吳文博,吳 雷
(江南大學(xué) 工業(yè)節(jié)能與控制技術(shù)無錫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)
混合型有源濾波器諧波檢測(cè)復(fù)合算法的研究
吳文博,吳 雷
(江南大學(xué) 工業(yè)節(jié)能與控制技術(shù)無錫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)
為了提高混合型有源電力濾波器(Hybrid Active Power Filter,HAPF)的電流檢測(cè)方法的性能,提出一種基于自適應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR)預(yù)測(cè)與FBD電流檢測(cè)相結(jié)合的電流檢測(cè)算法。通過對(duì)注入式混合型有源濾波器(IHAPF)結(jié)構(gòu)及工作原理的分析,將算法應(yīng)用于該裝置諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)。最后采用Matlab對(duì)模型進(jìn)行仿真分析,試驗(yàn)結(jié)果證明復(fù)合算法理論的正確性。
混合型有源濾波器;FBD算法;FIR濾波器;諧波檢測(cè)
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,更多的非線性用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染問題越來越嚴(yán)重[1]。有源電力濾波器(APF)由于其動(dòng)態(tài)無功與諧波電流補(bǔ)償?shù)男阅芰己?,在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。然而,單獨(dú)使用APF時(shí),要求有源濾波器具有較大的容量,這對(duì)功率器件的選擇造成較大困難,同時(shí)也增加了成本。將有源濾波器和無源濾波器混合使用組成混合型有源濾波器(HAPF),充分結(jié)合無源濾波器(PPF)與 APF優(yōu)點(diǎn),既具有 PPF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容量大、成本低的優(yōu)點(diǎn),又有APF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、諧波抑制頻譜寬、運(yùn)行可控的優(yōu)點(diǎn)[2-3]。將無源濾波器與有源濾波器混合使用,可以克服PPF與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振,以及APF容量不足的限制。
如圖1所示,混合型有源電力濾波器有源部分由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、主電路以及逆變器直流側(cè)電容組成??刂葡到y(tǒng)主要包括兩大部分:諧波電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。檢測(cè)部分的作用是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中諧波分量,補(bǔ)償部分的作用是根據(jù)檢測(cè)的諧波分量信號(hào)計(jì)算產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與待補(bǔ)償?shù)闹C波及無功電流大小相等、相位相反。相互抵消,最終得到期望的電網(wǎng)電流。使電網(wǎng)電流成為與電壓同相位的正弦波,從而達(dá)到抑制諧波、補(bǔ)償無功的目的。
圖1 混合型有源濾波器控制系統(tǒng)圖Fig.1 Control system of HAPF
上述原理可用如下的一組公式描述:
其中iLf和iLn分別表示負(fù)載電流的基波值和諧波值,iC表示補(bǔ)償電流值。
有源濾波器的性能,很大程度上取決于對(duì)諧波電流以及基波無功電流檢測(cè)的速度與精確程度。因此對(duì)諧波電流檢測(cè)方法的研究具有十分重要的意義。
如圖2所示,F(xiàn)BD法是將電流投影到電壓坐標(biāo)系上,電壓決定檢測(cè)結(jié)果,其思路是:把實(shí)際電路中的負(fù)載等效為理想電導(dǎo)元件。電路中的功率都消耗在這個(gè)等效電導(dǎo)上,而沒有能量的損失[4-5]。根據(jù)等效電導(dǎo)對(duì)電流進(jìn)行分解,討論各電流分量的性質(zhì)。把一個(gè)實(shí)際電路等效為m相系統(tǒng).能量從源系統(tǒng)傳遞到負(fù)載系統(tǒng),等效電路如圖所示。
圖2 FBD法m相等效電路Fig.2 Equivalent circuit diagram of FBD
其中,u和i分別為系統(tǒng)的電壓和電流矢量,Gp(t)為等效電導(dǎo),ip為有功電流。圖中的量均為瞬時(shí)值,由理論可知,若有一個(gè)合適的功率補(bǔ)償裝置與負(fù)載并聯(lián).就可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償檢測(cè)到的各種電流分量。
圖3 基于FBD法的基波電流檢測(cè)方法Fig.3 Method of fundamental current detection based on FBD
如圖3所示,在三相制系統(tǒng)中,a、b、c三相的電壓相位、電流相位依次相差120°,設(shè)三相電路的電源電壓經(jīng)過同步鎖相環(huán)PLL后的有功參考電壓矢量up為
假設(shè)三相系統(tǒng)中負(fù)載電流均包含正序、負(fù)序、零序分量,則負(fù)載電流表達(dá)式為:
經(jīng)過LPF后,得到線性等效電導(dǎo)
通過鎖相環(huán)和低通濾波器可以獲得電網(wǎng)電壓相位信號(hào)以及GP(t)的直流分量。繼而可以檢測(cè)出基波有功電流分量和基波無功電流分量,將總負(fù)載電流減去基波有功電流及基波無功電流,便得到負(fù)載的總諧波電流。
由FBD法檢測(cè)原理可知,無功及諧波檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及速度很大程度上決定于LPF的性能[6-8]。本文提出基于自適應(yīng)FIR(Finite Impulse Response)預(yù)測(cè)濾波器的諧波檢測(cè),并結(jié)合FBD的電流檢測(cè)法更好地完成電流檢測(cè)和濾波效果,其突出的特點(diǎn)是通過預(yù)測(cè)算法從負(fù)載畸變電流中分離出基波電流,而不會(huì)引起基波電流的相移,從畸變電流中減去基波電流就可得到所需的諧波電流。當(dāng)采樣頻率增加時(shí),諧波信號(hào)的產(chǎn)生總是只有一次減法的延時(shí),而大部分的計(jì)算都在空閑的時(shí)間里進(jìn)行,保證計(jì)算能夠及時(shí)完成且不對(duì)采樣頻率產(chǎn)生過大的限制,大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,從而可以降低系統(tǒng)離散化程度。
其自適應(yīng)濾波算法原理圖如圖4所示。
圖4 自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of adaptive predictive filter
復(fù)合算法整體思想如圖5所示,設(shè)系統(tǒng)采樣頻率為fS,每個(gè)周期采樣M點(diǎn)。通過FBD法計(jì)算負(fù)載側(cè)基波電流,從當(dāng)前時(shí)刻開始,在過去的一個(gè)周期的負(fù)載側(cè)基波電流中
如圖4所示,可知:
圖5 復(fù)合檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)思想Fig.5 Realizing idea of detection
如圖5所示,等間隔抽取N(N=M/k)個(gè)數(shù)據(jù),通過自適應(yīng)預(yù)測(cè)從當(dāng)前采樣周期開始第k個(gè)采樣周期的負(fù)載側(cè)基波電流,當(dāng)前采樣周期與第k個(gè)采樣周期的負(fù)載側(cè)基波電流,當(dāng)前采樣周期與第k個(gè)采樣期之間的其它采樣周期的負(fù)載側(cè)基波采用內(nèi)插值算法計(jì)算得到。在接下來的k個(gè)采樣周期只對(duì)總的負(fù)載電流檢測(cè),執(zhí)行一次減法運(yùn)算,即從檢測(cè)得到的負(fù)載電流中減去電網(wǎng)基波電流預(yù)測(cè)值得到有源電力濾波器參考電流。
如圖6所示,在多種混合型有源濾波器結(jié)構(gòu)中,本文選取注入式混合型有源濾波器 (Hybird Active Power Filter With Injection Circuit,IHAPF)作為復(fù)合檢測(cè)算法的研究對(duì)象。其單相等效電路如圖7所示。
圖6 注入型HAPF主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of injection type hybrid APF
圖7 IHAPF單相等效電路圖Fig.7 Single-phase equivalent circuit of IHAPF
負(fù)載諧波被看做諧波電流源ILh,有源部分逆變器為電壓型逆變器,其輸出為U。APF通過抵消負(fù)載電流中的諧波成分,從而達(dá)到了諧波治理的目的。其中L為輸出濾波器電感,C1、L1分別為為基波諧振直路電容和電感,ZS,CS分別為電網(wǎng)阻抗和注入電容,USh為電網(wǎng)諧波電壓。IHAPF是一種既能夠補(bǔ)償一定容量的無功,同時(shí)又可抑制諧波的有源濾波裝置。通過對(duì)電容C0合理取值,可補(bǔ)償一定容量的無功功率,由于注入支路中存在串聯(lián)基波諧振支路,使有源部分不再承受基波電壓,從而降低逆變器開關(guān)對(duì)電壓等級(jí)的要求,在很大程度上減小了對(duì)有源部分的容量要求。根據(jù)負(fù)載特點(diǎn),在負(fù)載側(cè)并聯(lián)5次、7次單調(diào)諧路濾波器組,用以濾除含量較高的5次和7次諧波。
為了驗(yàn)證復(fù)合檢測(cè)在串聯(lián)注入式并聯(lián)混合型有源濾波器中的應(yīng)用效果,通過電力電子專業(yè)仿真軟件MATLAB對(duì)本文提出的預(yù)測(cè)法進(jìn)行仿真研究,仿真采用三相可控橋帶阻感負(fù)載,R=100 Ω,L=58.7 MH; 三相交流電源為 10 kV,50 Hz;采樣頻率為6.4 kHz,即每個(gè)工頻周期采樣128點(diǎn);仿真時(shí)間設(shè)為 0.1s;數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度 N=20;算法中涉及 β=0.99,α=0.97,γ=0.003 2。仿真結(jié)果如圖8~10所示。
圖8 HAPF未投入電網(wǎng)時(shí)波形及分析Fig.8 Simulation waveform of harmonic current before HAPF put into operating,and FFT analysis
圖9 投入運(yùn)行后電網(wǎng)電流及分析Fig.9 Simulation waveform and FFT analysis of grid current after HAPF put into operating
圖10 諧波電流Fig.10 Simulation waveform of harmnic current
根據(jù)諧振式混合型有源電力濾波器構(gòu)建數(shù)學(xué)模型,并將復(fù)合檢測(cè)算法應(yīng)用于該濾波裝置,基于該模型分析電網(wǎng)電流的變化,對(duì)檢測(cè)到的諧波電流進(jìn)行合理的補(bǔ)償,通過Matlab仿真證明該算法的正確性與有效性,且驗(yàn)證了應(yīng)用算法進(jìn)行諧波檢測(cè)的IHAPF性能良好,可快速、明顯的降低電網(wǎng)中諧波含量。
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Research of hybrid active power filter current detection
WU Wen-bo,WU Lei
(Key Lab of Industrial Energy Conservation and Control Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
In order to improve the performance of Hybrid Active Power Filter (HAPF) harmonic current detection method,a new method based on an current testing algorithm of combining adaptive finite response (FIR)with FBD.Based on the analysis of the structure and working principle of Parallel Hybrid Active Power Filter with resonance injunction circuit,the proposed method is applied into harmonic current detection ofPHAPF.Finally the Matlab/Simulink simulation results verify the correctness of the algorithm.
Hybrid active power filter; FBD algorithm; FIR filter; harmonic detection
TM713
A
1674-6236(2013)08-0099-03
2012-11-02稿件編號(hào)201211011
吳文博(1985—),男,內(nèi)蒙古通遼人,碩士研究生。研究方向:電機(jī)與電器。