消除有源电力滤波器系统振荡的控制方法仿真分析

1  引言

    有源电力滤波器（APF）是一种动态抑制谐波电流、补偿无功的新型装置，具有响应速度快、补偿效果好，能实现动态连续实时补偿等优点。其基本原理在于向电网中注入一个与谐波电流、无功电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而达到消除谐波，使电网侧电流成为正弦且电网功率因数为1的目的。因此，采用有效的控制方式，精确地产生补偿电流是决定滤波效果的重要因素。在各种类型的电力有源滤波器中，并联型电力滤波器应用最为广泛。本文对传统的并联有源电力滤波器控制方式进行改进，增加局部反馈环节用于解决系统中无源滤波器引起的振荡问题。仿真结果说明该方法能同时改善电网侧电流和公共连接点电压的波形，降低畸变率。

2  主电路及其传统控制方式

    并联有源电力滤波器主电路基本结构如图1所示。由滤波电感Lf，储能电容C和电压源型PWM逆变器组成，通过控制各桥臂的全控型开关器件（如IGBT），使滤波器输出的补偿电流跟踪参考电流。参考电流由指令运算电路对检测到的电流信号按一定的算法进行运算产生，再由跟踪和驱动电路对主电路进行控制。由于主电路中各桥臂开关器件高频开通关断，会在工作频率附近产生次数很高的谐波。为了消除这些谐波，需要在有源电力滤波器的系统中并联由电容、电感、电阻等组成的高通滤波器。为了减少系统的损耗，则消耗在高通滤波器上的功率要尽可能地小。另外，加入高通滤波器以后，电网侧电流中高频谐波滤除了，但可能带来发生谐振和电网侧电流及公共连接点电压波形畸变的问题。

图1  三相有源滤波器主电路结构图

    按检测电流的不同，并联有源电力滤波器传统的控制方式分为3种：1种是检测负载电流方式，其指令电流运算电路的输入信号来自负载电流，这是最基本的一种控制方式；另1种是检测电网侧电流方式；还有1种把上述两种方式结合在一起，就得到复合控制方式。[1]

    针对高通滤波器引起的谐振和电流电压畸变问题，采用系统传递函数结构图分析3种控制方式，如图2、3、4所示。图中GI(s)是指令电流运算电路的传递函数，以要检测的电流，如负载电流iL、电源电流is或是两者之和为输入，指令补偿电流为输出。GA(s)是跟踪、驱动电路的传递函数，以指令补偿电流为输入，实际补偿电流ic为输出。GZ(s)是无源高通滤波器的传递函数，以负载电流iL与补偿电流ic之和icL为输入，电源电流is为输出。G(s)是为防止振荡而增加的串联校正微分环节的传递函数。

图2  检测负载电流控制方式结构图

图3  检测电网侧电流控制方式结构图

图4  复合控制方式结构图

    采用检测负载电流方式，从图2中可看出这种方式为前馈控制。尽管这种方式对被控量的控制十分有效，但没有is的反馈，本身作为一个开环系统无法解决系统谐振引起的电网侧电流和公共连接点电压畸变的问题。

    使用检测电网侧电流控制方式，有源滤波器是一个闭环系统，产生谐振部分GZ(s)也包括在闭环内。因此在控制算法中加入改善动态性能的比例微分环节G(s)可以消除部分振荡，效果比前一种好些，但仍然不够理想，而且由于比例微分环节的引入，削弱了系统的稳定性，可能造成系统不稳定。

    复合控制方式实质是在第一种方式中增加了电网侧电流的反馈控制，成为前馈－反馈复合系统。其中前馈控制起主导作用，反馈控制主要用于抑制谐振，提高控制精度。这种方式具有前两种方式的优点，效果较为理想，但控制算法也相对复杂，因此,可以想到在前两种方法上进行改进，得到一种既避免了较复杂的算法编制，也能取得较好效果的控制方式。

    分析前两种方式，检测负载电流方式不能抑制振荡原因在于没有对产生振荡的无源滤波器GZ(s)环节进行控制。而检测电网侧电流控制方式即使加入校正环节效果也不太好的原因是,要获得好的补偿效果，必须使比例微分环节有较大的增益。而系统的稳定性和控制的精度则要求比较小的增益。这个矛盾影响了最终的效果。为了避开这一矛盾，直接对无源滤波器进行控制就能抑制振荡，改善控制的质量。本文由此提出了一种新的控制方法，即检测无源高通滤波器电流，在前两种控制方式中增加局部反馈的控制方式。

3  新型控制方法的原理分析

    图5即应用本文提出的方法，对传统检测电网侧电流控制方式改进后得到的有源滤波器原理图。该控制方式的基本原理是使有源电力滤波器产生和无源高通滤波器中振荡电流大小相等，方向相反的补偿电流，从而有效地抑制系统振荡，消除电流、电压的畸变。这和有源电力滤波器消除电网侧电流中谐波的道理是一样的。由于通过高通滤波器的电流相对电网侧电流来说比较小，因此可以直接在无源高通滤波器的电流ih中取1％到10％作为抑制高通滤波器振荡的信号电流，加入到指令电流运算电路产生的补偿参考信号中，得到校正后的参考电流。再经过电流跟踪控制电路、驱动电路、最后通过高频开关器件的通断决定补偿电流的大小。

图5  对检测电网侧电流控制方式改进后的有源滤波器原理图  [page]

    改进后控制方式的结构如图6、7所示。图中G1(s)、G2(s)是无源滤波器分别以icL、ih为输入，ih、is为输出的传递函数。由于系统本身包含有微分成分，容易振荡，对干扰信号敏感，采用局部反馈，既可以实现在串联校正中改善系统稳态性能和暂态性能的作用，又可以抑制谐振干扰信号的影响。同时，该局部反馈主要作用在高通滤波器上，对其它部分没有太大的影响。另外，由于该反馈的引入，前向通道的增益有所降低，系统的稳定性提高了。和前面介绍的三种方式相比，不仅能很好地消除振荡，滤除高频谐波，而且结构比较简单，无须复杂的算法，很容易实现。

图6  检测负载侧电流控制方式改进后结构图

图7  检测电网侧电流控制方式改进后结构图

4  仿真结果分析

    以上分析可以用PSPICE从仿真结果得到验证。

    仿真中电网频率为50Hz，三相有源电力滤波器开关器件工作频率为20kHz。非线性负载为三相整流器，后接20mH电感和2Ω电阻。高通滤波器采用50μF的电容。仿真结果如图8、9、10、11和表1所示。

表1  两种传统控制方式改进前后仿真结果比较

图8  传统检测负载电流控制方式下电网侧电流和负载电压

图9  改进后检测负载电流控制方式下电网侧电流和负载电压

图10  传统检测电网侧电流控制方式下电网侧电流和负载电压

图11  改进后检测电网侧电流控制方式下电网侧电流和负载电压

    从表1可以看出，对原来控制方式进行改进后电网侧电流和公共点电压的畸变率有效地降低了。对比图8和9，图10和11也看出控制方式改进后有源滤波器的电网侧电流和公共点电压的波形有了较大的改善，更接近正弦形。总之，有源滤波器的性能得到了较大的提高。

5  结语

    从前面的分析和仿真结果可以看出，本文提出的这种新型控制方式不仅很好地消除了振荡，滤除了谐波，而且还能提高系统的稳定性，控制算法也极其简单，具有很好的推广价值。缺点是需要检测的电流信号数量增加了。