有源電力濾波器控制策略的研究

安紅霞

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣系實踐教研室，安徽 合肥 230051）

1 引言

近年來，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展以及非線性設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致一系列的電網(wǎng)運行難題：如高次諧波增多，系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，電能質(zhì)量低等.目前抑制或消除電網(wǎng)諧波的一種有效途徑是采用有源電力濾波器，它能動態(tài)地抑制諧波，并進行無功補償.因此，研究有源電力濾波器的控制策略具有重要意義.必須針對電力系統(tǒng)中的諧波采取有效的抑制方法，放能保證電力系統(tǒng)的安全運行，以及入網(wǎng)設(shè)備的高效運轉(zhuǎn).

2 有源電力濾波器的諧波電流檢測方法

諧波檢測是有源濾波控制系統(tǒng)的核心部分之一，這一環(huán)節(jié)通過對采集得到的系統(tǒng)電壓、電流信息的運算，負荷電流中提取諧波分量.依據(jù)不同的情況，要檢測基波無功分量、電流中的正序、負序以及零序分量等.因此要在瞬間準確的測量出系統(tǒng)的諧波電流，這是提高有源電力濾波器性能的關(guān)鍵之一.有源電力濾波器中對諧波的檢測方法常見有.

（1）提取基波分量檢測法.這種方法的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低.缺點是容易受到外界環(huán)境的影響.

（2）基于頻域分析的快速傅氏變換(FFT)檢測法.這種方法的優(yōu)點是，選擇性強，缺點是計算量很大，延時長，且有時精確度不高.

（3）基于三相瞬時無功功率理論的檢測法.

這種方法全部采用模擬電路實現(xiàn)，實時性強，且操作簡單.缺點是由于使用大量模擬乘法器，計算量相對較大，調(diào)整困難，參數(shù)依賴性很大，很難保證設(shè)計的計算精度.

4.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制檢測法.

該方法的優(yōu)點是計算量小，檢測精度高，實時性好，抗干擾能力強.缺點是系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計比較困難，需要大量訓(xùn)練樣本.

3 有源電力濾波器的控制策略研究

3.1 三角載波線性控制方法

三角波與正弦波調(diào)制(SPWM)的控制方法在逆變器的控制中得到了廣泛應(yīng)用，而作為有源電力濾波器主電路的四象限變流器，其結(jié)構(gòu)與逆變器相同，因此這種三角波脈寬調(diào)制的控制方法在有源電力濾波器中得到了應(yīng)用.在電壓型逆變器的應(yīng)用中，逆變器作為一個可控的電壓源，它的控制指令一般是正弦的基波電壓，或者按諧波消除規(guī)則生成的基波與諧波電壓的組合.而有源電力濾波器的基本工作原理是利用可控的電流源向負荷提供諧波電流，所以有源電力濾波器的指令電流ic必須先轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的指令電壓uc，作為SPWM的調(diào)制波.

設(shè)i*cx為有源電力濾波器x(x=a、b或c)相的輸出指令電流，icx為其x(x=a、b或c)相的實際輸出電流，在傳統(tǒng)的有源電力濾波器SPWM電流控制方法中，取ucx(x=a、b或c)正比于(i*cx-icx)作為變流器的輸出指令電壓，即ucx=K(i*cx-icx)

三角載波線性波控制具有如下特點：

（1）硬件系統(tǒng)復(fù)雜；（2）電流響應(yīng)滯后于環(huán)比較控制.（3）跟隨誤差較大；（4）放大器增益有定額；（5）含三角載波分量的諧波；（6）元件的開關(guān)頻率與三角載波的頻率相同，且無法調(diào)整.

3.2 滯環(huán)比較控制方法

在有源電力濾波器中，滯環(huán)比較控制方法可獲得較好的控制性能，它兼有響應(yīng)迅速，開關(guān)頻率不太高和簡單易行的特點，所以被廣泛使用.但是，其開關(guān)頻率、損耗和控制精度受滯環(huán)寬度的影響:滯環(huán)寬度越小，控制精度就越高，但是開關(guān)頻率和損耗也會增加.因此，如何充分利用給定的電流滯環(huán)寬度，在提高控制精度的同時，降低開關(guān)頻率成為優(yōu)化滯環(huán)比較電流控制方法的核心問題.

在a、b、c三相坐標系中，設(shè)APF的三相指令電流分別為 i*ca、i*cb和 i*cc，APF的三相輸出電流分別為 ica、icb和 icc，它們的差值分別為△ica、△icb和△icc.滯環(huán)比較電流控制的規(guī)則是:當(dāng)△icx>ε時 (x=a、b或c)，x相的滯環(huán)比較器輸出Sx=1(x=a、b或 c)；當(dāng) △icx<-ε 時，x相的滯環(huán)比較器輸出 Sx=0；當(dāng)-ε<△icx<ε時，x相的滯環(huán)比較器輸出Sx保持不變.

3.3 兩種控制方法的比較

相對于三角載波線性控制來說，滯環(huán)比較控制的動態(tài)響應(yīng)較快、損耗較小.但頻率、響應(yīng)及精度會受滯環(huán)帶寬影響.三角載波線性控制法的優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)好，開關(guān)頻率固定，缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量，開關(guān)損耗較大，在大功率應(yīng)用中受到限制.

因此可以得出結(jié)論，若在頻率相同的情況下，滯環(huán)比較法更優(yōu)，而頻率比較低時三角載波線性控制法更好.如在3kHz時三角波法會有很嚴重的失真，而滯環(huán)比較法基本不失真.當(dāng)在300KHz這種開關(guān)頻率比較高的情況下，區(qū)別己經(jīng)不明顯了.

4 有源電力濾波器的MATLAB仿真

4.1 有源電力濾波器諧波檢測部分的仿真

有源電力濾波器諧波檢測部分的仿真系統(tǒng)主要包括：電源、諧波電流檢測電路和負載.本文采用單相電路，電源采用正弦電壓發(fā)生器，模擬民用電壓，峰值380V，頻率50HZ.諧波電流檢測電路采用ip-iq檢測法.負載采用整流電路以產(chǎn)生諧波電流.

其中，負載電流由In輸入，經(jīng)過變換后，再經(jīng)過低通濾波器濾波得出基波，基波和負載電流的差值即為諧波電流.Analog Filiter1和Analog Filiter2是兩個低通濾波器，為巴特沃斯低通濾波器，由于系統(tǒng)基波頻率為50HZ，故將濾波器截止頻率選為5HZ.圖中Scope3顯示基波電流，Scope4顯示諧波電流.

4.2 有源電力濾波器滯環(huán)比較控制方法的仿真

ystem1為上文中的諧波檢測模塊，system2為滯環(huán)控制比較模塊.通過滯環(huán)控制比較模塊，輸出控制IGBT通斷的PWM出發(fā)信號，再產(chǎn)生基于檢測出的諧波的補償電流，將其注入電網(wǎng)以消除諧波，使電網(wǎng)電流趨于標準正弦.

5 結(jié)論與展望

在有源電力濾波器的諧波電流檢測部分中，比較了多種目前應(yīng)用的檢測算法，并就現(xiàn)在廣泛采用的基于瞬時無功功率理論的檢測方法進行了詳細介紹研究.在瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)上，目前有p-q檢測法和ip-iq檢測法，本文在的MATLAB中，對ip-iq檢測法進行了仿真，得到的實驗結(jié)果較為理想.在控制策略部分中，首先介紹了幾種控制方法，并進行了比較.作為現(xiàn)在普遍采用的控制策略，本文對三角載波線性控制方法和滯環(huán)比較控制方法的原理進行了分析研究，并在MATLAB中對這兩種方法進行了仿真.從實驗結(jié)果可以看出，三角載波線性控制方法響應(yīng)時間較慢，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度不高，而滯環(huán)比較方法響應(yīng)時間較快，電路結(jié)構(gòu)簡單，精度較高，但在搭建模型時，滯環(huán)寬度設(shè)置較為困難.由于本人能力有限以及時間限制，尚有許多工作需要開展.進一步的工作包括：

（1）對并聯(lián)型有源電力濾波器做進一步的研究，在檢測部分考慮采用dq0檢測法，可以適應(yīng)更普遍的電網(wǎng)系統(tǒng)；在控制部分，如何將現(xiàn)在比較先進的控制策略，如自適應(yīng)控制方法等，與實際裝置結(jié)合使用是一個新的課題.

（2）在已有理論和模型的基礎(chǔ)上，進一步研究有源電力濾波器的可靠性問題以及其附屬裝置的研究.

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