采用复合控制方式的串联型电力有源滤波器

姚为正　王群　刘进军　王兆安
西安交通大学

1　引言

电力有源滤波器(Active Power Filter,—APF)是抑制电网谐波的一种有效手段^［1～2］。而其中的串联型APF适合补偿电压型谐波源(负载)。变频器、开关电源、UPS和电子镇流器等装置，由于直流侧有大电容滤波的整流电路，都属于电压型谐波源。随着这类装置的应用日益普及，容量日益增大，它们对电网所产生的谐波污染越来越引起人们的重视。所以，研究如何采用串联型APF来更有效地抑制电压型谐波源注入电网的谐波电流有着十分重要的意义。
串联型APF的系统结构如图1所示。其主电路可以由电力MOSFET构成的三相桥式电压源型PWM逆变器组成。APF通过补偿变压器T被串联在电源和作为谐波源的带有大电容的三相二极管桥式整流电路之间，所以称为串联型APF^{［1］［3］}。其中L_r和C_r用来抑制逆变器产生的高频开关脉动。

图1　串联型APF的系统构成

目前，用于串联型APF的控制方式主要有两种，一种是检测电源电流控制方式，另一种是检测负载电压控制方式。图2给出了采用电源电流检测控制方式的串联型APF等效电路。其中Z_S是电源等效阻抗，u_s代表电源电压，u_Lf和u_Lh分别是负载电压的基波和谐波分量，i_sf和i_sh分别为电源电流的基波和谐波分量。工作时，串联型APF相当于受控电压源，可以控制APF产生一个k倍于流过它的谐波电流的谐波电压u_c。因此，APF对谐波来讲可等效视为阻值是k的电阻，而对基波来讲，其阻值k为零。对流入电源的第n次谐波电流，有

图2　串联型APF等效电路及原理(检测电源谐波电流)

(1)

可见，当k足够大时，≈0。于是i_s=i_sf，即为不含谐波的正弦电流。其优点在于将电流引入闭环控制。它不仅能补偿u_Lf产生的i_s畸变，而且能补偿u_s畸变引起的i_s畸变。但是其补偿效果取决于k的大小，k越大，补偿效果越好。为了保证控制系统的稳定，k不能取得过大。这是该控制方式的不足之处。
图3给出了采用负载电压检测控制方式的串联型APF的单相等效电路图。从图中可以看出，如果u_c=-u_Lh，则n次谐波电流为

图3　串联型APF等效电路及原理(检测负载谐波电压)

(2)

当u_s没有畸变时，=0，即i_s中不含有谐波成分，从而达到谐波补偿的目的。对电流而言，该控制方式属开环控制，因此，不存在稳定性问题。另外，直接检测u_L，其补偿效果只取决于谐波电压的检测精度和PWM逆变器的控制精度，不象第一种控制方式，补偿效果与k值的大小有关。所以，该控制方式的补偿效果应该比第一种控制方式好。但它存在着开环控制的一些缺点，特别是不能补偿由于u_s畸变所产生的电源电流谐波。
本文提出了一种用于串联型APF的新的控制方式—复合控制方式。它是检测电源电流和负载电压两种控制方式的结合。串联型APF的指令信号通过同时检测电源电流和负载电压得到。复合控制方式既具有以上两种控制方式的优点，又能克服它们各自的缺点，因此，将该控制方式用于串联型APF时，能获得更好的谐波补偿效果。

2　复合控制方式的工作原理

复合控制方式就是把检测i_s和u_L这两种控制方式结合在一起所得到的一种控制方式。图4给出了采用它的串联型APF的等效电路。工作时，控制串联型APF的输出u_c，使u_c=u_c1+u_c2，其中：u_c1=ki_sh,u_c2=-u_Lh。于是

图4　串联型APF等效电路及原理(复合控制方式)

(3)
(4)

可见，在u_c2的作用下，并且当k足够大时，≈0。式(4)与式(1)相比，的分子多了一个u_c2=-u_Lh项；同式(2)相比，的分母中多一个k项。采用复合控制方式时，在u_c2和k的共同作用下，i_s中所含的谐波分量会更小。
实际上在复合控制方式中，主要由补偿电压u_c中的u_c2分量来补偿负载谐波电压，剩余未能补偿的部分(如果还存在)与u_s的畸变部分一起，由u_c中的u_c1分量来补偿。由于将i_sh引入闭环控制，因此，复合控制方式既有检测i_s控制方式的优点，又克服了检测u_L控制方式的不足。复合控制方式在谐波补偿过程中是以u_c2为主，而以u_c1为辅，因此，它在保持检测电压控制方式优点的同时，能将k值取得较小一些，避免使系统进入不稳定区域，从而克服了检测电流控制方式的缺点。

3　复合控制方式的实现

3.1　指令电压的计算
根据上面的分析，采用复合控制方式的串联型APF的输出指令电压应为

u^*_c=ki_sh-u_Lh(5)

它同时对i_s和负载电压u_L进行检测。i_sh可直接采用瞬时无功功率理论获得^［4］。
设三相电源瞬时电流分别为i_su、i_sv和i_sw，通过坐标变换可得瞬时有功电流i_p和瞬时无功电流i_q分别为

(6)

其中，C₃₂是三相到两相的坐标变换阵^［4］。当i_su、i_sv和i_sw不对称或含有谐波时，i_p和i_q中的直流分量_p和_q分别与三相电流的正序基波有功和无功分量相对应，而它们中的交流分量分别与三相电流的谐波或不对称分量相对应。用低通滤波器就能获得_p和_q。再经与式(6)相反的变换，便得到i_su、i_sv和i_sw的基波分量i_suf、i_svf和i_swf为

(7)

这里，C₂₃是两相到三相的坐标变换阵，而C^-1_pq是C_pq的逆矩阵。于是，i_s的谐波分量为

(8)

参照电源电流检测方法，对瞬时无功功率理论进行扩展，同样可以得到负载电压检测方法。将三相负载瞬时电压u_Lu、u_Lv、u_Lw和电流i_Lu、i_Lv、i_Lw分别变换到两相α、β坐标系中(3-2变换)，从而得到两相瞬时电压u_α、u_β和两相瞬时电流i_α、i_β。然后在α、β平面上把_α、_β合成为,_α、_β合成为。设u_p是在方向上的投影，u_q为在与垂直方向上的投影。利用对偶原理可得：

(9)

当u_Lu、u_Lv和u_Lw不对称或含有谐波时，u_p和u_q中的直流分量_p和_q分别与三相负载电压的正序基波分量相对应

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