并联型有源电力滤波器双环控制技术研究

王红艳

(许昌学院 电气信息工程学院，河南 许昌 461000)

并联型有源电力滤波器双环控制技术研究

王红艳

(许昌学院 电气信息工程学院，河南 许昌 461000)

摘要：结合并联型有源电力滤波器的基本工作原理，设计了由电压环和电流环构成的双环控制系统，电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测算法，电压外环采用限幅PI控制，电流内环采用电压空间矢量SVPWM控制. 通过MATLAB软件的Simulink工具箱对并联型有源电力滤波器系统进行建模和仿真分析，仿真结果证明了双环控制技术应用于并联型有源电力滤波器的有效性和合理性.

关键词：有源电力滤波器；双环控制；谐波检测；MATLAB

随着电力电子装置和非线性负载的广泛使用，公用电网中无功和谐波的含量日益增多，对电力系统环境造成了极大的污染，严重影响了电能的质量. 有源电力滤波器( APF)作为改善供电质量的一项关键技术，既能动态地补偿谐波电流，又能补偿无功分量[1]，日益成为国内外研究的热点. 有源电力滤波器是一种电力电子补偿装置，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿效果不受电网阻抗的影响[2].并联型有源电力滤波器作为一种可控电流源，用于补偿电流型谐波源, 是目前谐波治理应用最多的拓扑结构[3].

1并联型有源电力滤波器的工作原理

并联型有源电力滤波器的工作原理是从非线性负载电流中检测出谐波和无功电流分量，由APF产生一个补偿电流与该谐波无功电流分量相互抵消，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的[4]. 如图1所示.

图1　并联型有源电力滤波器系统构成

iL=iLp+iLh+iLq.

(1)

ic=-(iLh+iLq).

(2)

is=iL+ic=iLp.

(3)

2并联型有源电力滤波器的控制策略

并联型有源电力滤波器的控制器由电流内环和电压外环2个部分组成[5]，如图2所示.

图2　并联型有源电力滤波器系统控制框图

2.1谐波电流检测算法

2.2电压环控制策略

当系统启动时，直流母线电压一开始为零，与给定值相差很大，经PI调节后得到调节信号Δip就会很大.而有源电力滤波器的交流电感很小，如果不采取措施，就会有很大的冲击电流，有可能烧坏IGBT和直流母线电容，因此必须对系统进行软启动. 在APF主电路进行谐波无功补偿之前，将主电路交流侧的接触器断开，如图2所示，使直流侧电容首先通过主电路开关器件的反并联二极管经限流电阻进行预充电；直到直流侧电压充电至三相线电压峰值左右时再合上交流侧接触器，将限流电阻短路，直接对电容充电[8]. 另外，为了限制直流侧电压的超调量，稳定电容实际电压值和参考值之间的偏差，对直流侧电压的PI控制进行误差限幅. 当直流侧电压的参考值与实际值的误差ΔU小于限定值时，不干预PI控制器的正常工作，将实际电压误差作为其输入；而当电压误差ΔU大于限定值时，将限定值作为PI控制器的输入[8]．

2.3电流环控制策略

补偿电流的控制方法是实现APF功能的核心环节，它通过产生开关器件的驱动脉冲实现对谐波和无功电流的动态补偿. 电压空间矢量(SVPWM)控制可以大大提高APF主电路直流侧电压的利用效率，减小开关器件的开关频率进而减少APF引入的谐波成分，而且SVPWM控制策略更容易实现数字化控制，因此广泛应用于有源滤波器控制系统和电机控制中.SVPWM调制算法用于有源滤波器时，首先需要通过电流电压转换将电流检测电路输出的补偿电流指令值变换为三相电压指令值，然后由三相电压指令值根据SVPWM调制算法得到主电路开关器件的触发脉冲[7]. 电压空间矢量控制的重要环节是电压空间矢量的合成，先将电流电压转换电路输出的三相电压指令值经三相/两相坐标变换变换至两相静止αβ坐标系下，在αβ坐标系中合成得到参考电压空间矢量，通过参考电压空间矢量的相位角判断其所在的扇区；选择所在扇区的相邻两个基本电压空间矢量和合适的零矢量，遵循伏秒平衡的原则运算获得基本电压空间矢量的作用时间，从而合成参考电压空间矢量[9].

3并联型有源电力滤波器的MATLAB仿真

图3　并联型有源电力滤器仿真结果

从图3仿真波形可以看出：0.15s之前，由于APF只补偿谐波电流没有进行无功补偿，电源电流波形滞后电压波形；0.15s后APF同时补偿谐波和无功电流，电源电流和电压波形完全同步；0.1s时突增负载，APF输出电流快速跟踪负载电流的变化. 仿真结果表明基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测法能够准确、实时地检测出电网中瞬态变化的谐波和无功电流，SVPWM控制算法能够实现精确补偿，显著改善了与电网连接处的电能质量，并且所设计的有源电力滤波器具有很好的快速响应特性.

4结语

本文对并联型有源电力滤波器采用电压内环和电流外环构成的双环控制技术，电压内环在基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测算法的基础上采用限幅PI控制，电流外环采用电压空间矢量SVPWM控制. 通过MATLAB软件对并联型有源电力滤波器系统进行仿真，仿真结果表明：采用双环控制技术的并联型有源电力滤波器能够实时地对电网中瞬态变化的谐波与无功电流实现精确补偿，使电网电流得到明显地改善；证明了并联型有源电力滤波器采用双环控制技术的有效性和合理性，为后续的设计和研究提供了参考和依据.

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StudyontheTechnologyofDouble-loopControlfor

ShuntActivePowerFilter

WANGHong-yan

(School of Electrical & Information Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China)

Abstract:This paper introduces the basic working principle of the shunt active power filter and designs a double-loop control system that is composed of voltage loop and current loop. The current detection circuit uses the ip-iq harmonic detection algorithm based on instantaneous reactive power theory. The paper proposes an amplitude limiting PI control strategy for the outer voltage loop, and the voltage space vector PWM control strategy for the inner current loop. The model of parallel active power filter system was built through Simulink toolbox of MATLAB software. The simulation results prove that the parallel active power filter using dual loop control technology is effective and reasonable.

Key words:active power filter; double-loop control; harmonic detection; MATLAB

责任编辑：赵秋宇

中图分类号：TM921

文献标识码：A

文章编号：1671-9824(2015)02-0039-04

作者简介：王红艳(1980—)，女，河南孟州人，讲师，硕士，研究方向：电力电子技术及其应用.

收稿日期：2014-02-21