1、本文由中国电力电子产业网 http:/www.p-e- 转载编辑，转载请说明来源。电力有源滤波器谐波检测及跟踪控制方法的仿真研究陈志华 曹以龙 上海电力学院摘 要 在电力有源滤波器中谐波的检测与电流的跟踪控制是最为主要的两个方面，具有良好实时性与准确性的检测方法和控制策略是有源滤波器实现有效补偿的一个关键。本文介绍了几种目前较为流行的有源滤波器谐波检测方法和电流跟踪补偿策略的基本原理，并针对各自的优缺点总结了参考文献中提出的若干改进方法。最后结合了其中的一种方法在MATLAB 中进行了仿真研究。关键词 电力有源滤波器；电力电子；谐波检测；电流跟踪控制1引言有源电力滤波器主要的研究方向包括：拓扑
2、结构、谐波电流检测算法、谐波电流跟踪补偿策略及其数字化的实现。其中对于电路的拓扑结构自确定以后就少有变更，因此有源滤波器的关键技术就是谐波电流检测和补偿电流跟踪两个方面。有源滤波器的基本工作原理是：检测系统的电压和电流信号，经谐波指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后根据此信号由补偿电流跟踪控制电路产生补偿电流，该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波、负序和无功电流同相位而极性相反，这样就会使它们互相抵消。本文将几种比较有代表性的谐波检测方法和电流跟踪控制策略的原理以及各自的优缺点做了简单说明。并结合了其中一种方法在 MATLAB 中搭建了一个三相三线制并联有源电力滤波器的系统模型。2谐
3、波检测方法2.1 模拟滤波器该方法原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。但此方法的补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振，而且低通滤波器的频率特性和元器件参数容易因外界条件的改变而改变，稳定性差 1。随着数字化进程的发展，这种方法已基本被取代。2.2 瞬时无功功率理论在众多的有源滤波及无功补偿控制算法中，基于三相瞬时无功功率理论的有源滤波及无功算法应用最为广泛，该理论首先于 1983 年由日本的赤木泰文提出，该方法的提出和完善极大地推动了 APF 技术的迅速发展，可以说是在瞬时无功功率理论提出后，有源滤波器才进入了实际应用阶段。该理论的核心是将三相电路各相电
4、压和电流的瞬时值交换到 两相正交的坐标系上研究。现在基于该理论的经典检测法包括：p-q 法 2、 3法、d-q 4法。其中 p-q 法应PqI用最早，但它仅适用于对称三相且无畸变的市电电网； 法不仅对电源电压畸变有效，而且在不对称三相市电电网的检测中，相对于 p-q 法来说，检测误差要小一些；基于 Park 变换的 d-q 法，不仅简化了电网对称无畸变的电流检测，而且也使用于不对称、有畸变的市电电网检测。对于该算法参考文献中从 3 个方面提出了完善方法：1、文献【5】中提出可以通过预先设定 d-q 变换矩阵频率的从而实现无锁相环 d-q 谐波电流检测法；该方法完全实现了 d-q 检测的优点，并
5、节省了锁相环电路。2、文献【6】中提出的一种改进方法使其既能检测总谐波电流，又能检测任意指定次谐波电流；3、文献【7】中提出可以用滑窗迭代算法去代替低通滤波器，这样可以省去复杂的低通滤波器的设计，更适合数字化的实现，并且可使滤波的效本文由中国电力电子产业网 http:/www.p-e- 转载编辑，转载请说明来源。果更好。2.3 基于傅立叶变换的检测方法该方法以傅利叶分析为基础，要求被补偿的信号波形是周期变化的，否则误差较大。傅立叶变换的扩展包括离散傅里叶变换(DFT)、快速傅立叶变换(FFT)和递归离散傅立叶变换(RDFT)8-10。文献【1】提出了一种基于离散傅立叶变换（DFT）的滑窗迭代算
6、法，该算法能准确求取负载电流中的谐波成份，通过对该算法进行扩展，还能应用于单次谐波的检测。图 1 即为该算法原理示意图，整个算法实现简单，计算量小，可有效地提高参考谐波电流信号的运算速度与跟踪精度。该方法特别适用于 DSP，不仅速度快，精度高；而且能为 APF 的控制器部分留出更多的时间，从而为后续部分的设计与处理提供了更多的灵活性。图 1 滑窗迭代算法原理示意图3电流跟踪控制策略3.1 滞环比较控制滞环比较控制是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，该方法是把补偿电流的指令信号 和实际的补偿电流信号 进行比较二后的偏差 作为滞环比较器的输入，通*ci ci ci过滞环比较器产生控制电路
7、中开关通断的 PWM 信号，该 PWM 信号控制 IGBT 的通断，最终控制补偿电流 的变化；图 2 即为该控制方法的原理图。c这种控制方式中, 通常滞环的带宽为固定值，这就导致主电路中器件的开关频率是变化的，会引起较大的脉动电流和开关噪声甚至导致开关器件的损坏。针对滞环控制的这种缺陷，参考文献中提出的改进的方法有两种，一种是文献【11】提出的设计环宽随电流变化率而变化的滞环比较器从而固定开关频率，另一种是用一个时钟定时比较器代替滞环比较器从而限制器件的最高开关频率；相比之下后一种方法较前一种简单且容易实现。图 2 滞环比较控制示意图3.2 三角载波控制本文由中国电力电子产业网 http:/w
8、ww.p-e- 转载编辑，转载请说明来源。三角载波线性控制:这是一种最简单的线性控制方法,利用一个三角波与指令信号比较从而得到不同时刻的逆变器开关状态。目前应用于有源滤波器的电流控制方法一般有两类，即滞环电流控制方法和三角波电流控制方法前者精度较高且响应快，但开关频率可能波动很大，后者开关频率恒定，安全性较高，但响应较慢，精度较低。对于该控制方法文献【12】中提出一种基于 理论的改进控制方式这里不是对三相PqI反馈电流值直接进行控制，而是在 坐标下对主电路的瞬时有功电流 和瞬时无功电流PI进行控制，这样就可以实现对三相电流的解耦控制，整个控制过程不需要将三相谐波电流qI检测出，而只是在 坐标下
9、完成的。3.3 电压空间矢量法（SVPWM）空间矢量控制法技术是目前一种非常流行的PWM控制技术，通常，该技术将三相变流器作为一个整体来控制，很好地协调了PWM主电路各相问相互作用。在该方法中，将有源电力滤波器系统作为控制对象，检测到的谐波指令电流作为参考电流，有源电力滤波器产生的补偿电流作为反馈电流，从而构成了一个闭环控制系统，并使得实际电流跟随指令电流的目标被转化为跟随一个指令电压量。根据参考电压空间矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻基本矢量的占空比以合成该电压空间矢量。当有源电力滤波器产生该电压空间矢量时，实际电流与指令电流的误差将被最大限度减小；图3 即为空间电压矢量示
10、意图。对于该控制方法文献【13】中提出一种基于不定频滞环的 SVPWM 改进控制法，这种方法大大化简了 SVPWM 的复杂算法，并且降低了开关频率，简化了控制过程，又有效地限制了误差电流，易于在 DSP 中实现。图 3 空间电压矢量示意图3.4 重复控制在APF中，由于输出为周期性谐波型号，不是一个恒值，而传统PI控制在有限的开关频率下控制效果是极其有限的，对谐波电流指令无法实现无静差跟踪，因此需要采用更合适的控制策略。针对APF多频率的特性，重复控制技术被引入APF控制，用来消除周期性的负载谐波。重复控制思想是源于控制理论的内模原理, 利用负载扰动的周期性规律，有针对性地逐步修正，是一种能消
11、除所有包含在稳定闭环内的周期性误差的控制方案，结构简单，易于实现。重复控制结构如图4所示，其中 为一低通滤波器或者一个小于1的常数，一般情况下Qz本文由中国电力电子产业网 http:/www.p-e- 转载编辑，转载请说明来源。就取为0.95。前向通道上串接的周期延迟环节 使控制动作延迟一个周期进行，即：Qz Nz本周期检测到的误差信息在下一个周期才开始影响控制量。由于指令和扰动都是重复性的，故这样做将使系统下一周期的控制作用具有一定超前性。周期环节后面 即为补偿器的一般形式，它是针对控制对象的特性而设置的，它()krKzS的一般形式如图所示，其中 是矫正环节， 为重复控制增益， 即为引入的超
12、前环节，rKkz通过他实现对控制对象相位滞后以及控制延迟的补偿。在重复控制器中，补偿器的设置至关重要，将直接影响补偿的效果，它的参数是根据控制对象的特性来设定的。对于该控制方法在 APF 中的应用，文献【14】中提出了基于重复控制和 PI 控制的复合控制策略，其整体的控制结构如图 5 所示。图 4 重复控制结构示意图 图 5 重复控制和 PI 控制的复合控制示意图3.2 其他控制方法除了上述的四种控制策略以外，还有基于人工神经网络控制、无差拍控制、模糊控制控制、自适应控制等新型控制算法相继出现，这些控制算法的计算准确度较高，但计算量大，不易实现数字化，目前对于 APF 的应用还处于理论和仿真研
13、究阶段。4仿真研究及结论 在MATLAB/simulink中搭建了一个三相三线制有源滤波器系统，谐波电流检测方法采用改进的无锁相环 法；电流跟踪采用基于不定频滞环的SVPWM控制策略。非线性负载选用PqI三相桥可控整流电路，整流电路直流侧接电阻10，输出电感为0.2mH。在投入 APF 以前网侧电流波形如图 6 所示，此时谐波分析结果如图 7，THD 为 25%。图 6 投入 APF 以前网侧电流波形 图 7 投入 APF 以前网侧电流波形 THD 分析本文由中国电力电子产业网 http:/www.p-e- 转载编辑，转载请说明来源。在投入 APF 后网侧电流波形如图 8 所示，此时谐波分析结
14、果如图 9，THD 为 5.84%。图 8 投入 APF 后网侧电流波形 图 9 投入 APF 后网侧电流波形 THD 分析由此可以看出在投入 APF 后的电网波形的畸变率虽然没有降到国家规定的 5%以下但也已经得到了明显的改善。本文将目前应用较多的有源滤波器的检测方法和控制策略进行了简单介绍，并综合参考文献提出针对各种方法的优缺点提出了改进的方法，并进行了仿真研究，验证了改进后的检测方法和跟踪控制方法结合应用于 APF 的可行性和有效性。参考文献1 成剑，罗安，付青.简化 DFT 窗迭代算法在有源电力滤波器谐波检测中的应用.电力自动化设备，May.2005,25(5).57-60.2 Aka
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