基于新型无功和谐波电流检测方法的APF仿真研究

王春蕾，张代润

（四川大学 电气信息学院，四川 成都610065）

基于新型无功和谐波电流检测方法的APF仿真研究

王春蕾，张代润

（四川大学 电气信息学院，四川 成都610065）

结合基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法和基于传统功率理论的闭环自适应检测方法两者的优点，设计一种新的检测方法，该方法具有较好的鲁棒性和动态响应速度。同时由于逆变器采用三桥臂电容中点式结构，对其直流侧电压的稳定和上下电容的均压控制作了分析，与无功和谐波电流检测结合起来形成了双闭环结构，进一步增强补偿效果，然后对指令电流的合成和其跟踪控制作了简要阐述。最后利用Matlab/Simulink对系统进行了仿真，验证了该方法的正确性和有效性。

有源滤波器；闭环检测；无功和谐波电流；电压控制

近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通以及家庭应用日益广泛，随之而来的问题是由这些装置产生的无功和谐波电流对公共电网的危害日益严重。如何抑制这些无功和谐波电流从而改善电网供电质量和能力，成为近年来研究的热点。有源电力滤波器APF由于其良好的动态响应速度和良好的补偿特性，在理论研究和实际应用中都得到了很大的发展，其中并联型有源电力滤波器应用最为广泛[1-3]。

有源电力滤波器工作性能的优劣主要受到无功和谐波检测方法的影响。瞬时无功功率理论自提出以来在检测无功和谐波电流得到了广泛应用，如基于瞬时无功理论的p-q和ip-iq检测方法，并有力推动了有源滤波器的发展。但是由于是开环结构，器件参数的分散性差，从而易产生稳态误差；同时系统鲁棒性差，检测性能易受到器件老化等因素引起的参数变化的影响。而自适应检测方法虽然采用闭环结构，弥补了开环结构检测的不足。但由于采用传统功率理论，造成系统动态性较差。为了增强系统鲁棒性，提高响应速度，本文采用一种将自适应闭环检测结构和瞬时无功功率理论结合起来的检测方法。仿真结果验证了方法的正确性和有效性。

1 系统电路结构

2 系统的控制实现

2.1 闭环无功和谐波电流检测

要提高本系统的补偿精度，关键在于是否能够准确、实时地检测出负载的无功和谐波电流。目前有较多的检测方法[4]，如小波检测法、基于瞬时无功理论的检测法、自适应检测法、神经网络检测法等。基于瞬时无功理论的p-q和ip-iq法由于采用开环结构，系统的鲁棒性较差，且需要采用高精度模拟乘法器[5]；而基于传统的功率理论的自适应检测原理虽然是采用闭环结构，弥补了开环结构谐波检测的不足，但是系统的动态性能差。为了增强系统的鲁棒性，提高响应速度，将闭环检测拓扑结构和瞬时无功功率理论结合起来，即本文采用的基于瞬时无功功率的闭环无功和谐波电流检测法，其检测框图如图2所示。

在闭环结构中的G(s)由一个积分单元和一个n阶巴特沃斯（Butterworth）低通滤波器组成，其可以等效为一个n+1阶Butterworth低通滤波器。系统的动态响应速度和静态检测精度由等效滤波器的阶数和截止频率决定。等效滤波器阶数越高，系统惯性越大，动态响应越慢，但暂态振荡特性改善,稳态精度提高；截止频率越高，动态响应越快，稳定精度越差。故综合考虑，截止频率可选择在 10 Hz～40 Hz之间，以兼顾动、静态的性能。同时为了减小系统的复杂性,等效低通滤波器不宜超过三阶。

系统中C3/2为三相静止坐标系到α-β两相静止正交坐标系的变换矩阵，C为αβ两相静止正交坐标系到p-q旋转坐标系的变换矩阵，p-q旋转坐标系中的p轴和q轴分别是电网电压矢量e和其法线，C2/3和C-1分别是C3/2的转置矩阵和C的逆矩阵。

这样该方法就结合了瞬时无功理论和自适应检测的优点，不仅具备了基于瞬时无功功率理论检测的快速性实时性，也结合了自适应闭环检测鲁棒性好的优点。同时由于采用闭环系统，检测电路的运行特性几乎不受参数变化的影响，并且其优异的性能相对于开环检测方法和自适应检测方法并没有增加系统的复杂性和制造成本。

2.2 APF的直流侧电压控制

对于电压型APF，需要直流母线侧电容位并联型APF提供一个稳定的电压基准。在实际工程中，由于直流侧的储能环节采用的是电容而不是直流电源，当APF工作时，要消耗电容能量导致电压降低，且APF的开关工作模式使流入APF的电流产生脉动，直流侧动容电压很难维持在某一定值。如直流侧电压波动过大，就会出现欠补偿或过补偿，从而影响补偿效果，因此必须采取相应措施来稳定直流侧电压[6]。

（1）直流侧总电压的控制

如图2所示，本文直流侧总电压采用PI控制法，将检测到的直流母线侧总的实际电容电压值Udc和基准电压进行比较，得到的差值输入PI控制器得到电流调节调节信号idc，然后把其叠加到瞬时有功电流直流分量上，这样便在指令信号中包含有一定基波有功电流。当总的电压值低于参考值时，部分有功电流注入电容器，从而有功电流的直流分量减少。为使APF的补偿电流中包含基波有功电流分量，将APF的直流侧与电力系统进行能量交换，补偿APF的损耗，从而把Udc调节到基准值。

（2）直流侧上下电容均衡控制

由于直流侧采用两个对称电容，其中点连接到电力系统中线，从而使注入三相独立电流成为可能，并且必须保持上下电容的两端电压相等以确保变换器的正常运行。假设上电容电压大于下电容电压，可以通过将电流注入进电力系统来减小上电容电压来使其平衡，反之则从系统注入电流到逆变器来维持两者电压平衡。如图1的原理框图所示，对上下电容作电压比较，得到的电压差值通过PI控制器得到输出电流ipm，然后把这个电流叠加到前面检测到的无功电流和谐波电流，从而达到控制上下电容电压平衡的目的，同时得到补偿电流的参考值：

2.3 电流跟踪控制

常用的电流控制方法主要有电流滞环控制和固定开关频率控制。滞环电流跟踪控制方法硬件电路十分简单，属于实时控制方式，电流响应很快，不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量[7]。为了得到较好的动态性能，本文采用电流滞环跟踪控制的方式，其原理框图如图3所示。

图3为A相电流滞环跟踪控制框图，其中的一阶惯性环节可以加快控制的响应速度，t为惯性时间常数。可以看出，将实际的A相逆变器电流ipa与求得的A相指令电流进行比较，形成电流闭环实时跟踪控制，因此补偿电流能够实时精确地跟踪补偿参考电流，从而补偿电网电流，使其正弦化。

3 系统仿真与结果

为了验证系统的可行性，利用Matlab/Simulink对其进行了建模仿真，仿真模型根据原理框图1所建，主要参数有：逆变器输出滤波电感Lp=3 mH，直流母线侧电容 C=3 000 μF，基准电压=700 V，三相电网线电压有效值380 V，非线性负载由二极管三相整流桥接R=10 Ω、L=2 mH的阻感负载组成。

图4为A相负载电流、电网电流、补偿电流以及检测得到的参考无功和谐波电流波形，图5为直流侧总的电压值波形和上下两电容的波形情况，图6中(a)、(b)分别为补偿前后的负载电流和电网电流谐波频谱图。可见补偿前后THD分别为25.04%和1.53%，达到了IEEE519谐波标准要求。

本文采用结合基于瞬时无功功率理论的ip-iq的检测方法和基于传统功率理论的闭环自适应检测方法两者优点的无功和谐波检测方法，这样使系统不仅具有好的鲁棒性，同时还具有好的动态响应速度，从而能够较好地补偿非线性负载产生的无功和谐波电流以使电网电流正弦化。文中也对APF直流侧总的电压和均压控制作了介绍，从而形成一种双闭环的控制结构，以增强补偿效果。仿真结果表明，通过该方法使系统取得了较好的对无功和谐波的补偿效果，验证了系统的正确性和有效性。

[1]IRAVANI M R，LAVERS E D.A benchmark system for digital time-domain simulation of an active power filter[J].IEEE Trans on Power Delivery，2005，20(1)：234-241.

[2]RUKONUZZAMAN M，NKAOAKA M.Adaptive neutal network based harmonic current compensation in active power filter[J].Proceedings，JJCNN 101，2001(3)：2281-2286.

[3]顾建军，徐殿国，刘汉奎，等.有源滤波技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7(2)：126-132.

[4]戴朝波，林海雪.两种谐波电流检测方法的比较[J].中国电机工程学报，2002，22(1)：80-84.

[5]Luo Shiguo，Hou Zhencheng.An adaptive detecting method for harmonic and reactive currents.IEEE Trans IE.1995，42(1)：85-89.

[6]丁凯，陈允平，王晓峰，等.并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨[J].电工技术杂志，2002(10)：26-28.

[7]薛文平，刘国海.一种基于改进型 ip-iq方法的有源滤波器[J].电气传动，2006(2)：38-41.

Simulation study of active power filter based on a novel reactive and harmonic current detection method

Wang Chunlei，Zhang Dairun
（Institute of Electrical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

This paper adopts a detection method that combines the advantages of both ip-iqdetection method based on instantaneous reactive power theory and closed-loop adaptive detection method.This method is better compared to both in terms of robustness and dynamic response speed.And as the inverter adopts three bridge-arm capacitor mid-point structure,the inverter’s DC voltage stability and upper and lower capacitor’s uniform voltage control are analyzed.And it is with the reactive and harmonic current detection combine to form a double-loop structure to further enhance the compensation effect,then the synthesis of instructions current and tracking control are briefly described.Finally,the system is simulated with Matlab/Simulink,and then the simulation results validate the correctness and validity of the method.

active power filter；closed-loop detection；reactive and harmonic current；voltage control

TM743

A

0258-7998(2012)03-0067-04

2011-10-23)

王春蕾，男，1987年生，硕士，主要研究方向：电力电子与电力传动。

张代润，男，1965年生，教授，硕士生导师，主要研究方向：电力电子与电力传动、电能质量控制。