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有源电力滤波器调试
作 者:武汉理工大学 自动化学院 吴 勇

1 引言
随着电力电子装置在电力系统、工业、交通以及家庭中的广泛应用,电力系统中的非线性负荷大量增加,使得电网中的电流波形严重畸变,含有大量的谐波电流和无功分量,给电能的生产和传输带来危害,也影响电子设备的应用,造成“电力公害”[1]。有效治理电网谐波、减少能量损耗、实现“绿色能源”是电力电子技术领域十分紧迫和必须面对的问题。
有源电力滤波器(active power filter, apf)是补偿三相电力系统中谐波和无功功率的重要装置,具有广阔应用前景。它的基本原理是通过控制电力电子变流器,使它向电网中输入与谐波电流和无功电流大小相同、方向相反的电流,从而使三相电源只输出基波有功电流的目的[2][3]。有源电力滤波器是一个复杂的快速响应电力电子装置,它的主电路由三相六桥臂变流器组成,在工作过程中,需要对主电路直流侧电压和apf输出电流进行控制,并且apf稳定工作受负载和环境的影响较大,这给apf的现场调试带来了较大的难度。本文根据60kva有源电力滤波器的设计和现场调试过程,对有源电力滤波器的调试步骤进行了总结。

2 并联有源电力滤波器系统结构
图1为并联型有源电力滤波器补偿电网谐波电流时的系统结构图。

图1 并联型有源电力滤波器结构图


其中,e为电网电源,hpf为高频滤波器,l为apf交流侧电感,c为apf直流侧电容,r为软起动电阻,s为开关,apf主电路为三相变流器,具有图2所示的结构。

图2 apf主电路结构


当系统上电瞬间,apf直流电容两端电压为零,电网电源e通过apf交流侧电感和变流器给电容充电,这是二极管不控整流过程。为了防止上电瞬间烧毁装置,系统中设计了软起动电阻r,对初始充电电流进行限制,合上开关s后,通过二极管不控整流,电容两端电压约为540v。

3 有源电力滤波器的调试
在有源电力滤波器中,为了达到消除谐波和无功功率的目的,首先必须先检测出电网中的谐波和无功电流,然后将检测出的谐波和无功电流作为给定参考电流去控制变流器,使apf跟踪谐波和无功电流,消除和补偿三相电源中的谐波和无功电流,这是逆变过程。正常工作时,apf直流侧必须保持一定的恒定电压,但在apf工作过程中,开关器件和电流补偿需要消耗一定的有功能量,会导致直流侧电容电压降低,因此必须控制变流器使电网给电容充电,维持直流侧电压恒定,这是一个整流过程,为避免整流过程产生新的谐波污染,应控制为单位功率因数的整流[4][5]。综上所述,apf工作时包含两个控制环节:直流侧电压控制环和交流侧电流控制环。电压环和电流环均采用pi调节器的60kva有源电力滤波器结构图如图3所示。

图3 apf控制系统结构图


60kva有源电力滤波装置的主要保护功能有:直流侧过压保护、交流侧过流保护和变流器桥臂直通保护。
有源电力滤波器电流环的目的是控制变流器使其输出的电流跟踪所需补偿的负载谐波电流,由于负载谐波电流是时变的,并且变化速率高,因此,要求有源电力滤波器的电流环控制具有很快的电流跟踪速度,这样即使非线性负载快速变化,有源电力滤波器也能很好地补偿负载的谐波电流。而直流侧电容电压变化速度并不快,因此维持直流侧电容电压基本不变的控制环节响应速度也要求不高,电压环控制器响应速度可以设计为电流环跟踪控制速度的十分之一[2]。由于有源电力滤波器电流环和电压环的特点和控制的目的不同,因此在60kva有源电力滤波器装置中,虽然电压控制环和电流控制环都采用pi调节器,但两者的参数设计和调试方法是不一样的。
apf的调试包括电压控制环的调试和电流控制环的调试,可分为以下几步:
3.1apf直流侧电压升压控制调试
apf上电合上开关s后,apf直流侧电容通过二极管充电,电压稳定在约为540v,60kva有源电力滤波器补偿电网谐波电流时直流侧电压实际工作电压为650v,因此,应首先控制变流器,使其电压从540v上升到650v。为避免apf产生谐波电流,采用pwm整流给apf直流侧电容充电。
这部分调试主要是确定pwm整流电流内环和电压外环的控制参数。在整流过程中首先是确保系统的稳定性,其次为避免直流侧过电压导致装置损坏,在整流过程中要使直流侧电压具有较小的超调量。由于有源电力滤波器直流侧电容电压的升压控制中,对于电压上升时间要求不高,因此在pwm整流过程中,确定电压环pi参数时,应选取较小的比例和积分参数,这个环节的特点是较长的电压调节时间和较小的超调量。pwm整流控制器参数具体调试过程是:
(1)首先确定pwm整流器电流内环pi调节器参数。电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行单位功率因数正弦波电流控制。为实现单位功率因数正弦波电流控制,60kva有源电力滤波器采取三相坐标系到两相旋转坐标系的变换,从而达到变流器网侧有功、无功电流的独立控制。电流内环按典ⅰ型系统设计的pi调节器参数kip和kii可以按下式选择[4]:


(1)


式中,ts为pwm开关周期,kpwm为变流器等效增益,τ=l/r(l、r分别为变流器交流侧电感和电阻)。
(2)其次单独采用比例调节器控制有源电力滤波器直流侧电压,调试比例环节参数。在给定上升时间和超调量的条件下,根据理论[4]计算,初步计算出比例调节器的参数,采用此参数进行实验并进行参数调整,确定直流电压上升时间和超调量达到要求的比例参数。需要注意的是,单独采用比例调节器时,控制电压是有差的,控制稳定后,直流侧电压和给定量650v有一定的误差。
(3)最后采用比例积分控制器,调试积分环节参数。按照上一步确定好电压控制器比例环节参数后,加入积分环节,通常积分器的参数初始值可以选择比例积分参数的十倍左右,然后在实验中进行实验调整。加入积分环节后,有源电力滤波器直流侧的电压可以控制到给定值650v,消除稳态误差。
将有源电力滤波器直流电压控制在650v后,可以控制有源电力滤波器进行谐波补偿。
3.2 apf补偿谐波时电流环控制调试
(1)apf补偿电网谐波电流时,检测到的谐波电流作为电流环指令信号,电流环调试主要确定电流控制环的pi控制参数,使apf电流跟踪具有较高的控制精度和动态响应速度。
(2)电流环的给定信号是检测到的谐波电流和维持apf直流侧电压的有功电流之和,具有时变和高变化率的特点,因此电流环的调试也是apf调试的难点。
(3)确定电流环参数主要从电流补偿精度、动态响应速度和保证系统稳定性来进行设计和确定。
(4)当有源电力滤波器的电流控制环节采用pi控制时,较大的比例参数有利与系统的控制精度和动态响应性能,但不利于系统的稳定性,特别是对于有源电力滤波器这样的非线性、时变和受负载影响较大的电力电子装置来说,电流控制环节的稳定性对于整个有源滤波器系统的稳定性至关重要。
(5)电流环比例积分的系数kp和ki分别决定了电流控制的暂态响应和稳态误差,有源电力滤波器电流环控制确定比例积分系数的经验公式为[2]


(2)


式中,l为apf交流侧电感,l0为apf交流侧导线等效电感,ωc为产生pwm波时载波频率,vdc为apf直流侧电压。
(6)通过系统参数和式(2)确定有源电力滤波器电流环pi控制参数,在实验中进行调整,达到系统性能要求。
3.3 apf补偿谐波时直流侧电压环控制调试
当apf直流侧电压达到650v后,apf开始补偿电网中的谐波电流。apf在补偿谐波电流时,会消耗直流侧电容能量,同时有源电力滤波器本身存在由于线路电阻和开关损耗带来的有功损耗,以及工作状态变化时有时需要从系统吸收一定的有功功率,因此会引起其直流侧电容电压波动或导致直流侧电压的降低,影响有源电力滤波器的正常工作或导致直流侧出现过压,危及有源电力滤波器的安全可靠运行。因此在控制有源电力滤波器补偿谐波电流的同时,要求维持其直流侧电压基本不变。apf在补偿谐波电流时,必须对直流侧电压进行控制,但与电流控制响应速度较快不同,电压控制的响应速度仅为电流跟踪控制速度的十分之一左右。apf补偿谐波电流时直流侧电压环控制的参数调试:
(1)首先确定比例环节的参数
在给定的响应速度的条件下,确定比例环节的控制参数,在实验中调整比例环节参数。
(2)然后再确定积分环节控制参数
消除稳态误差,通常积分环节参数可以选择为比例环节参数的十倍左右进行调整。图4是60kva有源电力滤波器工作时电压环采用pi控制时直流侧电压波形。

图4 apf直流侧电压波形


图4中,通过pi电压环控制,apf直流侧电压基本恒定,直流侧最大电压为651.5v,最小电压为648.5v,最大波动率为0.23%。从实验波形可以看出,直流侧电压pi控制取得了很好的控制效果。
根据以上调试步骤确定控制器参数,进行apf谐波补偿实验,图5为60kva并联有源电力滤波器电流环给定指令信号和输出电流波形,其中图5(a)为apf电流环给定信号,图5(b)为apf输出补偿电流波形。

图5 给定谐波电流和apf输出谐波电流波形


补偿前后电网电流波形如图6所示。

图6 补偿前和补偿后电网电流波形


从图6可以看到,投入apf后电网电流基本上实现了电流正弦化,电网电流的谐波总畸变率从补偿前的20.78%下降到补偿后的3.79%,补偿取得了较好的效果。


4 结束语
有源电力滤波器作为极具应用前景和经济效益的谐波抑制和无功电流补偿装置,得到了广泛的关注和研究。apf是一个响应速度快、非线性强的电力电子装置,对其电流控制具有较高的要求。本文以60kva并联有源电力滤波器的现场调试为基础,总结和分析有源电力滤波器的调试步骤,实验结果显示,补偿取得了较好的效果。

作者简介
吴勇(1970-) 男 副教授,研究方向:电力电子技术及应用。

参考文献
[1] 王兆安,杨君,刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿(第一版). 北京:机械工业出版社,2004
[2] 姜齐荣,赵东元,陈建业. 有源电力滤波器—结构·原理·控制(第一版). 北京:科学出版社,2005
[3] thomas t, haddad k, joos g, jaafari a. design and performance of active power filters. ieee,industry applications magazine,1998,4:21-31
[4] 张崇巍,张兴. pwm整流器及其控制(第一版). 北京:机械工业出版社,2005
[5] 杨德刚,刘润生,赵良炳. 三相高功率因数整流器的电流控制. 电工技术学报,2000,15(2):83-87

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