有源电力滤波器直流母线电压控制实验研究.pdf

第 5 1卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l Me a s u r e me nt I n s t r u me n t at i o n Vo 1 51 NO4 F e b 2 5 0 1 4 有源电力滤波器直流母线电压控制实验研究木 孙曙光， 苏腾飞， 杜太行， 王秋萌 ( 河北工业大学， 天津 3 0 0 1 3 0 ) 摘要：有源电力滤波器的直流侧电压值对其补偿效果有很大的影响， 主要针对有源电力滤波器直流侧电压的取 值与控制进行研究。设计 了有源电力滤波器实验系统 ， 在此基础上 ， 理论分析了直流侧电压与补偿 电流之 间的 数学关系； 通过不同条件下的实验深入分析了直流侧电压值与补偿特性之间的关系； 根据有源电力滤波器的启 动特性， 设计了相应的P I 算法， 消除了启动阶段电容电压超调大的不利因素。实现了直流侧电压的合理选择与 有效控制。 关键词： 有源电力滤波器； 直流侧电压； P I 控制； D S P 中图分类号 ： T M7 6 2 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 4 0 0 5 Ex p e r i me n t Re s e a r c h o n t h e Co n t r o l o f DC S i d e Vo l t a g e f o r Ac t i v e Po we r F i l t e r S U N S h u g u a n g， S U T e n g - f e i ， D U T a i - h a n g ， WA NG Q i u me n g ( He b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 1 3 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：B e c a u s e o f t h e g r e a t i n fl u e n c e o f t h e DC s i d e v o l t a g e v a l u e fi l t e r o n t h e c o mp e n s a t i o n e f f e c t o f a c t i v e p o w e r fi l t e r ， t h e v a l u e s e l e c t i o n a n d t h e c o n t r o l o f DC s i d e v o l t a g e f o r a c t i v e p o w e r fi l t e r a r e ma i n l y r e s e a r c h e d T h e e x p e r i me n t s y s t e m o f a c t i v e p o we r fi l t e r i s d e s i g n e d ， b a s e d o n w h i c h t h e ma t h e ma t i c a l r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e DC s i d e v o l t a g e a n d o f f s e t c u r r e n t i s a n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y Th r o ug h e x pe r i me n t s un d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ， t h e r e l a t i o ns h i p b e t we e n t h e c o mpe n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c a n d DC s i de v o l t a g e i s a n a l y z e d i n d e t a i l Ac c o r di n g t o t h e s t a r t u p c ha r a c t e r i s t i c o f t he a c t i v e po we r fi l t e r ， t h e c o r r e s p o n d i n g PI a l g o r i t h m i s d e s i g n e d a nd t he un f a v o r a b l e f a c t o r s u c h a s l a r g e o v e r s h o o t o f c a p a c i t a n c e v o l t a g e a t t h e s t a r t u p p h a s e i s e l i mi n a t e d F i n a l l y t h e r e a s o n a b l e c h o i c e a n d e f f e c t i v e c o n t r o l o f DC s i d e v o l t a g e a r e r e a l i z e d Ke y wo r d s ：Ac t i v e p o we r fi l t e r ， T h e DC s i d e v o l t a g e ， P I c o n t r o l ， DS P 0 引 言 性 的电压数字控制程序 。 有源电力滤波器( A P F ) 作为抑制谐波和补偿无 1 有源电力滤波器实验系统构成 功的新型电力电子装置， 有效改善了电网的电能质量 。 A P F 的总体结构图如图l 所示 。 但有源滤波器工作过程 中直流侧 电容 电压常 因功率 并联型A P F 整体图中，负载为三相二极管整流 ， 器件的开关损耗 、 有源电力滤波器和电网之间的无功 用作模拟谐波源。主电路 由三相桥式逆变电路构成 。 功率交换等出现波动， 为了使有源电力滤波器正常工 信号检测和调理模块包含电网电压 过零检测、 谐波 作 ， 必须采用一定的方法将直流侧 电容 电压维持一基 电流检测 、 补偿 电流检测和电容 电压检测 ， 它们将 电 本固定 的值 。 本文即针对直流侧电压的取值以及控制进行了 深入的实验分析 ， 并构建 了A P F 实验系统 ， 通过在实 验系统中的具体实验分析， 分析直流侧电压值与补偿 特性之 间的关系并设计适合有源电力滤波器启动特 基金项 目： 河北 省教育厅科学研究计划项 目( Z 2 0 0 8 3 0 8 ) ： 河北工业大学博士科研启动费资助项目 4 0 网强电信号转成弱电信号， 调理成符合D S P 输入接口 的电信号。控制模块以T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为主要核心， 完 成A D 转换 、指令信号运算 、反馈信号处理及生成 P WM 脉冲信号。保护电路用作保护功率器件和电容 器件 ， 系统出现过压 、 过流 、 过热时 ， 运行而 中 断， 产生闭锁驱动信号， 从电网中切除A P F ， 保证了装 置的安全可靠性。电压传感器将采集的A 相电网电压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n VO I 51 NO4 Fe b 2 5 2 0 1 4 可得采用单极性二值逻辑开关函数描述的并联 型有源电力滤波器一般数学模型为 ： L 0 0 0 0 ， J 0 O 0 0 0 0 0 0 C d d ca z c b - c c Ut 0 卟 ) 0 一 R 0 ( 1 1 j k = a ,b , c 0 0 f 1 1 j k = a ，b S a S b s c 0 a c b c。 + e d e5 e c 0 ( 1 ) 式中： f 1上桥臂导通 ， 下桥臂关断 ， ， 、 t o 上 桥 臂 关 断， 下 桥 臂 导 通 ， b ， 。 基于此数学模型可以求得补偿电流的时域表达 式 ， 以A 相补偿电流为例 ， 设 e a = U m s i n w t , f ( s ) = S a 一 S a + _ S b + Sc ，代人( 1 ) 表示的 第一组微分方程中有 ： d i +孚 c a一- I U m s in to t Js ) ( 2 ) 由于电感电阻值很小， 可以忽略不计， 即令R = 0 ， 且令 ( ) 的初始值为 ( f ) ， 得： a ( f ) ： f ( S a ) 一 Ud c ( t - t 1 ) ( c o s t O t - e o s ( o t I ) + c a ( t 1 )( 3 ) 可以看出补偿电流在其他因素一定的情况下 ， 受 直流母线电压值 的影响很大 ， 经理论分析直流侧 电压 应为电源电压峰值的三倍， 即 3 E 。 2 直流母线电压值对补偿效果的影响实验分析 实验中A P F 接在整流变压器 的副边低压侧 ， 电压 有效值为3 3 V ， 这对于本文问题 的分析是没有影响的。 本文 中选 择 的是E P C O S 公 司的 电解 电容 ，型号 为 B 4 3 3 1 0 一 A 5 6 8 8 一 M， 容值为6 8 0 0 1x F ， 耐压值为4 5 0 V ， 本 文中选择了6 个电容，三个串联再并联组成电容器组 ( 4 5 0 0 1z F 1 3 5 0 V) ， 由于实验 中负载电流较小 ， 本文 中 交流侧电感选用的是l m H的空心电感 。 图5 给 出了有源滤波器补偿前 的A相负载电流 ， 图6 中的各图分别为在不同的直流侧 电压下补偿 电流 与谐波电流指令电流， 以及补偿后电源侧电流。检测 方法为 。 法， 控制策略采用的是基于定时控制的瞬o - t 时值比较法。 上面各指令 电流与补偿 电流图中的C H1 为谐 波 指令 电流 ， C H 2 实际补偿 电流，可以看出当直流侧 电 压 比较低 时 ， 如 当直流侧 电压为9 0 V时 ， 对 比谐波指 一 4 2一 ， 纵轴 ： 2 5 A d i v ； 横轴5 ms d i v 图5 补偿前负载 电流 F i g 5 T h e l o a d c u r r e n t b e f o r e c o mp e n s a t i o n 纵轴： 2 5 A d i v ； 横轴5 m s d i v 指令电流与补偿 电流 补偿后 电源侧 电流 ( a ) 直流侧 电压为9 0 V 时的补偿效果 、 纵轴 ： 2 5 A d i v ； 横轴5 ms d i v 指令 电流与补偿电流 补偿后电源侧电流 ( b ) 直流侧 电压为1 2 0 V时的补偿效 果 、 卜 I 小， ， 、 一 铷 ； ； f 纵轴 ： 2 5 A d i v ； 横轴5 ms d i v 指令电流与补偿 电流 补偿后电源侧电流 ( c ) 直流侧 电压为 1 3 0 V H 的补偿效果 j 人 纵轴： 2 5 A d i v ； 横轴5 m s d i v 指令 电流与补偿 电流 补偿后电源侧电流 ( d ) 直流侧电压为1 4 0 V时的补偿效果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 4期 2 0 1 4年2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& l n s t r ume n t at i o n V0 1 51 NO4 Fe b2 5,2 01 4 纵轴 ： 2 5 Md i v ； 横轴5 ms d i v 指令电流与补偿电流 补偿后电源侧电流 ( e ) 直流侧电压为1 5 0 V 时的补偿效果 图6不 同直流侧 电压 下的补偿 效 果 Fi g 6 Th e c o mp e n s a t i o n e f f e c t a t d i f f e r e n t DC v o ha g e s 令电流与补偿电流， 可以发现此时谐波电流的跟踪效 果不好 ， 补偿 电流发生能力达不 到要求 ， 在补偿电流 出现平 台处最为明显 ， 这直接 的结果就是造成电源侧 电流的欠补偿， 由此时补偿后电源电流的波形可以直 观 的看出来。对 比电压为1 2 0 V 1 5 0 V时的补偿效果 ， 可以看出当直流侧电压升高时， 补偿电流的动态响应 速度变快， 跟踪能力得到提高， 补偿后电源侧电流越 接近正弦波 ； 但同时也可以发现 ， 随着 电压的不断升 高， 补偿电流的纹波也逐渐加大， 这会对补偿效果造 成不好的影响， 所以直流测电压不能太高， 要折中考 虑， 本文中直流侧电压取值为1 5 0 V， 为相电压3 3 V 的 峰值的三倍左右， 由图中可以看出此时补偿后电源侧 电流很接近正弦波了。 但同时可以发现补偿后的电流 存在较大的尖刺， 正好位于负载电流的突变处， 此突 变是三相整流电路换相引起的。 由于在实验中有源滤 波器在低压侧进行补偿，低压侧进线电感值很小， 整 流桥负载电流突变时电流上升率大， 而有源滤波器输 出电流不能及时跟踪 以及控制系统延时共 同造成的 ， 这在A P F 应用于整流的非线性负载中是较难避免的 ， 可以通过增加无源滤波器的方法来滤掉 ， 或者在负载 交流侧串接电感以限制非线性负载电流的突变。 3 直流母线电压的控制 有源滤波器直流侧 电容 电压是通过将 电压给定 值与 电压反馈之差经P I 调节后叠加到瞬时有功 电流 的直流分量 i 上 ，使在指令 电流 中包含一定的基波 有功电流 ， 通过调节 就可以调节交流侧 电源对直流 侧电容的充放 电。数字P I 包括增量型和位置型两种 ， 本文中有源滤波器的直流 电压控制采用位置型数字 P I 控制方式。 在离散域 中其表达式如下 ： “ ( ) 一 e ( ) + 。 ( ) ( 4 ) M I ( ) = ( 一 1 ) + K I T e ( k ) ( 5 ) 在实际的控制系统中， 控制量实际输出值往往受 到执行机构性能的限制 ， 而被钳制在一定的范围内， 对 于有源电力滤波器而言， 与所选I G B T 的容量有关 ， 即： $ mi n ， 则只累加负偏差 ； 若u ( k 一 1 ) 则只累加正偏差 ， 其流程图如图7 所示。采用 遇限削弱积分P I 控制算法后 ， 可以避免控制量长时间 停留在饱和区。 图7 防止积分饱和P I 控制算法流程 图 F i g 7 T h e P I c o n t r o l a l g o r i t h m f l o w e h a r t o f p r e v e n t i n g i nt e g r a l s a t u r a t i o n 由于2 8 1 2 为定点D S P ，所以数字P I 控制程序采用 了整型的运算， 以提高运算速度。 此外为了减小外界因 素对电容电压测量值的干扰， 在进行相减运算前， 先对 直流侧电压的反馈值进行滤波， 此滤波器采用一阶数 r1 N1 字低通滤波器 ， 滤波器的截止频率选为5 0 H z ， 在实 一 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 1 卷第 4 期 2 0 1 4年2月 2 5 E t 电测与仪表 E1 e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u m e n t at i o n VO 1 5 l N0 4 Fe b2 5 2 0 1 4 验中， 采取仿真与实验测试相结合的方法 ， 参照系统的 动态响应速度与稳态精度要求，数字P I 控制器的比例 和积分系数分别选为1 与2 0 0 ， 控制频率为1 2 8 k H z 。 但在实际运行中， 如果有源滤波器在投入时直流 侧 电压为0 V，逆变器直流侧电压和交流侧 电压有大 的电压差， 必然会出现特别大的冲击电流， 可能超过 I G B T 反并联二级管中的最大允许正电流峰值而损毁 器件。 所以将有源滤波器投入电网之前必须对直流侧 电容进行预充电， 可利用逆变桥的反并联二极管对电 容进行充 电， 此种方式 比较简单 ， 即首先关 闭所有的 I G B T ， 再使逆变器与电网连接点的交流继电器吸合， 利用与I G B T 反并联的二极 管对直流 电容进行充 电， 此时逆变桥相当于三相全桥整流。 根据三相全桥整流 理论， 这一阶段直流侧电容电压能升到网侧交流电压 的线电压的峰值 ， 对于本文的实验条件可以充 U 8 o v 左右 ， 为防止充 电电流过大 ， 在有源电力滤波器 的直 流侧串接了一个充电电阻， 此电阻在预充电结束后即 可切除， 预充电结束后即可启动有源滤波器对电路进 行补偿 ， 在此过程 中， 可以利用上述直流侧充 电的方 法，将己经升到一定值的直流侧电容电压升到给定 值 ， 本文设定为1 5 0 V。图8 为有源滤波器 的直流侧 电 容 电压的充电动态响应图与静态响应图，如前所述 ， 由于本文直流 电压 的控制输 出具有限幅与防积分饱 和功能 ， 直流侧 的电压不会上升很快 ， 且不会 出现超 调 ， 这在实际中是非常有用 的， 因为经过预充 电后 ， 电 容电压与期望值之间的偏差还是很大的， 很容易造成 直流侧电容电压超调比较大， 以上方法的应用， 可起 到在启动阶段防止因电压偏差过大， 造成补偿电流过 大， 造成I G B T 过流 ， 或者造成电容电压超调较大， 对 功率器件造成损坏 ， 从而实现了软启动的功能。值得 指出的是本文中如果有源滤波器投入后 ， 如未对其直 流侧 电压进行控制 ，则稳定后直流侧电压会稳定在 9 0 V 左右 ， 此时处于一种整流和逆变的平衡状态。 ； 一 一一一 纵轴 ： 5 0 V Mi v ； 横轴5 0 ms d i v 图8 直侧 侧 电容 电压 动 态与静 态波形 F i g 8 T h e d y n a mi c a n d s t a t i c wa v e f o r m o f t h e DC s i d e v o l t a g e 4 结束语 本文对不 同电压下的指令电流与补偿电流以及 补偿后电源侧电流的对照关系， 表明了电压取值与补 偿特性之间的关系。 采用遇限削弱积分P I 控制算法有 一 4 4一 效 的减小 了启动阶段有源电力滤波器直流电压 的超 调， 实现了有源电力滤波器软启动的功能， 对有源电 力滤波器可靠安全运行以及达到很好的补偿精度有 一 定的作用。 参 考 文 献 1 刘继全， 张茂松 基于瞬时无功功率理论的新型谐波检测法【 J 】 电测 与仪表， 2 0 1 2 ， 4 9( 1 O ) ： 2 9 3 1 LI U J i - q u a n， Z HANG Ma o -s o n g A Ne w Me t h o d f o r Ha r mo n i c De t e c t i o n B a s e d o n I n s t a n t a n e o u s Re a c t i v e P o w e r T h e o r y【 J 1 E l e c t r i c a l Me a s u r e m e n t I n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 9( 1 0 ) ： 2 9 3 1 【 2 王兆安， 杨君， 刘进军 无功抑制及谐波补偿 M 】 ，北京：机械工业出版 社 2 0 0 6 【 3 】 杨君， 王兆安， 邱关源 并联型有源电力滤波器直流侧电压的控制f J 】 电力电子技术 ， 1 9 9 6 ( 4 ) ：4 9 5 0 Y A N G J u n ，WA N G Z h a o a l l ， Q I U G u a n - y u a n T h e C o n t r o l o f S h u n t A c t i v e P o w e r F i l t e r D C Vo l t a g e J P o w e r E l e c t r o n i c s 1 9 9 6 f 4 ) ：4 9 5 0 4 】 陈兆岭孙 京京， 刘国海， 等基于积分变结构控制的并联型有源滤波 器研究 J 电测与仪表， 2 0 1 2 ， 4 9( 1 0 ) ： 5 5 5 9 C HE N Z h a o l i n g ， S U N J i n g - j i n g ， L I U G u o - h a i ， Q I A N P e n g Re s e a r c h o f S h u n t Ac t i v e P o we r F i l t e r B a s e d o n I n t e g r a l Va r i a b l e S t ru c t u r e Co n t r o l 【 J J E l e c t r i c al Me a s u r e m e n t I n s t r u me n t a t i o n ， 2 0 1 2 ， 4 9( 1 O)： 5 5 - 5 9 【 5 】 石怡理， 欧阳森， 杨家豪 基于双 D S P的有源电力滤波器控制器的 设计与实现I J 电源学报， 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 3 1 8 S HI Q i a - l i ， O U YA N G S e n ， Y A NG J i a h a o D e s i g n and I m p l e m e n t a t i o n o f t h e C o n t r o l l e r of A c t i v e P o w e r F i l t e r B ase d o n D u a l - D S P J J o u rnal of P o w e r S u p p l y 2 0 1 3 ( 3 ) ： 1 3 1 8 6 】 时国平， 王长春， 许卫兵 基于双D S P 的三相四桥臂A P F 的研究f J 电 力电子技术， 2 O L O ( 1 2 1 ： 1 0 8 1 1 5 S HI Gu o - p i n g ， WANG Ch a n g c h u n ， XU W e i b i n g Th r e e -p h a s e F o u r - L e g Ac t i v e P o w e r F i l t e r B ase d o n D u a l - D S P J P o w e r E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 1 0 8 - 1 1 5 【 7 张崇巍， 张兴 P WM 整流器及其控制t M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 2 8 刘斌 并联型有源电力滤波器的研究与实验 D 北京： 北京交通大 学。 2 0 0 7 L I U B i n S t u d y a n d E x p e r i me n t o f S h u n t A c t iv e P o w e r F i l t e r D B e i j i n g ： B e ij i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y m ast e r S d e gre e t h e s i s 2 0 0 7 9 刘金琨 先进P I D 控制M A T L A B 仿真【 M ， 北京： 电子工业出版社， 2 0 0 0 1 0 谢宝昌，任永德 电机的D S P 控制技术及其应用 M 】 北京：北京航空航 天出版社 ， 2 0 0 5 作者简 介： 博士眉0 教授， 主要 硕士研究 生 ， 主要 杜太行( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 天津人， 博士墩 授 ， 主要从事低压电器可靠性检 测技术研究 。 _ 王秋萌(199O一)，女，河北省秦皇岛人，硕士研究生，主 要从事谐波监测以及补偿技术研究。 收稿日期：201311- 1 0 ； 修回日 期： 2 0 1 3 1 2 3 0 ( 王艳丽 编发 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m