基于滯環控制策略的并聯有源濾波器研究

施林涵

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

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基于滯環控制策略的并聯有源濾波器研究

施林涵

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108）

并聯有源濾波器是電網中常用的諧波抑制和無功補償的裝置，本文研究了基于滯環控制策略的并聯有源濾波器結構，詳細分析了直流電容和串聯電抗器兩個關鍵器件的參數對系統的影響，并給出了選取原則，最后結合SABER軟件的仿真結果，驗證了參數優化后該方案的有效性。

并聯有源濾波器；滯環控制；SABER

隨著近年來電力電子設備在工業內的廣泛應用，各類非線性負載在使用中產生了大量的諧波分量，造成系統內電壓、電流波形發生嚴重畸變，并引起供電質量下降、電力元件損耗上升、用電設備運行的可靠性降低等問題[1-2]。為了解決電力系統內的諧波污染，眾多學者已經作了大量的研究[3-5]。在各類解決方案中，有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是當今研究的熱點。有源電力濾波器是一種能快速響應，用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，適用于補償頻率和幅值都變化的諧波分量。其補償特性良好不受電網阻抗的影響，在對濾波有較高要求的地方實用性大大超過傳統的無源濾波器。

為了提高有源濾波器的性能，需要不斷地對其控制策略進行改進。文獻[6]提出了一種神經網絡逆解耦的控制策略，文獻[7]用一種改進的SVPWM算法進行跟蹤控制，上述算法精度高但計算量大，控制復雜，在實際應用中一般還是使用滯環控制策略和三角載波控制策略。本文詳細分析了基于瞬時無功理論電流檢測的原理，通過系統參數的計算，對滯環控制策略進行了優化。最后通過仿真證明了優化后系統的有效性。

1　并聯有源濾波器組成及原理

圖1　并聯有源濾波器結構

并聯有源濾波器是有源濾波器中的一種，其結構如圖1所示，圖中的負載是典型諧波源——三相橋式整流電路，整流電路直流側為在日常生活中電子產品廣泛等效的阻感負載，APF的主電路采用三相電壓型PWM變流器，其直流側接有一個大電容，電壓基本穩定，可視作一個電壓源。圖中 isa、isb、isc代表電網側電流，iLa、iLb、iLc代表負載電流，ica、icb、icc代表并聯有源濾波器產生的補償電流。

根據節點電流定律，電網側電流和負載電流、補償電流間的關系：式中，iLf和iLh分別為負載電流分解出的基波分量和諧波分量，而并聯有源濾波器的補償電流需要補償的是負載電流的諧波分量，即產生一個大小相等、

方向相反的電流?iLh，補償后電網側的電流為

從上式可以看出，加入并聯有源濾波器進行補償后，電網側的電流只剩為正弦波的負載電流的基波分量，消除了電網側的諧波污染。

2　基于瞬時無功理論的電流檢測

諧波電流檢測的方法很多，基于瞬時無功功率理論的 ip、iq諧波檢測方法因容易實現且結果較為準確，因而使用最為廣泛。圖2為其控制框圖。

圖2 ip、iq諧波檢測法控制框圖

圖2中，C32為坐標系變換矩陣，將三相電流ia、ib、ic變換到兩相靜止坐標系下的電流iα和iβ，該變換矩陣的值為

該電路上方的PLL是一個鎖相環，鎖相環的作用是得到一個和a相的電壓有著相同相位的信號，PLL后方的是一個正弦和余弦信號的產生電路，將電流經過矩陣C變換后就能得到電流的有功和無功分量ip、iq。

得到ip、iq后通過低通濾波器（LPF）濾除諧波分量得到了直流分量和，低通濾波器本文選擇了巴特沃斯濾波器，階數為兩階，截止頻率30Hz。

經過濾波器得到的直流分量再通過兩次的逆變換得到三相電流的基波分量iaf、ibf、icf，基波分量和三相電流相減就得到了三相電流的諧波分量。當并聯型有源濾波器需要實現的功能是同時補償諧波和無功時，需要檢測的是補償對象中的諧波電流和無功電流。具體的作法只需要斷開圖2中q的計算通道即可實現。

3　滯環比較控制策略分析和參數設計

3.1策略分析

本文的補償電流跟蹤比較使用滯環控制的方式，其原理如圖3所示。

圖3　滯環比較控制策略原理圖

滯環比較器的上下閥值一般相同，設閥值為H/2（則環寬為H）。圖中左的側電流是補償電流的指令信號，它與實際的補償電流 ic進行比較，二者的差值作為滯環比較器的輸入側的信號，當該信號高于+H/2時，PWM輸出為1；同理低于?H/2時，PWM輸出為0。在二者之間時PWM輸出不變。顯然Δic的變化范圍只能在和之間浮動，圍繞著得到一個鋸齒波的波形。

采用滯環比較器進行瞬時值比較時，環寬的選擇比較重要，環寬需要和串聯電抗器相配合，才能得到更好的補償效果。滯環的寬度H對補償電流的跟隨性能有較大的影響。調高寬度 H，對開關器件要求不高，但系統誤差較大。反之調小寬度 H，系統的誤差較小，而開關器件的要求則較高。最佳策略是在開關器件容許的開關頻率內盡可能地減少環寬，增強電流的跟隨效果。

3.2參數設計

1）直流電容電壓

直流電容電壓和交流電源電壓在串聯電抗器上的差值共同決定了補償電流的大小，當直流電容電壓增大的時候，補償電流的變換率增大，系統的動態響應加快。用Uc表示直流電容電壓的值，則需要滿足：

式中，U是電源的相電壓，為了提高動態性能，一般取Uc=3U，本文取Uc=650V。

2）串聯電抗器

在并聯有源濾波器中，滯環寬度一般為額定電流的10%，經上節分析，滯環環寬和串聯電抗器的大小要結合并綜合考慮。總體上來說，電感增大時，補償電流的變化率降低，精度受到影響。電感減小時，對開關器件的開關頻率的要求就比較高。

對于滯環比較方式而言，為保證良好的跟隨性能，補償電流的變化率η的最小值：

式中，電流 Ihmax為h次諧波的最大電流幅值；ω為工頻角頻率。

根據電壓源換流器的開關原理，換流器交流側的相電壓相當于一個五電平的PWM波。0，Uc/3，這五個電平有較大的隨機性，理論上 APF的最大和最小電流變化率為

對于周期采樣方式而言，電感由允許的最大電流跟蹤偏差ΔImax決定。設采樣周期為 Ts，則 APF的電流變化率應滿足：

聯立式（6）—式（8）并化簡可得出滯環比較方式下電感取值的簡化式，即

式中，Us是電源線電壓的有效值，取閥值H/2為0.6；Tmin為 2μs進行計算，可得電感的最小取值在2.7mH，在最大值的計算中，通過傅里葉分解發現h=5的時候分母處的取值是最大的，計算出 L的最大值為42mH。

為使電流的跟蹤控制效果較好，在仿真中電感的取值為2.8mH。

4　仿真結果

為了驗證優化參數后該控制方案的有效性，本文通過 SABER軟件搭建了系統仿真模型。電網側相電壓 380V/50Hz，非線性負載為三相橋式不可控整流電路，R1=20Ω，L1=10mH。并聯有源濾波器直流側電容C=1000μF，直流側電壓Uc=650V。串聯電抗器L=2.8mH。

以A相電流波形為例，圖4是其負載電流波形，通過SABER仿真軟件中的傅里葉分析功能，測得A相的諧波畸變率（THD）為 0.3536，可認為經過三相橋式整流電路這一典型諧波源負載后，整個電源電流的波形發生了嚴重的畸變，電流中諧波的成分相當大。圖5和圖6分別為從負載電流分離出的諧波電流波形和并聯有源濾波器產生的補償電流波形。圖7是經過補償后的電網側的波形，與圖4的電流波形相比，已經有很大的改善。接入并聯有源濾波器后的諧波畸變率減低為 0.1175。通過對比加入有源濾波器前后的諧波畸變率可以發現，諧波成分得到了明顯的補償。

圖4　負載電流波形

圖5　負載電流中的諧波分量波形

圖6　并聯有源濾波器的補償電流波形

圖7 電網側電流波形

圖8和圖9分別為加入并聯有源濾波器前后電網電流波形的幅頻特性，在加入并聯有源濾波器前，5次、7次、11次和13次諧波較大，加入有源濾波器后，各次諧波都大大降低。

圖8　加入SAPF前電源電流波形的幅頻特性

圖9　加入SAPF后電源電流波形的幅頻特性

5　結論

本文對基于滯環控制策略的并聯有源濾波器進行了研究，分析了該電路的結構和原理，并詳細研究并計算了滯環控制策略下并聯有源濾波器的直流電容電壓和串聯電抗器這兩個關鍵的參數值，最后結合 SABER軟件的仿真結果論證了該優化參數計算方法的可行性、有效性。

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Research of Shunt Active Power Filter based on Hysteresis Control Strategy

Shi Linhan
(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108)

Parallel active power filter is a device for harmonic suppression and reactive power compensation in power system. The paper researches the structure of active power filter based on hysteresis control strategy. The influence of DC capacitor and series reactor, which is two key components of the system, is analyzed in detail, and the selection principle is given. Finally, the validity of the scheme is verified by simulation results with SABER software.

SAPF; hysteresis control; SABER

施林涵（1991-），男，福建福州人，碩士研究生，研究方向是電氣工程。