基于瞬時無功功率理論的APF研究

張 芳，史晨虹，王志良，李廣偉，王效亮，石連凱，劉志蕾

（1.北京精密機電控制設備研究所，北京 100076；2.中國鐵道科學研究院，北京 100081；3.北京萬興建筑集團有限公司，北京 102600）

0 引言

電力電子裝置是人類現代化生活中不可或缺的設備。電子開關設備為日常生活帶來方便的同時，也在電網中引入了諧波源，造成了電網的污染。傳統的LC調諧濾波器是濾除諧波的主要手段，但其補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，也和系統發生并聯諧振，導致諧波放大。此外，傳統的平均無功功率補償法具有滯后大和運算復雜等缺點。有源電力濾波（APF）采用的瞬時無功功率補償法巧妙的避開了傳統算法的劣勢，不僅實時性好而且減小了運算量，且可操作性強[1]。本文系統的介紹了有源電力濾波的方法。

1 系統工作原理

有源電力濾波，即通過測量分析獲得電網中產生的諧波電流，以此作為指令信號，通過電子開關裝置產生一個與諧波電流相同的信號來補償電網，從而消除電網中的諧波電流，最終形成一個閉環補償系統，使得電網電流穩定輸出。如圖1所示。

圖1為APF的結構框圖，圖中Us和Is分別為電網電源和電網電流，IL和IC分別為負載電流和APF補償電流。從圖中可以看出APF主要由控制器、直流儲能電容、三相逆變橋以及連接電抗器四部分組成。首先系統控制器通過測量負載電流獲得諧波電流信號，直流儲能電容作為系統的能源裝置，三相逆變橋由開關器件組成，系統控制器就是通過控制三相逆變橋的開關器件以及連接電抗器的共同作用產生補償電流，補償電流匯入電網，提供給負載，從而達到諧波抑制的效果[6-8]。

圖1 APF系統框圖

2 控制器工作原理

2.1 控制器諧波檢測算法

諧波電流的檢測是系統工作的前提調節，其檢測方法多種多樣，有包括基于傅里葉變化的檢測方法、基于小波變換的檢測方法、基于卡爾曼濾波器的檢測方法在內的頻域諧波檢測方法；有以模擬濾波器、理想諧波消除法、同步檢測法等為代表的時域諧波檢測技術；還有基于DQ軸傅里葉分析檢測的方法、基于神經網絡的檢測方法以及基于自適應干擾消除技術的檢測方法等其他檢測方法[2-3，7-11]。

基于瞬時無功功率理論的檢測方法在有源電力濾波器發展過程中具有里程碑意義，它使APF能夠在實際中得以實現。傳統的傅里葉變換檢測方法需要一個周期的信號，實時性差；并且經過兩次傅里葉變換，計算量大。瞬時無功功率理論使諧波及無功的實時檢測成為可能，檢測無功電流可以實現無延時；檢測諧波電流由于低通濾波器的存在會存在一定時間延時，一般為1/6個周期，實時性很好。基波有功電流可通過圖2所示矢量關系求得。

圖2為電壓和電流在d-q軸坐標系下的投影。圖中u→為基波正序電壓矢量，為基波正序電流矢量。為在d軸上的投影，為在q軸上的投影，同理為在d軸上的投影，為在q軸上的投影。為在上的投影，表示電流的有功分量。ipd為在d軸上的分量，表示在d軸的有功分量，同理ipd為在q軸上的分量，表示在q軸的有功分量。利用公式（1），對在d軸和q軸的有功分量進行d-q反變換，從而得到在a、b、c相的有功電流分量，分別為iya、iyb、iyc。

圖2 電壓和電流在d-q軸坐標系下的投影

利用公式（2），對電網三相輸入電流ia、ib、ic與負載三相有功電流分量做差，即可得到三相補償電流的參考指令

圖3所示為控制器基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測原理框圖。圖中ua、ub、uc為電網的三相輸入電壓，和為ud、uq的直流分量，、為id、iq的直流分量；ω是電網基波角頻率；Vdc為直流儲能電容電壓；是直流儲能電容的參考電壓。

鎖相環鎖住電網電壓相角，三相輸入電流和電壓首先通過abc/dq變換到d-q坐標系下，id、iq和ud、uq通過低通濾波器LPF變為其直流分量、和、，在 d-q坐標系下得到電流在電壓方向的投影，得到有功電流。有功電流經過dq/abc變換，變換為三相電流iya、iyb、iyc，與輸入電流ia、ib、ic做差，即可得到諧波指令電流。

圖3 APF控制系統結構圖

2.2 直流電容穩壓策略研究

直流儲能電容是APF重要的元件之一，直流儲能電容用于為APF直流側提供電壓支撐，直流電容穩壓是APF的關鍵技術之一。由于直流電容電壓與APF和電網間有功功率交換有關，即當APF向電網發出有功功率時，電容電壓降低；當APF從電網吸收有功功率時，電容電壓升高。所以為保證電容電壓穩定，可將電容電壓誤差信號疊加到指令信號有功軸。如圖3所示，將電容電壓Vdc與指令信號做差后經過PI調節器加到控制信號有功軸，用以調節電容電壓，保證直流電壓穩定[7]。

2.3 控制策略研究

三角載波比較控制方法是一種常用方法，控制算法如圖4所示。圖中，為指令電流，ic為實際電流，將與ic作差即得到誤差電流Δic，然后通過PI調節，再與三角載波進行比較，再加入限流環節，即可得到PWM信號，從而來控制三相逆變器開關器件的開關頻率和占空比。這種閉環結構，可以使得電流誤差最小，從而達到電流最大程度跟蹤指令電流的目的。由于固定的三角波頻率，使開關管有固定的開關頻率，輸出濾波電路易于設計、實現[3-4]。

3 系統仿真分析

目前，電力系統仿真軟件的主流是EMTDC/PSCAD，可以通過此仿真環節建立基于瞬時無功功率理論的諧波檢測的APF模型，通過輸入表格1中的仿真參數得到了如圖5、圖6所示的仿真波形。其中圖5為基于瞬時無功功率理論的諧波檢測算法得到的諧波電流，圖6為APF輸出的補償電流。通過對比兩圖發現，此種方法快速性高、滯后性小、且計算準確，滿足諧波補償的需求。

圖4 三角載波比較控制算法

表1 仿真參數

4 實驗驗證

根據表格1的仿真條件實際搭建了基于TMS320F28335的APF樣機，其中控制器諧波電流檢測方法正是采用了基于瞬時無功功率理論[5]，諧波電流采樣頻率10 kHz。實驗結果如圖7、8所示。

圖5 諧波檢測電流

圖6 APF輸出電流

圖7 補償前電網電流

從圖8中可以看出，利用APF補償后的電網電流諧波含量很小，證明基于瞬時無功功率補償理論的有源電力濾波器具有快速性好和準確度高的優點[12]。

5 結論

通過仿真模型和實驗驗證的方法，得出結果滿足預期要求。因此基于瞬時無功功率理論的APF不僅具有很好的操作性，而且滯后小、準確度高。

圖8 補償后電網電流

此方法有效的解決了電網污染問題，從而剔除了電子開關器件在日常生活普及中的障礙，可以進行廣泛推廣。

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