消除有源電力濾波器系統振蕩的控制方法仿真分析

摘要：提出一種增加局部反饋的控制方法，對傳統有源電力濾波器控制方式進(jìn)行了改進(jìn)。該方法具有能較徹底地消除系統振蕩，同時(shí)降低電網(wǎng)側電流和公共連接點(diǎn)電壓畸變率的優(yōu)點(diǎn)。仿真分析結果驗證了該方法的有效性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧振；控制方式；高通濾波器

1 引言

有源電力濾波器（APF）是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波電流、補償無(wú)功的新型裝置，具有響應速度快、補償效果好，能實(shí)現動(dòng)態(tài)連續實(shí)時(shí)補償等優(yōu)點(diǎn)。其基本原理在于向電網(wǎng)中注入一個(gè)與諧波電流、無(wú)功電流大小相等、方向相反的補償電流，從而達到消除諧波，使電網(wǎng)側電流成為正弦且電網(wǎng)功率因數為1的目的。因此，采用有效的控制方式，精確地產(chǎn)生補償電流是決定濾波效果的重要因素。在各種類(lèi)型的電力有源濾波器中，并聯(lián)型電力濾波器應用最為廣泛。本文對傳統的并聯(lián)有源電力濾波器控制方式進(jìn)行改進(jìn)，增加局部反饋環(huán)節用于解決系統中無(wú)源濾波器引起的振蕩問(wèn)題。仿真結果說(shuō)明該方法能同時(shí)改善電網(wǎng)側電流和公共連接點(diǎn)電壓的波形，降低畸變率。

2 主電路及其傳統控制方式

并聯(lián)有源電力濾波器主電路基本結構如圖1所示。由濾波電感Lf，儲能電容C和電壓源型PWM逆變器組成，通過(guò)控制各橋臂的全控型開(kāi)關(guān)器件（如IGBT），使濾波器輸出的補償電流跟蹤參考電流。參考電流由指令運算電路對檢測到的電流信號按一定的算法進(jìn)行運算產(chǎn)生，再由跟蹤和驅動(dòng)電路對主電路進(jìn)行控制。由于主電路中各橋臂開(kāi)關(guān)器件高頻開(kāi)通關(guān)斷，會(huì )在工作頻率附近產(chǎn)生次數很高的諧波。為了消除這些諧波，需要在有源電力濾波器的系統中并聯(lián)由電容、電感、電阻等組成的高通濾波器。為了減少系統的損耗，則消耗在高通濾波器上的功率要盡可能地小。另外，加入高通濾波器以后，電網(wǎng)側電流中高頻諧波濾除了，但可能帶來(lái)發(fā)生諧振和電網(wǎng)側電流及公共連接點(diǎn)電壓波形畸變的問(wèn)題。

圖1 三相有源濾波器主電路結構圖

按檢測電流的不同，并聯(lián)有源電力濾波器傳統的控制方式分為3種：1種是檢測負載電流方式，其指令電流運算電路的輸入信號來(lái)自負載電流，這是最基本的一種控制方式；另1種是檢測電網(wǎng)側電流方式；還有1種把上述兩種方式結合在一起，就得到復合控制方式。[1]

針對高通濾波器引起的諧振和電流電壓畸變問(wèn)題，采用系統傳遞函數結構圖分析3種控制方式，如圖2、3、4所示。圖中GI(s)是指令電流運算電路的傳遞函數，以要檢測的電流，如負載電流iL、電源電流is或是兩者之和為輸入，指令補償電流為輸出。GA(s)是跟蹤、驅動(dòng)電路的傳遞函數，以指令補償電流為輸入，實(shí)際補償電流ic為輸出。GZ(s)是無(wú)源高通濾波器的傳遞函數，以負載電流iL與補償電流ic之和icL為輸入，電源電流is為輸出。G(s)是為防止振蕩而增加的串聯(lián)校正微分環(huán)節的傳遞函數。

圖2 檢測負載電流控制方式結構圖

圖3 檢測電網(wǎng)側電流控制方式結構圖

圖4 復合控制方式結構圖

采用檢測負載電流方式，從圖2中可看出這種方式為前饋控制。盡管這種方式對被控量的控制十分有效，但沒(méi)有is的反饋，本身作為一個(gè)開(kāi)環(huán)系統無(wú)法解決系統諧振引起的電網(wǎng)側電流和公共連接點(diǎn)電壓畸變的問(wèn)題。

使用檢測電網(wǎng)側電流控制方式，有源濾波器是一個(gè)閉環(huán)系統，產(chǎn)生諧振部分GZ(s)也包括在閉環(huán)內。因此在控制算法中加入改善動(dòng)態(tài)性能的比例微分環(huán)節G(s)可以消除部分振蕩，效果比前一種好些，但仍然不夠理想，而且由于比例微分環(huán)節的引入，削弱了系統的穩定性，可能造成系統不穩定。

復合控制方式實(shí)質(zhì)是在第一種方式中增加了電網(wǎng)側電流的反饋控制，成為前饋－反饋復合系統。其中前饋控制起主導作用，反饋控制主要用于抑制諧振，提高控制精度。這種方式具有前兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，效果較為理想，但控制算法也相對復雜，因此,可以想到在前兩種方法上進(jìn)行改進(jìn)，得到一種既避免了較復雜的算法編制，也能取得較好效果的控制方式。

分析前兩種方式，檢測負載電流方式不能抑制振蕩原因在于沒(méi)有對產(chǎn)生振蕩的無(wú)源濾波器GZ(s)環(huán)節進(jìn)行控制。而檢測電網(wǎng)側電流控制方式即使加入校正環(huán)節效果也不太好的原因是,要獲得好的補償效果，必須使比例微分環(huán)節有較大的增益。而系統的穩定性和控制的精度則要求比較小的增益。這個(gè)矛盾影響了最終的效果。為了避開(kāi)這一矛盾，直接對無(wú)源濾波器進(jìn)行控制就能抑制振蕩，改善控制的質(zhì)量。本文由此提出了一種新的控制方法，即檢測無(wú)源高通濾波器電流，在前兩種控制方式中增加局部反饋的控制方式。

3 新型控制方法的原理分析

圖5即應用本文提出的方法，對傳統檢測電網(wǎng)側電流控制方式改進(jìn)后得到的有源濾波器原理圖。該控制方式的基本原理是使有源電力濾波器產(chǎn)生和無(wú)源高通濾波器中振蕩電流大小相等，方向相反的補償電流，從而有效地抑制系統振蕩，消除電流、電壓的畸變。這和有源電力濾波器消除電網(wǎng)側電流中諧波的道理是一樣的。由于通過(guò)高通濾波器的電流相對電網(wǎng)側電流來(lái)說(shuō)比較小，因此可以直接在無(wú)源高通濾波器的電流ih中取1％到10％作為抑制高通濾波器振蕩的信號電流，加入到指令電流運算電路產(chǎn)生的補償參考信號中，得到校正后的參考電流。再經(jīng)過(guò)電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路、最后通過(guò)高頻開(kāi)關(guān)器件的通斷決定補償電流的大小。

圖5 對檢測電網(wǎng)側電流控制方式改進(jìn)后的有源濾波器原理圖