基于无差拍控制的有源电力滤波器直接电流控制研究

贺永平，庄圣贤

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

引言

近年来，随着电力电子非线性装置的大量使用，电能质量问题引起了人们的广泛关注。有源电力滤波器以其动态补偿特性灵活、不受电网阻抗参数影响等优点成为了一种提高电能质量的有效装置。根据电流检测方式的不同，有源电力滤波器可以分为负载电流检测和网侧电流检测两种方式。负载电流检测方式首先提取出负载电流中的谐波分量，然后控制APF的输出与负载电流谐波分量大小相等、方向相反，并将其注入电网电流以达到消除谐波的目的。该方法实现过程中需要多次坐标变换和多个电流电压传感器，计算复杂且系统补偿精度受谐波检测准确度影响较大。网侧电流检测方式不需要检测负载谐波电流，控制过程中网侧电流会对补偿电流指令产生反馈作用，属于闭环直接电流控制，因而具有较高的补偿精度。

国内外学者已经对网侧电流直接控制做了许多深入研究［1-4］。文献［5-6］证明了两种电流检测方式控制方法的等效性，指出了谐波电流检测的不必要性；文献［7］进一步指出负载电流谐波检测只是直流侧电压反馈的一个前馈信号；文献［8］比较了两种控制方式的稳定性。但网侧电流直接控制方式仍然存在许多不足之处：dq变换会引起网侧电流控制下dq轴间多重耦合，严重影响系统动态性能；不检测负载谐波电流意味着只能通过电压外环来调节网侧电流的有功输出，负载突变时易造成直流侧电容电压的大幅波动且APF无法对负载电流谐波和无功分量进行选择性补偿。

本文提出一种基于无差拍的网侧电流直接控制方法，其中预测电流控制在αβ坐标系下完成，避免了复杂的多重解耦控制算法。引入了负载基波有功分量作为网侧电流给定值分量，提高了系统动态响应，同时实现了对APF谐波与无功分量的选择性补偿。最后利用Matlab仿真平台对所提方法的有效性进行了验证。

1 直接电流控制的APF数学模型

三相三线制并联型有源电力滤波器系统结构如图1 所示。 usa、usb、usc为三相电源电压；isa、isb、isc为三相网侧电流；ila、ilb、ilc为三相负载电流；ica、icb、icc分别为APF发出的三相补偿电流；C为直流侧电容。

APF主回路的数学模型为

式中：Sa、Sb、Sc分别为输出开关状态，0 表示开关断开，1表赤开关导通；Udc为直流侧电压；uNO为三相电压中性点与直流侧接地点间电压；L为输出电压。

由于网侧电流控制法的控制变量为电源电流，所以需对传统控制法下建立的数学模型进行变形。由APF系统结构图可得

将式（2）代入式（1）即可得以 isi为控制量的数学模型。若对其进行dq变换，则dq轴间将存在多变量耦合，严重影响系统的动态性能。本文提出的控制方法在αβ坐标系下实现，省去了繁琐的dq坐标变换和复杂的解耦控制，实现了对传统控制法所引入耦合分量的抑制。将变形后的网侧电流控制数学模型变换到αβ坐标系下可得

式中，Vα、Vβ分别为 αβ 坐标系下APF交流侧输出电压。由式（3）可知，负载电流il此时为APF系统的干扰输入。本文采用负载电流前馈输入法对干扰进行抑制，系统控制框图如图2所示。

2 无差拍控制策略

无差拍控制是针对离散采样系统的一种预测算法。它根据有源电力滤波器的数学模型和补偿电流当前时刻的输出电流信号，计算出下一时刻APF的指令电压Vα和Vβ，控制SVPWM产生当前时刻的开关状态，从而实现对网侧给定电流的无差拍跟踪控制。

将式（3）离散化可得

[13] Trisnanto, AM Adhy, “Etnis Tionghoa Juga Bangsa Indonesia”, Suara Merdeka, February 18, 2007, http://www.suaramerdeka.com/harian/0702/18/nas04.htm(登陆时间：2017年11月12日)。

式中，T为开关周期。

如果网侧电流k时刻的给定参考值为电源电流k+1时刻的值，则在一个采样周期中可实现对给定参考值的完全跟踪，即达到了无差拍控制的目的，则有

本文采用线性预测网侧预测电流，其计算公式为

式中，is（k）为第k个开关周期网侧电流。

3 负载电流基波分量前馈的网侧电流控制

传统网侧谐波电流控制法将电压外环的输出量与三相电压相位之积作为网侧电流的跟踪给定值。负载突变时，直流侧电压通过上升或下降来调节网侧电流的给定值，使系统达到下一个平衡状态。这种控制方式的调节时间长、动态性差、易造成直流侧电压值的大幅波动；且只能对负载电流的谐波分量和无功分量进行全部补偿，实用性较差。

针对上述不足，本文在网侧电流给定值中引入负载电流基波前馈补偿，将负载电流基波分量与电压外环输出之和作为网侧电流的给定值，即为

由上可知，负载电流基波分量前馈的引入不但可以提高系统的动态响应能力，避免负载突变时，直流侧电容电压的大幅波动，而且可以对负载电流的谐波分量和无功分量进行选择性补偿。

本文提出的APF直接电流无差拍控制框图如图3所示。

图3 APF系统控制框图Fig.3 APF system control block diagram

4 仿真验证

为了验证本文所提方法的正确性，在Matlab/Simulink中建立仿真模型。模型参数如下：三相对称电压的相电压有效值为220 V，频率为50 Hz；直流侧电容电压给定值为700 V，APF输出电感为1 mH，负载电阻在 0.1 s时从 20 ω突变为 10 Ω。传统控制法仿真波形如图4、图5所示。

图4 传统控制法电源电流波形Fig.4 Source current waveform in conventional control method

图5 传统控制法直流侧电压波形Fig.5 DC voltage waveform in conventional control method

由图4、图5可见，传统网侧电流控制法的网侧电流谐波含量较大，负载突变时，系统动态响应较慢，且直流侧电容电压值波动较大。

图6 改进控制法电源电流波形Fig.6 Source current waveform in improving control

图7 改进控制法直流侧电压波形Fig.7 DC side voltage waveform in improving control method

改进网侧电流控制法的网侧电流与直流侧电压波形如图6、图7所示。由图可见，改进控制法下的网侧电流谐波含量更低，波形质量更高；且负载波动时，直流侧电容电压波动很小，系统动态性能更高，在半个周期后即可进入下一个稳定状态。

当APF补偿负载电流谐波和无功分量时，改进方法的电源电压和网侧电流波形如图8、图9所示。

图8 补偿负载电流谐波分量时网侧电压电流波形Fig.8 Waveform of the source voltage and current compensated with load current harmonics

图9 负载电流谐波与无功分量全补偿时网侧电压电流波形Fig.9 Source voltage and current waveforms total compensated with load current harmonics and reactive components

由图8可见，由于仅补偿负载电流谐波分量，网侧电流中还包含一部分基波无功分量，使得电网电压与网侧电流间存在相位差。由图9可见，电网电压与网侧电流同频同相，实现了负载电流谐波分量和无功分量的全补偿。

5 结语

本文提出的基于无差拍控制的有源电力滤波器直接电流控制法改善了传统直接电流控制APF动态性能差的缺点，整个控制算法在αβ坐标系下进行，避免了复杂的多重解耦控制，大大简化了系统的计算量。同时加入负载电流基波前馈，实现了APF谐波与无功分量的灵活补偿。仿真结果表明了本文提出方法的有效性。但考虑实际中数字控制的滞后性，该法并不能完全补偿谐波分量，下一步工作将会对电流预测算法和无差拍控制器进行改进，以达到更好的补偿效果。

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