一种有源滤波器的电流环双模控制

郑 峰，李 岚

（太原理工大学 电气与动力工程学院，山西 太原030024）

0 引 言

随着电力电子设备的日益普及，在电力系统中产生了大量的谐波，影响了电气设备的正常运行，使继电保护装置误动作，降低了电能的质量．因此，谐波污染成为一个急需解决的问题．传统的谐波抑制和无功补偿采用的是无源滤波技术，即由电力电容器等无源器件构成无源滤波器［1］．与传统的无源滤波器相比，有源滤波器能够对任意次谐波和无功同时进行补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小［2］，能够有效地降低电网的谐波含量．

有源滤波器需要实时、准确地检测谐波电流，并且对谐波电流进行准确跟踪．跟踪精度的高低和动态响应的快慢直接影响到有源滤波器的性能．因此，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键［3］．采用重复控制加单周期控制的复合控制方法，既保证了系统的稳态精度，又提高了系统的动态响应．

1 有源滤波器工作原理

在电网中由于非线性负载的存在，产生了大量的谐波，使得负载电流ila，ilb，ilc发生了畸变．有源滤波器的主要功能是检测出负载电流中的谐波电流并控制产生一个与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流ica，icb，icc，将其叠加到电网中将谐波电流抵消，使电网电流变成正弦波，从而达到抑制谐波的目的．

图1 三相三线制有源滤波器主电路模型Fig．1 Main circuit model of three－phase three－wire active power filter

谐波电流的计算是有源滤波器的一个重要部分，高精度、实时性的谐波检测方法是APF 高性能补偿的前提［4］．图2 是基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法．

图2 谐波电流计算原理图Fig．2 Schematic diagram of harmonic current computation

将三相负载电流ila，ilb，ilc经过三相到两相的变换和同步旋转坐标变换得到有功电流和无功电流ip，iq，经过低通滤波器LPF后得到有功电流和无功电流的直流分量，再经过旋转坐标反变换和两相到三相的变换得到基波电流ilaf，ilbf，ilcf．负载电流减去基波电流得到谐波电流ilah，ilbh，ilch．

2 电流环复合控制

有源滤波器的滤波效果很大程度上取决于其控制性能［5］．传统的重复控制是基于内模原理的一种控制方法［6］．重复控制理论上可以对任何周期性交变的参考信号实现无差控制，但是重复控制需要一个周期的延时，通常很难满足系统快速性的要求［7］．如果负载电流发生突变，至少在一个工频周期内无法对电流进行有效的跟踪．而单周期控制具有较快的动态响应，将重复控制和单周期控制相结合，提高了系统的动态响应．

单周期控制加重复控制的复合控制程序流程图如图3 所示．

图3 复合控制程序流程图Fig．3 Program flow chart of compound control

电流控制模块有两个主模块，一个是重复控制模块，一个是单周期控制模块．实时计算负载电流的一阶导数，判断负载电流是否发生了突变．

1）当｜i′L（k）｜＜5 428时，可以认为负载电流处于稳态，没有发生突变，采用重复控制控制电流环．

2）当｜i′L（k）｜≥5 428时，认为负载电流处于动态，发生了突变，采用单周期控制电流环．5 428是判断负载电流是否发生突变的临界值，取决于负载的特性和每个周期采样点的个数．

2．1 负载电流的变化率

对负载电流求导即可得到负载电流的变化率，负载电流的变化越大，电流变化率反应越迅速［8］．在实际中，计算负载电流变化率使用这一时刻的电流减去上一时刻的电流，除以两个采样点之间的时间间隔．即

负载电流变化率的波形如图4 所示．

图4 负载电流变化率Fig．4 Change rate of load current

2．2 单周期控制的实现

采用基于瞬时无功功率理论的单周期控制方法．单周期控制是一种非线性控制方法，其基本原理是通过调节开关的占空比，使开关变量在一个周期内的平均值等于或者正比于参考值［9－10］．单周期控制能在一个周期内消除稳态和瞬态误差，其参考值与输出值之间的延迟时间小，具有较好的动态响应［11－13］．

系统中的电流等于补偿电流与负载电流之和［14－15］

负载电流中包含基波电流和谐波电流

由于有源滤波器产生的补偿电流与谐波电流大小相等、方向相反，所以

将单周期控制的方程设定为

式中：Ts是开关周期；d 是开关占空比．

图5 是单周期控制的结构图，主要包括复位积分器、比较器、RS触发器和时钟［16－17］．时钟的频率为10kHz．输出信号经过驱动电路驱动主电路中的开关管．在每个时钟周期积分器对补偿电流ica从零开始积分，当ica的值等于谐波电流ilah时，RS触发器发生翻转，电路产生复位信号，积分器复位，直到下个时钟周期开始再重复上述过程［18］．

图5 单周期控制结构图Fig．5 Structure of one cycle control

3 仿真与实验结果

为了证明复合控制方法的正确性和有效性，在MATLAB／Simulink中搭建了基于重复控制加单周期控制的三相三线制有源滤波器模型，并对系统进行了仿真．系统模型参数设置为：三相电网电压的有效值为220V，频率为50Hz；非线性负载为三相不可控整流桥加阻感性负载，电阻8Ω，电感10mH；直流侧电容2 300μF，直流侧电压1 000V，滤波电感9mH，滤波电感等效电阻0．5Ω．

系统的负载在0．5s时发生突变，负载电阻由1 2Ω 变为8Ω．图6 是负载发生突变时的负载电流波形．图7 是补偿电流波形．图8 是补偿以后的系统电流波形．当负载发生突变时，重复控制至少在一个工频周期内无法对电流进行有效跟踪；而从图8 的系统电流波形可以看出，在负载发生突变后的一个工频周期内，系统能够恢复稳定状态，复合控制具有快速的动态响应．

为了进一步验证复合控制方法的正确性，构建了一台三相三线制并联型有源滤波器的实验装置．控制系统采用了32 位定点DSP 芯片TMS320F2812．主电路功率器件IPM 选用三菱公司生产的智能功率模块PM25RSK120．图9 为实验波形，负载电阻由10Ω 减小为5Ω．可以看到系统具有较快的动态响应．

图6 负载突变时的负载电流Fig．6 Load current for load changing

图7 负载突变时的补偿电流Fig．7 Compensation current for load changing

图8 负载突变补偿后电流Fig．8 Current after compensation for load changing

图9 复合控制系统负载突变动态波形Fig．9 Dynamic waveforms of compound control system for load changing

4 结 论

本文通过分析三相三线制有源滤波器的工作原理，建立了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法和重复控制加单周期控制的复合控制方法．在保证稳态精度的基础上，加快了系统的动态响应．仿真和实验结果表明：重复控制加单周期控制的复合控制方法既有较高的稳态精度又有较快的动态响应，具有实用价值．

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