基于APF抑制谐波与无功的控制方法研究

周天奇

（四川信息职业技术学院，四川 广元 628040）

0 引言

随着我国经济的快速发展，大功率电力电子器件被广泛应用，其中由于大功率电力电子器件的非线性和不对称性，产生了大量的谐波和无功等问题。近年来，由谐波和无功对供电系统电能质量影响的治理受到越来越多的关注，而对于供电系统中的无功和谐波等问题，可以采用传统的无源LC滤波器进行特定次的谐波消除，能补偿固定容量无功方案，但其缺点是仅能对某特定次谐波进行治理，动态性和精准性能较差，并且体积较大。混合有源电力滤波器由于无源滤波支路的存在，整个补偿系统的设计变得更加复杂。而有源电力滤波器能够克服无源滤波的缺点并且可以实时高效动态地治理谐波，还能有效地抑制谐波等问题，所以有源电力滤波器得到了快速的发展。

级联H桥多电平技术需要将多个变流器串联连接，可应用在高电压大功率装置上，具有输出谐波小、反应速度快、开关频率低等优点，所以本文采用级联H桥多级技术。级联H桥多电平模块是串联的，相互独立，会出现电压不平衡问题。当前的主要控制方法有传统PI控制、自适应控制、模糊控制等方法。其中，传统PI控制可以满足直流电压稳定的要求，但存在超调等问题。自适应控制方法比较复杂，控制运算时占用资源多、稳定性差。模糊控制算法不依赖于系统，鲁棒性较强，但控制精度较差[1]。因此，针对上述直流侧电压的控制方法，引入了内外层控制方法，外层控制采用双闭环控制算法。其中电压外环分为全局稳压和各模块均压PI控制，内层控制叠加了网侧方向的电流矢量。

在高电压、大功率环境中常规的载波相移调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）策略可以完美地展现出其优点，并且能够提高开关器件的开关频率。基于此，本文引入载波相移梯形波脉宽调制（Carrier Phase Shifting Trapezoidal Wave Pulse Width Modulation, CPS-TPWM）策略使其能有良好的谐波特性，同时不会出现超调的情况[2]。

本文以级联H桥多电平载波相移梯形波调制有源电力滤波器为研究对象，分析其原理和调制过程。本文引入直流侧电容电压控制算法，最后通过模拟进行验证。

1 级联H桥型有源电力滤波器

图1为有源电力滤波器结构原理，iS为交流电源、iL为负载电流、iC为补偿电流、为实际需要补偿的电流[3]。有源电力滤波器的工作系统主要包括电网、谐波源非线性负载、有源电力滤波器，其中有源电力滤波器由4部分组成，包括指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路[3]。

图1 有源电力滤波器的系统结构图

有源电力滤波器的系统结构图中指令电流运算电路是对电网中的电流进行谐波与无功检测，电流跟踪电路、驱动电路和主电路主要是将检测出来的谐波和无功进行补偿。由指令电流运算电路检测出来的电流作为电流跟踪控制电路的输入信号，再通过驱动电路作用到主电路中产生补偿电流iC注入电网中，以此方法来完成对谐波和无功的补偿。

2 调制策略方法研究

本文所应用的传统的CPS-SPWM调制策略的调制原理是：在H桥数量为N的变流单元中，共同采用调制波信号M(t)，频率为ω，单个变流模块中三角载波频率fc=Kc，其中载波比为Kc，每个三角载波的相位之间错开1/2N个周期，当N=3，载波比Kc=20，幅度调制比M=0.9。通过以上方法叠加可以得出，变流器输出波形更接近正弦波形[4-6]。

采用CPS-SPWM调制方法的级联型多电平变流器在相同数量的变频器对比下，大大减小了输出谐波与无功，能显著地改善输出波形质量，使其更加接近正弦波。载波相移调制技术可以提高等效开关频率使输出电压等效频率提升为载波频率的N倍。通过以上分析可以得出结论：传统CPS-SPWM调制策略可以提高等效开关频率。而采用CPS-TPWM调制策略是在传统CPS-SPWM调制策略的基础上针对高电压、大功率环境下进行研究。其中梯形波调制信号为us，它是由三角波信号ust在幅值±Ast之间通过进行限幅得到的[4-5]。As为调制波的幅值，Ac为载波的幅值，调制比M=As/Ac≤1。通过分析可知，在三角系数为0.4时，此时的梯形波调制情况是最好的。

3 控制方法研究

稳态电容电压直流分量与调制比、脉冲时延差、并联损耗和混合损耗有关，且与电容和串联损耗无关，从能量交换的观点可以定性地解释。对于直流容量的情况，如果输入量大于各种损失，则其两端电压上升，反之亦然。脉冲延迟改变输入功能量的传输，并且间接地影响电容电压的幅度。并联损耗和混合损耗与直流电压呈正相关[7-8]。因此，并联损耗和混合损耗在稳态时对电容电压的平衡有一定的影响。电容容量与损耗和输入能量无关，电容之间的差异在动态过程中影响每个电容电压，但不影响稳定电压值。电容电压的不平衡是由上述各种因素的长时间累积所引起的。为了保证有源电力滤波器的正常工作，需要控制电容电压的稳定和平衡。

外层控制通过电压外环和电流内环的双闭环控制实现有源电力滤波器直流侧电压总电压的稳定性，输出补偿电流。内层控制采用有功电压矢量叠加的平衡控制算法，在保证总电压稳定的前提下，微调各单元的调制信号，实现各变流器单元的直流侧电压平衡[9-10]。

主电路串联直流侧的总电压稳定通过外层控制来实现，使指令电流能够快速有效地进行准确的跟踪。每个串联的模块给定的直流侧电压和每个模块的平均值进行作差比较，得到其过程结果通过比例KP进行调节，得出的输出值与需要进行补偿的单位正弦信号sinωt相乘得到有功电流分量。有源电力滤波器需要的指令控制电流为谐波和无功的电流分量和有功电流分量叠加而成。每个H桥因自身器件的不同，在其工作中的损耗也不同，结果使主电路系统中每个模块直流侧电压存在着不同。在有源电力滤波器处于正常运行时，总调制波A带有一定毛刺和畸变的正弦波。以单个H桥为例进行分析，描述单个H桥在工作情况下充放电过程，规定以单个H桥在流入H桥时的方向为正方向。每个H桥模块的工作情况可以分为4种情况，通过对电压和电流的流经方向对其进行分析。

1）在H桥模块进行充电时，稳压电压大于直流电压指令值时，∆A1的方向与A相反，将∆A1与A叠加得到实际的调制波A1，相当于减缓了调制波A的充电能力，使H桥的充电功率减小。

2）在H桥模块进行充电时，稳压电压小于直流电压指令值时，∆A1的方向与A相同，将∆A1与A叠加得到实际的调制波A1，相当于增大了调制波A的充电能力，使H桥的充电功率增大。

3）在H桥模块进行放电时，稳压电压大于直流电压指令值时，∆A1的方向与A相同，将∆A1与A叠加得到实际的调制波A1，相当于增大了调制波A的放电能力，使H桥的放电功率增大。

4）在H桥模块进行放电时，稳压电压小于直流电压指令值时，∆A1的方向与A相反，将∆A1与A叠加得到实际的调制波A1，相当于减缓了调制波A的放电作用，使H桥的放电功率减小。

4 结果分析及验证

本文在MATLAB/Simulink环境下，建立3H桥级联多电平有源电力滤波器模型。虽然传统的PI控制方法、自适应控制方法、内外层控制方法几乎可以满足直流侧的总电压220 V，但是采用传统的PI控制方法总电压在0.08 s时达到稳定状态，采用自适应控制方法总电压在0.06 s时能达到稳定状态，由于自适应的控制方法实现比较复杂，而采用内外层控制方法总电压在0.03 s时就能达到稳定状态。通过以上数据分析可以得出内外层控制能够快速地使总电压达到稳定状态。

对于均压环节而言，传统PI控制方法在总电压稳定的情况下，三个模块存在着约15 V的电压差异；自适应控制方法在总电压稳定的情况下，三个模块存在着约8 V的电压差异；而内外层控制方法在总电压稳定的情况下，三个模块存在着约2 V的电压差异。通过对三种控制方法的比较分析，本文描述的内外层控制方法在直流电压稳定性和均衡性方面明显优于常规PI控制方法和自适应控制方法。

5 结论

传统的CPS-SPWM调制策略应用于单相级联H桥有源电力滤波器中，不能有效地治理谐波和无功；将载波相移梯形波脉冲宽度调制策略引入级联H桥多电平有源电力滤波器时，一定程度上提高了谐波的补偿特性。基于级联H桥多电平有源电力滤波器直流侧电压平衡问题，提出内外层控制方法，通过模拟验证，将内外层控制方法应用于级联H桥有源电力功率滤波器后可以提高各单元模块直流侧电容电压的稳定性和平衡性，具有现实应用意义。