新型三相三线制并联有源滤波器的应用研究

蒋鲁军 商少锋

【摘要】随着现在工业的发展，非线性和时变性电子装置，如逆变器、整流器和各种开关电源的大规模应用，带来了电力系统的电能质量问题。所谓电能质量问题是指由于电力系统中接入了非线性负载而导致的电源电压和电流的波形畸变、功率因数地下、相位失真等问题。本文提出了一种新型三相三线制并联有源滤波器的控制方法，有效的降低了补偿后电源电流的谐波含量，提高了有源滤波器的谐波补偿效果。

【关键词】有源滤波器;谐波补偿;滑模控制

引言

随着现代工业的发展，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，导致了电力系统的电能质量问题。电能质量的下降严重影响着供电、用电设备的安全运行，引起世界各国的高度重视[1]。并联有源电力滤波器作为补偿电力系统中谐波电流的有效装置，越来越受到人们的关注。其研究的重点主要包括有源滤波器的建模方法和参考信号跟踪控制方法。

一、有源滤波器的发展现状

文献[2]-[3]采用间接电流控制方法设计了并联有源滤波器。文献[2]将滑模控制方法运用到电压控制，实现了电源参考电流幅值的计算，并在此基础上建立了直接和间接电流控制有源滤波器。[3]提出了间接电流控制不需要补偿电流检测装置，只需要电源电压电流检测和直流侧电压检测装置。这种方法能有效的减少系统对硬件的需求，且易于DSP实现。文献[4]在传统滞环控制的基础上加入了积分环节，构造了一种新型滑模控制，有效的降低了电源电流的稳态跟踪误差。在三相四线制有源滤波器系统中，一些研究者对有源滤波器的一些控制方法进行了比较。滑模控制是一种设计和分析紧密结合，对模型不确定和对外界扰动具有鲁棒性的控制方法。该控制方法迫使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、搞频率的上下运动，即所谓的“滑动模态”。因此，滑模变结构控制非常适合用于有源电力滤波器参考电流信号的跟踪控制。采用滑模变结构控制方法设计有源电力滤波器，其中滑模控制谐波串联补偿器并提出了一种离散自适应滑模控制理论。本文提出一种新型的滑模控制方法用于参考电流的跟踪控制，并结合间接电流控制方法设计了并联有源滤波器，其主要有点如下：

（1）采用间接电流控制技术的优势在于它不需要谐波检测装置，只需要电源电压、电流检测装置和补偿电路直流侧电压检测装置。较直接电流控制技术，间接电流控制方法系统结构简单，硬要需求，谐波补偿效果好，且易于DSP实现

（2）与滞环比较控制方法相比，新型积分滑模控制方法用于参考电流跟踪控制，可以降低电流跟踪误差，提高有源滤波器的谐波补偿效果。即使在电源电压含有谐波和负载变化情况下，所设计的新型滑模控制间接电流控制有源滤波器仍然具有良好的谐波处理效果。

二、三线三相制并联有源滤波器的控制算法研究

为了简化分析，假设并联有源滤波器中的IGBT是理想器件，忽略IGBT的等效电阻以及“开”状态的向上切换时间和“关”状态的向下切换时间，整个系统包含以下几部分：

补偿电路：补偿电路通过产生与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，抵消负载电流中的谐波分量，使电源电流成为与电压同相位的正弦波电流。

参考电流信号计算模块：本设计采用PI调节器控制直流侧电压稳定，并将PI控制器输出经过低通滤器处理后与sin（wt）、sin（wt+120o）、sin（wt-120o）相乘用作电源参考电流幅值ISp。参考电流应该与电源电压同相位。

滑模变结构控制器：滑模变结构控制器采用一种新型积分位置跟踪滑模控制方法。滑模控制器输出经过滞环比较控制器生成PWM控制信号（g1、g2、g3、g4、g5、g6）。

测量仪器：用于测量电源电压、电流和直流侧电压。

定义（iSa、iSb、iSc）为电源电流，（iLa、iLb、iLc）为负载电流，（ica、icb、icc）为补偿电流。根据基尔霍夫电流定律得：

（1）

三相三线制有源滤波器的状态方程如下：

（2）

其中：

（3）

开关函数ji=0或者，i=a、b、c。

电源电流参考信号（iSaref、iSbref、iScref）由参考电流信号发生器产生，为了使生成的电源参考电流与电源电压具有相同的相位，本设计采用3个锁相环构造单位正弦信号（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）。PI控制器主要用于控制直流侧电压稳定。负载电流幅值通过PI控制器输出与比例因子k相乘实时估计。为了获得相对稳定的幅值信号，本设计采用低通滤波器过滤参考电源电流幅值信号Iref的高频分量。间接电流控制方法的电源电流参考信号可以由单位正弦信号（sin wt，sin（wt-120o），sin（wt+120o）与参考电源电流幅值信号Iref相乘构造。

滑模控制由于具有快速性和對大范围负载变化的稳定性等优点，被广泛应用于有源滤波器的控制。假设电源电流为（iSa、iSb、iSc），电源参考电流为（iSa、iSb、iSc），跟踪误差误差为ea、eb、ec，则：

（4）

误差变化率为：

（5）

滑模变结构控制器的控制量可以表示为ui=kei，其中i=a、b、c。

有源滤波器的控制信号为电容两端电压Vdc。外环PI控制回路控制Vdc稳定。根据切换函数Si与IGBT门控制信号的关系得：当Si为正时，i相电桥上桥臂IGBT导通，下桥臂IGBT关断;当Si为负时，i相电桥上桥臂IGBT关断，下桥臂IGBT导通。

三、仿真和实验结果分析

在实验条件下，采用MITLAB进行仿真。非线性负载由通用电桥和RL串联支路构成。仿真系统结构图如图1所示：

图1 三相三线并联有源滤波器结构图

A相负载电流波形、参考电流幅值信号波形、电源参考电流波形符合国家标准。从结果可以看出，各阶段参考电流幅值平均值与负载电流幅值大小相等。当能量流入补偿电路时，补偿电流增大;当能量流出补偿电路时，补偿电流减小。参考电流幅值平均值与负载电流幅值相等可以保证主电路与补偿电路之间能量流动量最小，提高系统的稳定性和有源滤波器的谐波补偿效果。

为了简化分析，我们设计电容电压初始值为350V。PI控制器用于直流侧电压稳定控制，电压参考值与稳定值之间的差值用于负载电流幅值的计算。直流侧电压参考值与稳定之间的差值随着负载电流的增大而增大。PI控制器输出与负载电流幅值成比例，比例因子为k，因此，PI控制器输出与比例因子相乘用于计算参考电源电流幅值。为了减少幅值信号的抖振，采用低通滤波器滤除信号中的高频成分。

补偿后的电源电流波形、补偿电流、电流跟踪误差符合要求，在对负载电流、处理后电源电流进行谐波分析。根据2000年国际电工委员会（IEC）颁布的电磁兼容标准IEC-61000，低压电网谐波含量必须小于5%。补偿前负载电流THD=24.72%，远远高于国际标准。采用滞环比较法间接电流控制有源滤波器处理后，电源电流谐波含量为3.35%。采用新型滑模变结构间接电流控制有源滤波器处理后，电源电流谐波含量降低为2.51%。

四、结论

本文在间接电流控制有源滤波器的基础上，设计了一种滑模变结构控制方法，用于内环电路电源电流的跟踪控制。PI控制器用于直流侧电压控制，其输出信号与比例因子k相乘后得到幅值信号。电源电流幅值信号与三相单位正弦信号相乘构成与电源电压同相位的电源电流的参考信号。仿真实验结果显示，以观察系统对外界负载变化的鲁棒性和適应性。系统生成的电源电流参考信号与电源电压同相位。新型滑模变结构控制方法比滞环比较法具有更好的电流跟踪性能，所设计的滑模控制器可以替代滞环比较控制器以提高有源滤波器的谐波补偿效果。间接电流控制方法硬件需求少，结构简单，易于实现，未来可以考虑采用自适应控制、智能控制等先进控制理论，提高有源滤波器的谐波补偿效果。

参考文献

[1]姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器结构、原理、控制[M].科学出版社：北京，2005.

[2]D.Nedeljkovic，M.Nemec，K.Drobnic，V.Ambrozic.Direct current control of active power filter without filter current measurement[C].International Symposium on Power Electronics，Electrical Drives， Automation and Motion.2008：72-76.

[3]B.Singh.Sliding mode control technique for indirect current controlled active power filter[C].2003 Annual Technical Conference of IEEE Region 5.2003：51-58.

[4]D.Stanciu，M.Teodorescu，A.Florescu，D.Stoichescu. Single-phase active power filter with improved sliding mode control[C].2010 Conference on Automation Quality and Testing Robotics.2010：1-5.