并联有源电力滤波器直流侧电容电压控制

收稿日期：２００５－０６－０１作者简介：梅红伟（１９７９－），男，江苏常州人，助教，主要从事电力电子技术及其在电力系统中应用方面的研究．．第１９卷第４期２００５年１２月Ｖｏ１．１９Ｎｏ．４Ｄｅｃ．２００５河海大学常州分校学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＯＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＣＨＡＮＧＺＨＯＵ文章编号：１００９－１１３０（２００５）０４－００２７－０３有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制梅红伟１，钟奇２，张金波１（１．河海大学计算机及信息工程学院，江苏常州２１３０２２；２．江苏广播电视大学武进学院，江苏常州２１３１６１）摘要：电压源型有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定程度对补偿性能有直接的影响．研究了有源电力滤波器、电源、非线性负载三者之间的能量交换机理，分析了变流器直流侧电容电压的稳定问题，并提出了用ＰＩ控制器维持直流侧电容电压稳定的方法．仿真结果验证了该方法的可行性．关键词：有源电力滤波器；直流侧电容；ＰＩ控制中图分类号：ＴＭ７１４．２文献标识码：Ａ有源电力滤波器（ＡＰＦ）是颇受关注的用于谐波及无功功率补偿的装置．ＡＰＦ的补偿性能取决于主电路的拓扑结构和控制方式．目前ＡＰＦ主电路结构已经比较成熟，且大多采用ＰＷＭ变流器作为ＡＰＦ的主电路，因此有源电力滤波器的性能依赖于所采用的控制方法［１－５］．在整个控制策略中，直流侧电容电压的稳定控制是十分重要的环节［６］．本文作者研究了有源电力滤波器、电源、非线性负载三者之间能量交换的机理，在此基础上提出了直流侧电容电压稳定的控制方法，并用计算机仿真验证了该方法的可行性．１直流侧电容电压的控制原理有源电力滤波器的作用是使电源侧电流与电源电压同相并保持或接近正弦波形．在稳态情况下，对于一个无损耗的有源电力滤波系统，电源提供的功率必须等于负载消耗的功率，因此，变流器直流电容的平均电压将保持为一定值．当功率不平衡时，如负载发生变化，变流器的直流电容将提供电源与负载间的功率差，这将导致直流电容的平均电压发生变化．如果系统电源提供的功率低于负载需要的功率，那么直流电容的平均电压将降低，此时就需要提高系统电流的幅值以增加系统电源提供的有功功率；反之，直流电容的平均电压将升高，此时，需要减小系统电流的幅值以降低系统提供的功率．直流侧电容的平均电压的变化能够反映出主电路与负载间功率的转换情况．因此，期望的电源侧电流幅值可以通过调整直流侧电容电压获得．如图１所示，若电网中电源传输的瞬时有功功率为Ｐｓ，负载侧传输的瞬时有功功率为Ｐｌ，有源电力滤波器传输的瞬时有功功率为Ｐｆ，则在电源、负载和有源电力滤波器的公共交点处，电网中瞬时能量的传输关系应满足：图１电压源型有源电力滤波器Ｆｉｇ．１Ｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ河海大学常州分校学报２００５年１２月Ｐｓ＝Ｐｌ－Ｐｆ（１）因此，它们的平均值Ｐｓ、Ｐｌ和Ｐｆ之间应满足同样的关系，即：Ｐｓ＝Ｐｌ－Ｐｆ（２）如果忽略有源电力滤波器本身的损耗，则根据瞬时能量守恒，可得如下关系：Ｐｆ＝Ｃ・ＵｄｃｄＵｄｃｄｔ（３）式中，Ｃ为直流侧电容，Ｕｄｃ为直流侧电容电压．由式（３）可计算出有源电力滤波器传输的瞬时有功功率的平均值Ｐｆ，即Ｐｆ＝１ＴＴ０!Ｐｆｄｔ＝１２ＴＣ［Ｕｄｃ２（Ｔ）－Ｕｄｃ２（０）］!!!!＝Ｃ２Ｔ・!Ｕｄｃ２（４）式中，Ｔ代表一个开关周期，Ｕｄｃ（０）、Ｕｄｃ（Ｔ）分别是ｔ＝０和ｔ＝Ｔ时的直流侧电容电压，!Ｕｄｃ２是ｔ＝Ｔ与ｔ＝０时的直流侧电容电压的平方差．综合式（２）和式（４），有Ｐｆ＝Ｃ２Ｔ・!Ｕｄｃ２＝Ｐｌ－Ｐｓ（５）又因为电源侧的平均功率为：Ｐｓ＝１２ＵｓＩｓ（６）式中，Ｕｓ、Ｉｓ分别是系统电源侧电压、电流的幅值．因此，综合式（５）和式（６），得到Ｉｓ和!Ｕｄｃ２的关系式：Ｉｓ＝２Ｕｓ［Ｐｌ－Ｃ２Ｔ・!Ｕｄｃ２］（７）!Ｕｄｃ２＝ＵｓＴＣ［２Ｐ"ｌＵｓ－Ｉｓ］（８）式（８）表明，如果Ｉｓ不等于２Ｐｌ／Ｕｓ，则直流侧电容电压将会有波动；式（７）指出，Ｉｓ可以由直流侧电容电压Ｕｄｃ的变化量!Ｕｄｃ确定．为使有源电力滤波器正常工作，达到预期的补偿效果，直流侧必须有足够高的电容电压Ｕｄｃ并保持稳定，以保证在动态补偿的任何瞬间都能根据控制要求输出所需的补偿电流；但由于补偿电流的时变性和变流器的自身损耗，如不采取适当的控制措施，直流侧电容电压Ｕｄｃ将发生衰减或很大的波动，造成变流器不能正常运行．根据式（７）和式（８），可采用ＰＩ控制器将直流侧电容电压维持在要求的水平，具体做法是将电容电压Ｕｄｃ与设定的电压参考值Ｕｒｅｆ进行比较，并将比较结果送入ＰＩ控制器，ＰＩ控制器的输出就是电源侧电流期望的幅值Ｉｓ，也即负载侧电流基波有功分量的幅值．２仿真结果采用ＰＩ控制器进行电压控制仿真实验，实验时三相整流桥直流侧接阻感性负载，在０．０３ｓ和０．１４ｓ，直流侧负载发生变化．图２给出了变流器直流侧电容电压调整的仿真结果．当负载减小时，负载所需的有功功率减少，电源提供的多余有功功率由变流器直流侧电容吸收，因此直流侧电容的平均电压升高．此时，电源侧电流的幅值将降低，电源提供的有功功率也将减少．经过ＰＩ控制器一段时间的调整，变流器直流侧电容电压恢复并保持在参考电压值，电源侧电流也稳定在指定值，说明电源提供的有功功率与负载需求的有功功率趋于一致．当负载增加时，直流侧电容提供负载额外需要的有功功率，直流侧电容电压降低，经过一段时间调整，又恢复并稳定在参考电压值．仿真结果表明采用ＰＩ控制器实现直流侧电容电压稳定控制是可行的、有效的．２８第１９卷第４期３结束语电压源型有源电力滤波器直流侧电容电压的控制关系到整个滤波器的性能．本文分析了有源电力滤波器、电源、非线性负载三者之间的能量交换机理，在此基础上提出了用ＰＩ控制器实现直流侧电容电压稳定控制的方法．仿真结果表明，应用该控制方法的电压源型有源电力滤波器不但能够保持直流侧电容电压的稳定，而且具有良好的动态性能．参考文献：［１］ＺｈｏｕＬ，ＬｉＺ．Ａｎｏｖｅｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｌｅａｓｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ，２０００，１５（４）：６５５－６５９．［２］顾建军，徐殿国，刘汉奎，等．有源滤波技术现状及其发展［Ｊ］．电机与控制学报，２００３，７（２）：１２６－１３２．［３］戴朝波，林海雪，雷林绪．单相并联型电力有源滤波器的仿真分析［Ｊ］．电网技术，２００１，２５（８）：２８－３２．［４］周林，沈小莉，周雒维，等．单周控制技术在有源电力滤波器中的应用［Ｊ］．电力电子技术，２００４，３８（４）：１１－１３．［５］李卫国，曾国宏，郝荣泰．基于状态优化的单相有源滤波器边带控制方案「Ｊ］．电力系统自动化，２００２，２６（１０）：３６－４０．［６］ＷｕＪＣ．Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｉｎｇｌｅ!ｐｈａｓｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＥＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，１９９６，１４３（３）：２１９－２２４．（下转第５４页）图２带变化负载的仿真结果Ｆｉｇ．２Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｕｎｄｅｒｖａｒｉａｔｉｏｎａｌｌｏａｄｓ梅红伟，等有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制２９河海大学常州分校学报２００５年１２月（上接第２９页）ＡＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＤＣＢｕｓＣａｐａｃｉｔｏｒＶｏｌｔａｇｅｏｆＡｎＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒＭＥＩＨｏｎｇ!ｗｅｉ１，ＺＨＯＮＧＱｉ２，ＺＨＡＮＧＪｉｎ!ｂｏ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＷｕｊｉｎＢｒａｎｃｈｏｆＪｉａｎｇｓｕＴＶＵｎｉｖ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３１６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｃｂｕｓｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｙｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆａｎｖｏｌｔａｇｅｓｏｕｒｃｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｎｅｒｇｙｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎａｍｏｎｇＡＰＦ，ｓｏｕｒｃｅａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｏａｄｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｃｂｕｓｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄａｍｅｔｈｏｄ，ｕｓｉｎｇＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｃｂｕｓｃａｐａｃｉｔｏｒｖｏｌｔａｇｅ，ｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｖｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ；ｄｃｂｕｓｃａｐａｃｉｔｏｒ；ＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＭａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ［Ｃ］．Ｌｏｎｄｏｎ：ＩＥＥＥＰｒｅｓｓ，２００２．［７］ＢａｌｄｉｃｋＲ，ＢａｌｈｏＨＫ，ＣｈａｓｅＣ，ｅｔａｌ．Ａｆａｓｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｍａｌｐｏｗｅｒｆｌｏｗ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，１９９９，１４（３）：８５８!８６４．［８］周红宇，马维新，袁斌，等．电力系统网络方程并行算法研究及潮流并行计算的实现［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），１９９４，３４（４）：９５!１０１．［９］于永源．电力系统分析［Ｍ］．第２版．北京：中国电力出版社，２００４．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＧｒｉｄＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｉｎＰｏｗｅｒＦｌｏｗＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎＬＩＦｅｉ，ＺＨＡＮＧＳｈｉ!ｂｉｎ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＮｅｔｗｏｒｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｅｎｇｄｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０２２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆｇｒｉｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍｏｄｅｒｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔａｍｉｓａｎａｌｙｓｅｄ．ＡｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｌａｔｆｏｒｍｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣａｃｔｕｓｉｓｓｅｔｕｐａｎｄｏｎｅｋｉｎｄｏｆｇｒｉｄｐａｒａｌｌｅｌｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｐｏｏｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｎａｌｏｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｉｓｇｒｉｄｐａｒａｌｌｅｌｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｈａｓｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｉｅｓｏｆｆａｓｔｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ，ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ，ｆｕｌｌｙｍａｋｉｎｇｕｓｅｏｆｎｅｔｗｏｒｋｒｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄｓｏｏｎ，ａｎｄｅｎｈａｎｃｅｓｇｒｅａｔｌｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｉｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇｒｉｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ；ＰＳＧｒｉｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ；ｐａｒａｌｌｅｌｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!５４。