高性能有源電力濾波器延時(shí)補(bǔ)償策略的研究

基于數(shù)字控制的有源電力濾波裝置會(huì)因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>DSP信號(hào)采樣、諧波計(jì)算導(dǎo)致信號(hào)延時(shí)，給電網(wǎng)諧波補(bǔ)償性能帶來很大的影響。本文通過對常用的基于瞬時(shí)無功理論的諧波電流檢測流程進(jìn)行分析，得到一個(gè)可以減小DSP諧波電流檢測延遲時(shí)間的方法，以及相應(yīng)的相移補(bǔ)償策略。并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器? 延時(shí)補(bǔ)償
1、?前言
有源電力濾波器的發(fā)展可以追溯到1970年[1]。隨著諧波治理標(biāo)準(zhǔn)IEEE519-1992和IEC 1000-3-2的廣泛使用，采用有源電力濾波器代替無源濾波裝置來治理諧波問題已經(jīng)越來越普遍。作為經(jīng)典的諧波檢測方法：瞬時(shí)無功功率理論和快速傅立葉變換也得到了快速的應(yīng)用和拓展。
基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)因?yàn)樗母咝阅堋o溫漂、控制靈活等特點(diǎn)逐漸代替了采用全模擬器件進(jìn)行諧波電流的檢測和電流跟蹤控制的格局。但是數(shù)字系統(tǒng)的采用也不可避免的帶來了輸出控制信號(hào)的延遲。即使僅僅延遲幾個(gè)采樣周期，但在有源電力濾波器這幾十微秒的延時(shí)也給補(bǔ)償性能帶來了嚴(yán)重的影響。文[2][3]都對延時(shí)給各次諧波補(bǔ)償帶來的影響進(jìn)行了分析。
許多專家和學(xué)者都對如何進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償提出了自己的策略。文[4]提出了基于瞬時(shí)無功理論的數(shù)?；旌蠙z測諧波的方法，該方法得到的諧波信號(hào)精度很高。但是因?yàn)椴捎昧瞬糠帜M控制，因此對得到的諧波信號(hào)在幅度上無法靈活控制，在多機(jī)并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)無法采用該方法來實(shí)現(xiàn)。文[5]通過一個(gè)系數(shù)恒定的一階延時(shí)函數(shù)來修正計(jì)算得到的諧波信號(hào)，從而得到無延時(shí)的諧波信號(hào)，并通過反饋控制來實(shí)現(xiàn)整個(gè)補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定性。但是從[2][3]的分析來看一個(gè)恒定的延遲時(shí)間對于不同次數(shù)的諧波的影響是不一樣的，因此很難通過一個(gè)固定的系數(shù)來修正各次諧波延時(shí)相移的效果，該方法有很大的局限性。文[3]中提出在穩(wěn)定負(fù)載的情況下采用上一個(gè)工頻周期中對應(yīng)的前一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)來計(jì)算本周期中當(dāng)前采樣點(diǎn)的諧波電流，在負(fù)載突變的情況下，對上述數(shù)據(jù)乘以一個(gè)預(yù)測算子來確定本周期當(dāng)前采樣點(diǎn)的諧波電流。這種方法很有新意，而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看精確性和實(shí)時(shí)性都很好。但是這個(gè)針對的是電流性負(fù)載，當(dāng)負(fù)載情況比較復(fù)雜的時(shí)候是無法得到那個(gè)預(yù)測算子的值，就無法很好的補(bǔ)償動(dòng)態(tài)負(fù)載的諧波。有一定的局限性。
?本文提出改善延遲時(shí)間的方法是基于對瞬時(shí)無功理論運(yùn)算過程的改變，并結(jié)合相應(yīng)的相移補(bǔ)償策略。雖然不能做到無延時(shí)補(bǔ)償，但大大縮短了延遲時(shí)間，提高了諧波補(bǔ)償性能。方法簡單，很有實(shí)用價(jià)值。
2、工作原理
本文采用的有源電力濾波器的主電路結(jié)構(gòu)是三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器，控制電路方面由DSP負(fù)責(zé)檢測諧波電流信號(hào)，由模擬電路搭建電流滯環(huán)控制電路實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制。本系統(tǒng)檢測負(fù)載側(cè)諧波電流信號(hào)之外，還需要對直流側(cè)的上下兩個(gè)電容做總壓和均壓控制。因此基于瞬時(shí)無功理論的諧波檢測方法如圖1所示。每個(gè)采樣周期我們需要采集三相負(fù)載的電流信號(hào)、直流側(cè)的上電容電壓信號(hào)和總壓信號(hào)。同時(shí)還要對外部A相電壓的過零點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，以保證輸出信號(hào)的相位和電網(wǎng)一致。每個(gè)工頻周期我們通過軟件定時(shí)分為512個(gè)采樣周期。為了加強(qiáng)抗干擾性能，這個(gè)過零點(diǎn)監(jiān)測程序并不是在每個(gè)采樣周期都運(yùn)行，而只是在電壓過零前后一段時(shí)間大概1ms的時(shí)間段作為監(jiān)控時(shí)間，這樣減小了毛刺帶來的影響。
對于三相電流信號(hào)，我們先減去其中的零序分量，然后通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將電流信號(hào)從a-b-c三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。這樣的一個(gè)差頻變換使得我們?nèi)嚯娏髦械幕ㄐ盘?hào)就變成了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流分量，而其它的諧波信號(hào)也都相應(yīng)的降低了50Hz。我們通過設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器來得到p-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流分量 和 。 代表負(fù)載電流中的有功電流的幅值，而 代表負(fù)載電流中無功分量的幅值。對于只補(bǔ)償諧波的有源電力濾波器我們需要把 和 都計(jì)算出來，而如果既要補(bǔ)償諧波又要補(bǔ)償無功則只需要計(jì)算 就可以了。然后通過反變換得到三相負(fù)載電流中的基波信號(hào)(Iaf, Ibf, Icf)。將基波電流信號(hào)減去相應(yīng)相的負(fù)載電流信號(hào)我們就得到了諧波電流信號(hào)。對于總壓的控制其實(shí)就是對電容中的能量進(jìn)行補(bǔ)充或者釋放，因此只要把總壓的誤差信號(hào)疊加在有功電流分量上就可以實(shí)現(xiàn)對總壓實(shí)現(xiàn)有效控制。而上下電容的均壓控制，根據(jù)文[6]的分析，只要在輸出的諧波電流上疊加正值或負(fù)值的直流偏量就可以進(jìn)行均壓控制。