有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略仿真研究

許 超

（湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略仿真研究

許 超

（湖北工業(yè)大學電氣與電子工程學院，武漢 430068）

本文介紹了三相并聯型有源電力濾波器的構成，分析了基于三相瞬時功率理論的ip-iq諧波檢測算法，并且采用PI調節(jié)實現直流側電容電壓的有效控制。為了克服電流跟蹤控制策略中傳統滯環(huán)控制的環(huán)寬設置對開關頻率和響應速度的影響，本文采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制，有效的降低諧波電流含量及開關頻率的同時保證了直流側電壓的響應速度，MATLAB仿真實驗結果證明了該控制策略的可行性及良好的補償性能。

有源電力濾波器ip-iq滯環(huán) 電壓空間矢量 仿真

0 引言

目前電力系統中諧波污染較為嚴重，諧波的大量存在導致電能質量下降，嚴重影響電網的安全運行和各類大型工廠的正常生產。有源電力濾波器（APF）可彌補無源濾波器（PPF）的不足，它能實時響應變化的諧波、可控性高、補償速度快、而且不易與電網阻抗發(fā)生諧振，能有效地抑制電力系統諧波，是一種理想的諧波補償裝置[1]。有源電力濾波器的工作過程是首先通過諧波檢測算法檢測出諧波電流分量，再采用電流跟蹤控制策略來控制逆變器開關動作，使APF輸出與諧波分量大小相等極性相反的補償電流，抵消非線性負載產生的諧波電流，使電網側電流波形趨于基波頻率[2]。

有源電力濾波器的電流控制策略一般采用跟蹤型PWM控制方式，常用的跟蹤型PWM控制主要有滯環(huán)電流控制和三角載波控制兩種。前者電流響應速度快、電流跟蹤性能好，有較好的控制性能，但是開關頻率可能波動很大；而后者開關頻率恒定，對高頻開關有較好的效果，但輸出波形中含有與三角波同頻的畸變分量，精度較低。本文在傳統滯環(huán)基礎上采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流跟蹤控制策略，其方法是首先對指令電壓矢量和電流誤差矢量分別進行扇區(qū)判斷，再結合二者扇區(qū)給出最佳的電壓矢量切換。

1 三相并聯型有源電力濾波器的結構

圖1為三相并聯型有源電力濾波器的結構圖，由電網提供三相電源、整流非線性負載、采用IGBT作為開關器件的三相電壓型橋式逆變電路和檢測控制電路構成，其中檢測控制電路是整個有源電力濾波器的核心，它包括了：信號采集和調理電路、諧波檢測電路、電流跟蹤控制電路、IGBT驅動電路等。ea、eb、ec為三相電源電壓，Ua、Ub、Uc為有源電力濾波器的輸出電壓，iLa、iLb、iLc為非線性負載側的三相電流，ica、icb、icc為APF輸出的補償電流。根據基爾霍夫定律，列出APF主電路三相電壓與電流的微分方程為：

2 諧波檢測算法和直流側電壓控制

諧波檢測算法采用三相瞬時功率理論的ip-iq算法，它是p-q算法的改進形式，無需電網電壓的完整波形，無論是在三相平衡還是三相不平衡電壓源中，保持了較高的精度，克服了電壓畸變對諧波檢測的不利影響，可適用于電壓環(huán)境更加復雜的系統[3]，能夠很好的將基波電流與諧波電流分離。

圖2中ia、ib、ic為負載側三相電流的瞬時值，ea是電源a相的電壓，PLL為鎖相環(huán)對電源a相電壓ea的初相角進行提取，然后用正余弦信號發(fā)生電路獲取與電源電壓同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號cosωt，LPF為低通濾波器。

計算有功電流ip與無功電流iq的方法如式（2）所示。

ip、iq通過低通濾波器，濾除交流分量，以獲得直流分量，再經過C-1變換和C23變換得到基波電流。最后將iaf、ibf、icf分別與ia、ib、ic相減，即可計算出負載側的諧波分量iah、ibh、ich。

直流側電壓的控制采用PI調節(jié)器，Ud是直流電壓的實際值，Ud*是電容電壓的給定值，兩者之差送入PI調節(jié)器得到調節(jié)信號△ip，將其疊加到瞬時有功功率的直流分量ip上，經過ip-iq算法運算后，指令電流中包含一定的基波有功電流，在補償電流中也含有基波有功電流，直流側電容與電網發(fā)生能量交換，最終使直流側電壓穩(wěn)定在給定值范圍內。

3 仿真及結果分析

對兩種控制策略作仿真實驗分析。如圖3所示公用電網采用三相三線制380 V/50 Hz，負載側采用三相不控整流的阻感負載，逆變器AC側電感L=5 mH，DC側電容C=4700 μF，直流側電壓Ud=500 V，APF的補償容量為10 kVA。

未投入有源電力濾波器補償，測得非線性負載側的電流波形如圖4 (a)所示，電流波形已畸變成馬鞍形，此時電流諧波總畸變率(THD)已達到如圖15 (a)所示的30.36%。

使用APF補償后電流波形如圖4 (b)所示，可以直觀的看出投入APF后的補償效果明顯，三相電流波形已經趨于正弦波，其中采用傳統

滯環(huán)控制THD為如圖5 (b)所示的0.91%；采用基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制THD如圖5(c)所示進一步降低到0.54%，基波附近的諧波含量明顯減少。各次諧波含量如表3所示，基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制5次和7次諧波電流含量與傳統滯環(huán)控制的0.59%和0.47%相比降低到了0.12%和0.20%。

圖6為直流側電容電壓的動態(tài)響應波形，傳統滯環(huán)控制電容電壓上升階段波形比較平滑，在0.7 s左右電容電壓達到穩(wěn)定值500 V，響應時間較長。

4 結論

本文在傳統滯環(huán)控制的基礎上，采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制策略。在MATLAB的環(huán)境下搭建了仿真模型，并對兩種控制策略作仿真分析，實驗結果證明了基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制方法可以有效地克服傳統的滯環(huán)環(huán)寬設置對開關頻率、電容電壓響應速度和電流跟蹤精度的影響，具有良好的補償效果、響應速度和電流跟蹤性能。

[1] 王兆安. 諧波抑制和無功功率補償[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2] 姜齊榮. 有源電力濾波器—結構、原理、控制[M].北京：科學出版社，2005.

[3] Hirofumi Akagi, 徐政譯. 瞬時功率理論及其在電力調節(jié)中的應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2009.

Simulation of Hysteresis Current Tracking Control Strategy for Active Power Filter Based on Voltage Space Vector

Xu Chao
(School of Electrical and Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068, China)

This article describes the composition of the three-phase shunt active power filter, analyzes ip-iq harmonic detection algorithm based on three-phase instantaneous power theory, and uses PI regulator to achieve effective control of DC capacitor voltage. In order to overcome the current tracking control strategy of traditional hysteresis control's loop width setting effect on the switching frequency and speed of response, this paper uses a hysteresis control based on voltage space vector, effectively reducing the harmonic current content and ensuring the response speed of DC voltage. MATLAB simulation results prove the feasibility of the control strategy and better compensation performance.

active power filter (APF); ip-iq; hysteresis; voltage space vector; simulation

TM743

A

1003-4862（2013）11-0015-04

2013-05-16

許超（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。