有源電力濾波器控制策略

冉月超

摘要：針對(duì)工業(yè)配電網(wǎng)中存在的因大功率非線性電力電子設(shè)備引起的負(fù)序、諧波以及功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問(wèn)題，本文采用綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器，來(lái)對(duì)工業(yè)配電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量進(jìn)行治理，能同時(shí)治理諧波、負(fù)序以及無(wú)功補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；控制策略；補(bǔ)償

1 有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

有源電力濾波器治理電能質(zhì)量的系統(tǒng)方案如圖1所示。

有源電力濾波器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，逆變器部分通過(guò)耦合變壓器和配電網(wǎng)相連。它產(chǎn)生的諧波電壓通過(guò)耦合變壓器加在電網(wǎng)阻抗上獲得需要的補(bǔ)償電流。耦合變壓器起到降低有源功率調(diào)節(jié)器交流側(cè)電壓，匹配有源功率調(diào)節(jié)器電流以及電氣隔離的作用，使開(kāi)關(guān)器件的容量得到充分利用。電容作為主電路直流側(cè)儲(chǔ)能元件，在正常工作時(shí)保持電壓基本不變。電感則起到平波的作用，一般要求其值足夠小以保證補(bǔ)償電流發(fā)生模塊的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。有源電力濾波器包括檢測(cè)模塊和補(bǔ)償電流發(fā)生器（電流跟蹤控制電路、變流器）兩個(gè)部分：前部分檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電流的諧波和無(wú)功等電流分量，后者根據(jù)接收的運(yùn)算電路指令信號(hào)來(lái)控制產(chǎn)生補(bǔ)償電流。

2 電流補(bǔ)償跟蹤控制方法

電流跟蹤控制的任務(wù)就是在檢測(cè)出負(fù)載電流中的畸變量之后，控制裝置的輸出電流實(shí)時(shí)跟蹤指令電流的變化。將補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，使得電網(wǎng)電流能夠呈現(xiàn)正弦狀態(tài)，以達(dá)到負(fù)序和諧波綜合補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｒ延写罅课墨I(xiàn)對(duì)電流跟蹤控制方法進(jìn)行了研究，提出了諸如三角波比較調(diào)制法、電流滯環(huán)跟蹤控制法、無(wú)差拍控制法等。

2.1 三角載波電流控制法

三角波比較調(diào)制法是比較常見(jiàn)的控制方法。三角波比較調(diào)制法的優(yōu)點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件的開(kāi)關(guān)頻率恒定為三角波載波的頻率，這樣給器件選擇帶來(lái)方便。缺點(diǎn)是逆變器一直運(yùn)行在高頻狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗較大。故此種控制方法多用于中小功率應(yīng)用中。

2.2 滯環(huán)電流控制法

滯環(huán)控制物理概念清晰，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，動(dòng)態(tài)性能較好。由于不含有載波，故在其輸出中不含有與載波頻率相關(guān)的特定諧波。并且在控制運(yùn)算中未使用到系統(tǒng)參數(shù)，對(duì)參數(shù)不敏感，魯棒性好。但是其開(kāi)關(guān)頻率不固定，并且隨系統(tǒng)的工作條件變化而變化，諧波電流的頻率分布隨機(jī)，給濾波器設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。

2.3 無(wú)差拍控制法

與PWM控制技術(shù)相比，無(wú)差拍控制的輸出控制脈寬是基于電路的實(shí)時(shí)狀態(tài)計(jì)算而來(lái)，所以動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力更好。此外，由于無(wú)差拍控制在電路發(fā)生改變后過(guò)渡過(guò)程的響應(yīng)速度快，因此具有負(fù)荷適應(yīng)性強(qiáng)以及輸出失真度小的特點(diǎn)。無(wú)差拍控制具有諸多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也存在著一些不足：由于是基于數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型的一種控制方法，所以其對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)具有很大的依賴性；因?yàn)樾枰M(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，所以對(duì)硬件要求較高；此外，采用無(wú)差拍控制在建模不理想時(shí)還存在著輸出電壓振蕩的風(fēng)險(xiǎn)，不利于安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 直流側(cè)電容電壓控制

為了確保集成綜合補(bǔ)償模塊的主電路的安全運(yùn)行，逆變器的直流側(cè)的電容電壓必須穩(wěn)定在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，這樣才能確保在任意時(shí)刻主電路能隨著指令電流值生成對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償量。在逆變器運(yùn)行時(shí)，由于補(bǔ)償電流以及系統(tǒng)損耗是在不斷變化的，在沒(méi)有使用恰當(dāng)控制方法時(shí)直流電容的電壓會(huì)不穩(wěn)定，不利于裝置的安全運(yùn)行。當(dāng)前，主要有兩種方法來(lái)穩(wěn)定直流側(cè)電容的電壓：一是采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▉?lái)穩(wěn)定直流電容的電壓，二是通過(guò)附加輔助電路的形式給直流電容充放電以確保電容電壓的穩(wěn)定。第二種方法需要外加輔助電路，這勢(shì)必增加了逆變器電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及成本與損耗，因此在實(shí)際應(yīng)用中多采用第一種方法。實(shí)際應(yīng)用中比較常用的電容穩(wěn)壓控制方法有以下幾種：比例控制、模糊控制、單周控制、比例積分以及線性最優(yōu)等。在這些控制方法中，比例控制與比例積分應(yīng)用尤為廣泛。

4 綜合補(bǔ)償裝置控制策略

通過(guò)上述分析與論述，可以得到有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)綜合補(bǔ)償功能的控制原理，控制系統(tǒng)實(shí)際上等同于基于負(fù)載電流反饋的直流側(cè)電容電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)滯環(huán)控制。

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