一種消除有源電力濾波器系統振蕩的控制方法

摘要：提出一種增加局部反饋的控制方法，對傳統有源電力濾波器控制方式進行了改進。該方法具有能較徹底地消除系統振蕩，同時降低電網側電流和公共連接點電壓畸變率的優點。仿真分析結果驗證了該方法的有效性。

關鍵詞：有源電力濾波器；諧振；控制方式；高通濾波器

1? 引言

??? 有源電力濾波器（APF）是一種動態抑制諧波電流、補償無功的新型裝置，具有響應速度快、補償效果好，能實現動態連續實時補償等優點。其基本原理在于向電網中注入一個與諧波電流、無功電流大小相等、方向相反的補償電流，從而達到消除諧波，使電網側電流成為正弦且電網功率因數為1的目的。因此，采用有效的控制方式，精確地產生補償電流是決定濾波效果的重要因素。在各種類型的電力有源濾波器中，并聯型電力濾波器應用最為廣泛。本文對傳統的并聯有源電力濾波器控制方式進行改進，增加局部反饋環節用于解決系統中無源濾波器引起的振蕩問題。仿真結果說明該方法能同時改善電網側電流和公共連接點電壓的波形，降低畸變率。

2? 主電路及其傳統控制方式

??? 并聯有源電力濾波器主電路基本結構如圖1所示。由濾波電感Lf，儲能電容C和電壓源型PWM逆變器組成，通過控制各橋臂的全控型開關器件（如IGBT），使濾波器輸出的補償電流跟蹤參考電流。參考電流由指令運算電路對檢測到的電流信號按一定的算法進行運算產生，再由跟蹤和驅動電路對主電路進行控制。由于主電路中各橋臂開關器件高頻開通關斷，會在工作頻率附近產生次數很高的諧波。為了消除這些諧波，需要在有源電力濾波器的系統中并聯由電容、電感、電阻等組成的高通濾波器。為了減少系統的損耗，則消耗在高通濾波器上的功率要盡可能地小。另外，加入高通濾波器以后，電網側電流中高頻諧波濾除了，但可能帶來發生諧振和電網側電流及公共連接點電壓波形畸變的問題。

圖1? 三相有源濾波器主電路結構圖

??? 按檢測電流的不同，并聯有源電力濾波器傳統的控制方式分為3種：1種是檢測負載電流方式，其指令電流運算電路的輸入信號來自負載電流，這是最基本的一種控制方式；另1種是檢測電網側電流方式；還有1種把上述兩種方式結合在一起，就得到復合控制方式。[1]

??? 針對高通濾波器引起的諧振和電流電壓畸變問題，采用系統傳遞函數結構圖分析3種控制方式，如圖2、3、4所示。圖中GI(s)是指令電流運算電路的傳遞函數，以要檢測的電流，如負載電流iL、電源電流is或是兩者之和為輸入，指令補償電流為輸出。GA(s)是跟蹤、驅動電路的傳遞函數，以指令補償電流為輸入，實際補償電流ic為輸出。GZ(s)是無源高通濾波器的傳遞函數，以負載電流iL與補償電流ic之和icL為輸入，電源電流is為輸出。G(s)是為防止振蕩而增加的串聯校正微分環節的傳遞函數。

圖2? 檢測負載電流控制方式結構圖

圖3? 檢測電網側電流控制方式結構圖

圖4? 復合控制方式結構圖

??? 采用檢測負載電流方式，從圖2中可看出這種方式為前饋控制。盡管這種方式對被控量的控制十分有效，但沒有is的反饋，本身作為一個開環系統無法解決系統諧振引起的電網側電流和公共連接點電壓畸變的問題。

??? 使用檢測電網側電流控制方式，有源濾波器是一個閉環系統，產生諧振部分GZ(s)也包括在閉環內。因此在控制算法中加入改善動態性能的比例微分環節G(s)可以消除部分振蕩，效果比前一種好些，但仍然不夠理想，而且由于比例微分環節的引入，削弱了系統的穩定性，可能造成系統不穩定。

??? 復合控制方式實質是在第一種方式中增加了電網側電流的反饋控制，成為前饋－反饋復合系統。其中前饋控制起主導作用，反饋控制主要用于抑制諧振，提高控制精度。這種方式具有前兩種方式的優點，效果較為理想，但控制算法也相對復雜，因此,可以想到在前兩種方法上進行改進，得到一種既避免了較復雜的算法編制，也能取得較好效果的控制方式。

??? 分析前兩種方式，檢測負載電流方式不能抑制振蕩原因在于沒有對產生振蕩的無源濾波器GZ(s)環節進行控制。而檢測電網側電流控制方式即使加入校正環節效果也不太好的原因是,要獲得好的補償效果，必須使比例微分環節有較大的增益。而系統的穩定性和控制的精度則要求比較小的增益。這個矛盾影響了最終的效果。為了避開這一矛盾，直接對無源濾波器進行控制就能抑制振蕩，改善控制的質量。本文由此提出了一種新的控制方法，即檢測無源高通濾波器電流，在前兩種控制方式中增加局部反饋的控制方式。

3? 新型控制方法的原理分析

??? 圖5即應用本文提出的方法，對傳統檢測電網側電流控制方式改進后得到的有源濾波器原理圖。該控制方式的基本原理是使有源電力濾波器產生和無源高通濾波器中振蕩電流大小相等，方向相反的補償電流，從而有效地抑制系統振蕩，消除電流、電壓的畸變。這和有源電力濾波器消除電網側電流中諧波的道理是一樣的。由于通過高通濾波器的電流相對電網側電流來說比較小，因此可以直接在無源高通濾波器的電流ih中取1％到10％作為抑制高通濾波器振蕩的信號電流，加入到指令電流運算電路產生的補償參考信號中，得到校正后的參考電流。再經過電流跟蹤控制電路、驅動電路、最后通過高頻開關器件的通斷決定補償電流的大小。

圖5? 對檢測電網側電流控制方式改進后的有源濾波器原理圖

??? 改進后控制方式的結構如圖6、7所示。圖中G1(s)、G2(s)是無源濾波器分別以icL、ih為輸入，ih、is為輸出的傳遞函數。由于系統本身包含有微分成分，容易振蕩，對干擾信號敏感，采用局部反饋，既可以實現在串聯校正中改善系統穩態性能和暫態性能的作用，又可以抑制諧振干擾信號的影響。同時，該局部反饋主要作用在高通濾波器上，對其它部分沒有太大的影響。另外，由于該反饋的引入，前向通道的增益有所降低，系統的穩定性提高了。和前面介紹的三種方式相比，不僅能很好地消除振蕩，濾除高頻諧波，而且結構比較簡單，無須復雜的算法，很容易實現。

圖6? 檢測負載側電流控制方式改進后結構圖

圖7? 檢測電網側電流控制方式改進后結構圖

4? 仿真結果分析

??? 以上分析可以用PSPICE從仿真結果得到驗證。

??? 仿真中電網頻率為50Hz，三相有源電力濾波器開關器件工作頻率為20kHz。非線性負載為三相整流器，后接20mH電感和2Ω電阻。高通濾波器采用50μF的電容。仿真結果如圖8、9、10、11和表1所示。

表1? 兩種傳統控制方式改進前后仿真結果比較

圖8? 傳統檢測負載電流控制方式下電網側電流和負載電壓

圖9? 改進后檢測負載電流控制方式下電網側電流和負載電壓

圖10? 傳統檢測電網側電流控制方式下電網側電流和負載電壓

圖11? 改進后檢測電網側電流控制方式下電網側電流和負載電壓

??? 從表1可以看出，對原來控制方式進行改進后電網側電流和公共點電壓的畸變率有效地降低了。對比圖8和9，圖10和11也看出控制方式改進后有源濾波器的電網側電流和公共點電壓的波形有了較大的改善，更接近正弦形?？傊性礊V波器的性能得到了較大的提高。

5? 結語

??? 從前面的分析和仿真結果可以看出，本文提出的這種新型控制方式不僅很好地消除了振蕩，濾除了諧波，而且還能提高系統的穩定性，控制算法也極其簡單，具有很好的推廣價值。缺點是需要檢測的電流信號數量增加了。