并联有源电力滤波器控制策略研究

巫 悦，王茗萱

(1.东北电力大学，吉林，吉林 132012；2.国网长春供电公司，长春 130021 )

在微电网和配电网系统之间配置并联有源电力滤波器(SAPF)，可有效狙击微电网内部谐波向大电网的扩散[1]，提高微电网电能质量。SAPF作为一种动态补偿设备，它对谐波电流的实时检测以及电流的跟踪控制都提出了很高的要求。国内外专家就SAPF的控制问题进行了研究。文献[2]提出了一种电容中点式的SAPF控制策略，通过简化SAPF内环电流的控制规律来提高系统的动态性能，但不适用于三相三线制的系统。文献[3]针对电网中非线性负载大量攀升，设计了一个最大补偿电流为100 A的SAPF系统。文献[4]通过最小二乘法提取基波电压，提高了控制的灵活性与稳定性。文献[5]提出了一种新的容错控制方法，使得SAPF中某一电力电子器件故障时，利用其余器件组成三相四开关逆变器，保证其能继续工作。文献[6]设计了一种含谐振阻尼的SAPF控制方法，采用该方法后网侧电流和公共耦合点(PCC)电压均满足电能质量要求。文献[7]通过纹波法消除了电网直流分量，提高了单相SAPF系统的抗干扰性和稳定性。

本文结合SAPF控制中的实际需求，提出了一种基于检测特定次谐波的谐波检测算法，并在电流内环控制中采用无差拍控制手段，在保证输出电流误差满足要求的同时提高控制精度，最后通过PSIM仿真验证了该策略的有效性。

1 SAPF谐波检测策略分析

1.1 基于检测基波方式的谐波检测算法

基于检测基波方式的谐波检测算法原理见式(1)。

(1)

(2)

1.2 基于检测特定次谐波的谐波检测算法

图1 基于检测特定次谐波的谐波检测算法原理框图

若要检测出第n次正序谐波电流，此时θ取nω0t；若要检测第n次负序谐波电流，θ取-nω0t，对应的变化矩阵C1、C2为：

C1=

(3)

(4)

以检测正序谐波为例，对称的三相谐波电流通过式(4)进行矩阵变换，再通过低通滤波器后，可以获得其直流分量，为：

(5)

(6)

2 SAPF电流内环无差拍控制

无差拍控制作为一种基于被控对象精确电路模型的控制算法，具有响应速度快、跟踪误差小的特点，可以根据逆变器输出的反馈信号，计算下一个采样周期逆变器功率器件的开断时间。

三相桥式脉冲宽带调制(PWM)型逆变电路为双极性控制方式，可认为是三个半桥逆变器的并联模式，当上桥臂导通且下桥臂关闭时，逆变器输出电压为Udc/2；当上桥臂关闭且下桥臂开通时，逆变器输出电压为-Udc/2。

以A相为例，忽略输出滤波器电阻R的影响，ia为A相电流。当上桥臂导通时有：

(7)

下桥臂导通时有：

(8)

将上面两式在一个开关周期T内求平均，有：

(9)

式中：ton、toff分别为桥臂导通管段的时间；T为周期。

式(9)右边为APF在一个开关周期的平均输出电压U为：

U=(da-1/2)Udc

(10)

式中da为A相上桥臂在一个开关周期内的脉宽调制量，定义为：

da=ton/T

(11)

由式(9)和(11)联立，可以得到A相的脉宽控制量，同理可以推导其余各相的脉宽控制量da、db、dc并进行离散化后的调制脉宽量可表示为：

(12)

通过无差拍控制公式推导可知，无差拍控制能够起到自然校正的作用，降低了电网电压扰动对系统补偿效果的影响。

3 仿真验证

为了对比电流内环无差拍控制与比例积分(PI)控制的性能，通过PSIM仿真软件建立仿真模型，仿真参数见表1。其中，PI控制器结合文献及实际，分别取PI参数KP=1，TI=0.1，谐波检测环节采用基于特定次谐波的谐波检测算法，谐波源为固定的7次谐波，谐波电流为17 A。

图2给出了0～1.0 s时段内的仿真波形，其中，iL-a表示a相负载电流，iS-a表示a相电网电流，iAPF表示有源逆变器a相输出电流，Er表示补偿误差。在0.2 s时刻，投入SAPF。由图2可知，两种算法都能快速跟踪电流，减小电流误差，两者无太大差别。

图3给出了0.9～1.0 s时段内各控制算法作用下的电流对比波形。可以看出，无差拍控制算法相比较于PI控制，具有更好的控制精度。

表1 系统参数

图2 0～1 s PI控制和无差拍控制的电流波形

图3 0.9～1.0 s时段无差拍电流控制电流波形

4 结论

本文分别针对SAPF的谐波检测和电流跟踪控制展开了研究，在谐波检测方面，采用了更符合工程实际的基于检测特定次谐波的谐波电流检测算法，明确了具体的谐波次数，同时在电流内环控制采用了基于无差拍控制理论的控制算法，相比较于传统的PI控制，具有更高的控制精度通过PSIM仿真平台验证了该策略的有效性，为解决工程实际的谐波抑制问题提供了参考。