并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述及对比研究

1、并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述及对比研究General Expression and Comparison of the Control Methods for Parallel Active Power Filter摘要本文研究有源电力滤波器的控制方法。首先对比研究了串联型和并联型有源电力滤波器的常见控制方法。然后提出一种将并联型有源电力滤波器控制为电压源的控制方法，称为电压模式控制。之后，与传统的电流模式控制方法进行了比较，发现电流模式控制是电压模式控制的一种特例，直接控制变流器的输出电压更一般。进一步提出并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述，分析了控制方法有效的必要条件，并系统

2、化地推导出几种新型控制方法。仿真和实验证明了推导的新控制方法的有效性。 Abstract: This paper discusses a systematic method to analyze and design the control of parallel active power filters (PAPF. The discussion begins with the comparison of popular control schemes for series and parallel active power filter. Then a new voltage-mode c

3、ontrol scheme for PAPF is proposed and compared with current-mode control scheme. With comparison, the voltage-mode control is found more general than current-mode control, which stimulated further study of a general expression of the control methods, and leads to a systematic analysis and design me

4、thod. In a view of the whole system, a general control diagram is proposed to express any linear control method based on current detection. With different gains of detected current, different control scheme can be obtained. Although the gain of each current has many options, only four typical kinds

5、of gains are discussed for simplicity, and then all 64 possible control schemes are obtained from the general control diagram. To verify their validity, necessary conditions are proposed, with which several new voltage-mode control schemes are derived in a systematic way. Their validity is verified

6、by both time-domain computer simulations and experimental tests on hardware prototypes.关键词谐波补偿；有源电力滤波器；电压模式控制；电流模式控制；Keywords: Harmonics Compensation; Active Power Filter; Voltage-Mode Control; Voltage-Mode Control1 引言 随着电力电子技术的迅速发展，各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用，其产生的谐波以及造成的危害日益严重，使世界各国对谐波问题

7、都给予了十分的关心和重视1。消除谐波，可以将产生谐波的非线性负载进行改造，也可以增加无源滤波器或有源电力滤波器进行补偿。随着大功率可关断器件的不断进步，以及新型控制器和控制理论的发展，有源电力滤波器的研究和应用越来越广泛2。 有源电力滤波器有两类基本拓扑，串联型有源电力滤波器(SAPF Series Active Power Filter 和并联型有源电力滤波器(PAPF - Parallel Active Power Filter，如图 1所示。一般来说，串联型的拓扑适合补偿电压源型的谐波源负载，而并联型的拓扑适合补偿电流源型的谐波源负载3。由于控制方法对有源电力滤波器的性能具有关键作用，本

8、文选择这两种典型拓扑进行分析，侧重对其控制方法的研究。所采用的研究方法和思路，也可能适用于其他的主电路结构。 本文首先对比研究了串联型有源电力滤波器的两类常见控制方法。通常，串联型有源电力滤波器被控制为谐波电压源，抑制流入电网的谐波电流，这种控制方法可称为电压模式控制。2000年左右，有人提出一种电流模式的控制方法，将变流器控制为基波电流源。a 串联型有源电力滤波器的系统结构图 1 有源电力滤波器的基本拓扑图 2示意了这两类控制方法的基本思想。本文通过对这两种控制方法的框图进行对比，发现了这两种控制方法的共通之处。 uu s电流模式控制方法 图 2 串联型有源电力滤波器的两类控制方法 受串联型

9、有源电力滤波器控制方法的启发，本文对并联型有源电力滤波器的两类主要的控制方法进行了比较研究，然后提出了一种电压模式的控制方法，即直接控制变流器的补偿电压，如图 3b所示意。与常用的电流模式的控制方法进行了比较研究，发现电流模式的控制方法是电压模式控制方法的一种特例，因此对于电压源型的变流器，控制变流器的补偿电压更通用。受此启发，本文提出了一种并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述，分析了控制方法有效的必要条件，并系统化地推导出了一定条件下所有可能的四种控制方法。在对新控制方法的充分分析和比较后，分析了各控制方法在稳态精度、稳定性和相应速度上的差别。仿真和实验证明了新控制方法的有效性。 ua 电

10、流模式的控制方法 b 电压模式的控制方法 图 3 并联型有源电力滤波器的两类控制方法 2 串联型有源电力滤波器控制方法的比较研究 串联型有源电力滤波器可以抑制电压型谐波源负载产生的谐波电流，通常控制为谐波电压源，如图 4a所示。当变流器输出的谐波电压u C 为电网谐波电流的k 倍数时，串联型有源电力滤波器可等效为虚拟的谐波阻抗。对谐波来讲，有源电力滤波器可等效为阻值是k 的电阻，而对基波来讲，其阻值为0。通过控制串联型电能质量控制器的参数，让k 充分大，就能减小电网电流中的谐波成份，提高功率因数。图 4b为电压模式控制算法框图。电压模式控制方法中，当增益k 增大时，系统容易不稳定。2000年左

11、右，有人提出将变流器控制为基波电流源，即可以获得更好的补偿效果，又能提高系统的稳定性4-7，即电流模式控制，或基波磁通控制方法7，如图5a 。利用电流跟踪控制，通过控制变流器的输出电流i2跟随电网电流i1的基波分量，可以抑制流过电网的谐波电流，其控制结构如图 5b 所示。其中电流跟踪控制有多种选择，可采用滞环比较，也可用三角波比较。图 4 串联型有源电力滤波器的电压模式控制方法b 控制算法框图图 5 串联型有源电力滤波器的电流模式控制方法新提出的电流模式控制方法和电压模式的控制方法检测相同的信号，控制相同的主电路，为什么可以获得更好的补偿效果，又能不影响系统的稳定性呢？通过对控制框图的比较，可

12、以发现这两种控制方法其实具有相通之处。如图 6所示，从系统的角度看，包含有源电力滤波器的整个系统包含两部分：主电路和控制算法。对上述两种控制方法的比较，需要结合主电路和控制算法，研究整体的控制结构。文献1推导了并联型有源电力滤波器的主电路，结论如图 7所示，图中u S 为电源电压，u L 为电压源型谐波源负载的等效谐波电压，u C 为控制变流器输出的补偿电压。对于电压型逆变器构成的串联有源电力滤波器，任何控制方法，最终都是通过控制逆变器输出的补偿电压u C 来实现控制的。 图 图 7 串联型有源电力滤波器主电路模型 结合该主电路模型和两种控制方法， 可以得到电流模式和电压模式控制方法下串联有源

13、电力滤波器的系统控制框图，分别如图 10和图 9所示。 根据控制框图等效的原则，可以对电流模式控制的系统框图进行变换，得到图 10的形式。与电压源控制的系统整体控制框图相比较，可以发现两者几乎一样，唯一的差别是调节器不同。值得借鉴的是，电压模式控制方法中的比例系数k 实际相当于闭环回路中的调节器，可以选择其它的调节器以达到更好的控制效果和更好的稳定性。3 并联型有源电力滤波器控制方法的比较研究通常，并联型有源电力滤波器的控制算法需要检测电流谐波，产生补偿电流的指令，并利用电流反馈跟踪控制，输出相应的谐波补偿电流。图 11为其一般的控制结构。图 11 并联型有源电力滤波器控制结构由于谐波检测的重

14、要性，高性能、快速的谐波检测方法一直是研究的重点内容之一。近年来，有人提出无谐波检测的控制方法，引起广泛研究。比较典型无谐波检测的控制方法是检测支流侧电容电压的控制方法9,10和单周 图 10 电流模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图 图9 电压模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图 图 10 电流模式控制方法下的串联有源电力滤波器系统控制框图的另一种形式控制11,12。图 12为其一般的控制结构，其基本的控制思想是将通过电源电流反馈，使其跟踪一正弦指令，而获得正弦的电网电流；而正弦电流的幅度，可以通过检测变流器的直流侧电容电压来获得。 图 12 无谐波检测控制方法的基本结构

15、受上节串联型有源电力滤波器控制方法比较研究的启发，本节对并联型有源电力滤波器的检测谐波和不检测谐波的这两类控制方法进行比较研究。为了比较两者的控制框图，将含有谐波检测算法的控制框图图 13a进行一系列等效变换，得到图 13d的形式。与图 12无谐波检测控制方法的控制框图相比，唯一的差别是负载电流基波的前馈通道。经过比较研究发现，无谐波检测的控制方法(包括检测直流侧电容电压的控制方法、单周控制等 ，是检测负载谐波电流的控制方法中的直流侧控制环节13。谐波检测的作用，就是增加了负载基波电流的前馈通道。两种控制方法对谐波的控制效果是一样的，而当负载基波发生变换时，含谐波检测的控制方法对负载基波的变换

16、具有更好更快的响应。可以说，无谐波检测的控制方法是反馈控制，而检测谐波电流的控制方法是符合控制，是反馈控制加负载基波电流的前馈控制。4 并联型有源电力滤波器的一种新型电压源控制方法受对偶思想及对串联型有源电力滤波器控制方法比较研究的启发，本文提出一种并联有源电力滤波器的电压模式控制方法。并联型有源电力滤波器一般被控制为谐波电流源。通过各种谐波检测算法，得到变流器要输出的补偿电流的指令，通过电流跟踪控制，产生相应的补偿电流。图 14为其电流内环控制框图，其中i C 为PAPF 输出的补偿电流，*Ci 为补偿电流指令，u S 为电源电压。当变流器的补偿电流i C 能够快速、准确的跟踪指令时，整个并

17、联型有源电力滤波器可以看作谐波电流源。 图 14 电流源控制方法的电流内环控制框图.然后补偿电流不仅受有源电力滤波器的变流器控制，还受电网电压、电网阻抗等因素影响，因此要控制出理想的电流源是比较困难的。受对偶思想及对串联型有源电力滤波器控制方法比较研究的启发，本文提出直接控制变流器的补偿电压来实现谐波补偿的目标，其等 效电路如图 15所示14。 a b c d图 13 无谐波检测控制框图的等效变化 图 15 并联型有源电力滤波器电压模式控制的等效电路4.1 基本控制思想该电压源控制方法的基本控制思想，可以用虚拟的阻抗来解释。控制系统检测系统的电流，控制输出的补偿电压，可以看作控制出虚拟的阻抗。

18、分别讨论基波和谐波的情况。a 谐波等效电路为了抑制流入电网侧谐波电流，控制有源电力滤波器输出的电压为电网的谐波电流的k S 倍，其控制算法的拉普拉斯变换为*( ( C S Sh U s k I s =(1式中：*C U 补偿电压的指令；Sh I 电源电流的谐波分量；S k 控制器的系数。因此，在谐波所在频率，PAPF 被控制为电网侧的虚拟电阻，称为虚拟跨导。图 16为该方法控制下的谐波等效电路图。L 图 16 PAPF 控制为电网侧虚拟谐波电阻时的等效电路为了实现更好的补偿效果，可进一步在电网侧串联虚拟的电感。此时，PAPF 补偿电压指令的拉普拉斯变换为：*01( ( ( C S S Sh U

19、 s k k s I s =+(2为了得到更好的效果，还可采用更高阶的虚拟阻抗。b 基波等效电路为了提高电能利用的效率，应当尽量避免有源电力滤波器消耗不必要的有功功率，抑制并联支路的基波有功电流。与抑制谐波的思想一样，可以在并联支路串联虚拟的基波阻抗。补偿电压指令的拉普拉斯变换为：*( ( C C Cf U s k I s =(3式中： *C U 补偿电压的指令；Cf I 补偿电流的基波分量；C k 控制器的系数。系统的基波等效电路如图 17所示。 图 17 系统的基波等效电路同样，为了实现更好的控制效果，可以增加虚拟的电容，如(4，或高阶的虚拟容抗。*10( ( C C C Cf k U s

20、 k I s s =+ (44.2 控制框图分析为了更深入分析提出的新型电压源控制方法的特性，图 18描述了补偿电流和电网电 流的控制框图。主电路的输入是电源电压u S 、负载谐波电流i L 和APF 输出的补偿电压u C ，系统的输出是补偿电流和电网电流。 a 低频下补偿电流的控制框图 b 谐波频率下电网电流的控制框图 图 18 新型电压源控制方法的两个控制环路有源电力滤波器的控制目标是输出谐波补偿电流，确保电网电流不含有谐波。如图 18a 所示，对补偿电流的控制，可认为是指令为零的闭环控制，使补偿电流的基波分量i Cf 趋于零。同样如图 18b所示，控制电网电流的谐波 iSh 跟踪零指令，

21、最终使得电网电流不 含谐波。 本文提出控制 PAPF 为虚拟的阻抗，本质 上是闭环反馈控制中的调节器。当将 PAPF 控 制为虚拟的电阻和电感时，相当于选择比例/ 积分(proportional/integral -PI调节器。为了实 现更好的闭环控制效果， 不仅可以选择更高阶 的调节器，还可以选用其他结构的调节器。 将补偿电流和电网电流的控制框图结合 起来，图 19 为该电压源控制方法完整的控制 框图。 APF 输出的补偿电压指令， 可以根据图 20 所示算法生成，其中 HC(s和 HS(s分别是 补偿电流和电源电流控制的调节器， 可以选用 PI 调节器，也可以选择其他更高阶的调节器。 1

22、Z +Z S C 1 ZS + ZC ZC 1 ZS + ZC ZS + ZC ZS 1 ZS + ZC ZS + ZC 整个主电路为线性系统， 22 示意了单相系 图 统的等效线性电路。 图 22 单相有源电力滤波器的等效线性主电路 不难建立主电路的电路方程， 得到电流和 各个源之间的关系： 1 Z S + ZC IS 1 I = C Z +Z C U L C ZC Z S + ZC ZC Z S + ZC ZS ZC + ZC Z S ZC Z S + ZC 1 Z S + ZC U S 1 I Lh Z S + ZC U C ZS Z S + ZC uC * uC 图 19 新型电压源控

23、制方法完整的控制框图 iC iCf H C (s u *C uC iS iSh H S ( s 图 20 新型电压源控制方法的指令生成算法 5 并联型有源电力滤波器控制方法 的统一描述 与串联型有源电力滤波器类似， 从系统的 角度看， 并联型有源电力滤波器的整个系统也 包含两部分：主电路和控制算法，如图 21 所 示。本文在主电路线性模型的基础上，提出并 联型有源电力滤波器控制算法的统一描述。 式中 ZS 电网阻抗； ZC 有源电力滤波器的等效阻抗； 为了简化计算， ZL 负载的等效阻抗， 假设为远大于电网阻抗。 因此，主电路可以用图 23 的框图表示， 输入为电网电压 uS、补偿电压 uC

24、和负载电流 输出为要补偿的电网电流 iS 和补偿电流 iC。 iL， 对于电压型变流器构成的并联型有源电力滤 波器，只能通过控制补偿电压 uC 而控制系统 的输出电流，进而实现谐波补偿的目标。 1 Z +Z S C 1 Z + Z S C ZC 1 ZS + ZC ZS + ZC ZS 1 ZS + ZC ZS + ZC 图 23 主电路的框图模型 5.2 线性控制方法 根本来说，控制算法的作用，都是从监测 的信号获得补偿指令， 进而控制补偿电压或占 空比。通常补偿指令通过检测的电网电流、补 偿电流或负载电流获得。 图 21 有源电力滤波器的系统框图 * uC = f ( iL , iS ,

25、iC (5 5.1 主电路的线性模型 首先建立主电路的线性模型。 外接大电感 的整流电路可以用谐波电流源 iLh 表示，而有 源电力滤波器可用平均模型进行线性化， 因此 当采用线性的控制方法时，控制算法的 s 域表达式为： U *C (s = kL (s I L (s + kS (s I S (s kC (s IC (s 因此， 并联型有源电力滤波器的整个系统 可用图 24 表达。它包含三个滤波器(或调节 器，选择不同类型的滤波器(或调节器，可以 得到不同的控制方法。 a 检测电流的通道增益 1 Z +Z S C 1 ZS + ZC ZC 1 ZS + ZC ZS + ZC ZS 1 ZS +

26、 ZC ZS + ZC 1 Z +Z S C C 1 ZS + ZC ZC 1 ZS + ZC ZS + ZC ZS 1 ZS + ZC ZS + ZC uC * uC uC * u b 控制框图 图 26 用统一描述表达常规的电流模式控制 图 24 并联型有源电力滤波器控制方法的统一描述 当补偿电流采用单位反馈（即 kC=1） L ，k 为谐波检测算法或高通滤波器， 不检测电源电 流（kS=0）时，图 24 所示统一的控制方法即 为常规的电流模式控制方法。 本节分析控制方法有效的必要条件。 并联 型有源电力滤波器有三个基本的约束如(6所 示。 6 统一描述下衍生出的并联型有源 电力滤波器新的

27、控制方法 为了进行更深入的分析， 不妨限定各检测 信号的通道增益仅为低通滤波器、高通滤波 器、全 0 或全 1。这样，检测三个信号，共有 64 种可能的控制方法，如图 25 所示。 iL (t = iS (t + iC (t iSh (t = 0, iCf (t = 0 e(t 0 (6.a (6.c (6.b (6 其中，(6.a为基尔霍夫定律所约束的电流 关系，系统中的三个电流并非完全独立。(6.b 为并联型有源电力滤波器的控制目标。 e(t为控制误差， a 当负载电流的增益为高通滤波器时 b 当负载电流的增益为低通滤波器时 c 当负载电流的增益为全通滤波器时 d 当负载电流的增益为 0

28、时 图 25 所有 64 种可能的控制方法 e( s = iL ( s iC ( s +iS ( s K L (s 1 + G ( s H C ( s KC ( s + G ( s H S ( s K S ( s KC (s 1 + G ( s H C (s KC (s K S (s 1 + G ( s H S ( s K S ( s 基波，从而抑制流入电网的电流，实现谐波补 偿的目标。此时，变流器输出的补偿电压指令 为： U *C ( s = kS I S ( s kL LPF ( s I L ( s 当各检测电流的通道系数如图 27d所 示，即 K C ( s = kC HPF ( s K

29、 L ( s = k Lf LPF ( s + k Lh HPF ( s (10 K ( s = k LPF ( s S S 系统的控制框图如图 29 所示。 * 1 Z +Z S C 1 ZS + ZC ZC 1 ZS + ZC ZS + ZC ZS 1 ZS + ZC ZS + ZC 当控制效果较好时，系统的误差 e(t应当 趋向于无差。 根据这三个约束条件， 可以得到控制方法 有效的必要条件(7。 K Lf = K Sf K Lh = K Ch (7 uC 式中下标 f 表示基波分量(或低频分量， h 表示谐波分量(或高频分量。 在所有的 64 种控制方法中，满足该必要 条件的有 16

30、种，如图 25 所标示。为了保证 系统是可控的， 变流器的输出电压不能恒为 0， 据此，必要条件为(8 uC 图 29 新型控制方法 II 的系统控制框图 K Lf = K Sf KCf K Lh = KCh K Sh (8 满足此条件的控制方法仅有 4 种， 其中 a 即为常规的电流模式控制方法，b为本文提出 的电压模式控制方法。 c和 d为两种新的控制 方法。对他们逐一分析，发现都是可行的。 它包含两个闭环回路。谐波的闭环回路， 控制变流器输出的补偿电流跟随负载电流的 谐波；而基波的闭环回路，控制电源电流的基 波跟踪负载电流的基波。此时，变流器输出的 补偿电压指令为： U *C ( s = kS LPF ( s I S ( s k Lf LPF ( s I L ( s + k Lh HPF ( s I L ( s kC HPF ( s I C ( s 7 仿真和实验结果 本文提出的电压模式控制方法和推导的两种新型控制方法都经 过仿真和实验验证。錯誤! 找不到參照來源。为仿真结果， iL: 负载电流, iC:补偿电流, is:电源电流 图 31 为实验结果。 8 结论 a b c 图 27 可行的四种控制方法 d 当各检测电流的通道系数如图 27c所 示