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(zhù)電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力有源濾波器(簡(jiǎn)稱(chēng)APF)逐步進(jìn)入成熟應用的階段。電力有源濾波器是一種基于脈寬調制、信號處理和大功率高速自關(guān)斷電力電子器件的電力電子設備(不排除利用多重化技術(shù)由低頻器件構成等效高頻拓撲結構方式和早期的強迫換流方式)，它通過(guò)向交流電力系統實(shí)時(shí)注入與系統諧波相位相反大小相等的補償諧波，達到消除系統諧波污染的目的。國內對電力有源濾波器的研究起步很早，所取得的理論成績(jì)也并不比國際水平低，但是由于國民經(jīng)濟實(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)驗室階段。

國外工程界已對有源濾波器進(jìn)行了多年的實(shí)踐，在電力電子設備的制造技術(shù)和運行方面積累了豐富的經(jīng)驗，目前已經(jīng)先后有ABB、西門(mén)子、梅蘭日蘭等幾家外國公司開(kāi)始在我國國內推銷(xiāo)該類(lèi)產(chǎn)品。在這種情況下，推動(dòng)國內電力有源濾波器的實(shí)用化研究具有迫切的現實(shí)意義。本文希望從工程應用的角度發(fā)表一些淺見(jiàn)。

2研究方案選擇

文獻[1]列舉了數百篇APF的相關(guān)文獻，對近年來(lái)的有源濾波器技術(shù)進(jìn)行了概括性的點(diǎn)評。串并聯(lián)合用的APF(又稱(chēng)UPQC)對電力系統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、也是最早出現的系統形式，主要適合于抑制電流型諧波和擾動(dòng)。
文獻[2]將負載產(chǎn)生的諧波分為電流源型和電壓源型，認為并聯(lián)型APF對前者有較好的補償效果而對后者補償效果較差，串聯(lián)型APF則反之。雖然這樣的分析有重要的理論意義，但是從現場(chǎng)的實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，文獻[2]中純粹的電容性整流型負載并不存在，即便在對蓄電池充電的場(chǎng)合，也會(huì )加裝直流側的平波電抗器，退一步說(shuō)，即便存在這類(lèi)負載，在交流側的隔離變壓器前也可使用并聯(lián)型APF對負載進(jìn)行補償。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(xiàn)制APF技術(shù)改進(jìn)后即可用于民用的三相四線(xiàn)制情況，本文的仿真限于對工業(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坐標法的階躍響應

圖3同步dq坐標法的斜坡響應

APF技術(shù)的關(guān)鍵在于：
（1）指令電流分離技術(shù)；
（2）補償電流形成技術(shù)；
（3）整體系統的穩定控制。

對補償電流的形成，目前公認的適用于較大功率場(chǎng)合的方法如文獻[8]提供的固定頻率的空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術(shù)，只要開(kāi)關(guān)頻率足夠高，逆變器就有足夠的響應速度；對于整體系統的穩定控制策略涉及復雜的數學(xué)推導，不在本文討論范圍內；指令電流分離技術(shù)的種類(lèi)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A(yíng)PF設計過(guò)程中充分利用數字技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)并附加復雜功能的方式成為可能，因而在工程應用中用DSP實(shí)現具體算法是有意義的。

當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，其中比較適合的方式有：瞬時(shí)虛功率法、同步d?q坐標法[3]、無(wú)差拍法[4][5]和檢測逆變器直流電容電壓換算的方法[6]。但是瞬時(shí)虛功率法在系統電壓出現畸變時(shí)不能準確檢測諧波電流(見(jiàn)文獻[9]第6章)。無(wú)差拍控制法基于零極點(diǎn)配置技術(shù)，對系統參數非常敏感，難以適用于實(shí)際工程應用，本身就還有待改進(jìn)。檢測直流電容電壓的方法[6]在極端情況下將會(huì )負擔一個(gè)周期的負載有功損耗[6]，因而僅適用于相對較小功率場(chǎng)合。同步d?q坐標法對負載電流進(jìn)行旋轉Park變換后利用數字積分方法直接抽取對應于交流側電氣量基波成分的方法，再利用簡(jiǎn)單加減法獲得補償電流指令值，物理意義明確而且易于實(shí)現；文獻[3]在同步d?q坐標軸上進(jìn)行積分的同時(shí)，以當前點(diǎn)的測量值為基準，根據坐標軸上各次諧波軌跡延伸預測下一點(diǎn)應產(chǎn)生的瞬時(shí)補償電流，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仿真結果

本文利用MATLAB對文獻[3]的方案進(jìn)行了仿真研究，利用電氣庫對一次部分進(jìn)行建模，利用SIMULINK的基本庫和S?函數構建具體的離散算法，并在NT工作站上進(jìn)行仿真。同步d?q坐標法的動(dòng)態(tài)響應如圖2及圖3所示：(仿真頻率為50Hz)

圖2中，虛線(xiàn)為代表交流電流輸入值，幅值呈兩次上下階躍變化，實(shí)線(xiàn)為同步d?q坐標法的計算輸出值，實(shí)線(xiàn)在第一個(gè)周期0?02s的上升過(guò)程是由于計算中數字積分的數組初始狀態(tài)為全零值，必須經(jīng)過(guò)一個(gè)周期才能精確跟上系統值的過(guò)程，這一過(guò)程會(huì )導致APF調制錯誤，在實(shí)際運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(jiàn)，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的變化，這也是任何一種方法都不可避免的；如果計及電源跟上負載變化有一定的延遲，當負載突然增加，電源供電能量增加之前，APF將為負載提供一部分能量；反之，APF將吸收一部分電源多提供的能量。這說(shuō)明在實(shí)際系統的變化過(guò)程中，APF將會(huì )在電源和負載之間起到一定的緩沖作用。實(shí)際工程設計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(jiàn)，同步d?q坐標法的斜坡響應滯后于輸入信號的變化約半個(gè)周期，表明在負荷單調連續變化過(guò)程中，APF將

圖4負載電流波形及頻譜分析

圖5補償后電源電流波形及頻譜分析

圖6大電流情況下電源電流波形及頻譜分析

注：圖5中的頻譜分析中2000Hz以上部分有小的突起，這些部分可以很容易地用并接小電容的方法濾除，由于SIMULINK未能仿真出這一效果，故有待使用試驗樣機進(jìn)行驗證。

持續為負載提供能量，或將持續被電源充電；這將會(huì )導致逆變器直流側的電壓不穩；由于不論數字式濾波或模擬式濾波都有的滯后性，這種情況難以避免，當然在實(shí)際系統中，將會(huì )由電容電壓控制部分進(jìn)行調節，以補償電容能量的波動(dòng)，因而實(shí)際的運行效果不會(huì )這么惡劣。實(shí)際系統中，傳統的PI控制法需要人工通過(guò)現場(chǎng)試驗調整，如何簡(jiǎn)化整定方法或采取其它策略獲取較好的特性還有許多工作可做。

基于諧波電流預測控制法進(jìn)行指令電流分離和預測的推算方法和有關(guān)公式請參閱該文獻[3]，這里僅列出部分仿真結果如圖4及圖5所示。圖4和圖5中的仿真條件見(jiàn)表1。

表1圖4和圖5的仿真條件

負載電流THD51.4％電源電流THD4.22％由于篇幅所限，所有仿真結果不能一一列出，僅簡(jiǎn)單列出分析結果如下：
(1)在負載電流較大的情況下(減小負載阻抗)，APF的補償效果明顯改善，如圖6所示，圖中的頻譜分析方法同上：THD=198％
其中原因可能是因為相同一次情況下固定的開(kāi)關(guān)頻率對應的調制引起的高頻諧波電流基本相近，尚需進(jìn)行具體的分析。

(2)補償電感確定時(shí)，諧波電流抑制的效果與電容電壓的關(guān)系為：(電容電壓值以滿(mǎn)足符合有關(guān)標準的補償效果為合適值)

電容電壓低于合適值(欠補償狀態(tài))諧波較大，主要為低頻畸變。分析主要原因為逆變器飽和，無(wú)法產(chǎn)生足夠的實(shí)時(shí)補償電流，補償效果不佳；
電容電壓高于合適值(過(guò)補償狀態(tài))諧波較大，主要為高頻畸變。分析主要原因為逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的補償電流的震蕩；

電容電壓處于合適值范圍，補償后電源電流諧波在允許范圍以?xún)取?/p>

(3)文獻[9]中認為直流側電容電壓至少應大于3倍的交流側電壓峰值，并給出了具體的分析，但是在實(shí)際仿真中，將電容電壓降至450V，遠低于3倍的交流側電壓峰值，仍然得到了如圖5的效果，考慮原因是本文所使用的SVPWM方法特性與文獻[9]中的情況不同，具體情況有待進(jìn)一步分析。

4結語(yǔ)

(1)通過(guò)具體的仿真研究發(fā)現，文獻[3]提供的基于同步d?q坐標軸法的諧波預測算法對三相三線(xiàn)制整流負載的特征諧波具有較好的檢測效果，在較大功率的應用場(chǎng)合有較好的適用性，但是對于系統中的瞬變過(guò)程以及分數次諧波無(wú)效，對這部分信號的抑制作用由APF的基本原理完成。

(2)由于短期內電力電子器件本身的限制，一方面IGBT等相對快速的器件還未能達到足夠的開(kāi)斷和耐壓容量，另一方面器件的價(jià)格造成高電壓、大電流的APF成本很高，而且即便采用各種多重化技術(shù)，這類(lèi)裝置要完全取代現有的傳統技術(shù)，無(wú)論從資金、制造技術(shù)來(lái)說(shuō)法，在國內外都不現實(shí)(美、日等國的制造水平約為單臺1000kVA以?xún)萚1])；而在中小功率的負載端，并與傳統技術(shù)結合，應用于各級電網(wǎng)專(zhuān)門(mén)治理諧波污染，有廣闊的或者說(shuō)即將有廣闊的前景。因而在實(shí)際的與傳統技術(shù)配合的過(guò)程中，對文獻[3]提出的方法需要做出適當的改進(jìn)(3)文獻[3]本身的仿真沒(méi)有考慮系統阻抗對補償效果的影響，這一假設在實(shí)際系統中負載端正常運行時(shí)是可以接受的，進(jìn)一步的仿真也說(shuō)明在系統阻抗相對于負載阻抗較小的場(chǎng)合，這種諧波預測方法可以取得較好的效果。

綜上所述，本文所選的方案具有較好的工程可實(shí)現性。