有源電力濾波器關鍵技術的研究

綦慧，趙聰

（北京工業大學，北京100124）

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有源電力濾波器關鍵技術的研究

綦慧，趙聰

（北京工業大學，北京100124）

摘要：電力電子設備的廣泛使用，使得電網中諧波污染越來越嚴重。有源電力濾波器APF（Active Power Filter）作為目前治理諧波的主要手段，越來越受到人們的重視。詳細闡述了APF的工作原理，并在此基礎上提出了一種基于頻域分析的FFT檢測法與基于不定頻滯環的SVPWM電流跟蹤法相結合的控制策略，以期在精準檢測電網電流諧波分量的同時，也能夠獲得較好的電流跟蹤特性。理論仿真和樣機實驗結果表明，該控制策略大大降低了匯入電網的諧波電流，有效減小了諧波對電網的污染。

關鍵詞：有源電力濾波器；FFT；SVPWM；不定頻滯環

1　引言

70年代以來，隨著電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置廣泛應用于軍事、工業、交通及日常生活等各行各業，大力推動著國家經濟的增長，但同時電力電子裝置自身所具有的非線性特性給電網系統帶來了大量的諧波污染，降低了電網的電能質量。在電網污染日益嚴重的情況下，對電網諧波進行抑制、提高電網的電能質量已成為各國學者關注的熱點之一［1］。傳統諧波抑制方法是通過電感、電容等器件組成無源濾波器來濾除設備中所產生的諧波電流，從而減小其對電網系統的污染，但其補償特性受電網阻抗及運行狀態的影響，易與系統阻抗產生諧振，故補償效果不夠理想。目前，具有動態抑制諧波特性的有源電力濾波器已成為治理諧波污染的重要手段。其工作原理是通過負載電流檢測出所需的諧波電流，然后控制器使APF裝置輸出與諧波電流互補的補償電流，這樣就可以與電網中的諧波電流互相抵消，從而達到消除電網諧波的功能［2-4］。

諧波電流檢測與補償電流跟蹤控制方法的優劣關系到APF性能的好壞。為了更好地實現電網諧波的補償，本文提出了一種基于頻域分析的FFT檢測法與基于不定頻滯環的SVPWM電流控制方法相結合的控制策略，并進行了仿真和樣機實驗。

2　有源電力濾波器的工作原理及基本結構

本文以工業中實際運用最多的并聯型有源電力濾波器作為研究對象，其工作原理如圖1所示。

圖中，ES表示交流電網的電壓，R為電網的等效電阻，IS為交流電網的電流，IC為APF輸出的補償電流，IL為負載電流，L為濾波電感。APF主要由諧波檢測電路和補償電流輸出電路（由電流跟蹤控制電路、功率驅動電路和PWM變流器構成）組成［5］。

圖1　有源電力濾波器工作原理圖

其中，諧波檢測電路是通過檢測負載電流IL中的諧波分量ILh，作為補償控制電流的給定信號，作用于后續控制電路，產生與原始諧波分量ILh大小相等、方向相反的補償電流IC，抵消負載電流中的諧波分量，達到濾除電網諧波的效果，其過程如式1-式3所示。

式中，IL1為負載電流中的基波分量，ILh為負載電流中的諧波分量。

與圖1相對應，并聯型有源濾波器基本拓撲結構如圖2所示。其中選用IGBT開關器件構成三相半橋電路，作為PWM變流器的主電路；網側電感L不僅用于保持輸出電流連續，還可以濾除網側高頻諧波。

圖2　并聯型有源電力濾波器基本拓撲結構

為方便系統分析，忽略網側三相電阻R，可以得到系統電壓矢量方程為：

式中：V為三相網側輸出電壓矢量；E為三相電網電動勢矢量；IC為三相網側電流矢量。

若諧波檢測電路檢測到負載電流中諧波分量ILh，作為補償電流控制指令，則實際的誤差電流矢量為：

將式（5）帶入式（4），可得：

上式表明，補償電流跟蹤誤差△IC隨E、和V的變化而變化，為實現零誤差響應，三相輸出指令電壓矢量V＊應滿足：

將式（7）帶入式（6），可得：

在三相半橋電路中，三相網側輸出電壓空間矢量V＝Vk（k＝0，…，7），則：

上式（9）表明，在給定三相輸出指令電壓矢量V＊條件下，可以通過選擇合適的三相電壓矢量Vk（k＝0，…，7），控制補償電流跟蹤誤差的變化率d△IC／dt，以抑制補償電流跟蹤誤差△IC的增長，使其趨向于0，從而控制APF快速跟蹤諧波信號并輸出補償電流，以濾除電網諧波。

3　諧波檢測與補償電流控制方法

有源電力濾波器的工作性能在很大程度上取決于諧波電流檢測的實時性和準確性，因此，對諧波電流檢測方法的研究具有十分重要的意義。目前國內外主要檢測方法有模擬濾波器檢測法、基于瞬時無功理論的檢測法、基于頻域分析的FFT檢測法［7-8］等，它們各有優缺點。為獲得更精準的檢測結果，本文采用基于頻域分析的FFT檢測法，如圖3所示。系統穩定時，非線性負載在每個電網周期產生的諧波信號相同，因此，一個電網周期的諧波分析結果可以適用于下一個電網周期。本文檢測方法根據上一個電網周期Tn-1對非線性負載電流的采樣結果進行FFT計算，消除基波分量，進行FFT反變換，最后得到濾除基波后的諧波電流分量，作為控制器的補償指令，并在下一個電網周期Tn控制輸出補償電流。其優點是可以精準地檢測出各頻次諧波分量，進行針對性的補償。

圖3　諧波檢測流程框圖

準確檢測諧波電流分量后，APF需要實時控制產生與負載諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，因此補償電流控制方法是APF控制的核心。目前主要補償電流控制方法有三角波控制法、滯環電流控制法、基于空間電壓矢量（SVPWM）的滯環電流控制法、預測控制法等［9］。其中基于空間電壓矢量的滯環電流控制將滯環控制和空間電壓矢量結合起來，通過選擇最優空間電壓矢量，使電流誤差維持在一定寬度的滯環內，達到高品質的電流控制效果。由于該方法魯棒性較好且易于實現，電流響應快速，因此本文選擇此方法作為補償電流的控制方法。

基于不定頻滯環的SVPWM電流控制策略原理圖如圖4所示。若設給定補償電流信號為、ib＊，與輸出反饋電流信號ia、ib、ic疊加后得到誤差電流，經過固定環寬的滯環后得到的比較狀態信號Ba、Bb、Bc，同時依據指令電壓矢量V＊檢測判斷信號Xab、Xbc、Xca，按照規定的電流控制規則，選擇出一個合適的電壓空間矢量Vk（k＝0，…，7），控制補償電流跟蹤誤差的變化率，抑制誤差電流的增長，從而精準得到電網注入所需的補償電流，使電網電流恢復正弦狀態［6-7］。

圖4　基于不定頻滯環SVPWM的控制方法原理圖

不定頻滯環是本文電流跟蹤控制方法的關鍵之處，因其開關頻率不定，所以稱之為不定頻滯環，其工作原理圖如圖5所示。通過SVPWM方法選擇最優的電壓空間矢量，將補償電流IC控制在±IW范圍內，實現電流跟蹤控制。其中滯環寬度IW的選擇關系到電流跟蹤性能的優劣。IW過大，補償電流不能較好地跟蹤給定信號，紋波較大；IW過小，控制系統精度要求過高，功率器件開關損耗過大。

圖5　不定頻滯環工作原理圖

4　理論仿真實驗及結果分析

為了驗證本文控制策略的正確性及可行性，使用Matlab／Simulink進行建模和仿真，對負載電流進行FFT分析，并控制輸出對應補償電流至電網中。圖6所示為搭建的仿真系統模型，包括電源模塊、檢測模塊、FFT計算模塊、非線性負載模塊和APF模塊。圖7所示為不定頻滯環SVPWM的電流控制系統子模塊。系統中參數選取如下：三相220V電源，108Ω負載電阻，濾波電感10mH，直流母線電容8400μF。

圖6　控制系統框圖

圖7不定頻滯環SVPWM控制模塊

圖8（a）所示為檢測諧波波形，圖8（b）所示為不定頻滯環控制輸出的補償電流波形，從圖可見，控制輸出的補償電流與原始諧波波形相近，紋波較小。

圖8諧波檢測信號仿真結果

圖9（a）所示為原始電網電流波形，圖9（b）所示為APF補償后電網的電流波形，圖9（c）所示為原始電網諧波分析圖，圖9（d）所示為補償后電網諧波分析圖。對比仿真結果，可見APF補償后電網波形呈正弦狀態且正弦度較好，波形紋波小，光滑度高，電網總諧波畸變率（THD）由27．49%降為7．58%，大大減小了電網中的諧波分量，降低了非線性負載對電網的諧波污染程度。

圖9　仿真結果分析

5　樣機實驗及結果分析

為了解決基于頻域分析的FFT檢測法計算量過大的問題，保證檢測信號的實時性和補償電流控制的快速性，本文采用雙DSP+FPGA的控制系統，搭建實驗樣機硬件平臺，其結構框圖如圖10所示。實驗裝置及參數如下：

（1）電源：380V／50Hz；

（2）非線性負載：三相二極管不可控橋，帶108Ω純電阻負載；

（3）PWM變流器：三相半橋可控電路，型號QPEBB；

（4）濾波電抗器：10mH；

（5）直流端電容：8400μF。

圖10　硬件平臺結構框圖

控制系統功能框圖如圖11所示，FPGA主要實現同步時鐘控制和中斷信號發生、AD采集、PWM脈沖發生及保護DSP間數據交換（雙口RAM）等邏輯功能。DSPA在前一電網周期對當前負載電流進行FFT分析，經過計算得到補償電流分量，并存儲在FPGA中。DSPB在下一電網周期從FPGA中提取補償電流給定信號，經過不定頻滯環SVPWM控制算法計算后，得到當前補償控制信號傳至FPGA中，FPGA控制輸出PWM波至PWM變流器，對APF輸出的補償電流實行控制，使得APF輸出與電網諧波信號大小相等、方向相反的補償電流，達到濾除電網諧波的效果。

圖11　控制系統功能框圖

基于上述控制理論，本文進行有源電力濾波器的實驗。檢測模塊將檢測到的三相二極管不可控橋的負載電流信號傳至控制系統，控制系統分析諧波分量后，輸出控制信號至變流器模塊，然后輸出補償電流至電網中，以此消除諧波危害。

APF檢測諧波信號與補償電流信號如圖12所示，其中Line1為APF采用基于頻域分析的FFT算法檢測到的電網諧波信號，也是補償控制模塊的給定信號。諧波信號與前一仿真結果基本一致，表明諧波分析結果較為準確；Line2為APF基于不定頻滯環SVPWM控制輸出的補償電流信號，其較好地跟蹤了諧波給定信號，時延較小，說明本文的電流跟蹤控制算法準確性及快速性較好。圖13所示為APF運行后的波形結果，CH1通道為原始的電網電流波形，CH2為APF補償后電網的電流波形，Math通道為APF輸出的補償電流波形，可見APF補償后，電網電流波形恢復為正弦度，諧波減少。將實驗數據傳至Matlab／Simulink中進行諧波分析，結果如圖14、圖15所示，原始電網總諧波畸變率（THD）為27．45%，補償后電網電流波形THD 為10．68%，電網總諧波畸變率明顯減小。

圖12　APF檢測諧波與補償電流信號

圖13　實驗結果波形

圖14　原始電網諧波分析

圖15　不定頻SVPWM控制后電網諧波分析

6　結束語

本文對APF的工作原理及其實現進行了分析和研究，采用了基于頻域分析的FFT檢測法與基于不定頻滯環的SVPWM電流控制方法相結合的控制策略，對電網諧波進行治理。仿真及實驗結果表明，本文所提出的控制策略可以準確檢測并補償電網的諧波信號，補償后電網電流的波形恢復為正弦狀態，電網總諧波畸變率大大減小，有效降低了非線性負載對電網的諧波污染。

參考文獻：

［1］謝斌．并聯型有源電力濾波器諧波檢測及控制技術研究［D］．武漢：華中科技大學，2010．

［2］陳仲．并聯有源電力濾波器實用關鍵技術的研究［D］．杭州：浙江大學，2005．

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［5］Peng F Z．Application issues of active power filters［J］．IEEE Industry Applications，1998，4（5）：21-30．．

［6］張興，張崇巍．PWM整流器及其控制［M］．北京：機械工業出版社，2005．

趙聰（1991-），男，江蘇省南京市人，碩士，主要研究方向為工控自動化、電網諧波治理等。

Research on key technologies of active power filter

QI Hui，ZHAO Cong

（Beijing University of Technology，Beijing 100124，Chin）

Key words：active power filter；FFT；SVPWM；indeterminate frequency hysteresis

Abstract：With the wide applications of the power electronic equipments，the harmonic pollution in electrical power system becomes more and more serious in recent years．As the primary means of harmonic suppression，the active power filter（APF）has been drawing more and more attention．The working principle of APF were described in detail，and on this basis，in order to detects the harmonic current accurately and obtains good performance of current tracking，a new control strategy is proposed．In this strategy，the fast fourier transform algorithm（FFT）method is used to detected the harmonic current，and the space vector pulse width modulation（SVPWM）current control method based on indeterminate frequency hysteresis is used to track the compensating current．The results of simulation and experiment show that this strategy can greatly reduce the distortion rate of the grid current and can effectively restrain harmonic pollution of the grid．

中圖分類號：TN713+．8

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0001—05

作者簡介：綦慧（1971-），女，山東省濟寧市人，博士，副教授，主要研究方向為電力拖動與自動控制系統、工業測控系統等。

收稿日期：2016-03-09