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許  瑩¹；許科生²；羅義釗³；陳  彪³

(1.國網江蘇省電力公司無錫供電公司, 江蘇 無錫 214000; 2.國網江蘇省電力公司宜興供電公司，

江蘇 宜興 214200; 3.福建網能科技開發有限責任公司, 福建 福州 350003 )

摘要:針對三相四線制配電網中日益嚴重的諧波和中線電流問題 ,對并聯型三相四橋臂有源電力濾波器(APF)進行研究。提出一種采用基波正序電壓提取環節來鎖定相位和頻率的無鎖相環改進檢測法,建立了三相四橋臂 APF的高 頻數學模型,采用基于,0,e坐標系的三維空間矢量 脈寬調制(3D-SVPWM)算法及電壓電流雙閉環筑略進行控制。最后,對提出的控制策略進行了實驗研究,實驗結果驗證了其正確性和有效性。

關鍵字:有源電力濾波器;無鎖相環;空間矢量 脈寬調制

1 引言

近年來，隨著以電力電子裝置為代表的非線人性電氣設備大量使用，三相四線制低壓配電網中諧波和三相不平衡 問題日益嚴重 ，給電網造成嚴重污染。APF作為抑制諧波和補償無功的有效手段，是當前電能質量優化領域的一個研究熱點。

這里以并聯型三相四橋臂 APF為研究對象 提出一種采用基波正序電壓提取環節來鎖定相位和頻率的無鎖相環改進檢測法;建立了三相四橋臂 APF的高 頻數學模型，采用基于a,b,c坐標系的3D-SVPWM算法及電壓電流雙閉環策略進行控制。最后，搭建實驗平臺對控制策略進行實驗驗證，并分析實驗結果，證實了其正確性和有效性。

2 三相四橋辟 APEF數學模型

四橋保APF主電路結構如圖1所示。

圖1  四橋臂APF主電路拓撲結構

這里定義S_k,(k=a,b,c,n)為開關函數,當上橋臂導通,下橋臂關斷時,S_k,=1;當下橋臂導通,上橋和臂關斷時,S_k=0。采用坐標變換方法將α,b,c坐系中的數學模型變換到旋轉d,q,0坐標系,可得:

由式(1)可見 ,選擇恰當的控制策略對S_d,S_q，S_o進行通斷控制,即可使APF輸出所需補償電流。

3 三相四橋臂 APF 3D-SVPWM算法

四橋臂變流器拓撲結構如圖2所示，變流器由a,b,c,n 4個橋臂構成，共有16種開關狀態。U_a,U_b,U_c,U_n分別為4個橋豆交流側和輸出電壓。

圖2  四橋芝變流器拓撲結構

將16個開關狀態所表示的矢量繪制于a,b,c坐標系中，即可得a,b,c坐標系下開關矢量圖，如圖3所示。可見 ,16個基矢量端點都位于兩個正方體頂端,U₁～U₈上面的立方體區域內,U₉～U₁₆在下面的立方體區域內。圖3所示空間十二面體是由兩個正方體交疊而成，正方體邊 長為單位Ⅰ，代表U_dc。該十二面體中有6個面與坐標軸確定的平面平行 ,分別是U_a=±1,U_b=±1,U_c=±1,其他6個面與坐標面成45°,分別是U_a -U_b=±1, U_b -U_c=±1, U_a –U_c=±1。判斷出參考矢量所在的空間位置并計算矢量作用時間 ,即可進行等效合成。

圖3  a,b,c坐標系下的開關矢量圖

4 改進的無鎖相環FBD法

三相電網電壓不對稱時,普通 鎖相環鎖相結果將與a相電網電壓基波正序分量存在相位誤差，此時,檢測到的有功及無功電流分量將存在一定誤差,從而影響到補償指令電流的準確獲取。這里提出一種無鎖相環FBD檢測方法,其原理如圖4。改進方法用基波正序電壓提取環節替代原來的普通鎖相環,其具體結構如圖5。運算和矩陣分別為：

圖4  改進FBD法原理框圖

圖5  基波正序電壓提取環節的原理結構

設電源電壓畸變且三相不對稱，即電壓中包含負序和零序分量，將其表示為：

式中：ω為電網電壓基波角頻率；E_n⁺,E_n^-,E_n⁰分別為n 次諧波電壓正、負、零序分量幅值；φ_n⁺, φ_n^-, φ_n⁰分別為a相諧波電壓正、負、零序分量初相角；ω₁=nωt+φ_n⁺-120°；ω2=nωt+φ_n^-+120°；ω₁’=nωt+φ_n⁺+120°；ω2’=nωt+φ_n^--120°

經式(3)可得:

經C₁將e_ab, e_bc變換為:

由于ω與理想頻率ω₀之間存在的偏差很小,而低通濾波器有一定帶寬，將e_p，e_q的高頻分量濾除后,即可得到近似的直流分量為：

將e_p, e_q單位化得到:

 上式經C₂運算后,ω₀和θ將被消去,從而得到與三相基波正序電壓同頻同相的參考信號u_al⁺, u_bl⁺, u_cl⁺, 表示如下：

 

     由以上分析可以看出,即使在三相電壓不對稱和頻率波動的情況下,基波正序電壓提取環節也能準確計算出頻率和相位信息。

5 實驗

四橋臂APF實驗平臺結構如圖6所示。

 

圖6  四橋臂APF系統結構

主要由四橋臂變流器、不可控整流橋負載、基于數字信號處理器(DSP)的控制平臺及相應的傳感器組成。主電路變流器設計容量為10kVA,額定電流為15A。IGBT為BSM5OGB120PLC,橋臂緩沖電路采用單電容方式。直流側電容采用耐壓450V、容量3900μF的鋁電解電容兩并兩串組成。變流器交流側電感4mH。整流橋交流側電抗為0.1mH,負載電阻10Ω。實驗時電源電壓調節為15V,直流側電壓控制為100V。采用 FLUKE435電能質量分析儀進行相關測量和分析。圖7為負載電流波形及a相電流頻譜,可以看出三相負載電流畸變嚴重且不對稱,a相電流畸變率達到17.2%,中線電流較大,有效值達到了1.488A。圖8為補償后網側電流波形及其頻譜。補償后a相電流畸變率分別為2.8%,中線電流有效值下降到了0.113A,補償效果明顯。驗證了控制策略的有效性。

  

圖7  負載電流波形及其頻譜

 

圖8  網側電流波形及其頻譜

     圖9為突加負載時，補償前后電流變化情況。可以看出,裝置具有良好的動態性能,能快速跟蹤負載變化。

  

圖9  突加負載時變化情況。

6 結論

通過實驗分析可知,采用所述基波正序電壓提取環節來鎖定相位和頻率的無鎖相環改進檢測法及控制策略能對諧波及中線電流進行有效補償,并具有良好的靜動態性能。實驗結果驗證了所述控制策略的有效性和正確性,具有良好的工業應用前景。