延时对有源滤波器补偿性能的影响

张能 耿攀 袁阳 高宜朋

（1.海军驻431军代表室，辽宁葫芦岛 121000；2.武汉第二船舶设计研究院，武汉 430064；）

0 引言

舰船综合电力系统是整个舰船系统工程的基础。它会影响几乎所有其它系统，影响整条舰船的运行安全性、战斗性能和经济效率。随着电力电子装置等非线性负荷在舰船中的大量应用，为了提高舰船综合电力系统中的电能质量，采用有源滤波技术构建电能质量保证模块，对舰船大容量独立交流电力系统的电能质量进行综合治理已成为必然的趋势。

有源电力滤波器（APF）是可以动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对变化的谐波和无功进行补偿，与传统的无源滤波相比，APF的调节和响应更加快速、灵活，对短路容量、复杂负载和电网频率波动并不十分敏感，更加适合在舰船综合电力系统中使用。

在数字控制的有源滤波器中，不可避免的存在由测量和AD采样等因素引起的时间延迟，必然造成有源滤波器系统补偿的误差，补偿的滞后将直接恶化有源电力滤波器的电流跟踪特性和补偿效果。

本文以三相三线并联型有源滤波器为研究对象，分析补偿延时的原因和对有源滤波器的影响，并提出控制策略。

1 补偿延时原因分析

并联型有源电力滤波器是最基本，也是目前应用最广泛的一种APF，其基本结构如图1所示。通过产生与负载电流中的谐波和无功分量大小相等、相位互差180°的补偿电流注入电网，使网侧电流成为与电网电压同相的正弦波，从而达到净化电网的目的。此外并联APF能够防止无源滤波器和电网阻抗之间的谐振产生。

图1 并联型APF电路

并联型 APF补偿电流响应的时间延迟的成因有：

1）交流侧电感具有减缓电流变化之特性，使电流响应滞后。

2）假设采用PI控制，则一阶传函为：

式中：id为输出补偿电流，id*为输出补偿电流指令，Kp_i为PI系数中比例参数，可见加大P可加快系统响应速度，但P过大，又导致系统不稳定。所以PI控制无法从根本上消除延迟。

3）输出电流和负载电流检测回路有前置低通滤波器，来对高频分量进行衰减。低通滤波器在滤除高频分量的同时会引起检测信号相位的滞后。

4）负载电流和输出电流信号经过AD转换，采样延迟一个采样周期Ts。

5）电流电压信号经调节器产生指令，但是在程序运行中K次载波产生的指令在K+1次载波产生作用。程序流程机理产生了一个载波周期的滞后。

6）锁相产生的相位误差，造成输出相位偏移。

根据以上成因，可以对电流响应延迟时间进行估算，以系统开关频率10 kHz为例，估算总延迟约 200 ～300 µs。

假设非线性负载为不控整流负载，考虑以上各项延时因素，电流环采用PI控制进行仿真，可得到指令电流与实际输出电流波形对仿真照图2。图2中在指令电流突变的上升沿和下降沿，系统滞后约 200 µs。

2 延时对补偿时效性的影响

假设三相系统平衡，电流环可以完全跟踪指令电流，APF可以视为理想的电流源。

设单位幅值电网电压为：

由假设条件，可知补偿后网侧电流为：

为了考察滤波器谐波抑制效果，定义补偿失效率为网侧无功功率在补偿后和补偿前的百分比。补偿前的网侧无功功率为：

补偿后网侧无功功率为：

则根据定义可以得到单次谐波补偿失效率为：

根据上式可以绘制出不同阶次谐波的补偿失效率和时间延迟的关系曲线，如图3所示。

如图3所示，若补偿五次谐波电流源，200 µs延时将导致35%的补偿失效率，若是七次谐波电流源，将导致50%的补偿失效率。

图3 单次谐波补偿失效率与时延的关系

3 超前拍补偿的实现

为了补偿有源滤波器控制的延迟，可采用状态观测器对系统状态进行提前预测，利用提前预测的状态量获得超前的控制作用。

从以上分析可知，某些延迟原因是无法消除的，只能采用构造一个内模的方法来消除延迟。

超前拍PI控制基本思想是：假设非线性负载是恒定不变的，每个周波谐波指令是相同的。如果把上个周波的指令值和电网谐波数据存储在DSP的内部 RAM，然后当前周波提前几拍读取上个周波的指令值。这种方法实际上以牺牲动态性能为代价来消除稳态电流滞后。其控制框图为图4。波中含有的载波数，即载波比。N2为需要超前的拍数，即实际系统滞后的拍数。由此可见这种控制方式下的动态响应将滞后一个周波。

图4 超前拍PI控制框图

超前拍 PI控制方法可以解决稳态滞后的问题，但是对于谐波指令、开关死区等造成的扰动还是不能实现无差调节。

4 仿真与实验

本实验和仿真系统采用图1所示结构。有源电力滤波器交流侧并入电感取0.3 mH，直流侧电容取值20 mF，正常工作时直流侧电压稳定为700 V，最大补偿电流100 A，输出功率70 kVA，开关管开关频率为 10 kHz，数字控制芯片采用 TI公司的TMS320LF2407。以直流侧带阻感负载的三相不控整流桥为补偿对象，整流桥直流侧电感为0.2 mH，直流侧电阻为8Ω。

图5为电流环PI控制方式下系统仿真波形。PI控制方式下，APF投入运行后系统电流 THD由 28%降为 12.41%，补偿后仍含有比较多的 5次、7次、11次谐波（如图5（d））。同时补偿后电流波形有周期性尖冲出现，这是由于非线性负载电流发生跳变（如图5（a）），使补偿指令突变（如图5（b）），由于指令的延迟时间超出了电流环PI调节器控制的带宽范围，APF无法输出需要的谐波以抵消这些突变量，造成网侧电流出现尖冲（如图 5（c））。

图5 PI控制系统仿真波形

图6是PI控制下的实验波形。由于系统延迟和 PI控制不能实现对指令的无差跟踪，并联型APF投入运行后，系统电流THD值仅从27.6%降到了13.7%。

图6 PI控制电流波形

仿真和实验证明了，单纯的PI控制在做谐波补偿时带宽不够，难以消除指令延迟的影响，补偿效果不好。

图7为电流环超前2拍PI控制方式下系统仿真波形。PI+超前2拍控制方式下，APF投入运行后系统电流THD由28%降为2.98%。与图5相比，补偿后网侧电流 THD值大幅下降，周期性尖冲变小，补偿效果明显改善。

图7 超前2拍PI控制系统电流波形

图8为PI+超前2拍控制方式下系统电流实验波形。超前控制抵消了系统延迟，系统电流THD值从27.6%降到了4.5%，并联型APF的补偿效果得到了极大改善。

仿真和实验证明，系统的采样延时对系统补偿效果影响很大，超前控制能有效的消除系统延迟的影响。

5 结论

本文首先对造成有源滤波器补偿延时的原因进行了分析，然后分析了延时与补偿失效的关系，通过计算可推断补偿的延时将直接恶化有源电力滤波器的电流跟踪特性和补偿效果。为此，本文提出了一种基于PI控制的超前控制策略，通过仿真和试验证实了理论分析的正确性以及新型控制策略的有效性。

图8 超前PI控制电流波形

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