孫愛(ài)俊 嚴(yán) 彬 衛(wèi)進(jìn)路 盛 會(huì)

（1.寶勝科技創(chuàng)新股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225800；2.安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

近年來(lái)，無(wú)諧波檢測(cè)三電平有源電力濾波器控制方法也有學(xué)者將其稱為直接電源控制方法,因?yàn)槠錈o(wú)需檢測(cè)和計(jì)算負(fù)載中諧波及無(wú)功電流等優(yōu)點(diǎn)，愈發(fā)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。該控制策略直接對(duì)有源電力濾波器所在的電網(wǎng)電流或者電網(wǎng)功率進(jìn)行控制,無(wú)需諧波電流及無(wú)功電流的檢測(cè)和計(jì)算。本文在APF常規(guī)控制算法演化變換的基礎(chǔ)上，論證了無(wú)需諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)的APF控制系統(tǒng)的可行性及優(yōu)越性，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 并聯(lián)型APF交、直流側(cè)功率的傳遞

由三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論知，各相瞬時(shí)無(wú)功獨(dú)自來(lái)看并不為零，但是其三相總和確是零，說(shuō)明瞬時(shí)無(wú)功在各相間傳遞。所以，對(duì)于APF來(lái)說(shuō)，瞬時(shí)無(wú)功并不APF交、直流側(cè)交換傳遞。定義三相瞬時(shí)有功功率和為p，因此忽略功率變換器及線路的損耗前提下，傳到APF直流側(cè)功率全部等于p，即APF交、直流側(cè)能量的交換由瞬時(shí)有功功率p所決定。

圖1 APF交、直流側(cè)功率的傳遞圖

設(shè)電網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)功率（有功和無(wú)功）為：PS，qS，APF輸出側(cè)瞬時(shí)功率（有功和無(wú)功）為：PA，qA，非線性負(fù)載端瞬時(shí)功率（有功和無(wú)功）為：PL，qL，非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波，其中 PL，qL能夠分解為直流部分和交流部分整個(gè)系統(tǒng)的功率能量交換圖如圖 1 所示。

APF同時(shí)補(bǔ)償非線性負(fù)載的諧波和無(wú)功時(shí)，滿足：

得出：

可以看出，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)只需要提供非線性負(fù)載所需的瞬時(shí)有功功率的直流分量，網(wǎng)側(cè)電流等于非線性負(fù)載中的基波有功電流。因?yàn)镻A的平均值為零，從而保證了直流側(cè)電壓穩(wěn)定，但因PA中的交流成分，直流側(cè)電壓會(huì)不可避免的實(shí)時(shí)的波動(dòng)，直流側(cè)電容電壓處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

當(dāng)pA＝eΔip＜0時(shí)，即 APF從網(wǎng)側(cè)獲得能量，不斷的向功率變換器直流側(cè)傳遞，此時(shí)直流側(cè)電壓會(huì)升高。當(dāng)pA＝eΔip＜0時(shí)，即APF向外傳遞能量，直流側(cè)電容儲(chǔ)存的能量降低，此時(shí)直流側(cè)電壓會(huì)下降。換言之，當(dāng)功率變換器直流側(cè)電壓平均值發(fā)生波動(dòng)時(shí)，APF必然吸收或者向外饋送能量，該平均值的變化反映了APF交直流側(cè)能量的傳遞方向。

2 有源電力濾波器常規(guī)控制與等效演化

APF常規(guī)控制中諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)一般采用經(jīng)典的ip-iq檢測(cè)算法，如圖2所示。

圖2 APF系統(tǒng)簡(jiǎn)化框圖

負(fù)載電流iLa，iLb，iLc經(jīng)坐標(biāo)變換得出瞬時(shí)有功電流與無(wú)功電流：ip，iq經(jīng)LPF，濾除代表基波分量的直流量iaf，ibf，icf用總負(fù)載電流減去該直流量 iaf，ibf，icf即可檢測(cè)出諧波電流。當(dāng)需要檢測(cè)負(fù)載無(wú)功時(shí)，只需將圖2中iq通道斷掉。最終檢測(cè)出來(lái)的三相電流作為APF的給定指令電流，由后續(xù)的電流環(huán)進(jìn)行跟蹤輸出。

現(xiàn)根據(jù)APF的兩種補(bǔ)償目標(biāo)進(jìn)行控制的等效演化，當(dāng)補(bǔ)償目標(biāo)為只補(bǔ)償諧波電流

當(dāng)補(bǔ)償目標(biāo)為補(bǔ)償諧波及無(wú)功時(shí)，進(jìn)一步把三相電流跟蹤控制器加入控制系統(tǒng)，則在考慮電流跟蹤環(huán)節(jié)的APF常規(guī)控制等效框圖中電流跟蹤環(huán)節(jié)也以三相滯環(huán)電流控制來(lái)代替研究。此時(shí)電流內(nèi)環(huán)的參考電流指令由負(fù)載電流，負(fù)載基波有功電流以及電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器輸出三部分組成。

經(jīng)過(guò)上述分析可知，雖然常規(guī)控制有不同的補(bǔ)償目標(biāo)，但是都可以演化為在直流側(cè)電壓控制的基礎(chǔ)上引入了電流前饋控制，不同的APF補(bǔ)償目標(biāo)由具體基波電流前饋的成分所決定，如表1所示。另外，常規(guī)控制中，雖然直流側(cè)電壓控制的輸出也是基波有功電流，但與前饋的有功電流分量相比很小。

表1 APF不同控制目標(biāo)下的等效演化

3 無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)三電平APF控制系統(tǒng)

由上節(jié)分析可知，APF補(bǔ)償諧波及無(wú)功時(shí)，能否準(zhǔn)確無(wú)誤剝離出負(fù)載基波有功電流決定了最終諧波檢測(cè)的精度。當(dāng)檢測(cè)得基波有功電流 iaf，ibf，icf很理想時(shí)（無(wú)延時(shí)、無(wú)誤差），最終得到的指令電流 i*Ca，i*Cb，i*Cc為負(fù)載電流中的全部諧波無(wú)功分量，保證了APF最終補(bǔ)償效果。若檢測(cè)基波有功電流存在誤差，指令電流i*Ca，i*Cb，i*Cc便不是負(fù)載電流中的全部諧波無(wú)功分量，從而導(dǎo)致APF最終的補(bǔ)償效果變差，甚至?xí)o電網(wǎng)注入不想要的諧波。因此，諧波及無(wú)功電流的檢測(cè)環(huán)節(jié)的存在很有可能會(huì)在補(bǔ)償時(shí)對(duì)電網(wǎng)造成不想要的影響。

由于常規(guī)控制方法的諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)存在低通濾波器，數(shù)字低通濾波器實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，會(huì)加重DSP程序的運(yùn)算的負(fù)擔(dān)。且濾波器的截止頻率選取比較困難，截止頻率大時(shí)快速性高，但濾波效果變差；截止頻率小時(shí)濾波效果好，但降低了快速行?？傊?，APF的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的提高程度取決于檢測(cè)算法的優(yōu)化，但只要諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)存在就很難避免檢測(cè)的延遲與誤差，影響諧波補(bǔ)償效果。

由前面所述可知，當(dāng)APF直流側(cè)電壓保持不變時(shí)，交、直流側(cè)沒(méi)有有功功率的交換，即APF三相輸出電流的有功分量為0（忽略線路及功率變換器損耗），因此有等式：

其中，iLaP，iLbP，iLcP為負(fù)載實(shí)際基波有功分量，如果檢測(cè)基波有功電流存在誤差，即：

此時(shí)，電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出就會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸出值，最終使式成立，保證有功電流的平衡。假設(shè)最極端的情況，即檢測(cè)出來(lái)的基波有功電流iaf=ibf=icf=0時(shí)，APF電壓調(diào)節(jié)器的輸出仍然不斷調(diào)節(jié)，最終滿足：

這表明，由于電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器的作用，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)基波有功電流的檢測(cè)誤差自動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償回去。根據(jù)上述極端情況iaf=ibf=icf=0的論述，完全可以把有功電流檢測(cè)環(huán)節(jié)去掉，從而構(gòu)建出APF在abc三相坐標(biāo)系上基于電流滯環(huán)控制器的無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)控制方案。此時(shí)，無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)APF的控制思想本質(zhì)上就是功率變換器直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定控制與非線性負(fù)載電流前饋組成的復(fù)合控制策略。

而三電平APF在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型為：

其中，Sd、Sq三相開(kāi)關(guān)函數(shù)dq坐標(biāo)軸的分量。

根據(jù)上述dq坐標(biāo)系互相耦合的APF數(shù)學(xué)模型，可構(gòu)建出三電平APF在dq坐標(biāo)系上基于SVPWM調(diào)制控制的無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)控制框圖。

4 無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)三電平APF仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)三電平APF控制策略的有效性，在MATLAB平臺(tái)上對(duì)三電平APF控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示，其中用三相二極管整流橋帶阻感負(fù)載來(lái)模擬諧波源。

仿真采用基于PI控制器的無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)APF反饋解耦控制策略，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下列圖所示：

表2 三電平APF系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖3 諧波源負(fù)載三相電流波形

圖4 諧波源負(fù)載A相電流頻譜分析

圖5 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)三相電流波形

圖6 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)A相電流頻譜分析

圖7 補(bǔ)償前網(wǎng)側(cè)A相電流與A相電網(wǎng)電壓波形圖

圖3 為補(bǔ)償前電流波形，由圖5和圖6可以看出，經(jīng)過(guò)APF的有效補(bǔ)償控制，電網(wǎng)側(cè)三相電流有較好的正弦度，網(wǎng)側(cè)電流的畸變率由27.82%降至3.41%。

圖8 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)A相電流與A相電網(wǎng)電壓波形

圖10 APF輸出A相電流波形

圖11 APF直流側(cè)總電容電壓波形

圖12 APF直流側(cè)上電容電壓波形

圖13 APF直流側(cè)中點(diǎn)電波形

圖14 APF輸出側(cè)線電壓階梯波

該無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)APF控制策略的補(bǔ)償目標(biāo)是同時(shí)補(bǔ)償諧波及無(wú)功，由圖7和圖8的對(duì)比可以看出，補(bǔ)償后電網(wǎng)A相電流與A相電壓能夠保持同相位（單位功率因數(shù)運(yùn)行），負(fù)載無(wú)功功率也取得了很好的補(bǔ)償效果。圖9是電壓環(huán)控制器的輸出波形，APF啟動(dòng)時(shí)輸出以150A的限幅值運(yùn)行，APF直流側(cè)電壓達(dá)到穩(wěn)定后，電壓控制輸出在70A左右波動(dòng)。根據(jù)本文前面的分析可知，補(bǔ)償效果理想時(shí)，電壓環(huán)控制器的輸出值應(yīng)該與網(wǎng)側(cè)電流的幅值相等，通過(guò)圖6能夠看出，仿真結(jié)果與理論分析基本上一致。圖11為APF直流側(cè)總電壓波形圖，使直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定是APF取得較好補(bǔ)償效果的前提，從圖中可以看出直流側(cè)電壓能夠保持穩(wěn)定。圖13為APF直流側(cè)中點(diǎn)電位波形，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)中點(diǎn)電位平衡因子便能控制住中點(diǎn)電位的波動(dòng)，仿真中平衡因子取f=0.5，可以看出APF直流側(cè)中點(diǎn)電壓波動(dòng)得到了很好的控制。

5 小結(jié)

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論，對(duì)并聯(lián)型APF交、直流側(cè)能量傳遞過(guò)程進(jìn)行了分析。對(duì)APF常規(guī)控制進(jìn)行了等效的演化研究，發(fā)現(xiàn)APF不同補(bǔ)償目標(biāo)對(duì)應(yīng)了不同的有功電流的前饋值，分析出負(fù)載有功電流的檢測(cè)環(huán)節(jié)的存在對(duì)APF補(bǔ)償效果沒(méi)用益處，反而會(huì)減弱補(bǔ)償精度。根據(jù)APF諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)存在的不必要性論證，分別構(gòu)建了APF在abc三相坐標(biāo)系下的無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)及三電平APF在dq坐標(biāo)系下的無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)前饋解耦控制系統(tǒng)。最后，對(duì)三電平無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)補(bǔ)償?shù)目尚行约坝行浴?/p>

［1］平陽(yáng)樂(lè).基于三電平變換器的并聯(lián)型有源電力濾波器研究[D].山東大學(xué),2013.

［2］石榴明璇,謝運(yùn)祥,楊金.基于電流預(yù)測(cè)控制的有源電力濾波器仿真研究[J].低壓電器,2010(01).

［3］劉驥,徐在德,高巖濤,黃玲.單電流檢測(cè)配網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器的改進(jìn)控制策略[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2013(04).

［4］李慧,王奔,李虎威,吳維鑫.有源電力濾波器雙開(kāi)關(guān)表直接功率控制策略研究[J].電氣傳動(dòng),2011(05).

［5］江友華,廖代發(fā),唐忠.混合有源濾波器多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].控制理論與應(yīng)用,2010(07).

［6］朱念.有源電力濾波器的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].硅谷,2009(19).

［7］劉亞棟,楊洪耕,陳麗,劉亞梅.非穩(wěn)態(tài)諧波和間諧波檢測(cè)的新方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2012(01).

［8］許津銘,謝少軍,肖華鋒.LCL濾波器有源阻尼控制機(jī)制研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012(09).