有源电力滤波器逆系统解耦控制

李博 戚松岐

摘 要：APF（Active Power Filter，有源电力滤波器）是一种抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它可对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿。现在很多微机控制中都加入了滤波环节，但在三相abc静止坐标系下APF的三相电流之间的强耦合，高度非线性关系使得实际补偿信号与指令信号产生巨大误差，严重影响APF的补偿精度，所以本文引入逆系统法实现APF解耦。

关键词：解耦控制、逆系统、APF

1、前言

近年来，随着人们生活质量需求的提升，众多电力电子器件已经广泛应用于各个行业，这些装置的有着高度非线性、强耦合性和不平衡用电性等特点，将产生大量的谐波和无功功率，这些谐波和无功作为污染源将会注入电网中，对电能质量产生巨大影响。APF是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，APF有对谐波、无功电流实现精确补偿，可以补偿各次谐波且不会和电力系统产生谐振的优点。因此，用APF来抑制和补偿谐波，提高电能质量已经成为现代电力系统安全经济运行的迫切要求。

2、 有源电力滤波器逆系统解耦控制

2.1 有源电力滤波器数学模型

APF是一种用于动态抑制谐波，补偿无功的电力电子装置，APF系统由指令电流运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路几大部分组成。三相三线APF的结构如图一所示，其中，vsj（j=a，b，c）代表三相理想电网电压，Ls为电网等效电感，Cj（j=a，b，c）为PPF的电容，vcj（j=a，b，c）是无源滤波器两端的电压，vLj（j=a，b，c）为公共连接点（point of common coupling， PCC）处的电压，Cde，vde为直流侧电容和其两端的电压，设电网电流为iSj（j=a，b，c），电网电压uSj（j=a，b，c），APF流过的电流为iFj（j=a，b，c），iLj（j=a，b，c）为负载电流，S1-S6为6个开关器件IGBT。

图一：电气拓扑图

2.2 逆系统法解耦

逆系统法是非线性反馈线性化法中最为经典的一种解耦策略。逆系统法是一种可以于实际密切联系的方法，在各行各业的非线性系统控制中都有应用，尤其在航天系統操控、机器人训练、化学工业制造等领域更是起着不可替代的作用。考虑多变量非线性模型，获得原系统的逆系统需要以下几步：首先，分析被控对象，判断其是否存在逆系统，若存在，然后把计算得到的原系统与逆系统串联组成复合系统，复合系统可以等效为多个线性子系统，完成输入输出的解耦，最后用线性理论对解耦系统进行控制，解决像系统的二次型寻优、极点配置、鲁棒性分析等问题。

2.3 有源电力滤波器逆系统解耦

APF数学模型是一个2输入2输出的耦合系统。每个输出量受多个输入量的影响，这将对输出量的控制造成极大不便，所以需要采用解耦策略将这个耦合系统解耦。构造逆系统的方法是在原系统的左侧，即输入端前施加一个特定系统（又称右逆系统），与原系统组成复合系统，右逆系统的输入为复合系统的新输入，原系统的输入变为状态变量，然后对这个复合系统进行性能分析，实际上引入右逆系统是为完成对输出的精确控制。有源电力滤波器逆系统解耦实现如图二所示。

图二：APF的逆系统反馈线性化解耦

图二中，φ1，φ2为新构造的逆系统的输入量，y1，y2为新系统的输出量，ud，uq为新系统的状态变量。将逆系统串联到APF原系统之前， 就会得到一个新的解耦的复合系统。这个复合系统系统由APF广义逆系统和APF系统复合而成。这样，两输入两输出的强耦合非线性系统被解耦成两个单输入单输出的线性子系统，单输入单输出的系统的控制将变得十分容易。

2.4直流侧电压及解耦控制器的设计

为保证APF达到预期的补偿效果，必须对直流侧电压进行稳压控制。直流侧电压产生波动的主要原因有：滤波器与电网之间的大容量的无功交换及负序电流与系统电压在直流侧的能量脉动而导致的波动，所以为解决这一问题，本研究采用PI控制器以达到稳压处理。即将指令电压与实际直流侧电压进行PI控制使直流侧电压基本稳定。

3、 结束语

通过仿真验证可知：在不进行解耦控制时，电网侧发生严重畸变，导致电网电流发生严重畸变，所以引入有源电力滤波器逆解耦控制是十分有必要的。加入APF并完成其逆解耦控制后，电网的谐波畸变率明显降低。因此，将逆系统法引入APF的解耦是有效的。

参考文献：

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