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1 引言
隨著電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通以及家庭中的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的非線性負荷大量增加，使得電網(wǎng)中的電流波形嚴(yán)重畸變，含有大量的諧波電流和無功分量，給電能的生產(chǎn)和傳輸帶來危害，也影響電子設(shè)備的應(yīng)用，造成“電力公害”[1]。有效治理電網(wǎng)諧波、減少能量損耗、實現(xiàn)“綠色能源”是電力電子技術(shù)領(lǐng)域十分緊迫和必須面對的問題。
有源電力濾波器（active power filter, apf）是補償三相電力系統(tǒng)中諧波和無功功率的重要裝置，具有廣闊應(yīng)用前景。它的基本原理是通過控制電力電子變流器，使它向電網(wǎng)中輸入與諧波電流和無功電流大小相同、方向相反的電流，從而使三相電源只輸出基波有功電流的目的[2][3]。有源電力濾波器是一個復(fù)雜的快速響應(yīng)電力電子裝置，它的主電路由三相六橋臂變流器組成，在工作過程中，需要對主電路直流側(cè)電壓和apf輸出電流進行控制，并且apf穩(wěn)定工作受負載和環(huán)境的影響較大，這給apf的現(xiàn)場調(diào)試帶來了較大的難度。本文根據(jù)60kva有源電力濾波器的設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試過程，對有源電力濾波器的調(diào)試步驟進行了總結(jié)。
2 并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器補償電網(wǎng)諧波電流時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖
其中，e為電網(wǎng)電源，hpf為高頻濾波器，l為apf交流側(cè)電感，c為apf直流側(cè)電容，r為軟起動電阻，s為開關(guān)，apf主電路為三相變流器，具有圖2所示的結(jié)構(gòu)。
圖2 apf主電路結(jié)構(gòu)
當(dāng)系統(tǒng)上電瞬間，apf直流電容兩端電壓為零，電網(wǎng)電源e通過apf交流側(cè)電感和變流器給電容充電，這是二極管不控整流過程。為了防止上電瞬間燒毀裝置，系統(tǒng)中設(shè)計了軟起動電阻r，對初始充電電流進行限制，合上開關(guān)s后，通過二極管不控整流，電容兩端電壓約為540v。
3 有源電力濾波器的調(diào)試
在有源電力濾波器中，為了達到消除諧波和無功功率的目的，首先必須先檢測出電網(wǎng)中的諧波和無功電流，然后將檢測出的諧波和無功電流作為給定參考電流去控制變流器，使apf跟蹤諧波和無功電流，消除和補償三相電源中的諧波和無功電流，這是逆變過程。正常工作時，apf直流側(cè)必須保持一定的恒定電壓，但在apf工作過程中，開關(guān)器件和電流補償需要消耗一定的有功能量，會導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓降低，因此必須控制變流器使電網(wǎng)給電容充電，維持直流側(cè)電壓恒定，這是一個整流過程，為避免整流過程產(chǎn)生新的諧波污染，應(yīng)控制為單位功率因數(shù)的整流[4][5]。綜上所述，apf工作時包含兩個控制環(huán)節(jié)：直流側(cè)電壓控制環(huán)和交流側(cè)電流控制環(huán)。電壓環(huán)和電流環(huán)均采用pi調(diào)節(jié)器的60kva有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
圖3 apf控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
60kva有源電力濾波裝置的主要保護功能有：直流側(cè)過壓保護、交流側(cè)過流保護和變流器橋臂直通保護。
有源電力濾波器電流環(huán)的目的是控制變流器使其輸出的電流跟蹤所需補償?shù)呢撦d諧波電流，由于負載諧波電流是時變的，并且變化速率高，因此，要求有源電力濾波器的電流環(huán)控制具有很快的電流跟蹤速度，這樣即使非線性負載快速變化，有源電力濾波器也能很好地補償負載的諧波電流。而直流側(cè)電容電壓變化速度并不快，因此維持直流側(cè)電容電壓基本不變的控制環(huán)節(jié)響應(yīng)速度也要求不高，電壓環(huán)控制器響應(yīng)速度可以設(shè)計為電流環(huán)跟蹤控制速度的十分之一[2]。由于有源電力濾波器電流環(huán)和電壓環(huán)的特點和控制的目的不同，因此在60kva有源電力濾波器裝置中，雖然電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)都采用pi調(diào)節(jié)器，但兩者的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試方法是不一樣的。
apf的調(diào)試包括電壓控制環(huán)的調(diào)試和電流控制環(huán)的調(diào)試，可分為以下幾步：
3.1apf直流側(cè)電壓升壓控制調(diào)試
apf上電合上開關(guān)s后，apf直流側(cè)電容通過二極管充電，電壓穩(wěn)定在約為540v，60kva有源電力濾波器補償電網(wǎng)諧波電流時直流側(cè)電壓實際工作電壓為650v，因此，應(yīng)首先控制變流器，使其電壓從540v上升到650v。為避免apf產(chǎn)生諧波電流，采用pwm整流給apf直流側(cè)電容充電。
這部分調(diào)試主要是確定pwm整流電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制參數(shù)。在整流過程中首先是確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其次為避免直流側(cè)過電壓導(dǎo)致裝置損壞，在整流過程中要使直流側(cè)電壓具有較小的超調(diào)量。由于有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的升壓控制中，對于電壓上升時間要求不高，因此在pwm整流過程中，確定電壓環(huán)pi參數(shù)時，應(yīng)選取較小的比例和積分參數(shù)，這個環(huán)節(jié)的特點是較長的電壓調(diào)節(jié)時間和較小的超調(diào)量。pwm整流控制器參數(shù)具體調(diào)試過程是：
（1）首先確定pwm整流器電流內(nèi)環(huán)pi調(diào)節(jié)器參數(shù)。電流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行單位功率因數(shù)正弦波電流控制。為實現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，60kva有源電力濾波器采取三相坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換，從而達到變流器網(wǎng)側(cè)有功、無功電流的獨立控制。電流內(nèi)環(huán)按典ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計的pi調(diào)節(jié)器參數(shù)kip和kii可以按下式選擇[4]:
（1）
式中，ts為pwm開關(guān)周期，kpwm為變流器等效增益，τ=l/r（l、r分別為變流器交流側(cè)電感和電阻）。
（2）其次單獨采用比例調(diào)節(jié)器控制有源電力濾波器直流側(cè)電壓，調(diào)試比例環(huán)節(jié)參數(shù)。在給定上升時間和超調(diào)量的條件下，根據(jù)理論[4]計算,初步計算出比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)，采用此參數(shù)進行實驗并進行參數(shù)調(diào)整，確定直流電壓上升時間和超調(diào)量達到要求的比例參數(shù)。需要注意的是，單獨采用比例調(diào)節(jié)器時，控制電壓是有差的，控制穩(wěn)定后，直流側(cè)電壓和給定量650v有一定的誤差。
（3）zui后采用比例積分控制器，調(diào)試積分環(huán)節(jié)參數(shù)。按照上一步確定好電壓控制器比例環(huán)節(jié)參數(shù)后，加入積分環(huán)節(jié)，通常積分器的參數(shù)初始值可以選擇比例積分參數(shù)的十倍左右，然后在實驗中進行實驗調(diào)整。加入積分環(huán)節(jié)后，有源電力濾波器直流側(cè)的電壓可以控制到給定值650v，消除穩(wěn)態(tài)誤差。
將有源電力濾波器直流電壓控制在650v后，可以控制有源電力濾波器進行諧波補償。
3.2 apf補償諧波時電流環(huán)控制調(diào)試
（1）apf補償電網(wǎng)諧波電流時，檢測到的諧波電流作為電流環(huán)指令信號，電流環(huán)調(diào)試主要確定電流控制環(huán)的pi控制參數(shù)，使apf電流跟蹤具有較高的控制精度和動態(tài)響應(yīng)速度。
（2）電流環(huán)的給定信號是檢測到的諧波電流和維持apf直流側(cè)電壓的有功電流之和，具有時變和高變化率的特點，因此電流環(huán)的調(diào)試也是apf調(diào)試的難點。
（3）確定電流環(huán)參數(shù)主要從電流補償精度、動態(tài)響應(yīng)速度和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性來進行設(shè)計和確定。
（4）當(dāng)有源電力濾波器的電流控制環(huán)節(jié)采用pi控制時，較大的比例參數(shù)有利與系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)響應(yīng)性能，但不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是對于有源電力濾波器這樣的非線性、時變和受負載影響較大的電力電子裝置來說，電流控制環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性對于整個有源濾波器系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。
（5）電流環(huán)比例積分的系數(shù)kp和ki分別決定了電流控制的暫態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，有源電力濾波器電流環(huán)控制確定比例積分系數(shù)的經(jīng)驗公式為[2]：
（2）
式中，l為apf交流側(cè)電感，l0為apf交流側(cè)導(dǎo)線等效電感，ωc為產(chǎn)生pwm波時載波頻率，vdc為apf直流側(cè)電壓。
（6）通過系統(tǒng)參數(shù)和式（2）確定有源電力濾波器電流環(huán)pi控制參數(shù)，在實驗中進行調(diào)整，達到系統(tǒng)性能要求。
3.3 apf補償諧波時直流側(cè)電壓環(huán)控制調(diào)試
當(dāng)apf直流側(cè)電壓達到650v后，apf開始補償電網(wǎng)中的諧波電流。apf在補償諧波電流時，會消耗直流側(cè)電容能量，同時有源電力濾波器本身存在由于線路電阻和開關(guān)損耗帶來的有功損耗，以及工作狀態(tài)變化時有時需要從系統(tǒng)吸收一定的有功功率，因此會引起其直流側(cè)電容電壓波動或?qū)е轮绷鱾?cè)電壓的降低，影響有源電力濾波器的正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓，危及有源電力濾波器的安全可靠運行。因此在控制有源電力濾波器補償諧波電流的同時，要求維持其直流側(cè)電壓基本不變。apf在補償諧波電流時，必須對直流側(cè)電壓進行控制，但與電流控制響應(yīng)速度較快不同，電壓控制的響應(yīng)速度僅為電流跟蹤控制速度的十分之一左右。apf補償諧波電流時直流側(cè)電壓環(huán)控制的參數(shù)調(diào)試：
（1）首先確定比例環(huán)節(jié)的參數(shù)
在給定的響應(yīng)速度的條件下，確定比例環(huán)節(jié)的控制參數(shù)，在實驗中調(diào)整比例環(huán)節(jié)參數(shù)。
（2）然后再確定積分環(huán)節(jié)控制參數(shù)
消除穩(wěn)態(tài)誤差，通常積分環(huán)節(jié)參數(shù)可以選擇為比例環(huán)節(jié)參數(shù)的十倍左右進行調(diào)整。圖4是60kva有源電力濾波器工作時電壓環(huán)采用pi控制時直流側(cè)電壓波形。
圖4 apf直流側(cè)電壓波形
圖4中，通過pi電壓環(huán)控制，apf直流側(cè)電壓基本恒定，直流側(cè)zui大電壓為651.5v，zui小電壓為648.5v，zui大波動率為0.23%。從實驗波形可以看出，直流側(cè)電壓pi控制取得了很好的控制效果。
根據(jù)以上調(diào)試步驟確定控制器參數(shù)，進行apf諧波補償實驗，圖5為60kva并聯(lián)有源電力濾波器電流環(huán)給定指令信號和輸出電流波形，其中圖5（a）為apf電流環(huán)給定信號，圖5（b）為apf輸出補償電流波形。
圖5 給定諧波電流和apf輸出諧波電流波形
補償前后電網(wǎng)電流波形如圖6所示。
圖6 補償前和補償后電網(wǎng)電流波形
從圖6可以看到，投入apf后電網(wǎng)電流基本上實現(xiàn)了電流正弦化，電網(wǎng)電流的諧波總畸變率從補償前的20.78%下降到補償后的3.79%，補償取得了較好的效果。
4 結(jié)束語
有源電力濾波器作為應(yīng)用前景和經(jīng)濟效益的諧波抑制和無功電流補償裝置，得到了廣泛的關(guān)注和研究。apf是一個響應(yīng)速度快、非線性強的電力電子裝置，對其電流控制具有較高的要求。本文以60kva并聯(lián)有源電力濾波器的現(xiàn)場調(diào)試為基礎(chǔ)，總結(jié)和分析有源電力濾波器的調(diào)試步驟，實驗結(jié)果顯示，補償取得了較好的效果。
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