基于模拟电路的有源电力滤波器研制

1、基于前馈控制有源电力滤波器研制唐欣i，涂春鸣2（i.长沙理工大学电气与信息工程学院；2.湖南大学电气与信息工程学院）摘要：提出了一种有源滤波器的前馈控制策略对电网电流和逆变器直流侧电压进行了双闭环控制。 基于开关平均模型设计了前馈控制器和电流控制器，并建立了功率模型对电压控制器进行了设计。 由于电网电压在系统启动时会产生很大冲击电流，通过引入前馈控制有效地降低了作为扰动的电网 电压和直流电压对被控电流的影响，提高了系统的动态性能，同时，利用直流电压控制环直接获取 电流参考信号对电网电流进行控制，简化了控制算法。此外，本文方法无需检测负载电流和逆变器 输出电流，且无需锁相环电路，降低了有源滤波器

2、的成本，有利于工程应用。本文利于模拟器件实 现控制电路进行了实验研究，实验结果证明了本文方法的可行性。， 关键词：有源滤波器，前馈控制，模拟器件 屮图分类号：tm921development of a single-phase active filter using analogue controllertang xin1, tu chunming2（1. college of electrical engineering, changsha university of science and technology；2. college of electrical engineering, h

3、unan university）abstract: a simple control strategy for active power filter is proposed in order to control the supply current and dc voltage of the inverte匚 based on state-space averaging model the feed-forward controller and the current controller are designed. furthermore, the voltage controller

4、is designed by modeling the power model. the feed-forward controller can effectively reduce the effect of the supply voltage, and then improve the dynamic characteristics of the system. the current reference signal is directly obtained from the voltage control loop and the sensors for detecting the

5、load current or the output current are not necessary. as a result, the control circuit is simple and easy for engineering implementation. analog devices based the control circuit was developed and the experiment results demonstrated the effectiveness of the proposed methodkeywords: active filter, fe

6、ed-forward control, analogue device1.引言随着电力电子技术的发展及其在工业的广泛应用，电网的污染日趋严重。传统的无源滤波器rti 于存在滤波效果不够理想和易与电网发生谐振等缺点，正逐步被有源电力滤波器所取代山。有源电力滤波器的基木原理是产生与负载谐波电流（电压）方向相反而幅值相等的谐波电流（电 压）去消除电网屮的有害谐波。这就要求对有源滤波器的控制具有较好的跟踪性和实时性，大暈的 文献进行了相关的研究工作。在输出电流控制参考信号获取方法研究方面，fft检测方法能检测出 各次谐波的幅值和相位，但其计算暈和延时比较大；神经网络检测方法需要大量的时间来训练样国家自

7、然科学基金项冃(50907019)project supported by national natural science foundation(50907019)本，它也难以满足实时的要求。基于自适应对消原理的谐波检测法的自适应能力很好，能较好地跟 踪检测且精度较高，缺点是动态响应较慢；基于瞬时无功功率理论的检测算法可以分别检测谐波 和无功功率，但其算法相对比较复杂经验模式分解方法虽然在一定程度上降低了检测算法的 复杂度，但其计算量仍然相对比较大。在电流跟踪控制方法研究方面，采用滞环控制可以获得良好 的动态跟踪性能，但存在控制精度不高和开关频率变化的缺点i®；文献1112对滞环控

8、制做了改 进工作，提高了其控制性能，但增大了控制算法的复杂度；滑模变结构控制i具有良好的快速性， 但其存在稳态误差不可消除的缺点；无差拍控制i可快速预测谐波电流的变化趋势、易于计算机执 行，但对预测模型的依赖性较大、因算法复杂导致预测周期增大进而引起较大的预测误差最终影响 补偿效果；文献15161提出了采用广义积分器对各次谐波分别积分，从而消除稳态误差，但增大了 计算量，降低控制的实时性。总的来说，这些方法的算法比较复杂、应用成本高。为减小控制算法的复杂度和降低控制电路成本，本文提出了一种有源电力滤波器的简单控制策 略。这种控制策略以电流环为内环和电压环为外环分别对电网电流和逆变器的直流侧电压

9、进行控 制，利用开关平均模型设计控制器，并引入电压前馈补偿消除电网电压和直流电压对输出电流的影 响。2. 系统描述图1为单相有源电力滤波器的结构图，图屮匚、和心分别为负载电流、电网电流和 滤波电流，us(r)和他分别是电网电压和直流支撑电压，厶为滤波电感。采用开关平均法可建 立系统的动态数学模型为：(1)式中，d(/)为占空比。l if =2d(t) -1% + % c；c("=i_2da).a)3. 电流环控制3. 1电流环描述由式(1)可知，如杲直流电压他能很好的控制为"c，则滤波电流可近似为l if =2ucd(t) - uc (z) + us (r)由此可以画出电流

10、控制框图如图2所示，图中,；(/)为电网电流控制参考信号，g“($)为电流控制 器。图2电流控制框图fig. 2 current control loop为消除电网电压和直流电压的影响，本文引入了前馈控制器，其传动函数为(3)电流控制器采用传统的pi算法，其算式为(4)本文利用电网电压产生电网电流有功分量的正弦因子，再将正弦因子与电压控制器的输出相 乘，得到期望的电网有功电流，；(/),因而心是与电网电压同频同相的正弦量，其周期为20ms, 因此，电流控制器参数设计显得尤其重要。3.2电流控制器参数设计由图2可知，电网电流对其控制参考信号的传递函数为(5)g (s)=【sg)- 2uc(kp&

11、#176;s + kg)°_ i；(5)_ ls，duckpos + s由于2；是一个周期为20ms的周期量，因此要求闭环传递函数有一定的带宽,使得电流环对5()hz 的参考信号有很好的带通特性。由式(5)可知，电流环的特征方程为(6)g) = ls2 + 2uckp()s + 2uckiq© =加2或=l设计电流环的无阻尼口然频率©为工频九的m倍，得到(7)因而得到电流环的阻尼率乙由下式确定:(9)设计电流环临界阻尼，即乞=1,可得(10)4. 电压环控制4.1电压环描述本文基于有功平衡理论对逆变器直流侧电压进行了控制，其控制框图如图3所示，图中。为常 系数，g

12、cu(5)为电压控制器。电压环的工作原理是当apf启动时，直流侧电容电压 % 低于 其设定值；(/),；(/)比较大，从而控制(/)包含有多余的有功电流成分，而对直流侧电容充电，导致电压uc(t)上升。当直流电压达到期望的电压稳定时，期望的电网有功电流(；屮仅包 含了负载电流匚(/)的有功分量和逆变器的功耗电流，否则直流电压会变化。图3逆变器直流侧电压控制梅图fig. 3 dc voltage control loop本文采用传统pi控制器作为电圧环控制器对直流电压进行跟踪控制，其算式为g。© 一 kp +s(11)4.2电压控制器参数设计根据能量守恒原理，可以得到：ps =仇 +

13、pf(12)式中，ps、乙和巴分别为电网输出的有功功率、负载吸收的有功功率和并网逆变系统吸收的 有功功率。假若电流环能很好的控制必跟踪is，贝u is (/) = i； (/) = m/s(r)vv(z)进而求得：ps=usis=(t)us2 式中，us和厶分别为电网电压和电流的有效值。忽略逆变器的损耗，直流电容c的电压变化市逆变器吸收的有功功率休.确定: 肱(t)dt = 1 c(uc +(o)2 cuc2对上式求laplace变换，并忽略"(/)的影响可得：awc (5) = pe(s)/ scuc(13)(14)(15)(16)因此可以画出直流电圧uc(t)的增量控制框图如图4

14、所示，图中g“(q = l/scuc opw、图4 aucd)的控制框图fig.4 block diagram of dc voltage increment controlrti图4可得到电压环的特征方程为(s) = cucs2 + au s' k ps + au s' k iw(f)为减小直流电压受到电网电压和负载电流的影响取电压环的自然频率为电网工频九的1/n,从而可以求得5f$cucn2aus2(17)得到:(18)(19)电压环的阻尼率满足:cuc取电压环临界阻尼，即佥=1,得gcu cnaus2(21)5. 实验装置为验证所提岀的方法，本文研制了一台实验样机。逆变桥

15、采用三菱公司的ipm模块构建，模块 型号为pm15csj060；滤波电感和直流电容分别为50() uh和470uf；逆变器直流侧电压和开关频 率分别被设置为400v和20khz；参数0取().01使得aus (r)的最大值约为3.11v (电网供电电压为 220v),保证了乘法器的输出不容易饱和；参数m取为3,得到电流环控制器参数kp°和kg分别 为0.0012和0.56；参数n取10,得到电压环控制器参数心】和k”分别为().017和0.27。此外， 电网供电电压和频率分别为220v和50hz；谐波源为二极管整流桥带阻容负载。控制电路的电路图 如图5所示。图5控制电路的电路图fig

16、. 5 control circuit6实验结果图6给出了滤波前电网电流的波形、频谱、 波前电网电流畸变严重，总畸变率达到61.8%, 源滤波器滤波后稳态时电网电流的波形、频谱、 总畸变率和负载的功率因数，从图中可以看出，滤 功率因数只有0.77o图7给出了采用本文方法的有 总畸变率和负载的功率因数，从图屮可以看出，电网电流的各次谐波得到了有效滤除，总畸变率只有6.6%,功率因数提高到0.99。图8给出了未引入 前馈控制的有源滤波器的动态响应的波形，通道1为直流电压的波形，通道2为电网电流的波形， 从图屮可以看出有源滤波器投入时会产生较大的冲击电流。图9给出了引入前馈控制的有源滤波器 的动态响

17、应的波形，通道1为直流电压的波形，通道2为电网电流的波形，从图中可以看出有源滤波器投入时冲击电流比较小。prnt u0autorhs78.6 1.54 a50.0 hz0° 1 1prnt u0 autorhs50.0hz1.97 a(a)电流的波形100nr50150r 13 5 7 9 11 13prnt u0range577182910 -11 .4.0.blnjautoa rmsa pka dc久thd-rcfprnt u0autol.lrange0.31 kw 102k0.40kufl0.77pf1 00dpf0.00 » (b)电流的频谱(d)负载的功率因数(c

18、)电流的总畸变率图6滤波前电网电流的波形、频谱、总畸变率和负载的功率因数fig. 6 waveform, spectrum and thd of supply current and power factor of load without active filterprnt u0 fiutorns50.0hz1.89 a(a)电流的波形prnt u0 fiutorns田82 1.92 a50.0 hz4° 1 1prnt u0 autorange 1 . 535 2.88 -0.016.6 人 1.49arms 厂1dc%thd-rcf(c)电流的总畸变率(b)电流的频谱prnt

19、u0fiutorange 0.39 kw 11k 0.40kufl0.99pf0 99dpf人 0.05 ad (d)负载的功率因数图7采用本文方法有源滤波器滤波后电网电流的波形、频谱、总畸变率和负载的功率因数fig. 7 waveform, spectrum and thd of supply current and power factor of load with active filter using proposed controller20ms5ks/s stp d： 800 ps smplsv i v i * iv iv >:sweep: trig typeedge chi

20、coupl i ng朮l$gpgf pos1 ®.彳血0qtr iggerub00mu 飯曲诡 02.0 v 1.9 u rutffl+ -100t> program：0ff图8未引入前馈控制的有源滤波器的动态波形(通道1：直流电压，通道2：电网电流)fig.8 dynamic response waveform of active filter without feedforward controller (channel 1: dc voltage, channel 2: supplycurre m)20ms 5ks/s stp d： 800 ps smpl s:vivi*

21、iviv>i： sweep疗auto1. i. 1. i. 1. .1. 1. i. 1. i .img.t.y.p.ei sourcechif acedgeslopepos®r i ggerub00mu ®500mv 02.0 v 1.9 u autffl+乞 -10肌 program：off图9引入前馈控制的有源滤波器的动态波形(通道1：直流电压，通道2：电网电流)fig.9 dynamic response waveform of active filter with feedforward controller (channel 1: dc voltage,

22、channel 2: supplycurrent)6结论本文研制了一台低成本的有源滤波器，实现谐波和无功同时补偿。采用开关平均法对开关频率 较高的逆变器进行建模和分析，引入前馈控制降低了电网电压和直流电压对被控电流的影响，抑制 了电网电压在系统启动时产生的冲击电流，利用对直流电压的控制，无需复杂的数学运算直接获得 被控电流的参考信号，简化了控制算法，同时省掉了负载电流的检测电路和锁相环电路。参考文献1j singh, b,ai-haddad, k., and chandra, a. a review of active power filters for power quality impro

23、vementjj. ieee trans. ind. electron., 1999, 46, (5), pp. 960-9712 grady w m, samotyj m j, noyola a h. survey of active line conditioning methodologiesjj. ieee trans, on power delivery,! 990,5(3)： 1536-15423 曲轶龙，谭伟璞，马査，等.一种模糊变步长自适应谐波检测算法j电力系统自动化,200& 32(23):42-46. qu yilong, tan weipu, ma yao. an

24、 adaptive harmonic detection method using fuzzy lms algorithm jautomation of electric power systems, 200&32(23):42-464 李乔，吴捷.自适应谐波电流检测方法用于有源电力滤波器的仿真研究.电工技术学报,2004 ,19 (12) :86290. li qiao , wu jie. simulation study of adaptive harmonic current detection method for active power filters transactio

25、ns of china electro-technical society , 2004,19(12): 86-90.15赵伟，罗安，曹一家，于力.三和-两相牵引变电所用无功动态补偿与谐波治理混合系统的研究卩.中国电机 工程学报,2009,29(28):107-113. zhao wei, luo an, cao yi-jia, yu li. hybrid var and harmonic dynamic compensator and application to three-two phase traction substation j proceedings of the csee, 2

26、009,29(28):107-113.6 周柯，罗安，夏向阳一种改进的ipiq谐波检测方法及数字低通滤波器的优化设计j.中国电机工程学报， 2007, 27(34)： 96-101.hou ke, luo an, xia xiang-yang. an improved ip-iq hiirmonic current detecting method and digital low-pass filter's optimized designj proceedings of the csee, 2007, 27(34)： 96-101.7 付青，杨耕，郭希铮.考虑电源电压畸变时的有源电力

27、滤波器控制方法j.电工技术学报，2006, 21(3)： 47-51. fu qing, yang geng, guo xizheng control method for active power filter considering harmonic voltage in power sourcej transactions of china electrotechnical society» 2006, 21(3)： 47-518 fazal ahmed talukdar, sumana choudburl, sujit k biswas. aninstantaneous th

28、ree-phase four-wire shunt active filter strategy j. proceedings of ieee power electronics and drive systems» 2001, 2： 835-8409 杨晓萍，刘普森，钟彦儒.基于经验模式分解的有源滤波器谐波检测j.电工技术学报，2009, 24(5)： 197-201. yang xiaoping, liu pusen. zhong yanru harmonic detection of active power filter based on empirical mocie de

29、composition. transactions of china electrotechnical society, 2009, 24(5)： 197-201.10 malesani, l.; mattavelli, r; tornasin, p. high-performance hysteresis modulation technique for active filtersjj. power electronics, ieee transactions on. volume 12, issue 5, sept. 1997 page(s):876 - 88411 曾江，刘艳，叶小军，

30、等有源滤波器的低损耗滞环电流控制方法j.电网技术，2010,34(1):73-78. zengjiang,liu yan,ye xiao-jun. a novel hysteresis current control method for active power filter with low switching loss j.power system technology, 2010,34(1):73-78.12 周柯，罗安，唐杰，夏向阳.有源滤波器电流跟踪控制的一种新方法j电力系统自动化j ,2006,(01):6()-63. zhou ke, luo an, tang jie, xia xiang-yang. new method for current tracking control of active power filterj. automation of electric power systems, 2006,(01):60-6313 邓占锋，朱东起，姜新建.基于滑模控制的