基于有源電力濾波器的改進(jìn)型電流控制方法

楊雙雙

（國(guó)網(wǎng)天津?yàn)I海供電公司，天津 300450）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)中使用各類功率開關(guān)和非線性負(fù)荷設(shè)備，導(dǎo)致嚴(yán)重的諧波污染出現(xiàn)。通常采用的補(bǔ)償諧波方法是引進(jìn)有源電力濾波器（Active Power Filter，APF），而抑制諧波模塊則采用LCL濾波器[1-2]。但以網(wǎng)側(cè)電流作為反饋設(shè)計(jì)會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，產(chǎn)生較大紋波，損壞功率器件。近來(lái)，大量學(xué)者提出用逆變側(cè)電流設(shè)計(jì)，以改善系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，但整體補(bǔ)償效果依然不佳[3-4]。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)并聯(lián)的APF提出了利用電容電流前置疊加逆變側(cè)電流控制的新型策略，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的電流，進(jìn)一步提高APF整體補(bǔ)償精度，同時(shí)采用仿真驗(yàn)證該控制策略的實(shí)用和有效性。

1 含有LCL濾波器的APF模型

含有LCL濾波器的APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。Lg、Lc、Cf、Rd分別代表網(wǎng)側(cè)濾波電感、逆變側(cè)濾波電感、濾波電容以及系統(tǒng)阻尼電阻。其中阻尼電阻為抑制系統(tǒng)諧振的元件。

圖1 含有LCL濾波器的APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

假定系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱，不計(jì)電感寄生電阻，濾波電感為線性，由基爾霍夫電流定律（Kirchhoff's Current Law，KCL）、基爾霍夫電壓定律（Kirchhoff's Voltage Law，KVL）得到系統(tǒng)方程

式中：udc為直流電壓；uc為電容電壓；L1為逆變側(cè)電感；L2為網(wǎng)側(cè)電感；e為電網(wǎng)電壓；C為濾波電容；i1為逆變側(cè)電流；i2為網(wǎng)側(cè)電流。根據(jù)式（1）建立頻域模型，如圖2所示。

圖2 LCL濾波器模型

2 傳統(tǒng)電流控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)方法

網(wǎng)側(cè)電流閉環(huán)方法的控制模型如圖3所示。

圖3 以網(wǎng)側(cè)電流作為反饋回路的控制模型

開環(huán)傳函G0(s)的計(jì)算公式為

式中：Gi(s)為主電路模塊傳遞函數(shù)。式（3）可以簡(jiǎn)化為

式中：kp為比例系數(shù)；ki為積分系數(shù)。如果系統(tǒng)開關(guān)頻率很大，可用kp表示Gi(s)。

2.2 逆變側(cè)電流閉環(huán)方法

逆變側(cè)電流閉環(huán)方法的控制模型如圖4所示。

圖4 以逆變側(cè)電流作為反饋回路的控制模型

系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為

3 含有LCL濾波器的改進(jìn)控制方法

為提高補(bǔ)償精度，將LCL濾波器電容電流作為前置。首先將LCL濾波器電容電流與指令電流疊加，其次將疊加后的結(jié)果減去逆變側(cè)電流，最后將結(jié)果輸入控制系統(tǒng)產(chǎn)生補(bǔ)償諧波。控制模型如圖5所示。

圖5 引入電容電流前饋的系統(tǒng)控制模型

3.1 開關(guān)頻率處諧波

引入電容電流作為前置反饋前，用σ表示衰減比，則由圖4推導(dǎo)出

引入電容電流作為前置反饋后，由圖5推導(dǎo)出

由式（6）和式（7）計(jì)算出的系統(tǒng)衰減比沒有明顯變化，證明系統(tǒng)衰減比僅受網(wǎng)側(cè)濾波電感與濾波電容的影響。因此，引入電容電流作為前置反饋的方法并未改善諧波對(duì)開關(guān)頻率的抑制作用[5-6]。

3.2 根軌跡

逆變側(cè)電流作為反饋時(shí)，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)零點(diǎn)、極點(diǎn)數(shù)分別為2和3。引入電容電流前饋后，零點(diǎn)分布不變，極點(diǎn)只剩原點(diǎn)位置1個(gè)。說(shuō)明引入前饋后，若系統(tǒng)開環(huán)增益不變，其閉環(huán)極點(diǎn)會(huì)距虛軸更遠(yuǎn)，暫態(tài)分量衰減更快，系統(tǒng)可以在更短時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。

4 仿真研究

利用MATLAB開展仿真，選取6.6 kVA的有源電力濾波器；逆變開關(guān)頻率取12.5 kHz；直流側(cè)電壓取800 V；電容取2 200 μF；Lc和Lg分別取2.8 mH、0.6 mH；Cf取5 μF；Rd取4 Ω。APF投入系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置在啟動(dòng)時(shí)間0.04 s之后[7-8]。

應(yīng)用網(wǎng)側(cè)電流和逆變側(cè)電流作為反饋回路時(shí)，系統(tǒng)的電流波形及補(bǔ)償電流波形如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的電流波形/補(bǔ)償波形

由圖6可知，采用網(wǎng)側(cè)電流作為反饋回路時(shí)紋波很大，容易損壞功率開關(guān)；而逆變側(cè)電流作為反饋回路時(shí)，紋波較小，能有效保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)控制策略和新型控制策略下系統(tǒng)側(cè)電流諧波分析分別如圖7、圖8所示。

圖7 傳統(tǒng)控制策略下系統(tǒng)側(cè)電流諧波分析

圖8 新型控制策略下系統(tǒng)側(cè)電流諧波分析

由圖7和圖8可以看出，未引入電容電流前反饋時(shí)系統(tǒng)側(cè)總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）為3.12%；引入電容電流前反饋后系統(tǒng)側(cè)THD為2.08%。說(shuō)明引入電容電流前反饋可以抑制系統(tǒng)諧波，降低了系統(tǒng)整體的諧波含量。

5 結(jié) 論

文章主要分析了加入LCL濾波器的APF，在采用典型網(wǎng)側(cè)電流作為反饋回路和采用逆變側(cè)電流作為反饋回路時(shí)性能的優(yōu)劣。在此基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)策略，通過(guò)引入電容電流作為前置回路，并將逆變側(cè)電流疊加到閉環(huán)控制。該方法能夠進(jìn)一步優(yōu)化補(bǔ)償電流的跟蹤效果，從而提高APF的補(bǔ)償精度，抑制諧振峰值，使系統(tǒng)在更短時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定。