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《諧波電流檢測位置對有源電力濾波器性能的影響研究》

孫廣星,楊濤,王永新,孫偉

西安西電電力系統有限公司



摘要:本文介紹了并聯有源電力濾波器諧波補償的工作原理,分析對比了2種諧波電流檢測位置下的諧波補償控制算法。在PSIM90仿真軟件中分別搭建了這2種電流檢測位置下的有源電力濾波器仿真模型。仿真結果表明,2種諧波電流檢測位置下的有源電力濾波器均可以實現治理諧波的目的,并且比較了濾波器在負載側檢測諧波電流和在電網側檢測諧波電流的不同特點。


0 引言

大容量非線性負載的大量投入使用,使得電網電能質量受到嚴重的諧波危害,因此對諧波的治理刻不容緩。目前有源電力濾波器(active power filterAPF)已經成為治理諧波的有效工具。在我國有源電力濾波器的控制技術日益成熟,大量有源電力濾波器設備已經投入工業應用。在實際應用中,諧波電流檢測通常有2種方式,一是在負載側檢測,二是在電網側檢測。在不同位置檢測諧波電流時,相應的APF控制策略和最終補償效果會有差異。本文介紹了這2種檢測位置下的APF控制策略,并通過PSIM90仿真軟件,以三相不控整流帶阻

性負載為諧波源,對比了在電網側檢測諧波與在負載側檢測諧波2種方式下APF的優缺點。


1 APF的工作原理

并聯型有源電力濾波器的結構圖,通過檢測補償對象中的電流,計算得出補償對象中的諧波電流成份,由并聯有源電力濾波器產生一個與補償對象中的諧波電流大小相等方向相反的電流,以抵消補償對象中的諧波電流,從而避免負載中的諧波電流流入電網中。對于有源電力濾波器諧波電流檢測位置通常有2種,一種是在負載側檢測,即檢測圖1中的負載電流iload;另外一種是在電網側檢測,即檢測圖1電流is1us為電網電壓;iAPF為有源電力濾波器的補償電流,其方向定義為流入公共連接點為正;is為電網電流,is的方向定義為流出電網為正;iload為負載側電流,iload的方向定義為流人負載為正;uDCAPF的直流側電壓。以在負載側檢測諧波電流為例,通過以下公式說明APF工作原理。 

(1)  

而負載電流由基波和諧波電流組成,即

      (2)           

如果設置iAPF=ih,則is=i1,保證了電網電流中只有基波電流。

 

1  并聯有源電力濾波器結構圖


2 不同諧波電流檢測位置的APF控制策略

2.1 負載側諧波電流檢測與控制

如圖1所示,將電流互感器CT安裝在負載側并對負載中的諧波電流進行檢測,檢測得到的電流送至APF計算提取需要補償的諧波電流并發出補償電流,從而消除負載向電網中注入的諧波電流。

APF控制采用雙閉環控制,對于電壓源型并聯APF,必須穩定其直流側電壓,因此控制策略采用外環控制直流電壓,內環控制系統輸出電流的方案。

2為在負載側檢測諧波電流時的APF控制方框圖。從負載側檢測得到的負載電流iload經過延遲構造α、β軸電流,經過αβ一dq變換得到負載電流的dq軸分量。其中θ為電網電壓的初始相位,經過低通濾波器之后,得到負載電流中基波電流的d、q軸分量。將d軸分量加上直流電壓的誤差調節輸出,經過dq一αβ反變換得到基波電流值。通過負載電流iload減去基波電流ia_1得到負載電流中的其他電流分量ih,ih中主要為諧波電流分量,另外也包含了維持直流側電壓穩定的基波電流分量。最后通過電流調節器得到調制波信號。

 

圖2  負載側諧波電流檢測控制框圖


2.2 電網側諧波電流檢測與控制

由于在實際中,我們也關心補償之后的電網側電流的狀況,比如補償之后電網電流的總諧波系數(THD),電流的大小等等。因此有必要檢測電網側電流。此時的CT安裝在電網側,見圖1所示;此時諧波電流補償控制同樣使用雙閉環策略,也類似于 2.1節所述,其控制策略不再贅述。


3 不同諧波電流檢測位置下的控制對比

負載側與電網側2種諧波電流檢測位置下的APF控制系統數學模型如圖3所示。從圖中可以看出負載側檢測諧波電流相對于控制目標而言為開環檢測,即檢測負載中的諧波電流之后,APF發出與所檢測的諧波電流幅值相等、相位相反的諧波電流即可。而在電網側檢測諧波電流時,當APF裝置剛開始運行時,電網電流is會因為APF的投入而變化,即is1=is--iAPF,is2=is--is1……,即is1個積分累加器,當is累加到電網中電流為基波電流時則停止積分,系統穩定運行。即在電網側進行的諧波電流檢測及控制實際上是1個閉環系統,APF發出電流之后,會與指令i1作誤差運算,最終目標是將誤差調節為0。根據控制理論,開環補償比閉環補償速度快,但是無法消除回路中的誤差。

 

3  APF控制模型


因此從補償速度上看,在負載側檢測諧波電流的APF補償速度比電網側檢測的補償速度快。從補償精度上分析,若cT采樣回路出現采樣誤差時,那么在電網側檢測諧波電流的APF控制精度比載側檢測要高。


4 仿真分析

在PSIM9·0中搭建三相四線制APF仿真模型,負載模型使用三相不控整流模擬電網中的諧波電流。仿真主電路如圖4所示。


 

4  仿真主電路

仿真參數見表1

表1 仿真參數

 


4.1 諧波補償效果仿真

    根據仿真模型,進行仿真得到負載電流及其諧波含量以及CT在不同檢測位置時的APF補償效果,如圖5、圖6、圖7所示。

 

5  負載電流及其諧波含量


    結合圖5,通過對比圖6和圖7 2種檢測位置時的補償效果,從電網電流FFT中分析可知,2種檢測位置下的APF補償效果幾乎相同。即均可以使負載中的諧波電流和APF中的諧波電流互相抵消,保證電網電流的諧波電流含量遠遠小于負載電流中的諧波電流含量。

 

6  負載側檢測時電網電流及其諧波含量


 

7  電網側檢測時電網電流及其諧波含量


4.諧波補償響應時間仿真

本節主要通過仿真結果分析在負載側和在電網側檢測諧波電流時的APF響應時問差異:

cT置于電網側與負載側2種情況下,當負載發生突變時,對APF補償之后的電網電流響應速度進行對比。

1) 負載電流突升。圖8和圖9分別為cT在電網側時和在負載側時的電網電流階躍響應圖。

8和圖9中在0.045 s(t1)時刻負載電流突然增加1倍,對比2張圖可以看出在t2時刻均可以跟蹤上負載電流突升,但是CT裝在電網側時APF的響應時間要大于CT裝在負載側時的響應時間。

 

8 CT在電網側時電網電流階躍響應


 

9  CT在負載側時電網電流階躍響應


2) 負載電流突降。圖10和圖11分別為cT在電網側時和在負載側時的電網電流階躍向圖。


 

10 CT在電網側時電網電流階躍響應

 

圖11  CT在負載側時電網電流階躍響應


10和圖11中在0.045 s(t1)時刻負載電流突然減小l倍,對比2張圖可以看出在t2時刻均可以跟蹤上負載電流突降,但是CT裝在電網側時的響應時間要大于CT裝在負載側時的響應時間。

綜上可以得出結論,即CT安裝在負載側時的響應速度要大于CT安裝電網側,驗證了前文所說的電流檢測位置在負載側時的APF開環控制特性。


4諧波檢測回路誤差仿真

    實際APF裝置在檢測諧波電流時,不可避免地要在各個環節存在檢測誤差,比如CT側,信號變換側和AD轉換側等等。本節主要通過設定檢測回路誤差來仿真對比2種諧波檢測位置下的APF補償效果。

1)檢測回路存在0.8倍誤差。圖12和圖13分別為CT在負載側時和在電網側時CT在在0.8倍誤差時補償后的電網電流及諧波含量。

 

12  CT在負載側時CT存在0.8倍誤差時補償后的電網電流及其諧波含量


對比圖12和圖13可知,CT裝在電網側和負載側,當CT出現20%采樣誤差時,CT在電網側時的補償效果優于CT安裝在負載側。

2) 檢測回路存在1.2倍誤差。圖14和圖15分別為CT在負載側時和在電網側時CT存在1.2倍誤差時補償后的電網電流及諧波含量。

對比圖14和圖15可知,當CT出現1.2倍誤差時,負載側檢測時補償后的電網電流出現諧波放大,電網中的諧波含量增多;而電網側檢測時補償后的電網電流可以消除這種誤差,仍可以達到補償效果。


 

13 CT在電網側時CT存在0.8倍誤差時補償后的電網電流及其諧波含量


 

14CT在負載側時CT存在1.2倍誤差時補償后的電網電流及其諧波含量


 

15 CT在電網側時CT存在12倍誤差時補償后的電網電流及其諧波含量


綜上所述,從仿真結果對比分析可知,當CT安裝于負載側時,相對于控制系統為開環控制,當負載突變時,響應速度比安裝電網側時快;當CT安裝電網側時,相對于控制系統為閉環控制,可以消除諧波電流檢測回路中的誤差對整個控制系統的影響。


5 結束語

  本文理論分析了并聯有源電力濾波器2種諧波電流檢測位置對應的諧波電流檢測方法和控制策略。并通過PSIM仿真軟件對2種不同諧波檢測位置的APF諧波補償控制算法進行了仿真。仿真結果表明APF除了可以補償負載中的諧波電流之外,針對不同的諧波檢測位置,APF也呈現出不同的性能差異。

APF針對不同的諧波檢測位置,呈現出的不同性能差異為:

1)當諧波檢測位置在負載側時APF裝置的響應速度要比在電網側時更快;

2)當諧波檢測位置在電源側時,其可以處理控制回路中的誤差對整個系統的影響,尤其是當諧波電流存在檢測誤差時。

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