有源电力滤波器的控制策略综述

有源电力滤波器的控制策略综述

王建元󰀁张国富东北电力大学

󰀁󰀁摘要:随着电力电子装置的广泛应用,大量的谐波和无功电流注入电网,引起电网污染,造成电能质量问题日益严重。有源电力滤波器(activepowerfilter,APF)是补偿电力系统谐波及无功功率的重要装置,其控制的实时性和准确性是实现有效补偿的一个关键。介绍了几种适合于有源电力滤波器的谐波电流检测方法和补偿电流控制策略的基本原理,进行了对比分析,并指出了它们各自的优缺点。控制策略的不断发展可使有源滤波器获得更好的性能和更广泛的应用。

关键词:有源电力滤波器󰀁检测方法󰀁控制策略

OverviewsofControlStrategyofActivePowerFilter

WangJianyuan󰀁ZhangGuofu

Abstract:Withthewideapplicationofpowerelectronicequipmentsinpowersystem,moreharmonicandreactivecurrentarepouredintothepowersystem,whichcausepowerpollutionandmakethepowerqualityproblemincreasinglyserious.Activepowerfilter(APF)isanimportantequipmenttocompensateharmonicandreactivecurrentinpowersystemandthekeyoftheeffectivecompensationliesintherea-ltimeandaccuratecontrol.Thefundamentalprinciplesofseveraldetectmethodsofharmoniccurrentandcontrolstrategiesofcompensatecurrentwerepresented,oncontrastanalysiswascarried,andtherespectivemeritanddemeritofthesecontrolstrategieswerepointedout.Withthecontinuousdevelopmentofthecontrolstrategy,activepowerfilterwillachievehigherperformancesandwiderapplication.

Keywords:activepowerfilter󰀁detectmethod󰀁controlstrategy

1󰀁引言

随着电力电子技术的飞速发展,越来越多的电力电子装置被广泛应用到各个领域,近年来配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉等非线性负荷不断增加,这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性,使电网中暂态冲击、无功功率、高次谐波及三相不平衡问题日趋严重,对公用电网的供电质量造成了严重影响,因此,消除电网中的谐波污染已成为电能质量研究中的一个重要课题。

有源电力滤波器(APF)是一种消除电网谐波的有效装置,具有高度可控和快速响应的特性,它不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点。其滤波特性不受系统阻抗的影响,同时还具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化的谐波。作为一种新型电力电子装置,APF工6作性能决定于主电路构成元件及其控制系统,当APF主电路确定后,控制方法成为决定其输出性能和效率的关键。

APF的控制主要由谐波信号的检测和补偿分量的产生两大部分组成。如图1所示,APF通过检测电路检测出电网中电流/电压的畸变部分,然后采用某种控制方式控制功率电路产生相应的补偿电流分量,并注入到电网中,以达到消谐的目的。本文针对几种适合于APF的补偿电流检测

图1󰀁APF原理图

󰀁有源电力滤波器的控制策略综述电气传动󰀁2007年󰀁第37卷󰀁第6期󰀁

方法和控制策略,分别进行对比分析,并指出了它们各自的优缺点。较小。但是该方法需要进行FFT变换及其反变换,计算量非常大,因而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时,将会引起较大的非同步采样误差,对谐波电流的检测精度影响很大。

2.4󰀁基于采样保持原理的谐波电流检测法

文献[3]中,J.W.Dixon等人提出了一种应用采样/保持电路来实现谐波、无功电流和不平衡负载的检测计算的方法。此方案将负载电流经一带通滤波器得到相电流基波瞬时值,其经过整流输入采样保持电路,采样保持电路与相电压峰值同步,采样保持电路获得的直流信号正比于电流有功分量幅值。用同样的方法得到另外两相的直流信号,根据负载的有功功率,对这三相直流信号进行平均,平均后的直流信号与3个对称的正弦参考波形相乘,可以获得各相对称基波有功电流,然后它们与实际负载电流相减就得到了所需的补偿电流值。此方法得到的检测电路既可用于谐波抑制、补偿功率因数,又能平衡系统三相功率。它没有复杂的坐标变换和乘除法数学运算,可以避免负载电流瞬变引起的电源电压波动和瞬变现象。但对电路元器件精度要求较高,调整较为困难,且电压波形发生畸变时,无法实现有效补偿。2.5󰀁瞬时空间矢量法

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前APF中应用最广的一种检测方法,最早是由日本学者H.Akagi于1984年提出的,经过不断改进,现在包括p-q法[4]、ip-iq法[5]以及d-q法[6]。其中,p-q法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测;ip-iq法不仅在电网电压畸变时适用,在电网电压不对称时也同样有效;而基于同步旋转坐标变换的d-q法可在电网电压不对称、畸变情况下精确地检测出谐波电流,其优点是当电网电压对称且无畸变时,各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的检测电路比较简单。

2.6󰀁自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法

该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理,将电压作为参考输入,负载电流作为原始输入,从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量,而得到所有谐波与无功电流之和。按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统,故其运行特性与元件参数几乎无关,对器件特性的依赖性也不大。当电网电压发生波形畸变以及频率

72󰀁补偿电流的检测方法

2.1󰀁提取基波分量法

该方法是最早被采用的谐波电流检测方法,其原理是使用带通(或带阻)滤波器将基波电流从检测的电流中分离出来,从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单,但是所采用的高阶滤波器会产生附加相移,造成输出信号畸变,影响补偿效果。此外,这种方法还存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点,因而目前已较少采用。有文献介绍利用小波变换技术提取基波分量实现谐波电流的检测,其具体效果如何还需要进行深入研究和探讨。

2.2󰀁基于Fryze时域分析的有功电流检测法

其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量:一个是与电网电压波形完全一致的电流分量,称为有功电流分量;另一个分量为负载电流与有功电流的差值,包含基波无功和谐波,称为广义无功电流分量。该方法的主要缺点是必须计算负载的有功功率和电网电压的有效值,这需要对电网电压和负载电流的乘积以及电网电压信号的平方进行积分运算,再加上其他运算电路所需的计算时间,用该方法计算出广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟,故不适用于频繁变化负载的补偿。而且,这种方法仅仅区分有功电流和广义无功电流,却无法将基波无功和谐波电流相分离,因此这种方法只能适用于全补偿的场合,对于需要将基波无功电流和谐波电流分别补偿的情况,该方法无法应用。

2.3󰀁频域分析的快速傅立叶变换(FFT)检测法

该方法[2]是建立在Fourier分析的基础上的,因此要求被补偿的波形是周期变换的,否则会带来较大误差。通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解,得各次谐波的幅值和相位系数,将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得到所需的误差信号,再将该误差信号进行FFT反变换,即可得补偿信号。其优点是可以选择拟消除的谐波次数,通过附加的计算,该方法还可以通过电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系,计算出负载电流的基波有功和基波无功电流;而且受环境因素影响也

[1]

󰀁电气传动󰀁2007年󰀁第37卷󰀁第6期有源电力滤波器的控制策略综述󰀁

波动时,检测系统仍能正常工作,具有良好的自适应能力,但动态响应速度较慢。由于人工神经元网络具有自学习和电流自适应的能力,因此人们将智能控制理论应用到无功和谐波电流检测上。文献[7]将人工神经网络理论与信号处理中的自适应噪声对消技术相结合,提出了一种基于单个神经元的自适应谐波电流检测方法。但这些方法大多停留在仿真研究,还没有应用到实际系统中。

2.7󰀁基于神经网络的检测法

该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起来而形成的一种新型智能控制手段。人工神经网络以自学功能性强,进化算法和方向传播用于神经网络的训练,不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算,且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相3线或三相4线制非线性负载的APF系统。具有以下优点:

1)可以通过模拟电路实现,所以该方法简单而方便;

2)该方法对负载具有自适应的特点;

3)该方法克服了采用电子滤波的时延现象;4)该方法可以同时检测谐波、无功、基波负序和零序电流。

器件。传统滞环控制也有开关频率变化范围大、负载换路时被控制量常常不能得到有效控制等缺点。

3.3󰀁无差拍控制

无差拍控制(dead-beatcontrol)是一种在滞环电流控制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值,计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值,选择使电流误差最小的开关模式作为下一时刻的开关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化,特别适合快速暂态控制。缺点是计算量大,造成延迟,而且对系统参数依赖性较大,影响整个系统的稳定性。近年来不断有新的改进方法出现。3.4󰀁特定消谐法

特定消谐(selectiveharmonicelimination,SHE)PWM因其优越的输出频谱特性而受到广泛重视。1973年美国密苏里大学的HasmukhSParel和RichardGHoft提出了特定消谐PWM技术,其基本原理是在周期性输出波形的特定角度上设置合适的缺口,而且输出波形满足半周期奇对称,四分之一周期偶对称,通过逆变器的斩控作用,将固定幅值的电压或电流转换成基波含量极高、消除有限低次特定谐波的等效正弦波。在四分之一周期的波形上,每设置一个缺口,就可以消除一种谐波。在相同的THD下,特定消谐PWM具有开关频率低且固定,开关延时小且开关损耗低,高次谐波相对于基波的含量不变和次级滤波器易于实现的优点。特定消谐PWM可以分为单极性和双极性两种。文献[9]利用能量守恒原理实现了特定消谐PWM开关角的优化,在不提高开关角数目的情况下,将剩余高次谐波后推,提高了脉冲优化的效率。3.5󰀁空间矢量控制

空间矢量调制(spacevectormodulation,SVM)是将三相整流器件作为一个整体来考虑,通过控制与参考矢量最接近的3个开关矢量组合的作用时间,使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等;其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量,使合成的空间矢量含有调制波的信息。

采用空间矢量脉宽调制,通过优化开关矢量

3󰀁补偿电流的控制策略

3.1󰀁三角载波线性控制

三角载波线性控制(trianglewave-linearcontrol)是最简单的一种控制方法,通过将检测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较,所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号,从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好,开关频率固定,实现电路简单,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。

3.2󰀁滞环电流控制

滞环电流控制[8](hysteresiscurrentcontrol,HCC)是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法,它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞环,通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。

滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度,增强了抑制环内扰动的能力,控制精度较高,还可通过防止逆变器过流而保护功率开关8󰀁有源电力滤波器的控制策略综述电气传动󰀁2007年󰀁第37卷󰀁第6期󰀁

可有效降低开关频率和减小交流侧线电流的总谐波畸变率;但受一般微控制器运算能力所限,该控制方法经常要在实现速度与合成脉宽调制(PWM)波形质量之间进行折衷,应用DSP可使该控制系统向高可靠、高性能的全数字化方向发展。

3.6󰀁组合变流器相移SPWM控制

为了实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿,需要开关器件工作在较高的频率下。但大功率正弦波脉宽调制(SPWM)变流器开关频率会受限制,原因有2个:1)大功率半导体器件(GTO等)的开关频率较低;2)高的开关频率会导致较大的开关损耗,降低系统效率。而多重化的功率变换器调节性能较差,不能完全满足现代电网的要求。

为此,文献[10]提出了组合变流器相移SP-WM技术。该技术的实质是多重化和PWM技术的有机结合,能够在低开关频率下实现大功率变流器相移SPWM技术,而且显著地减少输出谐波,改善输出波形,从而减少滤波器的容量。同时,相移SPWM变流器具有良好的动态响应和较高的传输频带,使许多先进的控制手段得以应用,控制性能得以提高。电流型变流器具有直接提供电流,运行可靠,保护简单等优点,在许多大功率场合得到应用。例如:电网有源补偿装置,如果采用电流型相移SPWM技术,可以达到结构简单、控制特性好、响应快、频带宽、消除谐波能力强等优点。这就解决了大功率装置与器件开关频率较低的矛盾,可使GTO等特大功率器件组成的变流器用于APF装置。因此,这种技术在APF等大功率场合中具有广阔的应用前景。3.7󰀁单周控制

单周控制(one-cyclecontrol,OCC)又称积分复位控制(integrationresetcontrol,IRC),是一种新型非线性控制法,最早由美国学者KeyueMSmedley和SlobodanCuk提出。基本思想是控制开关占空比,在每个控制周期内使开关变量的平均值与控制参考信号相等或成比例,从而消除稳态和瞬态误差。其原理如图2所示。它主要具有如下优点:

1)开关调制频率恒定;

2)控制系统简单,仅由RS触发器或D触发器构成的控制器、比较器、积分器及时钟电路等几部分组成;

3)可在一周期内消除开关变量和控制参考信

号之间的稳态和动态误差。

它也具有如下一些明显的缺点:

1)系统性能易受外界条件的影响,抗干扰性能差,难以稳定工作;

2)补偿后的电源输出电流波形有畸变,轻载时畸变较严重;

3)系统对电路参数要求十分精确,否则电网侧电路上有电流直流分量产生。极大地阻碍了它的应用推广。目前研究的单周控制APF仅仅适合于中小功率场合。

图2󰀁单周控制原理图

3.8󰀁滑模控制

滑模控制(slidingmodecontrol,SMC)是一种设计与分析紧密结合、具有对模型不确定和对外界扰动不变化及鲁棒性强等特点的控制方法,其原理是利用控制的不连续性,依靠其高频转换强制闭环系统到达并保持在所设计的滑动面上。在一定的条件下滑动模对干扰与系统参数的变化具有不变性,这也是鲁棒控制所需解决的问题。

基于滑模控制技术的APF,首先利用瞬时无功理论对采样信号进行分析,再进行滑模控制(包括预设滑模面、测试滑模面的存在条件、滑模面内部的稳定性分析),最后实现PWM驱动信号输出。DSP的应用减少了获取参考信号以及分离谐波电流所需的硬件,特别是在功率器件的功率等级较高时,成本将会大大降低;增强了系统的鲁棒性,即使在负载变化时直流侧电压也能保持稳定,THD较小且功率因数接近1。然而滑模控制的不连续开关特性容易引起系统的颤动,这种颤动可能将系统中存在的高频成分激励起来,甚至使系统不稳定。3.9󰀁变结构控制

目前,混合型电力滤波器(HAPF)是一种效率较高、应用极为广泛的APF。其中,无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波,并提供一定的

9󰀁电气传动󰀁2007年󰀁第37卷󰀁第6期有源电力滤波器的控制策略综述󰀁

基波无功补偿;而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。HAPF以非常小容量的有源滤波器,就可以弥补无源滤波器特性的一些固有缺陷。这样既可以改善无源滤波器的滤波效果,防止与电网之间发生谐振,又避免了并联有源滤波器的谐波电流注入并联的无源滤波器形成谐波短路的现象,提高了有源滤波器的有限容量的利用率。

HAPF的控制策略,大多以瞬时功率理论为基础,通过对电力系统中无功和谐波电流的检测计算来实现无功功率和谐波电流的补偿。不仅计算、控制复杂,而且由于未对期望的电源电流实现闭环跟踪控制,测量和计算误差得不到补偿,影响了其补偿性能的提高。变结构控制[11](variable

structurecontrol,VSC)对系统的变化和外部干

扰不敏感,具有很强的鲁棒性,文献[12]应用VSC理论,在建立空间矢量数学模型的基础上,推出一种混合型电力滤波器的变结构控制方法,避免了较复杂的谐波电流计算,实现了对电源电流和电容电压的闭环控制,是一种简单有效且易于实现的控制方法。3.10󰀁模糊控制

模糊控制(fuzzycontrol,FC)系统是一种以模糊数学、模糊语言形式表示知识,以模糊逻辑的规则推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道闭环结构的数字非线性控制系统,其原理如图3所示,核心部件为模糊控制器。

[13]

图3󰀁模糊控制原理图󰀁

󰀁󰀁模糊控制的特点是从工业过程的定性认识出发,设计系统时不需要建立被控对象的数学模型,只要求掌握现场操作人员或有关专家的经验或操作数据且系统具有较强的鲁棒性,尤其适合于非线性、时变、滞后系统的控制。模糊控制要取得较好的控制效果,必须具有较完善的控制规则,对于某些复杂的工业过程,有时难以总结出较完整的经验,且对象动态特性发生变化或受到随机干扰的影响时,模糊控制的效果都会变化。

文献[14]介绍了一种基于DSP的智能型混合有源滤波器,其自适应模糊控制框图如图4所示,负载谐波电流通过模糊控制器转换为三角波调制信号,再经过变压器接入电网。通过在线调整模糊控制实现模糊控制器的自适应控制,取得

了良好的控制效果。该方法存在的问题是,如何选择将实际的输入量变换为模糊集合的输入尺度变换因子,取值过小将引起较大的稳态误差,过大则会使超调量变大。3.11󰀁重复控制

重复控制(repetitivecontrol,RC)来源于控制理论中的内模原理,它将作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反馈控制系统,在系统周期不变的前提下重复控制器将上一周期的控制误差应用到当前控制量的生成中,使其对周期性扰动具有良好的抑制能力。采用重复控制的APF,控制部分由两条环路构成:内环为电流控制环,作用是通过重复控制使电源电流与电源电压保持同相位;外环为电压控制环,作用是在负载变化时保持APF的直流侧电压稳定。重复控制要求扰动信号是时间的周期函数,但系统的实际运行是周期波动的,直接应用重复控制的效果并不理想,文献[15]提出了基于重复控制原理的前馈动态补偿方案,提高了系统的稳定性。

3.12󰀁人工神经网络控制

图4󰀁有源电力滤波器自适应模糊控制框图

人工神经网络(artificialneuralnetwork,

10󰀁有源电力滤波器的控制策略综述电气传动󰀁2007年󰀁第37卷󰀁第6期󰀁

ThreePhaseActivePowerFilterwhichSimultaneous-lyCompensatesPowerFactorandUnbalancedLoads[J].TransonIndustrialElectronics,1995,42(6):636-641

4󰀁黄玲,刘骥,曹滨等.基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法[J].哈尔滨理工大学学报,2001,6(4):103-106

5󰀁杨君,王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究[J].电工技术学报,1995,10(2):43-486󰀁李庚银,陈志业,丁巧林等.dq0坐标系下广义瞬时无功功率定义及其补偿[J].中国电机工程学报,1996,16(3):176-179

7󰀁WangSY,HongCM,LiuCC.DesignofaStaticReactivePowerCompensatorUsingFuzzySlidingModeControl[J].InternationalJournalofControl,1996,63(2):393-413

8󰀁曾江,焦连伟,倪以信等.有源滤波器定频滞环电流控制新方法[J].电网技术,2000,24(6):1-8

9󰀁MattavelliP.AClosed-loopSelectiveHarmonicCom-pensationforActiveFilters[J].IEEETransonIndus-tryApplication,2001,37(1):81-89

10ZhangZhongchao,OoiBT.Mult-imodularCurrent

SourceSPWMConverterforSMES[J].IEEETrans.PE,1993,8(3):250-256

11WojciakPF,TorreyDA.TheDesignandImple-mentationofActivePowerFiltersBasedonVariableStructureSystemConcepts[C].IEEE-IASAnnualMeetingConferenceRecord,1992:950-95712童梅,项基.一种混合型电力滤波器的变结构控制

[J].电工技术学报,2002,17(1):59-63

13DixonJ,ContardoJ,MoranL.DCLinkControlfor

anActivePowerFilter,SensingtheLineCurrentOnly[C].IEEEAnnPESC,Illinois-IEEE,1997:1109-1114

14徐万方,罗安,王丽娜等.采用智能控制的混合型有源

电力滤波系统[J].电力系统自动化,2003,27(10):49-52

15张东纯,曾鸣,苏宝库.基于重复控制的动态补偿器及

其在恒速调节系统中的应用[J].中国电机工程学报,2001,21(7):95-98

16ChenYM,ConnellRM.ActivePowerLineCond-i

tionerwithaNeuralNetworkControl[A].IEEE-IASAnnualMeetingConferenceRecord,California-IEEE,1996:2259-2264

收稿日期:2006-03-28修改稿日期:2006-12-07

ANN)是一个由简单处理单元构成的规模宏大的

并行分布式处理器。神经网络控制的主要特点是它的信息处理并行机制可以解决控制系统中大规模的实时计算问题,且对复杂不确定问题具有自适应和学习能力。

目前神经网络在知识处理过程方面的应用研究规模还很小,还有许多问题有待进一步解决。由于人工神经网络具有记忆能力,因此可将需要耗费大量时间的复杂运算过程放到神经网络的训练过程中,实现各种测量和控制的实时性和准确性。

基于神经网络控制[16]的理想PWM变换器通过前馈人工神经网络控制开关触发角,最终可对29次以下的谐波进行全补偿。该系统在主机的子程序进行仿真,离线训练得到神经网络的权值分量和偏值分量并在初始化时下载到DSP上,初始输入值每改变一次,DSP内相应的子程序就会被调用一次计算触发角,并控制逆变器开关的通断。该方法使用分段线性神经网络避免了传统S型函数中复杂的指数和除法运算,降低了DSP内的计算时延。但考虑到每次离线计算以及初始化所需要的时延,该方法不适于对时变负载进行补偿。

4󰀁结语

除了以上的控制方法外,还有一些研究将自抗扰控制、遗传算法等先进控制算法应用到APF控制中。但目前对于APF的研究还处于理论和仿真研究阶段,尤其是先进的算法在APF中还没有实际的应用实例。有关APF的控制策略正随着DSP技术和智能控制理论的发展不断涌现,随着控制策略的改进,APF的特性将不断提高,而相应的价格将不断下降,在各个领域的应用也将越来越普及。

参考文献

1󰀁杨晔,任震,唐卓尧.基于小波变换检测谐波的新方法

[J].电力系统自动化,1997,21(10):39-42

2󰀁HabroukM,DarwishMK.DesignandImplementa-tionofaModifiedFourierAnalysisHarmonicCurrentComputationTechniqueforPowerActiveUsingDSPs[J].IEEProcElectrPowerAppl,2001,148(1):21-27

3󰀁DixonJW,GarciaJJ,MoranL.ControlSystemfor

11