可选择谐波型有源电力滤波器的闭环控制和实现

1、2006年 9 月 电 工 技 术 学 报 Vol.21 No.9 第 21卷第 9期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Sep. 2006可选择谐波型有源电力滤波器的闭环控制和实现郭希铮 1韩 强 2杨 耕 3杨公训 1(1. 中国矿业大学机电与信息工程学院 北京 1000832. 加拿大不列颠哥伦比亚大学 温哥华 V6T1243. 清华大学自动化系 北京 100084摘要 在可选择谐波型有源电力滤波器的基础上,着重分析谐波电流和逆变器直流侧电压闭 环控制方法的控制要点和实现要点,在检测环节中加入相位补偿角以补偿系统的检测环节和电流

2、 闭环中固有的时延影响等。最后给出了控制器为 DSP TMS320F2812的系统构成以及仿真和实验 结果,验证了所提出的谐波检测以及电流和直流侧电压闭环控制方法的正确性。关键词:有源滤波器 选择型谐波检测 电流闭环控制 直流侧电压控制中图分类号:TM713.8Closed-Loop Control Method and Implementation ofSelective Harmonic Type Active Power FiltersGuo Xizheng 1 Han Qiang 2 Yang Geng 3 Yang Gongxun 1(1. China University of M

3、ining and Technology Beijing 100083 China2. University of British Columbia Vancouver V6T124 Canada3. Tsinghua University Beijing 100084 ChinaAbstract In 2001, we proposed a kind of active power filter, named selective harmonic type active power filter (SH-APF and shunted on the load side. Because th

4、e higher harmonic currents can be damped by the impedance of the power line, we have shown that SH-APF can concentrate on compensating lower harmonic currents and then can improve the effectiveness and precision of the compensation. In this paper, we analyze the key points of the system implementati

5、on, such as the harmonic current detection method, the closed-loop control methods of compensating currents and DC voltage, and the compensation of the time delays which are introduced by the harmonic detection unit and the control loops. The construction of the controller is introduced. The results

6、 of simulation and experiment of SH-APF are given and the several performance are compared with conventional one which detects and compensates all harmonic currents.Keywords :Active power filter, selective harmonic detection, closed-loop current control, DC voltage control1引言电网中的非线性负载如电弧炉、整流器等所产 生的谐

7、波电流加在电网阻抗上会引起电压畸变,从 而危害到邻近用电设备的正常运行。有源电力滤波 器是用于谐波补偿的一种电力电子装置 1, 2。 目前常用的有源电力滤波器的谐波检测方法基 于时域瞬时无功功率理论 2,检测并补偿所有次的 谐波电流(以下称为传统型 APF 。传统型 APF 谐 波检测方法简单,且得到了较多的应用,但是在电收稿日期 2005-02-25 改稿日期 2006-03-2952电 工 技 术 学 报 2006年 9月流控制环节中存在的固有延迟会使补偿效果变差, 很难对谐波电流完全补偿,这一点在全数字控制系 统中尤为明显 3。在实际应用中,负载中的谐波成 分是一定的,高次谐波分量会被电

8、网的线路阻抗所 抑制, APF 只需要补偿次数较低的谐波。对于“无 源+有源”电力滤波器系统等应用场合,需要 APF 能够重点补偿某几个指定次的谐波。因此,文献 4, 7提出的可选择谐波型有源电力滤波器(Selective- Harmonic Active Power Filter, SH-APF具有重要的 意义。在 SH-APF 检测算法中,通过在各次谐波参 考值的相位基础上增加一个相位补偿角,可以补偿 数 字 系 统 中 如 谐 波 检 测 、 电 压 逆 变 器 (Voltage Source Inverter, VSI等环节的时延,理论上就可以 达到对谐波电流的精确补偿。同时, SH-

9、APF 具有 很好的灵活性,可以根据负载特性选择性的补偿指 定次的谐波,当补偿的负载谐波成分改变时,通过 增加某一选择原则(如最大谐波幅值重新选定要 补偿的谐波集,补偿新的指定次谐波。因此,在对 较低次谐波补偿效果相同的条件下, SH-APF 比传 统型 APF 系统所需要的容量要小。对于电流控制方法, 由于 VSI 开关频率的限制, 传统型 APF 系统的频带相对于需要补偿谐波的频 段还不够宽。如果采用电流闭环控制,由于时延, 系统对次数较高的谐波的补偿效果变差甚至可能形 成正反馈。文献 5提出了一种基于非同步电流采样的无差拍控制算法, 以最小化电流控制环内的时延,从而改善系统的动态性能。对

10、于 SH-APF ,由于只 要求补偿某几个指定次谐波,较之传统型 APF ,系 统频带不需要很宽,所以可以很容易设计电流闭环 控制器,以达到较为精确的补偿效果。在文献 6, 7的基础上,本文分析可选择谐波型 有源电力滤波器谐波电流、逆变器直流侧电压的闭 环控制方法、 系统的控制要点以及调节器的设计等, 之后用 Matlab 进行仿真并在 TMS320F2812 DSP为 核心的实验平台上完成了相关的实验。2 带相位补偿的 SH-APF图 1为 SH-APF 系统的结构图。系统由谐波电 流检测、 电流闭环和直流侧电压闭环三个环节构成。 其中,谐波电流检测环节检测出指定次谐波;电流 的闭环控制使得

11、输出的补偿电流可以精确地跟随给 定的补偿电流参考值;直流侧电压的闭环控制使得 SH-APF 中 VSI 直流侧电压被控制在指定值。 2.1 选择型谐波检测方法选择型谐波检测方法基于时域瞬时无功功率理 论和多同步旋转坐标。需要强调的是,这种谐波检 测方法是基于傅里叶级数定义各次谐波的,即假定 负载电流中的基波及谐波电流都是缓慢变化的。三相静止坐标系下的第 k 次正序谐波电流变换 到两相静止坐标系下后得到的矢量是以 k 的角速 度逆时针方向旋转的,其中 为基波的角速度。如 果把该矢量变换到旋转角速度和方向都相同的坐标 图 1 采用带相位补偿的 SH-APFFig.1 Diagram of sele

12、ctive harmonic active power filter第 21卷第 9期郭希铮 等 可选择谐波型有源电力滤波器的闭环控制和实现 53系下,则该矢量变为直流量,其变换矩阵为cos( sin( sin( cos( k k t k t k t k t + =C (1 而基波和其他次数的谐波经过相同的变换后还是交 流量, 这时经过低通滤波器 (Low Pass Filter, LPF , 再经过相应的反坐标变换就可以把第 k 次正序谐波 电流复现。如图 1中的谐波电流检测部分所示。这 个反变换矩阵为1cos( sin( sin( cos( k k t k t k t k t +=C (2

13、对于负序的谐波电流,旋转方向正好相反,只需把变换矩阵中相应的 k t 替换为 k t 即可。该谐波检测方法不仅适用于三相负载平衡的情 况,也适用于三相负载不平衡的情况。对于三相不 平衡电流,可基于对称分量法将其分解成正序分量 和负序分量,然后分别对正序分量和负序分量实施 上述的检测方法即可。此外,虽然随着所选择的谐波数的增多,计算 量将增加,但对于数字信号处理器(DSP 而言, 由于仅仅是乘积和查表运算,所以实现非常简单。 2.2 相位补偿方法在选择型谐波检测环节中,输入是三相负载的 电流和电网电压基波的相位,输出则是欲检测的第 N 次谐波的幅值 6。但是,直接对该谐波幅值分量 进行旋转反变换

14、作为补偿电流参考值时,假设对某 次谐波,检测环节和电流闭环等造成的总延迟时间 为 T ,设基波角频率为 ,则在 T 时间内该次谐波 已经旋转过的角度为 2 n n T n f T = (3 即在某一时刻, APF 实际发出的补偿电流比该时刻 负载的谐波电流落后了 n , 从而造成错误补偿。 为 消除该延时问题,可以通过在旋转反变换矩阵中原 有电角度的基础上加上 n 予以解决。 2.3 谐波电流闭环控制图 2是图 1中电流闭环控制中某一相的数学模 型。主电路中将 VSI 等效为一个滞后时间常数为 T VSI 的纯滞后环节VSI VSI e T s K (4L 和 R 是并网用电抗器的等效电感和电

15、阻。当开关 频率较高时, 采用 PI 调节器可使得调节器中的零点 对 消 掉 被 控 对 象 中 时 间 常 数 较 大 的 惯 性 环 节 l/(Ls +R ,这样可以减小高次谐波电流的稳态误差。 此外,由图 2可以看出,该闭环还可以抑制由于电网参数变化而引起的电源电压波动等扰动对谐波补 偿精度的影响。图 2 电流闭环控制方框图Fig.2 Block diagram of closed-loop controlof harmonic current2.4 直流侧电压闭环控制对于并联型 APF 来说, 通过控制 VSI 输出的有 功电流分量 (APF 与电网并联的 U PCC 处电压同相的 基

16、波分量 , 可以对直流侧电容进行充放电, 从而达 到对直流侧电压的控制。并联型 SH-APF 对基波的阻抗很小,电源基波 电压会在该支路产生很大的、不希望的基波电流。 因此,本文在图 1中空间矢量调制前加入电源基波 电压指令信号 U s 、 U s ,使得 SH-APF 输出的基波 电压等于电源基波电压。3 实验系统构成及仿真和实验结果本文用 Matlab 软件对图 1所示系统进行仿真, 并在此基础上建立了实验平台对系统进行实验分 析。 SH-APF 实验系统如图 3所示, 系统主要由 DSP 控制板和 IPM 模块及驱动电路构成。 其中 AD 采样、 谐波检测、电流闭环跟踪、直流侧电压控制等

17、运算 都在 DSP 中完成。 DSP 采用 TI 公司的新一代控制 芯片 TMS320F2812, 设计运算速度为 150MHz , AD 转换精度为 12位。 产生谐波的负载为三相不可控整 流桥加电阻性负载。实验系统的主要参数如表 1所 示。图 3 SH-APF实验系统构成Fig.3 The structure of SH-APF experimental system54电 工 技 术 学 报 2006年 9月表 1 SH-APF 实验系统主要参数Tab.1 The main parameters of the SH-APF system直流母线电压 /V 650 直流侧电容 /µ

18、;F 1650 滤波电感 /mH 3 电源线电压 /vrms 380 补偿选择次电流 5th 、 7th VSI 开关频率 /kHz10 以下给出各个环节仿真和实验结果及分析,由 于实验条件所限,实验中电流比仿真中电流要小。 3.1 谐波检测谐波检测的仿真结果如图 4所示,图 5为 DSP 的 DA 输出检测波形。图中波形均为 A 相电流,从 上至下依次为负载电流、检测出的 5次和 7次谐波 电流。从图 4、图 5可以看出,谐波检测的实验结 果和仿真结果一致。由图 5可以明显地看到检测出 的谐波电流中还含有一定大小的基波成分,改善的办法是提高 LPF 的阶数或降低 LPF 的截止频率。 但 图

19、 4 5次、 7次谐波和负载电流检测仿真 Fig.4 Simulation of 5th, 7thharmonic and load current 图 5 实验检测出的 5次, 7次谐波和负载电流 Fig.5 Experiment of 5th , 7th harmonic andload current detection是,如果 LPF 的截止频率过低,会影响系统的动态 响应速度,而采用高阶 LPF 则会大大增加运算量。为定量分析,通过仿真比较了一阶、二阶两种 低通滤波器在不同截止频率下的特性曲线,其结果 如图 6所示。图 6表明,随着截止频率的降低,滤 波器阶跃响应速度明显变慢。二阶低

20、通滤波器比一 阶低通滤波器阶跃响应速度快,阻带衰减快。 综上, 本文选用二阶低通滤波器的截止频率为 30Hz 。图 6 一阶、 二阶低通滤波器在不同截止频率下的阶跃响应曲线和特性曲线1一阶 LPF (f c =100Hz 2一阶 LPF (f c =30Hz 3 二阶 LPF (f c =100Hz 4二阶 LPF (f c =30HzFig.6 Step response and characteristic curve of order 1and order 2 low pass filters with different cut-offfrequencies3.2 电流的闭环控制电流控

21、制的仿真结果如图 7所示,图中的 *hi 为 指令电流参考值, i h 为 APF 发出的补偿电流, i error 为跟踪误差。跟踪误差中基波电流成分、 5次、 7次谐波电流成分所占百分比分别为 48.5%、 7.35%、11.76%。基波成分是参考值 *hi 中没有的、用于维持 直流线电压恒定的基波电流有功分量;而误差中的5次和 7次电流成分说明 PI 控制能够使 APF 输出的 电流跟踪指令电流,但为静态有差;跟踪误差中含 有高次谐波分量,是由于 SH-APF 没有对这些分量 进行补偿的缘故。相应的实验结果如图 8所示,实第 21卷第 9期 郭希铮 等 可选择谐波型有源电力滤波器的闭环控

22、制和实现 55验结果和仿真结果一致。 图 7 电流 PI 闭环控制的仿真Fig.7 Simulation of closed-loop current control 图 8 电流 PI 闭环控制的实验Fig.8 Experiment of closed-loop current control3.3直流侧电压的闭环控制电压控制的仿真结果如图 9所示,图中波形 a 描述了直流侧电压从 540V 控制到 650V 的过程。 电 压闭环采用了 PI 调节器, 稳态静差为零。 波形 b 为 流入 APF 的 A 相电流,波形 c 为 A 相的电网电压, 在直流侧电压开始上升的过程中, 流入 APF

23、的电流 的相位和电网电压的相位相同,有功从电网流向电 容, 如箭头 1所示, 直流侧电压超调后就开始下降, 流入 APF 的电流的相位与电网电压的相位相反, 有 功又从电容流向电网,如箭头 2所示。 图 9 直流侧电压闭环控制的仿真Fig.9 Simulation of closed-loop DC voltage control实验中,为了避免系统在运行初始时刻产生较 大的冲击电流,直流侧电压给定值采取逐步增加直 到最后给定值的方式,图 10为直流侧电压从 540V 控制到 650V 的实验波形。 图 10 直流侧电压闭环控制的实验结果Fig.10 Experiment of closed-

24、loop DC voltage control3.4选择某些次谐波补偿可选择谐波型有源滤波器可以补偿任意指定 次的谐波或几次谐波的和。 下面进行了单独 5次谐 波的补偿以及 5、 7次谐波的同时补偿实验,相应 的波形如图 11、 12所示,实验结果与仿真结果一 致的。 图 11 选择次谐波补偿仿真Fig.11 Simulation of compensation ofselective harmonic表 2传统型与选择型 APF 补偿电流有效值的比较Tab.2 Comparison of RMS value of compensation current between convention

25、al and selective APF补偿前电网电流 THD (%补偿后电网电流 THD (%APF 电流有效值 /A传统型(补偿所有谐波 30.04 2.08 3.26 SH-APF (补 5, 7, 11,13, 17, 19次30.04 2.13 3.0756 电 工 技 术 学 报 2006 年 9 月 电流闭环控制可以达到满意的跟踪效果。同时由于 该方法不采用电网阻抗等参数，所以对电网参数的 变化有很好的鲁棒性。 参考文献 1 Takeda M, Ikeda K, Tominaga Y. Harmonic current compensation with active filte

26、rJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 1987, 20: 808815 2 Akagi H, Nabae A. Control strategy of active power filters using multiple voltage source PWM convertersJ. IEEE Transactions on Industry Applications, 1986, 22: 460465 3 图 12 Fig.12 选择次谐波补偿实验波形 Buso S, Malesani L, et al. Design and fu

27、lly digital control of parallel active filters for thryristor rectifiers to comply with IEC 1000-3-2J. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34：508517 4 Mattavelli P, Fasolo S. A closed-loop selective harmonic compensation for active filtersC. IEEE APEC 2000, Louisiana, USA, 2000: 8189 5 Allmeling J, Stemmler H. A fast current control technique for active filters with low switching frequencyC. IECON'01, Denver, USA, 2001: 11251131 6 王灏, 张超, 杨耕等. 可选择谐波型有源滤波器的检 测及其闭环控制J. 清华大学学报（自然科学版）， 2004, 44（1）: 13013