新型三相三線制并聯有源濾波器的應用研究

蔣魯軍 商少鋒

【摘要】隨著現在工業的發展，非線性和時變性電子裝置，如逆變器、整流器和各種開關電源的大規模應用，帶來了電力系統的電能質量問題。所謂電能質量問題是指由于電力系統中接入了非線性負載而導致的電源電壓和電流的波形畸變、功率因數地下、相位失真等問題。本文提出了一種新型三相三線制并聯有源濾波器的控制方法，有效的降低了補償后電源電流的諧波含量，提高了有源濾波器的諧波補償效果。

【關鍵詞】有源濾波器;諧波補償;滑模控制

引言

隨著現代工業的發展，各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開關電源等大規模地應用，導致了電力系統的電能質量問題。電能質量的下降嚴重影響著供電、用電設備的安全運行，引起世界各國的高度重視[1]。并聯有源電力濾波器作為補償電力系統中諧波電流的有效裝置，越來越受到人們的關注。其研究的重點主要包括有源濾波器的建模方法和參考信號跟蹤控制方法。

一、有源濾波器的發展現狀

文獻[2]-[3]采用間接電流控制方法設計了并聯有源濾波器。文獻[2]將滑模控制方法運用到電壓控制，實現了電源參考電流幅值的計算，并在此基礎上建立了直接和間接電流控制有源濾波器。[3]提出了間接電流控制不需要補償電流檢測裝置，只需要電源電壓電流檢測和直流側電壓檢測裝置。這種方法能有效的減少系統對硬件的需求，且易于DSP實現。文獻[4]在傳統滯環控制的基礎上加入了積分環節，構造了一種新型滑模控制，有效的降低了電源電流的穩態跟蹤誤差。在三相四線制有源濾波器系統中，一些研究者對有源濾波器的一些控制方法進行了比較。滑模控制是一種設計和分析緊密結合，對模型不確定和對外界擾動具有魯棒性的控制方法。該控制方法迫使系統在一定特性下沿規定的狀態軌跡作小幅度、搞頻率的上下運動，即所謂的“滑動模態”。因此，滑模變結構控制非常適合用于有源電力濾波器參考電流信號的跟蹤控制。采用滑模變結構控制方法設計有源電力濾波器，其中滑模控制諧波串聯補償器并提出了一種離散自適應滑模控制理論。本文提出一種新型的滑模控制方法用于參考電流的跟蹤控制，并結合間接電流控制方法設計了并聯有源濾波器，其主要有點如下：

（1）采用間接電流控制技術的優勢在于它不需要諧波檢測裝置，只需要電源電壓、電流檢測裝置和補償電路直流側電壓檢測裝置。較直接電流控制技術，間接電流控制方法系統結構簡單，硬要需求，諧波補償效果好，且易于DSP實現

（2）與滯環比較控制方法相比，新型積分滑模控制方法用于參考電流跟蹤控制，可以降低電流跟蹤誤差，提高有源濾波器的諧波補償效果。即使在電源電壓含有諧波和負載變化情況下，所設計的新型滑模控制間接電流控制有源濾波器仍然具有良好的諧波處理效果。

二、三線三相制并聯有源濾波器的控制算法研究

為了簡化分析，假設并聯有源濾波器中的IGBT是理想器件，忽略IGBT的等效電阻以及“開”狀態的向上切換時間和“關”狀態的向下切換時間，整個系統包含以下幾部分：

補償電路：補償電路通過產生與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，抵消負載電流中的諧波分量，使電源電流成為與電壓同相位的正弦波電流。

參考電流信號計算模塊：本設計采用PI調節器控制直流側電壓穩定，并將PI控制器輸出經過低通濾器處理后與sin（wt）、sin（wt+120o）、sin（wt-120o）相乘用作電源參考電流幅值ISp。參考電流應該與電源電壓同相位。

滑模變結構控制器：滑模變結構控制器采用一種新型積分位置跟蹤滑模控制方法。滑模控制器輸出經過滯環比較控制器生成PWM控制信號（g1、g2、g3、g4、g5、g6）。

測量儀器：用于測量電源電壓、電流和直流側電壓。

定義（iSa、iSb、iSc）為電源電流，（iLa、iLb、iLc）為負載電流，（ica、icb、icc）為補償電流。根據基爾霍夫電流定律得：

（1）

三相三線制有源濾波器的狀態方程如下：

（2）

其中：

（3）

開關函數ji=0或者，i=a、b、c。

電源電流參考信號（iSaref、iSbref、iScref）由參考電流信號發生器產生，為了使生成的電源參考電流與電源電壓具有相同的相位，本設計采用3個鎖相環構造單位正弦信號（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）。PI控制器主要用于控制直流側電壓穩定。負載電流幅值通過PI控制器輸出與比例因子k相乘實時估計。為了獲得相對穩定的幅值信號，本設計采用低通濾波器過濾參考電源電流幅值信號Iref的高頻分量。間接電流控制方法的電源電流參考信號可以由單位正弦信號（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）與參考電源電流幅值信號Iref相乘構造。

滑模控制由于具有快速性和對大范圍負載變化的穩定性等優點，被廣泛應用于有源濾波器的控制。假設電源電流為（iSa、iSb、iSc），電源參考電流為（iSa、iSb、iSc），跟蹤誤差誤差為ea、eb、ec，則：

（4）

誤差變化率為：

（5）

滑模變結構控制器的控制量可以表示為ui=kei，其中i=a、b、c。

有源濾波器的控制信號為電容兩端電壓Vdc。外環PI控制回路控制Vdc穩定。根據切換函數Si與IGBT門控制信號的關系得：當Si為正時，i相電橋上橋臂IGBT導通，下橋臂IGBT關斷;當Si為負時，i相電橋上橋臂IGBT關斷，下橋臂IGBT導通。

三、仿真和實驗結果分析

在實驗條件下，采用MITLAB進行仿真。非線性負載由通用電橋和RL串聯支路構成。仿真系統結構圖如圖1所示：

圖1 三相三線并聯有源濾波器結構圖

A相負載電流波形、參考電流幅值信號波形、電源參考電流波形符合國家標準。從結果可以看出，各階段參考電流幅值平均值與負載電流幅值大小相等。當能量流入補償電路時，補償電流增大;當能量流出補償電路時，補償電流減小。參考電流幅值平均值與負載電流幅值相等可以保證主電路與補償電路之間能量流動量最小，提高系統的穩定性和有源濾波器的諧波補償效果。

為了簡化分析，我們設計電容電壓初始值為350V。PI控制器用于直流側電壓穩定控制，電壓參考值與穩定值之間的差值用于負載電流幅值的計算。直流側電壓參考值與穩定之間的差值隨著負載電流的增大而增大。PI控制器輸出與負載電流幅值成比例，比例因子為k，因此，PI控制器輸出與比例因子相乘用于計算參考電源電流幅值。為了減少幅值信號的抖振，采用低通濾波器濾除信號中的高頻成分。

補償后的電源電流波形、補償電流、電流跟蹤誤差符合要求，在對負載電流、處理后電源電流進行諧波分析。根據2000年國際電工委員會（IEC）頒布的電磁兼容標準IEC-61000，低壓電網諧波含量必須小于5%。補償前負載電流THD=24.72%，遠遠高于國際標準。采用滯環比較法間接電流控制有源濾波器處理后，電源電流諧波含量為3.35%。采用新型滑模變結構間接電流控制有源濾波器處理后，電源電流諧波含量降低為2.51%。

四、結論

本文在間接電流控制有源濾波器的基礎上，設計了一種滑模變結構控制方法，用于內環電路電源電流的跟蹤控制。PI控制器用于直流側電壓控制，其輸出信號與比例因子k相乘后得到幅值信號。電源電流幅值信號與三相單位正弦信號相乘構成與電源電壓同相位的電源電流的參考信號。仿真實驗結果顯示，以觀察系統對外界負載變化的魯棒性和適應性。系統生成的電源電流參考信號與電源電壓同相位。新型滑模變結構控制方法比滯環比較法具有更好的電流跟蹤性能，所設計的滑模控制器可以替代滯環比較控制器以提高有源濾波器的諧波補償效果。間接電流控制方法硬件需求少，結構簡單，易于實現，未來可以考慮采用自適應控制、智能控制等先進控制理論，提高有源濾波器的諧波補償效果。

參考文獻

[1]姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器結構、原理、控制[M].科學出版社：北京，2005.

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[4]D.Stanciu，M.Teodorescu，A.Florescu，D.Stoichescu. Single-phase active power filter with improved sliding mode control[C].2010 Conference on Automation Quality and Testing Robotics.2010：1-5.