基于自适应信号处理技术的有源电力滤波器控制方法

田田丰(重庆科创职业学院 机电工程学院,重庆 402160)

基于自适应信号处理技术的有源电力滤波器控制方法

田田丰
(重庆科创职业学院 机电工程学院,重庆 402160)

为提高电网并联型有源电力滤波器的电流控制性能,通过有效获取补偿信号的控制方法,采用自适应无限脉冲响应滤波器进行负载的谐波补偿,并使用MATLAB/SIMULINK软件进行模拟仿真.模拟仿真结果表明,该方法具有良好的性能.

有源电力滤波器;非线性;谐波抑制

0　引 言

在工业、商业和住宅小区中,非线性器件的广泛使用导致电力系统电能质量的大幅下降.由非线性负载产生的谐波失真会导致客户设备、电力变压器和电源线功率损耗的增加,以及信号的漂移、有机绝缘材料寿命的缩短等问题[1].使用无源和有源谐波滤波器已被公认为是解决谐波抑制最有效的方法.

由电容、电感和电阻构成的传统无源谐波滤波器(PHF)被用于基本谐波抑制.PHF的主要优点是设计简单、成本低,且没有固定模式,可以正确地校准功率因数,但也存在补偿相对固定、尺寸较大、容易产生共振等问题.近年来,有源电力滤波器(APF)作为谐波电流补偿的有效器件,在日本及欧美等发达国家已被广泛应用,技术也相对成熟.与国外相比,从20世纪90年代中期开始,我国部分高等院校和科研机构才开始对有源电力滤波器进行深入研究.补偿信号的计算是有源电力滤波器控制的重要组成部分,也影响着其瞬态及稳态性能.目前,其算法从快速傅里叶变化(FFT)到瞬时P-Q理论,以及人工神经网络和自适应陷波滤波器,多种不同的控制方法已被广泛提出.本文提出一种通过有源谐波滤波器有效获取补偿信号的控制方法,采用自适应无限脉冲响应(IIR)滤波器进行负载的谐波补偿.

1　并联型有源电力滤波器

有源电力滤波器基本上分为并联型和串联型,当前最流行的有源电力滤波器是并联型有源电力滤波器[2].并联型有源电力磁波器(见图1)具有良好的电流控制能力,易于保护,可靠性高.

图1　并联型有源电力滤波器

对于一个非线性负载的h次谐波,对其提出它的等效诺顿电路.该电路包括与阻抗Zlh并联的电流源Ilh,网格通过戴维南等效电路构成,包括与阻抗ZG串联的电压源UG.

并联型有源电力滤波器通过注入等量谐波补偿电流来补偿电流的谐波,因而补偿电流约为纯正弦波.本文不考虑有源谐波滤波器的实际情况,而将其假定为一个理想的受控电流源,其负载电流的谐波分量成比例,即:

其中,ILh为扭曲的负载电流谐波,IGh为电网电流谐波.其补偿电流为扭曲负载电流成分减去其基波成分.h次谐波耦合点电压UCPh与负载电流IL0h的函数关系可以表示为:

这表明,当参数K趋近于1时,耦合点电压UCPh≈0.在理想情况下,对于基波和所有其他谐波K应等于零.

2　补偿信号的算法

产生补偿信号的控制策略是基于频域或时域技术,在频域中的控制策略则是基于失真电流或电压的傅里叶分析.高阶谐波分量是从畸变信号中分离出来的,并最终将其组合成补偿信号.但在非平稳情况下,离散傅里叶变换(DFT)将会失去准确性[3].对于频域计算方法,这种控制方法的策略是基于傅里叶级数DFT和FFT.在时域中常用的算法有瞬时有功和无功P-Q理论、神经网络理论、陷波滤波器方法及自适应信号处理.大多数算法比DFT具有更好的动态响应.

3　自适应无限脉冲响应陷波滤波器

陷波滤波器在信号处理领域中有着不同的应用,用于去除单频或窄带正弦干扰.理想的陷波滤波器的幅度特性被定义为:

其中ω0为陷波频率.陷波滤波器可以从无害相移高次谐波的失真电流波形中提取基波正弦电流波形.理想的陷波滤波器具有零带宽,但在实际中不能实现零带宽.

自适应数字陷波滤波器的最简单类型是由Widrow提出的自适应谱线增强器[4](ALE),其结构如图2所示.有限脉冲响应(FIR)滤波器的适应性通过采用最小均方(LMS)算法成功实现.ALE的缺点是存在比较低的收敛速度和潜在的不稳定性.

图2　ALE结构

对于无限脉冲响应(IIR)陷波滤波器而言,它能够提供比ALE更加清晰的幅度响应[5].同时,IIR也需要比ALE更小尺寸的滤波器.

二阶I IR陷波滤波器的传递函数被定义为:

其中λ为零极点收缩因数,一般情况下,λ应有效接近于1.

一个单一频率的陷波滤波器的传递函数可以表示为:

其中A(z)表示IIR陷波滤波器的传递函数.IIR陷波滤波器结构如图3所示.

图3　IIR陷波滤波器结构

IIR陷波滤波器的传递函数为:

其中k1为自适应系数,收敛于-cosω0.陷波滤波器的频率抑制可以通过修改k1和阻带宽度k2来实现.

格型IIR陷波滤波器结构如图4所示.

图4　格型IIR陷波滤波器结构

格型IIR陷波滤波器的传递函数为:

由于(7)式中分子分母具有镜像对称性,所以格型IIR陷波滤波器的传递函数在所有频率范围内近似等于1.

自适应IIR陷波滤波器适合采用与格型FIR陷波滤波器相关的自适应算法.二阶格型FIR陷波滤波器结构如图5所示.

图5　二阶格型FIR陷波滤波器结构

二阶格型FI R陷波滤波器具有结构简单且收敛速度快的特点.运用梯度运算法更新k1和k2的表达式为:

其中,μ为梯度级,Di(n)定义为:

其中β为遗忘因子,且0<β<1.

4　模拟仿真

本文所设计的受控并联型有源电力滤波器如图6所示.使用MATHLAB/SIMULINK软件对系统进行模拟仿真,仿真过程如图7所示.

4.1网格与第一整流器连接

在t=0.1s时,第一整流器连接网格,在0.3s时并联型有源电力滤波器被接入网络,并开始启动补偿非线性负载电流的谐波成分(见图6).0.3s前后总谐波失真情况见表1.有源电力滤波器的电网、负载及电流波形如图7所示.

由表1可知,电网电流的THD在接入并联型有源电力滤波器前为11.29%,在接入滤波器后,THD降为1.35%;同时,线性谐波失真也由原来的5.44%下降至0.64%.由此证明所提出的电流控制策略有很高的补偿精度.

4.2有源电力滤波器与第二整流器连接

非线性负载在t=0.5s时开始增加,其总谐波失真情况见表2.

图6　受控并联型有源电力滤波器

图7　有源电力滤波器的电网、负载及电流波形

表1　0.3s前后总谐波失真情况

由表2可知,0.5s非线性负载增加前后,电网电流的THD由原来的1.35%提高至1.98%;非线性电流失真由原来的40.32%下降至40.28%,其瞬间变化幅度均很小.可见,在阶跃负载变化的瞬间无严重变化,补偿信号计算方法运行正常.

5　结束语

采用自适应无限脉冲响应滤波器可以实现负载的谐波补偿,进而实现电网电流的谐波补偿.该方法对于电网电流的波动拥有自适应能力,且结构简单,收敛速度快,算法也较为传统简单,很容易在数字控制器上实现,有效解决了有源谐波滤波器对谐波的抑制.同时,通过使用MATHLAB/SIMULINK软件进行模拟仿真,结果表明,该方法具有良好的性能.

表2　0.5s前后总谐波失真情况

[1]马立新,严亮.一种改进的自适应谐波检测方法及其应用[J].电力科学与工程,2014(11):7-10.

[2]汪玉凤,张东宇,苏佰超.并联型有源滤波器自适应模糊控制方法研究[J].电气传动,2014(11):33-37.

[3]曹培培,周凯杰.有源电力滤波器的自适应滞环电流跟踪策略[J].淮阴师范学院学报(自然科学版),2013(3):218-221.

[4]沈廷鳌,涂亚庆,张海涛,等.一种改进的自适应格型陷波频率估计算法及其收敛性分析[J].振动与冲击,2013(24):28-32.

[5]包明,王云亮.改进的变步长自适应谐波检测算法[J].电力自动化设备,2011(1):71-74.

[责任编辑:吴志荣]

Study of Active Power Filter Control Based on Adaptive Signal Processing Technique

TIAN Feng
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Chongqi Creation Vocational College, Chongqi, 402160, China)

A research has been done to employ adaptive infinite impulse response filter to perform laden harmonic compensation by controlling means of effectively obtaining compensation signals, and use Matlab/Simulink software to imitate and emulate in order to improve the current control quality of shunt active power filter in power grid. The result of imitation and emulation displays that this method is of fine quality.

Active power filter; Nonlinear; Harmonic suppression

TN713+.8

A

1671-4326(2016)02-0051-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.037

2016-03-28

田丰(1983-),男,陕西宝鸡人,重庆科创职业学院机电工程学院讲师,硕士.