有源电力滤波器双开关表直接功率控制策略研究

李慧，王奔，李虎威，吴维鑫

（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031）

有源电力滤波器双开关表直接功率控制策略研究

李慧，王奔，李虎威，吴维鑫

（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031）

并联有源电力滤波器的主要功能是实时补偿谐波电流，防止谐波电流流入电力系统造成污染。根据瞬时功率理论，把检测出的谐波功率直接作为参考功率信号，根据功率同开关量的关系，使用双开关表的方法完成对有功功率和无功功率的分别控制。仿真结果表明，采用这种控制策略设计出的有源电力滤波器具有良好的谐波补偿效果。

有源电力滤波器；双开关表；直接功率控制；瞬时功率理论；谐波补偿

1 引言

随着电力电子技术的飞速发展，各种非线性和时变性电力电子设备得到了广泛的应用。这些设备在生产、生活等方面起着重要的作用，但也使得大量的谐波电流流入电网，对公用电网的供电质量造成了严重的影响，消除电网中的谐波污染成为电能质量研究中的一个重要课题。与传统的无源滤波器相比，有源电力滤波器（active power filter，APF）主要具有响应速度快，能够实现动态连续实时补偿的优点，从而使其成为电网谐波抑制的主要研究方向之一［1-2］。

目前，在并联有源电力滤波中，比较常用的方法是电流控制方法［3］，它从控制电流的角度对谐波电流进行补偿，使电网电流只含工频基波分量，以达到改善电网电能质量的目的。

本文提出了双开关表直接功率控制（direct power control，DPC）方法，此方法是从能量的角度，采用直流电压外环和功率控制内环结构，通过瞬时功率理论测算出谐波瞬时功率，直接把检测的谐波功率作为参考信号，然后根据有源电力滤波器交流侧电压及参考功率在双开关表中选择变流器输出功率所需要的开关量，控制变流器产生或消耗与参考谐波功率大小相等、方向相反的谐波有功和无功功率，间接控制补偿电流，达到抵消谐波功率的目的。

双开关表DPC控制方法加强了有功功率调节能力，具有响应速度快，控制算法简单，利于硬件实现等优点［4-9］，适用于设计 APF系统。基于DPC控制方法，研究了APF的工作原理，然后设计出双开关表控制的APF控制器，最后建立APF系统仿真模型，并进行仿真验证。

2 基于双开关表DPC的APF补偿原理

基于跟踪电流型的 APF补偿原理［10-11］，采用双开关表DPC控制方法的APF基本思想如图1所示。

图1 APF基本拓扑图Fig.1 Basic topology of APF

假设电网电压只含基波正序电压分量，其提供的有功和无功功率分别为PS，QS；有源电力滤波器APF补偿的有功和无功功率分别为PC，QC；非线性负载消耗的有功和无功功率分别为PL，QL，两者都包含两部分，一部分是直流分量，是负荷侧基波正序电流在基波正序电压作用下的瞬时有功PLf和无功QLf；另一部分为交流分量，是负荷侧谐波电流在基波正序电压作用下的瞬时有功PLh和无功QLh，亦即PL＝PLf＋PLh，QL＝QLf＋QLh。

根据电路理论，流入节点的功率与流出节点的功率相等，则在APF接入点O处有：

若补偿功率满足：

即电网侧只提供由正序基波电压和基波电流作用下的瞬时有功和无功功率，此时电网侧只含有基波正序电流。由此可知，只要补偿功率能实时跟踪补偿负载端谐波功率，就能达到消除谐波的目的。因此，可以把负载端谐波功率作为参考功率信号，控制APF开关器件的导通，使APF的补偿功率跟踪参考功率。

3 APF的双开关表DPC系统组成

采用双开关表的有源电力滤波器DPC系统主要由主电路和控制电路组成，如图2所示。

图2 双开关表DPC的APF控制系统图Fig.2 Control system diagram of APF based on double switching table DPC

为避免复杂的d，q变换，采用在两相静止α-β坐标系中APF数学模型。APF交流侧在α-β坐标系下的数学模型为

忽略等效损耗电阻RC的影响，则式（4）可变为

根据瞬时功率理论［12］，可以实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波功率。谐波参考功率检测模块的结构原理图如图3所示。

图3 谐波参考功率检测框图Fig.3 Configuration of harmonic reference power detection

如果电网电压存在谐波，三相电压中的谐波分量会与负荷电流的基波分量作用产生瞬时功率的交流分量，同时谐波电压分量也会与谐波电流分量作用产生瞬时功率的直流分量［10］。为保证检测的准确，将电源检测电压通过锁相环，构造出基波正序电压分量USfabc，然后通过α，β变换得到USfα和USfβ，即：

式中：USfm为电网基波正序电压幅值。

电网电压、负载电流通过α，β变换得到在两相静止α-β坐标下的电压、电流后，运用两相静止α-β坐标系中的瞬时功率计算方法就得到瞬时有功和无功，经低通滤波器滤除瞬时功率的交流分量PLh，QLh后可得到瞬时功率直流分量PLf，QLf，然后用这2个直流分量分别减去滤波前的瞬时功率就可得到参考瞬时功率P＊Lh，Q＊Lh。

APF实际输出的瞬时有功PC和无功QC也是在两相静止α-β坐标下，运用瞬时功率理论计算得到，检测框图如图4所示。

图4 实际输出瞬时功率检测框图Fig.4 Configuration of actual output power detection

为优化换流器的性能，电压空间矢量被分为12个扇区［12］，如图5所示。为确定电源电压空间矢量的位置选择，由uSfα，uSfβ电压量可以确定APF接入点基波正序电压的幅角θ＝arctan（uSfβ／uSfα），根据θ确定电源电压空间矢量的位置。θn由下式确定：

例如θ＝arctan（uSfβ／uSfα）＝0°～30°，说明电源电压空间矢量在θ2扇区内。

图5 APF系统电压空间划分Fig.5 Voltage space division of APF system

参考瞬时有功功率P＊Lh与直流侧电压偏差经PI控制器反馈的有功功率Pdc之和，与实际补偿瞬时有功PC的差值，经过滞环比较器后，输出开关信号Sp。参考瞬时无功Q＊Lh和实际补偿的瞬时无功QC的差值，经过滞环比较器后，输出开关信号Sq。

滞环比较器的输入为功率给定值与实际APF输出功率的差值ΔP，ΔQ，输出反映了实际功率偏离给定功率的状态Sp，Sq，其计算公式如下：

式中：Hq，Hp分别为图2中上下两个滞环比较器的滞环宽度。

4 p／q双开关表的形成

双开关表的p表主要用来调节有功，q表主要用来调节无功。两表分别根据式（5）、θn及电压矢量与功率的关系，确定APF变流器所需的开关状态，即Su，Sv，Sw的取值。Su，Sv，Sw取决于变流器端的ur；ur有8个空间矢量，分别为U0（000），U1（100），U2（110），U3（010），U4（011），U5（001），U6（101），U7（111），其分布如图6所示。

图6 APF系统的空间电压矢量Fig.6 The space voltage vector of APF system

由式（5）和图6可以得出：us-ur在us上的水平方向和垂直方向上的投影长度和方向，分别决定APF系统吸收有功和无功功率增量的大小和方向。如果水平方向投影与us同相，表示在此ur的作用下，系统吸收的有功增加，反之减少；水平投影的长度越长，表示系统有功增加或减少的速度越快。如果在us垂直方向上的投影为正，表示在此ur作用下，系统吸收的无功减少，反之增加；垂直投影长度越长，表示无功减少的速度越快。

现假设us在θ1（-30°≤θ≤0）区域，Sp＝1，Sq＝0，即参考有功Pref＞PC，参考无功Qref＜QC，则应选择合适的ur，使PC增加，QC减少，分别趋近于Pref，Qref。分别选取u1～u6进行分析比较知，us-u6在us垂直方向上的投影为正且长度长，系统可以快速地减少无功；在us水平方向上投影为正可以增加有功，但长度短，对增加有功的作用不大。us-u4在us的水平方向为正且长度长，因此可以快速增加系统吸收的有功；在垂直方向上的投影为正，可以减少系统吸收的无功，但是长度短，对减少无功吸收作用不大。对此，可以定义此刻的u4为有功调节矢量，u6为无功调节矢量。

其他情况下的调节矢量的选取可照此分析进行选择，最后得到有功功率和无功功率开关表见表1和表2。

表1 有功功率开关表（p表）Tab.1 Switching table of active power（ptable）

表2 无功功率开关表（q表）Tab.2 Switching table of reactive power（qtable）

通过电子开关S的转向可以交替使用表1和表2，实现有功和无功功率的有效同时调节。如果需要加强有功调节，就增加p表作用时间，减少q表作用时间；要加强无功调节，就减少p表的作用时间，增加q表作用时间，这样就实现了APF系统双开关表控制。

5 APF系统仿真

电源电压无畸变、负载平衡的情况下，abc三相电压源电压、补偿后电压源侧的三相电流、a相负载电流及a相补偿电流的仿真波形如图7所示，直流侧电容两端电压波形如图8所示。补偿前电源侧abc三相电流谐波含量分别为35.28%，35.35%，35.13%；补偿后谐波含量减少为1.83%，1.80%，1.92%。

图7 电源电压无畸变、负载平衡时仿真结果Fig.7 Simulation results under balanced conditions and source voltage undistorted

图8 直流侧电容上的电压波形Fig.8 Voltage waveform of the DC capacitor

电源电压无畸变、负载不平衡的情况下，仿真波形如图9所示，补偿前电源侧三相电流谐波含量分别为24.15%，22.63%，49.40%；补偿后谐波含量减少为2.03%，2.00%，1.94%。

图9 电源电压无畸变、负载不平衡时仿真波形Fig.9 Simulation results under unbalanced load conditions and source voltage undistorted

电源电压有畸变、负载不平衡的情况下，仿真波形如图10所示，补偿前电源侧三相电流谐波含量分别为25.82%，29.59%，70.64%；补偿后谐波含量减少为2.77%，2.83%，2.53%。

图10 电源电压有畸变、负载不平衡时仿真波形Fig.10 Simulation results under power supply voltage distortion and unbalanced load conditions

从仿真结果可以看出，在不同环境下，采用双开关表DPC控制的APF都具有良好的补偿性能和较快的动态响应速度，能有效地抑制谐波电流流入电网。

6 结论

本文将双开关表DPC控制方法运用到APF中，DPC将瞬时有功和无功功率直接作为控制变量，检测方法快速便捷，控制结构简单；双开关表不仅对无功调节有很好的效果，还加强了对有功的调节，实现有功和无功功率的有效同时调节。用双开关表DPC控制方法设计的APF系统在恶劣的环境下也能进行有效的补偿，其控制结构简单，响应速度快，滤波效果好，还利于硬件的实现。系统仿真验证了用此方法设计APF控制系统的可行性和有效性。用双开关表DPC方法设计的APF系统，将具有广泛的应用前景。

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修改稿日期：2010-11-11

Study of Double Switching Table DPC Control Strategy for Active Power Filter

LI Hui，WANG Ben，LI Hu-wei，WU Wei-xin

（SchoolElectricalEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，Sichuan，China）

The main function of shunt active power filter is to compensate harmonic current on-line，making the power system not be polluted by harmonic current.According to the instantaneous power theory.In this method，the harmonic power is detected to be the reference compensation power directly，based on the relationship between power and switch，the method of double switching table was used to control the active power and the reactive power，respectively.Finally，simulation results indicate that the APF controller with double switch DPC show perfect harmonic compensation performances.

active power filter；double switching table；direct power control（DPC）；instantaneous power theory；harmonic compensate

TM761

A

李慧（1985-），女，硕士研究生，Email：lih.515＠163.com

2010-07-23