新型注入式有源滤波器参数优化及控制算法

曾泽湖

（佛山供电局，528000）

0 引言

本论文在多种传统PI控制方法的基础上提出了一种复合滞环控制方法。在滞环控制及递推积分PI控制理论的基础上，既克服了滞环控制有差调节、电流开关毛刺较大等缺点，也避免了递推积分PI控制稳态到达时间长的不足，实现了这两种控制方法的有机结合。

1 拓扑结构分析

对于传统的并联混合有源滤波器来说，其有源部分并联的基波谐振支路可以降低有源部分承受的基波电压，大大减小了有源部分的容量，因此适用于较高的电压等级。但也正是因为基波谐振支路的存在，需要额外的整流设备对直流侧电容充电，在实际运行时，电网电压波动及负载变化等原因会造成交流侧能量的倒灌，从而引起直流侧电压的抬升，严重影响系统的稳定可靠性。

针对上述问题，对新型注入式混合型有源滤波器的拓扑结构进行了改进。配网中的谐波电流由无源滤波器与有源滤波器综合治理。无源滤波器的输出经过滤波电感后与分压电感并联在变压器原边，变压器副边串联7次单调谐支路后并入电网。

7次单调谐支路和并联分压电感L构成IHAPF的注入支路。注入支路的存在使得有源部分承受较小的基波电压，大部分在7次PPF的电容上。

有源部分输出的谐波电流进入注入支路时将被分成两部分，一部分通过7次单调谐支路，另一部分进入变压器二次侧并联的分压电感。通过7次单调谐支路的电流可以有效补偿负载产生的谐波电流。

2 参数优化设计

新型注入支路参数设计的一般原则是保证有源部分发出的电流能尽可能多的流入到配电网中去，这样就引入了注入比这一概念，即谐波电流注入系统及流入分压电感的有效值之比，该值越大即有源起到的效果越好。另一方面，分压电感承受的基波及谐波电压不能过高，影响有源部分工作。

7次单调谐支路在谐波次数为n的等效阻抗为：

变压器二次侧并联的分压电感在网侧谐波次数为n的等效阻抗为：

若发生谐振，则有

7次单调谐支路与分压电感的阻抗比为：

设计目标1：成本低。即：

设计目标2：注入比尽量高，即谐波电流大部分流入7次单调谐支路，而不是分压电感。即：

设计目标3：提供足够无功补偿量：

设计系目统标要4求：A的PF最承小受的的无基功波补电偿压量必。须小于IGBT耐压值。即

设计目标3和4可以表示为：

其中X为决策向量， 。

因此，对整个注入支路参数的设计可以等效为求解下式：

即可把参数设计的问题简单等效对上式简单求解，利用隶属函数法对该式进行求解。

经优化后，选取m=5.85，串联小电感两端的基波电压约为110V左右，7次单调谐PPF和分压电感的等效阻抗比如表1所示。该等效阻抗比显示了7次单调谐PPF和分压电感承受的电压比。

表1 阻抗比

表1中 是分压电感在耦合变压器高压侧的等效阻抗。可以看出，分压电感承受基波电压比很小。随着谐波次数越接近7次, 7次单调谐支路与分压电感的等效阻抗比变小,有源部分的谐波注入能力也越强。综合考虑耦合变压器变比2：1的影响，定义有源电力滤波器注入到电网中的谐波电流与有源滤波器输出谐波电流的比值为谐波电流注入比，对7次谐波而言，有源部分谐波注入比为1:2。对13次谐波而言，有源部分谐波注入比为1:5.28。

相比直接通过降压变压器将谐波电流注入35kV母线的滤波方式的谐波注入比约为1:92。因此，注入支路的引入可以极大的提高注入比。

3 复合滞环控制策略

将有源电力滤波器等效为一个理想的受控电压源VI，IL为等效之后的谐波电流源。IS、I'L、IF、II分别为电网电流、负载电流、滤波支路电流、有源支路电流，ZS、ZL、ZFL、ZFh、ZPF分别为电网等效阻抗、滤波电感、并联电感阻抗、注入支路阻抗、无源部分的等效阻抗，下标h表示相应谐波分量。因此，控制电流Ii与逆变器输出电压Vi的关系可用传递函数表示为式（1），电流闭环传递函数框图如图5所示。

图5 系统的传递函数框图

显然，有

其中，f为基波频率，n取整数。式（3）说明采用递推积分PI控制算法后，输出电流对参考信号的跟踪误差接近0。

通常积分环节的存在会影响系统的动态性能。滞环控制算法跟踪速度相对较快，但其开关谐波不易滤除且存在稳态误差。本文结合两者优点，提出了复合滞环控制算法。

图6 复合滞环控制算法传递函数框图

复合滞环控制算法传函框图如图6所示。通过对滞环环宽的设置，判定等效控制的投入，当误差e较大时，滞环控制为主，即实现快速跟踪指令；当误差较小时，递推积分PI控制占主导，即实现无静差跟踪。

根据上述思想，得出以下控制律：

其中，H为环宽，p( veq(k ))为开关状态，veq(k)由递推积分PI控制算法确定。

4 仿真及结果分析

为了验证本文所提出的控制算法，采用PSIM仿真软件进行了仿真研究。系统的参数如下：网侧线电压设置为工频35kV；有源注入支路为7次单调谐支路，经过参数优化计算出：电容值2.7uF，电感值73.57mH，分压电感8mH；有源部分开关频率为10kHz。

为进一步验证本文理论，我们搭建了样机，并在广西某变电站进行了工程应用。

表2 建模参数

5 结论

本文分析了新型注入式混合型有源滤波器的原理及拓扑结构。进行了参数优化设计，注入支路的引入极大地提高了注入比。针对IHAPF，提出了复合滞环控制策略，可以快速将跟踪误差控制在一定范围。软件仿真及现场运行情况验证了控制策略的正确性及有效性。

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