一种新型的有源电力滤波器直接功率控制方法

沈玲菲，危韧勇，徐保友，李志勇

（中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410083）

0 引言

有源电力滤波器(APF)，因其滤波特性好、体积小、应用灵活等优点，已经成为电力系统谐波抑制的研究热点和发展方向[1-2]。目前，对 APF的研究，主要集中在基于谐波电流或无功检测基础上优化控制[3-5]。近年来，直接以电源电流为控制对象的研究引起了学者的研究兴趣[6-7]。文献[8-9]指出了谐波及无功电流检测的不必要性。文献[10-11]从电流角度分析传统谐波及无功电流检测与直接电源电流控制的等效关系，并给出了相应的电流控制方法。

直接功率控制（Direct Power Control，DPC），具有控制简单、功率调节速度快等优点，适用于对动态性要求较高的APF中。文献[12]在APF中采用基于瞬时功率理论的直接功率控制，改善了APF的动态性能。文献[13]采用新型直接功率控制结构，采用动态滞环比较器和改进的开关表，兼顾了系统的稳定性和动态性。文献[14]将直流侧电压控制输出作为并联型APF的有功给定参考值，并改进了开关查表法。然而，以上控制都存在开关不定频的缺点，不利于滤波器的设计，而且采样频率要求较高。

APF直流侧电压的控制也是影响 APF补偿能力的关键问题。文献[15-16]给出了APF正常工作及其维持在线性调制范围的直流侧电压要求，并分析了直流侧电压与APF补偿能力的关系。文献[17]指出，直流侧电压的大小与APF系统的功率损耗以及补偿能力具有一定的关系，过高的直流侧电压会增加功率损耗，降低直流侧电压会减少补偿能力，二者之间折中考虑。

本文首先建立APF数学模型，提出了一种直接电源控制的APF定频直接功率控制策略，该方法对电源功率直接进行控制，由直流侧电压控制输出获得有功功率参考值，实现了APF快速的功率调节和谐波补偿的同时，省略了复杂的谐波电流检测和计算，并能固定开关频率。另外，分析了直流侧电压与系统功率损耗以及补偿能力的关系，提出了一种基于下垂控制的APF直流侧电压优化控制方法。利用下垂控制器获得 APF直流侧参考电压，平衡了APF功率损耗和补偿能力。最后，仿真验证了本文所提方法的正确性和可行性。

1 APF系统结构

并联型APF系统由电压源型逆变器和L输出滤波器组成，负载部分采用三相不可控PWM整流电路，系统结构如图1所示。其中：Lc为滤波器电感；us为电网电压； Udc为直流侧电压； is、 iL和 ic分别为电网电流、负载电流和补偿电流。

图1 APF系统结构Fig. 1 Structure diagram of APF

根据APF系统结构，得到从补偿环节输出侧到电网电源侧在dq坐标系下的数学模型为

式中，sdu 、squ 、sdi、sqi、vdu 和vqu 分别是dq坐标下的电源侧电压、电流以及补偿侧输出电压。

2 恒频直接功率控制

本文提出的基于直接电源控制的 APF直接功率控制系统，主要由直流侧电压控制环节和功率控制环节组成，系统结构如图2所示。

系统控制电源有功功率等于负载所需基波有功功率和补偿器损耗功率，使电源无功功率等于零，实现单位功率因数，省略了负载谐波电流检测和谐波功率控制环节。系统功率环采用基于PI+SVM的直接功率控制，实现有功和无功的解耦设计，使控制简单，保证了开关频率的恒定。同时为实现APF功率损耗和补偿性能之间的平衡，直流侧电压采用下垂调节控制获得其参考值。

图2 直接电源功率控制的APF恒频直接功率控制Fig. 2 Control diagram of APF constant frequency DPC with source power control

2.1 APF的DPC-SVM控制原理

基于瞬时无功功率理论，在αβ坐标系下，电源瞬时有功和瞬时无功定义为

式中，sαu、sβu、sαi和sβi分别是电源两相静止坐标系下的电压和电流分量。上式实现αβ/dq坐标转换，可得

式(1)两端乘以sdu ，可得

设dq坐标系的初始角度和a相初始角度相等，有 usq=0，由式(3)、式(4)可得

2.2 功率控制环设计

功率控制器采用PI控制，由式(5)得到

式中，pK、iK为PI调节器的比例系数和积分系数。结合式(5)和式(6)可得

式(7)基于前馈控制策略的方法实现了电源有功和无功的解耦，对应的控制策略如图3所示。

图3 功率控制策略框图Fig. 3 Block diagram of power control

若把sdu 看作扰动，PI调节器可以补偿掉该部分，那么可以获得简化的有功功率控制框图，如图4所示。

图4 有功功率控制框图Fig. 4 Block diagram of active power control

由图4可以获得内环传递函数，按照典型Ⅱ型系统可以获得有功功率PI调节器的参数pK 和iK，同理可以获得无功功率的PI参数。

3 直流侧电压控制优化

3.1 直流侧电压与功率损耗、补偿能力的关系

有源电力滤波器的功率损耗，主要包括 PWM逆变器开关器件损耗和输出电感的磁滞损耗、铜耗等两方面。在这些损耗中，IGBT的开关损耗和二极管反向恢复损耗比重较大。所以，在开关频率固定、APF输出电流固定的情况下，APF的功率损耗随直流侧电压的升高而增加，随直流侧电压的降低而减少。

文献[18]提出AFP直流侧电压值大于电网线电压峰值是其正常工作的前提。而有源电力滤波器输出电流的各次谐波分量是由PWM逆变器输出电压Uinv的各次谐波分量和电网电压决定的。定义PWM逆变器幅度调制比M为，即

其中

常见的三相不可控整流阻感负载电流中只含6 1n± 次正负序谐波分量。考虑在非线性负载最恶劣的情况下所需的最大逆变器输出电压invMU ，需要满足为假设APF工作时保证M恒定在最大值，综合上述可得

又

从上述可以看出，UΔ决定了APF谐波补偿能力，而且谐波次数越高，所需要的PWM逆变器输出的谐波电压分量越高。

在线性调制范围内，直流侧电压的升高，可以提高APF的补偿能力；直流侧电压的降低，会降低APF的补偿能力。实际的电网电压会在较长的时间内有90%~110%的波动，电网电压的降低可以提高APF的补偿能力，电网电压升高反而降低APF的补偿能力。

3.2 下垂控制

为实现APF功率损耗和补偿能力的平衡，本文采用下垂控制器实现直流侧电压优化控制。电网电压波动或非线性负载变化时，在保证APF补偿能力前提下，有效降低APF的低功率损耗。

由前面分析可知，在电源电压较高或者非线性负载增多时，需要提高直流侧电压值，保证APF的谐波补偿性能；在电源电压较低或者非线性负载减少时，降低直流侧电压值，减少APF的功率损耗。根据式(10)和考虑电源电压升高和非线性负载增多同时出现的情况，取一定的裕量，综合可得直流侧下垂控制器为

根据式（11）、式（12），综合电源±10%的波动范围，可以得到直流侧下垂控制器的曲线，如图5，直流侧参考电压值范围为662~770 V。

图5 下垂控制器的直流侧电压参考值曲线Fig. 5 Reference value of DC link voltage by the drop regulator

APF直流侧下垂控制器控制策略如图6所示，abc / dq变换后的电网的电压和电流经过下垂控制器获得参考电压 Ur*ef，PI调节器的输出与 Udc相乘获得电源有功功率的参考值 ps*。

图6 APF直流侧下垂控制器控制策略Fig. 6 Block diagram of DC link voltage control by the drop regulator

4 仿真分析

为了验证上述理论的正确性和可行性，在Matlab/Simulink中搭建基于电源功率控制的APF恒频直接功率控制系统仿真模型。系统参数为：电网电压 Us= 2 20V，电网频率 f = 5 0Hz；采用整流型RL负载两组， R1= 2 0Ω、 L1= 2 mH；直流侧电容Cdc= 1 100μF，直流侧电压 Udc= 7 00V，滤波电感Lc= 3 mH，等效电阻 Rc= 0 .01Ω；开关频率fs= 1 0kHz； Kp= 1 .26， Ki= 5 0。设置系统在0.04 s处，把APF投入系统。

图7(a)为直接电源功率控制的APF不定频与定频直接功率控制下，系统在投入APF前后的电源电流波形。图7(b)为恒频直接功率控制下，电源系统有功和无功功率波形图。

图7 直接电源功率控制的APF直接功率控制波形图Fig. 7 Waveform block of APF DPC with source power control

由图可以看出，补偿后，系统电源电流波形有很大的改善。补偿前，电源电流的THD高达26.6%，图 8(a)所示。相比不定频直接功率控制，定频直接功率控制策略可以获得更佳的电源电流波形，总畸变率仅为2.63%，图8(b)所示。同时，系统电源有功和无功功率波动得到了很好的抑制，提高了系统的稳态性能。

图8 APF补偿前后电流总畸变率Fig. 8 Current waveform THD of APF

图9为采用下垂控制的直流侧电压控制波形。设定在0.3 s前，直流侧电压调节到662 V；0.3 ~0.6 s APF工作在额定电压值下，电压给定值调节为700 V；在0.6 s另一组非线性负载投入到系统中，同时电源电压值升高到为242 V，直流侧电压 Ur*ef被调节到770 V。

图9 直流侧电压下垂控制器电压波形Fig. 9 Waveform block of DC link voltage with the droop controller

表1给出了不同情况下APF的性能表。

表1 APF补偿性能与损耗分析表Table 1 Compensation performance and power losses analysis of APF

可以看出采用下垂控制器，在电源电流或电源电压升高时，可以提升直流侧电压来提高APF的补偿能力；在负载减少或电源电压降低时，可以降低直流侧电压给定，降低系统损耗。

5 结论

本文通过对基于直接电源控制的 APF恒频直接功率控制系统的理论研究和仿真分析，得出以下结论：

（1）提出基于直接电源控制的恒频直接功率控制方法，一方面省去了谐波电流检测环节，提高了控制可靠性，降低了成本。另一方面保证了开关频率的恒定，获得了良好的谐波及无功补偿效果。

（2）APF的功率损耗和谐波及无功补偿性能都是随直流侧电压升高而升高，随直流侧电压降低而降低，电源电压波动或负载电流变化时，采用下垂控制器获得直流侧电压控制参考值，能够综合平衡APF的功率损耗和补偿性能。

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