抗器參數(shù)設(shè)計(jì)的難度。

針對(duì)采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式在環(huán)寬固定時(shí)的這一缺點(diǎn)，一種解決的方法是將滯環(huán)比較器的寬度H 設(shè)計(jì)成可隨ic 的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)的;另一種方法是采用定時(shí)控制的瞬時(shí)值比較方式，該方式中，用一個(gè)由時(shí)鐘定時(shí)控制的比較器代替滯環(huán)比較器。每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)ic 變化量判斷一次，使得PWM信號(hào)需要至少一個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)變化一次，器件的開(kāi)關(guān)頻率最高不會(huì)超過(guò)時(shí)鐘頻率的一半。這樣時(shí)鐘信號(hào)的頻率就限定了器件的最高工作頻率，從而可以避免器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高的情況發(fā)生。該方式的不足是，補(bǔ)償電流的跟隨誤差不是固定的，從波形上看，就是毛刺忽大忽小。

2.2.1.2 三角波控制

圖11為三角波比較器的控制框圖，圖12 為三角波比較示意圖。其中圖12給出了在并聯(lián)型有源電力濾波器中經(jīng)常采用的一種數(shù)字模擬混合控制器的模擬部分。其中參考電流信號(hào)由微處理器通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號(hào)送到模擬控制部分。有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與參考電流進(jìn)行比較，通過(guò)比例積分環(huán)節(jié)后成為調(diào)整信號(hào)，與三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的作為載波信號(hào)的三角波進(jìn)行比較，獲得驅(qū)動(dòng)有源濾波器逆變器的PWM驅(qū)動(dòng)脈沖。圖12中，當(dāng)控制信號(hào)大于鋸齒波，則PWM脈沖信號(hào)為高電平;相反，則為低電平。與瞬時(shí)值比較方式相比，該方式具有的特點(diǎn)：硬件較為復(fù)雜;跟隨誤差較大;輸出電壓中所含諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波;器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，且等于三角載波的頻率;電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢。

由以上可知，瞬時(shí)值比較方式和三角波比較方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，不能孤立地說(shuō)孰優(yōu)孰劣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)要求選擇。日本電氣學(xué)會(huì)的調(diào)查結(jié)果也表明了這一點(diǎn)，兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中大體上各占一半，基本相當(dāng)。

2.2.2 數(shù)字控制系統(tǒng)

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生PWM脈沖的數(shù)字電路和具有可編程功能的器件快速發(fā)展，因而通過(guò)專門電路或通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)PWM 脈沖發(fā)生器已非常方便，而且在速度和分辨率方面也有著顯著的提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步變成純數(shù)字的控制系統(tǒng)。與其他的電力電子裝置類似，根據(jù)有源濾波器控制算法的復(fù)雜性我們可以選擇不同的數(shù)字控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常的控制系統(tǒng)一般有基于單數(shù)字信號(hào)處理芯片的帶有PWM信號(hào)的控制系統(tǒng)。由于DSP本身帶有PWM脈沖產(chǎn)生部分，因此采用單片的DSP就可以實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。當(dāng)然，由于DSP芯片既要處理控制算法又要產(chǎn)生脈沖，因此只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制算法。如果要實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜與先進(jìn)的算法，可采用多DSP芯片的控制系統(tǒng)或者DSP+FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列)的通用控制系統(tǒng)。采用雙DSP 或DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)DSP處理器用來(lái)完成數(shù)據(jù)處理、控制與高層保護(hù)功能;另一個(gè)DSP處理器或FPGA用來(lái)產(chǎn)生高精度PWM脈沖。

2.3 主電路

有源電力濾波器的主電路型式多種多樣，有很多種分類方法。具體分類方法見(jiàn)上所述。

2.4 保護(hù)電路

保護(hù)系統(tǒng)采用快速硬件保護(hù)(與功率單元直接連接)和高速DSP的軟件保護(hù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)機(jī)制，使得系統(tǒng)安全，運(yùn)行可靠。

2.5 耦合變壓器

前面講到的兩種主電路結(jié)構(gòu)都通過(guò)連接電抗器直接接入系統(tǒng)，但對(duì)于電壓較高的情況，由于各種開(kāi)關(guān)器件耐壓水平的限制，變流器輸出電壓不可能太高，因此通常采用變壓器接入方式。采用耦合變壓器接入電力系統(tǒng)的好處有：

1)可以靈活地改變逆變器的輸出電壓和電流，從而充分利用開(kāi)關(guān)器件的電壓與電流容量;

2)可以提供絕緣隔離，變壓器的電氣與一、二次側(cè)的絕緣隔離可以防止出現(xiàn)不必要的電氣連接，可以提高有源電力濾波器的可靠性，還可以防止電力系統(tǒng)中的各種干擾直接進(jìn)入到有源電力濾波器中。

雖然變壓器帶來(lái)了很大的好處，但是在有源電力濾波器中采用耦合變壓器本身也存在一些缺點(diǎn)。

這主要是因?yàn)橛性礊V波器對(duì)耦合變壓器存在較高的要求，因此在設(shè)計(jì)選擇耦合變壓器時(shí)要注意：

1)工作頻帶耦合變壓器要有較寬的工作頻帶;

2)鐵心材料的選擇鑒于有源濾波器工作時(shí)的頻率范圍，耦合變壓器的鐵心材料一般選薄硅鋼片或非晶合金磁性材料;

3)鐵心結(jié)構(gòu)選擇由于有源濾波器輸出的三相電壓或電流是相互獨(dú)立的，因此要求耦合變壓器三相獨(dú)立或三相之間相互影響小，所以有源濾波器的耦合變壓器采用五鐵心柱結(jié)構(gòu)或采用三單相變壓器，這樣三相繞組之間的影響很小或三相完全獨(dú)立。

3 有源濾波器設(shè)計(jì)步驟及參數(shù)選擇

3.1 設(shè)計(jì)有源濾波器一般步驟

1)應(yīng)該根據(jù)所需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷諧波次數(shù)及容量確定有源濾波器補(bǔ)償電流諧波的最高次數(shù)及諧波的容量。

2)根據(jù)補(bǔ)償效果及諧波就地補(bǔ)償?shù)仍瓌t確定有源濾波器的接入點(diǎn)。

3)根據(jù)接入點(diǎn)的電壓等級(jí)及負(fù)荷的結(jié)構(gòu)確定有源電力濾波器的電壓等級(jí)及相應(yīng)的主電路結(jié)構(gòu)。對(duì)于380 V 系統(tǒng)，一般選擇通過(guò)電抗器直接接入三相系統(tǒng)。而對(duì)于10 kV的系統(tǒng)，通常選擇通過(guò)耦合變壓器接入系統(tǒng)。

4)根據(jù)選擇的電壓等級(jí)及諧波電流的次數(shù)、容量以及所選擇的主電路結(jié)構(gòu)，參照開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率、電壓等級(jí)、電流等級(jí)等選擇合適的開(kāi)關(guān)器件，確定有源濾波器直流側(cè)合理的工作電壓及連接電抗器的參數(shù)。

3.2 參數(shù)選擇

3.2.1 電感選型

對(duì)于并聯(lián)型有源電力濾波器，其主要功能是補(bǔ)償電流ic(t)快速跟蹤負(fù)荷電流中的諧波電流，從而使流入配電系統(tǒng)的諧波電流很小，避免對(duì)系統(tǒng)的污染。為了使ic (t)能夠快速跟蹤要補(bǔ)償?shù)碾娏?，需要有源濾波器產(chǎn)生的ic(t)具有兩個(gè)條件：首先，ic(t)的大小要滿足補(bǔ)償電流的要求，即逆變器補(bǔ)償?shù)碾娏鞅仨毚笥诘扔谘a(bǔ)償電流，也即有源濾波器的補(bǔ)償容量滿足負(fù)荷補(bǔ)償?shù)囊?其次，有源濾波器輸出電流的變化率即dic(t)/dt 要大于等于補(bǔ)償電流的變化率，只有這樣有源濾波器才能快速跟蹤補(bǔ)償電流的變化。

第一個(gè)條件在設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)通過(guò)考慮容量即可滿足，而第二條常常是衡量有源濾波器性能好壞的關(guān)鍵。因?yàn)榉蔷€性負(fù)荷種類很多，需要補(bǔ)償電流的變化率可能完全不一樣，為了保證有源電力濾波器的跟蹤能力，在設(shè)計(jì)時(shí)必須非常重視其電流變化率。因此為了提高dic(t)/dt，要么減小有源濾波器的等效電感L，要么提高逆變器輸出電壓U(c t)。有源濾波器的等效電感L 越小，其電流跟蹤能力越強(qiáng)，但是L 過(guò)小，有源濾波器輸出電流中基于開(kāi)關(guān)頻率的特征諧波會(huì)很大，而且一旦有源濾波器本身出現(xiàn)故障，會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電流，從而影響系統(tǒng)。因此有源濾波器的等效電感不能選擇過(guò)小。通常，如果以有源濾波器的電流容量作為電流基值，接入電壓作為電壓基值，則等效電感對(duì)應(yīng)的基波電抗的標(biāo)幺值約為20%，電感值通常為mH級(jí)別。

3.2.2 直流母線電容

因?yàn)樘岣咧绷鱾?cè)電容電壓Ud c(t)可以提高有源電力濾波器電流跟蹤能力。因此設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí)，應(yīng)該根據(jù)最惡劣的條件估算出需要補(bǔ)償?shù)呢?fù)荷電流的最大變化率，選擇合適的直流側(cè)電壓。直流側(cè)電壓選定后，在保證安全裕度的前提下選擇開(kāi)關(guān)器件的電壓、電流等級(jí)。直流側(cè)電容容量在允許的范圍內(nèi)(電容容量應(yīng)避免與電抗產(chǎn)生諧振)當(dāng)然越大越好，但電容過(guò)大增加了裝置的成本。直流側(cè)電容容量的選擇主要是防止直流電容電壓的波動(dòng)，計(jì)算電容電壓波動(dòng)時(shí)必須考慮諧波引起的電容電壓波動(dòng)。

4 應(yīng)用情況及前景展望

目前，有源濾波技術(shù)已在日本、美國(guó)等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到應(yīng)用，有許多工業(yè)裝置投入運(yùn)行;國(guó)內(nèi)對(duì)有源電力濾波器的研究尚處于起步階段。

近年來(lái)，在電力電子工程師和研究人員的不斷努力下，有源電力濾波技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，有源電力濾波器的價(jià)格也不斷降低。隨著人們對(duì)諧波污染認(rèn)識(shí)的不斷加深，有源電力濾波器的應(yīng)用前景是相當(dāng)光明的，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛。