舒大松，黃摯雄，楊仁利，周要

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一種新型的注入式混合有源電力濾波器直接功率控制方法

舒大松1, 2，黃摯雄1，楊仁利1，周要1

(1. 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南廣播電視大學(xué)機(jī)電工程系，湖南長(zhǎng)沙，410004)

基于注入式混合有源電力濾波器(injection type hybrid active power filter, IHAPF)因存在基波諧振支路，使得有源部分不承受基波電壓，適用于高電壓、大容量配電網(wǎng)諧波治理的特點(diǎn)，對(duì)注入式混合有源電力濾波器基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，論述注入式混合有源電力濾波器采用直接功率控制的可行性；根據(jù)瞬時(shí)功率理論，將檢測(cè)出來的諧波功率作為參考信號(hào)，使濾波器實(shí)際輸出的諧波功率跟蹤參考功率，從而達(dá)到諧波治理的效果。對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。研究結(jié)果表明：該方法省去了諧波電流檢測(cè)和復(fù)雜坐標(biāo)變換，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能；所采用的直接功率控制在IHAPF諧波補(bǔ)償中是可行的。

注入式有源電力濾波器；直接功率控制；瞬時(shí)功率理論；諧波電流

現(xiàn)代電力電子設(shè)備大量使用對(duì)電網(wǎng)等造成嚴(yán)重諧波污染[1]，具有補(bǔ)償特性好、抑制能力強(qiáng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速的有源電力濾波器成為諧波治理的主要方式。隨著技術(shù)進(jìn)步，開關(guān)管器件容量[2]增加，使得有源電力濾波器容量能夠滿足低壓場(chǎng)合要求，但在中高壓大容量系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)有源電力濾波器難以滿足諧波抑制要求。注入式混合有源電力濾波器由于注入支路作用，使用基波電壓只作用于注入支路，而有源部分僅承受諧波電壓，所以具有滿足中高壓系統(tǒng)下提供無功補(bǔ)償和諧波抑制能力[3?5]。目前，人們對(duì)注入式APF(active power filter)的研究主要基于電流控制策略[6?8]。檢測(cè)負(fù)載電流控制策略主要是檢測(cè)出負(fù)載諧波電流，然后向電網(wǎng)注入等量的諧波電流，以達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康模@種控制方法不能抑制無源濾波器與電網(wǎng)串、并聯(lián)諧振問題。檢測(cè)電網(wǎng)電流控制能更好地減小諧波含量，但會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且不快速。近年來，直接功率控制(direct power control, DPC)因具有控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)性能良好等優(yōu)點(diǎn)而被大量應(yīng)用于有源電力濾波器。樂江源等[9?10]從不同角度將直接功率控制應(yīng)用于APF系統(tǒng)，提高了APF的動(dòng)態(tài)性能、系統(tǒng)穩(wěn)定性、諧波抑制能力等。與電流控制相比，采用直接功率控制對(duì)系統(tǒng)模型要求不高，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜坐標(biāo)變換與計(jì)算，具有更高的功率因數(shù)。但以上研究都是基于并聯(lián)性有源電力濾波器，并沒有對(duì)注入式混合有源電力濾波器直接功率控制進(jìn)行研究。為此，本文作者首先闡述注入混合有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理，建立IHAPF數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上提出直接功率控制策略，采用電壓外環(huán)和功率控制內(nèi)環(huán)，通過基于瞬時(shí)功率理論，將檢測(cè)負(fù)載諧波功率作為參考信號(hào)，與有源電力濾波器輸出功率進(jìn)行比較得到期望值，通過滯環(huán)比較器得到開關(guān)表輸入值，產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，使有源電力濾波器輸出與諧波功率大小相等、方向相差的180°諧波有功功率和無功功率，以實(shí)現(xiàn)IHAPF快速功率調(diào)節(jié)和諧波抑制。

1 IHAPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

注入式混合有源電力濾波器系統(tǒng)由電壓源型逆變器、輸出濾波器、耦合逆變器、基波串聯(lián)諧振支路、注入支路、無源濾波器和非線性負(fù)載組成，如圖1所示。圖1中：s為電網(wǎng)電壓；s為電網(wǎng)電感；0為輸出濾波器電感；f和f分別為諧振支路電容和電感；G為注入電容；s，L，Z，C和R分別為電網(wǎng)電流、負(fù)載電流、注入電流、補(bǔ)償電流和諧振支路電流。f和f構(gòu)成串聯(lián)諧振在基波頻率時(shí)阻抗很小，電網(wǎng)電壓集中在G，而有源部分只承受很小的諧波電壓，所以大大減小了有源部分的容量。在諧波分量時(shí)，f和f構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)阻抗隨著頻率的增高而迅速增大，相當(dāng)于斷路，而G阻抗卻隨著頻率增高而減小，因此，有源部分產(chǎn)生的諧波電流絕大部分都將流入注入支路。注入支流這種拓?fù)鋬?yōu)勢(shì)使得其適用于高壓電力系統(tǒng)。

圖1 IHAPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化的單相等效電路如圖2所示。參照文獻(xiàn)[11]，為分析方便，電路中無電網(wǎng)電壓源和負(fù)載諧波電流源，將耦合逆變器等效到輸出濾波器邊，逆變器等效為1個(gè)受控電壓源，其輸出電壓為inv，經(jīng)耦合變壓器等效為inv。根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律，可以得到逆變器輸出電壓inv和注入電網(wǎng)諧波電流ch關(guān)系。

圖2 簡(jiǎn)化的單相等效電路

由圖2可得

其中：

f為基波諧振支路電感內(nèi)阻；s為電網(wǎng)阻抗；G為注入電容；0和0分別為輸出濾波電感內(nèi)阻和電感量；為復(fù)變量。求解式(1)，得

得到逆變器輸出補(bǔ)償電流與電壓傳遞函數(shù)()為

將式(4)進(jìn)行如下變換：

對(duì)式(5)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得

式中：f為基波諧振支路阻抗，隨著頻率升高，f越來越大。式(6)中趨向于0，得

從式(7)可以看出基波諧振支路在高頻處對(duì)()幾乎沒有影響。

2 直接功率控制原理

基于直接功率控制的注入式混合有源電力濾波器單相等效原理如圖3所示[12]，其中，Lh和s分別為負(fù)載諧波電流源和電網(wǎng)電壓。

圖3 單相等效電路

假設(shè)電網(wǎng)電壓不含有諧波[13]，電網(wǎng)提供的有功功率和無功功率分別為s和s，負(fù)載消耗的有功功率和無功功率分別為L(zhǎng)和L，有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)挠泄β屎蜔o功功率分別為c和c，諧振支路有功功率和無功功率分別為f和f，注入支路有功功率和無功功率分別為z和z。根據(jù)功率平衡和基爾霍夫電壓和電流定律，得

其中：j為虛數(shù)。在非線性負(fù)載中，L和L都含有由負(fù)載側(cè)基波正序電流在基波正序電壓作用下的瞬時(shí)有功Lf、無功Lf的直流分量和負(fù)載諧波電流在基波正序電壓作用下的瞬時(shí)有功Lh、無功Lh交流分量，所以，

由式(8)和(9)得

隨著諧波頻率增加，f和f構(gòu)成基波諧振支路阻抗迅速增加，相當(dāng)于斷路，所以忽略f和f的影響，式(10)可以簡(jiǎn)化成

當(dāng)有源電力濾波器輸出滿足

時(shí)，將式(12)代入式(11)，有

通過有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)糌?fù)載中含有諧波有功功率和無功功率，這樣電網(wǎng)就只含有基波正序電流和基波正序電壓作用的有功功率和無功功率。

3 直接功率控制策略

采用直接功率控制注入式混合有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)由直流側(cè)電壓外環(huán)和功率控制環(huán)組成。通過控制負(fù)載諧波有功功率和無功功率等于有源部分補(bǔ)償?shù)挠泄蜔o功功率，功率計(jì)算在靜止坐標(biāo)系下求得，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦。

圖4 IHAPF 控制策略框圖

在兩相靜止坐標(biāo)系下，基于瞬時(shí)無功功率理論，負(fù)載諧波電流有功功率和無功功率檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。將電網(wǎng)電壓sabc通過32變換得到靜止坐標(biāo)系下分量s和s，將負(fù)載電流通Labc通過32變換得到靜止坐標(biāo)系下分量L和L，由公式計(jì)算負(fù)載瞬時(shí)有功功率L和瞬時(shí)無功功率L，L和L經(jīng)過低通濾波器(low-pass filter, LPF)得到基波分量，最后將總的瞬時(shí)功率減去基波功率得到負(fù)載諧波電流瞬時(shí)功率交流分量Lh和Lh。

圖5 基于p-q理論的諧波電流功率計(jì)算結(jié)構(gòu)圖

32變換矩陣為。

由瞬時(shí)功率理論計(jì)算負(fù)載瞬時(shí)有功功率和無功功率：

根據(jù)圖6可以得到：

式中：C和C分別為逆變器輸出在兩相靜止坐標(biāo)系下瞬時(shí)有功功率和無功功率；和分別為逆變器輸出電流cabc在兩相靜止坐標(biāo)系下的分量。

如圖4所示，負(fù)載諧波有功功率參考值Lh與直流側(cè)輸出有功功率dc相加，與實(shí)際補(bǔ)償有功功率c相減作為滯環(huán)比較器輸入，得到開關(guān)信號(hào)p。無功功率參考值Lh與實(shí)際補(bǔ)償無功功率C的差值經(jīng)過滯環(huán)比較器后，輸出開關(guān)信號(hào)q。p，q和幅角作為開關(guān)矢量表的輸入，產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。p和q滿足下式：

其中：p和q為滯環(huán)比較器的寬度。

4 仿真結(jié)果

無源濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[1]。由于系統(tǒng)只存在6±1(=1，2，…)次諧波，所以，無源支路設(shè)計(jì)為11次和13次，根據(jù)系統(tǒng)要補(bǔ)償無功容量，最終選定11=13.7 mH，11=6.7 μF，品質(zhì)因數(shù)=35；13=10.2 mH，13=6.2 μF，=35。

基波諧振支路和注入電容設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[13]，由于5次和7次諧波含量較高，基波諧振支路和注入電容構(gòu)成1個(gè)諧振頻率為6次單調(diào)諧型無源濾波器，對(duì)5次和7次諧波進(jìn)行抑制，選取f=19.1 mH，f=531 μF，G=15.2 μF。

由系統(tǒng)容量選擇耦合變壓器變比=2，直流側(cè)電容=10 mF，電壓d=900 V，輸出濾波器電感取值0=1 mH。

為了驗(yàn)證上述理論的正確性，在MATLAB/Simulink下搭建基于直接功率控制注入式混合有源電力濾波器模型。系統(tǒng)參數(shù)為：電網(wǎng)電壓s=10 kV，電網(wǎng)額定頻率=50 Hz；采用非線性帶阻感性負(fù)載，=200 Ω，=1 mH；開關(guān)頻率s=10 kHz。

圖7和圖8所示為采用直接功率控制IHAPF諧波的補(bǔ)償效果。其中，圖7(a)所示為電網(wǎng)側(cè)電壓，不含有諧波成分；圖7(b)，(c)和(d)所示分別為負(fù)載諧波電流、投入PF后電網(wǎng)側(cè)電流和投入APF+PF后電網(wǎng)側(cè)電流。從圖7可見：投入PF后，電流諧波有所下降，但還不能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，投入APF+PF后，電流諧波含量大幅度下降，波形良好。

(a) 電網(wǎng)電壓；(b) 負(fù)載電流；(c) 投入PF后電網(wǎng)側(cè)電流；(d) 投入APF+PF后電網(wǎng)側(cè)電流

(a) 補(bǔ)償前；(b) 補(bǔ)償后

從圖8可看出：在投入IHAPF之前，電網(wǎng)側(cè)電流諧波總畸變率為26.61%，主要諧波為6±1次；投入IHAPF后，諧波含量大幅度下降，總諧波失真只有1.19%，取得了良好的補(bǔ)償效果。

直接功率控制下功率波形如圖9所示。從圖9可以看出：在開始階段系統(tǒng)的有功功率和無功功率存在一定的波動(dòng)，但這波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響較小。這是因?yàn)檫^了一段時(shí)間后，有功功率和無功功率的波動(dòng)得到了緩解和抑制，但還是存在波動(dòng)。這主要是因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓較大，與電流的乘積數(shù)值很大，造成了有功功率和無功功率波動(dòng)大。

(a) 有功功率；(b) 無功功率

5 結(jié)論

1) 分析了注入式混合有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)補(bǔ)償諧波電流與逆變器輸出電壓之間傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，在高頻處忽略基波諧振支路影響。

2) 通過瞬時(shí)功率理論對(duì)單相等效IHAPF進(jìn)行研究，證明直接功率控制在IHAPF中應(yīng)用的可行性。

3) 將直接功率控制應(yīng)用于注入式混合有源電力濾波器，以瞬時(shí)功率作為控制變量，理論分析結(jié)果和仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法具有動(dòng)態(tài)性能好、系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需計(jì)算功率，省掉了諧波檢測(cè)，并能取得良好的諧波補(bǔ)償效果。

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A novel IHAPF direct power control method

SHU Dasong1, 2, HUANG Zhixiong1, YANG Renli1, ZHOU Yao1

(1. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Department of Mechatronics Engineering, Hunan Radio & TV University, Changsha 410004, China)

Injection type hybrid active power filter is applied in high-voltage and high-capacity power grid harmonic control because its active part is not exposed to the fundamental voltage by the fundamental resonance branch. The basic structure and working principle of injection hybrid active power filter (IHAPF) were analyzed and the feasibility of using direct power control for injection type hybrid active power filter was discussed. According to the instantaneous power theory, harmonic power was detected as the reference signal and the actual harmonic power of filter output would track the reference power to restrain harmonics. To ensure the system is safe and reliable in operation, the system parameters were designed. The results show that the method does not need to detect the harmonic current or transform the complex coordinate, and that the system dynamic control performance is improved. The direct power control is practical in IHAPF harmonic compensation.

injectionactive power filter; direct power control; instantaneous power; harmonic current

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.016

TM 76

A

1672?7207(2015)10?3670?06

2014?11?12；

2015?01?10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61203031)(Project (61203031) supported by the National Natural Science Foundation of China)

黃摯雄，博士，教授，從事分布式發(fā)電及其控制技術(shù)研究；E-mail：zxhuang@csu.edu.cn

(編輯 陳燦華)