并聯APF在不平衡負載下的補償特性

魯 鵬，易渠江，徐在德

(1.德陽電業局，四川德陽 618000;2.哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080)

并聯APF在不平衡負載下的補償特性

魯 鵬1，易渠江1，徐在德2

(1.德陽電業局，四川德陽 618000;2.哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了應用于三相三線制系統的有源濾波器的結構，采用直接控制電源電流的方式的無功諧波檢測方法，分析了此種控制方式的有源濾波器的基本原理，并且在Matlab/Simulink環境下進行了仿真，證明了在三相負載不平衡的情況下，此種控制方法的有效性和良好的補償性。

有源濾波器;不平衡負載;PI控制

0 引言

近年來，隨著中國經濟與社會的快速發展，大型生產設備和設備單機容量不斷增加，動力設施和裝備出現重大突破。很多企業日耗電量巨大，負荷呈非線性和沖擊性，引發了多種電能質量問題，主要包括功率因數低、諧波含量高、三相不平衡、功率沖擊、電壓閃變和電壓波動［1］。因此在電力系統運行中，諧波的抑制、無功功率的補償、改善電能質量、提高功率因數和減少電能損耗已成為電力系統中的一個重要研究課題［2］。

有源濾波器APF(active power filter)是一種用于抑制動態諧波和補償無功功率的電力電子設備。它可以有效地克服傳統的無源濾波的缺點，對不同幅值和頻率的諧波進行補償，在諧波抑制方面有著廣闊的應用前景［3］。因此，本文提出對有源濾波器采取一種新的控制方式可提升系統電能質量，即直接控制電源電流方式。

1 直接控制電流的APF主回路、補償原理以及控制技術

1.1 APF主回路

有源濾波器的實質就是一個波形發生器，可以產生任意波形。通過一定的諧波檢測單元計算負荷側的諧波電流，然后依此為依據提供補償電流，消除諧波電流，從而達到補償的目的。經過補償后的系統電流接近于理想的正弦波形。

采用直接控制電源電流的方式，實際上和傳統的控制方式是等效的，與傳統的APF系統相比省去了復雜的諧波、無功的檢測單元及相應的硬件電路［4－5］。APF 主回路原理如圖 1 所示。

目前，大多數有源濾波器都需要檢測諧波和無功電流，將檢測的結果作為補償的依據，然后通過有源濾波器提供補償電流ic消除非線性負載造成的無功和諧波電流。

設電源電流為is，負載電流為iL，則補償電流ic應滿足:

圖1 APF主回路原理圖

1.2 APF補償原理

APF控制系統結構圖如圖2所示。

圖2 APF控制系統結構圖

從圖2可知，采用直接控制電源電流的有源濾波器，補償電流設定值i*的幅值Im是由直流側電容電壓的設定值與實際值的ΔUC差值，通過PI控制器調節后獲得;補償電流設定值i*s是PI控制器輸出的Im乘以和系統電源相位相同的單位正弦信號得到的，然后將補償指令電流的設定值i*s和電源電流的實際值is的差值Δis作為滯環比較的輸入信號。

式中:Vsa、Vsb、Vsc為三相電網電壓的相電壓;Vm為峰值電壓。

1.3 APF控制技術

電流補償控制技術常用的方法有滯環電流控制和三角波調制控制。滯環電流控制是一種非線性閉環電流控制方法，其利用滯環比較器形成一個以給定電流為中心的滯環或者死區，用反饋電流與給定電流的滯環比較誤差控制逆變器的開關。滯環電流控制中電流反饋的存在加快了動態響應速度，增強了抑制環內擾動的能力，控制精度較高。

本文采用的控制方法為滯環比較控制方式中的定時控制電流跟蹤方式，定時控制電流跟蹤控制方式的原理圖如圖3所示。

圖3 滯環比較控制示意圖

2 三相不平衡時APF

根據能量的平衡可知，通過PI調節后得到有功電流Im為

電力系統不平衡是由于系統三相負載不對稱引起的，由此產生的不平衡電流對系統的影響很大，而傳統的瞬時對稱分量變化是將任意一組不對稱的三相分量分解為3組對稱的相量。對于三相不對稱性負載，包括線性負載和非線性負載，根據瞬時對稱分量分解，可以分解為各次電流的正序、負序和零序對稱分量。針對傳統方法的復雜性，本文采用直接控制電源電流方式的APF對三相三線系統不平衡情況進行了補償。由于本系統采用的是三相三線結構，這樣在負載不平衡時，零序電流無法通過，因此，在分析時，忽略零序電流對系統的影響。而直接控制電源電流方式，則不需要檢測無功電流，因為在APF進行濾波和補償無功的時，直流側電容和電網電流存在能量的交換，所以，電容電壓和電容電流具有下面的動態關系:

3 仿真分析

根據上述分析，對直接控制電源電流方式的有源濾波器在Matlab/Simulink環境下進行了仿真，其中仿真系統的基本參數:系統電源電壓為us=220 V，直流側電容C=3 300 uF，電容電壓的設定值為UCref=750 V，滯環比較器的環寬為1 A。

系統在t=0.05 s時投入有源濾波器，投入前，A相的電壓電流曲線如圖4 a所示，投入后，A相的電壓電流波形如圖4 b所示。通過對比可知，采用直接控制電源電流方式，諧波抑制和無功補償的效果非常理想，完全滿足要求。

圖4 電源電流控制的APF的相補償效果

投入有源濾波器前，三相電壓電流曲線如圖5 a所示。由圖5 a可以明顯的看出，三相存在嚴重的不平衡現象并且含有大量的諧波，投入有源濾波器后，三相電壓電流曲線如圖5 b所示。通過對比可知，采用直接控制電源電流方式的APF，可以使三相平衡，并且可以補償無功，濾除諧波。

圖5 電源電流控制的APF三相補償效果

圖6為電源電流控制的APF的三相過渡過程。由圖6可知，此種有源濾波器在啟動時的過渡過程比較平穩，沒有大的波動，并且系統達到穩定的時間較快。

圖6 電源電流控制的APF的三相過渡過程

圖7為直流側電容電壓的波動曲線，由圖7可知，采用普通PI調節，系統穩定到額定電壓值750 V需要約0.5 s，超調量約50 V，電壓波動不大，系統的響應速度較快，超調量較小。

圖7 兩種控制方式下初始時刻電容電壓的過渡過程

4 結論

針對傳統APF復雜的諧波和無功檢測單元，本文采用了結構簡單的電源電流控制的APF，通過Matlab/Simulink環境下仿真表明，采用不檢測諧波的APF同樣能達到濾除諧波、補償無功的目的。通過仿真對比可知，采用PI控制的有源濾波器響應速度加快，超調量減小，魯棒性強。特別是在三相不平衡的條件下，可以較為準確的對三相進行補償，使三相達到平衡狀態，并且使系統迅速的達到穩定狀態。

［1］陳慶國，趙春明.三相四線制并聯型有源濾波器的算法和參數［J］.電機與控制學報，2009，13(1):20 －24.

［2］劉驥，張明廣，謝世強，等.混合有源電力濾波器的仿真和設計［J］.哈爾濱理工大學學報，2010，15(5):22 －26.

［3］朱東柏，劉驥，曹濱.電力有源濾波及無功補償裝置的研究［J］.電機與控制學報，2002，6(4):337 －341.

［4］王存款，惠晶，顏文旭.基于T－S模糊型的有源濾波器控制研究［J］.電力電子技術，2010，44(2):46 －48.

［5］何娜，武健，徐殿國.有源電力濾波器直流電壓的模糊控制［J］.電網技術，2006，30(14):45 －48.

Compensation characteristic of parallel APF under unbalanced load

LU Peng1，YI Qujiang1，XU Zaide2
(1.Deyang Electric Power Bureau，Deyang 618000，China;2.Harbin Institute of Science and Technology，Harbin 150080，China)

This paper introduces the structure of active filter applied in three－phase three－line system and the detecting method of reactive harmonic by directly controlling supply current，and analyzes the fundamental principle of active filter controlled by this method.The simulation under Matlab/Simulink proves the effectiveness and compensation characteristic of the control method under unbalanced three－phase load.

active filter;unbalanced load;PI control

TM77

A

1002－1663(2012)02－0113－03

2011－08－03

魯 鵬(1972－)，男，2007年畢業于浙江大學遠程教育學院電氣工程及自動化專業，學士。

(責任編輯 劉玉成)