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基于间接电流控制策略的新型有源电力滤波器

作者：卢柏桦 李永皓 马千里 来源：《科学家》2017年第11期

摘 要 有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是一种能够滤除电网上谐波污染，有效地改善电网波形质量，同时补偿电网无功缺额，提高功率因数的新型电力电子装置，具有重要的应用价值。本文提出了一种新型有源电力滤波器，这是一种基于间接电流控制方法的新型APF，它不需要对谐波电流进行检测，而是直接获取电网侧的电流，然后利用双闭环对电流进行控制以达到提高功率因数及补偿谐波的目的；同时，为了节约成本和降低开关损耗，这种APF采用了新型三相四开关的拓扑结构，由此构成了新型三相四开关有源电力滤波器。 关键词 有源电力滤波器；间接电流控制；无谐波检测；三相四开关 中图分类号 TM6 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0079-02

随着电力电子技术的迅猛发展，电网中非线性负载日益增多，从而导致大量谐波被注入到电网中，电网受谐波的污染变得越来越严重，电能的质量日益下降，由于电网中谐波电流的存在，不仅会使电网电压畸变，增加功率损耗，还会危害电网中的电力设备[1]。为了抑制谐波带来的危害，采用无源滤波器是常用的传统方法，这种方法虽然具有结构简单且投资低、运行可靠性较高等优点，但同时也存在着许多不足的地方[2]，例如只能消除特定次谐波，而且还存在与电网发生谐振的可能、消耗较大等。而并联型有源电力滤波器不仅能够补偿多种非线性负载造成的谐波，还能较快的进行电网无功缺额的补偿，提高功率因数。在前人研究的基础上，本文提出了一种基于间接电流控制方法的，采用三相四开关拓扑结构的无谐波检测APF。 1 间接电流控制策略

对于目前传统的APF，谐波电流的检测是不可缺少的一个关键环节，APF的最终谐波补偿的效果取决于能否准确、迅速的把负载电流中的谐波分量检测出来。按照传统APF使用的这种控制策略，首先要利用所设计的谐波检测环节把谐波指令电流提取出来，然后再对电流进行闭环跟踪控制，以达到谐波补偿的目的。因此，谐波电流的检测环节至关重要，如果不能快速准确地谐波电流分量，将APF的谐波补偿效果产生很大影响[3]。针对这一问题，本文提出一种间接电流控制方法，它不需要对谐波电流进行检测，而是直接获取电网侧的电流，然后再利用控制器对电流进行控制以达到谐波补偿的 目的。

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这种基于间接电流控制的新型三相四开关APF结构如图1所示。在该新型APF结构中没有使用负载电流检测模块，而只是直接获取电网侧的电流，然后再利用双闭环对电流进行控制以达到提高功率因数及补偿谐波的目的，这就是间接电流控制策略。在间接电流控制策略中，通过电流传感器直接检测电网侧电流，再经过clark和park变换把电网侧电流转换到基频旋转坐标系下得到，然后由电流控制环节的PI-VPI控制器产生所需的APF控制信号，最后把变流器的输出电流输入到电网中，以达到谐波补偿的目的。

该间接电流控制策略的APF系统由直流电压外环和电网电流内环两个控制环节构成双闭环控制。直流电压外环采用PI控制器，作为系统的主导控制环节，它能够使APF直流侧电压很快地跟随给定电压变化，稳态时可以实现无静差，并且还能对负载变化起抗扰作用[4]，电压外环的输出电流为，将其作为基频旋转坐标系下的参考有功指令电流。电网电流环作为内环的控制环节，采用PI-VPI控制器，它的作用是用来调节电网电流，并将其输出作为APF的控制信号。电流控制环节是至关重要的一个环节，电流控制器的设计将直接影响者APF控制性能的好坏[5]。

2 三相四开关APF拓扑结构

根据APF主电路拓扑结构的不同，APF可分为三相四开关APF、三相六开关APF以及三相八开关APF等[6]，传统的APF常采用三相六开关的拓扑结构，但是这种拓扑结构也存在着许多不足，如设备成本相对较高、结构设计复杂、开关损耗较大，同时也增加了散热设计的 难度[7]。

根据图1可以看出，三相四开关变流器是在三相六开关变流器的结构上进行简单改变得到的，三相四开关只需要由4个IGBT和2个电容器组成，4个IGBT构成了其中的2个桥臂，2个电容器和组成第3个桥臂，其中点接C相。三相四开关适用于低压电力系统，因为直流侧的两个电容器和的端电压为相电压，因此两个电容的耐压值要大于电网线电压的峰值[7]。 三相四开关型变流器相比于三箱六开关型变流器少用两个IGBT，不仅使得设计成本大大减少，简化了系统结构，还降低了开关损耗，并且使得散热要求也随之降低。将基于间接电流控制的无谐波检测APF与新型三相四开关的变流器相结合，这将是一种十分经济的新型有源电力滤波器。 3 仿真分析

为了验证这种基于间接电流控制策略的新型三相四开关有源电力滤波器是否具有可行性和其谐波补偿的效果，利用MATLAB/Simulink仿真平台搭建了这种新型APF的仿真模型进行仿真实验。首先根据实验相关需要，对仿真系统的参数进行适当设置，然后再进行APF的仿真实验，最后对实验结果进行分析对比。加入APF之前，电网侧A相电流波形如图2所示。加入APF之后，A相电流波形如图3所示。由此可见，未加APF之前电网侧电流包含大量非线

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性谐波，呈为马鞍波，而经过APF补偿之后电网电流变为比较规则的正弦波，验证了这种新型APF具有较好的补偿谐波效果。 4 结论

本文分析研究了一种新型有源电力滤波器，该新型APF能够在没有谐波检测的情况下，直接从电网电流中提取谐波电流，然后利用双闭环对电流进行控制以达到提高功率因数及补偿谐波的目的。将这种APF与新型三相四开关的变流器相结合，不仅结构简单，控制性能好，并且能够节约成本，这是一种十分经济的新型有源电力滤波器。 参考文献

[1]余建明，同向前，苏文成.供电技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]李璨，杭乃善，廖敏乐，等.无源滤波器的一种实用改进方法[J].电网与清洁能源，2012（6）：25-28.

[3]李伟，余仕求.三相四开关有源电力滤波器新型控制策略研究[J].长江大学学报（自然科学版），2015（34）：27-30，4.

[4]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2009.

[5]陈建宇，安琪，史经丛，等.一种新型有源电力滤波器电流控制策略研究[J].工矿自动化，2015（1）：92-96.

[6]谢众玉.一种改进的三相四开关并联型APF的研究[D].长沙：中南大学，2013. [7]陈建宇.一种新型有源电力滤波器的研究[D].徐州：中国矿业大学，2015.