并联型有源滤波器直流侧电压稳定控制策略

摘要：有源滤波器直流侧电压的波动对有源滤波器的稳定运行有很大的影响，针对这个问题，分析了直流侧电压波动产生的原因及对有源滤波器运行的影响，对传统的PI控制提出了基于电压偏差平方的PI控制改进的方法，这种控制直流侧电压的方法对处理传统PI控制的非线性问题也有很大的改进。并通过matlab仿真验证了改进的PI调节控制策略对谐波的消除有很好的效果，这种控制策略通过软件即可实现，不需要增加硬件设备，是一种经济的解决措施。
关键词：并联型有源滤波器；直流侧电压；改进PI控制

    随着电力电子器件的广泛应用，电网谐波污染问题越来越严重，由谐波引起的各种事故不断发生，有源滤波器(APF)作为一种可以动态补偿谐波的设备得到了广泛的关注和研究。为保证并联型有源滤波器能达到预期的谐波治理效果，直流侧电压必须保持稳定。但在工程应用中，直流侧电压往往会出现波动，严重影响了有源滤波器的正常工作。
    现阶段，直流侧电压稳定的控制策略大多采取传统的PI控制，另外有模糊-PI控制策略，直流侧电压闭环控制策略，直流侧电压神经网络
控制等策略。本文在参考大量的文献资料的基础上，探讨了直流侧电压波动的原因，以及对系统稳定控制、谐波补偿效果的影响，在不增加硬件设备的基础上，对传统的PI控制策略进行改进。并通过matlab仿真进一步证明了这种方法能有效地控制直流侧电压的稳定，进一步保证谐波的补偿效果。

1 系统结构与工作原理
    并联有源滤波器采用电压型逆变器，其中负载作为谐波源，APF输出与电网中谐波电流幅值相同相位相反的电流，与负载产生的谐波相叠加，可以滤除电网中的谐波。谐波检测电路实时检测出负载电流中的谐波成分，驱动电路将电流跟踪电路生成的PWM信号转变成逆变电路开关器件的开关信号，逆变电路向电网注入补偿电流，通过这几部分来实现补偿谐波的目的。有源滤波器工作性能很大程度取决于对谐波电流的高精度和实时的检测，目前有基于时域理论的傅立叶变换法、小波变换、瞬时无功功率理论、模糊闭环检测及神经网络等方法，其中采用基于瞬时无功功率理论最广泛。基于瞬时无功功率理论有d—q算法、p—q算法以及ip—iq算法，通过比较精度，采用ip—iq算法。它可以准确检测出电网的负序和谐波电流，准确度不受电网电压畸变和负载变化的影响。

2 直流侧电压波动的原因及影响
    直流侧电压出现波动的原因主要有： (1)滤波器与电网之间大容量的无功交换； (2)负序电流和系统电压在直流侧产生能量脉动，使直流侧电压波动；(3)逆变器开关损耗引起直流侧电压降低； (4)APF本身存在由线路电阻带来的有功损耗，在工作状态变化时需从系统吸收一定的有功功率。
    由图1中的APF原理框图可知
   
    其中Us(t)和Ucom(t)分别是系统电压和有源滤波器输出电压，Lcom是等效电感。

    根据电压源逆变器的调制控制理论，可以将电压源逆变器等效为一个比例放大器，即
    Ucom(t)=KUdc(t)     (2)
    Udc(t)为电压源逆变器的直流侧电容电压，而K为与调制控制方法有关的函数。
    为了使ic(t)能够快速的跟踪要补偿的电流，设计时必须重视其电流变化率，而要提高dicom(t)／dt，要么减小有源滤波器的等效电感Lcom，要么提高逆变器输出电压Ucom(t)。APF中等效电感Lcom越小，其电流跟踪能力越强，但Lcom过小，APF输出电流中基于开关频率的特征谐波会很大，一旦有源滤波器本身出现故障，会产生很大的过电流，从而影响系统。由于调制控制函数的变化范围通常是固定的，因此提高直流侧电容电压成为Udc(t)提高有源滤波器电流跟踪能力的有效手段。取值过低，不能将谐波电流完全消除；取值越高，补偿效果越好，但它将增加逆变器和电容器的容量，提高对器件耐压的要求，还将增加成本。电流侧电容电压波动或引起直流侧出现欠压，都将影响有源滤波器的正常工作或导致直流侧出现过压，危及有源滤波器的安全可靠运行。

3 直流侧电压稳定控制策略
    由于流入有源滤波器的有功电流直接影响其直流侧电压，目前主要采用PI控制，其基本原理是如图2所示：根据直接母线电压的实际测量值Udc与参考电压值Udset之差，通过PI控制方法得到调节结果△Ip，将此调节结果叠加到瞬时有功电流的直流分量上，然后产生对应的指令电流，使APF的补偿电流包含一定的基波有功电流分量，将Udc调节到参考电压值。

    传统的PI控制虽然能对直流侧电压起到有效的控制作用，但会导致被控制系统呈现严重的非线性，具有较大的超调量和静差，响应速度也比较慢。为了获得更好的稳态控制方法，各种新型的控制方法产生了，有模糊控制理论；有自适应滤波控制；还有神经网络控制等等，但很多都只是处于理论阶段，本文根据原有的理论提出了基于电压差平方的PI调节的控制策略，通过软件设计和仿真结果，发现其有效地控制了直流侧电压的稳定，保证了APF的稳定运行和谐波补偿的效果。
3．1 基于电压差平方的PI控制理论
    根据两端口网络的能量守恒定律，忽略逆变桥的开关损耗，它从交流侧吸收或释放的能量等于它向直流侧电容充电或放电的能量，即：
   
    由此可知，可以由直流侧电容电压的变化的值来确定。

3．2 基于电压差平方的PI控制对谐波电流控制的原理
    与电网A相同相位的正余弦信号，通过锁相环PLL保证与电网同相位，通过正余弦发生器产生正余弦信号。自动实时的跟踪电网频率，采样的负载电流通过低通滤波对20 Hz以上频率进行滤波，然后进行ip—iq算法。其中，低通滤波器保证尽可能衰减交流分量，为保证滤波算法简单易行，系统采用IIR滤波器。直流侧电压对谐波电流的影响通过基于电压差平方的PI控制将补偿到，得到谐波电流。

4 仿真研究与实验结果
    本文搭建的仿真模型模型如图5，相关参数如下：系统相电压220V，系统线路阻抗0.3 Ω+0．3 mH，连接电感0．68 mH，变流器开关频率10 kHz，直流侧电容5000 uF，整流负载直流侧电感160 mH，电阻15 Ω。中间电压采用软启动，分三次升至稳定电压700 V。因为当APF滤波装置启动时，由于直流侧电压突然由未投入装置时的稳定值在极短的时间内上升至设定值，从而造成了较大的Udc。

5 结束语
    从可以看出基于电压差平方的PI调节比传统的PI调节对直流侧电压稳定控制在超调量和静差上都有很好的改善。通过仿真可以看到基于电压差平方的PI调节对补偿效果有明显改善，未补偿前THD=28．51％，采用传统PI调节后，谐波含有率大大降低，THD=3．74％，采用基于电压差平方的PI调节后，THD=2．23％，比传统PI调节有进一步改善。基于电压差平方的PI调节的控制策略，提高了APF稳定工作的性能。这种方法有较强的处理非线性的能力，且不需要增加硬件设备。仿真证明不仅提高了直流侧电压稳定，而且改善了滤波效果。