田田豐(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,重慶 402160)

基于自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)的有源電力濾波器控制方法

田田豐
(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,重慶 402160)

為提高電網(wǎng)并聯(lián)型有源電力濾波器的電流控制性能,通過(guò)有效獲取補(bǔ)償信號(hào)的控制方法,采用自適應(yīng)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器進(jìn)行負(fù)載的諧波補(bǔ)償,并使用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行模擬仿真.模擬仿真結(jié)果表明,該方法具有良好的性能.

有源電力濾波器;非線(xiàn)性;諧波抑制

0　引 言

在工業(yè)、商業(yè)和住宅小區(qū)中,非線(xiàn)性器件的廣泛使用導(dǎo)致電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的大幅下降.由非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波失真會(huì)導(dǎo)致客戶(hù)設(shè)備、電力變壓器和電源線(xiàn)功率損耗的增加,以及信號(hào)的漂移、有機(jī)絕緣材料壽命的縮短等問(wèn)題[1].使用無(wú)源和有源諧波濾波器已被公認(rèn)為是解決諧波抑制最有效的方法.

由電容、電感和電阻構(gòu)成的傳統(tǒng)無(wú)源諧波濾波器(PHF)被用于基本諧波抑制.PHF的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低,且沒(méi)有固定模式,可以正確地校準(zhǔn)功率因數(shù),但也存在補(bǔ)償相對(duì)固定、尺寸較大、容易產(chǎn)生共振等問(wèn)題.近年來(lái),有源電力濾波器(APF)作為諧波電流補(bǔ)償?shù)挠行骷?在日本及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已被廣泛應(yīng)用,技術(shù)也相對(duì)成熟.與國(guó)外相比,從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,我國(guó)部分高等院校和科研機(jī)構(gòu)才開(kāi)始對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行深入研究.補(bǔ)償信號(hào)的計(jì)算是有源電力濾波器控制的重要組成部分,也影響著其瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能.目前,其算法從快速傅里葉變化(FFT)到瞬時(shí)P-Q理論,以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)陷波濾波器,多種不同的控制方法已被廣泛提出.本文提出一種通過(guò)有源諧波濾波器有效獲取補(bǔ)償信號(hào)的控制方法,采用自適應(yīng)無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器進(jìn)行負(fù)載的諧波補(bǔ)償.

1　并聯(lián)型有源電力濾波器

有源電力濾波器基本上分為并聯(lián)型和串聯(lián)型,當(dāng)前最流行的有源電力濾波器是并聯(lián)型有源電力濾波器[2].并聯(lián)型有源電力磁波器(見(jiàn)圖1)具有良好的電流控制能力,易于保護(hù),可靠性高.

圖1　并聯(lián)型有源電力濾波器

對(duì)于一個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載的h次諧波,對(duì)其提出它的等效諾頓電路.該電路包括與阻抗Zlh并聯(lián)的電流源Ilh,網(wǎng)格通過(guò)戴維南等效電路構(gòu)成,包括與阻抗ZG串聯(lián)的電壓源UG.

并聯(lián)型有源電力濾波器通過(guò)注入等量諧波補(bǔ)償電流來(lái)補(bǔ)償電流的諧波,因而補(bǔ)償電流約為純正弦波.本文不考慮有源諧波濾波器的實(shí)際情況,而將其假定為一個(gè)理想的受控電流源,其負(fù)載電流的諧波分量成比例,即:

其中,ILh為扭曲的負(fù)載電流諧波,IGh為電網(wǎng)電流諧波.其補(bǔ)償電流為扭曲負(fù)載電流成分減去其基波成分.h次諧波耦合點(diǎn)電壓UCPh與負(fù)載電流IL0h的函數(shù)關(guān)系可以表示為:

這表明,當(dāng)參數(shù)K趨近于1時(shí),耦合點(diǎn)電壓UCPh≈0.在理想情況下,對(duì)于基波和所有其他諧波K應(yīng)等于零.

2　補(bǔ)償信號(hào)的算法

產(chǎn)生補(bǔ)償信號(hào)的控制策略是基于頻域或時(shí)域技術(shù),在頻域中的控制策略則是基于失真電流或電壓的傅里葉分析.高階諧波分量是從畸變信號(hào)中分離出來(lái)的,并最終將其組合成補(bǔ)償信號(hào).但在非平穩(wěn)情況下,離散傅里葉變換(DFT)將會(huì)失去準(zhǔn)確性[3].對(duì)于頻域計(jì)算方法,這種控制方法的策略是基于傅里葉級(jí)數(shù)DFT和FFT.在時(shí)域中常用的算法有瞬時(shí)有功和無(wú)功P-Q理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論、陷波濾波器方法及自適應(yīng)信號(hào)處理.大多數(shù)算法比DFT具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

3　自適應(yīng)無(wú)限脈沖響應(yīng)陷波濾波器

陷波濾波器在信號(hào)處理領(lǐng)域中有著不同的應(yīng)用,用于去除單頻或窄帶正弦干擾.理想的陷波濾波器的幅度特性被定義為:

其中ω0為陷波頻率.陷波濾波器可以從無(wú)害相移高次諧波的失真電流波形中提取基波正弦電流波形.理想的陷波濾波器具有零帶寬,但在實(shí)際中不能實(shí)現(xiàn)零帶寬.

自適應(yīng)數(shù)字陷波濾波器的最簡(jiǎn)單類(lèi)型是由Widrow提出的自適應(yīng)譜線(xiàn)增強(qiáng)器[4](ALE),其結(jié)構(gòu)如圖2所示.有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器的適應(yīng)性通過(guò)采用最小均方(LMS)算法成功實(shí)現(xiàn).ALE的缺點(diǎn)是存在比較低的收斂速度和潛在的不穩(wěn)定性.

圖2　ALE結(jié)構(gòu)

對(duì)于無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)陷波濾波器而言,它能夠提供比ALE更加清晰的幅度響應(yīng)[5].同時(shí),IIR也需要比ALE更小尺寸的濾波器.

二階I IR陷波濾波器的傳遞函數(shù)被定義為:

其中λ為零極點(diǎn)收縮因數(shù),一般情況下,λ應(yīng)有效接近于1.

一個(gè)單一頻率的陷波濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為:

其中A(z)表示IIR陷波濾波器的傳遞函數(shù).IIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3　IIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)

IIR陷波濾波器的傳遞函數(shù)為:

其中k1為自適應(yīng)系數(shù),收斂于-cosω0.陷波濾波器的頻率抑制可以通過(guò)修改k1和阻帶寬度k2來(lái)實(shí)現(xiàn).

格型IIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　格型IIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)

格型IIR陷波濾波器的傳遞函數(shù)為:

由于(7)式中分子分母具有鏡像對(duì)稱(chēng)性,所以格型IIR陷波濾波器的傳遞函數(shù)在所有頻率范圍內(nèi)近似等于1.

自適應(yīng)IIR陷波濾波器適合采用與格型FIR陷波濾波器相關(guān)的自適應(yīng)算法.二階格型FIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5　二階格型FIR陷波濾波器結(jié)構(gòu)

二階格型FI R陷波濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且收斂速度快的特點(diǎn).運(yùn)用梯度運(yùn)算法更新k1和k2的表達(dá)式為:

其中,μ為梯度級(jí),Di(n)定義為:

其中β為遺忘因子,且0<β<1.

4　模擬仿真

本文所設(shè)計(jì)的受控并聯(lián)型有源電力濾波器如圖6所示.使用MATHLAB/SIMULINK軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真,仿真過(guò)程如圖7所示.

4.1網(wǎng)格與第一整流器連接

在t=0.1s時(shí),第一整流器連接網(wǎng)格,在0.3s時(shí)并聯(lián)型有源電力濾波器被接入網(wǎng)絡(luò),并開(kāi)始啟動(dòng)補(bǔ)償非線(xiàn)性負(fù)載電流的諧波成分(見(jiàn)圖6).0.3s前后總諧波失真情況見(jiàn)表1.有源電力濾波器的電網(wǎng)、負(fù)載及電流波形如圖7所示.

由表1可知,電網(wǎng)電流的THD在接入并聯(lián)型有源電力濾波器前為11.29%,在接入濾波器后,THD降為1.35%;同時(shí),線(xiàn)性諧波失真也由原來(lái)的5.44%下降至0.64%.由此證明所提出的電流控制策略有很高的補(bǔ)償精度.

4.2有源電力濾波器與第二整流器連接

非線(xiàn)性負(fù)載在t=0.5s時(shí)開(kāi)始增加,其總諧波失真情況見(jiàn)表2.

圖6　受控并聯(lián)型有源電力濾波器

圖7　有源電力濾波器的電網(wǎng)、負(fù)載及電流波形

表1　0.3s前后總諧波失真情況

由表2可知,0.5s非線(xiàn)性負(fù)載增加前后,電網(wǎng)電流的THD由原來(lái)的1.35%提高至1.98%;非線(xiàn)性電流失真由原來(lái)的40.32%下降至40.28%,其瞬間變化幅度均很小.可見(jiàn),在階躍負(fù)載變化的瞬間無(wú)嚴(yán)重變化,補(bǔ)償信號(hào)計(jì)算方法運(yùn)行正常.

5　結(jié)束語(yǔ)

采用自適應(yīng)無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載的諧波補(bǔ)償,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流的諧波補(bǔ)償.該方法對(duì)于電網(wǎng)電流的波動(dòng)擁有自適應(yīng)能力,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,收斂速度快,算法也較為傳統(tǒng)簡(jiǎn)單,很容易在數(shù)字控制器上實(shí)現(xiàn),有效解決了有源諧波濾波器對(duì)諧波的抑制.同時(shí),通過(guò)使用MATHLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行模擬仿真,結(jié)果表明,該方法具有良好的性能.

表2　0.5s前后總諧波失真情況

[1]馬立新,嚴(yán)亮.一種改進(jìn)的自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法及其應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程,2014(11):7-10.

[2]汪玉鳳,張東宇,蘇佰超.并聯(lián)型有源濾波器自適應(yīng)模糊控制方法研究[J].電氣傳動(dòng),2014(11):33-37.

[3]曹培培,周凱杰.有源電力濾波器的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略[J].淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(3):218-221.

[4]沈廷鰲,涂亞慶,張海濤,等.一種改進(jìn)的自適應(yīng)格型陷波頻率估計(jì)算法及其收斂性分析[J].振動(dòng)與沖擊,2013(24):28-32.

[5]包明,王云亮.改進(jìn)的變步長(zhǎng)自適應(yīng)諧波檢測(cè)算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2011(1):71-74.

[責(zé)任編輯:吳志榮]

Study of Active Power Filter Control Based on Adaptive Signal Processing Technique

TIAN Feng
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Chongqi Creation Vocational College, Chongqi, 402160, China)

A research has been done to employ adaptive infinite impulse response filter to perform laden harmonic compensation by controlling means of effectively obtaining compensation signals, and use Matlab/Simulink software to imitate and emulate in order to improve the current control quality of shunt active power filter in power grid. The result of imitation and emulation displays that this method is of fine quality.

Active power filter; Nonlinear; Harmonic suppression

TN713+.8

A

1671-4326(2016)02-0051-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.037

2016-03-28

田豐(1983-),男,陜西寶雞人,重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師,碩士.