融合卡爾曼諧波補償的有源電力濾波器

張海剛, 張 磊, 王步來, 葉銀忠, 萬 衡, 徐 兵

(上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海 201418)

融合卡爾曼諧波補償的有源電力濾波器

張海剛, 張 磊, 王步來, 葉銀忠, 萬 衡, 徐 兵

(上海應用技術大學 電氣與電子工程學院，上海 201418)

針對基于有源電力濾波器(APF)在電網中檢測諧波時常規的諧波電流檢測方法速度慢、精度不高，提出了一種融合卡爾曼型Ip-Iq法檢測諧波，在一定程度上減小了檢測誤差。采用卡爾曼濾波器代替低通濾波器完成濾波，采用融合卡爾曼型Ip-Iq法作為諧波檢測的方法,并建立了有源電力濾波器的仿真模型，分析電流的波形和諧波畸變率值，驗證了所述理論和控制策略的正確性和可行性，仿真結果表明融合卡爾曼型Ip-Iq法能夠對諧波進行有效補償。

有源電力濾波器；卡爾曼濾波；諧波檢測；PI控制

隨著社會的發展，各種半導體變流裝置在電力系統中的廣泛應用，導致電網中無功功率和諧波含量日益增多，對電力系統環境造成了極大的污染，嚴重影響了電能的質量。電力濾波器通常可分為兩種，第一種是無源濾波器，無源濾波器的特點是結構簡單、易于安裝，但是無源濾波器的缺點是濾波效果并不好，并且傳統的無源電力濾波器只能補償特定次諧波，使用時有其局限性。第二種是有源電力濾波器(APF)，有源電力濾波器的特點彌補了無源電力濾波器的不足，有源電力濾波器既能動態地治理諧波，又能對無功功率進行補償，因此對有源電力濾波器的研究得到了廣泛的重視。APF是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功進行補償，并且不存在過載和諧振的隱患，是一種理想的諧波補償裝置[1-5]。

本文提出一種有源電力濾波器諧波補償方法及系統，包括：接收三相電力網的原三相坐標電流，通過坐標轉換矩陣將其轉換為原兩相坐標電流；通過虛擬電壓將原兩相坐標電流轉換為有功電流分量和無功電流分量；卡爾曼濾波器進行濾波，輸出有功電流分量和無功電流分量的直流分量；PI調節器進行PI調節，輸出調節后的有功電流分量和無功電流分量的直流分量；通過虛擬電壓進行反轉換，生成后兩相坐標電流；通過坐標轉換矩陣的轉置矩陣進行反轉換，生成原三相坐標電流的基波電流；將原三相坐標電流和基波電流作差，生成諧波電流；向三相電力網中注入與諧波電流幅值相等、相位相反的電流，以實現諧波補償；最后用Matlab中的Simulink軟件對該方法進行仿真驗證。仿真結果表明該方法確實使諧波畸變率降低，驗證了本文方法的可靠性和諧波補償的有效性[6-12]。

1 APF的原理

1.1 APF 系統結構原理框圖

圖1 并聯型APF 系統原理圖

有源電力濾波器系統由兩大部分組成,即指令電流運算電路和補償電流發生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路3個部分組成)。指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量,故有時也稱為諧波和無功檢測電路。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號,產生實際的補償電流。有源電力濾波器對非線性負載諧波的跟蹤補償主要由諧波信號的檢測和實際補償電流的產生兩部分組成。有源電力濾波器通過檢測電路檢測出負載中或電網中的諧波電流成分,然后通過采用某種控制方式控制主電路產生響應的補償電流分量，并與諧波電流相抵消,以達到消除諧波的目的。

1.2APF數學表達式

通過可控功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為0，達到實時補償諧波電流的目的。各電流有如下關系：

is=il+ic

(1)

il=ilf+ilh

(2)

ic=-ilf

(3)

is=il+ic=ilf

(4)

式中，ilh為負載側所引起的諧波電流，ilf為負載側基波電流。從原理表達式中可以看出，APF所起的作用是補償諧波，使電網側電流只含有基波電流，阻止了諧波流入公共電網系統，從而達到凈化電網的目的。

2 APF的諧波檢測方法的分類與改進

2.1 諧波檢測方法的分類

主要分為p-q法和Ip-Iq法，p-q法的優點是電網電壓無畸變時可準確地檢測諧波和無功功率，但是當三相電壓不對稱或者有畸變時,p-q法會產生較大的檢測誤差。為了克服電網電壓畸變對諧波檢測帶來的不利影響, 采用一種基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法即Ip-Iq法。Ip-Iq法不受電壓畸變和不平衡的影響且易于實現,但是該方法中有低通濾波器的使用，會給檢測帶來延時。同時實時性和檢測精度不是很好。所以本文提出融合卡爾曼濾波Ip-Iq法。

2.2 諧波檢測方法的改進

在傳統型Ip-Iq檢測法中通常采用低通濾波器來濾除ip與iq中的交流信號。但低通濾波器固有的延時缺點使得系統的實時跟蹤效果較差，且低通濾波器的實現也較為復雜，其諧波檢測的速度與精度也嚴重受低通濾波器的影響。為此本文用卡爾曼濾波器來取代低通濾波器。卡爾曼濾波可以得到更優的濾波而且是時域濾波器，產生與該諧波電流大小相等而極性相反的反諧波電流，補償電力網，從而消除電力網中的諧波，通過卡爾曼濾波能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。

卡爾曼濾波器之后，加上校正器(PI調節器)，用來保證系統的穩定性和控制精度，同時具有更好的實時性和檢測精度。

(5)

2.3 融合卡爾曼Ip-Iq算法諧波檢測原理圖

圖2 改進型Ip-Iq算法諧波檢測原理框圖

矩陣變換有

(6)

本文所述虛擬電壓為通過鎖相環獲得與三相電力網的一相電壓同相位的正弦信號和余弦信號，所述虛擬電壓為

(7)

其中，ωt為該一相電壓的相位。

(8)

(9)

3 卡爾曼濾波器的設計

卡爾曼濾波是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，所以最優估計也可看作是濾波過程。

(10)

(11)

其中Kk為卡爾曼濾波的增益,g表示此刻當前值。

由式(10)和(11)可得到卡爾曼濾波器Simulink仿真圖，如圖 3 所示。圖3中的Subsystem子系統如圖4。

圖3 卡爾曼濾波器仿真圖

圖4 卡爾曼濾波器中subsystem子系統

4 仿真分析

本文使用仿真的主要參數如下：三相交流電相電壓有效值Us=220V；電網頻率f=50 Hz；APF直流側電壓Udc=800V；APF直流電容C=4 700 μF；非線性負載濾波電感Lload=10mH；非線性負載電阻Rload=15Ω。

圖5為三相電流補償前的某相的仿真波形和FTT分析。在低通濾波器下的仿真結果見圖6，在卡爾曼濾波器下的仿真結果見圖7。

圖6 在低通濾波器下仿真結果

由圖(6)和圖(7)可知：使用低通濾波器和用卡爾曼濾波器替代低通濾波器的方法均能對電流進行補償，但是使用低通濾波器時在0.06s時電流才接近三相對稱、接近正弦波，并且從圖(6)中可以看出補償后三相電流毛刺很大；而使用卡爾曼方法在0.04s時電流就三相對稱、接近正弦波，且波形比較平滑，使用卡爾曼方法能更好地跟蹤指令電流；由圖5得出諧波畸變率THD=25.11%；由圖6(c)得THD=5.35%,由圖7(c)THD=3.92%。可見，用卡爾曼濾波器則諧波畸變率明顯降低，電網電流質量得到了明顯改善，驗證了本文的所提的方法可靠性和諧波補償的有效性。

5 結論

為了保證系統的穩定性和控制精度，同時具有更好的實時性和檢測精度。本文在傳統的低通濾波器的基礎上，提出了一種新的諧波電流方法，即融合卡爾曼濾波器的APF的諧波電流補償方法，該方法能很好地跟蹤指令電流，諧波畸變率明顯降低。Simulink仿真結果表明，融合卡爾曼濾波的方法在一定程度上有效地降低APF諧波畸變率，從而驗證該有源電力濾波器設計的可行性。

圖7 在卡爾曼濾波器下的仿真結果

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[1]AkagiH,KanazawaY,NabaeA.Instantaneousreactivepowercompensatorscomprisingswitchingdeviceswithoutenergystoragecomponents[J].IEEETransonIndAppl,1984,20(3):625-630.

[2] 徐長波,魯偉，李春文,等. 基于超穩定理論的自適應控制在單相有源濾波器中的應用[J]．電力自動化設備，2014，34(1)：163-167．

[3]NguyenKQ,NguyenTH,HaQP.FPGA-BasedSensorlessPMSMSpeedControlUsingReduced-OrderExtendedKalmanFilters[J].IEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS, 2014,61(12):6574-6582.

[4]SimH,LeeJ,LeeK.On-lineParameterEstimationofInteriorPermanentMagnetSynchronousMotorusinganExtendedKalmanFilter[J].JOURNALOFELECTRICALENGINEERING&TECHNOLOGY, 2014,9(2):600-608.

[5] 班明飛，申科，王建賾，等．基于準比例諧振控制的MMC新型環流抑制器[J]．電力系統自動化，2014,38(11)：85-89．

[6] 徐永海 , 劉書銘,朱永強,等. 并聯型有源濾波器的補償策略研究[J].電力系統保護與控制,2010,38(8):71-74.

[7] 王金星,王慶平,賈長朱.MATLAB在有源濾波器仿真設計中的應用[J].電力系統及其自動化學報,2001,13(4):43-45.

[8]JinT,WenJ,SmedleyK.Controlandtopologiesforthree-phasethree-levelactivepowerfilters[J].ProcIEEEIPEMC,2004(2):450-455.

[9] 尹慧,許彥. 有源濾波器的研究現狀及前景展望[J].電力電容器與無功補償,2010,31(3):27-32.

[10]VirmaniR,GaurP,SantosiH,etal.PerformancecomparisonofUPQCandactivepowerfiltersforanon-linearload[C]//InProc2010JointinternationalConferenceonPowerElectronics:DrivesandEnergySystems(PEDES) & 2010Power.india: 1-8.

[11] 李戰鷹，任震，楊澤明．有源濾波裝置及其應用綜述[J].電網技術，2004，28(12)：40-43．

[12] 卓放，胡軍飛，王兆安．采用多重化主電路實現的大功率有源電力濾波器[J]電網技術，2000，24(8)：5-7．

ActivepowerfilterbasedonKalmanharmoniccompensation

Zhang Haigang,Zhang Lei, Wang Bulai, Ye Yinzhong，Wan Heng, Xu Bing

(School of Electrical and Electronic Engineering, Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418, China)

Aiming at the slow speed and low accuracy of the conventional method for harmonic current detection of power grid based on the active power filter (APF), a hybridIp-IqmethodofKalmanalgorithmfordetectingtheharmonicwaveisproposedsothatthedetectionerrorcanbereducedtosomeextent.TheKalmanfilterisusedtocompletethefilteringinsteadofthelowpassfilter.ThehybridIp-IqmethodofKalmanalgorithmisadoptedfortheharmonicdetection,thesimulationmodeloftheactivepowerfilterisestablished,andthecurrentwaveformandTHDvalueareanalyzed.Thecorrectnessandfeasibilityofthetheoryandcontrolstrategyareverified,andthesimulationresultsshowthatthehybridIp-IqmethodofKalmanalgorithmcangettheeffectivecompensation.

active power filter; Kalman filtering; harmonic detection; PI control

10.16791/j.cnki.sjg.2017.06.014

2016-07-04

國家自然科學基金資助項目(61374132)

張海剛(1973—)，男，上海，博士，高級工程師，碩士生導師，研究方向為電力電子與電氣傳動.

E-mail：15692166336@163.com

TN

A

1002-4956(2017)06-0054-05