APF的高可靠性谐波共享双并联拓扑结构

1、APF的高可靠性谐波共享双并联拓扑结构摘要一一本文选用比例谐振控制器控制有源电力滤波器，并提出了一种新的双并联型APF 应用控制拓扑。靠近负荷侧的APF-1采用比例谐振控制器补偿五、十一、十七和二十三次 谐波；在系统侧的APF-2也采用比例谐振控制器补偿七、十三、十九和二十五次谐波。APF-1 和APF-2都选择系统侧谐波电流用来反馈控制，并且由于运用比例谐振控制器具有快速的 动态响应。与传统的双并联型APF拓扑结构相比，这个拓扑让两个并联的APF有不同的补 偿特性，以补偿选定的谐波并实现谐波共亭。当其中一个发生故障时，另一个APF仍然可 以补偿几乎一半的谐波。这个并联系统的提出对于系统扩展、

2、节约成本和提高功率都有明显 的优势。同时也讨论了不同的谐波电流的电路。本文分析了该系统的特点，设计了系统配直 和控制参数。在Matlab /Simulink下的仿直也表明了该系统配萱和控制策略的有效性和优 越性。关键字有源电力滤波器，谐波补偿，谐波共亭，比例谐振控制，并联拓扑结构。、简介非线性负载，如二极管、晶闸管整流器，会在配电系统中产生显著的谐波问题。有源电 力滤波器(APF)已被广泛用于解决电能质量问题1。也有很多有源电力滤波器的成功应 用的报道。然而，在一些特殊的行业领域，要求接口感应器可以承受大的谐波电流时，单一 有源电力滤波器不能满足承载力要求。一种解决方案是混合拓扑结构；另一种方

3、法是并联拓 扑结构。本文着重研究APF系统的双并联拓扑结构。除了功率的问题，本文旨在研究高可 霏性和高效率的双并联拓扑结构。实现快速、精确的电流控制是有源电力滤波器应用的关键。传统的线性比例积分(PD 控制器具有跟踪速度快的优点，但它也有稳态时有稳态误差的缺点。为了达到高的补偿效果 和快速的动态响应，提出了不同的瞬时值反馈控制方案，如无差拍控制，多回路控制。这实 现了高效的补偿和快速的动态响应。但也需要检测更多的变量。源于控制理论2-4部模型原理的比例谐振(PR)控制和重复控制，广泛应用于电网连 接的电压源转换器，如动态电压恢复器(DVR)系统，不间断电源(UPS),光伏(PV)逆 变器和有源

4、电力滤波器(APF)。PR控制的传递函数为其中Kp和Ki分别代表比例谐振增益。在基本组态下，PR控制的稳态等同于PI控制的 同步直流信号。50Hz基波信号下的PR控制回路方框图和Bode图如图】所示。PR控制器 可以被看作是一个广义的交流积分器5,特殊的频率下理论上是无限的共振峰，能消除稳 态误差到零7。在选定的谐波频率下，比例谐振控制有很多好处；而在频率不属于谐波围 时，比例谐振控制也有足够的衰减，PR控制不会影响没有被选择的频率。在这种情况下， PR控制能实现谐波消除旦对闭环频域特征的影响很小。图1理想的PR控制框图和bode图图2.非理想PR控制器框图图3五、七次谐波非理想PR控制的bo

5、de图PR控制器对选定的频率有无限增益和窄的频率带宽。因此对频率变化的鲁棒性很差。 为改善其带宽提出了非理想PR控制器。非理想PR控制器的传递函数为(2)非理想的PR控制器，增益是有限的，然而，产生小的稳态误差还是比较高。非理想PR 控制器的频率带宽在选定的频率也越来越宽可以更好的跟踪这些谐波，尤其是当对象的频率 有变化时。非理想的PR控制的框图如图2,非理想的PR控制的Bode图如图3O带宽可 通过调整3C适当加宽。加宽带宽的同时可以减少对微小的频率变化的灵敏度。3C越小， 谐振控制器的峰值越窄。但是，3C减小也会使滤波器频率变化更敏感。实践中，3C值取 5-15 rad/s 最佳。二、双并

6、联型APF系统有源电力滤波器的双并联拓扑图如图4所示。并联的两个APF可以有类似的，或不同 的硬件和软件。不同的谐波检测现场，两个APF可以与控制系统完成不同的任务。双并联型APF系统8-9有几个不同的系统配査。老虑到高可霏性和功率要求，以及高 补偿效率的动态响应，本文提出的双并联型有源电力滤波器的配萱几乎有相同的功率，开关专业频率和控制策略。图4.APF系统的双并联拓扑结构框图图5反馈控制系统框图两个并联的APF并联连接在公共耦合点(PCC),相应的输出电流补偿消除在系统侧的 谐波电流。反馈控制系统检测系统中的电流谐波分量，并通过谐波控制器让APF-1、APF-2 输出相应的谐波电流。控制系

7、统的框图如图5所示。表】给出了系统的实际参数，GFilter代表谐波电流检测回路；Ginverter (S)表 示PWM逆变器；GLR代表单一电感諭出滤波器。GCon(s)是在固态的谐振控制器。 用于谐波检测的二阶低通滤波器的截止频率为3000Hz (coq),品质因数为0707 (1 /gq); PWM逆变器模型相当于一个延迟回路；开关频率(1/TPWM)是lOkHZoG1 (s)为没有控制器的开环传递函数。有控制器的开环传递函数是:G3 = G3GgTABLEIPARALLEL APF SYSTEM PARAMETERSSystem voltage220 VLi0. 15 1I1H0.00

8、5 mH局0.01 QFrequency50 HzL20. 15niHg1000 VRi0 01Q三、控制策略在控制系统中，谐波控制本文选用的是PR控制器，并且提出了一种新的谐波共享控制策略。 霏近负荷侧的APF-1采用PR控制器补偿五，十一，十七，二十三次谐波；在系统侧的APF-2 也采用PR控制器补偿七，十三，十九，二十五次谐波。每个APF的谐波控制器如图6和 图7所示。Fig. 6 Hannomc controllei far APF_IKgs(,+2 + 49 尿)(j2+2rt|S-r 169rt)4-A/廿FlFig. 7 Hamionic controller for APF_谐

9、波控制器的传递函数如（5）和（6） oGem+ z” SJ1.17.23= KpQ + SA-7J3.1925APF-1和APF-2都选用系统侧谐波电流来进行反馈控制，并具有快速的动态响应。与 传统的双并联型APF拓扑结构相比，这个拓扑结构让两个并联的APF有不同的补偿特性，具有不同的补偿功能，能补偿各次谐波。当其中一个故障时，另一个APF仍然可以补偿几 乎一半的谐波，而不至于所有的谐波都补偿不了。该控制策略实现了两个APF之间的谐波 共享并且避免了 APF故障时的过流情况。表2中给出了控制系统的参数。APF-1的控制系统开环bode图如图8所示，从图中 可以看出APF-1控制系统对五、十一、

10、十七、二十三次谐波具有无限增益。APF-2控制系统开环bode图如图9所示，从图中可以看出APF-2对七、十三、十九、 二十五次谐波具有无限增益。所有控制系统的闭环Bode图如图10所示，由图可得该控制系统对五、十一、十七、 二十三、七、十三、十九和二十五次谐波成分具有良好的跟踪能力。Fig 8agnm of op?o-loop controlfor APF_IFig 9 Bode diagjaun of opcu-loop coiicro wtcni fix APF D315Fig 10 Boie dvasrani of clwe-loop comrol ”wm for all APF st

11、eniTABLEnCONTROL SYSTD.C P.AKAMETZRS3C4 rad印1心1K5150Kt150KmiaoKb10050Kjjso心20心20四、仿直分析为了验证该双并联拓扑结构和控制策略的有效性和优越性，在Matlab / Simulink下进 行模拟。图11表明，负载侧电流有很大的失直，总谐波失直（THD）达到25.52%。如图 14所示，APF-1在0.03s投入工作并且立即跟踪谐波电流。动态过程非常迅速，THD也随 之迅速降低到】.46%。图】3中的FFT （快速傅里叶转换算法）分析显示五、十一、十七和 二十三谐波消除明显。如图15所示，APF-2在0.10秒投入工作

12、。当系统达到稳态工作时, THD降低到5.13%。另外一个仿直（图16-19）测试是让APF-2在0.03s投入工作并立即跟踪谐波电流THD7 也迅速降低到】1.96%。图17中的FFT分析显示七、十三、十九和二十五谐波消除明显。在 0.1S, APF-1投入工作。当系统达到稳态，THD降低到5.44%。QB( l；：Tmo(S)Fif 11 Load side currenfai012auQi6iirts vvorFig 12 Syuetn $ide cvneni (APF I fti$rly work, then APF n work%)0With APF 1 and API II.I |

13、 | u ,41)bUKi rm one snte*Fig 13 EFT 3iulv5t of wtctn side current (APFwodc. then APT_n work$)831HJ100aeao408&cboi0122Time：S)Fig. 14 output cunexit of A?F_I (APF_I findy woxks. then A?F_U worics)2000-200oie31000-100沏0 34Oulpul currcni of APF_I1训榊/删L LI.J0.1C1500 0200C01012Q8Time；S)Q(EO.M0.10120.C6Ti

14、me；S)Fig. 16 Sysicin side cuxrcnt (APF_n firstly woik$. then A?F_I works)0 140.16Fig 17 FFT analysis of system side ament (APF_U firstly works, then APF_I works)Output current of APFd 002004006ocB01aua 14016Time(S)Fig 18 ouTpu(cnnenofAPF_I(APF_IIfinly wenkx then APF_I work,)ga 04oxgob01auaulimc(S)Fi

15、g 19 Ouiput current of APF_H (APF_H fiiMly works, then APF_I works)o 2ISO表3在负载侧电流的谐波分量、系统侧电流、APF-1和APF-2的输出电流TABLE HIHARMOXIC COMPONENTS IN LOAD SIDE CURRENT, SYSTEM SIDE CURRENT. OUTPUT CURKENT OF APF_I AND APF_IHarmonicOrderLoad SideSystem SideAPFJAPFJIh109.54Z143 4*0 24厶43.2*11O.55Z37ST0.S7Z70670

16、.49Z127. rOilZ234 4*2.91Z44 r70.94Z55.3hi42.26 Z 84 3*0.09Z89.5*42.09 Z95.3*0.37Z139 3*In33.15 Z-80 6”0.78Z22.01 60/10 037.76Z97.9*hr24 38/759*1 25厶77.3*2461Z255.81 03厶67.3I21 97Z6291.29Z21091.23 Z255.(52182Z240.5厶318 38Z216210.93 Z27.523.02 Z193838/74“g1653Z193.8(5 83Z29.34 63 /18.61728Z2.1在负载侧电流的谐波分量，系统侧的电流，APF-1和APF-2的输出电流如表三所示。 如表3所示，该双并联型有源电力滤波器系统和控制策略对五、七、十一、十三、十七、 十九次谐波有很好的补偿效果，但对二十三、二十五次谐波的补偿效果较普通。对谐波峰值 和相位角的详细分析显示已经几乎没有五、七、十一、十三、十七、十九次谐波的短路电流。 但仍有二十三和二十五次谐波的短路电流。这个问题将在其他章节讨论。对于这一问