基于APF抑制諧波與無功的控制方法研究

周天奇

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，大功率電力電子器件被廣泛應用，其中由于大功率電力電子器件的非線性和不對稱性，產生了大量的諧波和無功等問題。近年來，由諧波和無功對供電系統電能質量影響的治理受到越來越多的關注，而對于供電系統中的無功和諧波等問題，可以采用傳統的無源LC濾波器進行特定次的諧波消除，能補償固定容量無功方案，但其缺點是僅能對某特定次諧波進行治理，動態性和精準性能較差，并且體積較大。混合有源電力濾波器由于無源濾波支路的存在，整個補償系統的設計變得更加復雜。而有源電力濾波器能夠克服無源濾波的缺點并且可以實時高效動態地治理諧波，還能有效地抑制諧波等問題，所以有源電力濾波器得到了快速的發展。

級聯H橋多電平技術需要將多個變流器串聯連接，可應用在高電壓大功率裝置上，具有輸出諧波小、反應速度快、開關頻率低等優點，所以本文采用級聯H橋多級技術。級聯H橋多電平模塊是串聯的，相互獨立，會出現電壓不平衡問題。當前的主要控制方法有傳統PI控制、自適應控制、模糊控制等方法。其中，傳統PI控制可以滿足直流電壓穩定的要求，但存在超調等問題。自適應控制方法比較復雜，控制運算時占用資源多、穩定性差。模糊控制算法不依賴于系統，魯棒性較強，但控制精度較差[1]。因此，針對上述直流側電壓的控制方法，引入了內外層控制方法，外層控制采用雙閉環控制算法。其中電壓外環分為全局穩壓和各模塊均壓PI控制，內層控制疊加了網側方向的電流矢量。

在高電壓、大功率環境中常規的載波相移調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）策略可以完美地展現出其優點，并且能夠提高開關器件的開關頻率。基于此，本文引入載波相移梯形波脈寬調制（Carrier Phase Shifting Trapezoidal Wave Pulse Width Modulation, CPS-TPWM）策略使其能有良好的諧波特性，同時不會出現超調的情況[2]。

本文以級聯H橋多電平載波相移梯形波調制有源電力濾波器為研究對象，分析其原理和調制過程。本文引入直流側電容電壓控制算法，最后通過模擬進行驗證。

1 級聯H橋型有源電力濾波器

圖1為有源電力濾波器結構原理，iS為交流電源、iL為負載電流、iC為補償電流、為實際需要補償的電流[3]。有源電力濾波器的工作系統主要包括電網、諧波源非線性負載、有源電力濾波器，其中有源電力濾波器由4部分組成，包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路[3]。

圖1 有源電力濾波器的系統結構圖

有源電力濾波器的系統結構圖中指令電流運算電路是對電網中的電流進行諧波與無功檢測，電流跟蹤電路、驅動電路和主電路主要是將檢測出來的諧波和無功進行補償。由指令電流運算電路檢測出來的電流作為電流跟蹤控制電路的輸入信號，再通過驅動電路作用到主電路中產生補償電流iC注入電網中，以此方法來完成對諧波和無功的補償。

2 調制策略方法研究

本文所應用的傳統的CPS-SPWM調制策略的調制原理是：在H橋數量為N的變流單元中，共同采用調制波信號M(t)，頻率為ω，單個變流模塊中三角載波頻率fc=Kc，其中載波比為Kc，每個三角載波的相位之間錯開1/2N個周期，當N=3，載波比Kc=20，幅度調制比M=0.9。通過以上方法疊加可以得出，變流器輸出波形更接近正弦波形[4-6]。

采用CPS-SPWM調制方法的級聯型多電平變流器在相同數量的變頻器對比下，大大減小了輸出諧波與無功，能顯著地改善輸出波形質量，使其更加接近正弦波。載波相移調制技術可以提高等效開關頻率使輸出電壓等效頻率提升為載波頻率的N倍。通過以上分析可以得出結論：傳統CPS-SPWM調制策略可以提高等效開關頻率。而采用CPS-TPWM調制策略是在傳統CPS-SPWM調制策略的基礎上針對高電壓、大功率環境下進行研究。其中梯形波調制信號為us，它是由三角波信號ust在幅值±Ast之間通過進行限幅得到的[4-5]。As為調制波的幅值，Ac為載波的幅值，調制比M=As/Ac≤1。通過分析可知，在三角系數為0.4時，此時的梯形波調制情況是最好的。

3 控制方法研究

穩態電容電壓直流分量與調制比、脈沖時延差、并聯損耗和混合損耗有關，且與電容和串聯損耗無關，從能量交換的觀點可以定性地解釋。對于直流容量的情況，如果輸入量大于各種損失，則其兩端電壓上升，反之亦然。脈沖延遲改變輸入功能量的傳輸，并且間接地影響電容電壓的幅度。并聯損耗和混合損耗與直流電壓呈正相關[7-8]。因此，并聯損耗和混合損耗在穩態時對電容電壓的平衡有一定的影響。電容容量與損耗和輸入能量無關，電容之間的差異在動態過程中影響每個電容電壓，但不影響穩定電壓值。電容電壓的不平衡是由上述各種因素的長時間累積所引起的。為了保證有源電力濾波器的正常工作，需要控制電容電壓的穩定和平衡。

外層控制通過電壓外環和電流內環的雙閉環控制實現有源電力濾波器直流側電壓總電壓的穩定性，輸出補償電流。內層控制采用有功電壓矢量疊加的平衡控制算法，在保證總電壓穩定的前提下，微調各單元的調制信號，實現各變流器單元的直流側電壓平衡[9-10]。

主電路串聯直流側的總電壓穩定通過外層控制來實現，使指令電流能夠快速有效地進行準確的跟蹤。每個串聯的模塊給定的直流側電壓和每個模塊的平均值進行作差比較，得到其過程結果通過比例KP進行調節，得出的輸出值與需要進行補償的單位正弦信號sinωt相乘得到有功電流分量。有源電力濾波器需要的指令控制電流為諧波和無功的電流分量和有功電流分量疊加而成。每個H橋因自身器件的不同，在其工作中的損耗也不同，結果使主電路系統中每個模塊直流側電壓存在著不同。在有源電力濾波器處于正常運行時，總調制波A帶有一定毛刺和畸變的正弦波。以單個H橋為例進行分析，描述單個H橋在工作情況下充放電過程，規定以單個H橋在流入H橋時的方向為正方向。每個H橋模塊的工作情況可以分為4種情況，通過對電壓和電流的流經方向對其進行分析。

1）在H橋模塊進行充電時，穩壓電壓大于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相反，將?A1與A疊加得到實際的調制波A1，相當于減緩了調制波A的充電能力，使H橋的充電功率減小。

2）在H橋模塊進行充電時，穩壓電壓小于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相同，將?A1與A疊加得到實際的調制波A1，相當于增大了調制波A的充電能力，使H橋的充電功率增大。

3）在H橋模塊進行放電時，穩壓電壓大于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相同，將?A1與A疊加得到實際的調制波A1，相當于增大了調制波A的放電能力，使H橋的放電功率增大。

4）在H橋模塊進行放電時，穩壓電壓小于直流電壓指令值時，?A1的方向與A相反，將?A1與A疊加得到實際的調制波A1，相當于減緩了調制波A的放電作用，使H橋的放電功率減小。

4 結果分析及驗證

本文在MATLAB/Simulink環境下，建立3H橋級聯多電平有源電力濾波器模型。雖然傳統的PI控制方法、自適應控制方法、內外層控制方法幾乎可以滿足直流側的總電壓220 V，但是采用傳統的PI控制方法總電壓在0.08 s時達到穩定狀態，采用自適應控制方法總電壓在0.06 s時能達到穩定狀態，由于自適應的控制方法實現比較復雜，而采用內外層控制方法總電壓在0.03 s時就能達到穩定狀態。通過以上數據分析可以得出內外層控制能夠快速地使總電壓達到穩定狀態。

對于均壓環節而言，傳統PI控制方法在總電壓穩定的情況下，三個模塊存在著約15 V的電壓差異；自適應控制方法在總電壓穩定的情況下，三個模塊存在著約8 V的電壓差異；而內外層控制方法在總電壓穩定的情況下，三個模塊存在著約2 V的電壓差異。通過對三種控制方法的比較分析，本文描述的內外層控制方法在直流電壓穩定性和均衡性方面明顯優于常規PI控制方法和自適應控制方法。

5 結論

傳統的CPS-SPWM調制策略應用于單相級聯H橋有源電力濾波器中，不能有效地治理諧波和無功；將載波相移梯形波脈沖寬度調制策略引入級聯H橋多電平有源電力濾波器時，一定程度上提高了諧波的補償特性。基于級聯H橋多電平有源電力濾波器直流側電壓平衡問題，提出內外層控制方法，通過模擬驗證，將內外層控制方法應用于級聯H橋有源電力功率濾波器后可以提高各單元模塊直流側電容電壓的穩定性和平衡性，具有現實應用意義。