第31卷第27期中国电机工程学报V ol.31 No.27 Sep.25, 2011

14 2011年9月25日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号:0258-8013 (2011 27-0014-07 中图分类号:TM 85 文献标志码:A 学科分类号:470?40 有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略

刘威葳,丁洪发,段献忠

(国家脉冲强磁场科学中心(华中科技大学(筹,湖北省武汉市 430074 Selective Harmonic Current Control Strategy in Active Power Filters LIU Weiwei, DING Hongfa, DUAN Xianzhong

(National High Magnetic Field Center of Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Province, China

ABSTRACT: In this paper, one conventional proportional integral (PI control and one new current control, for shunt active power filters design, were compared. Because of the system stability constrained, the system loop gain of the PI control is restricted. Hence, in order to improve the system compensation performance, a new current control scheme for selective harmonics compensation was proposed for shunt active power filters. Based on the conventional PI control, the new method extracts the main harmonics (the 5th and 7th harmonics mainly respectively, which are controlled by different PI controllers independently. Simultaneously, another PI controller is employed to deal with the other harmonics all together. The design method is provided, which increases the system loop gain to follow the main harmonics, improves the compensation capability of APFs, and achieves the control system an perfect frequency response. Conclusions are supported by both simulations and experimental results on a 30-kV A laboratory APF, indicating a reduction in line current THD factor from 23.21% to 3.75%.

KEY WORDS: active power filters; PI control; loop gain; system stability; current control scheme for selective harmonics

摘要:良好的控制策略是实现并联型有源电力滤波器(active power filter,APF补偿功能的关键。由于并联型APF常规电流PI控制方法的闭环增益受系统稳定性条件约束,并联型APF对负载主要谐波分量补偿不充分。针对该问题,提出一种用于APF的新型选择性谐波电流控制策略。该控制策略在常规电流PI控制策略的基础上,对负载电流主要谐波(该文主要指5次、7次谐波单独提取与控制,而对其余次谐波采用一个常规电流PI控制器控制。该设计方法,增大了系统对主要谐波分量的跟踪增益,提高了APF对谐波的补偿率,实现了控制系统更好的频率响应。将该方法应用于实验室制作

基金项目:“十一五”国家科技支撑计划重大项目(2007BAA12B03。 Key Project of the National Eleventh-five Year Research Program of China (2007BAA12B03.的一台30 kV A并联型APF实验装置,可将电流总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD由23.21%补偿为3.75%。仿真与实验结果证明了以上结论。

关键词:有源电力滤波器;PI控制;闭环增益;系统稳定性;选择性谐波电流控制 0 引言

由于非线性负载,如不控整流器和开关电源等的大量应用,其造成的谐波对电力系统和用电设备产生了严重的危害[1-2]。电力网络中的谐波污染会造成电压畸变、附加损耗、电气设备的共振和干扰、过早老化等问题[3-5]。

有源电力滤波器(active power filter,APF作为一种动态抑制谐波的新型电力电子装置,被认为是谐波治理中最有前途的滤波手段,主要用于电流谐波或电压谐波的补偿或隔离[6]。其附加功能,如无功功率补偿和电压调整,可以通过某些拓扑结构和各种控制策略来实现[7-10]。

独立运行的APF一般分为两种基本结构:串联型和并联型。并联型APF与系统并联,可等效为一个受控电流源,主要用于感性电流源型负载的谐波补偿。并联型APF由于要产生非正弦电流,其控制器设计要涵盖整个频域,采样延时和逆变器控制的一拍滞后给其控制器的设计带来了巨大挑战。在控制结构方面,人们开发了很多复合控制技术用于APF控制,其中包括:滞环控制[11],重复控制[12],自适应控制[13],线性PI控制[14],选择性谐波电流PI控制[15-20],滑模变控制等。线性PI控制是一种使用较广泛的控制方法。该方法优点是开关频率固定,简单易行,动态响应特性好;缺点是存在稳态跟踪误差,控制器带宽受限,易产生高频失真。针

第27期刘威葳等:有源电力滤波器选择性谐波电流控制策略 15

对稳态跟踪误差和控制器带宽受限问题,APF选择性谐波电流PI控制是一种很好的解决方法。

本文对APF选择性谐波控制进行深入研究,针对常规电流PI控制器关于负载电流主要谐波补偿不充分的问题,提出改进控制方案:在采用常规电流PI控制器的基础上,本方案对负载电流主要谐波(5次和7次单独提取和补偿,而对其余次谐波采用一常规电流PI控制器统一补偿。本文提出的设计方案已成功应用于一台30kV A有源电力滤波器。对三相不控整流桥带RL类型负载补偿的仿真及实验,证明了以上方案的正确性和可行性。

1 三相四线制有源电力滤波器 1.1 拓扑结构

并联型APF采用三相四线制结构,图1给出了并联型APF拓扑及其控制系统的结构图。由图1可知,它用电抗器和电网相连,采用两个串联电容器作为直流侧能量存储器件。装置系统侧并联有RC 滤波器,用来滤除逆变器高频纹波。

非线性负载采用传统的三相不控整流桥,该类型负载作为电流源负载通常会带来总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD大约25%的非线性 电流。其典型特点是,它的频谱中仅包含谐波次数 =61