有源電力濾波器拓撲結構及控制策略概述

2.2 控制系統及控制策略

有源電力濾波器的控制系統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主要有模擬控制系統、數字控制系統以及數字模擬混合控制系統三類(lèi)。近年來(lái)隨著(zhù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種數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逐步由模擬控制系統轉化為模擬數字混合控制系統及純數字控制系統。下面主要介紹有源電力濾波器的數字模擬混合控制系統與數字控制系統。

2.2.1 數字模擬混合控制系統

有源電力濾波器的控制系統一般由兩個(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諧波檢測環(huán)節送來(lái)的數字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，快速檢測出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號送給觸發(fā)脈沖發(fā)生部分。而觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據該信號產(chǎn)生適當的驅動(dòng)脈沖去驅動(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，從而達到諧波補償的效果。所謂數字模擬混合控制就是通過(guò)數字電路檢測并產(chǎn)生所需補償的參考諧波信號，獲得參考諧波信號后，通過(guò)模擬電路實(shí)現諧波跟蹤(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(lèi)控制器中滯環(huán)比較器由于產(chǎn)生的補償電流參考信號能夠快速準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，把檢測出的補償電流信號ie 與實(shí)際產(chǎn)生的補償電流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，從而控制補償電流ic的變化。此類(lèi)控制器中由于滯環(huán)比較器產(chǎn)生的補償電流參考信號能夠快速準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用。滯環(huán)比較控制的特點(diǎn)可歸結為：硬件電路十分簡(jiǎn)單;屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應很快;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，由此導致主電路中電力半導體器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。尤其是當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)寬可能使補償電流的相對跟隨誤差過(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設計的難度。

針對采用滯環(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 設計成可隨ic 的大小而自動(dòng)調節的;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ic 變化量判斷一次，使得PWM信號需要至少一個(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)常采用的一種數字模擬混合控制器的模擬部分。其中參考電流信號由微處理器通過(guò)D/A轉換變成模擬信號送到模擬控制部分。有源電力濾波器的補償電流與參考電流進(jìn)行比較，通過(guò)比例積分環(huán)節后成為調整信號，與三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的作為載波信號的三角波進(jìn)行比較，獲得驅動(dòng)有源濾波器逆變器的PWM驅動(dòng)脈沖。圖12中，當控制信號大于鋸齒波，則PWM脈沖信號為高電平;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)際應用時(shí)可根據系統要求選擇。日本電氣學(xué)會(huì )的調查結果也表明了這一點(diǎn)，兩種方法在實(shí)際應用中大體上各占一半，基本相當。

2.2.2 數字控制系統

隨著(zhù)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生PWM脈沖的數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(zhuān)門(mén)電路或通過(guò)可編程邏輯器件實(shí)現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(zhù)顯著(zhù)的提高，因此有源電力濾波器的控制系統已經(jīng)逐步變成純數字的控制系統。與其他的電力電子裝置類(lèi)似，根據有源濾波器控制算法的復雜性我們可以選擇不同的數字控制系統來(lái)實(shí)現。通常的控制系統一般有基于單數字信號處理芯片的帶有PWM信號的控制系統。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)現有源電力濾波器的控制系統。當然，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)現簡(jiǎn)單的控制算法。如果要實(shí)現更加復雜與先進(jìn)的算法，可采用多DSP芯片的控制系統或者DSP+FPGA(現場(chǎng)可編程邏輯陣列)的通用控制系統。采用雙DSP 或DSP+FPGA結構，其中一個(gè)DSP處理器用來(lái)完成數據處理、控制與高層保護功能;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(lèi)方法。具體分類(lèi)方法見(jiàn)上所述。

2.4 保護電路

保護系統采用快速硬件保護(與功率單元直接連接)和高速DSP的軟件保護相結合的方式，實(shí)現雙重保護機制，使得系統安全，運行可靠。

2.5 耦合變壓器

前面講到的兩種主電路結構都通過(guò)連接電抗器直接接入系統，但對于電壓較高的情況，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、二次側的絕緣隔離可以防止出現不必要的電氣連接，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)。

這主要是因為有源濾波器對耦合變壓器存在較高的要求，因此在設計選擇耦合變壓器時(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)鐵心結構選擇由于有源濾波器輸出的三相電壓或電流是相互獨立的，因此要求耦合變壓器三相獨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構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立。

3 有源濾波器設計步驟及參數選擇

3.1 設計有源濾波器一般步驟

1)應該根據所需要補償的負荷諧波次數及容量確定有源濾波器補償電流諧波的最高次數及諧波的容量。

2)根據補償效果及諧波就地補償等原則確定有源濾波器的接入點(diǎn)。

3)根據接入點(diǎn)的電壓等級及負荷的結構確定有源電力濾波器的電壓等級及相應的主電路結構。對于380 V 系統，一般選擇通過(guò)電抗器直接接入三相系統。而對于10 kV的系統，通常選擇通過(guò)耦合變壓器接入系統。

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

3.2 參數選擇

3.2.1 電感選型

對于并聯(lián)型有源電力濾波器，其主要功能是補償電流ic(t)快速跟蹤負荷電流中的諧波電流，從而使流入配電系統的諧波電流很小，避免對系統的污染。為了使ic (t)能夠快速跟蹤要補償的電流，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(mǎn)足補償電流的要求，即逆變器補償的電流必須大于等于補償電流，也即有源濾波器的補償容量滿(mǎn)足負荷補償的要求;其次，有源濾波器輸出電流的變化率即dic(t)/dt 要大于等于補償電流的變化率，只有這樣有源濾波器才能快速跟蹤補償電流的變化。

第一個(gè)條件在設計有源濾波器時(shí)通過(guò)考慮容量即可滿(mǎn)足，而第二條常常是衡量有源濾波器性能好壞的關(guān)鍵。因為非線(xiàn)性負荷種類(lèi)很多，需要補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，在設計時(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，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故障，會(huì )產(chǎn)生較大的過(guò)電流，從而影響系統。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，則等效電感對應的基波電抗的標幺值約為20%，電感值通常為mH級別。

3.2.2 直流母線(xiàn)電容

因為提高直流側電容電壓Ud c(t)可以提高有源電力濾波器電流跟蹤能力。因此設計有源濾波器時(shí)，應該根據最?lèi)毫拥臈l件估算出需要補償的負荷電流的最大變化率，選擇合適的直流側電壓。直流側電壓選定后，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。直流側電容容量在允許的范圍內(電容容量應避免與電抗產(chǎn)生諧振)當然越大越好，但電容過(guò)大增加了裝置的成本。直流側電容容量的選擇主要是防止直流電容電壓的波動(dòng)，計算電容電壓波動(dòng)時(shí)必須考慮諧波引起的電容電壓波動(dòng)。

4 應用情況及前景展望

目前，有源濾波技術(shù)已在日本、美國等少數工業(yè)發(fā)達國家得到應用，有許多工業(yè)裝置投入運行;國內對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(cháng)足的發(fā)展，有源電力濾波器的價(jià)格也不斷降低。隨著(zhù)人們對諧波污染認識的不斷加深，有源電力濾波器的應用前景是相當光明的，在國內的應用也將越來(lái)越廣泛。