1 引言
隨著非線(xiàn)性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的電流嚴(yán)重畸變。日益增加的電網(wǎng)諧波電流和無(wú)功電流不僅大量消耗了電能，影響電能的生產(chǎn)和傳輸，而且影響負(fù)載的安全運(yùn)行和電能的準(zhǔn)確計(jì)量，給電網(wǎng)各方面都帶來(lái)了危害。傳統(tǒng)使用lc無(wú)源濾波器（passive power filter, ppf）來(lái)濾除諧波電流，lc無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟、維護(hù)方便、裝設(shè)容易等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用，至今也是應(yīng)用最多的諧波補(bǔ)償方法。但是，它存在只能補(bǔ)償固定次諧波、補(bǔ)償特性受電網(wǎng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)的影響、可能和系統(tǒng)局部發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振等缺點(diǎn)，越來(lái)越不能適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展。
有源電力濾波器（active power filter, apf）是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率的電力電子裝置，它的主電路主要由三相六橋臂的變流器組成，按照接入電網(wǎng)的方式可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。與無(wú)源濾波器相比較，有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)；可以同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)拇笮】梢宰龅竭B續(xù)調(diào)節(jié)；補(bǔ)償無(wú)功功率和諧波所需的貯能元件容量不大；即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，apf也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用；apf受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)發(fā)生諧振；能夠跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的波動(dòng)的影響；apf既可以對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可以對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行集中補(bǔ)償?shù)?。正是apf的這些特點(diǎn)，使它成為補(bǔ)償電力系統(tǒng)中諧波和無(wú)功的有效手段，具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益[1][2]。
apf通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功電流，然后控制電力電子變流器，向電網(wǎng)中注入與電網(wǎng)中諧波和無(wú)功電流大小相等，方向相反的電流，使電源只輸出基波有功電流，達(dá)到抑制諧波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康?。由于電網(wǎng)中的諧波電流成分非常復(fù)雜，是由各種諧波組成的畸變電流，具有時(shí)變和高變化率的特點(diǎn)，這就對(duì)apf電流控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能提出了較高的要求。本文對(duì)apf電流環(huán)pi控制的校正方法進(jìn)行分析，并對(duì)采用該方法的apf電流控制進(jìn)行了仿真研究，取得了較好的補(bǔ)償效果。
2 并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
并聯(lián)有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如圖1所示，apf交流側(cè)通過(guò)三相電感與電網(wǎng)相連接，直流側(cè)為一個(gè)電容。apf的工作原理是：三相電壓源 給非線(xiàn)性負(fù)載供電，當(dāng)不用apf對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，電源電流is與負(fù)載電流il相等，is中除了含有與電壓源同頻率的基波電流外，還含有大量的諧波電流，即
is = il = if + ih (1)
式中：if為基波電流；ih為諧波電流。
采用apf對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)哪康氖强刂芶pf，向電網(wǎng)中輸入與負(fù)載諧波ih大小相等的電流，最終使三相電源只輸出基波電流，即在圖1所示電流方向下有：
ic = ih (2)
is = if (3)
為了控制apf輸出補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波電流，首先必須檢測(cè)出三相電網(wǎng)中的諧波電流，將檢測(cè)出來(lái)的諧波電流ic*作為apf電流控制的輸入給定，通過(guò)電流控制，使apf輸出電流跟蹤檢測(cè)出來(lái)的諧波電流。如果檢測(cè)出來(lái)的ic*中除了包含諧波電流外還含有無(wú)功電流，則通過(guò)電流控制，apf輸出的電流ic中也包含諧波和無(wú)功電流，這樣，apf可以同時(shí)補(bǔ)償諧波電流和無(wú)功電流[3][4]。
3 并聯(lián)有源電力濾波器電流環(huán)pi校正研究
正常工作時(shí)，apf既要補(bǔ)償諧波電流，同時(shí)又要維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，通過(guò)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)和apf直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)，電流環(huán)的指令包含諧波電流和基波有功電流，下面以a相為例分析電流環(huán)采用pi控制時(shí)的校正方法。從圖1可以得到電流環(huán)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為
(4)
式中：l為apf交流側(cè)電感，r為apf交流側(cè)等效電阻。忽略電流環(huán)信號(hào)采樣的延遲和pwm控制的小慣性特性，apf電流環(huán)采用pi控制時(shí)結(jié)構(gòu)圖為圖2所示。
圖2 電流閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖
圖2中kpwm為橋路等效增益，可取[5]
kpwm =avdc / 2 (5)
a(0≤a≤1)為pwm調(diào)制比。為簡(jiǎn)化分析，考慮調(diào)制比a = 1的情況下pi電流環(huán)的校正。
圖2中，當(dāng)不對(duì)電流環(huán)進(jìn)行校正時(shí)，電流環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為
(6)
a
它是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)l=1mh，r=0.2ω時(shí)，其幅頻特性曲線(xiàn)為圖3所示。
圖3 校正前電流開(kāi)環(huán)幅頻特性曲線(xiàn)
由圖3可見(jiàn)，電流環(huán)截止頻率非常高，具有非常寬的帶寬，相角裕度為90°，系統(tǒng)對(duì)高頻噪聲不能有效的抑制。設(shè)計(jì)pi校正器的目的是使校正后的系統(tǒng)既能以所需的精度跟蹤低次諧波，又能抑制開(kāi)關(guān)頻率引起的高次諧波。下面對(duì)pi校正參數(shù)進(jìn)行分析。
(1) 首先確定電流環(huán)校正后的帶寬。apf輸出電流為低次諧波，電網(wǎng)中低次諧波電流通常為2khz以下，以此確定校正后的通帶范圍；
(2) 確定低頻段特性。開(kāi)環(huán)頻率特性的低頻段表征了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了保證apf系統(tǒng)的穩(wěn)定性，校正后低頻段的增益應(yīng)充分大，相比校正前不應(yīng)有大的衰減，以保證穩(wěn)態(tài)誤差要求；
(3) 中頻段特性。為保證apf動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，中頻段應(yīng)占據(jù)充分寬的頻帶，并且有適當(dāng)?shù)南嘟窃６龋梢酝ㄟ^(guò)給定的時(shí)域指標(biāo)σ%和ts換算成相應(yīng)的頻域指標(biāo)，求取中頻帶寬和截止頻率；
(4) 高頻段特性。對(duì)由開(kāi)關(guān)頻率導(dǎo)致的高次諧波電流應(yīng)有較大的衰減，避免高次諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)，造成新的諧波污染。
根據(jù)以上原則，采用pi調(diào)節(jié)器對(duì)原開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到校正參數(shù)為kp=0.05和ki=0.1。圖4是校正后的開(kāi)環(huán)幅頻特性曲線(xiàn)。
圖4 校正后電流開(kāi)環(huán)幅頻特性曲線(xiàn)
由圖4可以看到，經(jīng)過(guò)校正后，相對(duì)于校正前，低頻段的增益沒(méi)有大的變化，低頻段的斜率為-20db/dec，中頻帶占據(jù)較寬的頻帶，截止頻率為3khz，高頻帶的斜率為-20db/dec，對(duì)高頻信號(hào)有較大的衰減。經(jīng)過(guò)pi校正后，系統(tǒng)性能有很大的提高。
對(duì)提出的校正方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，采用pi電流控制對(duì)apf電流跟蹤進(jìn)行控制，pi參數(shù)為前面計(jì)算得到的校正參數(shù)，pi控制采用數(shù)字增量式算法。圖5(a)、(b)分別是給定諧波電流和apf跟蹤電流波形，圖6分別是它們的頻譜圖，附表列出了各次諧波的幅值及誤差。
圖5 pi控制給定諧波電流和apf輸出電流波形
圖6 pi控制給定諧波電流和apf輸出電流頻譜
從附表可以看出，通過(guò)電流預(yù)測(cè)控制apf對(duì)主要的幾次諧波（5次、7次、11次、13次）都能夠有較好的跟蹤，它們的誤差都在3%以?xún)?nèi)。
圖7是a相補(bǔ)償前和補(bǔ)償后電網(wǎng)電流的波形。
圖7 a相負(fù)載電流及補(bǔ)償后電源電流
從圖7和附表可以看出經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后a相電源輸出電流已經(jīng)是正弦波，通過(guò)pi電流控制后，apf取得了較好的效果。apf對(duì)負(fù)載中主要的幾次諧波電流都補(bǔ)償了，a相電源輸出電流的諧波總畸變率（thd）從補(bǔ)償前的30.32%下降到補(bǔ)償后的1.655%。
4 結(jié)束語(yǔ)
有源電力濾波器作為極具應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益的諧波抑制和無(wú)功電流補(bǔ)償裝置，得到了廣泛的關(guān)注和研究，它的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用特點(diǎn)使得其電流環(huán)控制和控制參數(shù)設(shè)計(jì)具有較高的難度。本文從并聯(lián)有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，對(duì)其開(kāi)環(huán)幅頻特性進(jìn)行分析，根據(jù)apf的補(bǔ)償對(duì)象和實(shí)際應(yīng)用情況，在電流環(huán)采用pi調(diào)節(jié)器時(shí)，校正方法和參數(shù)進(jìn)行了研究和仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該校正方法能取得較好的電流補(bǔ)償效果。
作者簡(jiǎn)介
吳勇（1970-） 男 副教授/博士研究方向：電力電子技術(shù)及應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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