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《谐波电流检测位置对有源电力滤波器性能的影响研究》

孙广星,杨涛,王永新,孙伟

西安西电电力系统有限公司



摘要:本文介绍了并联有源电力滤波器谐波补偿的工作原理,分析对比了2种谐波电流检测位置下的谐波补偿控制算法。在PSIM90仿真软件中分别搭建了这2种电流检测位置下的有源电力滤波器仿真模型。仿真结果表明,2种谐波电流检测位置下的有源电力滤波器均可以实现治理谐波的目的,并且比较了滤波器在负载侧检测谐波电流和在电网侧检测谐波电流的不同特点。


0 引言

大容量非线性负载的大量投入使用,使得电网电能质量受到严重的谐波危害,因此对谐波的治理刻不容缓。目前有源电力滤波器(active power filterAPF)已经成为治理谐波的有效工具。在我国有源电力滤波器的控制技术日益成熟,大量有源电力滤波器设备已经投入工业应用。在实际应用中,谐波电流检测通常有2种方式,一是在负载侧检测,二是在电网侧检测。在不同位置检测谐波电流时,相应的APF控制策略和最终补偿效果会有差异。本文介绍了这2种检测位置下的APF控制策略,并通过PSIM90仿真软件,以三相不控整流带阻

性负载为谐波源,对比了在电网侧检测谐波与在负载侧检测谐波2种方式下APF的优缺点。


1 APF的工作原理

并联型有源电力滤波器的结构图,通过检测补偿对象中的电流,计算得出补偿对象中的谐波电流成份,由并联有源电力滤波器产生一个与补偿对象中的谐波电流大小相等方向相反的电流,以抵消补偿对象中的谐波电流,从而避免负载中的谐波电流流入电网中。对于有源电力滤波器谐波电流检测位置通常有2种,一种是在负载侧检测,即检测图1中的负载电流iload;另外一种是在电网侧检测,即检测图1电流is1us为电网电压;iAPF为有源电力滤波器的补偿电流,其方向定义为流入公共连接点为正;is为电网电流,is的方向定义为流出电网为正;iload为负载侧电流,iload的方向定义为流人负载为正;uDCAPF的直流侧电压。以在负载侧检测谐波电流为例,通过以下公式说明APF工作原理。 

(1)  

而负载电流由基波和谐波电流组成,即

      (2)           

如果设置iAPF=ih,则is=i1,保证了电网电流中只有基波电流。

 

1  并联有源电力滤波器结构图


2 不同谐波电流检测位置的APF控制策略

2.1 负载侧谐波电流检测与控制

如图1所示,将电流互感器CT安装在负载侧并对负载中的谐波电流进行检测,检测得到的电流送至APF计算提取需要补偿的谐波电流并发出补偿电流,从而消除负载向电网中注入的谐波电流。

APF控制采用双闭环控制,对于电压源型并联APF,必须稳定其直流侧电压,因此控制策略采用外环控制直流电压,内环控制系统输出电流的方案。

2为在负载侧检测谐波电流时的APF控制方框图。从负载侧检测得到的负载电流iload经过延迟构造α、β轴电流,经过αβ一dq变换得到负载电流的dq轴分量。其中θ为电网电压的初始相位,经过低通滤波器之后,得到负载电流中基波电流的d、q轴分量。将d轴分量加上直流电压的误差调节输出,经过dq一αβ反变换得到基波电流值。通过负载电流iload减去基波电流ia_1得到负载电流中的其他电流分量ih,ih中主要为谐波电流分量,另外也包含了维持直流侧电压稳定的基波电流分量。最后通过电流调节器得到调制波信号。

 

图2  负载侧谐波电流检测控制框图


2.2 电网侧谐波电流检测与控制

由于在实际中,我们也关心补偿之后的电网侧电流的状况,比如补偿之后电网电流的总谐波系数(THD),电流的大小等等。因此有必要检测电网侧电流。此时的CT安装在电网侧,见图1所示;此时谐波电流补偿控制同样使用双闭环策略,也类似于 2.1节所述,其控制策略不再赘述。


3 不同谐波电流检测位置下的控制对比

负载侧与电网侧2种谐波电流检测位置下的APF控制系统数学模型如图3所示。从图中可以看出负载侧检测谐波电流相对于控制目标而言为开环检测,即检测负载中的谐波电流之后,APF发出与所检测的谐波电流幅值相等、相位相反的谐波电流即可。而在电网侧检测谐波电流时,当APF装置刚开始运行时,电网电流is会因为APF的投入而变化,即is1=is--iAPF,is2=is--is1……,即is1个积分累加器,当is累加到电网中电流为基波电流时则停止积分,系统稳定运行。即在电网侧进行的谐波电流检测及控制实际上是1个闭环系统,APF发出电流之后,会与指令i1作误差运算,最终目标是将误差调节为0。根据控制理论,开环补偿比闭环补偿速度快,但是无法消除回路中的误差。

 

3  APF控制模型


因此从补偿速度上看,在负载侧检测谐波电流的APF补偿速度比电网侧检测的补偿速度快。从补偿精度上分析,若cT采样回路出现采样误差时,那么在电网侧检测谐波电流的APF控制精度比载侧检测要高。


4 仿真分析

在PSIM9·0中搭建三相四线制APF仿真模型,负载模型使用三相不控整流模拟电网中的谐波电流。仿真主电路如图4所示。


 

4  仿真主电路

仿真参数见表1

表1 仿真参数

 


4.1 谐波补偿效果仿真

    根据仿真模型,进行仿真得到负载电流及其谐波含量以及CT在不同检测位置时的APF补偿效果,如图5、图6、图7所示。

 

5  负载电流及其谐波含量


    结合图5,通过对比图6和图7 2种检测位置时的补偿效果,从电网电流FFT中分析可知,2种检测位置下的APF补偿效果几乎相同。即均可以使负载中的谐波电流和APF中的谐波电流互相抵消,保证电网电流的谐波电流含量远远小于负载电流中的谐波电流含量。

 

6  负载侧检测时电网电流及其谐波含量


 

7  电网侧检测时电网电流及其谐波含量


4.谐波补偿响应时间仿真

本节主要通过仿真结果分析在负载侧和在电网侧检测谐波电流时的APF响应时问差异:

cT置于电网侧与负载侧2种情况下,当负载发生突变时,对APF补偿之后的电网电流响应速度进行对比。

1) 负载电流突升。图8和图9分别为cT在电网侧时和在负载侧时的电网电流阶跃响应图。

8和图9中在0.045 s(t1)时刻负载电流突然增加1倍,对比2张图可以看出在t2时刻均可以跟踪上负载电流突升,但是CT装在电网侧时APF的响应时间要大于CT装在负载侧时的响应时间。

 

8 CT在电网侧时电网电流阶跃响应


 

9  CT在负载侧时电网电流阶跃响应


2) 负载电流突降。图10和图11分别为cT在电网侧时和在负载侧时的电网电流阶跃向图。


 

10 CT在电网侧时电网电流阶跃响应

 

图11  CT在负载侧时电网电流阶跃响应


10和图11中在0.045 s(t1)时刻负载电流突然减小l倍,对比2张图可以看出在t2时刻均可以跟踪上负载电流突降,但是CT装在电网侧时的响应时间要大于CT装在负载侧时的响应时间。

综上可以得出结论,即CT安装在负载侧时的响应速度要大于CT安装电网侧,验证了前文所说的电流检测位置在负载侧时的APF开环控制特性。


4谐波检测回路误差仿真

    实际APF装置在检测谐波电流时,不可避免地要在各个环节存在检测误差,比如CT侧,信号变换侧和AD转换侧等等。本节主要通过设定检测回路误差来仿真对比2种谐波检测位置下的APF补偿效果。

1)检测回路存在0.8倍误差。图12和图13分别为CT在负载侧时和在电网侧时CT在在0.8倍误差时补偿后的电网电流及谐波含量。

 

12  CT在负载侧时CT存在0.8倍误差时补偿后的电网电流及其谐波含量


对比图12和图13可知,CT装在电网侧和负载侧,当CT出现20%采样误差时,CT在电网侧时的补偿效果优于CT安装在负载侧。

2) 检测回路存在1.2倍误差。图14和图15分别为CT在负载侧时和在电网侧时CT存在1.2倍误差时补偿后的电网电流及谐波含量。

对比图14和图15可知,当CT出现1.2倍误差时,负载侧检测时补偿后的电网电流出现谐波放大,电网中的谐波含量增多;而电网侧检测时补偿后的电网电流可以消除这种误差,仍可以达到补偿效果。


 

13 CT在电网侧时CT存在0.8倍误差时补偿后的电网电流及其谐波含量


 

14CT在负载侧时CT存在1.2倍误差时补偿后的电网电流及其谐波含量


 

15 CT在电网侧时CT存在12倍误差时补偿后的电网电流及其谐波含量


综上所述,从仿真结果对比分析可知,当CT安装于负载侧时,相对于控制系统为开环控制,当负载突变时,响应速度比安装电网侧时快;当CT安装电网侧时,相对于控制系统为闭环控制,可以消除谐波电流检测回路中的误差对整个控制系统的影响。


5 结束语

  本文理论分析了并联有源电力滤波器2种谐波电流检测位置对应的谐波电流检测方法和控制策略。并通过PSIM仿真软件对2种不同谐波检测位置的APF谐波补偿控制算法进行了仿真。仿真结果表明APF除了可以补偿负载中的谐波电流之外,针对不同的谐波检测位置,APF也呈现出不同的性能差异。

APF针对不同的谐波检测位置,呈现出的不同性能差异为:

1)当谐波检测位置在负载侧时APF装置的响应速度要比在电网侧时更快;

2)当谐波检测位置在电源侧时,其可以处理控制回路中的误差对整个系统的影响,尤其是当谐波电流存在检测误差时。

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