基于基波參考信號的并聯有源電力濾波器控制研究

徐承韜， 焦 禹， 樊立萍， 蔡勝年， 秦 然， 李 舸

(1.沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽 110142;2.東軟集團股份有限公司，遼寧沈陽 110012)

隨著科技的進步及工業的發展，電氣設備數量越來越多，高新、精密用電設備不斷投入使用，對供電質量提出了越來越高的要求.但在同時，這也意味著現代電力系統中感性負載、電力電子裝置等非線性負荷的應用日益增多，這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡性等固有的用電特性對供電質量造成了嚴重影響，使電力系統中諧波污染、功率因數低下等問題愈發嚴重.電能使用的矛盾日益突出，使得對改善電能質量的研究具有重要且緊迫的現實意義.

有源電力濾波器(APF)是一種用來動態抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和幅值都發生變化的諧波和無功電流進行補償，克服無源濾波器等傳統的諧波抑制和無功功率補償方法的缺陷.有源電力濾波器補償電流的檢測和控制是決定其工作特性的2個關鍵性環節，直接影響到它的補償精度和補償速度.本文對應用廣泛的對電網側進行補償的并聯APF進行了研究，提出了一種不同于傳統方式的新型控制信號生成方式，并通過仿真證明了它的有效性和先進性.

1 傳統參考信號控制方式

檢測方法決定了諧波電流的檢測精度，進而影響APF的電流補償效果.諧波電流檢測方法可分為頻域和時域2大類:基于頻域的檢測方法有模擬帶通(帶阻)濾波器檢測法、快速傅立葉(FFT)變換法和小波變換法;基于時域的檢測方法有有功電流分離法、自適應干擾消除法(ANC)和基于“瞬時無功理論”的瞬時空間矢量法.各種檢測方法傳統上均側重于檢測諧波電流或基波無功電流或兩者之和，用于給出參考信號控制 APF的電流補償［1］.

APF的控制方法主要可分為電流跟蹤控制和電壓控制2大類，分別包括三角波脈寬調制控制技術、滯環比較控制技術和電壓空間矢量控制技術等.這些控制方法從不同側面、不同角度提供APF的一般形式控制方式，本質在于優化開關函數，使主電路依據參考信號產生補償電流，并在同時維持直流側電容電壓恒定.

在傳統的APF控制中，對主電路開關器件的控制信號均由同一類方式得到，即將APF檢測到的參考(諧波)電流與實際輸出電流iC作比較，然后將它們的差值ΔiC經某種方式處理后(如PI調節)得到控制信號，這種控制方式目的是使APF的實際輸出電流跟蹤參考電流的變化來補償諧波，可將這種傳統的控制信號生成方式稱為諧波參考信號控制方式，其原理如圖1所示.

圖1 基于諧波的控制信號生成方式Fig.1 Control signal generated approach based on harmonic

APF對參考信號的時間同時性要求較高，而在諧波參考信號控制方式下，諧波電流檢測需要先檢測出非線性負載電流中的基波分量，然后將其從負載電流中減掉，從而得到諧波電流用于控制，這個過程中參考信號生成時間較長，對APF的快速性有一定的影響.

2 新型參考信號控制方式

諧波參考信號控制方式的控制對象是APF輸出的補償電流，其控制目標是使參考電流與實際補償電流的差值ΔiC最小.當ΔiC=0時，APF的輸出為理想的補償電流，電源只需提供負載電流的基波電流.根據這個基本思想，可作下面的推導.

圖2 基于基波的控制信號生成方式Fig.2 Control signal generated appoach based on the fundamental wave

基波參考信號控制方式使電流檢測電路得到簡化，縮短電流檢測時間，有利于提高APF的快速性.而且，相對于諧波參考信號控制方式，基波參考信號控制方式思路更切合APF的補償原理，目的性更為直接、明確，即APF補償的目的是使非線性負載電流中的諧波電流就地得到補償，使電源只提供其基波分量.

3 仿真驗證

采用基于“瞬時無功理論”的ip-iq法檢測諧波，同時采用滯環比較控制方式［2-5］，按諧波參考信號控制方式構成的APF仿真系統如圖3所示.在如下條件情況下運行模型:系統電源為理想三相電壓源，相電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz;整流電路直流側負載為阻性R=20 Ω;觸發控制角為0°，得到a相負載電流、a相補償電流和補償后的a相電源電流、a相電流補償前后情況頻譜分析及APF主電路直流側電容電壓如圖4所示.同樣采用基于“瞬時無功理論”的ip-iq法檢測諧波及滯環比較控制方式，按基波參考信號控制方式構成的APF仿真系統如圖5所示，在與上相同條件下運行模型所得仿真結果如圖6所示.

比較2組仿真結果，后者的補償后電源電流的總諧波畸變率THD較小，說明按基波參考信號控制方式構成的APF具有更好的諧波抑制效果，并能控制保持主電路直流側電壓的穩定.改變參數在其他條件下運行仿真模型，按基波參考信號控制方式構成的APF同樣具有良好的諧波抑制功能及控制保持主電路直流側電壓穩定的功能.

圖3 采用ip-iq法檢測諧波及滯環比較控制方式，按諧波參考信號控制方式構成的APF仿真系統Fig.3 APF simulation system graph which formed by harmonic reference signal，adopting the ip-iqtest method and hysteresis comparison control method

圖4 按諧波參考信號控制方式構成的APF仿真系統的仿真結果Fig.4 The simulation results of the APF model based on harmonic reference signal

圖5 采用ip-iq法檢測諧波及滯環比較控制方式，按基波參考信號控制方式構成的APF仿真系統Fig.5 APF simulation system graph which formed by fundamental wave reference signal，adopting the ip-iq test method and hysteresis comparison control method

圖6 按基波參考信號控制方式構成的APF仿真系統的仿真結果Fig.6 The simulation results of the APF model based on fundamental wave reference signal

4 結論

對比2種APF系統結構可以看出，按諧波參考信號控制方式構成的APF和按基波參考信號控制方式構成的APF電路基本結構相同，只是控制環節比較器的輸入不同.考慮到目前存在的諧波電流檢測方法大多是先檢測出非線性負載電流中的基波分量，然后將其從負載電流中減掉，從而得到諧波電流，如果采用基波參考信號控制方式將簡化電流檢測電路，縮短電流檢測時間.另外，APF的目的是使非線性負載電流中的諧波電流就地得到補償，使電源只提供其基波分量，從這個角度講，基波參考信號控制方式思路更為明確、直接，同時，加上諧波電流檢測時間的縮短，可使補償效果更好，實際的仿真結果證明了這一點.

［1］ 徐政.電力系統諧波——基本原理、分析方法和濾波器設計［M］.北京:機械工業出版社，2005:25-31.

［2］ 陳國民，郭殿林，高明全.基于無功功率理論的有源電力濾波器仿真研究［J］.煤礦機械，2011，3(3):10-12.

［3］ 李曉迅，莊茂東，張課.無諧波檢測環節的三電平有源電力濾波器控制系統［J］.低壓電器，2011，12(4):16-18.

［4］ 葛鎖良，衛胤強.三相四線制并聯有源電力濾波器的研究與設計［J］.合肥工業大學學報:自然科學版，2011，6(1):19-23.

［5］ Mathworks.MATLAB/SIMULINK Online Help［EB/OL］.(2012-01-01)［2012-05-10］.http://www.mathworks.cn/help/toolbox/simulink/.