直接功率控制技术在谐波抑制的仿真研究

关键词：直接功率控制技术,谐波抑制
作者：蓝竞豪
摘要：文章分析了谐波产生及其危害，介绍了直接功率控制系统的控制原理、方法以及电压空间矢量控制策略，进行了PSCAD仿真和模拟试验。试验结果表明：有源电力滤波直接功率控制技术对电网谐波和无功具有良好的抑制和补偿效果，可有效提高电网功率因数，减少谐波电流，改善输出电流波形，对相关技术人员的研究应用有一定的参考意义。

0引言

　　传统的有源电力滤波器（APF）补偿原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流与谐波电流大小相等、方向相反，以防止谐波电流流入电网，最终得到期望的电源电流。由于这种谐波检测方法在一个采样周期需要进行正反两次变换，计算量较大，以致存在一定的延时，对畸变电流实时性的跟踪补偿能力不强，达不到较好的补偿效果。

　　本文针对非线性负载提出直接功率控制（DPC）方法，该方法是基于瞬时无功功率理论谐波检测的改进。在检测环节中不需将谐波功率转换为谐波参考电流，而直接将谐波功率作为参考功率信号，控制APF发出与参考谐波功率大小相等、方向相反的谐波有功功率和无功功率的PWM脉冲，抵消谐波功率，简化了数据计算量，更好地提高补偿系统对井场电网谐波抑制和无功补偿的动态性能。

1 谐波产生及其危害

　　谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉等。

　　产生的谐波可使电机负荷加重,产生振荡转矩; 变压器铁芯磁滞伸缩产生震动噪声；通信设备造成干扰；继电保护造成错误动作等不利影响，危及工作人员的安全和设备的工作寿命，故对电网的谐波治理十分必要。

2 DPC控制系统设计

　　针对用电设备中主要谐波源对母线造成的谐波污染问题，设计的DPC控制系统如图1所示。该系统将实时检测母线三相电压。与电流数据进行分析计算，得到瞬间有功功率和瞬间无功功率，并通过旋转坐标变换得到和，且得出电压矢量所处扇区的信号。和与参考有功功率给定值和参考无功功率给定值比较后输入到功率滞环比较器，由直流电压外环设定，设为0实现单位功率因数校正。功率滞环比较器输出的功率偏离信号和通过开关表的电压空间矢量控制（SV PWM）驱动，的开通与关断。

DPC控制系统

图1 DPC控制系统

2.1DPC谐波检测方法

　　DPC控制系统采用瞬时无功理论的法检测谐波。该系统谐波检测方法如图2所示。三相电压、电流型号经坐标变换，实时计算瞬时有功功率和无功功率。该方法在计算和过程中，需用到与a相电网电压同相位的正弦型号和对应的余弦信号，它们由锁相环（PLL）可得到，经过高通滤波器（HPF）之后将瞬时功率的直流分量和滤除，剩余量为基波电压和谐波电流产生成的谐波有功功率和无功功率。其中和分为坐标轴变换和旋转变换，即

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和由公式（1），（2）求得：

2.2功率滞环比较器

　　基于坐标变换，瞬间有功功率和瞬间无功为正时向电网吸收能量，为负时向电网反馈能量。功率滞环比较器的输入信号为和，输出开关信号为和。滞环比较器带宽图如3 所示，带宽和的选取直接影响平均开关频率和瞬时功率的跟踪能力，即当和增大时，变流器的开关频率降低，谐波含量（THD）增加，功率跟踪能力下降。反之，当和减小时，变流器的开关频率加大，开关器件损耗增加，谐波含量（THD）同时也增加。故需折中考虑工况，带宽一般为功率的5%。

图3 滞环比较器带宽图

2.3 直流侧电压信号

　　在图1中，为直流侧电压的反馈值，两者之差经PI调节后得到。它将叠加到瞬时有功功率直流分量上。APF变流器输出的三相瞬时功率包含一部分基波有功电流分量，产生的补偿电流注入电网，从而使直流侧与交流侧之间的进行能量交换，并将调节至给定值。

3 DPC电压空间矢量控制策略

3.1、工作状态确定

　　在DPC控制系统中，是通过对APF变流器输出有功和无功与给定值比较后得到和，选择适当的空间电压矢量实现对功率的直接控制。如表一所示，和通过磁滞环比较器利用两个与非门输出4种不同电平状态信号，确定工作状态。

表1 状态

3.2 电压空间矢量扇区划分及开关表

　　系统空间电压矢量由6个非零矢量（～）和2个零矢量（、）组成，它们在空间上相位弧度，形成首尾衔接的正六边形，为六拍阶梯波逆变器。若再把每个区域平分，得到12个扇区，为十二拍阶梯波逆变器，每个扇区为弧度，较前者更接近圆，输出控制波形更平滑。公式（4）、（5）划分扇区号，由和确定。扇区确定后，方可通过表2的状态开关表控制变流器动作。

　　由表2所知，变流器的开关状态为100，110，111,000,011,010,101,001共8种。在实际系统中，为了提高运算速度，可预先把开关表程序储存在控制系统(如数据处理能力强的DSP)的Flash中，同时在每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足最小的开关损耗。通过控制变流器IGBT的开关与关断，实现对电网系统实时的谐波抑制和功率补偿。

4.仿真实验

　　按照图1的控制系统框图，在PSCAD搭建仿真模型，搭建仿真模型对不同电感值时的补偿电流跟踪情况进行仿真验证。连接电抗L=2mH时，补偿效果最佳。系统参数为：电源线电压35kV/50Hz,非线性负载为三相不可控整流桥带纯阻性负载，R=100Ω，整流桥进线电感L=1mH；直流侧电压Ud=1000V。

4.1负载谐波检测

图4-1为未投入DPF时负载谐波电流波形。

未投入DPF的谐波电流波形