有源电力滤波器关键技术的研究

綦慧，赵聪

（北京工业大学，北京100124）



有源电力滤波器关键技术的研究

綦慧，赵聪

（北京工业大学，北京100124）

摘要：电力电子设备的广泛使用，使得电网中谐波污染越来越严重。有源电力滤波器APF（Active Power Filter）作为目前治理谐波的主要手段，越来越受到人们的重视。详细阐述了APF的工作原理，并在此基础上提出了一种基于频域分析的FFT检测法与基于不定频滞环的SVPWM电流跟踪法相结合的控制策略，以期在精准检测电网电流谐波分量的同时，也能够获得较好的电流跟踪特性。理论仿真和样机实验结果表明，该控制策略大大降低了汇入电网的谐波电流，有效减小了谐波对电网的污染。

关键词：有源电力滤波器；FFT；SVPWM；不定频滞环

1　引言

70年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置广泛应用于军事、工业、交通及日常生活等各行各业，大力推动着国家经济的增长，但同时电力电子装置自身所具有的非线性特性给电网系统带来了大量的谐波污染，降低了电网的电能质量。在电网污染日益严重的情况下，对电网谐波进行抑制、提高电网的电能质量已成为各国学者关注的热点之一［1］。传统谐波抑制方法是通过电感、电容等器件组成无源滤波器来滤除设备中所产生的谐波电流，从而减小其对电网系统的污染，但其补偿特性受电网阻抗及运行状态的影响，易与系统阻抗产生谐振，故补偿效果不够理想。目前，具有动态抑制谐波特性的有源电力滤波器已成为治理谐波污染的重要手段。其工作原理是通过负载电流检测出所需的谐波电流，然后控制器使APF装置输出与谐波电流互补的补偿电流，这样就可以与电网中的谐波电流互相抵消，从而达到消除电网谐波的功能［2-4］。

谐波电流检测与补偿电流跟踪控制方法的优劣关系到APF性能的好坏。为了更好地实现电网谐波的补偿，本文提出了一种基于频域分析的FFT检测法与基于不定频滞环的SVPWM电流控制方法相结合的控制策略，并进行了仿真和样机实验。

2　有源电力滤波器的工作原理及基本结构

本文以工业中实际运用最多的并联型有源电力滤波器作为研究对象，其工作原理如图1所示。

图中，ES表示交流电网的电压，R为电网的等效电阻，IS为交流电网的电流，IC为APF输出的补偿电流，IL为负载电流，L为滤波电感。APF主要由谐波检测电路和补偿电流输出电路（由电流跟踪控制电路、功率驱动电路和PWM变流器构成）组成［5］。

图1　有源电力滤波器工作原理图

其中，谐波检测电路是通过检测负载电流IL中的谐波分量ILh，作为补偿控制电流的给定信号，作用于后续控制电路，产生与原始谐波分量ILh大小相等、方向相反的补偿电流IC，抵消负载电流中的谐波分量，达到滤除电网谐波的效果，其过程如式1-式3所示。

式中，IL1为负载电流中的基波分量，ILh为负载电流中的谐波分量。

与图1相对应，并联型有源滤波器基本拓扑结构如图2所示。其中选用IGBT开关器件构成三相半桥电路，作为PWM变流器的主电路；网侧电感L不仅用于保持输出电流连续，还可以滤除网侧高频谐波。

图2　并联型有源电力滤波器基本拓扑结构

为方便系统分析，忽略网侧三相电阻R，可以得到系统电压矢量方程为：

式中：V为三相网侧输出电压矢量；E为三相电网电动势矢量；IC为三相网侧电流矢量。

若谐波检测电路检测到负载电流中谐波分量ILh，作为补偿电流控制指令，则实际的误差电流矢量为：

将式（5）带入式（4），可得：

上式表明，补偿电流跟踪误差△IC随E、和V的变化而变化，为实现零误差响应，三相输出指令电压矢量V＊应满足：

将式（7）带入式（6），可得：

在三相半桥电路中，三相网侧输出电压空间矢量V＝Vk（k＝0，…，7），则：

上式（9）表明，在给定三相输出指令电压矢量V＊条件下，可以通过选择合适的三相电压矢量Vk（k＝0，…，7），控制补偿电流跟踪误差的变化率d△IC／dt，以抑制补偿电流跟踪误差△IC的增长，使其趋向于0，从而控制APF快速跟踪谐波信号并输出补偿电流，以滤除电网谐波。

3　谐波检测与补偿电流控制方法

有源电力滤波器的工作性能在很大程度上取决于谐波电流检测的实时性和准确性，因此，对谐波电流检测方法的研究具有十分重要的意义。目前国内外主要检测方法有模拟滤波器检测法、基于瞬时无功理论的检测法、基于频域分析的FFT检测法［7-8］等，它们各有优缺点。为获得更精准的检测结果，本文采用基于频域分析的FFT检测法，如图3所示。系统稳定时，非线性负载在每个电网周期产生的谐波信号相同，因此，一个电网周期的谐波分析结果可以适用于下一个电网周期。本文检测方法根据上一个电网周期Tn-1对非线性负载电流的采样结果进行FFT计算，消除基波分量，进行FFT反变换，最后得到滤除基波后的谐波电流分量，作为控制器的补偿指令，并在下一个电网周期Tn控制输出补偿电流。其优点是可以精准地检测出各频次谐波分量，进行针对性的补偿。

图3　谐波检测流程框图

准确检测谐波电流分量后，APF需要实时控制产生与负载谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，因此补偿电流控制方法是APF控制的核心。目前主要补偿电流控制方法有三角波控制法、滞环电流控制法、基于空间电压矢量（SVPWM）的滞环电流控制法、预测控制法等［9］。其中基于空间电压矢量的滞环电流控制将滞环控制和空间电压矢量结合起来，通过选择最优空间电压矢量，使电流误差维持在一定宽度的滞环内，达到高品质的电流控制效果。由于该方法鲁棒性较好且易于实现，电流响应快速，因此本文选择此方法作为补偿电流的控制方法。

基于不定频滞环的SVPWM电流控制策略原理图如图4所示。若设给定补偿电流信号为、ib＊，与输出反馈电流信号ia、ib、ic叠加后得到误差电流，经过固定环宽的滞环后得到的比较状态信号Ba、Bb、Bc，同时依据指令电压矢量V＊检测判断信号Xab、Xbc、Xca，按照规定的电流控制规则，选择出一个合适的电压空间矢量Vk（k＝0，…，7），控制补偿电流跟踪误差的变化率，抑制误差电流的增长，从而精准得到电网注入所需的补偿电流，使电网电流恢复正弦状态［6-7］。

图4　基于不定频滞环SVPWM的控制方法原理图

不定频滞环是本文电流跟踪控制方法的关键之处，因其开关频率不定，所以称之为不定频滞环，其工作原理图如图5所示。通过SVPWM方法选择最优的电压空间矢量，将补偿电流IC控制在±IW范围内，实现电流跟踪控制。其中滞环宽度IW的选择关系到电流跟踪性能的优劣。IW过大，补偿电流不能较好地跟踪给定信号，纹波较大；IW过小，控制系统精度要求过高，功率器件开关损耗过大。

图5　不定频滞环工作原理图

4　理论仿真实验及结果分析

为了验证本文控制策略的正确性及可行性，使用Matlab／Simulink进行建模和仿真，对负载电流进行FFT分析，并控制输出对应补偿电流至电网中。图6所示为搭建的仿真系统模型，包括电源模块、检测模块、FFT计算模块、非线性负载模块和APF模块。图7所示为不定频滞环SVPWM的电流控制系统子模块。系统中参数选取如下：三相220V电源，108Ω负载电阻，滤波电感10mH，直流母线电容8400μF。

图6　控制系统框图

图7不定频滞环SVPWM控制模块

图8（a）所示为检测谐波波形，图8（b）所示为不定频滞环控制输出的补偿电流波形，从图可见，控制输出的补偿电流与原始谐波波形相近，纹波较小。

图8谐波检测信号仿真结果

图9（a）所示为原始电网电流波形，图9（b）所示为APF补偿后电网的电流波形，图9（c）所示为原始电网谐波分析图，图9（d）所示为补偿后电网谐波分析图。对比仿真结果，可见APF补偿后电网波形呈正弦状态且正弦度较好，波形纹波小，光滑度高，电网总谐波畸变率（THD）由27．49%降为7．58%，大大减小了电网中的谐波分量，降低了非线性负载对电网的谐波污染程度。

图9　仿真结果分析

5　样机实验及结果分析

为了解决基于频域分析的FFT检测法计算量过大的问题，保证检测信号的实时性和补偿电流控制的快速性，本文采用双DSP+FPGA的控制系统，搭建实验样机硬件平台，其结构框图如图10所示。实验装置及参数如下：

（1）电源：380V／50Hz；

（2）非线性负载：三相二极管不可控桥，带108Ω纯电阻负载；

（3）PWM变流器：三相半桥可控电路，型号QPEBB；

（4）滤波电抗器：10mH；

（5）直流端电容：8400μF。

图10　硬件平台结构框图

控制系统功能框图如图11所示，FPGA主要实现同步时钟控制和中断信号发生、AD采集、PWM脉冲发生及保护DSP间数据交换（双口RAM）等逻辑功能。DSPA在前一电网周期对当前负载电流进行FFT分析，经过计算得到补偿电流分量，并存储在FPGA中。DSPB在下一电网周期从FPGA中提取补偿电流给定信号，经过不定频滞环SVPWM控制算法计算后，得到当前补偿控制信号传至FPGA中，FPGA控制输出PWM波至PWM变流器，对APF输出的补偿电流实行控制，使得APF输出与电网谐波信号大小相等、方向相反的补偿电流，达到滤除电网谐波的效果。

图11　控制系统功能框图

基于上述控制理论，本文进行有源电力滤波器的实验。检测模块将检测到的三相二极管不可控桥的负载电流信号传至控制系统，控制系统分析谐波分量后，输出控制信号至变流器模块，然后输出补偿电流至电网中，以此消除谐波危害。

APF检测谐波信号与补偿电流信号如图12所示，其中Line1为APF采用基于频域分析的FFT算法检测到的电网谐波信号，也是补偿控制模块的给定信号。谐波信号与前一仿真结果基本一致，表明谐波分析结果较为准确；Line2为APF基于不定频滞环SVPWM控制输出的补偿电流信号，其较好地跟踪了谐波给定信号，时延较小，说明本文的电流跟踪控制算法准确性及快速性较好。图13所示为APF运行后的波形结果，CH1通道为原始的电网电流波形，CH2为APF补偿后电网的电流波形，Math通道为APF输出的补偿电流波形，可见APF补偿后，电网电流波形恢复为正弦度，谐波减少。将实验数据传至Matlab／Simulink中进行谐波分析，结果如图14、图15所示，原始电网总谐波畸变率（THD）为27．45%，补偿后电网电流波形THD 为10．68%，电网总谐波畸变率明显减小。

图12　APF检测谐波与补偿电流信号

图13　实验结果波形

图14　原始电网谐波分析

图15　不定频SVPWM控制后电网谐波分析

6　结束语

本文对APF的工作原理及其实现进行了分析和研究，采用了基于频域分析的FFT检测法与基于不定频滞环的SVPWM电流控制方法相结合的控制策略，对电网谐波进行治理。仿真及实验结果表明，本文所提出的控制策略可以准确检测并补偿电网的谐波信号，补偿后电网电流的波形恢复为正弦状态，电网总谐波畸变率大大减小，有效降低了非线性负载对电网的谐波污染。

参考文献：

［1］谢斌．并联型有源电力滤波器谐波检测及控制技术研究［D］．武汉：华中科技大学，2010．

［2］陈仲．并联有源电力滤波器实用关键技术的研究［D］．杭州：浙江大学，2005．

［3］成剑．基于DSP的有源滤波器谐波检测及其控制方法的研究［D］．长沙：中南大学，2005．

［4］Akagi H．New trends in active filters for power conditioning［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，1996，32（6）：1312-1322．

［5］Peng F Z．Application issues of active power filters［J］．IEEE Industry Applications，1998，4（5）：21-30．．

［6］张兴，张崇巍．PWM整流器及其控制［M］．北京：机械工业出版社，2005．

赵聪（1991-），男，江苏省南京市人，硕士，主要研究方向为工控自动化、电网谐波治理等。

Research on key technologies of active power filter

QI Hui，ZHAO Cong

（Beijing University of Technology，Beijing 100124，Chin）

Key words：active power filter；FFT；SVPWM；indeterminate frequency hysteresis

Abstract：With the wide applications of the power electronic equipments，the harmonic pollution in electrical power system becomes more and more serious in recent years．As the primary means of harmonic suppression，the active power filter（APF）has been drawing more and more attention．The working principle of APF were described in detail，and on this basis，in order to detects the harmonic current accurately and obtains good performance of current tracking，a new control strategy is proposed．In this strategy，the fast fourier transform algorithm（FFT）method is used to detected the harmonic current，and the space vector pulse width modulation（SVPWM）current control method based on indeterminate frequency hysteresis is used to track the compensating current．The results of simulation and experiment show that this strategy can greatly reduce the distortion rate of the grid current and can effectively restrain harmonic pollution of the grid．

中图分类号：TN713+．8

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2016）02—0001—05

作者简介：綦慧（1971-），女，山东省济宁市人，博士，副教授，主要研究方向为电力拖动与自动控制系统、工业测控系统等。

收稿日期：2016-03-09