并聯型有源電力濾波器電流控制方法研究

彭啟蒙 陶富強 程敏睿

【摘 要】伴隨著我國的電子科技技術的飛躍發展與我國電力電子方面設備的更新換代，使得我國的電器諧波產生加大，這些設備所產生的大量諧波會對電網產生極大的不可逆的損害，為了抑制電氣設備諧波的產生，有源電力濾波器成為了一種先進有效的能夠及時動態抑制諧波產生的裝置，有源電力濾波器還可以做到對于無功效果的補償。本文著重于分析有源電力濾波器的電流控制方法，從有源電力濾波器的基礎工作原理入手，分析有源電力濾波器與電網連接形成有效數學模型并對于直流側母線電壓等數值進行選取與分析。

【關鍵詞】有源電力濾波器；諧波；電網；補償電流

中圖分類號： TN713.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）27-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.012

【Abstract】The rapid development and progress of electronic science and technology， as well as the updating and renewing of equipment related to electricity and electronics in China trigger the sudden and considerable generation of electrical harmonics， moreover， these great deal of electrical harmonics generated in equipment will bring great irreversible damages to the power grid. In this regard， to inhibit such harmonics from the origin， APF has become the device which is advanced and effective to inhibit the generation of harmonics in a timely manner， with another function to realize compensation for reactive power. The paper highlights on the analysis of method for current control used in APF by starting from the basic working principle of APF， then， it elaborates the effective mathematical model formed after the connection of APF and power grid， as well as selects and analyzes the DC bus voltage and other values.

【Key words】Active power filter；Harmonics；Power grid；Compensation current

0 前言

近年來，電力電子設備在電網內得到廣泛應用與發展，同時帶來了電能質量與諧波污染問題，諧波污染來源眾多，諸如來自于發電機中改變磁場效應產生的諧波污染；以及電弧焊的發熱不規律性導致的復雜諧波等。諧波主要造成的威脅有以下幾點[1-3]：

（1）使得電氣設備無端發熱升溫，造成大量的能量損耗，降低了電器設備的使用壽命；

（2）使得電氣設備絕緣條件變得惡化，可能在使用過程中還會導致局部放電不均勻；

（3）造成檢驗儀表設備的無法正常使用，降低設備的精度與誤差范圍等等

基于諧波造成的各種威脅性，世界范圍內也引起了較大的關注與研究，在1993年我國頒布了國內標準《電能質量公用電網諧波》，以此來降低諧波造成的污染。本文將分析有源電力濾波器的電流控制方法，并提出對于控制方法的創新，用以限制諧波污染。

1 有源電力濾波器的發展現狀與工作原理

1.1 有源電力濾波器的發展現狀

有源電力濾波器被廣泛使用是在1976年以后，這時已經提出了四象限得到PWM變流器思想構造，使得有源電力濾波器成本降低，接著被大量使用，以補償系統方式作為基礎，可以分為單相APF，三相APF；不同特點的有源濾波器的工作原理與電流控制方法略有不同[4-5]。

1.2 有源電力濾波器的工作原理

（1）單相有源電力濾波器：單相有源電力濾波器的電路結構主要是由四個開關管組合連接形成的逆變電路，最后通過電感連接進行對于電網的輸入，它的直流端直接連接儲能件，這種單相有源電力濾波器主要適用范圍是小容量電路，并且可以進行連接多臺并聯使用。

（2）三相有源電力濾波器：三相三線式有源電力濾波器通過橋臂中點進行電感與電網的有效連接（圖1），這種三相三線式的有源電力濾波器容量偏大，所以相比于單相而言有更大的使用范圍。

三相四線制有源電力濾波器更為復雜（圖2），使用的是四橋臂結構和中點式電容結構，由八個開關管進行組合而成，每個零相都與橋臂連接架構，這個結構需要進行對于四個橋臂進行共同動作控制，控制結構相比于三相三線制更為復雜，但是控制方法更為簡潔。

2 并聯型有源電力濾波器結構

并聯型有源電力濾波器結構主要是由變流器，交流測電感與電容組成，這類并聯型有源電力濾波器的主要電路如圖3所示。

并聯型有源電力濾波器與變壓器進行串聯并連接在負載與有效電網之間，形成一個可以控制的電壓原件。并聯型有源電力濾波器與串聯型有源電力濾波器的差距最大的部分在于對于電壓源的電流補償。相比于并聯型有源電力濾波器，串聯型無法進行對于無功效果的補償，并且結構相對單一，且對于系統原件的要求較高，對于系統絕緣性的程度要求較為嚴格，從而造成更高的成本。基于此目前對于并聯型有源電力濾波器的研究更為廣泛。

3 并聯型有源電力濾波器電流控制方法

目前世界范圍內對于并聯型有源電力濾波器的電流控制方法相對比較多，主要分為六種類型[6-7]：

（1）三角載波控制方法

三角載波控制方法是由原有的瞬時控制法進行改變衍生而來的，它將逆變器造成的實際電流進行控制對象，將指令信號與實際電流信號進行差值對比，通過PI處理器進行將差值調節比較，從而進行對于并聯型有源電力濾波器的控制。

（2）滯環比較控制方法

同樣的滯環比較控制也是使用指令與實際電流差值進行控制對象，對于誤差所產生的電流進行有效控制，對于并聯型有源電力濾波器的逆變器開關部分進行有效開關調節，對于產生差值誤差進行及時反饋，當差值誤差超過設備所設置的限度之后，進行對于逆變器的開關調節，以此來使得電流誤差有所控制。這種控制方法對于逆變器的矢量化反應，頻率化研究可以有所創新。

（3）無差拍控制方法

無差拍控制方法使用的是全數字化的方式，它根據矢量理論演化而來，使用系統內部的狀態欄方程進行對于下一個狀態的周期分析，并且對于采樣周期進行相應開關量控制，最終做到使得輸出量能夠被追蹤。這種方式的明顯優點在于能夠快速有效的跟蹤數字化電流的變化，尤其是對于開關狀態不穩定或較快的快速狀態控制方式。它顯著的缺點在于計算量相對較大，并且對于參數的系統要求相對過強，這就導致了當系統參數有所變化后整體系統無法快速跟隨轉變。

（4）空間矢量控制方法

空間矢量控制方法在于通過對于變流電機速度調節電壓矢量進行對于并聯型有源電力濾波器得到電流控制，這種控制方法對于電流的物理概念有所數字化轉變，可以使三相三線式并聯型有源電力濾波器進行耦合的消除，也可以通過矢量變化進行盡可能少的改變變流器開關頻次，降低因為補償電流造成的電氣損傷，使得整體濾波器可以提升使用精度。

（5）其他控制

在近些年的研究過程中，有著更多的并聯型有源電力濾波器電流控制方法的提出，例如自適應控制方式，神經網絡調節控制方式等等。從理論上將，數學模型的精準化設計與現代使用的高數字化算法使用能夠有效加快并聯型有源電力濾波器的電流控制方法研究。

【參考文獻】

[1]魏學良，蔡欣，姜珊.并聯型有源電力濾波器電源電流控制方法研究[J].電機與控制學報，2017，21（12）：85-92.

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[3]田飛燕，高云廣，宋建成.并聯型有源電力濾波器的復合電流控制方法[J].電氣傳動，2017，47（7）：67-71.

[4]許煒.基于DSP控制的三相三線制并聯型有源電力濾波器的研究[D].廣西大學，2016.

[5]陽敏.多模塊化有源電力濾波器并聯的控制方法研究[D].湖南大學，2016.

[6]李飛.并聯型NPC三電平有源電力濾波器關鍵技術研究[D].中國礦業大學，2017.

[7]唐欣，羅安，涂春鳴.一種電力有源濾波器電流控制的新方法[J].電力系統自動化，2004（13）：23-27.