并联有源电力滤波器三角载波与滞环比较控制策略的综合比较与仿真分析

1、J-Jn 上Lr MLJJ l£IB并联有源电力滤波器三角载波与滞环比较控制策略的综合比较与仿真分析徐会亮，孟婧，吴红春重庆大学电气工程学院高电压与电工新技术教育部重点实验室，重庆（400030）E-mail: ammire摘 要：本文阐述了有源电力滤波器的工作原理，针对并联有源电力滤波器的特点，着重分析了单相有源电力滤波器的工作过程，在基于瞬时无功理论谐波电流检测的基础上，比较了三角载波与滞环比较控制策略的工作原理及优缺点，并进行了仿真，仿真过程与结果有效地为电流控制提供了参考和依据。关键词：有源电力滤波器，瞬时无功，控制策略，三角载波，滞环比较1引言近年来，由电网非线性负荷引起的

2、谐波问题日益受到重视，而有源电力滤波器与传统的无源滤波器相比，具有可以同时实现谐波和无功实现动态补偿，响应快；受电网阻抗影响小，不容易与电网阻抗发生谐振； 跟踪电网频率变化，补偿性能不受电网频率变化的影响等优点， 因此采用有源电力滤波器已成为谐波补偿的一种重要趋势1-3。2并联有源电力滤波器组成及其电路的工作原理并联有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路； 而补偿电流发生电路主要由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。如图1所示:Fig.1 Principle circuit drawing of single-phase shunt active po

3、wer filter并联型APF的指令电流检测电路可以从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电 流，然后将其反相后产生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路根据主电路产生的补偿电流应跟踪指令信号的原则，计算出主电路各开关器件的触发脉冲， 此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流。这样使电网电流中只含有基波的有功分量， 从而达到消除谐波与无功补偿的目的。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。从上述原理可以看出，有源电力滤波器对包含谐波和无功分量的电网进行矫正”的方式类似于自适应滤波技术中的干扰抵消器”5。因此，有源电力滤波器具有响应速度快，对

4、变化的任意次谐波和无功功率都能实施动态补偿，并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小等特点。3基于瞬时无功理论的谐波电流检测指令电流的准确检测和补偿电流的产生是有源电力滤波器的两个关键技术，会直接影响到APF的补偿性能。已有多种方法用于电流检测6-10，其中瞬时无功功率理论被认为是一种 非常有效的检测方法，它可以十分方便地检测出瞬时基波电流、瞬时谐波电流、瞬时非基波电流、瞬时有功电流、瞬时基波有功电流、瞬时零序电流、瞬时正序电流、瞬时负序电流等 及其任意组合的指令电流。鉴于p- q法在检测电网电压畸变时的谐波电流会存在较大误差，而ip - iq法可以在系统电压畸变和不对称时也适用，因此本文采用ip

5、-iq法来检测并联型 apf的瞬时谐波指令电流。ip-iq检测法的原理图如图 2所示，图2中ia，ib，ic为三相三线制电路的各相电流瞬 时值；Ua为a相的电压瞬时值；iaf， ibf， icf为基波电流；iah， ibh， ich为谐波电流；lpf 为低通滤波器；信号发生器为正、余弦发生电路；PLL（ Phase Lock-Loop ）为锁相环电路；可一 PLL 图2 ip - iq检测法原理框图Fig.2 Principle drawing of current detecting based on i p - iq其中,C32 =?1 = 23?刃-1 2<3 212 ?-.3 2

6、?（1）C23=C32（2）? sinwt-coswt ?C =?9（3）? coswt-sin wt ?在该方法中之所以设置了锁相环电路和信号发生电路是为了获得与a相电压相位相同的正弦信号sinwt和余弦信号-coswt，从而生成变换矩阵C。根据定义可以计算出ip和iq，经lpf滤波以后就得出了 ip、iq的直流分量 匸、这里叮、是由iaf、ibf、icf产 生的，因此根据、匚的值便可以计算出iaf、ibf、icf，进而可以计算出iah、ibh、ich，当 要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图2中计算iq的通道即可。该方法可以正确地检测出基波正序分量，进而可正确地检测出谐波和基波负序电流之

7、和。本论文基于PSIM软件实现了单相ip-iq法检测谐波电流，其仿真电路及结果如图3、图4所示：图3单相ip-iq检测电路图Fig. 3 Current detecting circuit based on single-phase ip - iq图4负载电流及检测岀的基波与谐波电流Fig.4 Load current and fundamental wave current as harmonic current detected由图4可见，该方法正确地检测出了基波电流，为控制过程提供了依据。4并联有源电力滤波器的控制策略4.1三角载波控制三角载波线性控制是一种由瞬时值比较法衍生出的一种线性

8、控制方法它以检测环节得到的电流实际值与参考值之间的差值来产生相应的控制信号，然后将控制信号与高频三角载波相比较，所得到的脉冲矩阵作为逆变器各开关器件所需的控制信号，从而在逆变器输出端得到所需的波形11，工作过程如图5所示：-4 -II9IJ-Jn 上Lr M图5三角载波电流控PWM万法图drawing of Triangle-wave pulse width modulation current controlic*?iFig.5 Principle图6是建立的基于三角载波控制策略控制逆变电路来产生补偿电流的仿真模块（整流 电路输入侧所加小电感为0.1mh;三角波频率为10KHz）：-5 -I

9、I9IJ-Jn 上Lr M-# -II9IJ-Jn 上Lr M图6三角载波控制下的APF电路Fig.6 Current circuit of APF under Triangle-wave current control各部分的检测结果如图 7、8、9所示:ihTime 点）图7检测岀的谐波电流（已反相）与三角载波控制产生的补偿电流-# -II9IJ-Jn 上Lr MFig.7 Harmoniccurrent detected and compensated current under Triangle-wave current controlAI'1NV A； /x A'、V

10、： X/；V：； V40 000.00-20.0040.0040,0020.00O CC20 DC40.CCODO "血 0.04 DMD.馆0.10Time 倒图8检测岀的基波电流与三角载波控制补偿之后的电网侧电流Fig.8 Fundamental wave current detected and network current compensated under Triangle-wave current controlfII1,20a.oo0.000.300.000.000.25a.500751 00Time (ms)图9三角载波控制时的触发脉冲Fig.9 Trigger p

11、ulse under Triangle-wave current control由仿真结果可以看到，三角载波控制的优点是开关频率固定（图9所示），响应速度快,对高开关频率的系统具有较好的控制特性。但是该方法实现的硬件较为复杂，且由于是定频控制，故跟随误差比较大；调制器的带宽有限，无法滤除所有调制信号的脉动，输出波型中含有与三角载波相同频率的高频畸变分 量；高频的三角波使逆变器始终处于高频工作状态，导致产生较大的开关损耗和高频失真, 在大功率应用中受到限制。4.2滞环比较控制该方法是将指令信号与实际补偿电压或电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中进 行比较，形成方波脉冲信号，得到PWM波控制信号

12、来控制逆变器的开关器件12这样就可以以补偿电流参考值为基准设计一个滞环带，当实际补偿电流欲离开滞环带 时，逆变器开关动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。、？lc滞环HLPWM比较器发生器icic图10滞环比较PWM控制信号原理框图Fig.10 Principle drawing of current hysteresis comparison pulse width modulation control-入1图11滞环比较器的传输特性示意图Fig.11 Transfer characteristic diagrammatic sketch of hysteresis co

13、mparerPWM控制信号产生原理如图 10所示，将指令信号ic与逆变输出电流ic*的差值？ic输入 到施密特滞环比较器，其中施密特滞环比较器传输特性如图11所示，土入是该施密特比较器的阀值，输出 HL的表达式为逻辑函数：-7 -II9IJ-Jn 上Lr M当?ic<-入时，HL下跳;当-入W?ic w入时，HL保持原值。这样PWM发生器根据滞环比较器的状态产生相应的PWM波控制信号。该方法使ic的值在ic* -入与ic* +入间波动，确保输出电流能较好地跟踪指令电流信号。图12是建立的基于滞环比较策略控制的逆变电路来产生补偿电流的仿真模块（整流电路输入侧所加小电感为 0.1mh;环宽

14、入为0.05）:图12滞环比较控制下的 APF电路Fig.12 Current circuit of APF under current hysteresis comparison control-# -II9IJ-Jn 上Lr M-# -II9IJ-Jn 上Lr M各部分的检测结果如图 13、14、15所示:30 CC15.000 0030,0030 00 血00.00-IB DO-30 OD-# -II9IJ-Jn 上Lr MD.OD 0.020 04D.0& O.OC 0 IDTime 图13检测岀的谐波电流与滞环比较控制产生的补偿电流Fig.13 Harmonic curren

15、t detected and compensated current under current hysteresis comparison controlif30 0015.000 0015.00图14检测出的基波电流与滞环比较控制补偿之后的电网侧电流Fig.14 Fundamental wave current detected and network current compensated under current hysteresiscomparison control1b200.900月Q0.300.000.000,250-500-751.00Time (ms)图15滞环比较控制时

16、的触发脉冲Fig.15 Trigger pulse under current hysteresis comparison control由仿真结果可知，该方法控制时，动态响应也很快；与三角载波控制相比，由于其采用 了滞环，其环宽可以有效地保证跟随电流一致性(比较图 7与图13，图8与14可见，图7、 图8纹波电流较大)，故控制精度高；同时，其无需专门的电源产生载波信号，故硬件电路 简单，容易实现。但是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响；带宽固定时，开关频率会随补偿电流变化而变化(如图15所示)，从而引起较大的脉动电流和开关噪声13。5结论与展望本文阐述了三角载波与滞环比

17、较控制策略的工作原理，并对其进行了仿真分析，综合论证了这两种控制方法的优缺点及其有效性；它们都是基于模拟控制技术，是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，同时可以通过多重化技术、自适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷， 提高其使用效率。目前基于全数字化控制技术的无差拍控制法随着数字信号处理器(DSP)运算速度的不断提高，也将在有源电力滤波器中得到广泛的应用，控制过程的简化和数字化成为正在研究的热点；随着这一领域的广泛深入，近年来，一些学者还提出了将内模控制、滑模控制及神经 网络控制等非线性控制方法应用于补偿电流产生的方案，并取得了一定的效果，昭示着这些非线性控制方法具有良好的应用前景，但针对不同负载

18、条件下的补偿特性还需要进一步进行分析与研究。参考文献1 陈国柱，吕征宇，钱照明.有源电力滤波器的一般原理与应用J.中国电机工程学报，2000,20(9):17-21.2 周方圆，唐朝晖.有源电力滤波器的研究现状与发展动向J.电气时代,2006(5)： 122 - 124.3 杨柳,刘会金，陈允平.三相四线制系统任意次谐波电流的检测新方法J,中国电机工程学报,2005,25(13) :41 - 444 陈秋明.一种在线检测基波无功电流和谐波电流的简便方法J.中国电机工程学报,2006,26(14):71-745 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业出版社,2002.6

19、Peng F 乙 Lai J S. Generalized instantaneous reactive power theory for three-phase power systems. IEEE Trans. Instrum. Meas.,1996,45(1): 293-297.7 张桂斌，徐政，王广柱.基于空间矢量的基波正序、负序分量及谐波分量的实时检测方法J.中国电机工程学报,2001,21(10): 1-5.8 马莉，周景海，吕征宇，等.一种基于dq变换的改进型谐波检测方案的研究J.中国电机工程学报,2000,20(10): 55-63.9 戴朝波，林海雪，雷林绪.两种谐波电流检

20、测方法的比较研究J.中国电机工程学报,2002,22(1): 80-84.10 Varquez J R, Saimeron P. Active power filter control using neural network technologiedsJ. IEE Proc.-Electr. Power Appl, 2003, 139-145.11 金科，阮新波，刘福鑫.改进型零电压开关 PWM三电平直流变换器J.中国电机工程学报,2005 ( 4): 30-35.12 Malesani L, Tenti P. A Novel Hysteresis Control Method for Cu

21、rrent Controlled Voltage Source PWMInverters with Constant Modulation FrequencyJ. IEEE Transactionson Industry Applications.1990,26(1) :88-92.13 姜俊峰；刘会金；陈允平；孙建军；有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法J,中国电机工程学报,2004(10)Comparison and Simulation of the methods withTriangle-wave and hysteresis comparison in current controlof shunt active power filterXu Huiliang， Meng Jing, Wu HongchunThe Key Laboratory of High V oltage Engin eeri ng and Electrical New Tech no logy of Min istry ofEducation， College of Electrical Engineering ， Chongqing University ， Chon