基于次谐波补偿的有源电力滤波器控制方法

胡恒铮

摘要：传统有源电力滤波器控制方法控制多台滤波器时补偿容量低、动态性能差，为此提出基于次谐波补偿的有源电力滤波器控制方法。将多台有源电力滤波器并联在一起，设置各自的控制电路和次谐波检测装置，通过CAN总线实现各个装置的监控和数据传输，根据传输的电流数据与指令信号电流作比较，提出有源电力滤波器的控制策略，在控制策略的支持下，控制有源电力滤波器直流侧电压，在保证电压稳定的情况下，在DSP芯片上执行控制命令，达到控制有源电力滤波器的目的。实验结果表明：设计的有源电力滤波器控制方法电流不平衡度低、所需调节时间少，该控制方法的动态性能更好。

关键词：次谐波补偿;谐波治理;有源电力滤波器

中图分类号：TN713+.8 文献标志码：A

0引言

电力是现代人们日常生活必不可少的一种主要能源，但是谐波问题对电力系统的安全运行构成潜在的威胁，是电网中的一大公害，电网中的谐波污染问题是电气工程领域中的一个重要研究课题。随着电网覆盖面积的增加，电网中谐波污染越来越严重，研究人员对谐波污染越来越重视，故国内外越来越多的人在大力发展和研究电网谐波治理技术。

目前，国内外研究的谐波治理技术主要分为两种，一种是主动型谐波治理、一种是被动型谐波治理。其中主动型谐波治理往往通过改造自身来达到谐波治理的目的;主动型谐波治理则是利用外部辅助装置和设备来抵消谐波，达到谐波治理的目的。出于对电网谐波的动态补偿目的的考虑，采用有源电力濾波器治理电网谐波污染是一个有效手段。使用有源电力滤波器处理谐波时，对有源电力滤波器的控制尤为重要。在传统控制方法中，对于三相电网，其电流不平衡度比较高，需要消耗的调节时间比较多，严重影响有源电力滤波器控制方法的动态性能。因此，提出基于次谐波补偿的有源电力滤波器控制方法，以解决上述传统控制方法中存在的问题。

1有源电力滤波器控制方法

1.1并联有源电力滤波器

单台有源电力滤波器受到电子器件参数影响，难以满足电流负载谐波的补偿要求，在使用时很难及时实现控制。为了更好地控制多台特定有源电力滤波器，提高有源电力滤波器总的补偿容量，采用并联形式。根据电子器件参数获得负载电流的大小，设置不同容量的有源电力滤波器，以补偿不同阶次的次谐波电流，并根据现场实际情况进行分配，由于次谐波的特性是谐波次数越低，谐波含量越高，因此在分配谐波次数时利用谐波电流的均衡分摊来实现分配。有源电力滤波器的并联原理图如图1所示。

这种并联装置中每台有源电力滤波器都有各自的控制电路和检测装置，当检测装置检测到次谐波时，在控制器中完成次谐波分析，计算出需要补偿的电流波形。与此同时，控制器根据柜体的运行状态对不同的输出电流数据进行分配，完成输出电流控制，解决故障保护。在控制中，通过CAN总线实现各个装置的远程监控与通讯，将监控的各项参数数据通过CAN总线传送至控制室和上位机，此时，技术人员根据观察到的有源电力滤波器的运行参数，执行相应的控制操作。

1.2有源电力滤波器的控制策略

将实际电流与指令信号电流的差值控制最小作为控制目的，对有源电力滤波器的主电路的瞬时有功电流和瞬时无功电流进行控制，实现对有源电力滤波器的控制。

在有源电力滤波器的控制中，三相瞬时有功电流和瞬时无功电流定义为：

1.3控制有源电力滤波器

为了使并联有源滤波器正常工作，将控制滤波器的直流侧电容的电压保持在一定值，以确保主电路实时能够产生正确的补偿电流。如果直流侧电压变化较大，则会发生过补偿或欠补偿现象，对谐波输出电流造成干扰。

在有源电力滤波器中，每相中的瞬时有功功率的和等于三相电路的有功功率，每相中的瞬时有功功率之和为零。除并联有源电力滤波器的三相损耗之外，并联有源电力滤波器上的有功电流立即转移到直流侧。当有源电力滤波器仅用于补偿无功功率时，瞬时有功功率始终为零，由此可以看出有源电力滤波器的直流侧电压始终保持恒定。当使用有源电力滤波器来补偿次谐波时，此时电源仅需要提供逆变电流的直流分量，以建立对应的负载电流的基波分量，在这种情况下，瞬时有功功率的平均值为零，直流侧电压保持不变，但是由于有交流部分，直流侧电压将随瞬时有功功率的变化而变化。

如果有源电力滤波器的直流侧实际电压低于期望电压，调整三相瞬时电流大于零，此时有源电力滤波器从电网中吸取能量，将能量传递到直流侧，使其电压升高;反之调整三相瞬时电流小于零，电网从有源电力滤波器中吸取能量，直流侧能量减少，此时电压下降。

在有源电力滤波器直流侧电压稳定的情况下，使用PI控制器对有源电力滤波器进行跟踪补偿控制，在控制过程中，忽略耦合和电压扰动对有源电力滤波器的影响，PI控制以零极点的形式表示，在考虑PT控制稳态误差和动态响应特性时，采用零极点抵消的形式等效降阶二阶控制，处理完成，选择合适的阻尼比，设定PI控制器的约束条件。在此基础上，调节特定次谐波的PT参数，防止不同次的谐波含量影响控制性能，保证有源电力滤波器的补偿效果达到最佳。

在电源电压或者负载不平衡时，将每次谐波电流分解为正序和负序分量，只有当正序分量和负序分量实现同步时，才能利用同步的正序谐波和负序谐波来控制次谐波电流，随着次谐波电流次数的增加，控制芯片计算量越来越大，此时选用TMS320LF2407A芯片作为控制芯片，利用该芯片组成控制电路，电路中主要包括模数转换电路、存储器扩展电路、PWM波形输出电路等部分。通过上述控制过程可知，有源电力滤波器的控制方法十分复杂，选择合适的DSP芯片对于提高控制性能极为重要。以TMS320LF2407A作为核心芯片，其内部结构采用四级流水线技术加快程序的执行，通过两个状态寄存器实现CPU的各种状态的保存。如果指定电流的计算与电流的跟踪控制由模拟器件构成，待三相负载电路的瞬时有功电流计算完成后，利用传感器输出主电路的三相实际补偿电流，送入模数转换模块，经过转换后，得到逆变电路实际输出的瞬时有功电流，再通过上述控制过程实现有源电力滤波器的控制。

2有源电力滤波器控制方法实验研究

2.1实验准备

在有源电力滤波器控制方法实验中，使用MAT-LAB软件搭建三相三线制有源电力滤波器的仿真，以不同控制方法的调节时间和电流不平衡度为实验指标，对比分析不同控制方法的实际性能。

在仿真中，利用MATLAB软件建立模，在模型中接入三相平衡的不控整流负载，通过参数调节实现负载平衡，使有源电力滤波器补偿电流保持稳定，此时，突加单相不控整流负载。在完成整个三相三线制有源电力滤波器的仿真后，观察有源电力滤波器直流侧电压、三相负载电流和三相电网电流变化，通过这三个参数的变化计算出不同控制方法的电流不平衡度，计算公式如下：

在使用不同方法控制后，计算有源电力滤波器稳定所需调节时间。结合电流不平衡度和调节时间分析不同控制方法。

2.2实验结果与分析

使用提出的基于次谐波补偿的控制方法、基于降阶矢量比例积分器的控制方法以及容错控制方法对仿真的有源电力滤波器进行控制，控制完成后，计算电流不平衡度和调节时间。具体计算结果见表1所列。对比观察表1中结果，从中可以看出，在负载不平衡时，提出的基于次谐波补偿的控制方法电流不平衡度低，所需调节时间短，这是因为提出的控制方法有效地抑制了有源电力滤波器直流侧电压上的2次谐波对输出电流的影响，说明该控制方法具有优秀的动态性能，优于传统的有源电力滤波器控制方法。

3结束语

设计基于次谐波补偿的有源电力滤波器控制方法，为现阶段电网谐波故障问题的解决提供帮助。以现阶段国内外研究资料和文献为基础，完成有源电力滤波器控制方法的设计。在设计完成后，以对比实验的形式验证控制方法的实际性能，实验结果证明了基于次谐波补偿的控制方法更加科学可靠。但是设计过程中，由于时间限制，尚有许多问题需要进一步研究，如补偿后电源电流尖刺现象的处理，后续研究中将从这方面展开研究与分析。