串联型有源电力滤波器控制方式的研究姚为正　王　群　刘进军　王兆安
　　摘要　根据串联型有源电力滤波器的工作原理，讨论了其检测电源电流和检测负载电压控制方式的原理、系统结构和特点。在此基础上分析了复合控制方式，并对三种控制方式进行了对比研究。实验结果表明，在对电压型谐波源进行补偿时，串联型有源电力滤波器采用复合控制方式稳定性高，谐波补偿效果好。
　　关键词：电力有源滤波器　控制方式　谐波补偿　电源电流　负载电压StudyonControlApproachesfortheSeriesActivePowerFilterYaoWeizheng　WangQun　LiuJinjun　WangZhaoan

(Xi''anJiaotongUniversity　710049　China)　　Abstract　Accordingtotheoperationprincipleoftheseriesactivepowerfilter,theprinciples,thesystemconfigurationsandthedistinguishingfeaturesforthecontrolapproachesofbothdetectingsourcecurrentanddetectingloadvoltagearediscussed.Thehybridcontrolapproachisanalyzedandthreecontrolapproachesarecompared.Theexperimentresultsshowthattheseriesactivepowerfilteradoptingthehybridcontrolapproach,whencompensatingforvoltagetypeharmonic-producingloads,itsstabilityishighanditsharmonicscompensationperformanceisexcellent.
　　Keywords：Activepowerfilter　Controlapproach　Harmonics　Sourcecurrent　Loadvoltage　
1　引言　　随着变频器、开关电源、电子镇流器等电力电子装置数量和容量的日益增长，对电网产生的谐波污染越来越严重。由于它们的输入端均含有直流侧为大电容滤波的整流电路，本质上属于电压型谐波源，因此，不太适合采用并联型有源电力滤波器(APF——ActivePowerFilter)对其进行谐波补偿。
　　串联型APF适合补偿电压型谐波源，近年来越来越引起人们的重视^［1，2］。根据它的系统结构^［6］，APF的主电路由三相桥式电压型PWM逆变器组成。APF通过补偿变压器T_c被串联在电源和作为谐波源的带有大的直流滤波电容的三相二极管桥式整流电路之间，所以称为串联型APF。其中L_r和C_r用来抑制逆变器产生的高频开关脉动。工作时，串联型APF相当于受控电压源，根据检测电路得到的指令电压信号产生所需要的补偿电压。为了获得理想的补偿效果，必须对其进行适当的控制。生成指令电压的方法不同，构成的串联型APF的控制方式就不同。以往对串联型APF的研究，大都采用检测电源电流控制方式^［2，4］。它虽然能同时补偿负载引起的电源电流畸变和电网电压畸变引起的谐波电流，但是放大倍数不易整定，较低时，补偿效果不好；较高时，稳定性较差，容易产生振荡。为了克服该控制方式的缺点，改善谐波补偿效果，作者提出了检测负载电压控制方式^［5，6］。但它存在着开环控制的一些缺点，而且不能补偿由于电源电压畸变所引起的谐波电流。本文通过分析和对比上述两种控制方法，综合后获得了复合控制方式。它既检测电源电流，同时又检测负载电压，二者通过一定方式叠加，形成指令电压信号。复合控制方式既具有以上两种控制方式的优点，又能克服它们各自的缺点，从而得到理想的补偿效果。理论和实验表明，复合控制方式既具有良好的稳定性，又具有理想的补偿效果。2　检测电源电流控制方式　　设Z_s是电源等效阻抗，u_s是电源电压；u_sf和u_sh分别代表u_s的基波和谐波分量；u_Lf和u_Lh分别是负载电压u_L的基波和谐波分量；i_sf和i_sh分别为电源电流i_s的基波和谐波分量。根据采用检测电源电流控制方式(第一控制方式)的串联型APF系统等效电路^［6］，工作时，串联型APF相当于受控电压源，产生一个k倍于流过它的谐波电流的谐波电压u_c。因此，APF对谐波来讲可等效视为阻值是k的电阻，而对基波来讲，其阻值为零。对流入电源的第n次谐波电流，有　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)可见，当k足够大时，I_shn≈0，于是i_s=i_sf，即为不含有谐波的正弦电流。由此可得，该控制方式的指令电压信号为u^*_c=ki_sh。
　　图1给出了第一控制方式的系统组成框图。其中G_i(s)为谐波电流检测电路的传递函数。采用瞬时无功功率理论计算谐波电流时，可近似认为G_i(s)=1^［2,4］。G_g(s)是补偿电压发生器的传递函数，它可以看成一个时间常数很小的一阶惯性系统。G_Z(s)=1/Zsh。图1　第一控制方式系统框图
Fig.1　Firstsystemdiagram　　该控制方式的优点在于将电流引入闭环控制。它不仅能补偿负载谐波电压产生的电源电流畸变，而且还能补偿电网电压畸变引起的电源电流畸变。但是其补偿效果取决于k的大小，k越大，补偿效果越好。为了保证控制系统的稳定性，k又不能取得过大。这是该控制方式的不足之处。3　检测负载谐波电压控制方式　　从采用检测负载电压控制方式(第二控制方式)的串联型APF的等效电路可以看出^［6］，如果u_c=-u_Lh，则n次谐波电流为　　　　　　　　　　　　　(2)当u_s没有畸变时，I_shn=0，即i_s中不含有谐波成分，从而达到谐波补偿的目的。因此，该控制方式的指令电压信号为u^*_c=-u_Lh。
　　图2给出了该控制方式的组成框图。图中G_u(s)为谐波电压检测电路的传递函数，根据文献［5］可得G_u(s)=-1。对电源电流而言，该控制方式属开环控制，因此，不存在稳定性问题。另外，该控制方式直接检测负载电压，其补偿效果只取决于谐波电压的检测精度和PWM逆变器的控制精度，不象第一种控制方式，补偿效果与k值的大小有关。所以，该控制方式的补偿效果应该比第一种控制方式好。但它存在着开环控制的一些缺点，而且不能补偿由于电源电压畸变所产生的电源电流谐波。图2　第二控制方式系统框图
Fig.2　Secondsystemdiagram
4　复合控制方式　　复合控制方式(新控制方式)就是把检测电源电流和检测负载电压这两种控制方式结合在一起所得到的一种控制方式。图3给出了采用复合控制方式的串联型APF等效电路。工作时，控制串联型APF的输出电压u_c，使u_c=u_c1 u_c2，其中u_c1=ki_sh，u_c2=-u_Lh。于是有　　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)可见，在u_c2[1][2][3]下一页