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高性能有源电力滤波器延时补偿策略的研究

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  • 日期: 2013-09-20
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标签: 高性能有源电力滤波器延时补偿策略的研究

基于数字控制的有源电力滤波装置会因为DSP信号采样、谐波计算导致信号延时,给电网谐波补偿性能带来很大的影响。本文通过对常用的基于瞬时无功理论的谐波电流检测流程进行分析,得到一个可以减小DSP谐波电流检测延迟时间的方法,以及相应的相移补偿策略。并通过实验验证了该方法的有效性。关键词:有源电力滤波器  延时补偿1、 前言有源电力滤波器的发展可以追溯到1970年[1]。随着谐波治理标准IEEE519-1992和IEC 1000-3-2的广泛使用,采用有源电力滤波器代替无源滤波装置来治理谐波问题已经越来越普遍。作为经典的谐波检测方法:瞬时无功功率理论和快速傅立叶变换也得到了快速的应用和拓展。基于DSP的数字控制系统因为它的高性能、无温漂、控制灵活等特点逐渐代替了采用全模拟器件进行谐波电流的检测和电流跟踪控制的格局。但是数字系统的采用也不可避免的带来了输出控制信号的延迟。即使仅仅延迟几个采样周期,但在有源电力滤波器这几十微秒的延时也给补偿性能带来了严重的影响。文[2][3]都对延时给各次谐波补偿带来的影响进行了分析。许多专家和学者都对如何进行延时补偿提出了自己的策略。文[4]提出了基于瞬时无功理论的数模混合检测谐波的方法,该方法得到的谐波信号精度很高。但是因为采用了部分模拟控制,因此对得到的谐波信号在幅度上无法灵活控制,在多机并联补偿时无法采用该方法来实现。文[5]通过一个系数恒定的一阶延时函数来修正计算得到的谐波信号,从而得到无延时的谐波信号,并通过反馈控制来实现整个补偿的稳定性。但是从[2][3]的分析来看一个恒定的延迟时间对于不同次数的谐波的影响是不一样的,因此很难通过一个固定的系数来修正各次谐波延时相移的效果,该方法有很大的局限性。文[3]中提出在稳定负载的情况下采用上一个工频周期中对应的前一个采样点的数据来计算本周期中当前采样点的谐波电流,在负载突变的情况下,对上述数据乘以一个预测算子来确定本周期当前采样点的谐波电流。这种方法很有新意,而且从实验结果来看精确性和实时性都很好。但是这个针对的是电流性负载,当负载情况比较复杂的时候是无法得到那个预测算子的值,就无法很好的补偿动态负载的谐波。有一定的局限性。 本文提出改善延迟时间的方法是基于对瞬时无功理论运算过程的改变,并结合相应的相移补偿策略。虽然不能做到无延时补偿,但大大缩短了延迟时间,提高了谐波补偿性能。方法简单,很有实用价值。2、工作原理本文采用的有源电力滤波器的主电路结构是三相四线制并联型有源电力滤波器,控制电路方面由DSP负责检测谐波电流信号,由模拟电路搭建电流滞环控制电路实现电流的跟踪控制。本系统检测负载侧谐波电流信号之外,还需要对直流侧的上下两个电容做总压和均压控制。因此基于瞬时无功理论的谐波检测方法如图1所示。每个采样周期我们需要采集三相负载的电流信号、直流侧的上电容电压信号和总压信号。同时还要对外部A相电压的过零点进行监测,以保证输出信号的相位和电网一致。每个工频周期我们通过软件定时分为512个采样周期。为了加强抗干扰性能,这个过零点监测程序并不是在每个采样周期都运行,而只是在电压过零前后一段时间大概1ms的时间段作为监控时间,这样减小了毛刺带来的影响。对于三相电流信号,我们先减去其中的零序分量,然后通过旋转坐标变换将电流信号从a-b-c三相坐标系转换到p-q旋转坐标系。这样的一个差频变换使得我们三相电流中的基波信号就变成了旋转坐标系中的直流分量,而其它的谐波信号也都相应的降低了50Hz。我们通过设计一个低通滤波器来得到p-q旋转坐标系的直流分量 和 。 代表负载电流中的有功电流的幅值,而 代表负载电流中无功分量的幅值。对于只补偿谐波的有源电力滤波器我们需要把 和 都计算出来,而如果既要补偿谐波又要补偿无功则只需要计算 就可以了。然后通过反变换得到三相负载电流中的基波信号(Iaf, Ibf, Icf)。将基波电流信号减去相应相的负载电流信号我们就得到了谐波电流信号。对于总压的控制其实就是对电容中的能量进行补充或者释放,因此只要把总压的误差信号叠加在有功电流分量上就可以实现对总压实现有效控制。而上下电容的均压控制,根据文[6]的分析,只要在输出的谐波电流上叠加正值或负值的直流偏量就可以进行均压控制。

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