基于基波参考信号的并联有源电力滤波器控制研究

徐承韬， 焦 禹， 樊立萍， 蔡胜年， 秦 然， 李 舸

(1.沈阳化工大学信息工程学院，辽宁沈阳 110142;2.东软集团股份有限公司，辽宁沈阳 110012)

随着科技的进步及工业的发展，电气设备数量越来越多，高新、精密用电设备不断投入使用，对供电质量提出了越来越高的要求.但在同时，这也意味着现代电力系统中感性负载、电力电子装置等非线性负荷的应用日益增多，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性等固有的用电特性对供电质量造成了严重影响，使电力系统中谐波污染、功率因数低下等问题愈发严重.电能使用的矛盾日益突出，使得对改善电能质量的研究具有重要且紧迫的现实意义.

有源电力滤波器(APF)是一种用来动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功电流进行补偿，克服无源滤波器等传统的谐波抑制和无功功率补偿方法的缺陷.有源电力滤波器补偿电流的检测和控制是决定其工作特性的2个关键性环节，直接影响到它的补偿精度和补偿速度.本文对应用广泛的对电网侧进行补偿的并联APF进行了研究，提出了一种不同于传统方式的新型控制信号生成方式，并通过仿真证明了它的有效性和先进性.

1 传统参考信号控制方式

检测方法决定了谐波电流的检测精度，进而影响APF的电流补偿效果.谐波电流检测方法可分为频域和时域2大类:基于频域的检测方法有模拟带通(带阻)滤波器检测法、快速傅立叶(FFT)变换法和小波变换法;基于时域的检测方法有有功电流分离法、自适应干扰消除法(ANC)和基于“瞬时无功理论”的瞬时空间矢量法.各种检测方法传统上均侧重于检测谐波电流或基波无功电流或两者之和，用于给出参考信号控制 APF的电流补偿［1］.

APF的控制方法主要可分为电流跟踪控制和电压控制2大类，分别包括三角波脉宽调制控制技术、滞环比较控制技术和电压空间矢量控制技术等.这些控制方法从不同侧面、不同角度提供APF的一般形式控制方式，本质在于优化开关函数，使主电路依据参考信号产生补偿电流，并在同时维持直流侧电容电压恒定.

在传统的APF控制中，对主电路开关器件的控制信号均由同一类方式得到，即将APF检测到的参考(谐波)电流与实际输出电流iC作比较，然后将它们的差值ΔiC经某种方式处理后(如PI调节)得到控制信号，这种控制方式目的是使APF的实际输出电流跟踪参考电流的变化来补偿谐波，可将这种传统的控制信号生成方式称为谐波参考信号控制方式，其原理如图1所示.

图1 基于谐波的控制信号生成方式Fig.1 Control signal generated approach based on harmonic

APF对参考信号的时间同时性要求较高，而在谐波参考信号控制方式下，谐波电流检测需要先检测出非线性负载电流中的基波分量，然后将其从负载电流中减掉，从而得到谐波电流用于控制，这个过程中参考信号生成时间较长，对APF的快速性有一定的影响.

2 新型参考信号控制方式

谐波参考信号控制方式的控制对象是APF输出的补偿电流，其控制目标是使参考电流与实际补偿电流的差值ΔiC最小.当ΔiC=0时，APF的输出为理想的补偿电流，电源只需提供负载电流的基波电流.根据这个基本思想，可作下面的推导.

图2 基于基波的控制信号生成方式Fig.2 Control signal generated appoach based on the fundamental wave

基波参考信号控制方式使电流检测电路得到简化，缩短电流检测时间，有利于提高APF的快速性.而且，相对于谐波参考信号控制方式，基波参考信号控制方式思路更切合APF的补偿原理，目的性更为直接、明确，即APF补偿的目的是使非线性负载电流中的谐波电流就地得到补偿，使电源只提供其基波分量.

3 仿真验证

采用基于“瞬时无功理论”的ip-iq法检测谐波，同时采用滞环比较控制方式［2-5］，按谐波参考信号控制方式构成的APF仿真系统如图3所示.在如下条件情况下运行模型:系统电源为理想三相电压源，相电压有效值为220 V，频率为50 Hz;整流电路直流侧负载为阻性R=20 Ω;触发控制角为0°，得到a相负载电流、a相补偿电流和补偿后的a相电源电流、a相电流补偿前后情况频谱分析及APF主电路直流侧电容电压如图4所示.同样采用基于“瞬时无功理论”的ip-iq法检测谐波及滞环比较控制方式，按基波参考信号控制方式构成的APF仿真系统如图5所示，在与上相同条件下运行模型所得仿真结果如图6所示.

比较2组仿真结果，后者的补偿后电源电流的总谐波畸变率THD较小，说明按基波参考信号控制方式构成的APF具有更好的谐波抑制效果，并能控制保持主电路直流侧电压的稳定.改变参数在其他条件下运行仿真模型，按基波参考信号控制方式构成的APF同样具有良好的谐波抑制功能及控制保持主电路直流侧电压稳定的功能.

图3 采用ip-iq法检测谐波及滞环比较控制方式，按谐波参考信号控制方式构成的APF仿真系统Fig.3 APF simulation system graph which formed by harmonic reference signal，adopting the ip-iqtest method and hysteresis comparison control method

图4 按谐波参考信号控制方式构成的APF仿真系统的仿真结果Fig.4 The simulation results of the APF model based on harmonic reference signal

图5 采用ip-iq法检测谐波及滞环比较控制方式，按基波参考信号控制方式构成的APF仿真系统Fig.5 APF simulation system graph which formed by fundamental wave reference signal，adopting the ip-iq test method and hysteresis comparison control method

图6 按基波参考信号控制方式构成的APF仿真系统的仿真结果Fig.6 The simulation results of the APF model based on fundamental wave reference signal

4 结论

对比2种APF系统结构可以看出，按谐波参考信号控制方式构成的APF和按基波参考信号控制方式构成的APF电路基本结构相同，只是控制环节比较器的输入不同.考虑到目前存在的谐波电流检测方法大多是先检测出非线性负载电流中的基波分量，然后将其从负载电流中减掉，从而得到谐波电流，如果采用基波参考信号控制方式将简化电流检测电路，缩短电流检测时间.另外，APF的目的是使非线性负载电流中的谐波电流就地得到补偿，使电源只提供其基波分量，从这个角度讲，基波参考信号控制方式思路更为明确、直接，同时，加上谐波电流检测时间的缩短，可使补偿效果更好，实际的仿真结果证明了这一点.

［1］ 徐政.电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计［M］.北京:机械工业出版社，2005:25-31.

［2］ 陈国民，郭殿林，高明全.基于无功功率理论的有源电力滤波器仿真研究［J］.煤矿机械，2011，3(3):10-12.

［3］ 李晓迅，庄茂东，张课.无谐波检测环节的三电平有源电力滤波器控制系统［J］.低压电器，2011，12(4):16-18.

［4］ 葛锁良，卫胤强.三相四线制并联有源电力滤波器的研究与设计［J］.合肥工业大学学报:自然科学版，2011，6(1):19-23.

［5］ Mathworks.MATLAB/SIMULINK Online Help［EB/OL］.(2012-01-01)［2012-05-10］.http://www.mathworks.cn/help/toolbox/simulink/.