即变换矩阵中该次谐波电角度为nθ时刻补偿的是电角度为θn - Δθn 时刻的谐波电流值, 从而造成系统的错误补偿。严重时, 某个谐波的补偿甚至会形成正反馈。例如对11 次谐波而言, 在工频50Hz, 延迟时间1 m s 时, 11 次谐波在1 m s 内旋转了3. 454 rad, 接近180°。
为彻底解决了系统延时问题, 假定谐波电流周期性变化, 可以通过在旋转反变换矩阵中修改电角度来改变进行补偿的时刻。在原有电角度上加入Δθn, 从而彻底补偿了系统延时。Δθn为预测补偿角度。这样, 直流分量经过反变换阵C (Δθn) - 1n 和C23最终得出n 次谐波电流ian、ibn、icn。其中, 有C23= CT32
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以上讲述的是为某次谐波的检测方法, 当需要APF 补偿特殊指定的某几次谐波时, 如图1 中最下面的虚线框, 可以采取各次谐波并行计算的方式, 分别求出指定的各次谐波, 然后将各次谐波相加得到SHC-A PF 的补偿电流指令信号。
电流闭环控制
上述SHC-A PF 在检测出了谐波电流信号以后, 需要经过电流控制环节, 产生驱动V S I 的PWM信号, 最终由V S I 产生补偿电流。传统方法中由于数字控制器及V S I 延时滞后的存在, 很难采用电流闭环完成对较高谐波电流的跟踪补偿。而对于SHC-A PF, 因为只是补偿低次谐波, 电流闭环的响应速度很容易满足要求, 因此, 可以引入电流闭环。图3 为有源电力滤波器补偿电流闭环控制的结构图, 其中iah、ibh、ich就是补偿电流指令, 来自于检测单元。补偿电流指令信号经过电流控制环节产生PWM 脉冲信号, 从而控制V S I 发出补偿电流iahf、ibhf、ichf。将实际补偿电流与补偿电流指令信号进行比较, 形成闭环的电流跟踪控制。
由图3 得到如图4 的补偿电流闭环控制系统的方框图。图中, 误差经过一个P I 调节器后, 经过V S I产生出PWM 电压信号, 作用在电感上产生实际的补偿电流作为系统的输出。V S I 可以近似为一个比例常数。由于被控对象为一阶环节, 所以只需要P调节器就可以使得电流环实现阶跃无静差。
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电压的闭环控制
对于SHC-A PF 来说, 控制V S I 直流侧电压十分重要。为了避免增加更多的电路, 在SHC-A PF中, 对直流侧电压的控制是通过在检测模块中增加直流控制部分来实现的。
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对A PF 而言, 由于瞬时无功功率不会导致其交流侧与直流侧之间的能量交换。交流侧与直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率p。如图5 所示, U dcr是电容电压的给定值, U dcf是电流电压的反馈值, 两个量的差经过P I 调节器得到调节信号Δid。由于直流电压调节信号Δid 应该是一个基波的直流有功分量, 直流无功分量Δiq 为零。而在选择性谐波检测方法中经过L PF 的是各次谐波的直流分量I h , 而不是基波的直流分量。所以, 在选择性谐波检测方法中, 直流电压控制信号经过旋转反变换后与各次谐波的电流检测值相减, 使得最终补偿电流信号iah、ibh、ich中包含一定的基波有功电流。从而使A PF 的直流侧和交流侧存在能量的交换, 将U dc调节到给定值。
这种闭环电压控制方法是建立在加预测补偿的选择性谐波检测方法上的, 不仅不影响谐波检测方法对于数字式控制器所造成的延时的克服, 同时, 还能完成传统方法中对于直流侧电压的控制功能。
仿真实验结果
本文对于图1 的系统用MA TLAB 进行了全面的仿真。对于V S I 的电流闭环控制, 由于响应速度和鲁棒性的要求, 采用了三角波比较控制方法。
在仿真中, 采用三相电压为频率50Hz、线电压380V 的电源。V S I 的直流侧电容为7 500 LF, 其电压设定值为750V , 开关频率为10 kHz。进行补偿的是5、7、11、13 次谐波。SHC-A PF 外的补偿电感为0. 39mH。
首先, 对于V S I 直流侧电压控制进行了仿真实验。理论上, 直流侧电压可以控制到高于交流侧线电压幅值的任意值。在图6 中, 直流侧电压直接控制达到预定的电压750V。特别指出, 当开始进行电流补偿以后直流侧电压可能出现波动, 但是经过直流侧的电压控制, 保持在750V 左右。
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其次, 对于采用预测补偿的SHC-APF 的谐波电流补偿进行了仿真实验。理论上, SHC-A PF 能够很快地检测出谐波, 并且进行谐波补偿以后的电源电流应该有很大的改变。在图6 中, 补偿从0. 04 s 开始, 马上开始检测到补偿电流信号, 补偿的电源电流大约是在1/4 周期之后开始变化, 经过一个周期最终达到补偿效果。带预测补偿的谐波检测方法可以很好地完成检测谐波的任务, 并且补偿后电源电流基本很好。由于仿真实验选择的检测谐波为5 次、7次、11 次、13 次这样的低次谐波, 因而在补偿后的电源电流中含有一些高频分量。这些高频分量在实际系统中会被系统本身的阻抗抑制。
第三, 对于电流闭环控制做了仿真实验。由于采用了新的检测方法, 使得对于V S I 可以采用闭环的电流控制。理论上V S I 的输出电流应该很好地跟踪检测出的补偿电流指令信号。图7 中, 实际补偿电流可以很好地跟踪检测的补偿电流指令信号。由于V S I 输出的是PWM 信号, 所以在实际输出的电流上出现一些高频谐波。在仿真开始时, 并没有进行对谐波的补偿, 此时的V S I 是整流器, 给直流侧电容充电的过程, 当直流侧电容电压控制稳定开始补偿谐波。
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