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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用，電力系統(tǒng)中的非線性負荷大量增加，使得電網中的電流波形嚴重畸變，含有大量的諧波電流和無功分量，給電能的生產和傳輸帶來危害，也影響電子設備的應用，造成“電力公害”[1]。有效治理電網諧波、減少能量損耗、實現(xiàn)“綠色能源”是電力電子技術領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雜的快速響應電力電子裝置，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)場調試帶來了較大的難度。本文根據60kva有源電力濾波器的設計和現(xiàn)場調試過程，對有源電力濾波器的調試步驟進行了總結。
2 并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)結構
圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器補償電網諧波電流時的系統(tǒng)結構圖。
圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器結構圖
其中，e為電網電源，hpf為高頻濾波器，l為apf交流側電感，c為apf直流側電容，r為軟起動電阻，s為開關，apf主電路為三相變流器，具有圖2所示的結構。
圖2 apf主電路結構
當系統(tǒng)上電瞬間，apf直流電容兩端電壓為零，電網電源e通過apf交流側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)中設計了軟起動電阻r，對初始充電電流進行限制，合上開關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直流側必須保持一定的恒定電壓，但在apf工作過程中，開關器件和電流補償需要消耗一定的有功能量，會導致直流側電容電壓降低，因此必須控制變流器使電網給電容充電，維持直流側電壓恒定，這是一個整流過程，為避免整流過程產生新的諧波污染，應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)：直流側電壓控制環(huán)和交流側電流控制環(huán)。電壓環(huán)和電流環(huán)均采用pi調節(jié)器的60kva有源電力濾波器結構圖如圖3所示。
圖3 apf控制系統(tǒng)結構圖
60kva有源電力濾波裝置的主要保護功能有：直流側過壓保護、交流側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。而直流側電容電壓變化速度并不快，因此維持直流側電容電壓基本不變的控制環(huán)節(jié)響應速度也要求不高，電壓環(huán)控制器響應速度可以設計為電流環(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調節(jié)器，但兩者的參數(shù)設計和調試方法是不一樣的。
apf的調試包括電壓控制環(huán)的調試和電流控制環(huán)的調試，可分為以下幾步：
3.1apf直流側電壓升壓控制調試
apf上電合上開關s后，apf直流側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諧波電流時直流側電壓實際工作電壓為650v，因此，應首先控制變流器，使其電壓從540v上升到650v。為避免apf產生諧波電流，采用pwm整流給apf直流側電容充電。
這部分調試主要是確定pwm整流電流內環(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，其次為避免直流側過電壓導致裝置損壞，在整流過程中要使直流側電壓具有較小的超調量。由于有源電力濾波器直流側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節(jié)時間和較小的超調量。pwm整流控制器參數(shù)具體調試過程是：
（1）首先確定pwm整流器電流內環(huán)pi調節(jié)器參數(shù)。電流內環(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系到兩相旋轉坐標系的變換，從而達到變流器網側有功、無功電流的獨立控制。電流內環(huán)按典ⅰ型系統(tǒng)設計的pi調節(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電感和電阻）。
（2）其次單獨采用比例調節(jié)器控制有源電力濾波器直流側電壓，調試比例環(huán)節(jié)參數(shù)。在給定上升時間和超調量的條件下，根據理論[4]計算,初步計算出比例調節(jié)器的參數(shù)，采用此參數(shù)進行實驗并進行參數(shù)調整，確定直流電壓上升時間和超調量達到要求的比例參數(shù)。需要注意的是，單獨采用比例調節(jié)器時，控制電壓是有差的，控制穩(wěn)定后，直流側電壓和給定量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整。加入積分環(huán)節(jié)后，有源電力濾波器直流側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)控制調試
（1）apf補償電網諧波電流時，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)的調試也是apf調試的難點。
（3）確定電流環(huán)參數(shù)主要從電流補償精度、動態(tài)響應速度和保證系統(tǒng)穩(wěn)定性來進行設計和確定。
（4）當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)的經驗公式為[2]：
（2）
式中，l為apf交流側電感，l0為apf交流側導線等效電感，ωc為產生pwm波時載波頻率，vdc為apf直流側電壓。
（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)，在實驗中進行調整，達到系統(tǒng)性能要求。
3.3 apf補償諧波時直流側電壓環(huán)控制調試
當apf直流側電壓達到650v后，apf開始補償電網中的諧波電流。apf在補償諧波電流時，會消耗直流側電容能量，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電容電壓波動或導致直流側電壓的降低，影響有源電力濾波器的正常工作或導致直流側出現(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，要求維持其直流側電壓基本不變。apf在補償諧波電流時，必須對直流側電壓進行控制，但與電流控制響應速度較快不同，電壓控制的響應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電壓環(huán)控制的參數(shù)調試：
（1）首先確定比例環(huán)節(jié)的參數(shù)
在給定的響應速度的條件下，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控制時直流側電壓波形。
圖4 apf直流側電壓波形
圖4中，通過pi電壓環(huán)控制，apf直流側電壓基本恒定，直流側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，直流側電壓pi控制取得了很好的控制效果。
根據以上調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
補償前后電網電流波形如圖6所示。
圖6 補償前和補償后電網電流波形
從圖6可以看到，投入apf后電網電流基本上實現(xiàn)了電流正弦化，電網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 結束語
有源電力濾波器作為應用前景和經濟效益的諧波抑制和無功電流補償裝置，得到了廣泛的關注和研究。apf是一個響應速度快、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)場調試為基礎，總結和分析有源電力濾波器的調試步驟，實驗結果顯示，補償取得了較好的效果。
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