有源電力濾波器控制策略

冉月超

摘要：針對工業配電網中存在的因大功率非線性電力電子設備引起的負序、諧波以及功率因數低等電能質量問題，本文采用綜合電能質量補償器，來對工業配電網中存在的電能質量進行治理，能同時治理諧波、負序以及無功補償。

關鍵詞：有源電力濾波器；控制策略；補償

1 有源電力濾波器系統構成及工作原理

有源電力濾波器治理電能質量的系統方案如圖1所示。

有源電力濾波器采用并聯結構，逆變器部分通過耦合變壓器和配電網相連。它產生的諧波電壓通過耦合變壓器加在電網阻抗上獲得需要的補償電流。耦合變壓器起到降低有源功率調節器交流側電壓，匹配有源功率調節器電流以及電氣隔離的作用，使開關器件的容量得到充分利用。電容作為主電路直流側儲能元件，在正常工作時保持電壓基本不變。電感則起到平波的作用，一般要求其值足夠小以保證補償電流發生模塊的動態跟蹤性能。有源電力濾波器包括檢測模塊和補償電流發生器（電流跟蹤控制電路、變流器）兩個部分：前部分檢測網側電流的諧波和無功等電流分量，后者根據接收的運算電路指令信號來控制產生補償電流。

2 電流補償跟蹤控制方法

電流跟蹤控制的任務就是在檢測出負載電流中的畸變量之后，控制裝置的輸出電流實時跟蹤指令電流的變化。將補償電流注入到電網中，使得電網電流能夠呈現正弦狀態，以達到負序和諧波綜合補償的目的。已有大量文獻對電流跟蹤控制方法進行了研究，提出了諸如三角波比較調制法、電流滯環跟蹤控制法、無差拍控制法等。

2.1 三角載波電流控制法

三角波比較調制法是比較常見的控制方法。三角波比較調制法的優點是控制電路結構簡單，功率器件的開關頻率恒定為三角波載波的頻率，這樣給器件選擇帶來方便。缺點是逆變器一直運行在高頻狀態，開關損耗較大。故此種控制方法多用于中小功率應用中。

2.2 滯環電流控制法

滯環控制物理概念清晰，結構簡單，容易實現。當開關頻率較高時，動態性能較好。由于不含有載波，故在其輸出中不含有與載波頻率相關的特定諧波。并且在控制運算中未使用到系統參數，對參數不敏感，魯棒性好。但是其開關頻率不固定，并且隨系統的工作條件變化而變化，諧波電流的頻率分布隨機，給濾波器設計帶來一定困難。

2.3 無差拍控制法

與PWM控制技術相比，無差拍控制的輸出控制脈寬是基于電路的實時狀態計算而來，所以動態響應能力更好。此外，由于無差拍控制在電路發生改變后過渡過程的響應速度快，因此具有負荷適應性強以及輸出失真度小的特點。無差拍控制具有諸多優點的同時也存在著一些不足：由于是基于數學預測模型的一種控制方法，所以其對系統的參數具有很大的依賴性；因為需要進行實時計算，所以對硬件要求較高；此外，采用無差拍控制在建模不理想時還存在著輸出電壓振蕩的風險，不利于安全穩定運行。

3 直流側電容電壓控制

為了確保集成綜合補償模塊的主電路的安全運行，逆變器的直流側的電容電壓必須穩定在一個特定的范圍內，這樣才能確保在任意時刻主電路能隨著指令電流值生成對應的補償量。在逆變器運行時，由于補償電流以及系統損耗是在不斷變化的，在沒有使用恰當控制方法時直流電容的電壓會不穩定，不利于裝置的安全運行。當前，主要有兩種方法來穩定直流側電容的電壓：一是采用適當的控制方法來穩定直流電容的電壓，二是通過附加輔助電路的形式給直流電容充放電以確保電容電壓的穩定。第二種方法需要外加輔助電路，這勢必增加了逆變器電路的結構復雜度以及成本與損耗，因此在實際應用中多采用第一種方法。實際應用中比較常用的電容穩壓控制方法有以下幾種：比例控制、模糊控制、單周控制、比例積分以及線性最優等。在這些控制方法中，比例控制與比例積分應用尤為廣泛。

4 綜合補償裝置控制策略

通過上述分析與論述，可以得到有源電力濾波器實現綜合補償功能的控制原理，控制系統實際上等同于基于負載電流反饋的直流側電容電壓外環、電流內環的雙閉環滯環控制。

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