有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略仿真研究

許 超

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略仿真研究

許 超

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

本文介紹了三相并聯(lián)型有源電力濾波器的構(gòu)成，分析了基于三相瞬時(shí)功率理論的ip-iq諧波檢測(cè)算法，并且采用PI調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的有效控制。為了克服電流跟蹤控制策略中傳統(tǒng)滯環(huán)控制的環(huán)寬設(shè)置對(duì)開(kāi)關(guān)頻率和響應(yīng)速度的影響，本文采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制，有效的降低諧波電流含量及開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)保證了直流側(cè)電壓的響應(yīng)速度，MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制策略的可行性及良好的補(bǔ)償性能。

有源電力濾波器ip-iq滯環(huán) 電壓空間矢量 仿真

0 引言

目前電力系統(tǒng)中諧波污染較為嚴(yán)重，諧波的大量存在導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行和各類大型工廠的正常生產(chǎn)。有源電力濾波器（APF）可彌補(bǔ)無(wú)源濾波器（PPF）的不足，它能實(shí)時(shí)響應(yīng)變化的諧波、可控性高、補(bǔ)償速度快、而且不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，能有效地抑制電力系統(tǒng)諧波，是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置[1]。有源電力濾波器的工作過(guò)程是首先通過(guò)諧波檢測(cè)算法檢測(cè)出諧波電流分量，再采用電流跟蹤控制策略來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使APF輸出與諧波分量大小相等極性相反的補(bǔ)償電流，抵消非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，使電網(wǎng)側(cè)電流波形趨于基波頻率[2]。

有源電力濾波器的電流控制策略一般采用跟蹤型PWM控制方式，常用的跟蹤型PWM控制主要有滯環(huán)電流控制和三角載波控制兩種。前者電流響應(yīng)速度快、電流跟蹤性能好，有較好的控制性能，但是開(kāi)關(guān)頻率可能波動(dòng)很大；而后者開(kāi)關(guān)頻率恒定，對(duì)高頻開(kāi)關(guān)有較好的效果，但輸出波形中含有與三角波同頻的畸變分量，精度較低。本文在傳統(tǒng)滯環(huán)基礎(chǔ)上采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流跟蹤控制策略，其方法是首先對(duì)指令電壓矢量和電流誤差矢量分別進(jìn)行扇區(qū)判斷，再結(jié)合二者扇區(qū)給出最佳的電壓矢量切換。

1 三相并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)

圖1為三相并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)圖，由電網(wǎng)提供三相電源、整流非線性負(fù)載、采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的三相電壓型橋式逆變電路和檢測(cè)控制電路構(gòu)成，其中檢測(cè)控制電路是整個(gè)有源電力濾波器的核心，它包括了：信號(hào)采集和調(diào)理電路、諧波檢測(cè)電路、電流跟蹤控制電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路等。ea、eb、ec為三相電源電壓，Ua、Ub、Uc為有源電力濾波器的輸出電壓，iLa、iLb、iLc為非線性負(fù)載側(cè)的三相電流，ica、icb、icc為APF輸出的補(bǔ)償電流。根據(jù)基爾霍夫定律，列出APF主電路三相電壓與電流的微分方程為：

2 諧波檢測(cè)算法和直流側(cè)電壓控制

諧波檢測(cè)算法采用三相瞬時(shí)功率理論的ip-iq算法，它是p-q算法的改進(jìn)形式，無(wú)需電網(wǎng)電壓的完整波形，無(wú)論是在三相平衡還是三相不平衡電壓源中，保持了較高的精度，克服了電壓畸變對(duì)諧波檢測(cè)的不利影響，可適用于電壓環(huán)境更加復(fù)雜的系統(tǒng)[3]，能夠很好的將基波電流與諧波電流分離。

圖2中ia、ib、ic為負(fù)載側(cè)三相電流的瞬時(shí)值，ea是電源a相的電壓，PLL為鎖相環(huán)對(duì)電源a相電壓ea的初相角進(jìn)行提取，然后用正余弦信號(hào)發(fā)生電路獲取與電源電壓同相位的正弦信號(hào)sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cosωt，LPF為低通濾波器。

計(jì)算有功電流ip與無(wú)功電流iq的方法如式（2）所示。

ip、iq通過(guò)低通濾波器，濾除交流分量，以獲得直流分量，再經(jīng)過(guò)C-1變換和C23變換得到基波電流。最后將iaf、ibf、icf分別與ia、ib、ic相減，即可計(jì)算出負(fù)載側(cè)的諧波分量iah、ibh、ich。

直流側(cè)電壓的控制采用PI調(diào)節(jié)器，Ud是直流電壓的實(shí)際值，Ud*是電容電壓的給定值，兩者之差送入PI調(diào)節(jié)器得到調(diào)節(jié)信號(hào)△ip，將其疊加到瞬時(shí)有功功率的直流分量ip上，經(jīng)過(guò)ip-iq算法運(yùn)算后，指令電流中包含一定的基波有功電流，在補(bǔ)償電流中也含有基波有功電流，直流側(cè)電容與電網(wǎng)發(fā)生能量交換，最終使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值范圍內(nèi)。

3 仿真及結(jié)果分析

對(duì)兩種控制策略作仿真實(shí)驗(yàn)分析。如圖3所示公用電網(wǎng)采用三相三線制380 V/50 Hz，負(fù)載側(cè)采用三相不控整流的阻感負(fù)載，逆變器AC側(cè)電感L=5 mH，DC側(cè)電容C=4700 μF，直流側(cè)電壓Ud=500 V，APF的補(bǔ)償容量為10 kVA。

未投入有源電力濾波器補(bǔ)償，測(cè)得非線性負(fù)載側(cè)的電流波形如圖4 (a)所示，電流波形已畸變成馬鞍形，此時(shí)電流諧波總畸變率(THD)已達(dá)到如圖15 (a)所示的30.36%。

使用APF補(bǔ)償后電流波形如圖4 (b)所示，可以直觀的看出投入APF后的補(bǔ)償效果明顯，三相電流波形已經(jīng)趨于正弦波，其中采用傳統(tǒng)

滯環(huán)控制THD為如圖5 (b)所示的0.91%；采用基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制THD如圖5(c)所示進(jìn)一步降低到0.54%，基波附近的諧波含量明顯減少。各次諧波含量如表3所示，基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制5次和7次諧波電流含量與傳統(tǒng)滯環(huán)控制的0.59%和0.47%相比降低到了0.12%和0.20%。

圖6為直流側(cè)電容電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形，傳統(tǒng)滯環(huán)控制電容電壓上升階段波形比較平滑，在0.7 s左右電容電壓達(dá)到穩(wěn)定值500 V，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)滯環(huán)控制的基礎(chǔ)上，采用一種基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制策略。在MATLAB的環(huán)境下搭建了仿真模型，并對(duì)兩種控制策略作仿真分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于電壓空間矢量的滯環(huán)控制方法可以有效地克服傳統(tǒng)的滯環(huán)環(huán)寬設(shè)置對(duì)開(kāi)關(guān)頻率、電容電壓響應(yīng)速度和電流跟蹤精度的影響，具有良好的補(bǔ)償效果、響應(yīng)速度和電流跟蹤性能。

[1] 王兆安. 諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2] 姜齊榮. 有源電力濾波器—結(jié)構(gòu)、原理、控制[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] Hirofumi Akagi, 徐政譯. 瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Simulation of Hysteresis Current Tracking Control Strategy for Active Power Filter Based on Voltage Space Vector

Xu Chao
(School of Electrical and Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068, China)

This article describes the composition of the three-phase shunt active power filter, analyzes ip-iq harmonic detection algorithm based on three-phase instantaneous power theory, and uses PI regulator to achieve effective control of DC capacitor voltage. In order to overcome the current tracking control strategy of traditional hysteresis control's loop width setting effect on the switching frequency and speed of response, this paper uses a hysteresis control based on voltage space vector, effectively reducing the harmonic current content and ensuring the response speed of DC voltage. MATLAB simulation results prove the feasibility of the control strategy and better compensation performance.

active power filter (APF); ip-iq; hysteresis; voltage space vector; simulation

TM743

A

1003-4862（2013）11-0015-04

2013-05-16

許超（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。