基于有源电力滤波器的改进型电流控制方法

杨双双

（国网天津滨海供电公司，天津 300450）

0 引 言

随着电力电子技术的迅速发展，电网中使用各类功率开关和非线性负荷设备，导致严重的谐波污染出现。通常采用的补偿谐波方法是引进有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），而抑制谐波模块则采用LCL滤波器[1-2]。但以网侧电流作为反馈设计会使系统稳定性变差，产生较大纹波，损坏功率器件。近来，大量学者提出用逆变侧电流设计，以改善系统稳定性差的问题，但整体补偿效果依然不佳[3-4]。在此基础上，针对并联的APF提出了利用电容电流前置叠加逆变侧电流控制的新型策略，以补偿系统中的电流，进一步提高APF整体补偿精度，同时采用仿真验证该控制策略的实用和有效性。

1 含有LCL滤波器的APF模型

含有LCL滤波器的APF拓扑结构如图1所示。Lg、Lc、Cf、Rd分别代表网侧滤波电感、逆变侧滤波电感、滤波电容以及系统阻尼电阻。其中阻尼电阻为抑制系统谐振的元件。

图1 含有LCL滤波器的APF拓扑结构

假定系统三相电压对称，不计电感寄生电阻，滤波电感为线性，由基尔霍夫电流定律（Kirchhoff's Current Law，KCL）、基尔霍夫电压定律（Kirchhoff's Voltage Law，KVL）得到系统方程

式中：udc为直流电压；uc为电容电压；L1为逆变侧电感；L2为网侧电感；e为电网电压；C为滤波电容；i1为逆变侧电流；i2为网侧电流。根据式（1）建立频域模型，如图2所示。

图2 LCL滤波器模型

2 传统电流控制策略

2.1 网侧电流闭环方法

网侧电流闭环方法的控制模型如图3所示。

图3 以网侧电流作为反馈回路的控制模型

开环传函G0(s)的计算公式为

式中：Gi(s)为主电路模块传递函数。式（3）可以简化为

式中：kp为比例系数；ki为积分系数。如果系统开关频率很大，可用kp表示Gi(s)。

2.2 逆变侧电流闭环方法

逆变侧电流闭环方法的控制模型如图4所示。

图4 以逆变侧电流作为反馈回路的控制模型

系统开环传递函数为

3 含有LCL滤波器的改进控制方法

为提高补偿精度，将LCL滤波器电容电流作为前置。首先将LCL滤波器电容电流与指令电流叠加，其次将叠加后的结果减去逆变侧电流，最后将结果输入控制系统产生补偿谐波。控制模型如图5所示。

图5 引入电容电流前馈的系统控制模型

3.1 开关频率处谐波

引入电容电流作为前置反馈前，用σ表示衰减比，则由图4推导出

引入电容电流作为前置反馈后，由图5推导出

由式（6）和式（7）计算出的系统衰减比没有明显变化，证明系统衰减比仅受网侧滤波电感与滤波电容的影响。因此，引入电容电流作为前置反馈的方法并未改善谐波对开关频率的抑制作用[5-6]。

3.2 根轨迹

逆变侧电流作为反馈时，系统开环传递函数零点、极点数分别为2和3。引入电容电流前馈后，零点分布不变，极点只剩原点位置1个。说明引入前馈后，若系统开环增益不变，其闭环极点会距虚轴更远，暂态分量衰减更快，系统可以在更短时间达到稳定。

4 仿真研究

利用MATLAB开展仿真，选取6.6 kVA的有源电力滤波器；逆变开关频率取12.5 kHz；直流侧电压取800 V；电容取2 200 μF；Lc和Lg分别取2.8 mH、0.6 mH；Cf取5 μF；Rd取4 Ω。APF投入系统的时间设置在启动时间0.04 s之后[7-8]。

应用网侧电流和逆变侧电流作为反馈回路时，系统的电流波形及补偿电流波形如图6所示。

图6 系统的电流波形/补偿波形

由图6可知，采用网侧电流作为反馈回路时纹波很大，容易损坏功率开关；而逆变侧电流作为反馈回路时，纹波较小，能有效保证系统运行的稳定性。

传统控制策略和新型控制策略下系统侧电流谐波分析分别如图7、图8所示。

图7 传统控制策略下系统侧电流谐波分析

图8 新型控制策略下系统侧电流谐波分析

由图7和图8可以看出，未引入电容电流前反馈时系统侧总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）为3.12%；引入电容电流前反馈后系统侧THD为2.08%。说明引入电容电流前反馈可以抑制系统谐波，降低了系统整体的谐波含量。

5 结 论

文章主要分析了加入LCL滤波器的APF，在采用典型网侧电流作为反馈回路和采用逆变侧电流作为反馈回路时性能的优劣。在此基础上，提出了改进策略，通过引入电容电流作为前置回路，并将逆变侧电流叠加到闭环控制。该方法能够进一步优化补偿电流的跟踪效果，从而提高APF的补偿精度，抑制谐振峰值，使系统在更短时间达到稳定。