APF的諧波電流補償控制策略研究

王 鵬

（甘肅交通職業技術學院信息工程系，甘肅 蘭州 730050）

APF的諧波電流補償控制策略研究

王 鵬

（甘肅交通職業技術學院信息工程系，甘肅 蘭州 730050）

用電負荷類型的增多及電力電子器件的廣泛應用，使得電路中的非線性負載越來越多。這就造成了電網中產生了大量諧波源和功率損耗，給人們生產生活帶來了很多的不便。為了更有效地解決電網中的諧波問題，提出了通過采用有源電力濾波器來補償諧波電流的控制策略。該控制策略基于d-q坐標系，對諧波電流進行檢測。采用PI-重復控制方法來實現無靜差指定次諧波補償，以消除諧波電流。將該控制方法與傳統的PI控制進行比較，并分析了PI-重復控制方法的動態性能及穩態性能。仿真結果對比證明了PI-重復控制能很好地對諧波電流進行抑制。PI-重復控制作為一種便捷的控制策略，對諧波具有明顯的消除作用，能很好地應用到生產、生活中。

重復控制；PI控制；有源電力濾波器；諧波；非線性負載

0 引言

隨著電力電子器件的廣泛應用及非線性負荷的接入，電網中諧波畸變愈加嚴重，諧波電流的嚴重畸變使得設備發熱甚至造成損壞。為了解決上述問題，有源電力濾波器（active power filter，APF）應運而生。APF具有高效可控等優點，能夠靈活地產生與線路諧波反相的補償電流，從而消除諧波電流對電網的影響［1-3］。

近年來，針對諧波電流的研究，學者們提出了很多控制方法。并聯型APF的電流控制作為對諧波電流的常用控制方法，得到了廣泛的研究。目前，已提出了不少針對性的控制方法：PI控制算法簡單、可靠性高，但常規的PI控制對交流參考信號難以達到理想的預期控制效果，有一定的局限性［4］；無差拍控制具有動態響應速度快的特點，但對系統參數的依賴性較大、魯棒性較差、瞬態響應超調大［5］；滑?？刂?、重復控制［6］等一些傳統的控制方法都有一定的局限性，不能很好地達到預期效果。

為此，針對常規的APF電流PI控制關于負荷電流中缺乏主次諧波補償的現象，本文提出了一種新的控制策略。將負載電流中的各次諧波分量先后經過旋轉同步坐標和低通濾波器有效識別并提取信號，通過低通濾波器獲取信號的d軸分量和q軸分量并先后累加，再計算它與APF輸出諧波電流的差值。獲取的誤差依次通過PI和雙環復合控制器。其中：雙環復合控制器采用重復控制，實現了諧波電流無靜差跟蹤［7］；將帶阻感性負載的三相不控整流橋進行補償仿真，通過與傳統的PI控制方法進行比較，證明所提控制策略的正確性和可行性。

1 并聯型有源濾波器結構及工作原理

本文主要研究三相三線制并聯型APF，通過補償非線性負載所產生的諧波來抑制對電網和其他設備的影響。其控制系統結構圖如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖Fig.1 Structure of the control system

從圖1可知，有源電力濾波器由四部分構成，分別為指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路［8］。系統中除指令電流運算電路外，剩余組成部分主要是為補償電流所服務。指定電流計算主要是隨時接收APF需要補償電流信號指令，從而實現了監控非線性負載中的無功電流和諧波電流。電流跟蹤控制電路能夠使APF生成補償電流，它通過對電流指令信號的跟蹤和調制，并且控制電力電子器件開通、關斷的PWM信號，實現指令電流的運算功能［9］。

有源電力濾波器的基本工作方式是檢測補償對象的電壓信號與電流信號。輸入信號經過指令電流運算電路，得到準確的電流補償信號；補償信號流經補償電流放大電路，從而得到需要補償電流信號。輸出的補償電流與非線性負載中的諧波電流信號相互抵消，從而使抑制諧波的控制系統輸出較為理想的電流信號。當單獨補償因負載所引起的諧波電流時，將電流設置成與非線性負載的諧波分量幅值大小相等、方向相反的補償電流，使得電源中的電流信號與負載電流信號的基波分量為大小相等的正弦波。APF的工作方式用如下公式表示［10］：式中：is為電源電流；iL為負載電流；ic為補償電流；iLh為負載電流的諧波分量；iLf為負載電流的基波分量。

2 控制方案的設計及分析

APF控制的核心是通過增加一個反向電流來抵消原來的諧波電流，進而得到基波電流，通過電壓外環和電流內環雙環對輸出量進行控制。本文對傳統APF檢測及控制策略進行改進，提出采用PI-重復控制對諧波電流進行有效的控制。

2.1 諧波檢測方法

對諧波電流進行控制的前提是必須要對諧波電流進行有效的檢測。針對諧波電流的檢測，學者們提出了很多方法，如基于傅里葉變換的諧波檢測算法、基于神經網路的自適應電流檢測法、ip-iq諧波電流檢測算法等。這些方法能消除諧波，但由于采集時間為一個電源周期，所以有較長的時間延遲，實時性不佳并且會有較大的誤差［11］。

本文在d-q坐標系下通過d-q變換，不僅對傳統的檢測方法進行了簡化，而且其適用范圍更廣。d-q檢測方法控制框圖如圖2所示。

圖2 d-q檢測方法控制框圖Fig.2 Control block diagram of d-q detection method

但是，上述檢測方法必須滿足以下兩個條件。一是由正弦函數和余弦函數所構成的函數稱之為綜合矢量，其中，綜合矢量要求和合成矢量相互一致即具有同步性，合成矢量由三相電壓中基波分量的正序電壓構成。二是要求綜合矢量和合成矢量具有相同的相位值。由于上述監測方法不能保證同相位，因而產生了相位的差值，所以增大了基波分量中的正序無功量的識別誤差。當斷開iq的通路時，檢測到諧波電流中疊加有基波分量中的無功分量，系統便發出指令；APF模塊接收到抵償指令信號后，開始抵償非線性負載電流所引起的無功功率分量［12］。當合上iq的通路時，APF模塊就停止補償非線性負載中的電流引起的無功功率分量。

2.2 PI-重復控制器設計

為了提高動態補償的穩定性和精確性，本文提出將PI和重復控制結合構成雙環復合控制器。PI-重復控制結構如圖3所示。

圖3 PI-重復控制結構圖Fig.3 Structure of the PI-repetitive control

當整個系統處于穩態時，電流參考值和輸出電流反饋值之間的精度較高。在這種狀態下，PI控制器的控制范圍較小，對系統的控制輸出結果不會產生影響；同時，重復控制器起決定性作用。它主要控制整個復合控制系統的輸出；當非線性負載突然產生比較大的波動時，會增大電流參考值和輸出電流的反饋值這二者之間的誤差。由于重復控制器具有相位滯后環節，使得當前周期內輸出結果不會立即跟隨變化。但是PI控制器無遲滯現象，能夠使輸出量迅速跟隨輸入誤差的變化而變化。在這種情況下，PI控制器在電流環控制過程中起決定性作用，所以該控制系統不會因為非線性負載的波動而造成控制器的失控。在重復控制器中，PI控制器在一個基波周期內，通過跟蹤控制對信號進行調節，實現了被控對象輸出電流會隨著輸入參考信號的變化及時變化，從而減小了電流的誤差，進而減小了PI控制器的輸出量［13］。

圖 3 中：Q（z）為一個低通濾波器，Q（z）的取值與系統穩定性密切相關。通常Q（z）為一個小于1的常數，本文中取 Q（z）為 0.96。

補償器C（z）表示如下：

S（z）的作用是消除高頻干擾，提高系統穩定性。設計采用低頻對消、高頻衰減的原則，通過采用一個低通濾波器，對電流進行濾波，從而降低了控制器的復雜性。其公式可表示為：

補償環節中幅值補償在保證足夠的穩定裕度下，Kr取l，超前環節Zk的k值取為2。PI控制器中，Kp=3、Ki=500。

2.3 控制策略分析

在d-q坐標下，本文提出將諧波提取方法和PI-重復控制策略相結合。與采用獨立的PI控制策略相比，該方法不僅能夠精確提取出諧波電流，而且通過N次的無限重復控制，使得諧波的含量大大減少。該方法能夠靈活地補償所需的諧波電流。當系統中出現諧振點時，為了使系統具有更好的穩定性，對諧振頻率處的諧波可以采用不補償策略。復合重復控制不僅確保了不同頻次諧波的動態跟蹤，還能保證系統的零穩態誤差。

3 仿真結果分析

為驗證上述控制方法的有效性，基于Matlab仿真軟件，建立了一個三相三線并聯型APF仿真平臺。通過仿真進行對比分析，驗證所提控制策略。

PI控制和PI-重復控制對比如圖4所示。從圖4中可以看出，補償前諧波電流的畸變很嚴重，在PI控制器進行補償后，效果有了明顯的變化，但電流中還存在一些諧波。

為得到預期的結果，在PI-重復控制的補償后，其波形比PI控制器補償更光滑、更規則，說明所提的控制策略有效。

補償前后的電流頻譜分析圖如圖5所示。由圖5可以看出，補償前網側電流總諧波畸變率為33.68%。經過PI-重復控制器后，諧波電流的總諧波畸變率降到了3.21%。這就充分驗證了設計原理的正確性，對所提控制策略有一定的認證作用。

圖4 PI控制和PI-重復控制對比圖Fig.4 Contrast of PI control and PI-repetitive control

圖5 電流頻譜分析圖Fig.5 Spectrum analysis of the current

4 結束語

本文提出的APF方案，通過采用d-q坐標控制的方法對諧波進行提取，并采用PI-重復控制策略進行諧波的補償。理論分析和仿真結果證明所提控制策略的有效性。此方案不僅能夠提取出諧波電流，而且其結合雙環復合控制器，從而很好地實現高精度的追蹤和補償。采用PI-重復控制方法，以重復控制為外環、PI為內環構成復合控制算法。通過和PI控制進行比較表明，該控制策略具有較高的補償精度。

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Research on the APT-Based Compensation Control Strategy for Harmonic Current

WANG Peng
（Department of Information Engineering，Gansu Vocational and Technical College of Communication，Lanzhou 730050，China）

Due to increased electricity load types and the wide application of power electronic devices，the nonlinear load in circuitry is getting more and more，which results in a large number of harmonic sources in power generation and large power loss，this brings inconvenience to the productionlife.Therefore，in order to solve the harmonic problem in the power grid，the control strategy of compensating harmonic current by using active power filter（APF）is put forward.Based on d-q coordinate system，the harmonic current is detected，and a PI-repetitive control method is proposed to realize the subharmonic compensation without static error，thus the harmonic current is eliminated.Compared with traditional PI control method，the dynamic performance and steady-state performance of the PI-repetitive control method are analyzed.Finally，comparison is carried out by simulation，the results show that the PI-repetitive control can restrain harmonic current very well，and PI-repetitive control，as a convenientcontrol strategy，can be applied to production life.

Repetitive control；PI control；Active power filter；Harmonic；Nonlinear load

TH6；TP27

A

10.16086／j.cnki.issn1000-0380.201711003

修改稿收到日期：2017-06-01

國家自然科學基金資助項目（51467009）

王鵬（1978—），男，碩士，高級工程師，主要從事電力電子、計算機控制、嵌入式系統應用等方向的研究。E-mail：624489051@qq.com。