基于瞬时无功功率理论的APF研究

张 芳，史晨虹，王志良，李广伟，王效亮，石连凯，刘志蕾

（1.北京精密机电控制设备研究所，北京 100076；2.中国铁道科学研究院，北京 100081；3.北京万兴建筑集团有限公司，北京 102600）

0 引言

电力电子装置是人类现代化生活中不可或缺的设备。电子开关设备为日常生活带来方便的同时，也在电网中引入了谐波源，造成了电网的污染。传统的LC调谐滤波器是滤除谐波的主要手段，但其补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，也和系统发生并联谐振，导致谐波放大。此外，传统的平均无功功率补偿法具有滞后大和运算复杂等缺点。有源电力滤波（APF）采用的瞬时无功功率补偿法巧妙的避开了传统算法的劣势，不仅实时性好而且减小了运算量，且可操作性强[1]。本文系统的介绍了有源电力滤波的方法。

1 系统工作原理

有源电力滤波，即通过测量分析获得电网中产生的谐波电流，以此作为指令信号，通过电子开关装置产生一个与谐波电流相同的信号来补偿电网，从而消除电网中的谐波电流，最终形成一个闭环补偿系统，使得电网电流稳定输出。如图1所示。

图1为APF的结构框图，图中Us和Is分别为电网电源和电网电流，IL和IC分别为负载电流和APF补偿电流。从图中可以看出APF主要由控制器、直流储能电容、三相逆变桥以及连接电抗器四部分组成。首先系统控制器通过测量负载电流获得谐波电流信号，直流储能电容作为系统的能源装置，三相逆变桥由开关器件组成，系统控制器就是通过控制三相逆变桥的开关器件以及连接电抗器的共同作用产生补偿电流，补偿电流汇入电网，提供给负载，从而达到谐波抑制的效果[6-8]。

图1 APF系统框图

2 控制器工作原理

2.1 控制器谐波检测算法

谐波电流的检测是系统工作的前提调节，其检测方法多种多样，有包括基于傅里叶变化的检测方法、基于小波变换的检测方法、基于卡尔曼滤波器的检测方法在内的频域谐波检测方法；有以模拟滤波器、理想谐波消除法、同步检测法等为代表的时域谐波检测技术；还有基于DQ轴傅里叶分析检测的方法、基于神经网络的检测方法以及基于自适应干扰消除技术的检测方法等其他检测方法[2-3，7-11]。

基于瞬时无功功率理论的检测方法在有源电力滤波器发展过程中具有里程碑意义，它使APF能够在实际中得以实现。传统的傅里叶变换检测方法需要一个周期的信号，实时性差；并且经过两次傅里叶变换，计算量大。瞬时无功功率理论使谐波及无功的实时检测成为可能，检测无功电流可以实现无延时；检测谐波电流由于低通滤波器的存在会存在一定时间延时，一般为1/6个周期，实时性很好。基波有功电流可通过图2所示矢量关系求得。

图2为电压和电流在d-q轴坐标系下的投影。图中u→为基波正序电压矢量，为基波正序电流矢量。为在d轴上的投影，为在q轴上的投影，同理为在d轴上的投影，为在q轴上的投影。为在上的投影，表示电流的有功分量。ipd为在d轴上的分量，表示在d轴的有功分量，同理ipd为在q轴上的分量，表示在q轴的有功分量。利用公式（1），对在d轴和q轴的有功分量进行d-q反变换，从而得到在a、b、c相的有功电流分量，分别为iya、iyb、iyc。

图2 电压和电流在d-q轴坐标系下的投影

利用公式（2），对电网三相输入电流ia、ib、ic与负载三相有功电流分量做差，即可得到三相补偿电流的参考指令

图3所示为控制器基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测原理框图。图中ua、ub、uc为电网的三相输入电压，和为ud、uq的直流分量，、为id、iq的直流分量；ω是电网基波角频率；Vdc为直流储能电容电压；是直流储能电容的参考电压。

锁相环锁住电网电压相角，三相输入电流和电压首先通过abc/dq变换到d-q坐标系下，id、iq和ud、uq通过低通滤波器LPF变为其直流分量、和、，在 d-q坐标系下得到电流在电压方向的投影，得到有功电流。有功电流经过dq/abc变换，变换为三相电流iya、iyb、iyc，与输入电流ia、ib、ic做差，即可得到谐波指令电流。

图3 APF控制系统结构图

2.2 直流电容稳压策略研究

直流储能电容是APF重要的元件之一，直流储能电容用于为APF直流侧提供电压支撑，直流电容稳压是APF的关键技术之一。由于直流电容电压与APF和电网间有功功率交换有关，即当APF向电网发出有功功率时，电容电压降低；当APF从电网吸收有功功率时，电容电压升高。所以为保证电容电压稳定，可将电容电压误差信号叠加到指令信号有功轴。如图3所示，将电容电压Vdc与指令信号做差后经过PI调节器加到控制信号有功轴，用以调节电容电压，保证直流电压稳定[7]。

2.3 控制策略研究

三角载波比较控制方法是一种常用方法，控制算法如图4所示。图中，为指令电流，ic为实际电流，将与ic作差即得到误差电流Δic，然后通过PI调节，再与三角载波进行比较，再加入限流环节，即可得到PWM信号，从而来控制三相逆变器开关器件的开关频率和占空比。这种闭环结构，可以使得电流误差最小，从而达到电流最大程度跟踪指令电流的目的。由于固定的三角波频率，使开关管有固定的开关频率，输出滤波电路易于设计、实现[3-4]。

3 系统仿真分析

目前，电力系统仿真软件的主流是EMTDC/PSCAD，可以通过此仿真环节建立基于瞬时无功功率理论的谐波检测的APF模型，通过输入表格1中的仿真参数得到了如图5、图6所示的仿真波形。其中图5为基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法得到的谐波电流，图6为APF输出的补偿电流。通过对比两图发现，此种方法快速性高、滞后性小、且计算准确，满足谐波补偿的需求。

图4 三角载波比较控制算法

表1 仿真参数

4 实验验证

根据表格1的仿真条件实际搭建了基于TMS320F28335的APF样机，其中控制器谐波电流检测方法正是采用了基于瞬时无功功率理论[5]，谐波电流采样频率10 kHz。实验结果如图7、8所示。

图5 谐波检测电流

图6 APF输出电流

图7 补偿前电网电流

从图8中可以看出，利用APF补偿后的电网电流谐波含量很小，证明基于瞬时无功功率补偿理论的有源电力滤波器具有快速性好和准确度高的优点[12]。

5 结论

通过仿真模型和实验验证的方法，得出结果满足预期要求。因此基于瞬时无功功率理论的APF不仅具有很好的操作性，而且滞后小、准确度高。

图8 补偿后电网电流

此方法有效的解决了电网污染问题，从而剔除了电子开关器件在日常生活普及中的障碍，可以进行广泛推广。

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