有源电力滤波器两种电流检测方式研究

李晶晶，赵争鸣，葛俊杰

(清华大学电机系，电力系统及发电设备安全控制和仿真国家重点实验室，北京100084)

1 引言

随着电网电能质量要求日益提高，有源电力滤波器(APF)作为一种有效的滤除电网谐波、提高电能质量的装置得到了广泛关注［1］。有源电力滤波器首先对检测信号进行处理以得到补偿电流指令，继而通过控制开关管动作，产生需要补偿的电流与电网中的谐波电流进行抵消，以改善公网电能质量。按照检测来源划分，有源电力滤波器分为网侧电流检测方式以及负载侧电流检测方式。由于负载电流可以视为恒定，不随APF的接入而改变，则有源滤波器电流输出对负载电流以及补偿电流指令无影响，故采用负载侧电流检测方式属于间接补偿，具有实现简单、系统稳定性强的特点，得到广泛应用。相反对于网侧电流检测方式，由于有源电力滤波器直接检测网侧电流，其电流输出会对补偿电流指令产生反馈作用，故采用网侧电流检测方式的有源滤波器控制属于直接补偿［2，3］。其相较负载电流检测方式而言，补偿精度更高，但系统稳定性易受到干扰，并未得到广泛应用。以往文献缺乏对这两种电流检测方式背后机理的深入分析。

本文通过将电流控制环节纳入分析，并对两种检测方式进行建模发现:在理想情况下，负载电流检测方式和网侧电流检测方式实为等效，即两者之间可以进行转换并且具有相同的滤波特性。考虑非理想因素的存在，网侧电流检测方式将具有一定优势。但网侧电流检测方式存在系统稳定性问题。

2 理想情况下两种检测方式等效分析

负载侧电流检测方式APF等效结构如图1所示。其中us为电网电压;uinv为APF中逆变器模块产生的交流电压;is，iL，iapf分别为电网电流，负载电流和APF输出电流;Zs，Zl分别为电网等效阻抗与APF与电网之间的连接阻抗。

图1 负载侧电流检测方式APF等效结构Fig．1 Structure of load current detection type APF

负载电流iL经过电流检测得到谐波指令值，将与APF实际产生的电流iapf的差值送入控制模块中，得到逆变器电压指令值，该电压指令值经过逆变器后输出uinv，与电网电压共同作用在连接阻抗Zl上，产生APF输出电流iapf并注入电网。在图2中画出图1的等效系统框图。

图2 负载侧电流检测方式控制框图Fig．2 Block diagram of load current detection type control

其中，H(s)为谐波检测模块的传递函数，满足:

在理想条件下，有下式成立:同时，APF满足基尔霍夫电流(KCL)定律:利用式(2)和式(3)，图2可等效为图3。

图3 图2的等效变换控制框图Fig．3 Transformed block diagram of Fig．2

其中，V(s)，C(s)分别为控制器和逆变器的传递函数。

根据式(4)与图3，可以画出在理想情况下，负载侧电流检测方式的等效网侧电流检测结构，如图4所示。

从图4中看到，此时负载侧电流检测方式下APF逆变器侧电压指令值可以等效为由电网电流is决定，恰与采用网侧电流检测方式的控制结果相同。通过上述分析，可以得到如下结论:理想情况下，即忽略电流传感器非线性、检测误差以及控制误差的存在，负载检测方式和电网电流检测方式等效。

图4 负载侧电流检测方式的等效网侧电流检测结构Fig．4 Equivalent source current detection type APF transformed form

3 非理想情况下两种检测方式分析

以上论证了在理想情况下负载检测方式和网侧电流检测方式可以互换。但是通常情况下由于电流传感器的非理想特性，检测误差以及控制误差等因素的存在，网侧电流检测方式相较负载侧电流检测方式有如下优缺点。

3.1 电网电流检测方式具有更高的补偿精度

对于有源电力滤波器而言，其通过产生和负载谐波相同的电流注入电网以减少网侧电流谐波，使得电网只需要提供负载中的基波分量，即:其中，ish和iLh分别为电网电流谐波分量以及负载电流谐波分量。

在非理想情况下，由于检测误差以及控制误差等因素存在，APF输出电流不可能严格与负载谐波电流相等。假设在k时刻两者之间存在一个误差量δ:

结合式(5)和式(6)，负载侧电流检测方式在t时刻的电网电流谐波可以表达为:

由于采用负载电流检测方式计算补偿电流指令，且负载电流可视为恒定，故此时电网电流中的谐波电流无法体现在补偿指令中。故该电网电流谐波误差将始终存在，不随时间改变，即:

同理，对于采用网侧电流检测方式的APF，其在t时刻的电网电流谐波亦为ish(t)=δ。但由于此时检测的是电网电流，故该电网电流谐波可以反映在补偿电流指令中，从而t+1时刻的电网电流谐波表达如下:

由于H(s)is(t)=ish(t)，式(9)可化简为:式(10)中－L(s)V(s)C(s)ish(t)一项反映的正是网侧电流检测方式对电流指令值的修正能力。当t趋向无穷时，有ish(t+1)=ish(t)，则有:

式(11)表明:采用网侧电流检测方式的APF，可以通过不断修改电流指令消除误差，故相较负载侧电流检测方式而言具有更高的补偿精度。

3.2 网侧电流检测方式系统稳定性易受影响

首先分别画出采用负载侧电流检测方式和网侧电流检测方式下的系统框图，如图5和图6所示。

图5 负载电流检测系统框图Fig．5 Block diagram of load current-based system

图6 网侧电流检测系统控制框图Fig．6 Block diagram of source current-based system

为简化分析，做如下简化:C(s)取为比例环节k，逆变器函数简化成比例环节，输出电感为单电感，即G(s)=k/s。

对于图5中的负载侧电流检测方式下系统有:在图6中的电网电流检测方式下系统有:

从式(13)和式(15)可以看到，采用负载侧电流检测方式时，系统最终控制目标ish对负载扰动不敏感;单采用网侧电流检测方式时，ish对负载扰动敏感，系统稳定性受到影响。

4 仿真与实验验证

4.1 仿真模型搭建

在Matlab/Simulink平台上搭建有源滤波器模型。主电路为三相四线制中点电容型结构;交流滤波器采用LCL滤波器［4，5］。负载为带电阻的三相无控整流桥。谐波检测模块采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq法的全谐波补偿。控制电流生成模块则采用重复控制加PI的复合控制策略［6］。具体模型参数如表1所示。

表1 APF仿真参数Tab．1 Parameter settings for APF simulation

为准确比较，现控制所有其他变量，即保持控制参数相同，仅通过改变电流检测方式来对控制效果以及系统稳定性进行比较。仿真得到三组不同控制参数下，采用两种检测方式分别补偿后的电网电流THD值对比数据。现将三组仿真对比的具体控制参数与相应的两种电流检测方式得到的THD对比数据列出，如表2和表3所示。

表2 三组仿真对比的主要参数取值Tab．2 Simulation control parameter value setting

表3 多组参数下两种电流检测方式补偿效果THD对比Tab．3 Simulation results comparison between source and load current detection type

组1和组2参数下得到的补偿结果表明:在相同参数下，当两种电流检测方式都可以稳定运行时，网侧电流检测方式下的APF滤波效果要优于负载侧电流检测方式下的APF。组3参数下得到的补偿效果表明:负载侧电流检测方式较网侧电流检测方式具有较强的系统稳定性。图7和图8分别为组2和组3参数下两种检测方式的仿真波形。从上到下依次为负载电流波形，网侧电流检测方式下的电网电流波形和负载侧电流检测方式下的电网电流波形。从图8中可以明显看到:增大控制参数后，采用网侧电流检测方式下的系统出现振荡;而采用负载侧电流检测方式的系统仍可稳定运行。

图7 组2参数下两种检测方式对电网电流补偿波形对比Fig．7 Source current comparisons with different current detection methods under parameter setting 2

图8 组3参数下两种检测方式对电网电流补偿波形对比Fig．8 Source current comparisons with different current detection methods under parameter setting 3

4.2 实验验证

搭建的有源电力滤波器实验平台如图9所示。逆变器模块采用智能功率模块(Intelligent Power Module);交流滤波器采用LCL滤波器结构;母排采用双侧母排技术以减少杂散电感等影响。本次数字控制部分采用2个数字信号处理器(DSP)完成。一块DSP负责谐波检测，另一块DSP负责谐波电流生成。两个DSP之间利用双端口随机存储器(DPRAM)进行通信。主电路的具体参数与仿真相同，具体参见表1。

图9 APF实验平台Fig．9 Experimental platform of APF

在该实验平台上就相同的参数设定分别采用网侧电流检测方式和负载侧电流检测方式对有源滤波器进行控制。图10和图11分别为网侧电流检测方式下与负载电流检测方式下的APF工作波形图，从上到下依次为电网电压、电网电流和负载电流。

图10 网侧电流检测方式APF实验波形Fig．10 Waveforms of source current detection type APF

将图10和图11中的电网电流波形数据导入MATLAB中进行FFT分析。计算可得此时采用网侧电流检测方式补偿后的电网电流THD为2.23%。而采用负载侧电流检测方式补偿后的电网电流THD值为3.47%。具体的各次谐波THD比较归纳在表4中。

图11 负载侧电流检测方式APF实验波形Fig．11 Waveforms of load current detection type APF

表4 两种电流检测方式补偿后电网电流THD值具体比较Tab．4 Detailed THD comparison of two current detection types

可以看到针对每次谐波，网侧电流检测方式下的APF都可以得到更好的补偿效果。以5次谐波为例进行说明。负载中5次谐波含量为23.8%，采用网侧电流检测方式补偿后，5次谐波含量降为0.79%，而采用负载侧电流检测方式补偿的5次谐波含量还有1.73%，是网侧补偿THD值的2倍之多。THD值的对比表明在保持其他条件不变情况下，采用网侧电流检测方式的APF滤波效果明显好于采用负载侧电流检测方式的APF。

此外通过增大重复控制放大系数R或比例放大系数P来不断提高系统增益发现:当增加到一定程度时，采用网侧电流检测方式的系统会出现振荡，如图12所示;而采用负载侧电流检测方式的APF在高增益下仍可以保持系统稳定。

图12 网侧电流检测方式APF震荡实验波形Fig．12 Oscillated waveforms of source current based APF

5 结论

本文从补偿精度以及系统稳定性出发，通过理论推导、仿真计算以及实物实验对两种有源电力滤波器电流检测方式进行比较与验证。分析表明在理想情况下，负载侧电流检测方式可以等效为网侧电流检测方式。在非理想情况下，网侧电流检测方式相较前者而言补偿精度高。但属于闭环控制范畴的网侧电流检测方式易受到干扰，系统稳定性较弱，限制其广泛应用。

［1］陈国柱，吕征宇，钱照明(Chen Guozhu，Lv Zhengyu，Qian Zhaoming)．有源电力滤波器的一般原理及应用(The general principle of active filter and its application)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2000，20(9 ):17-21．

［2］Yi Hao，Zhuo Fang，Wang Xianwei，et al．Study of closed-loop control scheme for source current detection type active power filter［A］．IEEE ECCE［C］．2010.145-350．

［3］Mariethoz S，Rufer A C．Open loop and closed loop spectral frequency active filtering［J］．IEEE Transactions on Power Electron，2002，17(4):564-573．

［4］Liserre M，Dell Aquila A，Blaabjerg F．Stability improvements of an LCL-filter based three-phase active rectifier［J］．Proceedings of PESC，2002，(3):1195-1201．

［5］Tokuda H，Amono I，Eguchi N．A resonance dumping control for a line-current detection type active filter［A］．PCC 2002［C］．2002．755-760．

［6］仇志凌，杨恩星，孔洁，等(Qiu Zhiling，Yang Enxing，Kong Jie，et al．)．基于LCL滤波器的并联有源电力滤波器电流闭环控制方法(Current loop control approach for LCL-based shunt active power filter)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2009，29(18):15-20．