APF三种滞环控制策略的仿真研究

薛博文，方 彦

（西安铁路职业技术学院 电气工程系，陕西 西安 710016）

有源电力滤波器（APF）是一种能够抑制谐波、补偿无功的电力电子装置。通过控制APF向电网注入与谐波电流等值相反的补偿电流信号，来抵消电网中谐波电流，达到动态实时补偿的目标。

其控制系统主要采用双闭环控制 （电压外环与电流内环），利用电压外环控制APF直流侧电压，使其稳定在某个固定范围；利用电流内环按电流指令进行电流控制，使得补偿电流跟踪指令电流信号。一般APF内环电流控制方法包括电流控制法、电压控制法与复合控制法（电流结合电压）三种[1]。

本文通过仿真研究两种直接电流控制和一种复合控制策略。即：传统滞环、定频滞环、定频滞环和空间矢量（定频滞环SVPWM）相结合的APF三种滞环控制策略。

1 基于滞环控制策略的APF仿真电路

1.1 仿真电路框图

首先搭建APF仿真模型。令三相线电压380 V的交流电作为电压源，A相初始相位为零度，基波频率50 Hz。以A相为例，其余各相相位依次相差120°。三相不可控整流桥后级负载参数：R=15Ω，L1=25 mH，无功负载为L=100 mH星形接法，如图1所示。

图1 控制APF原理图Fig.1 Schematic diagram of control APF

1.2 APF电路参数

APF主电路采用IGBT与二极管反并联的三相三线制结构，采用电压型PWM变流器，设直流侧接电容为470μF，该侧电压稳定在800 V。

1.3 谐波检测电路设计

本文谐波检测电路采用ip-iq谐波检测原理。检测对象有：检测谐波与无功电流之和时，应断开计算iq通道；只检测无功电流时，应断开计算ip通道；只检测谐波电流时，ip与iq均要计算。以谐波与无功电流综合检测为例进行建模，仅计算ip通道。其中锁相环用与A相电压同相位，幅值为1V的正弦电压源取代[2]；三相坐标系到两相坐标系的转换与反变换，均以矩阵算法实现；采用PI控制法对直流侧的电压进行控制；由于流入APF的有功电流会影响到直流侧的电容电压，将PI调节器的输出叠加到APF参考电流的有功分量上，进而控制电容电压。

1.4 电感对补偿性能影响

在APF系统中，补偿电流的d ic/d t变化率将会影响补偿电流的跟踪速度。而d ic/d t主要受两个条件影响[3]：一方面APF需要主电路具有较高的补偿电流变化率，能够满足补偿具有较大电流变化率的非线性负载时也能产生相应的补偿电流，具备较好的谐波补偿性能；另一方面，对于补偿电流的d ic/d t尽量要小，以满足对补偿电流纹波幅值需求。因此，对于交流测电感的选择不能较大或过小。较大将影响电流跟踪速度，过小会出现过补偿情况，使得补偿电流波形中纹波含量较大，影响补偿作用。

2 三种滞环仿真实现与控制策略比较

2.1 传统滞环仿真

在PSIM环境下的传统滞环控制APF控制原理与仿真模型参照文献[4]，用直流电源实现环宽可调部分[4]。根据前述所选仿真参数，图2与图3分别进行了APF补偿前后电网侧电流波形仿真。

图2 补偿前电网电压与负载电流波形Fig.2 Before compensation grid voltage and load current waveforms

图3 经APF补偿后电网电流与电压波形Fig.3 After APF compensate for voltage and current waveforms

图4 A相开关频率Fig.4 A phase switch frequency

经分析可知考虑到补偿效果，传统滞环控制算法简单、响应时间短、补偿效果较好，控制方法较为理想。但从图4可知：在基波周期内，开关频率高低范围表现较为明显。当环宽取到参考电流的5%时，滞环控制开关频率较高，导致器件开关动作频繁，对器件开关能力要求高且损耗较大，考虑到器件动态开关能力，该方法有待改进。

2.2 定频滞环仿真

控制部分与仿真模型参照文献[5]。由单稳触发器完成频率检测，设置其脉冲宽度判断开关频率，再将频率误差值转换成瞬时环宽后确定环宽改变量，从而实现变环宽定频控制[5]。根据前述所选仿真参数，补偿前电网电压与负载电流波形参照图2，APF补偿后电网侧电压与电流波形仿真如图5所示。

图5 经APF补偿后电网电压与电流波形Fig.5 After APF compensate for voltage and current waveforms

从图9分析可知：经定频滞环控制方法改变环宽后，在0～0.02 s时间段补偿效果较传统滞环差，响应时间变长。

2.3 定频滞环SVPWM仿真

定频滞环SVPWM控制策略是将定频滞环控制策略与空间矢量相结合的控制算法。实现过程为：通过环宽调节、相间电流控制、电压矢量空间区域判断、内环相位控制与逻辑运算求得开关状态[6]，根据电压矢量与相间误差电流确定出电压矢量切换时刻。控制模型如图6所示。

根据SVPWM特点。由图1取Udc=650 V，补偿前电网电压与负载电流波形参照图2，投入APF后，电网电压与A相电流补偿后仿真结果如图7所示。

从图7仿真结果可观测到补偿效果基本较好，能够在一个周期内跟踪网侧电流，实时响应速度快。补偿后电流虽有纹波分量，但不影响补偿效果。由定频滞环SVPWM控制策略理论分析，其基波周期内A相开关在1/3周期内不动作且平均频率基本恒定，该方法同时具有定频滞环和SVPWM控制策略的优点，因此是一种较为理想的控制策略。

2.4 三种滞环控制策略比较

以下对APF的三种滞环控制策略从补偿效果进行比较。补偿效果从补偿后电网侧电流正弦度与THD衡量；开关频率从比较三种控制策略所得到的开关频率高低衡量，前提是不能影响补偿性能；直流侧电压通过仿真结果验证SVPWM控制策略对电压的利用率高于其他滞环控制策略15%。

1）补偿效果。图3、图5与图7分别仿真了APF三种滞环控制策略的补偿效果。说明传统滞环控制算法简单，APF响应速度快，从投用到稳态运行需在1.5个基波周期内完成，电网电流总畸变率为5.6%；定频滞环是在传统滞环控制策略的基础上增加环宽调节部分，使得APF补偿系统实时性变差，响应速度减慢，从投用到稳态运行需3个基波周期，电网电流总畸变率为6.8%；定频滞环SVPWM控制策略结合定频滞环控制与SVPWM控制策略的优点，不仅APF响应速度较快，从投用到稳态运行仅需1个基波周期，电网电流总畸变率为8.8%，比较后说明定频滞环SVPWM控制策略较为理想。

图6 基于定频滞环SVPWM控制策略的APF控制模型Fig.6 Hysteresis SVPWM fixed-frequency control strategy based APF control model

图7 经APF补偿后电网电压与电流波形Fig.7 After APF compensate for voltage and current waveforms

图8 定频滞环两种控制策略A相开关频率Fig.8 Fixed-frequency hysteresis two control strategies A phase switching frequency

2）开关频率。由图6仿真了传统滞环控制APF的开关频率波形，说明传统滞环开关频率较高，在基波周期内变化范围较大且超过了器件开关允许的上限频率；图8说明定频滞环受环宽调节影响，基波周期内开关频率较传统滞环下降接近15%，可解决传统滞环控制策略频率较高的问题。定频滞环SVPWM控制策略在基波周期内1/3时段内开关频率恒定，其余2/3周期内开关频率较定频滞环低接近10%。，降低了器件开关能力要求。因此，从衡量开关频率角度来看，定频滞环SVPWM控制策略优于其余两种滞环控制策略。

3）直流侧电压利用率。由于传统滞环与定频滞环控制为直接电流控制，直流侧电压利用率可达0.866，定频滞环SVPWM控制策略电压利用率近似为1。在相同的补偿效果下，前两种滞环控制的APF直流侧电压达800 V；定频滞环SVPWM控制策略下的APF直流侧电压仅为640 V，将直流侧电压利用率提高了15%。

3 结束语

本文首先提出了针对并联型有源电力滤波器APF两种电流控制法与复合控制法。即传统滞环、定频滞环、定频滞环和空间矢量相结合三种控制策略，接着基于三种控制策略APF仿真电路模型对其补偿后的电网电压、电流及开关频率进行了仿真。通过对APF三种滞环控制策略比较后，说明定频滞环SVPWM控制策略无论在补偿效果、开关频率与直流侧电压利用率等方面较为理想。

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