張渴，曾光，楊波，粟忠來

（1.西安理工大學電氣工程系，陜西 西安 710048；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

一種基于LCL濾波的APF控制方法研究

張渴1，曾光1，楊波1，粟忠來2

（1.西安理工大學電氣工程系，陜西 西安 710048；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

傳統(tǒng)的控制方法采用諧波電流集中檢測的形式，這種方法補償精度不高也不夠靈活。將諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒☉玫交贚CL濾波的APF中。該方法通過對指令電流進行前饋補償實現(xiàn)對指令電流的無差跟蹤，同時可以靈活地選擇補償?shù)闹C波頻次和容量。最后通過仿真和實驗驗證了將該控制方法應用到基于LCL濾波的APF的正確性和有效性。諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒ㄑa償效果良好，APF的容量也得到充分靈活的利用。

LCL濾波器；有源電力濾波器；諧波分次檢測；前饋補償

目前，電力電子裝置被廣泛應用到各個領域，電網(wǎng)中的諧波和無功污染日益嚴重，不僅嚴重影響了公用電網(wǎng)的電能質量和一些對電能質量比較敏感的設備的正常運行，甚至會造成電網(wǎng)中一些設備的損壞，威脅電網(wǎng)安全。有源電力濾波器（active power filter，APF）作為一種抑制電流諧波污染、提高電能質量的重要手段，在低壓配電網(wǎng)中被廣泛應用［1-3］。然而，APF工作時開關器件的通斷會產生開關紋波，這部分噪聲會加大電網(wǎng)容性負荷的損耗，降低它們的使用壽命，嚴重時更會干擾敏感性電氣設備的正常運行［4］。相對于傳統(tǒng)的L濾波器，LCL型濾波器對高頻開關紋波的抑制效果更好，逐漸被應用到整流器、并網(wǎng)逆變器和APF中。

現(xiàn)階段APF有2個重要的性能要求：1）高補償精度，即要求補償后的網(wǎng)側電流總諧波畸變率和各次諧波畸變率達到GB/T14549—93規(guī)定的指標；2）裝置容量的靈活充分利用，如當補償容量超過裝置最大容量時進行分次輸出限幅或者只對指定次諧波進行補償［5-8］。

傳統(tǒng)的APF控制系統(tǒng)多采用諧波集中檢測集中補償?shù)目刂品椒āＭㄟ^檢測負載電流中的基波正序有功電流，用負載電流減去基波正序有功電流得到指令電流，再通過控制器使APF發(fā)出的電流跟隨指令電流。常見的控制器有比例積分控制器（PΙ控制器）、重復控制器、廣義積分器等。這種方法實現(xiàn)簡單，但也存在一些弊端。PΙ控制器只能無靜差地跟蹤直流信號，因此輸出誤差大，補償效果不佳。文獻［9］將基于內模原理的重復控制方法應用于APF中，輸出電流在穩(wěn)態(tài)時可以很好地跟蹤指令信號，但動態(tài)性能不佳，負載變化較快的場合補償效果不好。文獻［10］中廣義積分器通過增大補償頻次點的增益提高補償精度。但對參數(shù)的依賴性較大，對電網(wǎng)參數(shù)波動比較敏感。同時，這些方法都無法實現(xiàn)各次諧波補償容量的控制和補償諧波頻次的選擇。諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒?，通過對指令電流的前饋補償實現(xiàn)對指令電流的無差跟蹤。當APF的容量小于諧波有效值時，可以只補償特定的幾次諧波或特定幾次諧波的一部分，補償方式相對靈活。

1 諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒?/h2>

圖1是基于LCL濾波的有源電力濾波器的電路拓撲結構。

圖1 基于LCL濾波器的APF電路拓撲結構Fig.1 Circuit topology of APF based on LCL filter

圖1中，usx為網(wǎng)側電壓，isx為網(wǎng)側電流，ilx為負載電流，ifx為APF的輸出電流（x取a，b，c）。L1,L2,Cf,Rd分別為LCL濾波器的逆變器側電感、網(wǎng)側電感、濾波電容和阻尼電阻。

圖2是傳統(tǒng)PΙ控制器APF系統(tǒng)等效模型。

圖2 PI控制器APF系統(tǒng)模型Fig.2 System model of APF based on PI controller

圖2中GPI(s)是PΙ控制器的頻域模型，KPWM為逆變橋對輸入調制波的放大倍數(shù)，其值為逆變橋直流側電壓與載波幅值的比值，1/Kf是對諧波指令以及APF輸出電流標幺化等效到前向通道的等效值。ds是等效的電網(wǎng)電壓擾動。虛線框中的GLS(s)是控制器離散化帶來的延時的頻域等效［11］。G2i(s)是LCL濾波器的傳遞函數(shù)，如下式：

由圖2可得到系統(tǒng)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)：

為了使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定裕度和補償精度，選取PΙ控制器增益KP=1，轉折頻率為1 256 rad/s。繪制系統(tǒng)的閉環(huán)伯德圖，如圖3所示。從圖3中可以看出系統(tǒng)存在固定的幅值衰減和相位滯后。通過前饋補償可以消除這種誤差，實現(xiàn)APF輸出電流無靜差的跟蹤指令電流。

圖3 PI控制器APF系統(tǒng)閉環(huán)伯德圖Fig.3 Closed-loop bode diagram of APF based on PI controller

1.1 諧波分次檢測結合前饋補償控制系統(tǒng)結構

圖4給出了諧波分次檢測結合前饋補償控制系統(tǒng)結構。

圖4 分次諧波檢測結合前饋補償控制系統(tǒng)結構Fig.4 Structure of control system of fractional harmonic detecting and feedforward compensation

這種控制方法不僅可以使APF輸出電流無靜差地跟蹤指令電流，同時在APF容量小于負載諧波電流時，可以限制諧波的輸出比例或者只補償特定的幾次諧波，控制更加靈活。

1.2 諧波分次檢測結合前饋補償?shù)膶崿F(xiàn)方法

若系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)中n次諧波的幅頻特性為An，相頻特性為-φn。圖5給出了利用同步旋轉變換提取第n次諧波并對諧波指令進行前饋補償?shù)目驁D。分別通過φn和1/An對三相諧波指令的相位和幅值加以矯正。

2 仿真與實驗驗證

2.1 仿真驗證

采用Simulink仿真，仿真參數(shù)為：電網(wǎng)相電壓US=220 V，電網(wǎng)頻率f=50 Hz，濾波器電容Cf=2 μF，阻尼電阻Rd=6Ω，濾波器逆變器側電感L1=3 mH，濾波器網(wǎng)側電感L2=0.75 mH，APF直流側電容Cdc=3 300 μF，APF直流側電壓Udc=750 V，開關頻率10 kHz。

圖6為7次諧波指令電流和前饋補償前后APF輸出電流波形。

圖6 前饋補償前后輸出電流對比Fig.6 Comparison of output current before and after feedforward compensation

由圖6可以看出前饋補償?shù)目刂品椒梢詫崿F(xiàn)APF輸出電流對指令電流的無靜差跟蹤。

以不控整流橋為非線性負載為例，分析PΙ控制和諧波分次檢測結合前饋補償控制的APF補償效果。表1給出了補償前后網(wǎng)側電流各次諧波含有率情況。

表1 補償前后網(wǎng)側電流各次諧波含有率Tab.1 The rate of harmonic wave before and after compensation

圖7 補償5～25次諧波實驗波形Fig.7 Experiment waveforms of 5～25 th harmonic compensation

由表1可以看出，采用諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂葡啾萈Ι控制補償效果更佳。

2.2 實驗驗證

為了驗證將諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒☉玫交贚CL濾波器APF的正確性和有效性，搭建了APF實驗平臺，實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。非線性負載采用三相不控整流橋。

圖7是APF補償5～25次諧波的實驗波形。圖7中，Is為網(wǎng)側電流，Il為負載電流，If為APF發(fā)出的電流。圖7a是A相實驗電流波形；圖7b是補償后A相網(wǎng)側電流THD分析和各次諧波電流值。從圖7中可以看出補償后網(wǎng)側電流的正弦度非常好，實驗中APF輸出電流有效值為1.5A，只有額定容量的三分之一，這時網(wǎng)側電流的THD依然可以達到3.9%。

圖8和圖9分別是只補償5，7次諧波的實驗波形和只補償50%的5，7次諧波的實驗波形。圖8a是A相實驗電流波形；圖8b是補償前后A相網(wǎng)側電流中各次諧波電流值對比柱狀圖。從圖8中可以看出補償了5，7次諧波電流后，網(wǎng)測電流的正弦度明顯改善。圖9a是A相實驗電流波形；圖9b是補償前后A相網(wǎng)側電流中各次諧波電流值對比柱狀圖。

當負載電流中諧波電流的有效值大于APF的額定容量時，采用諧波分次檢測的前饋補償方法可以只補償主要頻次諧波或降低補償主要頻次諧波的比例，從而使APF可以繼續(xù)工作。相比傳統(tǒng)的截斷電流法，不會帶來額外的諧波，不影響補償后波形質量。

圖8 只補償5，7次諧波電流實驗波形Fig.8 Experiment waveforms of 5，7 th harmonic compensation

圖9 只補償50%的5，7次諧波電流實驗波形Fig.9 Experiment waveforms of half 5，7 th harmonic compensation

3 結論

將諧波分次檢測結合前饋補償?shù)目刂品椒☉玫交贚CL濾波器的APF中，補償效果良好，調試簡單。在負載諧波電流有效值大于APF容量時，APF依然可以工作，可以充分靈活地利用APF容量，具有較好的工程實用意義。

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Research on Control Method of APF Based on LCL Filter

ZHANG Ke1，ZENG Guang1，YANG Bo1，SU Zhonglai2
（1.Department of Electrical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.Xuji Group Corporation，Xuchang 461000，Henan，China）

The traditional control method adopts the form of centralized harmonic detection，this method has low precision and inflexibility.The control method which combined fractional harmonic detecting with feedforward compensation，was applied to the APF system based on LCL filter.This method accomplished tracking the reference current accurately by feedforward compensation.At the same time，it could flexibly decide which harmonic frequency and capacity to be compensated.Finally，the simulation and experiment results indicate the correctness and effectiveness of control method.The control method of fractional harmonic detecting combined with feedforward compensation produces a better compensation effect，the capacity of APF has also been fully and flexibly utilized.

LCL filter；active power filter（APF）；fractional harmonic detecting；feedforward compensation

TM46

A

10.19457∕j.1001-2095.20170705

2016-05-31

修改稿日期：2016-08-09

陜西教育廳專項研究項目（2012JC18）；陜西省重點學科建設專項資金資助項目（105-00X901）

張渴（1990-），男，碩士研究生，Email：1332649499@qq.com