基于電流采樣的并聯有源電力濾波器改進控制方法研究

An improved control method based on source current sampled

for shunt active power filter

錄用時間：2020.03.16

發表期刊：Energies，JCR Q1  

原文DOI：https://doi.org/10.3390/en13061405

作者：曹旭東 信息科學與工程學院

    董   堃  信息科學與工程學院 電子與通信工程 2017級

    魏學良 信息科學與工程學院

論文簡介：

有源電力濾波器（Active Power Filter, APF）是一種動態抑制諧波和無功的電力電子裝置。為了簡化傳統APF的諧波和無功電流的檢測和提取，本文使用了一種基于三相三線并聯APF的直接電流源控制。對電源電流在d-q旋轉坐標中利用比例-積分（PI）控制器對其做到無靜差控制。此外，考慮到電網電壓波動，提出了采用下垂調節器來解決直流母線電壓對APF功率損耗和補償性能的影響。該調節器與傳統的電壓外環PI控制相結合，可在APF系統的功率損耗和補償性能之間實現全面優化。

論文內容：

1、數學模型建立

文章以三相三線并聯APF為例，建立了APF電源電流控制的數學模型，并分析了其基本原理。圖一為并聯型APF系統結構。

圖 1并聯型APF系統結構

設該三相三線并聯APF是一個平衡系統。根據基爾霍夫電壓電流定律，可以根據圖一建立APF在三相靜止abc坐標下下的數學模型如式1所示。

（1）

其中：iCa、iCb和iCc是APF輸出電流，uSa, uSb, 和 uSc是三相電網電壓，Sa, Sb, 和 Sc是六個開關管的占空比，且（i為a、b、c）。

根據圖一，我們可以得到APF內電流關系如式2所示。

（2）

直接電源電流的基本原理是對APF系統中電源電流iS進行直接控制。將檢測出的負載電流中的基波有功分量iLp作為指令電流，與實際電源電流iS進行比較，控制電源電流跟蹤其指令電流的變化，達到諧波補償的控制目的，最終使電網電流只含有基波有功分量。

為了實現無靜差控制，需將APF通過abc-dq轉換矩陣由三相abc靜止坐標系變化為兩相dq旋轉坐標系下，其數學模型如式3所示。

(3）

2、控制策略實現

APF直接電源電流控制主要由補償電流控制環節和直流側電壓控制環節組成，根據式3的數學模型采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制策略。電流環是通過解耦方式使d-q軸相互獨立，并通過前饋通道抵消擾動量。圖2是并聯型APF電源電流控制的系統框圖。

圖 2 APF電源電流控制的系統框圖

電網電壓波動時，設計下垂調節器控制直流側電壓的指令值，實現APF的功率損耗和補償性能的綜合優化。

APF 直流側電壓指令值采用下垂調節器的控制策略如圖 3所示，電網電壓經過abc /dq變換后經過下垂控制器獲得參考電壓Udc* ，與實際采樣值Udc 比較后經過PI 調節器輸出一個有功電流調節信號ΔiSd，引入到電流內環來維持直流側電壓的穩定，實現APF的雙閉環控制。

圖 3  dq坐標系下APF電壓外環采用下垂調節器的控制框圖

3、仿真與實驗驗證

為了驗證所提方案的正確性，在Simulink中搭建基于電源電流檢測的模型，進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。

       (a)                                                   (b)

經基于直接電源電流控制策略的APF補償后的網側電流基本為正弦波，且網側電流THD由投入前的26.7%下降到2.29%。

(a)

(b)

(c)

圖 5 APF的動態響應性能

由圖5可知，APF能夠快速跟蹤指令電流的變化，其動態響應在15ms以內，完全補償達標大約在30ms左右。

 通過66KVA的APF驗證理論的正確性。由圖6可知，投入APF后，各次諧波均明顯降低。

(a)

(b)

圖 6 APF投入前后負載電流和系統電流波形頻譜

由圖7可知，當APF負載突變時，控制器的響應速度較快。

(a)

 (b)

圖7 APF突加、突卸負載后電流波形

在電網電壓波動的情況下，采用下垂控制器，當電網電壓升高時，通過提高直流側電壓來提高APF的補償能力:

表1 APF的補償性能與功率損耗分析

4、結論

本文分析了APF直接電源電流控制策略，通過構建電壓電流雙閉環串級控制器，將APF在dq旋轉坐標系下通過PI調節器實現無靜差控制，使其具有良好的補償精度與動態性能。同時，設計下垂控制器來控制直流側電壓參考值并結合PI控制，最終實現APF的功率損耗和補償性能綜合優化。

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