研究与开发 基于滞环控制策略的并联有源滤波器研究 施林涵 （福州大学电气工程与自动化学院，福州 ３５０１０８） 摘要 并联有源滤波器是电网中常用的谐波抑制和无功补偿的装置，本文研究了基于滞环控 制策略的并联有源滤波器结构，详细分析了直流电容和串联电抗器两个关键器件的参数对系统的 影响，并给出了选取原则，最后结合ＳＡＢＥＲ软件的仿真结果，验证了参数优化后该方案的有效性。 关键词：并联有源滤波器；滞环控制；ＳＡＢＥＲ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｈｕｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｌｉｎｈａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３ ５０ １ ０８） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｉＳ ａ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ＤＣ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ｒｅａｃｔｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｗｏ ｋｅｙ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ＳＡＢＥＲ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＡＰＦ；ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳＡＢＥＲ 随着近年来电力电子设备在工业内的广泛应 滞环控制策略进行了优化。最后通过仿真证明了优 用，各类非线性负载在使用中产生了大量的谐波分 化后系统的有效性。 量，造成系统内电压、电流波形发生严重畸变，并 引起供电质量下降、电力元件损耗上升、用电设备 １ 并联有源滤波器组成及原理 运行的可靠性降低等问题［１也］。为了解决电力系统内 并联有源滤波器是有源滤波器中的一种，其结 的谐波污染，众多学者已经作了大量的研究【３ Ｊ。在 构如图１所示，图中的负载是典型谐波源一一三相 各类解决方案中，有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）是当今研究的热点。有源电力滤波器是 一种能快速响应，用于动态抑制谐波、补偿无功的 新型电力电子装置，适用于补偿频率和幅值都变化 的谐波分量。其补偿特性良好不受电网阻抗的影响， 在对滤波有较高要求的地方实用性大大超过传统的 无源滤波器。 为了提高有源滤波器的性能，需要不断地对其 控制策略进行改进。文献［６］提出了一种神经网络逆 解耦的控制策略，文献［７］用一种改进的ＳＶＰＷＭ算 法进行跟踪控制，上述算法精度高但计算量大，控 制复杂，在实际应用中一般还是使用滞环控制策略 和三角载波控制策略。本文详细分析了基于瞬时无 功理论电流检测的原理，通过系统参数的计算，对 图１并联有源滤波器结构 ６２ １电 技琳 ２ｏ１６年第６期 研究与开发 桥式整流电路，整流电路直流侧为在日常生活中电 子产品广泛等效的阻感负载，ＡＰＦ的主电路采用三 Ｃ：Ｉ—ＣＯＳ ｎ『 一ｓｉｎｏ）ｔ Ｉ ｆ （４） 相电压型ＰＷＭ变流器，其直流侧接有一个大电容， 电压基本稳定，可视作一个电压源。图中ｆ ｉ ｉ。。代表电网侧电流， Ｌ 、ｉＬｂ、ｉＬ。代表负载电流，ｉ。 、 得到ｉｐ、ｉ。后通过低通滤波器（ＬＰＦ）滤除谐波 分量得到了直流分量 和 ，低通滤波器本文选择 ｉ。ｂ、ｉ。。代表并联有源滤波器产生的补偿电流。 根据节点电流定律，电网侧电流和负载电流、 补偿电流间的关系： ｆｓ＝ｉＬ＋ｆｃ＝ｉＬｆ＋ｌ。Ｌｈ＋ｆｃ （１） 式中，ｆ ｆ和ｉＬｈ分别为负载电流分解出的基波分量和 谐波分量，而并联有源滤波器的补偿电流需要补偿 的是负载电流的谐波分量，即产生一个大小相等、 方向相反的电流一ｉＬ ，补偿后电网侧的电流为 ｆｓ＝／Ｌｆ＋ｉＬｈ—ｉＬｈ＝／Ｌｆ （２） 从上式可以看出，加入并联有源滤波器进行补 偿后，电网侧的电流只剩为正弦波的负载电流的基 波分量，消除了电网侧的谐波污染。 ２ 基于瞬时无功理论的电流检测 谐波电流检测的方法很多，基于瞬时无功功率 理论的ｉｐ、ｉ。谐波检测方法因容易实现且结果较为 准确，因而使用最为广泛。图２为其控制框图。 ｔａｂ ／ｂｈ ｔｃｈ 图２ ｉｐ、ｉｑ谐波检测法控制框图 图２中， ２为坐标系变换矩阵，将三相电流ｆ 、 、ｆ 变换到两相静止坐标系下的电流ｆ 和ｆＢ，该变 换矩阵的值为 一ｌ】一１／２—１／２ ｌ ｃ３２ √２ １ ０ ２一 ２ ｌ 该电路上方的ＰＬＬ是一个锁相环，锁相环的作 用是得到一个和ａ相的电压有着相同相位的信号， ＰＬＬ后方的是一个正弦和余弦信号的产生电路，将 电流经过矩阵Ｃ变换后就能得到电流的有功和无功 分量ｉｐ、ｉ。。 了巴特沃斯滤波器，阶数为两阶，截止频率３０Ｈｚ。 经过滤波器得到的直流分量再通过两次的逆变 换得到三相电流的基波分量ｉａｆ、ｆｂｆ、ｆｃｆ，基波分量 和三相电流相减就得到了三相电流的谐波分量。当 并联型有源滤波器需要实现的功能是同时补偿谐波 和无功时，需要检测的是补偿对象中的谐波电流和 无功电流。具体的作法只需要断开图２中ｑ的计算 通道即可实现。 ３ 滞环比较控制策略分析和参数设计 ３．１策略分析 本文的补偿电流跟踪比较使用滞环控制的方 式，其原理如图３所示。 滞环比较器 上ｌ ＿ｃ｛ ｌ ｉ 图３滞环比较控制策略原理图 滞环比较器的上下阀值一般相同，设阀值为Ｈ／２ （则环宽为 ）。图中左的侧电流 是补偿电流的指 令信号，它与实际的补偿电流ｉ 进行比较，二者的 差值作为滞环比较器的输入侧的信号，当该信号高 于卅 ２时，ＰＷＭ输出为１；同理低于一Ⅳ／２时，ＰＷＭ 输出为０。在二者之间时ＰＷＭ输出不变。显然 的 变化范围只能在 ／２和 一 ／２之间浮动，围绕 着 得到一个锯齿波的波形。 采用滞环比较器进行瞬时值比较时，环宽的选 择比较重要，环宽需要和串联电抗器相配合，才能 得到更好的补偿效果。滞环的宽度 对补偿电流的 跟随性能有较大的影响。调高宽度日，对开关器件 要求不高，但系统误差较大。反之调小宽度日，系 统的误差较小，而开关器件的要求则较高。最佳策 略是在开关器件容许的开关频率内尽可能地减少环 宽，增强电流的跟随效果。 ３．２ 参数设计 １）直流电容电压 直流电容电压和交流电源电压在串联电抗器上 的差值共同决定了补偿电流的大小，当直流电容电 压增大的时候，补偿电流的变换率增大，系统的动 ２０１６年第６期嘲Ｉ－ｌ技，ｌｔ Ｉ６３ 研究与开发 态响应加快。用 表示直流电容电压的值，则需要 满足： 的取值为２．８ｍＨ。 ４仿真结果 Ｕｃ≥２，Ｊ２Ｕ （５） 为了验证优化参数后该控制方案的有效性，本 文通过ＳＡＢＥＲ软件搭建了系统仿真模型。电网侧 相电压３８０Ｖ／５０Ｈｚ，非线性负载为三相桥式不可控 整流电路，Ｒｌ＝２０Ｑ，Ｌ】＝１０ｍＨ。并联有源滤波器直 流侧电容Ｃ＝１０００￣Ｆ，直流侧电压Ｕｃ＝６５０Ｖ。串联电 抗器Ｌ＝２．８ｍＨ。 式中，【，是电源的相电压，为了提高动态性能，一 般取Ｕｃ＝３Ｕ，本文取Ｕｃ＝６５０Ｖ。 ２）串联电抗器 在并联有源滤波器中，滞环宽度一般为额定电 流的１０％，经上节分析，滞环环宽和串联电抗器的 大小要结合并综合考虑。总体上来说，电感增大时， 补偿电流的变化率降低，精度受到影响。电感减小 时，对开关器件的开关频率的要求就比较高。 对于滞环比较方式而言，为保证良好的跟随性 能，补偿电流的变化率７７的最小值： 以Ａ相电流波形为例，图４是其负载电流波形， 通过ＳＡＢＥＲ仿真软件中的傅里叶分析功能，测得Ａ 相的谐波畸变率（ＴＨＤ）为０．３５３６，可认为经过三 相桥式整流电路这一典型谐波源负载后，整个电源 电流的波形发生了严重的畸变，电流中谐波的成分 相当大。图５和图６分别为从负载电流分离出的谐 波电流波形和并联有源滤波器产生的补偿电流波 形。图７是经过补偿后的电网侧的波形，与图４的 电流波形相比，已经有很大的改善。接入并联有源 ｒ／ ｉ ≥ｍａｘ｛ ｝ （６） 式中，电流，ｈ 为ｈ次谐波的最大电流幅值；缈为 工频角频率。 根据电压源换流器的开关原理，换流器交流侧 的相电压相当于一个五电平的ＰＷＭ波。０，－＋Ｕｃ／３， ±２ ／３这五个电平有较大的随机性，理论上ＡＰＦ 的最大和最小电流变化率为 １ ｒ／ｍ，ｘ Ｌ ｌ （７） ０ ３４ ０ ３５ ０ ３６ ０ ３７ ０ ３８ ０ ３９ ０４０ ０ ４１ ０４２ ０４３ ０ ４４ ｔ／ｓ １ ｒ／ｍｉｎ Ｌ 对于周期采样方式而言，电感由允许的最大电 流跟踪偏差 Ⅱｍ 决定。设采样周期为 ，则ＡＰＦ 的电流变化率应满足： ‰ ≤ 』ｓ （８） ０ ３４ ０．３５ ０＿３６ Ｏ．３７ Ｏ＿３８ Ｏ ３９ ０．４０ ０ ４１ ０４２ ０．４３ ０ ４４ ｓ 联立式（６）一式（８）并化简可得出滞环比较 方式下电感取值的简化式，即 ２＂１５ＵｓＴｍｉｎ ．图５ 负载电流中的谐波分量波形 （９） Ⅳ／２ Ｌ≤ ｍａｘ｛ ｝ 式中， 是电源线电压的有效值，取阀值Ｈ／２为０．６； ｉ 为２ ｓ进行计算，可得电感的最小取值在 ２．７ｍＨ，在最大值的计算中，通过傅里叶分解发现 ｈ＝５的时候分母处的取值是最大的，计算出 的最 大值为４２ｍＨ。 为使电流的跟踪控制效果较好，在仿真中电感 ０ ３４ ０ ３５ ０ ３６ ０ ３７ ０ ３８ ０ ３９ ０ ４０ ０４１ ０ ４２ ０＿４３ ０ ４４ ｓ 图６并联有源滤波器的补偿电流波形 ６４ Ｉ电ｌ｜ｉ技】ｌｔ ２０１６年第６期 研究与开发 ５结论 ０ ３４ ０ ３５ ０ ３６ ０ ３７ ０ ３８ ０ ３９ ０４０ ０．４ｌ ０ ４２ ０４３ ０４４ ｔ／ｓ 图７ 电网侧电流波形 滤波器后的谐波畸变率减低为０．１１７５。通过对比加 入有源滤波器前后的谐波畸变率可以发现，谐波成 分得到了明显的补偿。 图８和图９分别为加入并联有源滤波器前后电 网电流波形的幅频特性，在加入并联有源滤波器前， ５次、７次、１１次和１３次谐波较大，加入有源滤波 器后，各次谐波都大大降低。 图８加入ＳＡＰＦ前电源电流波形的幅频特性 图９加入ＳＡＰＦ后电源电流波形的幅频特性 本文对基于滞环控制策略的并联有源滤波器进 行了研究，分析了该电路的结构和原理，并详细研 究并计算了滞环控制策略下并联有源滤波器的直流 电容电压和串联电抗器这两个关键的参数值，最后 结合ＳＡＢＥＲ软件的仿真结果论证了该优化参数计 算方法的可行性、有效性。 参考文献 【１】刘翼．谐波的危害及对谐波污染的治理［Ｊ］＿低压电 器．２００７（１６）：４８—５２． ［２］熊一权．电力系统的谐波污染及对策［Ｊ］．黑龙江电 力．２００１（４）：２２２—２２６． ［３】 张艳军，卓放，易皓，等．并联型有源滤波器的建模 和控制策略分析［Ｊ］．电力电子技术，２０１２（５）：７２－７４． ［４】洪磊，陈晓，陈国柱．基于重复控制的并联型混合 有源滤波器高性能控制策略［Ｊ］．电力自动化设备， ２０１２（１０）：９４—９８． ［５】 Ｃｈａｍａｔ Ｎ Ｍ，Ｂｈａｎｄａｒｅ Ｖ Ｓ，Ｄｉｗａｎ Ｓ Ｐ，Ｊａｍａｄａｄｅ Ｓ． Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｓｈｕｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ［Ｃ］／／ ｉｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ，Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ （ＩＣＣＰＣＴ），２０１４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ，ｖｏ１．，ｎｏ．， ＰＰ．７９２—７９６，２０—２１ Ｍａｒｃｈ ２０１４． 【６】刘国海，杨辰星，陈兆岭．有源电力滤波器神经网 络逆解耦控制［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１３（５）： ２３．２９． ［７】王文，罗安，黎燕，等．一种新型有源电力滤波器的 ＳＶＰＷＭ算法［Ｊ］．中国电机工程学报，２０１２（１８）： ５２．５８．１７７． 作者简介 施林涵（１９９１．），男，福建福州人，硕士研究生，研究方向是电气 工程。 ２０１６年第６期嘲ｌ—ｌ麓泰｝６５
