APF与TSC混合补偿装置控制策略设计图文.docx
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APF与TSC混合补偿装置控制策略设计图文
第18卷第1期2014年1月电机与控制学报
ElectriCMachinesandControl
V01.18No.1Jan.2014
APF与TSC混合补偿装置控制策略设计
杨家强,陈诗澜,朱洁,曾争
（浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027
摘要:
针对低压配电网谐波污染以及无功功率失衡的问题,依据瞬时功率理论,设计了一种由并联型有源电力滤波器（APF和晶闸管投切电容器（TsC组成的动态无功与谐波混合补偿装置（TAPF。
建立了TAPF的通用数学模型,从定性和定量的角度给出了TAPF在电流源型非线性负载下采用传统控制策略的谐波消除机理。
同时提出了一种既能完全补偿网侧谐波电流又能完全消除电网阻抗和鸭C之间可能发生的谐振的双电流控制策略。
并仿真分析了电网参数波动对传统控制策略和双电流控制策略的性能影响。
仿真结果表明,在不同谐波次数和谐波补偿系数情况下,双电流控制策略比传统控制策略受电网参数波动的影响更小。
因此双电流控制策略比传统控制策略更适合TAPF补偿电流源型非线性负载的谐波。
关键词:
有源电力滤波器;谐波抑制;无功补偿;控制策略;电网参数
中图分类号:
TM761文献标志码:
A文章编号:
1007—449X（201401—0011—08
ControlstrategydesigningofhybridcompensatorbasedonAPFandTSC
YANGJia-qiang,CHENShi・lan,ZHUJie,ZENGZheng
（CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China
Abstract:
Inordertocompensatereactivepowerandsuppressharmoniccurrentinthelow・-voltagedistri・-
butiongrid,ahybriddynamicreactivepowercordingtoinstantaneouspowertheory.ItCOandharmoniccurrentcompensator（TAPFisdesignedac—ofshuntactive
power
filter（APFandthyristor—
switchedcapacitor（TSC.ThecompensationcharacterofTAPFundertraditionalcontrolstrategiesforcurrent-・sourcetypenonlinearloadwerewellstudiedtheoreticallyandquantitativelybyestablishingmath・・ematicmodel.Adouble-currentcontrolstrategywhichnotonlysuppressline—sideharmoniccurrentbutalsoavoidresonancebetweenline-sideimpedanceandTSCwasputforward.Operatingperformanceofthecompensatorproducedbytraditionalcontrolstrategiesanddouble・・currentcontrolstrategywassimula・・tedaspowernetworkparameterschange.Thesimulationresultsvalidatethatdouble-currentcontrolstrat—egyislesssusceptibletopowernetworkparameterschangingthantraditionalcontrolstrategieswhenhar-monicorderandcompensationfactorchanging.Sodouble—currentcontrolstrategyismoresuitableforthecompensatorthantraditionalstrategiesincurrent-sourcetypenonlinearload.
Keywords:
activepowerfilter;harmonicsuppression;reactivepowercompensation;controlstrategy;powernetworkparameters
收稿日期:
2013—09—04
基金项目:
国家自然科学基金（51177150;浙江省公益性技术应用研究计划资助项目（2011C21022
作者简介:
杨家强（1970一,男,博士,副教授,研究方向为电力电子与电气传动（电能质量管理;
陈诗澜（1990一,男,硕士研究生,研究方向为动态谐波抑制及无功功率补偿;
朱洁（1992一,女,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动;
曾争（1987一,男,博士研究生,研究方向为电能质量及其控制技术,电力电子与电力传动。
通讯作者:
杨家强
万方数据
12电机与控制学报第18卷0引言
随着开关电源、交流电机变频调速装置、不间断
电源等设备的广泛应用,大量谐波和无功注人到电
网¨J。
谐波和无功的存在不仅会增加线路上的电
压损失,降低发、供电设备的利用率,而且还会给电
网的安全稳定运行带来巨大隐患。
因此近年来,能
够同时补偿谐波和无功的并联混合型有源电力滤波
器（shunthybridactivepowerfilter,SHAPF得到越
来越多的关注旧。
5J。
根据整流桥直流侧连接的是电容还是电感,可以将并联混合型有源电力滤波器的负载类型分别归为电压源型和电流源型非线性负载两类Mj。
文献[7]分析了几种经典的并联混合型有源电力滤波器在电流源型非线性负载下的基本控制策略以及电网参数波动对系统的影响,但只分析了5次谐波情况下电网参数波动对系统的影响。
文献[8—10]分析了有源电力滤波器与并联电容器组成的SHAPF的稳定性及控制方法,提出了一种同时检测负载电流和电源电压的控制方法,但并没有对比分析SHAPF在不同控制策略下的差异以及不同次数谐波下的补偿特性。
在上述文献的基础上,本文设计了一种由并联型有源电力滤波器（activepowerfilter,APF和晶闸管投切电容器（thyristor—switchedcapacitor,TSC¨纠组成的动态无功与谐波混合补偿装置（TAPF。
TAPF中TSC分级投切电网所需的大部分无功,APF动态输出TSC投切后电网所需的小容量无功并消除电网各次谐波。
文章建立了TAPF的通用数学模型。
在此基础上,首先分析了该装置在电流源型非线性负载下采用传统控制策略的谐波消除机理和优缺点,提出了一种既能完全补偿网侧谐波电流又能完全消除电网阻抗和TSC之间可能发生的谐振的新型控制策略。
并探讨了全谐波（O一50次范围电网参数波动对传统控制策略和新型控制策略的性能影响。
1TAPF的数学模型
由并联型有源电力滤波器（APF和晶闸管投切电容器（TSC的组成的动态无功与谐波混合补偿装置（TAPF的系统结构框图,如图1所示。
图中左侧虚线框内为基于LCL的APF的结构框图,右侧虚线框内为TSC的结构框图。
TAPF通过瞬时控制APF和TSC便能实现动态无功补偿和谐波消除。
图1TAPF的结构框图
Fig.1StructurediagramofTAPF
TAPF控制框图,如图2所示。
图2TAPF控制框图
Fig.2ControlblockdiagramofTAPF
图2中G。
代表谐波电流检测环节,K代表电流跟踪环节的比例系数,G。
代表逆变器PWM环节,G¨代表LCL滤波环节,K,代表输出电流反馈系数。
谐波电流检测环节G。
采用瞬时功率理论¨1-14],其传递函数的表达式为
G小=（,一焘Kidi,
式中:
∞。
为截止角频率;∞。
为基波角频率;Ki。
为谐波补偿系数;丁,为计算延时。
逆变器PWM环节G。
的传递函数G。
（s表达式和LCL滤波环节G¨的传递函数GM（s表达式分别为
Gho-忐,（2Glc小=器。
（3
式中:
K。
为调制系数;九为采样延时;尺d为阻尼电阻;C为滤波电容;￡:
为网侧电抗器。
因此,图2虚线框内整个电流跟踪控制环节Gi的传递函数表达式为
万方数据
第1期杨家强等:
APF与TSC混合补偿装置控制策略设计13
刚扣揣=考黜,㈩其中
Tl=L2臼h,
疋=Rd舒h+L2C,
疋=凡C+丁h+K州KKpⅧRdC,
瓦=KiKifKpⅧ。
（5
由式（1和式（4可推导出整个TAPF的传递
函数表达式为
啪pf（,:
等等掣烈舶,Gas21可瓦万i矗前若尹,（6式中,Tl、疋、死和L如式（5所示。
2TAPF等效电路及其参数
当TAPF补偿电流源型非线性负载时,整个补偿系统在谐波频段的单相等效电路如图3所示。
图3TAPF等效电路
Fig.3Equivalent-circuitdiagramofTAPF
其中以。
代表电网谐波电压、,8。
代表网侧谐波电流、z。
h代表电网阻抗、Ga#Fxh代表TAPF的谐波补偿电流、瓦代表TSC谐波电流、瓦代表TSC等效阻抗、,lh代表电流源型非线性负载。
在图3中,根据基尔霍夫电流和电压定律m]可得
Ush=ZshIsh+毛,m,1
l
Bh=瓦+,1h—G。
PfF。
h,}（7U1h=U+h—IshZsh。
J
其中F。
。
代表A、B、C、D四点测得的电流或电压。
由式（7可得网侧谐波电流瓦的表达式为
氏=氅皇竽+毫。
㈣
‘幽
Z8h+Zfll。
Z8h+Zfll。
、”7文中所要用到的TAPF参数如下表1所示。
表1TAPF系统参数
Table1SystemparameterofTAPF
参数数值
网侧电抗器岛/wH
逆变器侧电抗器L1/“H
滤波电容c/恤F
阻尼电阻Rd/11
计算延迟r1/ms
采样延迟"Th/ms
截止角频率∞。
/rad/s
基波角频率∞./rad/s
TSC并联电容-/IF
TSC串联电感/mH
电网阻抗L,/mH
控制环节系数
50
100
30
O.1
0.1
O.1
407r
100仃
78.5
9.04
2
Kit=1,Ki=5,K一=128,0≤Kid≤l3TAPF控制策略设计
3.1传统控制策略分析
传统谐波控制策略有负载谐波电流控制、负载谐波电压控制、网侧谐波电流控制等3种【1J。
如图3所示,3种控制策略分别对应为检测A点电流、检测B点电压和检测D点电流。
下面分析本文提出的动态无功和谐波混合补偿装置（TAPF在上述3种控制策略下的性能。
3.1.1负载谐波电流控制
采用负载谐波电流控制时,TAPF能够产生的谐波补偿电流t的表达式为
。
=GaDfk。
（9代人式（8可得
。
紫+丧。
㈣,
18“一
ZBh+ZfIl’Zsh+ZflI。
\1”,式（10的等效控制框图如图4所示。
图4负载谐波电流控制框图
Fig.4Controlblockdiagramofloadharmoniccurrent由式（10可见,这种控制策略实质上等效于通过控制有源电力滤波器来改善无源支路的谐波阻抗特性,由于直接检测负载谐波电流,其补偿效果只取决于谐波电流的检测精度和PWM逆变器的控制精
万方数据
14电机与控制学报第18卷
度,不存在稳定性问题。
当G。
。
为1时,谐波电流将
会全部流入TAPF,从而完全消除网侧谐波电流中负
载谐波电流的分量盟筹sh,但是此种控制策
凸l口n1
略下TAPF无法治理由电网谐波电压产生的电网谐
波电流分量夏盖苌。
另外,当电网阻抗和TSc发
生谐振时,即式（10的分母部分z。
。
+Zm一0,电网
谐波电流会急剧增大,TAPF完全失去了网侧谐波
电流的补偿能力,因此该种电流控制策略不能抑制
TAPF的谐振。
3.1.2负载谐波电压控制
采用负载谐波电压控制时,TAPF能够产生的
谐波补偿电流t的表达式为
。
=G。
DfUlh=GapfZfll‘。
（11
代入式（8可得
瓦,lh（1一GapfZfhU。
h
t—i可『二瓦蕊十瓦可『=瓦蕊。
（12式（12等效控制框图如图5所示。
图5负载谐波电压控制框图
Fig.5Controlblockdiagramofloadharmonicvoltage由式（12可见,此种控制策略下TAPF的滤波效果不仅受G。
。
影响,而且还受‰影响。
当1一G。
pfZm=0时,电网谐波电压产生的谐波电流分量瓦等享{畿将会全部流人TAPF中,且还能消除电网阻抗和TSC之间可能发生的谐振,但是不能完全消除电网谐波电流中负载谐波电流的分且Zfh,lh
量瓦可丁虿丽。
3.1.3网侧谐波电流控制
采用网侧谐波电流控制时,TAPF谐波补偿电流L表达式为
Ic=Gapf,。
h。
（13代人式（8可得
氏=拣+高0（14。
s“2瓦订万面:
:
『+i疆i瓦赢。
（14
式（14等效控制框图如图6所示。
图6网侧谐波电流控制框图
Fig.6Controlblockdiagramofline-sidehm-nmniccurrent由式（14可以看出,网侧谐波电流控制并不能完全消除网侧谐波电流,其谐波补偿效果只取决于Gapf的大小,G耐越大网侧谐波电流就越小。
但当
Gapf取得过大会造成系统的不稳定,因此该种电流控制策略消除网侧谐波电流的范围有限。
3.2TAPF的双电流控制策略设计
由上述分析可知,负载谐波电流控制、负载谐波电压控制和网侧谐波电流控制3种传统控制策略具有不能完全补偿网侧谐波电流或者不能完全消除电网阻抗和TSC之间可能发生谐振的缺点。
为了解决这些问题,文章提出了一种同时检测负载谐波电流和鸭C电流的双电流控制策略。
如图3所示,双电流控制为检测c点电流。
采用双电流控制时,TAPF谐波补偿电流L表达式为
。
=G。
。
f（“+k。
（15代入式（8可得
（1一Gapf瓦瓦（1一G。
fU。
h
气“2百玎产砜+i玎F丽。
（16式（16等效控制框图如图7所示。
图7双电流控制框图
Fig.7Controlblockdiagramofdouble-current由式（16可见,双电流控制策略具有前面3种传统控制策略的优点,当Gapf为1时,它不仅能完全补偿负载侧谐波电流“产生的网侧谐波电流分量≤{糍,而且还能完全补偿电网谐波电
万方数据
第1期
杨家强等:
APF与TSC混合补偿装置控制策略设计
15
压%引起的网侧谐波电流分量瓦等谶。
而且此时,分母项始终不为零,能完全消除电网阻抗和TSC之间可能发生的谐振。
因此双电流控制在理论上比前面3种传统控制策略具有更好的补偿
性能。
4
电网参数波动对控制策略的影响
电网参数波动可以分为很多种,不同的电网参
数波动对TAPF的影响也不同。
以下将对比分析负载谐波电流‘。
波动、电网谐波电压U幽波动和电网阻抗z。
。
波动对采用传统控制策略和双电流控制策略的TAPF谐波补偿特性的影响。
4.1负载谐波电流k波动的影响
作为主要被控对象的负载谐波电流‰波动,要求TAPF对其有较快的动态响应性能。
TAPF对负载谐波电流,1。
波动的动态响应性能可以表征为系统对并联谐振的抑制能力。
TAPF的并联谐振主要
是负载谐波电流,1。
于瓦和z小的并联阻抗上产生。
因此分析TAPF并联谐振抑制情况时,可以不考虑电网谐波电压玑。
。
所以TAPF的负载谐波电流波动影响系数可以定义为
田l=（△Ith
I/△l,lh
I×100%。
（17
表2所示为4种控制策略的叼。
表达式。
表2
4种控制策略的叩。
表达式
Table2’,lexpressionoffourcontrolstrategies
控制策略叩
负载谐波电流控制
学
负载谐波电压控制
网侧谐波电流控制
双电流控制
兰堡
ZⅡ|+Z。
h—G。
pfZaZ5h
刍
Z。
h+Zll',GapfZtm
!
!
二垒!
刍
ZllI+Zsh—G札fZ曲
由表2可知,田。
不仅与谐波次数n有关,而且还与TAPF谐波检测环节的谐波补偿系数Ki。
有关。
因此可以画出田。
与n和K。
的关系图。
图8为4种基本控制策略下叼,与n和K。
的关系图,其中TAPF采用的各参数如表1所示。
易知,叼,数值越大的地方抑制负载谐波电流,lh波动能力就越差。
从图8可以看出,采用负载谐波电流控制和网侧谐波电流控制时,在大部分区域叼,都浮动在0.1—0.8。
而且补偿系数K讨越小TAPF抑制,lh波动性能就越差,因此这两种控制策略抑制负载谐波电流k波动效果最差。
对负载谐波电压控制而言,在低谐波补偿系数（如K讨=0.1时,TAPF对所有次数谐波电流波动抑制能力都很差,会出现谐波放大的情况。
但随着Ki。
的增大,系统对各次谐波电流波动的抑制能力逐渐增强。
对于双电流控制而言,由于曲面上没有极点,因此不会出现谐波放大的情况,从而保证系统的稳定性。
而且随着补偿系数Ki。
的增大,TAPF的抑制能力也逐渐增强。
但是随着谐波次数的增大,TAPF对各次谐波电流波动的抑制能力也逐渐减小。
但总体上对各次谐波电流波动均有良好抑制效果。
因此双电流控制抑制各次谐波电流波动效果最好。
n一面。
o~K
71载谐波电流控制
0.5
尺
控制
≯11.、’
芦|_
（I.
5{J
I
（5
s（
7
（.5
l
（0
h
【0
K“
网侧谐波电流控制双电流控制
图8四种控制策略下,,。
与n和%的关系图
Fig.8
Diagramof1,l诮m厅and虬underfourcontrolsh_tegi够
4.2
电网谐波电压U曲波动的影响
电网谐波电压的影响因素主要有2个方面,一方面是发电机在向电网提供大量基波功率的同时也向电网输出一定的谐波功率,引起供电方的电压畸变。
另一方面,电网其他各处谐波负荷的波动也会引起电网谐波电压波动【_7J。
TAPF对电网谐波电压以。
波动的动态响应性能可以表征系统对串联谐振
的抑制能力。
TAPF的串联谐振主要是电网谐波电压【,。
。
于Zm和z。
。
的串联阻抗上产生。
因此分析TAPF串联谐振抑制情况时,可以不考虑负载谐波电流k。
所以TAPF的电网谐波电压波动影响系数可以定义为
叼2=（△IIshI/AI玑hI×100%。
（18
类似于分析负载谐波电流,lh波动影响,同样可以得到四种控制策略的J,7:
表达式,并画出其与n和K。
的关系图,如表3和图9所示。
万方数据
１６电机与控制学报表３４种控制策略的仍表达式第１８卷流的大小，也会影响电网谐波电压在电网阻抗上产生的电流大小。
由于除ＴＡＰＦ之外，整个系统还包括两个电源，即电网谐波电压源和负载谐波电流源。
因此，电网阻抗ｚ。
。
波动对ＴＡＰＦ工作特性的影响也可以分成两部分，一部分仅考虑负载谐波电流ｋ产生的影响，另一部分仅考虑电网谐波电压玑。
产生的影响。
因此ＴＡＰＦ的电网阻抗Ｚ８ｈ波动影响系数可以分别定义为＇７３２Ｔａｂｌｅ３叼２ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆｆｏｕｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ控制策略负载谐波电流控制负载谐波电压控制一Ｚ０．２ｒ一一一～鲫‘梵※ｉ２。
檄蠖，≥网侧谐波电流控制一瓦一‰一一ｏ一一一ｌａ２１．ｈ／ＯＺ．ｈＯｌｌｈｌ×１００％，ｌ…、双电流控制田４＝Ｉ∥Ｉｓｈ／ＯＺ。
ｈＯＵ．ｈＩ×１００％。
Ｊ按前述方法进行分析可以得到４种控制策略的叼。
和’７。
表达式，并分别画出其与ｎ和Ｋ。
ｄ的关系图，如表４、表５和图１０、图１１所示。
表４４种控制策略的铂表达式ｆｏｕｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ■ＩＴａｂｌｅ４铂ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｏｆ控制策略负载谐波电流控制０．２－．Ｉ）２Ｓ０．１｝Ｓ０．１，负载谐波电压控制』一瓦５噼０川。
ｏ＿一ｉ。
。
＂ｉ誊一。
。
ｊ１辩。
！
≮一。
？
。
？
－．．１７一。
０．５００，ｉ＾＿¨０００．５＾：
。
网侧谐波电流控制Ｉ“Ｊｍ¨ｉ婿波【也ｊ氚控；ｔｉ，ｊ图９烈ｌ也ｉ虎控：
｛“双电流控制４种控制策略下１，１：
与ｎ和‰的关系图一瓦Ｆｉｇ．９ｍａｇｒｍｏｆ吼ｗｉｔｈ—ａｎｄｆｏｕｒｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓＫ，ｄｕｎｄｅｒ～一一～一～１从表３和图９可知，就抑制电网谐波电压玑。
波动的性能而言，负载谐波电流控制不受Ｋ。
影响，但随着谐波次数ｎ的增大，ＴＡＰＦ的抑制能力先减小后增大。
同时可以看出系统在５次谐波处的抑制能力最差。
负载谐波电压控制同样对高频段电网谐波电压波动抑制能力较好，但随着Ｋ泊的增加，ＴＡＰＦ在低频段的抑制能力也逐渐减弱。
双电流控制和网侧谐波电流控制与负载谐波电压控制抑制电网谐波电压菇ｊ’警Ｉ一．．≥÷≥，７”如．鬟＋。
。
仑：
二ｊ。
．＝：
、１霈≮ｏ一．ｉ一。
一二‘≥。
。
Ｋ。
ｉｕｉ。
≮÷嗲彳一一、００５０‘‘。
ｌｎ一Ｋ¨ｌ０—０、１７紫ｉ善拈ｊ∥≯ｌ，二、一，菇喾｛等》二＾。
ｉＩ。
？
、一。
紫誊善一萼考≥、‰波动的整体效果基本相同。
但是在这两种控制策略下，随着Ｋｉ。
的增加ＴＡＰＦ在５次谐波处的抑制能力逐渐增强，其中又以双电流控制的抑制效果最好。
所以双电流控制抑制电网谐波电压以。
波动性能最好。
４．３电网阻抗Ｚ幽波动的影响当仅考虑负载谐波电流‰的影响时，从表４和图１０可知，负载谐波电压控制在低频段的电网阻抗ｚ。
。
波动抑制能力最差，在高频段的抑制能力较好。
且随着Ｋｉ。
增加，系统对其抑制能力先增大后减小，最后趋于稳定。
负载谐波电流控制、双电流控制和电网所处周围环境的变化，会引起线路损耗，使得电网阻抗出现变化。
另外由于现代电网的网状结构分布格局，电网阻抗会受电网其它各处负荷变化的影响＂］。
电网阻抗Ｚ。
。
波动会影响ＴＡＰＦ输出电万方数据
第１期杨家强等：
ＡＰＦ与ＴＳＣ混合补偿装置控制策略设计能最好。
５１７网侧谐波电流控制曲面基本趋势相同，＇７。
在大部分区域为０，即系统在大部分谐波情况下能够完全消除电网阻抗波动对网侧谐波电流的影响。
而且随着结语本文设计了一种由并联型有源电力滤波器氏增大，３种控制策略在低频段的抑制能力均增强。
其中尤以双电流控制的抑制能力最好，所以只考虑负载谐波电流，ｌ。
的影响时，双电流控制抑制电网阻抗ｚ幽波动性能最好。
表５４种控制策略的讯表达式（ＡＰＦ）和晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）组成的动态无功与谐波混合补偿装置（ＴＡＰＦ），建立了ＴＡＰＦ的通用数学模型。
分析比较发现，当采用负载谐波电流控制、负载谐波电压控制和网侧谐波电流控制时，ＴＡＰ
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