有源電力濾波器控制策略

冉月超

摘要：針對工業(yè)配電網(wǎng)中存在的因大功率非線性電力電子設(shè)備引起的負(fù)序、諧波以及功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題，本文采用綜合電能質(zhì)量補償器，來對工業(yè)配電網(wǎng)中存在的電能質(zhì)量進行治理，能同時治理諧波、負(fù)序以及無功補償。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；控制策略；補償

1 有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

有源電力濾波器治理電能質(zhì)量的系統(tǒng)方案如圖1所示。

有源電力濾波器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，逆變器部分通過耦合變壓器和配電網(wǎng)相連。它產(chǎn)生的諧波電壓通過耦合變壓器加在電網(wǎng)阻抗上獲得需要的補償電流。耦合變壓器起到降低有源功率調(diào)節(jié)器交流側(cè)電壓，匹配有源功率調(diào)節(jié)器電流以及電氣隔離的作用，使開關(guān)器件的容量得到充分利用。電容作為主電路直流側(cè)儲能元件，在正常工作時保持電壓基本不變。電感則起到平波的作用，一般要求其值足夠小以保證補償電流發(fā)生模塊的動態(tài)跟蹤性能。有源電力濾波器包括檢測模塊和補償電流發(fā)生器（電流跟蹤控制電路、變流器）兩個部分：前部分檢測網(wǎng)側(cè)電流的諧波和無功等電流分量，后者根據(jù)接收的運算電路指令信號來控制產(chǎn)生補償電流。

2 電流補償跟蹤控制方法

電流跟蹤控制的任務(wù)就是在檢測出負(fù)載電流中的畸變量之后，控制裝置的輸出電流實時跟蹤指令電流的變化。將補償電流注入到電網(wǎng)中，使得電網(wǎng)電流能夠呈現(xiàn)正弦狀態(tài)，以達(dá)到負(fù)序和諧波綜合補償?shù)哪康?。已有大量文獻對電流跟蹤控制方法進行了研究，提出了諸如三角波比較調(diào)制法、電流滯環(huán)跟蹤控制法、無差拍控制法等。

2.1 三角載波電流控制法

三角波比較調(diào)制法是比較常見的控制方法。三角波比較調(diào)制法的優(yōu)點是控制電路結(jié)構(gòu)簡單，功率器件的開關(guān)頻率恒定為三角波載波的頻率，這樣給器件選擇帶來方便。缺點是逆變器一直運行在高頻狀態(tài)，開關(guān)損耗較大。故此種控制方法多用于中小功率應(yīng)用中。

2.2 滯環(huán)電流控制法

滯環(huán)控制物理概念清晰，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，動態(tài)性能較好。由于不含有載波，故在其輸出中不含有與載波頻率相關(guān)的特定諧波。并且在控制運算中未使用到系統(tǒng)參數(shù)，對參數(shù)不敏感，魯棒性好。但是其開關(guān)頻率不固定，并且隨系統(tǒng)的工作條件變化而變化，諧波電流的頻率分布隨機，給濾波器設(shè)計帶來一定困難。

2.3 無差拍控制法

與PWM控制技術(shù)相比，無差拍控制的輸出控制脈寬是基于電路的實時狀態(tài)計算而來，所以動態(tài)響應(yīng)能力更好。此外，由于無差拍控制在電路發(fā)生改變后過渡過程的響應(yīng)速度快，因此具有負(fù)荷適應(yīng)性強以及輸出失真度小的特點。無差拍控制具有諸多優(yōu)點的同時也存在著一些不足：由于是基于數(shù)學(xué)預(yù)測模型的一種控制方法，所以其對系統(tǒng)的參數(shù)具有很大的依賴性；因為需要進行實時計算，所以對硬件要求較高；此外，采用無差拍控制在建模不理想時還存在著輸出電壓振蕩的風(fēng)險，不利于安全穩(wěn)定運行。

3 直流側(cè)電容電壓控制

為了確保集成綜合補償模塊的主電路的安全運行，逆變器的直流側(cè)的電容電壓必須穩(wěn)定在一個特定的范圍內(nèi)，這樣才能確保在任意時刻主電路能隨著指令電流值生成對應(yīng)的補償量。在逆變器運行時，由于補償電流以及系統(tǒng)損耗是在不斷變化的，在沒有使用恰當(dāng)控制方法時直流電容的電壓會不穩(wěn)定，不利于裝置的安全運行。當(dāng)前，主要有兩種方法來穩(wěn)定直流側(cè)電容的電壓：一是采用適當(dāng)?shù)目刂品椒▉矸€(wěn)定直流電容的電壓，二是通過附加輔助電路的形式給直流電容充放電以確保電容電壓的穩(wěn)定。第二種方法需要外加輔助電路，這勢必增加了逆變器電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度以及成本與損耗，因此在實際應(yīng)用中多采用第一種方法。實際應(yīng)用中比較常用的電容穩(wěn)壓控制方法有以下幾種：比例控制、模糊控制、單周控制、比例積分以及線性最優(yōu)等。在這些控制方法中，比例控制與比例積分應(yīng)用尤為廣泛。

4 綜合補償裝置控制策略

通過上述分析與論述，可以得到有源電力濾波器實現(xiàn)綜合補償功能的控制原理，控制系統(tǒng)實際上等同于基于負(fù)載電流反饋的直流側(cè)電容電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)滯環(huán)控制。

參考文獻：

[1]甘率.采用空間矢量法作為滯環(huán)電流控制的APF軟硬件設(shè)計[D].中南大學(xué)，2009.

[2]洪峰，單任仲，王慧貞，等.一種變環(huán)寬準(zhǔn)恒頻電流滯環(huán)控制方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（1）：115119.

[3]鄭建勇，王杰，梅軍，等.基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方法和APF的系統(tǒng)設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（5）：4952.

[4]徐群偉，鐘曉劍，胡健，等.基于誤差迭代PI和改進重復(fù)控制的APF補償電流控制[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（3）：299305.