许  莹¹；许科生²；罗义钊³；陈  彪³

(1.国网江苏省电力公司无锡供电公司, 江苏 无锡 214000; 2.国网江苏省电力公司宜兴供电公司，

江苏 宜兴 214200; 3.福建网能科技开发有限责任公司, 福建 福州 350003 )

摘要:针对三相四线制配电网中日益严重的谐波和中线电流问题 ,对并联型三相四桥臂有源电力滤波器(APF)进行研究。提出一种采用基波正序电压提取环节来锁定相位和频率的无锁相环改进检测法,建立了三相四桥臂 APF的高 频数学模型,采用基于,0,e坐标系的三维空间矢量 脉宽调制(3D-SVPWM)算法及电压电流双闭环筑略进行控制。最后,对提出的控制策略进行了实验研究,实验结果验证了其正确性和有效性。

关键字:有源电力滤波器;无锁相环;空间矢量 脉宽调制

1 引言

近年来，随着以电力电子装置为代表的非线人性电气设备大量使用，三相四线制低压配电网中谐波和三相不平衡 问题日益严重 ，给电网造成严重污染。APF作为抑制谐波和补偿无功的有效手段，是当前电能质量优化领域的一个研究热点。

这里以并联型三相四桥臂 APF为研究对象 提出一种采用基波正序电压提取环节来锁定相位和频率的无锁相环改进检测法;建立了三相四桥臂 APF的高 频数学模型，采用基于a,b,c坐标系的3D-SVPWM算法及电压电流双闭环策略进行控制。最后，搭建实验平台对控制策略进行实验验证，并分析实验结果，证实了其正确性和有效性。

2 三相四桥辟 APEF数学模型

四桥保APF主电路结构如图1所示。

图1  四桥臂APF主电路拓扑结构

这里定义S_k,(k=a,b,c,n)为开关函数,当上桥臂导通,下桥臂关断时,S_k,=1;当下桥臂导通,上桥和臂关断时,S_k=0。采用坐标变换方法将α,b,c坐系中的数学模型变换到旋转d,q,0坐标系,可得:

由式(1)可见 ,选择恰当的控制策略对S_d,S_q，S_o进行通断控制,即可使APF输出所需补偿电流。

3 三相四桥臂 APF 3D-SVPWM算法

四桥臂变流器拓扑结构如图2所示，变流器由a,b,c,n 4个桥臂构成，共有16种开关状态。U_a,U_b,U_c,U_n分别为4个桥豆交流侧和输出电压。

图2  四桥芝变流器拓扑结构

将16个开关状态所表示的矢量绘制于a,b,c坐标系中，即可得a,b,c坐标系下开关矢量图，如图3所示。可见 ,16个基矢量端点都位于两个正方体顶端,U₁～U₈上面的立方体区域内,U₉～U₁₆在下面的立方体区域内。图3所示空间十二面体是由两个正方体交叠而成，正方体边 长为单位Ⅰ，代表U_dc。该十二面体中有6个面与坐标轴确定的平面平行 ,分别是U_a=±1,U_b=±1,U_c=±1,其他6个面与坐标面成45°,分别是U_a -U_b=±1, U_b -U_c=±1, U_a –U_c=±1。判断出参考矢量所在的空间位置并计算矢量作用时间 ,即可进行等效合成。

图3  a,b,c坐标系下的开关矢量图

4 改进的无锁相环FBD法

三相电网电压不对称时,普通 锁相环锁相结果将与a相电网电压基波正序分量存在相位误差，此时,检测到的有功及无功电流分量将存在一定误差,从而影响到补偿指令电流的准确获取。这里提出一种无锁相环FBD检测方法,其原理如图4。改进方法用基波正序电压提取环节替代原来的普通锁相环,其具体结构如图5。运算和矩阵分别为：

图4  改进FBD法原理框图

图5  基波正序电压提取环节的原理结构

设电源电压畸变且三相不对称，即电压中包含负序和零序分量，将其表示为：

式中：ω为电网电压基波角频率；E_n⁺,E_n^-,E_n⁰分别为n 次谐波电压正、负、零序分量幅值；φ_n⁺, φ_n^-, φ_n⁰分别为a相谐波电压正、负、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°

经式(3)可得:

经C₁将e_ab, e_bc变换为:

由于ω与理想频率ω₀之间存在的偏差很小,而低通滤波器有一定带宽，将e_p，e_q的高频分量滤除后,即可得到近似的直流分量为：

将e_p, e_q单位化得到:

 上式经C₂运算后,ω₀和θ将被消去,从而得到与三相基波正序电压同频同相的参考信号u_al⁺, u_bl⁺, u_cl⁺, 表示如下：

 

     由以上分析可以看出,即使在三相电压不对称和频率波动的情况下,基波正序电压提取环节也能准确计算出频率和相位信息。

5 实验

四桥臂APF实验平台结构如图6所示。

 

图6  四桥臂APF系统结构

主要由四桥臂变流器、不可控整流桥负载、基于数字信号处理器(DSP)的控制平台及相应的传感器组成。主电路变流器设计容量为10kVA,额定电流为15A。IGBT为BSM5OGB120PLC,桥臂缓冲电路采用单电容方式。直流侧电容采用耐压450V、容量3900μF的铝电解电容两并两串组成。变流器交流侧电感4mH。整流桥交流侧电抗为0.1mH,负载电阻10Ω。实验时电源电压调节为15V,直流侧电压控制为100V。采用 FLUKE435电能质量分析仪进行相关测量和分析。图7为负载电流波形及a相电流频谱,可以看出三相负载电流畸变严重且不对称,a相电流畸变率达到17.2%,中线电流较大,有效值达到了1.488A。图8为补偿后网侧电流波形及其频谱。补偿后a相电流畸变率分別为2.8%,中线电流有效值下降到了0.113A,补偿效果明显。验证了控制策略的有效性。

  

图7  负载电流波形及其频谱

 

图8  网侧电流波形及其频谱

     图9为突加负载时，补偿前后电流变化情况。可以看出,装置具有良好的动态性能,能快速跟踪负载变化。

  

图9  突加负载时变化情况。

6 结论

通过实验分析可知,采用所述基波正序电压提取环节来锁定相位和频率的无锁相环改进检测法及控制策略能对谐波及中线电流进行有效补偿,并具有良好的静动态性能。实验结果验证了所述控制策略的有效性和正确性,具有良好的工业应用前景。