基于滞环控制策略的并联有源滤波器研究

施林涵

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）



基于滞环控制策略的并联有源滤波器研究

施林涵

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108）

并联有源滤波器是电网中常用的谐波抑制和无功补偿的装置，本文研究了基于滞环控制策略的并联有源滤波器结构，详细分析了直流电容和串联电抗器两个关键器件的参数对系统的影响，并给出了选取原则，最后结合SABER软件的仿真结果，验证了参数优化后该方案的有效性。

并联有源滤波器；滞环控制；SABER

随着近年来电力电子设备在工业内的广泛应用，各类非线性负载在使用中产生了大量的谐波分量，造成系统内电压、电流波形发生严重畸变，并引起供电质量下降、电力元件损耗上升、用电设备运行的可靠性降低等问题[1-2]。为了解决电力系统内的谐波污染，众多学者已经作了大量的研究[3-5]。在各类解决方案中，有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）是当今研究的热点。有源电力滤波器是一种能快速响应，用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，适用于补偿频率和幅值都变化的谐波分量。其补偿特性良好不受电网阻抗的影响，在对滤波有较高要求的地方实用性大大超过传统的无源滤波器。

为了提高有源滤波器的性能，需要不断地对其控制策略进行改进。文献[6]提出了一种神经网络逆解耦的控制策略，文献[7]用一种改进的SVPWM算法进行跟踪控制，上述算法精度高但计算量大，控制复杂，在实际应用中一般还是使用滞环控制策略和三角载波控制策略。本文详细分析了基于瞬时无功理论电流检测的原理，通过系统参数的计算，对滞环控制策略进行了优化。最后通过仿真证明了优化后系统的有效性。

1　并联有源滤波器组成及原理

图1　并联有源滤波器结构

并联有源滤波器是有源滤波器中的一种，其结构如图1所示，图中的负载是典型谐波源——三相桥式整流电路，整流电路直流侧为在日常生活中电子产品广泛等效的阻感负载，APF的主电路采用三相电压型PWM变流器，其直流侧接有一个大电容，电压基本稳定，可视作一个电压源。图中 isa、isb、isc代表电网侧电流，iLa、iLb、iLc代表负载电流，ica、icb、icc代表并联有源滤波器产生的补偿电流。

根据节点电流定律，电网侧电流和负载电流、补偿电流间的关系：式中，iLf和iLh分别为负载电流分解出的基波分量和谐波分量，而并联有源滤波器的补偿电流需要补偿的是负载电流的谐波分量，即产生一个大小相等、

方向相反的电流−iLh，补偿后电网侧的电流为

从上式可以看出，加入并联有源滤波器进行补偿后，电网侧的电流只剩为正弦波的负载电流的基波分量，消除了电网侧的谐波污染。

2　基于瞬时无功理论的电流检测

谐波电流检测的方法很多，基于瞬时无功功率理论的 ip、iq谐波检测方法因容易实现且结果较为准确，因而使用最为广泛。图2为其控制框图。

图2 ip、iq谐波检测法控制框图

图2中，C32为坐标系变换矩阵，将三相电流ia、ib、ic变换到两相静止坐标系下的电流iα和iβ，该变换矩阵的值为

该电路上方的PLL是一个锁相环，锁相环的作用是得到一个和a相的电压有着相同相位的信号，PLL后方的是一个正弦和余弦信号的产生电路，将电流经过矩阵C变换后就能得到电流的有功和无功分量ip、iq。

得到ip、iq后通过低通滤波器（LPF）滤除谐波分量得到了直流分量和，低通滤波器本文选择了巴特沃斯滤波器，阶数为两阶，截止频率30Hz。

经过滤波器得到的直流分量再通过两次的逆变换得到三相电流的基波分量iaf、ibf、icf，基波分量和三相电流相减就得到了三相电流的谐波分量。当并联型有源滤波器需要实现的功能是同时补偿谐波和无功时，需要检测的是补偿对象中的谐波电流和无功电流。具体的作法只需要断开图2中q的计算通道即可实现。

3　滞环比较控制策略分析和参数设计

3.1策略分析

本文的补偿电流跟踪比较使用滞环控制的方式，其原理如图3所示。

图3　滞环比较控制策略原理图

滞环比较器的上下阀值一般相同，设阀值为H/2（则环宽为H）。图中左的侧电流是补偿电流的指令信号，它与实际的补偿电流 ic进行比较，二者的差值作为滞环比较器的输入侧的信号，当该信号高于+H/2时，PWM输出为1；同理低于−H/2时，PWM输出为0。在二者之间时PWM输出不变。显然Δic的变化范围只能在和之间浮动，围绕着得到一个锯齿波的波形。

采用滞环比较器进行瞬时值比较时，环宽的选择比较重要，环宽需要和串联电抗器相配合，才能得到更好的补偿效果。滞环的宽度H对补偿电流的跟随性能有较大的影响。调高宽度 H，对开关器件要求不高，但系统误差较大。反之调小宽度 H，系统的误差较小，而开关器件的要求则较高。最佳策略是在开关器件容许的开关频率内尽可能地减少环宽，增强电流的跟随效果。

3.2参数设计

1）直流电容电压

直流电容电压和交流电源电压在串联电抗器上的差值共同决定了补偿电流的大小，当直流电容电压增大的时候，补偿电流的变换率增大，系统的动态响应加快。用Uc表示直流电容电压的值，则需要满足：

式中，U是电源的相电压，为了提高动态性能，一般取Uc=3U，本文取Uc=650V。

2）串联电抗器

在并联有源滤波器中，滞环宽度一般为额定电流的10%，经上节分析，滞环环宽和串联电抗器的大小要结合并综合考虑。总体上来说，电感增大时，补偿电流的变化率降低，精度受到影响。电感减小时，对开关器件的开关频率的要求就比较高。

对于滞环比较方式而言，为保证良好的跟随性能，补偿电流的变化率η的最小值：

式中，电流 Ihmax为h次谐波的最大电流幅值；ω为工频角频率。

根据电压源换流器的开关原理，换流器交流侧的相电压相当于一个五电平的PWM波。0，Uc/3，这五个电平有较大的随机性，理论上 APF的最大和最小电流变化率为

对于周期采样方式而言，电感由允许的最大电流跟踪偏差ΔImax决定。设采样周期为 Ts，则 APF的电流变化率应满足：

联立式（6）—式（8）并化简可得出滞环比较方式下电感取值的简化式，即

式中，Us是电源线电压的有效值，取阀值H/2为0.6；Tmin为 2μs进行计算，可得电感的最小取值在2.7mH，在最大值的计算中，通过傅里叶分解发现h=5的时候分母处的取值是最大的，计算出 L的最大值为42mH。

为使电流的跟踪控制效果较好，在仿真中电感的取值为2.8mH。

4　仿真结果

为了验证优化参数后该控制方案的有效性，本文通过 SABER软件搭建了系统仿真模型。电网侧相电压 380V/50Hz，非线性负载为三相桥式不可控整流电路，R1=20Ω，L1=10mH。并联有源滤波器直流侧电容C=1000μF，直流侧电压Uc=650V。串联电抗器L=2.8mH。

以A相电流波形为例，图4是其负载电流波形，通过SABER仿真软件中的傅里叶分析功能，测得A相的谐波畸变率（THD）为 0.3536，可认为经过三相桥式整流电路这一典型谐波源负载后，整个电源电流的波形发生了严重的畸变，电流中谐波的成分相当大。图5和图6分别为从负载电流分离出的谐波电流波形和并联有源滤波器产生的补偿电流波形。图7是经过补偿后的电网侧的波形，与图4的电流波形相比，已经有很大的改善。接入并联有源滤波器后的谐波畸变率减低为 0.1175。通过对比加入有源滤波器前后的谐波畸变率可以发现，谐波成分得到了明显的补偿。

图4　负载电流波形

图5　负载电流中的谐波分量波形

图6　并联有源滤波器的补偿电流波形

图7 电网侧电流波形

图8和图9分别为加入并联有源滤波器前后电网电流波形的幅频特性，在加入并联有源滤波器前，5次、7次、11次和13次谐波较大，加入有源滤波器后，各次谐波都大大降低。

图8　加入SAPF前电源电流波形的幅频特性

图9　加入SAPF后电源电流波形的幅频特性

5　结论

本文对基于滞环控制策略的并联有源滤波器进行了研究，分析了该电路的结构和原理，并详细研究并计算了滞环控制策略下并联有源滤波器的直流电容电压和串联电抗器这两个关键的参数值，最后结合 SABER软件的仿真结果论证了该优化参数计算方法的可行性、有效性。

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[6] 刘国海, 杨辰星, 陈兆岭. 有源电力滤波器神经网络逆解耦控制[J]. 电力系统保护与控制, 2013(5): 23-29.

[7] 王文, 罗安, 黎燕, 等. 一种新型有源电力滤波器的SVPWM 算法[J]. 中国电机工程学报, 2012(18): 52-58, 177.

Research of Shunt Active Power Filter based on Hysteresis Control Strategy

Shi Linhan
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

Parallel active power filter is a device for harmonic suppression and reactive power compensation in power system. The paper researches the structure of active power filter based on hysteresis control strategy. The influence of DC capacitor and series reactor, which is two key components of the system, is analyzed in detail, and the selection principle is given. Finally, the validity of the scheme is verified by simulation results with SABER software.

SAPF; hysteresis control; SABER

施林涵（1991-），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向是电气工程。