摘 要：針對電網(wǎng)中含有大量諧波問題，提出了單周控制的單相并聯(lián)有源電力濾波器(APF)對電網(wǎng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償，應(yīng)用PSCAD/EMTDC 仿真軟件對單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)進(jìn)行建模, 并對系統(tǒng)補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真。在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計了雙極性單周控制單相并聯(lián)型APFF 系統(tǒng)并進(jìn)行了實驗。仿真和實驗結(jié)果表明單周控制的單相并聯(lián)APF 能很好的補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波，并且具有控制電路結(jié)構(gòu)簡單和動態(tài)效果好的特點(diǎn)，具有很好的實際應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：單周控制，諧波補(bǔ)償，有源電力濾波器，PSCAD/EMTDC
1.引言
近年來，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子設(shè)備等非線性負(fù)載的應(yīng)用越來越廣泛[1]。這些非線性負(fù)載會產(chǎn)生大量的諧波注入電網(wǎng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。因此，開展電能質(zhì)量控制技術(shù)的研究及相關(guān)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義，成為近年來電氣工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[2]。從上個世紀(jì)80 年代至今，基于不同控制方法的有源電力濾波器(APF)不斷被提出，并且一些已進(jìn)入了成熟實用階段[3]。
單周控制作為一種新型的非線性控制方法，其基本思想是不論穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，都能保持受控量(一般為開關(guān)變量)的平均值等于或正比于給定參考值[4]。該控制方法適用于非線性系統(tǒng)場合。相比于傳統(tǒng)控制方法，單周控制理論應(yīng)用于APF，只需要檢測電源電流和直流側(cè)電容電壓，計算量小，控制電路簡單，大大簡化了APF 的系統(tǒng)[5]。
本文在研究了單周控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)，應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真軟件對單周控制單相并聯(lián)型APF 系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對系統(tǒng)的補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真。在仿真的基礎(chǔ)上，對雙極調(diào)制工作模式下的單周控制APF 系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，以進(jìn)一步驗證理論分析的正確性。
2.單周控制單相并聯(lián)型APF 設(shè)計及仿真
2.1 雙極調(diào)制電路設(shè)計
2.1.1 控制原理
圖1 為單周控制的單相并聯(lián)型APF 總體框圖。由圖1 可見，APF 的主電路是由一個H 橋和儲能電容C以及交流側(cè)的濾波電感L 組成的。其中，開關(guān)管分為兩組，S1 和S3 驅(qū)動信號相同，S2 和S4 驅(qū)動信號相同，兩組開關(guān)管在調(diào)制頻率fs 下由占空比d 控制輪流導(dǎo)通。
假設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和非線性負(fù)載電流的頻率，即在每個開關(guān)周期內(nèi)，負(fù)載電流與補(bǔ)償電流近似不變，則在每個開關(guān)周期中，濾波電感L 的電流變化為零，所以根據(jù)每個開關(guān)周期中電感的伏秒平衡原則有：
2.2 主電路參數(shù)設(shè)計
本文中并聯(lián)型APF 所采用的主電路為單相電壓型PWM 變流電路。對于單周控制的APF 而言，主要參數(shù)是由控制系統(tǒng)穩(wěn)定性條件來決定的。因此在設(shè)計參數(shù)前要對其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。
由于開關(guān)調(diào)制頻率fs 遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和負(fù)載電流頻率以及補(bǔ)償電流的變化頻率，因此可以假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)負(fù)載電流不變，所以電網(wǎng)電流is 上升和下降的斜率與交流側(cè)電感電流的上升與下降斜率近似相等。圖4 為比較器輸入端兩個信號的波形圖。
根據(jù)對整個控制過程的分析可知，要使系統(tǒng)穩(wěn)定，則需要比較器輸出值在每個周期內(nèi)都有翻轉(zhuǎn)即在每個周期內(nèi)都能切換開關(guān)。由此分析得到，每個開關(guān)周期內(nèi)占空比組成的數(shù)列{dn}收斂。根據(jù)式(9)和等比數(shù)列收斂公式可得：
2.3 單周控制并聯(lián)型APF 的仿真
通過對雙極調(diào)制工作模式下的單周控制單相APF控制電路的設(shè)計和主電路參數(shù)的設(shè)計， 在PSCAD/EMTDC 中搭建了如圖5 所示的仿真模型，其中is、if、ic 分別代表電網(wǎng)電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。系統(tǒng)仿真參數(shù)為：交流側(cè)電壓有效值為220V;頻率為50Hz;直流側(cè)儲能電容為1000μF;交流側(cè)濾波電感為2mH;開關(guān)調(diào)制頻率為fs=10kHz;負(fù)載為單相不可控整流橋接阻感支路或阻容支路。得到的仿真波形如圖6 和圖7 所示。
從仿真波形可以看出采用雙極調(diào)制的單周控制APF 能對感性和容性負(fù)載所引起的諧波及無功電流進(jìn)行有效地補(bǔ)償，補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流除含有一定個毛刺和紋波外，是一個與電網(wǎng)電壓同相位正弦波，并且APF從諧波產(chǎn)生的第一個周期開始就對負(fù)載電流進(jìn)行了補(bǔ)償，補(bǔ)償效果較為理想。為了進(jìn)一步分析補(bǔ)償效果，對電流的頻譜進(jìn)行了分析，如圖8 所示。可以看出諧波經(jīng)過APF 補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流中，諧波含量明顯降低了。
3.實驗及其結(jié)果分析
為了進(jìn)一步驗證本文所提出的單周控制APF 的正確性和可行性，在系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)上，根據(jù)單周控制控制電路與主電路的結(jié)構(gòu)框圖搭建了相應(yīng)部分的實驗電路，構(gòu)建了雙極調(diào)制工作模式下單周控制的單相并聯(lián)型APF 的實驗系統(tǒng)。其中，輸入電壓有效值為200V，輸入電壓頻率為50Hz，直流側(cè)電壓為400V，開關(guān)頻率為10kHz。實驗結(jié)果波形如圖10 所示，其中圖10 a)為補(bǔ)償前負(fù)載電流波形，圖10 b)為投入APF 后的電網(wǎng)電流波形。實驗結(jié)果表明采用單周控制的并聯(lián)型APF對非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波和無功電流有較好的補(bǔ)償效果，驗證了理論的正確性和可行性。
4.結(jié)論
本文從抑制諧波和無功對交流電網(wǎng)的污染角度出發(fā)，通過對當(dāng)前APF 的各種控制方式的比較，選擇單周控制作為系統(tǒng)的控制策略，推導(dǎo)并建立了雙極性工作模式下的單周控制的單相APF 的控制電路，完成了系統(tǒng)的理論分析，應(yīng)用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建了雙極性工作模式下的系統(tǒng)仿真模型，并對系統(tǒng)的補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真，在仿真的基礎(chǔ)上設(shè)計了雙極性單周控制單相并聯(lián)型APF，搭建了相應(yīng)的硬件電路，并進(jìn)行了相關(guān)實驗。實驗結(jié)果進(jìn)一步驗證了該控制策略的正確性與可行性。
參考文獻(xiàn)
[1] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.
[2] 王小紅, “有源電力濾波器的發(fā)展及其在電能質(zhì)量控制中的應(yīng)用,” 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，vol. 15, no. 13, pp.137-138, 2005.
[3] K. M. Smedley and S. Cuk, “ One-cycle control ofSwitching Converters，” IEEE Transactions on PowerElectronics， vol. 10, no. 6, pp. 625-633，1991.
[4] L. W. Zhou and K. M. Smedley, “Unifiedconstant-frequency Integration Control of Active PowerFilter,” IEEE Transactions on Power Electronics，vol. 16,no. 3, pp. 428-436, 2001.
[5] 徐明, 周林, 王偉, 張鳳, “單相有源電力濾波器的單周控制策略綜述,” 電網(wǎng)技術(shù)，vol. 30, no. 22, pp. 81-86,2006.
[6] 黃玉水，萬村英，朱玲，周志強(qiáng), “基于單周控制的四橋臂三相四線制串聯(lián)型有源電力濾波器,” 電測與儀表，vol. 46, no. 10, pp. 38-42, 2009.
作者簡介：
李文娟，女，1968 年生，博士，教授，主要研究方向為電力電子技術(shù)及其應(yīng)用。
