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《配電網三相四橋臂有源電力濾波器控制研究》
許 瑩1；許科生2 ；羅義釗3；陳 彪3(1.國網江蘇省電力公司無錫供電公司, 江蘇 無錫 214000; 2.國網江蘇省電力公司宜興供電公司 ，江蘇 宜興 214200; 3.福建網能科技開發(fā)有限責任公司, 福建 福州 350003 )
摘要:針對三相四線制配電網中日益嚴重的諧波和中線電流問題 ,對并聯(lián)型三相四橋臂有源電力濾波器(APF)進行研究。提出一種采用基波正序電壓提取環(huán)節(jié)來鎖定相位和頻率的無鎖相環(huán)改進檢測法,建立了三相四橋臂 APF的高 頻數學模型,采用基于,0,e坐標系的三維空間矢量 脈寬調制(3D-SVPWM)算法及電壓電流雙閉環(huán)筑略進行控制 。最后,對提出的控制策略進行了實驗研究,實驗結果驗證了其正確性和有效性。關鍵字:有源電力濾波器;無鎖相環(huán);空間矢量 脈寬調制
1 引言 近年來，隨著以電力電子裝置為代表的非線人性電氣設備大量使用 ，三相四線制低壓配電網中諧波和三相不平衡 問題日益嚴重 ，給電網造成嚴重污染。APF作為抑制諧波和補償無功的有效手段，是當前電能質量優(yōu)化領域的一個研究熱點。這里以并聯(lián)型三相四橋臂 APF為研究對象 提出一種采用基波正序電壓提取環(huán)節(jié)來鎖定相位和頻率的無鎖相環(huán)改進檢測法;建立了三相四橋臂 APF的高 頻數學模型 ，采用基于a,b,c坐標系的3D-SVPWM算法及電壓電流雙閉環(huán)策略進行控制。最后，搭建實驗平臺對控制策略進行實驗驗證，并分析實驗結果 ，證實了其正確性和有效性。
2 三相四橋辟 APEF數學模型 四橋保APF主電路結構如圖1所示 。
圖1 四橋臂APF主電路拓撲結構
這里定義Sk,(k=a,b,c,n)為開關函數,當上橋臂導通,下橋臂關斷時,Sk,=1;當下橋臂導通,上橋和臂關斷時,Sk=0 。采用坐標變換方法將α  ,b,c坐系中的數學模型變換到旋轉d,q,0坐標系,可得:
由式(1)可見 ,選擇恰當的控制策略對Sd,Sq，So進行通斷控制,即可使APF輸出所需補償電流 。
3 三相四橋臂 APF 3D-SVPWM算法 四橋臂變流器拓撲結構如圖2所示 ，變流器由a,b,c,n 4個橋臂構成，共有16種開關狀態(tài) 。Ua,Ub,Uc,Un分別為4個橋豆交流側和輸出電壓 。
圖2 四橋芝變流器拓撲結構
將16個開關狀態(tài)所表示的矢量繪制于a,b,c坐標系中，即可得a,b,c坐標系下開關矢量圖 ，如圖3所示 。可見 ,16個基矢量端點都位于兩個正方體頂端,U1～U8上面的立方體區(qū)域內,U9～U16在下面的立方體區(qū)域內 。圖3所示空間十二面體是由兩個正方體交疊而成 ，正方體邊 長為單位Ⅰ，代表Udc 。該十二面體中有6個面與坐標軸確定的平面平行 ,分別是Ua=±1,Ub=±1,Uc=±1,其他6個面與坐標面成45°,分別是Ua -Ub=±1, Ub -Uc=±1, Ua –Uc=±1。判斷出參考矢量所在的空間位置并計算矢量作用時間 ,即可進行等效合成。
圖3 a,b,c坐標系下的開關矢量圖
4 改進的無鎖相環(huán)FBD法 三相電網電壓不對稱時,普通 鎖相環(huán)鎖相結果將與a相電網電壓基波正序分量存在相位誤差，此時,檢測到的有功及無功電流分量將存在一定誤差,從而影響到補償指令電流的準確獲取 。這里提出一種無鎖相環(huán)FBD檢測方法,其原理如圖4。改進方法用基波正序電壓提取環(huán)節(jié)替代原來的普通鎖相環(huán),其具體結構如圖5。運算和矩陣分別為：
圖4 改進FBD法原理框圖
圖5 基波正序電壓提取環(huán)節(jié)的原理結構
設電源電壓畸變且三相不對稱 ，即電壓中包含負序和零序分量，將其表示為：
式中：ω為電網電壓基波角頻率；En+,En-,En0分別為n 次諧波電壓正、負、零序分量幅值；φn+, φn-, φn0分別為a相諧波電壓正、負、零序分量初相角；ω1=nωt+φn+-120°；ω2=nωt+φn-+120°；ω1’=nωt+φn++120°；ω2’=nωt+φn--120° 經式(3)可得:
經C1將eab, ebc變換為:
由于ω ，將ep ，eq的高頻分量濾除后,即可得到近似的直流分量為：
將ep, eq單位化得到:
上式經C2運算后,ω0和θ將被消去,從而得到與三相基波正序電壓同頻同相的參考信號ual+, ubl+, ucl+, 表示如下：
由以上分析可以看出,即使在三相電壓不對稱和頻率波動的情況下,基波正序電壓提取環(huán)節(jié)也能準確計算出頻率和相位信息。
5 實驗 四橋臂APF實驗平臺結構如圖6所示 。
圖6 四橋臂APF系統(tǒng)結構
主要由四橋臂變流器 、不可控整流橋負載、基于數字信號處理器(DSP)的控制平臺及相應的傳感器組成 。主電路變流器設計容量為10kVA,額定電流為15A 。IGBT為BSM5OGB120PLC,橋臂緩沖電路采用單電容方式。直流側電容采用耐壓450V 、容量3900μF的鋁電解電容兩并兩串組成 。變流器交流側電感4mH。整流橋交流側電抗為0.1mH,負載電阻10Ω 。實驗時電源電壓調節(jié)為15V,直流側電壓控制為100V 。采用 FLUKE435電能質量分析儀進行相關測量和分析。圖7為負載電流波形及a相電流頻譜,可以看出三相負載電流畸變嚴重且不對稱,a相電流畸變率達到17.2%,中線電流較大,有效值達到了1.488A 。圖8為補償后網側電流波形及其頻譜 。補償后a相電流畸變率分別為2.8%,中線電流有效值下降到了0.113A,補償效果明顯。驗證了控制策略的有效性 。
圖7 負載電流波形及其頻譜
圖8 網側電流波形及其頻譜
圖9為突加負載時
圖9 突加負載時變化情況
6 結論
通過實驗分析可知,采用所述基波正序電壓提取環(huán)節(jié)來鎖定相位和頻率的無鎖相環(huán)改進檢測法及控制策略能對諧波及中線電流進行有效補償,并具有良好的靜動態(tài)性能。實驗結果驗證了所述控制策略的有效性和正確性,具有良好的工業(yè)應用前景
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與理想頻率
