有源電力濾波器抑制電網諧波方法研究

李明月 張金瑞 李萍 高瑩

摘要：針對諧波電流提取過程中的檢測、數字化處理、傳輸等過程，往往會產生信號滯后、受到干擾等問題，影響電流補償精度，提出了以并聯型有源電力濾波器采用kalman濾波器遞推算法，實現電網諧波電流檢測、預測優化及無差拍跟蹤控制。利用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建濾波系統，編寫了kalman濾波器遞推及電流跟蹤控制算法。仿真結果表明：濾波器可快速跟蹤電網電流、各次諧波相位與幅值，并具有諧波電流預測功能，其逆變器跟蹤控制性能良好。

關鍵詞：三電平有源電力濾波器；kalman濾波器；諧波；預測；跟蹤控制

中圖分類號：TM74

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2016）08016903

1 引言

近年來各種電力電子裝置、沖擊性負載的不斷涌現，嚴重影響了電網電能質量及其安全運行。向電網注入抵消負載諧波、無功電流的有源電力濾波器[1]（active power filter， APF）得到了廣泛應用，同時為了使其更好地的適應各類負載，提高電網電能質量，對其性能提出了更高的要求，各種研究工作正深入開展。APF的核心問題是補償精度，影響補償精度有兩個因素：一是諧波電流實時檢測精度，二是逆變器動態跟蹤控制精度。許多論文提出了各種控制算法[2～4]。針對諧波電流獲取、傳輸過程中會受到各種噪聲干擾或滯后的問題，提出利用kalman濾波器對電網電流進行跟蹤，分離出需要補償的指令電流，可根據產生的滯后給予預測優化，這種方法不但消除了信號在檢測、傳輸過程中參入的噪聲，還能彌補信號處理、傳輸過程中的滯后。電流跟蹤控制采用簡潔的誤差拍跟蹤控制方法，通過兩方面分別提高APF的檢測與控制精度。

2 有源電力濾波器電路結構及工作原理

APF采集非線性負載側電流，通過數字化運算單元檢測出需要補償的諧波、無功電流即指令電流，與逆變器輸出的補償電流構成閉環反饋產生驅動功率開關管的脈沖信號，使逆變器輸出電流跟蹤指令電流，注入電網補償負載的諧波和無功電流，凈化了電網使諧波畸變率降低，功率因數提高。

3 Kalman濾波器補償指令電流提取與預測優化方法

卡爾曼濾波是一種遞推最優狀態估計方法，應用于受隨機干擾的動態系統。實際工程應用中，由于實時測得的離散觀測數據往往受到噪聲干擾，產生隨機誤差，影響系統性能。卡爾曼濾波能實現動態系統實時狀態估計與對未來的預測。這種方法需要當前的測量值和前一個采樣周期的估計值進行狀態估計，而無需大量的存儲空間，計算工作量小，只在直觀的時間域內運行，因此該方法廣泛的應用于各個領域[5]。

5 仿真實驗驗證

采用MATLAB/Simulink仿真軟件對kalman跟蹤電網諧波電流并進行預測的電流檢測方法進行了仿真分析。電網相電壓有效值220 V，電網頻率50 Hz，PWM調制頻率20 k，直流側電壓600 V，濾波電感1.6 mH。

采用帶有負載電路的三相不可控整流橋作為電網非線性負荷。電網電流波形的仿真結果如圖2～6所示。kalman 濾波器跟蹤電網電流如圖2（三相）及圖3（單相）并檢測基波有功分量、無功分量，通過定頻電流跟蹤控制APF實現補償電網電流波形如圖5所示。對網側的a相電流的6個周期補償前后進行FFT分析，如圖4和圖6所示，可看出諧波畸變率的變化情況，說明APF在采用了kalman 濾波器諧波檢測和指令電流的定頻跟蹤控制方法的有效性，且有較高的補償精度。

采用kalman濾波器實時檢測電網諧波、無功電流，且根據系統滯后情況采用預測補償提高諧波檢測精度。在負載穩態運行和突變運行兩種不同情況下，APF的穩態與動態響應跟蹤補償性能較高。理論分析與仿真實驗結果表明，采用該kalman濾波器提取諧波與電流跟蹤控制策略是可行，有效的。

參考文獻：

[1]王兆安，楊 君，劉進軍，等.諧波抑制和無功補償（第二版）[M].北京：機械工業出版社，2010：16～20.

[2]何英杰，劉進軍，王兆安，等.基于重復預測原理的三電平APF無差拍控制方法[J].電工技術學報，2011，25（2）：114～120.

[3]申張亮，鄭建勇，梅 軍，等.基于改進電壓空間矢量調制的有源濾波器雙滯環電流跟蹤控制策略[J].中國電機工程學報，2011，31（15）：8～14.

[4]林呈輝，楊洪耕，袁 鋒.基于變換和自適應卡爾曼濾波的任意次諧波電流檢測[J].現代電力，2013，（5）：14～20.

[5]Charles K.Chui，Guanrong Chen. 卡爾曼濾波及其實時應用（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2013：1～15.

Abstract： Accuracy of the obtained harmonic current referenceis critical performance of the filter. Compensation accuracy is affected by the factors， such as signal detecting， digital processing and transmission causing time-delays or permeating interfering signals. The method is proposed so that the topology of three-level inverter utilized as the main circuit of the active power filter which is based on a real-time digital Kalman filter may has the performance of obtaining the reference control current， the capacity of prediction for avoiding the time-delay and improving current tracing accuracy. The mathematic model of abstracting reference current applied Kalman filter is established. Filtering system and Kalman filter algorithm is simulated in MATLAB/Simulink. The simulation results prove that the method of tracing harmonic current， phase and magnitude of the listed harmonic current，and prediction current is effective and correct ， the performance of inverter is good.

Key words： active power filter； Kalman filter； harmonic； prediction； tracing control