虛擬磁鏈定向控制在APF 中的應(yīng)用

1、虛擬磁鏈定向控制在APF 中的應(yīng)用    摘要：本文采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的虛擬磁鏈定向觀測(cè)電壓矢量角度。虛擬磁鏈定向?qū)?duì)電壓矢量角的觀測(cè)轉(zhuǎn)化為對(duì)于磁鏈的觀測(cè)，采用有源電力濾波器交流側(cè)電壓積分估算電網(wǎng)磁鏈，實(shí)現(xiàn)了無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器控制系統(tǒng)，避免了鎖相環(huán)的使用，對(duì)電網(wǎng)干擾有良好抑制作用。通過(guò)仿真驗(yàn)證了虛擬磁鏈定向控制有源電力濾波器具有良好的跟蹤性能，實(shí)現(xiàn)了無(wú)鎖相環(huán)控制，動(dòng)態(tài)性能良好，諧波補(bǔ)償效果達(dá)到國(guó)家相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；無(wú)鎖相環(huán)；虛擬磁鏈定向0 引言20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，由于電力電子設(shè)備在各行業(yè)的大量應(yīng)用

2、，作為非線性設(shè)備（諧波源）衍生物的電力諧波也比較普遍，根據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)對(duì)186 家有代表性的電力用戶的調(diào)查結(jié)果，無(wú)諧波源的用戶僅占6，主要諧波源來(lái)自90的電力電子裝置用戶，電力電子變換裝置是目前主要的諧波源。隨著全世界工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，電力電子設(shè)備在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是直流輸電、電氣化鐵道、柔性交流輸電系統(tǒng)及化工、冶金、煤炭等工業(yè)部門(mén)中大量應(yīng)用1，這些都使得電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重。而綠色能源又是一個(gè)極其重要的問(wèn)題，因此人們對(duì)于諧波治理和電能質(zhì)量越來(lái)越重視，從而將諧波的管理、監(jiān)測(cè)和治理等擺到了十分重要的位置2。如何提高電能質(zhì)量是目前電力行業(yè)者急需解決的重要課題之一。一般地，電

3、能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差3。它包括電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量四個(gè)方面的，電能質(zhì)量所關(guān)心的是實(shí)際系統(tǒng)電壓和電流波形與理想波形的偏差，而諧波作為衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)電力系統(tǒng)有相當(dāng)大的影響。因此在一系列電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)所包含的課題中，本文主要針對(duì)諧波治理問(wèn)題進(jìn)行諧波抑制方法的探討，主要是針對(duì)有源電力濾波器的研制和設(shè)計(jì)方面做深入的研究。1 有源電力濾波器的原理和數(shù)學(xué)模型1.1 有源電力濾波器的原理和數(shù)學(xué)模型當(dāng)三相電源的負(fù)載為非線性負(fù)載時(shí)，電源電壓通過(guò)非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波電流，使得電網(wǎng)電流的工作特性不是以正弦規(guī)律變化的，是基波電流和諧波電流

4、之和即is = isf + ish ，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功功率。有源電力濾波器核心是諧波電流檢測(cè)和補(bǔ)償電流生成，有源電力濾波器的系統(tǒng)框圖1 所示，由指令電流運(yùn)算電路、由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路四個(gè)個(gè)部分構(gòu)成。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)并計(jì)算出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波、無(wú)功等電流分量，因此也被稱為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路。電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率主電路的作用是將產(chǎn)生的指令電流轉(zhuǎn)化為實(shí)際的補(bǔ)償電流。目前，主電路一般均采用pwm變流器逆變器。單獨(dú)使用方式的并聯(lián)型有源電力濾波器是以諧波對(duì)消法原理工作的，并可實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能?？梢杂孟率奖硎酒湓?。式(1)中is為電源端電流，il為負(fù)

5、載端電流，ilf 負(fù)載消耗的基波電流，ilh 為負(fù)載電流中的諧波電流成分，ic為有源電力濾波器交流側(cè)輸出的補(bǔ)償電流。從原理表達(dá)式可以看出，有源電力濾波器交流側(cè)輸出的電流與負(fù)載側(cè)檢測(cè)出的諧波電流幅值相等相位相反，在注入電力系統(tǒng)后，與諧波電流抵消，使得電源電流只剩下基波分量，因此有源電力濾波器補(bǔ)償了諧波電流，使電網(wǎng)只提供負(fù)載的基波電流，阻止了諧波電流進(jìn)入公用電網(wǎng)，改善公用電網(wǎng)電流波形。由于非線性負(fù)載在產(chǎn)生諧· 上一頁(yè)· 1· 2· 3· 4· 下一頁(yè)       

6、60;的同時(shí)還要消耗基波無(wú)功功率，通常還希望有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波電流的同時(shí)能對(duì)基波無(wú)功電流也進(jìn)行補(bǔ)償，只需要讓主電路在產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流的基礎(chǔ)上加上基波無(wú)功電流即可?；娏髋c網(wǎng)側(cè)電壓變化規(guī)律相同，但滯后電壓一定角度，基波電流由基波有功電流和基波無(wú)功電流兩部分組成: ilf = ilfp +ilfq，故il =ilfp+ilfq+ilh。指令電流運(yùn)算電路產(chǎn)生指令補(bǔ)償電流為負(fù)載電流的基波無(wú)功和諧波電流ic? = ?(ilfq + ilh)，主電路生成補(bǔ)償電流跟蹤指令電流變化，使得ic=ic?=?(ilfq+ilh)。則諧波和無(wú)功電流的綜合補(bǔ)償。1.2 有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型有源濾波的主電路為

7、pwm 變流器，在這個(gè)系統(tǒng)中，pwm 既要作為整流器，控制直流側(cè)電壓，使得穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的功率因數(shù)為1，又作為產(chǎn)生與給定諧波方向相反的電流的逆變器，因此，pwm 在有源濾波中既有整流又有逆變且兩種能量交換是不可明確區(qū)分的。補(bǔ)償電流的生成決定了有源電力濾波器性能的好壞，為了更好的控制有源電力濾波器，首先分析有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型4。有源電力濾波器的原理拓?fù)錂C(jī)構(gòu)圖如圖2 所示。pwm 變流器中的電網(wǎng)電壓相當(dāng)于交流電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，因此它們之間滿足 = edt ?。因此電網(wǎng)電壓矢量超前于虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶?0°，虛擬磁鏈定向在d 軸，電網(wǎng)電壓矢量在q 軸，圖3 為d 軸

8、虛擬電網(wǎng)磁鏈定向下三相三線有源濾波了的穩(wěn)態(tài)矢量圖。在虛擬磁鏈定向下，d 軸為無(wú)功功率軸，q 軸為有功功率軸，空間電壓矢量的定向?yàn)? + 。在系統(tǒng)控制過(guò)程中，需要統(tǒng)一有功量和無(wú)功量，對(duì)于系統(tǒng)是沒(méi)有影響的。2 虛擬磁鏈定向有源電力濾波器的控制策略2.1 虛擬磁鏈定向無(wú)鎖相環(huán) ip-iq 法諧波電流檢測(cè)在傳統(tǒng)的根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法中，ip ?iq法雖然可以在電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)較為準(zhǔn)確的檢測(cè)系統(tǒng)中的諧波電流，但其與電網(wǎng)電壓同頻同相得單位正余弦信號(hào)是用鎖相環(huán)得到的。使用鎖相環(huán)雖然可以得到電網(wǎng)電壓的基頻和初相角，但也容易受到信號(hào)的影響。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較嚴(yán)重時(shí)，較大的頻率偏移會(huì)導(dǎo)致鎖相環(huán)處于失鎖狀

9、態(tài)而無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行相位跟蹤5，從而難以得到與電網(wǎng)電壓同頻同相的中一位正余弦信號(hào)，也就無(wú)法準(zhǔn)確地進(jìn)行諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)。在虛擬磁鏈定向系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)磁鏈的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)電電壓矢量定向，磁鏈?zhǔn)请娋W(wǎng)電壓的積分，根據(jù)對(duì)于積分器的分析，積分環(huán)節(jié)帶有低通濾波器的特性，系統(tǒng)中的諧波在經(jīng)過(guò)純積分器后，諧波電壓的幅值以基波k 倍衰減，對(duì)于高次諧波有一定的濾除作用，因此虛擬磁鏈定向在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定時(shí)，而且對(duì)干擾有良好的抑制作用。根據(jù)交流電機(jī)磁鏈觀測(cè)器的設(shè)計(jì)方法, 針對(duì)有源電力濾波器設(shè)計(jì)了虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器。虛擬磁鏈定向無(wú)鎖相環(huán)ip ?iq法諧波檢測(cè)原理圖如圖4所示。虛擬磁鏈定向無(wú)鎖相環(huán)ip ?iq法諧波檢測(cè)實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖相

10、環(huán)控制的核心是觀測(cè)出電網(wǎng)電壓的虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶?的空間位置角 。虛擬磁鏈定向系統(tǒng)矢量圖如圖3 所示，可得：對(duì) 角的定向轉(zhuǎn)化為對(duì) 坐標(biāo)系中虛擬磁鏈的 、 分量的估算。根據(jù)磁鏈與電壓的關(guān)系 = edt ?<· 上一頁(yè)· 1· 2· 3· 4· 下一頁(yè)        r /> 可以計(jì)算出 坐標(biāo)系中電網(wǎng)側(cè)的磁鏈為虛擬磁鏈定向ip ?iq法完全實(shí)現(xiàn)了ip ?iq法的優(yōu)點(diǎn)，不受電壓畸變的影響，能應(yīng)用不對(duì)稱情況，并且節(jié)省了鎖相環(huán)電路，不受頻率偏移約束，檢測(cè)電

11、流基波分量更加靈活。2.2 虛擬磁鏈定向電壓前饋電流解耦矢量控制原理補(bǔ)償電流生成控制部分采用間接電流控制的svpwm 控制方式。虛擬磁鏈定向下dq 軸有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型，可以得到輸入電流滿足下式（8）在dq 坐標(biāo)系下，交直軸的變量是互相耦合的。dq 軸電流除受交流側(cè)電壓d v 、q v 的影響外，還受交叉耦合電壓q li 、d ?li 擾動(dòng)和電網(wǎng)電壓d e 、q e 擾動(dòng)。若采用常見(jiàn)的pi調(diào)節(jié)，則實(shí)際直軸電流id 給定電流id ?的跟隨還受到iq 和電網(wǎng)直軸電壓ed的影響，實(shí)際交軸電流iq 的情況也類似，因此無(wú)法對(duì)id ，iq 進(jìn)行單獨(dú)的控制。因此不能單純地對(duì)dq軸電流進(jìn)行簡(jiǎn)單的負(fù)反饋控制

12、，需要尋找一種解除dq 軸之間電流耦合的控制方法。將上式變換為以vd，vq為計(jì)算量的形式將控制器的輸出記為a,b,此式表示，由于引入了電流狀態(tài)反饋解耦以及電網(wǎng)擾動(dòng)電壓作為前饋補(bǔ)償，兩軸電流已實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能獲得進(jìn)一步的提高。當(dāng)電流環(huán)采用pi 調(diào)節(jié)引入電壓前饋電流解耦控制時(shí)，vd，vq的解耦控制方程為這樣實(shí)現(xiàn)了電壓前饋電流解耦。這種控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)在于兩軸的電流之間不再存在相互影響，pi 控制性能較好?；谔摂M磁鏈定向的電壓前饋電流解耦矢量控制系統(tǒng)原理框圖如圖5 所示，系統(tǒng)由有源濾波直流側(cè)電容電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成。虛擬磁鏈定向的電壓前饋電流解耦矢量控制系統(tǒng)的虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶?的空

13、間位置角 的計(jì)算公式，根據(jù)磁鏈與電壓的關(guān)系 = edt ?可以計(jì)算出 坐標(biāo)系中電網(wǎng)側(cè)的磁鏈為式中，e ，e 三相電網(wǎng)側(cè)電壓在 、 分量。在無(wú)傳感器虛擬磁鏈定向的電壓前饋電流解耦矢量控制系統(tǒng)中，e ， e 可以由有源電力濾波器交流側(cè)電壓計(jì)算。根據(jù)有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由基爾霍夫電壓定律得v ，v 為pwm 變流器交流側(cè)三相電壓的 、 分量?？梢杂蓀wm 變流器直流側(cè)電壓和脈沖輸出計(jì)算式中，udc為有源電力濾波器直流側(cè)母線電壓。將上式帶入式（13），得到電網(wǎng)側(cè)虛擬磁鏈 ， 的計(jì)算公式為：式中 ， 分別為虛擬電網(wǎng)磁鏈的 、 分量，虛擬電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)怯赡妇€電壓和pwm變流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)得出的。基于虛擬磁鏈定向的電壓前饋電流解耦矢量控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)于電網(wǎng)電壓磁鏈的觀測(cè)既可以得到電網(wǎng)電壓矢量的相位，實(shí)現(xiàn)無(wú)鎖相環(huán)諧波電流檢