В современных энергосистемах, с широким применением различных нелинейных силовых электронных устройств, проблема гармонического загрязнения сети становится всё более серьёзной. Активный сетевой фильтр (АСФ), как эффективное устройство подавления гармоник, становится ключевым оборудованием для повышения качества электроэнергии. В данной статье представлен углублённый анализ усовершенствованной стратегии управления трёхфазным четырёхстержневым АСФ . Эта стратегия сочетает в себе дробное скользящее управление с нечётким гистерезисным управлением, что значительно расширяет возможности АСФ по подавлению гармоник и компенсации тока нулевой последовательности.
1. Важность AHF в современных электросетях
С распространением нелинейных нагрузок, таких как частотно-регулируемые приводы и выпрямители, содержание гармонических составляющих тока в электросети продолжает расти, что серьёзно влияет на устойчивость и энергоэффективность энергосистемы. Активный сетевой фильтр (АСФ) эффективно отфильтровывает гармонические составляющие из сети, детектируя и вводя инверсные гармонические токи в режиме реального времени, что делает его ключевым устройством для повышения качества электроэнергии. Трехфазный четырёхстержневой АСФ привлёк широкое внимание, особенно в трёхфазных четырёхпроводных системах, благодаря своим гибким возможностям управления и превосходным характеристикам компенсации.
2. Топология и математическая модель трехфазного четырехстержневого AHF
Главная цепь трёхфазного четырёхстержневого AHF имеет одну дополнительную ветвь (n-фазу) по сравнению с традиционным трёхфазным трёхстержневым AHF, что позволяет ему независимо управлять током нулевой последовательности и подходит для приложений со значительными токами нейтрали. Его топология включает четыре мостовых ветви, конденсатор звена постоянного тока и выходные дроссели.
Записав уравнения состояния АФ в системе координат abc и преобразовав их в систему координат dq0 для анализа, можно наглядно описать его динамическое поведение. Эта модель закладывает основу для последующего проектирования высокоэффективных стратегий управления.
3. Улучшенная стратегия контроля ОПН: FOSMC + FHC
3.1 Применение дробного управления скользящим режимом (FOSMC) в AHF
Для повышения точности отслеживания и скорости отклика AHF при гармонических токах в данной статье предлагается использовать метод управления скользящим режимом дробного порядка (FOSMC) для фаз abc. Введение оператора дробного порядка повышает сходимость и надёжность системы. Результаты моделирования показывают, что FOSMC позволяет выходному току AHF быстро отслеживать опорный сигнал в течение конечного времени, эффективно подавляя гармоники.
3.2 Реализация нечетко-гистерезисного управления (FHC) для n-фазы в AHF
Для решения проблем традиционного гистерезисного управления, таких как переменная частота переключения и зависимость производительности от условий эксплуатации, в n-фазной ветви используется нечетко-гистерезисное управление (FHC) . Эта стратегия динамически корректирует полосу пропускания гистерезиса в зависимости от текущей ошибки, сохраняя преимущество быстрого реагирования гистерезисного управления и одновременно повышая стабильность и адаптивность системы.
3.3 Прямая компенсация и координированное управление
Учитывая взаимосвязь между фазами n и abc, разработан механизм прямой компенсации для обеспечения скоординированного управления четырьмя фазами. Эта интегрированная архитектура управления эффективно повышает общую производительность AHF в сложных условиях эксплуатации.
4. Моделирование и экспериментальная проверка стратегии управления AHF
Чтобы проверить эффективность предлагаемой стратегии управления, исследовательская группа построила имитационную модель на основе MATLAB/Simulink и сконструировала экспериментальную платформу AHF на базе TMS320F2812 и ПЛИС.
4.1 Анализ результатов моделирования
До подключения AHF коэффициент гармонических искажений (THD) трёхфазного тока сети достигал 28,18%, при этом форма сигнала была сильно искажена. После подключения AHF с предлагаемой конструкцией коэффициент гармонических искажений снизился до 3,32%, форма тока приблизилась к идеальной синусоиде, а эффект подавления гармоник оказался значительным.
4.2 Экспериментальная платформа и результаты
Экспериментальная платформа объединяет различные процессоры, такие как DSP, FPGA и CPLD, что обеспечивает быстрое выполнение алгоритмов управления и мониторинг состояния системы в режиме реального времени. Экспериментальные результаты показывают, что после подключения AHF коэффициент гармонических искажений тока сети снизился с 25,7% до 1,9%, а степень компенсации достигла 92,6%, что полностью подтверждает инженерную осуществимость предлагаемой стратегии управления.
5. Заключение и перспективы
Предложенная в данной статье интегрированная стратегия управления скользящим режимом дробного порядка и нечётко-гистерезисного управления обеспечивает эффективное и надёжное решение для управления трёхфазным четырёхстержневым AHF. Это решение не только улучшает способность AHF подавлять гармоники, но и усиливает его компенсирующий эффект на токи нулевой последовательности, что открывает большие перспективы для инженерных приложений.
В будущем мы будем и дальше оптимизировать алгоритмы управления AHF и способствовать их широкому применению в таких областях, как интеграция возобновляемых источников энергии, центры обработки данных и промышленные электросети, способствуя разработке более чистых и интеллектуальных энергетических систем.
В Hengrong Electrical мы понимаем, насколько важна каждая деталь в управлении электропитанием. От передовой разработки продукции до инновационных решений в области фильтрации — мы стремимся предоставлять надёжные, эффективные и перспективные технологии. Выбирая Hengrong, вы получаете не просто продукцию, а надёжного партнёра, который поможет вашему бизнесу стать более интеллектуальным, безопасным и экологичным.