DSP的并联电力有源滤波器的仿真研究

admin

1引言
近十年来，随着电力电子技术的飞速发展，电力有源滤波器(简称APF)逐步进入成熟应用的阶段。电力有源滤波器是一种基于脉宽调制、信号处理和大功率高速自关断电力电子器件的电力电子设备(不排除利用多重化技术由低频器件构成等效高频拓扑结构方式和早期的强迫换流方式)，它通过向交流电力系统实时注入与系统谐波相位相反大小相等的补偿谐波，达到消除系统谐波污染的目的。国内对电力有源滤波器的研究起步很早，所取得的理论成绩也并不比国际水平低，但是由于国民经济实力的限制，造成资金和制造技术落后以及供求关系难以形成，这一先进产品一直处于实验室阶段。
国外工程界已对有源滤波器进行了多年的实践，在电力电子设备的制造技术和运行方面积累了丰富的经验，目前已经先后有ABB、西门子、梅兰日兰等几家外国公司开始在我国国内推销该类产品。在这种情况下，推动国内电力有源滤波器的实用化研究具有迫切的现实意义。本文希望从工程应用的角度发表一些浅见。
2研究方案选择
文献[1]列举了数百篇APF的相关文献，对近年来的有源滤波器技术进行了概括性的点评。串并联合用的APF(又称UPQC)对电力系统的谐波抑制效果最佳，但成本最高，适用范围受限；串联型APF主要适合于抑制电压型谐波和扰动；并联型APF做为最基本的、也是最早出现的系统形式，主要适合于抑制电流型谐波和扰动。
文献[2]将负载产生的谐波分为电流源型和电压源型，认为并联型APF对前者有较好的补偿效果而对后者补偿效果较差，串联型APF则反之。虽然这样的分析有重要的理论意义，但是从现场的实际情况来说，文献[2]中纯粹的电容性整流型负载并不存在，即便在对蓄电池充电的场合，也会加装直流侧的平波电抗器，退一步说，即便存在这类负载，在交流侧的隔离变压器前也可使用并联型APF对负载进行补偿。因此，可以说并联型APF的适用范围要比串联型APF大得多。另外，由于工业型的三相三线制APF技术改进后即可用于民用的三相四线制情况，本文的仿真限于对工业型APF的研究，如图1所示。

图1有源滤波器示意图

图2同步dq坐标法的阶跃响应

图3同步dq坐标法的斜坡响应
APF技术的关键在于：
（1）指令电流分离技术；
（2）补偿电流形成技术；
（3）整体系统的稳定控制。
对补偿电流的形成，目前公认的适用于较大功率场合的方法如文献[8]提供的固定频率的空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术，只要开关频率足够高，逆变器就有足够的响应速度；对于整体系统的稳定控制策略涉及复杂的数学推导，不在本文讨论范围内；指令电流分离技术的种类繁多，而且这一部分性能的好坏直接影响APF整体性能优劣，是本文讨论的重点；另外由于近年来DSP技术的迅猛发展，使在APF设计过程中充分利用数字技术的优点并附加复杂功能的方式成为可能，因而在工程应用中用DSP实现具体算法是有意义的。
当前除直接使用模拟滤波器以外的几乎所有指令电流分离技术都可以用DSP实现，其中比较适合的方式有：瞬时虚功率法、同步d?q坐标法[3]、无差拍法[4][5]和检测逆变器直流电容电压换算的方法[6]。但是瞬时虚功率法在系统电压出现畸变时不能准确检测谐波电流(见文献[9]第6章)。无差拍控制法基于零极点配置技术，对系统参数非常敏感，难以适用于实际工程应用，本身就还有待改进。检测直流电容电压的方法[6]在极端情况下将会负担一个周期的负载有功损耗[6]，因而仅适用于相对较小功率场合。同步d?q坐标法对负载电流进行旋转Park变换后利用数字积分方法直接抽取对应于交流侧电气量基波成分的方法，再利用简单加减法获得补偿电流指令值，物理意义明确而且易于实现；文献[3]在同步d?q坐标轴上进行积分的同时，以当前点的测量值为基准，根据坐标轴上各次谐波轨迹延伸预测下一点应产生的瞬时补偿电流，具有很明确的物理意义和工程实用性，可用于大功率场合，是本文的首选方案。
3仿真结果
本文利用MATLAB对文献[3]的方案进行了仿真研究，利用电气库对一次部分进行建模，利用SIMULINK的基本库和S?函数构建具体的离散算法，并在NT工作站上进行仿真。同步d?q坐标法的动态响应如图2及图3所示：(仿真频率为50Hz)
图2中，虚线为代表交流电流输入值，幅值呈两次上下阶跃变化，实线为同步d?q坐标法的计算输出值，实线在第一个周期0?02s的上升过程是由于计算中数字积分的数组初始状态为全零值，必须经过一个周期才能精确跟上系统值的过程，这一过程会导致APF调制错误，在实际运用中可以利用封闭一个周期的逆变器控制脉冲的方法避过。由图2可见，这一方法需要约一个周期时间做到精确跟随输入信号的变化，这也是任何一种方法都不可避免的；如果计及电源跟上负载变化有一定的延迟，当负载突然增加，电源供电能量增加之前，APF将为负载提供一部分能量；反之，APF将吸收一部分电源多提供的能量。这说明在实际系统的变化过程中，APF将会在电源和负载之间起到一定的缓冲作用。实际工程设计中必须考虑到这种情况带来的器件容量的选择问题。
图3中第一个周期的情况同上。由图3可见，同步d?q坐标法的斜坡响应滞后于输入信号的变化约半个周期，表明在负荷单调连续变化过程中，APF将

图4负载电流波形及频谱分析

图5补偿后电源电流波形及频谱分析

图6大电流情况下电源电流波形及频谱分析
注：图5中的频谱分析中2000Hz以上部分有小的突起，这些部分可以很容易地用并接小电容的方法滤除，由于SIMULINK未能仿真出这一效果，故有待使用试验样机进行验证。
持续为负载提供能量，或将持续被电源充电；这将会导致逆变器直流侧的电压不稳；由于不论数字式滤波或模拟式滤波都有的滞后性，这种情况难以避免，当然在实际系统中，将会由电容电压控制部分进行调节，以补偿电容能量的波动，因而实际的运行效果不会这么恶劣。实际系统中，传统的PI控制法需要人工通过现场试验调整，如何简化整定方法或采取其它策略获取较好的特性还有许多工作可做。
基于谐波电流预测控制法进行指令电流分离和预测的推算方法和有关公式请参阅该文献[3]，这里仅列出部分仿真结果如图4及图5所示。图4和图5中的仿真条件见表1。
表1图4和图5的仿真条件

负载电流THD51.4％电源电流THD4.22％由于篇幅所限，所有仿真结果不能一一列出，仅简单列出分析结果如下：
(1)在负载电流较大的情况下(减小负载阻抗)，APF的补偿效果明显改善，如图6所示，图中的频谱分析方法同上：THD=198％
其中原因可能是因为相同一次情况下固定的开关频率对应的调制引起的高频谐波电流基本相近，尚需进行具体的分析。
(2)补偿电感确定时，谐波电流抑制的效果与电容电压的关系为：(电容电压值以满足符合有关标准的补偿效果为合适值)
电容电压低于合适值(欠补偿状态)谐波较大，主要为低频畸变。分析主要原因为逆变器饱和，无法产生足够的实时补偿电流，补偿效果不佳；
电容电压高于合适值(过补偿状态)谐波较大，主要为高频畸变。分析主要原因为逆变器工作时产生的补偿电流的震荡；
电容电压处于合适值范围，补偿后电源电流谐波在允许范围以内。
(3)文献[9]中认为直流侧电容电压至少应大于3倍的交流侧电压峰值，并给出了具体的分析，但是在实际仿真中，将电容电压降至450V，远低于3倍的交流侧电压峰值，仍然得到了如图5的效果，考虑原因是本文所使用的SVPWM方法特性与文献[9]中的情况不同，具体情况有待进一步分析。
4结语
(1)通过具体的仿真研究发现，文献[3]提供的基于同步d?q坐标轴法的谐波预测算法对三相三线制整流负载的特征谐波具有较好的检测效果，在较大功率的应用场合有较好的适用性，但是对于系统中的瞬变过程以及分数次谐波无效，对这部分信号的抑制作用由APF的基本原理完成。
(2)由于短期内电力电子器件本身的限制，一方面IGBT等相对快速的器件还未能达到足够的开断和耐压容量，另一方面器件的价格造成高电压、大电流的APF成本很高，而且即便采用各种多重化技术，这类装置要完全取代现有的传统技术，无论从资金、制造技术来说法，在国内外都不现实(美、日等国的制造水平约为单台1000kVA以内[1])；而在中小功率的负载端，并与传统技术结合，应用于各级电网专门治理谐波污染，有广阔的或者说即将有广阔的前景。因而在实际的与传统技术配合的过程中，对文献[3]提出的方法需要做出适当的改进(3)文献[3]本身的仿真没有考虑系统阻抗对补偿效果的影响，这一假设在实际系统中负载端正常运行时是可以接受的，进一步的仿真也说明在系统阻抗相对于负载阻抗较小的场合，这种谐波预测方法可以取得较好的效果。
综上所述，本文所选的方案具有较好的工程可实现性。