一種消除有源電力濾波器系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)振蕩，同時降低電網(wǎng)側(cè)電流和公共連接點電壓畸變率的優(yōu)點。仿真分析結(jié)果驗證了該方法的有效性。

關(guān)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(tài)抑制諧波電流、補償無功的新型裝置，具有響應(yīng)速度快、補償效果好，能實現(xiàn)動態(tài)連續(xù)實時補償?shù)葍?yōu)點。其基本原理在于向電網(wǎng)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(wǎng)側(cè)電流成為正弦且電網(wǎng)功率因數(shù)為1的目的。因此，采用有效的控制方式，精確地產(chǎn)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(lián)型電力濾波器應(yīng)用最為廣泛。本文對傳統(tǒng)的并聯(lián)有源電力濾波器控制方式進行改進，增加局部反饋環(huán)節(jié)用于解決系統(tǒng)中無源濾波器引起的振蕩問題。仿真結(jié)果說明該方法能同時改善電網(wǎng)側(cè)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(tǒng)控制方式

??? 并聯(lián)有源電力濾波器主電路基本結(jié)構(gòu)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(guān)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(chǎn)生，再由跟蹤和驅(qū)動電路對主電路進行控制。由于主電路中各橋臂開關(guān)器件高頻開通關(guān)斷，會在工作頻率附近產(chǎn)生次數(shù)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(tǒng)中并聯(lián)由電容、電感、電阻等組成的高通濾波器。為了減少系統(tǒng)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(wǎng)側(cè)電流中高頻諧波濾除了，但可能帶來發(fā)生諧振和電網(wǎng)側(cè)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(jié)構(gòu)圖

??? 按檢測電流的不同，并聯(lián)有源電力濾波器傳統(tǒng)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(wǎng)側(cè)電流方式；還有1種把上述兩種方式結(jié)合在一起，就得到復(fù)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(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)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(shù)，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(qū)動電路的傳遞函數(shù)，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(shù)，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(lián)校正微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

圖2? 檢測負載電流控制方式結(jié)構(gòu)圖

圖3? 檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式結(jié)構(gòu)圖

圖4? 復(fù)合控制方式結(jié)構(gòu)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(huán)系統(tǒng)無法解決系統(tǒng)諧振引起的電網(wǎng)側(cè)電流和公共連接點電壓畸變的問題。

??? 使用檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式，有源濾波器是一個閉環(huán)系統(tǒng)，產(chǎn)生諧振部分GZ(s)也包括在閉環(huán)內(nèi)。因此在控制算法中加入改善動態(tài)性能的比例微分環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)的引入，削弱了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。

??? 復(fù)合控制方式實質(zhì)是在第一種方式中增加了電網(wǎng)側(cè)電流的反饋控制，成為前饋－反饋復(fù)合系統(tǒng)。其中前饋控制起主導(dǎo)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(yōu)點，效果較為理想，但控制算法也相對復(fù)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(fù)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(chǎn)生振蕩的無源濾波器GZ(s)環(huán)節(jié)進行控制。而檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式即使加入校正環(huán)節(jié)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(huán)節(jié)有較大的增益。而系統(tǒng)的穩(wěn)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(zhì)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(yīng)用本文提出的方法，對傳統(tǒng)檢測電網(wǎng)側(cè)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(chǎn)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(tǒng)振蕩，消除電流、電壓的畸變。這和有源電力濾波器消除電網(wǎng)側(cè)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(wǎng)側(cè)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(chǎn)生的補償參考信號中，得到校正后的參考電流。再經(jīng)過電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路、最后通過高頻開關(guān)器件的通斷決定補償電流的大小。

圖5? 對檢測電網(wǎng)側(cè)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(jié)構(gòu)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(shù)。由于系統(tǒng)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(xiàn)在串聯(lián)校正中改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能和暫態(tài)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(tǒng)的穩(wěn)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(jié)構(gòu)比較簡單，無須復(fù)雜的算法，很容易實現(xiàn)。

圖6? 檢測負載側(cè)電流控制方式改進后結(jié)構(gòu)圖

圖7? 檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式改進后結(jié)構(gòu)圖

4? 仿真結(jié)果分析

??? 以上分析可以用PSPICE從仿真結(jié)果得到驗證。

??? 仿真中電網(wǎng)頻率為50Hz，三相有源電力濾波器開關(guān)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(jié)果如圖8、9、10、11和表1所示。

表1? 兩種傳統(tǒng)控制方式改進前后仿真結(jié)果比較

控制方式	電網(wǎng)側(cè)電流畸變率	公共點電壓畸變率
未補償時	23.5％	7.90％
檢測負載電流控制方式	8.66％	9.22％
檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式	5.06％	5.52％
改進后檢測負載電流控制方式	1.82％	2.78％
改進后檢測電網(wǎng)側(cè)電流控制方式	1.61％	3.33％