并聯(lián)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(shù)的飛躍發(fā)展與我國電力電子方面設(shè)備的更新?lián)Q代，使得我國的電器諧波產(chǎn)生加大，這些設(shè)備所產(chǎn)生的大量諧波會對電網(wǎng)產(chǎn)生極大的不可逆的損害，為了抑制電氣設(shè)備諧波的產(chǎn)生，有源電力濾波器成為了一種先進有效的能夠及時動態(tài)抑制諧波產(chǎn)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(chǔ)工作原理入手，分析有源電力濾波器與電網(wǎng)連接形成有效數(shù)學模型并對于直流側(cè)母線電壓等數(shù)值進行選取與分析。

【關(guān)鍵詞】有源電力濾波器；諧波；電網(wǎng)；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(shè)備在電網(wǎng)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，同時帶來了電能質(zhì)量與諧波污染問題，諧波污染來源眾多，諸如來自于發(fā)電機中改變磁場效應(yīng)產(chǎn)生的諧波污染；以及電弧焊的發(fā)熱不規(guī)律性導(dǎo)致的復(fù)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(shè)備無端發(fā)熱升溫，造成大量的能量損耗，降低了電器設(shè)備的使用壽命；

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

（3）造成檢驗儀表設(shè)備的無法正常使用，降低設(shè)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(nèi)也引起了較大的關(guān)注與研究，在1993年我國頒布了國內(nèi)標準《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)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(chuàng)新，用以限制諧波污染。

1 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀與工作原理

1.1 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀

有源電力濾波器被廣泛使用是在1976年以后，這時已經(jīng)提出了四象限得到PWM變流器思想構(gòu)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(tǒng)方式作為基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)主要是由四個開關(guān)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(wǎng)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(lián)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(wǎng)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(fù)雜（圖2），使用的是四橋臂結(jié)構(gòu)和中點式電容結(jié)構(gòu)，由八個開關(guān)管進行組合而成，每個零相都與橋臂連接架構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)需要進行對于四個橋臂進行共同動作控制，控制結(jié)構(gòu)相比于三相三線制更為復(fù)雜，但是控制方法更為簡潔。

2 并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

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

并聯(lián)型有源電力濾波器與變壓器進行串聯(lián)并連接在負載與有效電網(wǎng)之間，形成一個可以控制的電壓原件。并聯(lián)型有源電力濾波器與串聯(lián)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(lián)型有源電力濾波器，串聯(lián)型無法進行對于無功效果的補償，并且結(jié)構(gòu)相對單一，且對于系統(tǒng)原件的要求較高，對于系統(tǒng)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(lián)型有源電力濾波器的研究更為廣泛。

3 并聯(lián)型有源電力濾波器電流控制方法

目前世界范圍內(nèi)對于并聯(lián)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(diào)節(jié)比較，從而進行對于并聯(lián)型有源電力濾波器的控制。

（2）滯環(huán)比較控制方法

同樣的滯環(huán)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(chǎn)生的電流進行有效控制，對于并聯(lián)型有源電力濾波器的逆變器開關(guān)部分進行有效開關(guān)調(diào)節(jié)，對于產(chǎn)生差值誤差進行及時反饋，當差值誤差超過設(shè)備所設(shè)置的限度之后，進行對于逆變器的開關(guān)調(diào)節(jié)，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(yīng)，頻率化研究可以有所創(chuàng)新。

（3）無差拍控制方法

無差拍控制方法使用的是全數(shù)字化的方式，它根據(jù)矢量理論演化而來，使用系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)欄方程進行對于下一個狀態(tài)的周期分析，并且對于采樣周期進行相應(yīng)開關(guān)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(yōu)點在于能夠快速有效的跟蹤數(shù)字化電流的變化，尤其是對于開關(guān)狀態(tài)不穩(wěn)定或較快的快速狀態(tài)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(shù)的系統(tǒng)要求相對過強，這就導(dǎo)致了當系統(tǒng)參數(shù)有所變化后整體系統(tǒng)無法快速跟隨轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)電壓矢量進行對于并聯(lián)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(shù)字化轉(zhuǎn)變，可以使三相三線式并聯(lián)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(guān)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(lián)型有源電力濾波器電流控制方法的提出，例如自適應(yīng)控制方式，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)控制方式等等。從理論上將，數(shù)學模型的精準化設(shè)計與現(xiàn)代使用的高數(shù)字化算法使用能夠有效加快并聯(lián)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(lián)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.

[2]劉楷鋒，尤寶山，賀冬梅，歐陽紅晉.有源電力濾波器諧波及無功電流的檢測方法[J].科技信息，2009（1）：145-149.

[3]田飛燕，高云廣，宋建成.并聯(lián)型有源電力濾波器的復(fù)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(lián)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(lián)的控制方法研究[D].湖南大學，2016.

[6]李飛.并聯(lián)型NPC三電平有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)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(tǒng)自動化，2004（13）：23-27.