有源电力滤波器滞环电流跟踪控制策略仿真研究

许 超

（湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

有源电力滤波器滞环电流跟踪控制策略仿真研究

许 超

（湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

本文介绍了三相并联型有源电力滤波器的构成，分析了基于三相瞬时功率理论的ip-iq谐波检测算法，并且采用PI调节实现直流侧电容电压的有效控制。为了克服电流跟踪控制策略中传统滞环控制的环宽设置对开关频率和响应速度的影响，本文采用一种基于电压空间矢量的滞环控制，有效的降低谐波电流含量及开关频率的同时保证了直流侧电压的响应速度，MATLAB仿真实验结果证明了该控制策略的可行性及良好的补偿性能。

有源电力滤波器ip-iq滞环 电压空间矢量 仿真

0 引言

目前电力系统中谐波污染较为严重，谐波的大量存在导致电能质量下降，严重影响电网的安全运行和各类大型工厂的正常生产。有源电力滤波器（APF）可弥补无源滤波器（PPF）的不足，它能实时响应变化的谐波、可控性高、补偿速度快、而且不易与电网阻抗发生谐振，能有效地抑制电力系统谐波，是一种理想的谐波补偿装置[1]。有源电力滤波器的工作过程是首先通过谐波检测算法检测出谐波电流分量，再采用电流跟踪控制策略来控制逆变器开关动作，使APF输出与谐波分量大小相等极性相反的补偿电流，抵消非线性负载产生的谐波电流，使电网侧电流波形趋于基波频率[2]。

有源电力滤波器的电流控制策略一般采用跟踪型PWM控制方式，常用的跟踪型PWM控制主要有滞环电流控制和三角载波控制两种。前者电流响应速度快、电流跟踪性能好，有较好的控制性能，但是开关频率可能波动很大；而后者开关频率恒定，对高频开关有较好的效果，但输出波形中含有与三角波同频的畸变分量，精度较低。本文在传统滞环基础上采用一种基于电压空间矢量的滞环电流跟踪控制策略，其方法是首先对指令电压矢量和电流误差矢量分别进行扇区判断，再结合二者扇区给出最佳的电压矢量切换。

1 三相并联型有源电力滤波器的结构

图1为三相并联型有源电力滤波器的结构图，由电网提供三相电源、整流非线性负载、采用IGBT作为开关器件的三相电压型桥式逆变电路和检测控制电路构成，其中检测控制电路是整个有源电力滤波器的核心，它包括了：信号采集和调理电路、谐波检测电路、电流跟踪控制电路、IGBT驱动电路等。ea、eb、ec为三相电源电压，Ua、Ub、Uc为有源电力滤波器的输出电压，iLa、iLb、iLc为非线性负载侧的三相电流，ica、icb、icc为APF输出的补偿电流。根据基尔霍夫定律，列出APF主电路三相电压与电流的微分方程为：

2 谐波检测算法和直流侧电压控制

谐波检测算法采用三相瞬时功率理论的ip-iq算法，它是p-q算法的改进形式，无需电网电压的完整波形，无论是在三相平衡还是三相不平衡电压源中，保持了较高的精度，克服了电压畸变对谐波检测的不利影响，可适用于电压环境更加复杂的系统[3]，能够很好的将基波电流与谐波电流分离。

图2中ia、ib、ic为负载侧三相电流的瞬时值，ea是电源a相的电压，PLL为锁相环对电源a相电压ea的初相角进行提取，然后用正余弦信号发生电路获取与电源电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt，LPF为低通滤波器。

计算有功电流ip与无功电流iq的方法如式（2）所示。

ip、iq通过低通滤波器，滤除交流分量，以获得直流分量，再经过C-1变换和C23变换得到基波电流。最后将iaf、ibf、icf分别与ia、ib、ic相减，即可计算出负载侧的谐波分量iah、ibh、ich。

直流侧电压的控制采用PI调节器，Ud是直流电压的实际值，Ud*是电容电压的给定值，两者之差送入PI调节器得到调节信号△ip，将其叠加到瞬时有功功率的直流分量ip上，经过ip-iq算法运算后，指令电流中包含一定的基波有功电流，在补偿电流中也含有基波有功电流，直流侧电容与电网发生能量交换，最终使直流侧电压稳定在给定值范围内。

3 仿真及结果分析

对两种控制策略作仿真实验分析。如图3所示公用电网采用三相三线制380 V/50 Hz，负载侧采用三相不控整流的阻感负载，逆变器AC侧电感L=5 mH，DC侧电容C=4700 μF，直流侧电压Ud=500 V，APF的补偿容量为10 kVA。

未投入有源电力滤波器补偿，测得非线性负载侧的电流波形如图4 (a)所示，电流波形已畸变成马鞍形，此时电流谐波总畸变率(THD)已达到如图15 (a)所示的30.36%。

使用APF补偿后电流波形如图4 (b)所示，可以直观的看出投入APF后的补偿效果明显，三相电流波形已经趋于正弦波，其中采用传统

滞环控制THD为如图5 (b)所示的0.91%；采用基于电压空间矢量的滞环控制THD如图5(c)所示进一步降低到0.54%，基波附近的谐波含量明显减少。各次谐波含量如表3所示，基于电压空间矢量的滞环控制5次和7次谐波电流含量与传统滞环控制的0.59%和0.47%相比降低到了0.12%和0.20%。

图6为直流侧电容电压的动态响应波形，传统滞环控制电容电压上升阶段波形比较平滑，在0.7 s左右电容电压达到稳定值500 V，响应时间较长。

4 结论

本文在传统滞环控制的基础上，采用一种基于电压空间矢量的滞环控制策略。在MATLAB的环境下搭建了仿真模型，并对两种控制策略作仿真分析，实验结果证明了基于电压空间矢量的滞环控制方法可以有效地克服传统的滞环环宽设置对开关频率、电容电压响应速度和电流跟踪精度的影响，具有良好的补偿效果、响应速度和电流跟踪性能。

[1] 王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[2] 姜齐荣. 有源电力滤波器—结构、原理、控制[M].北京：科学出版社，2005.

[3] Hirofumi Akagi, 徐政译. 瞬时功率理论及其在电力调节中的应用[M]. 北京：机械工业出版社，2009.

Simulation of Hysteresis Current Tracking Control Strategy for Active Power Filter Based on Voltage Space Vector

Xu Chao
(School of Electrical and Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068, China)

This article describes the composition of the three-phase shunt active power filter, analyzes ip-iq harmonic detection algorithm based on three-phase instantaneous power theory, and uses PI regulator to achieve effective control of DC capacitor voltage. In order to overcome the current tracking control strategy of traditional hysteresis control's loop width setting effect on the switching frequency and speed of response, this paper uses a hysteresis control based on voltage space vector, effectively reducing the harmonic current content and ensuring the response speed of DC voltage. MATLAB simulation results prove the feasibility of the control strategy and better compensation performance.

active power filter (APF); ip-iq; hysteresis; voltage space vector; simulation

TM743

A

1003-4862（2013）11-0015-04

2013-05-16

许超（1989-），男，硕士研究生。研究方向：电气工程。