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，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. 中南大學信息科學與工程學院，湖南長沙，410083；2. 湖南廣播電視大學機電工程系，湖南長沙，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、大容量配電網諧波治理的特點，對注入式混合有源電力濾波器基本結構和工作原理進行分析，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；根據瞬時功率理論，將檢測出來的諧波功率作為參考信號，使濾波器實際輸出的諧波功率跟蹤參考功率，從而達到諧波治理的效果。對系統參數進行設計，以保證系統安全可靠運行。研究結果表明：該方法省去了諧波電流檢測和復雜坐標變換，提高系統動態控制性能；所采用的直接功率控制在IHAPF諧波補償中是可行的。

注入式有源電力濾波器；直接功率控制；瞬時功率理論；諧波電流

現代電力電子設備大量使用對電網等造成嚴重諧波污染[1]，具有補償特性好、抑制能力強和動態響應迅速的有源電力濾波器成為諧波治理的主要方式。隨著技術進步，開關管器件容量[2]增加，使得有源電力濾波器容量能夠滿足低壓場合要求，但在中高壓大容量系統中，傳統的串、并聯結構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下提供無功補償和諧波抑制能力[3?5]。目前，人們對注入式APF(active power filter)的研究主要基于電流控制策略[6?8]。檢測負載電流控制策略主要是檢測出負載諧波電流，然后向電網注入等量的諧波電流，以達到補償的目的，但這種控制方法不能抑制無源濾波器與電網串、并聯諧振問題。檢測電網電流控制能更好地減小諧波含量，但會引起系統不穩定，而且不快速。近年來，直接功率控制(direct power control, DPC)因具有控制簡單、動態性能良好等優點而被大量應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用于APF系統，提高了APF的動態性能、系統穩定性、諧波抑制能力等。與電流控制相比，采用直接功率控制對系統模型要求不高，控制結構簡單，無需復雜坐標變換與計算，具有更高的功率因數。但以上研究都是基于并聯性有源電力濾波器，并沒有對注入式混合有源電力濾波器直接功率控制進行研究。為此，本文作者首先闡述注入混合有源電力濾波器系統結構、工作原理，建立IHAPF數學模型。在此基礎上提出直接功率控制策略，采用電壓外環和功率控制內環，通過基于瞬時功率理論，將檢測負載諧波功率作為參考信號，與有源電力濾波器輸出功率進行比較得到期望值，通過滯環比較器得到開關表輸入值，產生PWM信號驅動開關管，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，以實現IHAPF快速功率調節和諧波抑制。

1 IHAPF系統結構

注入式混合有源電力濾波器系統由電壓源型逆變器、輸出濾波器、耦合逆變器、基波串聯諧振支路、注入支路、無源濾波器和非線性負載組成，如圖1所示。圖1中：s為電網電壓；s為電網電感；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分別為電網電流、負載電流、注入電流、補償電流和諧振支路電流。f和f構成串聯諧振在基波頻率時阻抗很小，電網電壓集中在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，f和f構成的網絡阻抗隨著頻率的增高而迅速增大，相當于斷路，而G阻抗卻隨著頻率增高而減小，因此，有源部分產生的諧波電流絕大部分都將流入注入支路。注入支流這種拓撲優勢使得其適用于高壓電力系統。

圖1 IHAPF系統結構

簡化的單相等效電路如圖2所示。參照文獻[11]，為分析方便，電路中無電網電壓源和負載諧波電流源，將耦合逆變器等效到輸出濾波器邊，逆變器等效為1個受控電壓源，其輸出電壓為inv，經耦合變壓器等效為inv。根據基爾霍夫電壓和電流定律，可以得到逆變器輸出電壓inv和注入電網諧波電流ch關系。

圖2 簡化的單相等效電路

由圖2可得

其中：

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

得到逆變器輸出補償電流與電壓傳遞函數()為

將式(4)進行如下變換：

對式(5)進行簡化，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()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分別為負載諧波電流源和電網電壓。

圖3 單相等效電路

假設電網電壓不含有諧波[13]，電網提供的有功功率和無功功率分別為s和s，負載消耗的有功功率和無功功率分別為L和L，有源電力濾波器補償的有功功率和無功功率分別為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。根據功率平衡和基爾霍夫電壓和電流定律，得

其中：j為虛數。在非線性負載中，L和L都含有由負載側基波正序電流在基波正序電壓作用下的瞬時有功Lf、無功Lf的直流分量和負載諧波電流在基波正序電壓作用下的瞬時有功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構成基波諧振支路阻抗迅速增加，相當于斷路，所以忽略f和f的影響，式(10)可以簡化成

當有源電力濾波器輸出滿足

時，將式(12)代入式(11)，有

通過有源電力濾波器補償掉負載中含有諧波有功功率和無功功率，這樣電網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結構，如圖4所示，該結構由直流側電壓外環和功率控制環組成。通過控制負載諧波有功功率和無功功率等于有源部分補償的有功和無功功率，功率計算在靜止坐標系下求得，實現有功和無功的解耦。

圖4 IHAPF 控制策略框圖

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

圖5 基于p-q理論的諧波電流功率計算結構圖

32變換矩陣為。

由瞬時功率理論計算負載瞬時有功功率和無功功率：

根據圖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系下瞬時有功功率和無功功率；和分別為逆變器輸出電流cabc在兩相靜止坐標系下的分量。

如圖4所示，負載諧波有功功率參考值Lh與直流側輸出有功功率dc相加，與實際補償有功功率c相減作為滯環比較器輸入，得到開關信號p。無功功率參考值Lh與實際補償無功功率C的差值經過滯環比較器后，輸出開關信號q。p，q和幅角作為開關矢量表的輸入，產生開關驅動信號。p和q滿足下式：

其中：p和q為滯環比較器的寬度。

4 仿真結果

無源濾波器參數設計參照文獻[1]。由于系統只存在6±1(=1，2，…)次諧波，所以，無源支路設計為11次和13次，根據系統要補償無功容量，最終選定11=13.7 mH，11=6.7 μF，品質因數=35；13=10.2 mH，13=6.2 μF，=35。

基波諧振支路和注入電容設計參照文獻[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成1個諧振頻率為6次單調諧型無源濾波器，對5次和7次諧波進行抑制，選取f=19.1 mH，f=531 μF，G=15.2 μF。

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

為了驗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。系統參數為：電網電壓s=10 kV，電網額定頻率=50 Hz；采用非線性帶阻感性負載，=200 Ω，=1 mH；開關頻率s=10 kHz。

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

(a) 電網電壓；(b) 負載電流；(c) 投入PF后電網側電流；(d) 投入APF+PF后電網側電流

(a) 補償前；(b) 補償后

從圖8可看出：在投入IHAPF之前，電網側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：在開始階段系統的有功功率和無功功率存在一定的波動，但這波動對系統穩定性影響較小。這是因為過了一段時間后，有功功率和無功功率的波動得到了緩解和抑制，但還是存在波動。這主要是因為電網電壓較大，與電流的乘積數值很大，造成了有功功率和無功功率波動大。

(a) 有功功率；(b) 無功功率

5 結論

1) 分析了注入式混合有源電力濾波器的結構和工作原理，并對補償諧波電流與逆變器輸出電壓之間傳遞函數進行分析，在高頻處忽略基波諧振支路影響。

2) 通過瞬時功率理論對單相等效IHAPF進行研究，證明直接功率控制在IHAPF中應用的可行性。

3) 將直接功率控制應用于注入式混合有源電力濾波器，以瞬時功率作為控制變量，理論分析結果和仿真結果驗證了該方法具有動態性能好、系統控制結構簡單，只需計算功率，省掉了諧波檢測，并能取得良好的諧波補償效果。

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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

國家自然科學基金資助項目(61203031)(Project (61203031) supported by the National Natural Science Foundation of China)

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

(編輯 陳燦華)