有源电力滤波器的PR+滞环电流控制策略研究

张 墙，刘 慧，孙 涛，袁芊芊

(西南科技大学信息工程学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

电力系统中具有非线性和不平衡性的用电负荷大量增加，会引发系统中谐波分量的增加和电压的波动，给人们生活带来很大的不便[1]。

有源电力滤波器(active power filter，APF)是解决电网污染的有效的方法之一，能快速补偿谐波电流和无功功率[2-3]。单纯的滞环控制会带来较大纹波，使电网电流波形存在毛刺。而比例谐振(prportional resonance,PR)控制需要嵌入与所补偿谐波频率相同的正弦信号模型，才能实现对谐波信号的无静差追踪[4]。这会造成单纯PR控制时所设计的控制器较为复杂，参数整定较为繁琐。

针对以上两种控制各自的特点，本文结合PR与滞环构成双闭环控制，实现对谐波电流的跟踪补偿。对该控制系统的仿真分析结果表明，PR+滞环控制实现了两种控制的互补，提高了有源电力滤波器的系统性能。

1 APF系统框图和工作原理

APF系统结构图如图1所示。整个系统主要分为两部分。一部分为谐波检测电路，其主要作用是获得谐波信号并计算出对其补偿的指令信号。另一部分为补偿电流发生电路，由主电路、隔离驱动电路和电流跟踪控制电路共同组成。该系统可输出与谐波电流信号大小相等、方向相反的补偿电流。

图1 APF系统结构图

APF工作机制是：通过互感器，获得电网的电流信号；通过谐波电流检测电路，获取谐波分量，计算出补偿指令电流；通过电流跟踪控制电路调制后，驱动脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)逆变器输出补偿电流，与谐波电流相互抵消，起到抑制电网电流发生畸变的作用。

该工作机制表达式为：

iL=i1+in

(1)

is=iL+ir

(2)

ir=-in

(3)

式中：is为电网电流；iL为负载电流；ir为补偿电流；i1为负载电流的基波分量；in为负载电流的谐波分量。

2 谐波检测法分析与控制器设计

2.1 谐波检测法分析

谐波检测原理如图2所示。

图2 谐波检测原理图

设电网电压发生畸变时，可得如下表达式：

(4)

式中：ia、ib、ic为三相电流瞬时电流；In为各次谐波下的电流有效值；ωc为各次谐波电压的初相位；φn为各次谐波电流的初相位。

经C32和C变换之后，得到d-q坐标下表达式：

(5)

式中：ip为瞬时有功电流；iq为瞬时无功电流。

瞬时电流经过LPF后得到基波电流：

(6)

基波电流信号经过C-1和C32-1坐标变换得到基波电流信号，再由三相负载电流减去三相基波电流，即可得到所需补偿谐波电流ica、icb、icc。

2.2 PR+滞环控制器设计

在低次谐波即误差较大的情况下，滞环控制起主要作用，能快速减小误差；当误差小于一个阈值后，PR控制起主要作用。

PR控制器主要对高次谐波信号进行补偿，其传递函数为：

(7)

式中：KP为比例系数；KRm为在m次谐波下的谐振系数；ωc为截至频率；ωs为谐振频率。

滞环器结构如图3所示。

图3 滞环器结构图

其输出根据系统误差具有两种状态，表达式为：

(8)

式中：M为实际系统确定的误差阈值；Δir为PWM逆变器输出补偿电流和指令信号之间的偏差。

PWM逆变器传递函数为：

(9)

式中：KPWM为逆变器的等效放大倍数；TPWM为系统的控制时间常数。

APF电流环控制框图如图4所示。

图4 APF电流环控制框图

由此可得到输出补偿电流公式为：

(10)

PR+滞环控制器电流环开环传递函数为：

M(s)=[GPR(S)H(S)]GPWM(S)

(11)

通过零极点抵消法，为取得良好的动态性能、保证电流环的快速调节，本文选取PR控制器补偿17次及以上谐波。KP为1.25，ωc约为4 rad/s，ωs的增益为60 dB，KR为100。

该控制既克服了滞环带来的纹波较大、开关频率过高的不足，也避免了PR控制器设计复杂的问题，使系统具有两种控制方法的优点。

3 仿真对比分析

使用Matlab软件对APF建立仿真，通过对比分析验证PR+滞环控制策略。

传统滞环控制时，电网电流波形如图5所示，其频谱分析如图6所示。

图5 传统滞环控制电网电流波形

图6 传统滞环控制频谱分析图

采用PR+滞环控制的电网电流波形如图7所示，其频谱分析如图8所示。

图7 PR+滞环控制电网电流波形

图8 PR+滞环控制频谱分析图

对比图5和图7可知，传统滞环控制时，电网电流得到明显补偿，但是毛刺较多，即还存在明显谐波；而PR+滞环控制时，波形更光滑、更规则。对比图6和图8可知，传统滞环控制时，谐波畸变率为11.7%，PR+滞环控制时，谐波畸变率降至2.91%。仿真结果充分证明了PR+滞环控制下的APF能快速追踪补偿谐波电流、减少波形毛刺，验证了该控制策略的有效性。

4 结束语

本文基于无功功率的ip-iq谐波检测法[5-14]，结合PR控制与滞环控制对谐波进行追踪补偿，其控制效果与滞环控制器的阈值和PR控制器所滤谐波次数紧密相关。在参数设置满足要求的条件下，该复合控制与传统的滞环控制相比，减少了不必要的开关次数，降低了开关损耗，同时具有更高的实时性、快速性和补偿精度。