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新型注入式HAPF谐波电流及直流侧电压控制新方法

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第28卷第19期中国电机工程学报 V ol.28 No.19 Jul. 5, 2008

新型注入式HAPF谐波电流及直流侧

电压控制新方法

赵伟，罗安，彭建春，涂春鸣

(湖南大学电气与信息工程学院，湖南沙市 410082)

Novel Current and DC-side Voltage Control Methods Used in New

Resonance Injection Type HAPF

ZHAO Wei, LUO An, PENG Jian-chun, TU Chun-ming

(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082,Hunan Province, China)

ABSTRACT: The effect of active and passive part will overlap, and amplitude or phase of injection current will change after it flow through the injection branch and output filter when injection type hybrid active power filter is used. Furthermore, rectifier is usually used to provide DC-side voltage for the existence of fundamental resonance circuit, it leads to a great fluctuation in DC-side voltage. To solve the above problems, a novel resonance injection type hybrid active power filter is presented, it allows the energy exchange between the DC-side capacitor and grid, DC-side voltage will be stabilized after the proposed control method base on the regulation of reactive current is adapted. On the other hand, a new current control method is proposed which is based on the control of error between injection current and harmonic current compensated by passive power filter using recursive PI. Simulation and experiment results have shown that the proposed control methods have high control precision, high response speed and small computation capacity.

KEY WORDS: resonance injection type; hybrid active power filter; current control; recursive integral PI; DC-side voltage

摘要：针对注入式混合有源滤波器中无源与有源部分补偿效果叠加、补偿谐波电流在经过注入支路和输出滤波器之后会产生一定的相位和幅值偏差，以及基波谐振支路的存在使得必须通过添加整流桥的方式获取直流侧电压从而难以保持直流侧电压的稳定等问题，提出了一种改进结构的新型谐振注入式混合型有源滤波器(hybrid active power filter，HAPF)，使直流侧电容能够与电网产生能量交换。在此基础上结合提出的基于基波无功电流闭环调节的直流侧电压控制方法，保

基金项目：国家自然科学基金项目(60474043)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60474043)．证了直流侧电压的稳定；提出了采用递推积分将无源滤波器作用后电网谐波电流与注入支路补偿电流进行闭环比较控制以获得参考电流的方法，减小了误差，提高了系统的控制精度。实验及仿真结果证明了所提出控制方法计算量较小，在响应时间和控制精度上都具有一定优势，能够满足系统的要求。

关键词：谐振注入式；混合型有源滤波器；电流控制；递推积分；直流侧电压

0 引言

电能是影响我国工业发展的关键因素之一，电力节能在我国建设节约型社会的进程中将占有越来越重要的地位。近年来，由于配电网谐波以及变压器等设备功率因数偏低等问题，给供电和用电企业造成了巨大的经济损失[1]，得益于电力电子、电力变换等技术的发展[2-5]，使得能够在动态治理谐波的同时改善功率因数、兼具大容量无功补偿的有源电力滤波器[6-8]成为目前改善电能质量、节能降耗方面的研究热点之一，文献[9]提出了一种实用性较高的注入式并联混合有源滤波器，通过添加基波谐振支路的方式降低了有源部分的分压，使其适用于中高压电网，并可通过无源支路进行大容量的无功补偿。有源滤波器的控制方法会直接影响系统的响应速度和谐波治理效果，近年来许多新型控制方法被提出，如单周控制[10]、滞环电流控制[11]、变结构控制[12]等等。虽然它们都具有各自的优势，但大都适用于低压小容量系统中单独使用的APF，存在一定的局限性。考虑到适用于中高压大容量系统的APF大都采用混合型结构，其特性与单独使用的APF存在一定差异，故而在控制方法的选择上完全套用适合于146 中国电机工程学报第28卷

单独APF的算法是不太合适的。此外，在文献[9]所提结构的滤波器中，由于基波谐振支路的存在，直流侧电容难以够通过逆变器从电网吸收能量，所以在已投入运行的注入式并联混合有源滤波器中，直流侧电压通常是由电网电压整流得到的。这种方式虽然简化了系统的控制算法，但是增加了装置复杂度，同时也难以保证直流侧电压的稳定，工程应用中曾出现因直流侧电压泵升致使逆变器件过压损坏的现象，目前对此方面的研究比较少[13-14]。

本文在分析了注入式并联混合有源滤波器滤波原理的基础上，提出了一种改进结构的新型谐振注入式并联混合有源滤波器，使直流侧电容能够与电网产生能量交换，结合提出的基于基波无功电流闭环调节的直流侧电压控制方法保证电压的稳定；然后提出了采用递推积分控制方法将无源滤波器作用后电网谐波电流与注入支路补偿电流进行闭环比较控制以获得参考电流的方法，减小了误差，提高了系统的控制精度，为混合有源滤波器在中高压大容量系统中混合型有源滤波系统的应用提供了一种有益的尝试。

1 新型谐振注入式混合有源滤波器

1.1 拓朴结构

已有工程经验的注入式并联混合有源滤波器的拓扑结构如图1所示。主要由有源部分、输出滤波器、耦合变压器、基波串联谐振电路和无源部分组成。有源部分为智能功率模块(intelligent power module，IPM)构成的电压型逆变器，在逆变器的直流端接有大电容C，并由电网通过整流向其充电提供所需直流侧电压，交流端接有输出滤波器L0、C0以滤除开关器件通断所产生的高频毛刺，基波串联谐振电路由L1和C1组成，同时L1、C1和C2还起到单调谐滤波器的作用，耦合变压器实现有源部分和无源部分的电气隔离，并可根据有源和无源部分的电压、电流等级来选择合适的变比，并联在电网上的无源部分由LC无源滤波器组构成。

图1 注入式混合有源滤波器的拓扑结构

Fig. 1 Topology of resonance type hybrid

active power filter

文献[15-17]对它的工作原理作了详尽的分析，实验仿真及工程应用的结果都体现了它在中高压环境下应用的有效性。

1.2 新型谐振注入式混合有源滤波器的提出

在电网出现异常情况时，图1所示注入式混合有源滤波器中的直流侧电压在工程应用中出现了大幅度波动乃至抬升，其原因是：①电网发生电压骤升、跌落导致的重合闸等特殊情况，致使基波串联谐振电路产生高电压，并通过逆变器续流二极管向直流侧电容充电；②电网中谐波电压或注入支路谐波放大等情况造成基波串联谐振电路L1、C1分压过高，且有源滤波器发出补偿谐波电流与基波谐振支路所分谐波电压频率相同时，逆变器将与基波串联谐振支路、输出滤波电感和直流侧电容形成PWM反相整流过程，向直流侧电容充电，造成直流侧电压的抬升；③逆变器开关损耗引起直流侧电压降低。工程应用中曾出现直流侧电压泵升导致逆变器件过压损坏的现象，要解决这一问题，最有效的方法是对直流侧电压进行闭环控制，取代由电网整流获得直流侧电压的方式，为使直流侧电容能够通过逆变器和电网交换能量，本文在图1的基础上提出了改进结构的新型谐振注入式并联混合有源滤波器如图2所示。

图2 新型谐振注入式并联混合有源滤波器

Fig. 2 Topology of novel resonance injection type hybrid

active power filter

具体的改变为：①注入支路由2部分组成：L1和C1等组成的多组无源谐振支路，目的在于给有源部分所发补偿电流提供低阻抗注入通道；与有源部分并联的C2取值较大，目的在于降低APF投入时刻的冲击电压，此处不用电感的原因是防止电网谐波电压存在时有源部分分压过高。此外，用电容取代了以前的基波串联谐振支路，也减小因谐波放大导致的APF两端分压过高，从而在一定程度上避免了因谐波电压和谐波放大导致的直流侧电压抬升；②去掉了输出滤波器的电容，因为在装置投运时，须先

第19期赵伟等：新型注入式HAPF 谐波电流及直流侧电压控制新方法 147

通过半桥整流将直流侧电容充电至310 V 左右再断

开整流部分，以防止有源部分投入运行的时刻电流过大，损坏逆变器件，输出滤波器的电容会在有源部分为投入运行前，将直流侧电容能量泄放掉。由于L o 对于PWM 逆变过程中所产生的高频毛刺而言阻抗很高，同样可以起到消除高频毛刺的作用，不会影响到滤波器的滤波性能。 1.3 滤波原理分析

假设电源谐波电压为U S ，电网阻抗为Z S ，L 1和C 1组成的无源谐振支路阻抗为Z ，C 2阻抗为Z 1，将负载看成谐波电流源I L ，而将电压型逆变器看成电压源U F ，同时假设隔离变压器为理想变压器，其电压变比为n :1(网侧电压：阀侧电压)，将电压型逆变器和输出滤波器折算到隔离变压器网侧后，可得到如图3所示的新型注入式并联混合有源滤波器单相电气模型。

Z L o

图3 新型谐振注入式HAPF 单相电气模型 Fig. 3 Electric model of shunt HAPF

由图3根据基尔霍夫电流和电压定理，有

(1) 2o o o 2

1o o

S L S S S L F C L L F F C L Co C L L U U I Z I I I nU I n Z I Z U I I I I Z nU I n Z =+×⎧⎪

=+⎪⎪

+×+×=⎨⎪

=+⎪⎪×=+×⎩L 化简方程组(1)并消去变量o ,,,L L F C U I I I 得

12()C S K nU K Z Z I ×+++×S −0

2()L S K Z I U +×−= (2)

式中：1

12o 1L Z K n Z Z =+；2o 122o 1L L n Z Z K n Z Z =+。由式(2)

可得

212()L S S S K Z I U K nU I K Z Z

+×+−×=

++C

I =⋅122()()0

C S S L S C

F S L nU K K Z Z I K Z I U U K I KI KI +++−+−=⎧⎨

=⋅=−⎩ (3)

采用根据滤波器支路谐波电流来控制逆变输出的控制策略，即U K 。参考式(3)可得 C F (4) 化简为

212121

S S L S S U K nKK Z

I I Z Z K nKK Z Z K nKK ++=

++++++(5) 滤波器实质上等效于通过控制有源电力滤波器来改善无源支路的谐波阻抗特性，理论上可以实现电网中负载谐波电流的完全消除。在结构改进的基础上，通过采用本文提出的基于基波无功电流闭环调节的直流侧电压控制方法可以有效控制直流侧电压的稳定。

2 谐波电流及直流侧电压控制新方法

2.1 电网谐波电流控制方法

有源滤波器的控制方法将直接影响系统的响应速度和谐波治理效果，针对混合型有源滤波器自身结构的特点，选择合适的电网谐波电流和直流侧电压控制方法对提高系统的滤波性能影响很大。

单独使用的APF 谐波电流的控制一般是通过检测出电网中的谐波含量，根据一定的控制算法将其转化为逆变器的开关量，从而使得逆变器发出与电网谐波大小相等方向相反的谐波达到补偿目的。然而对于并联型HAPF 而言，参考图1和图2可知，有源部分发出的补偿谐波电流在经过输出滤波器与注入支路注入到电网之前幅值和相位都会产生一定的变化，所以与单独使用的APF 不同的是，需要对经过注入电容的补偿电流i ca , i cb , i cc 进行控制，而不是直接对逆变器的输出电流进行控制。此外，混合型有源滤波器的有源部分或者直接与一条或几条无源滤波支路相连，或者在电路中还并联有其它无源支路以改善滤波效果并兼作无功补偿，因此，其有源部分若发出与PF 谐振次数相同的谐波时，一方面可能抵消PF 的滤波效果，另一方面对于无源部分并联的混合型有源滤波器还可能导致PF 过流而造成事故，这也就是说，就HAPF 而言，对某些次数的谐波进行控制是没有必要的，也容易造成补偿容量的浪费，所以，系统有源部分的给定谐波电流信号应该从图2所示a ，b ，c 3点获取。当然PF 并不能够将特定次数谐波电流完全消除掉，有源部分仍会发出一定的PF 谐振次数谐波电流，但是由于量小加之注入支路电容和电感元件的存在，不会使得无源部分过流。

传统PI 控制器由于其算法简单和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，但常规的 PI 对正弦的参考电流，比如在交流驱动中，难以达到理想的控制效果[18]。本文针对系统跟踪控制的量是一个周期为

148 中国电机工程学报第28卷

20 ms 的量，采用递推积分 PI 分别对误差 e 每个周期内相应的各采样点进行积分，相当于有 N 个 PI 并行工作(假设 e 每个周期内的采样点数为 N )实现对系统快速无静差控制，如下式。

0()()()C

P r i u K K e K K e K iN ==⋅+⋅−∑ (6)

式中：；u 为控制器的输出；e 为控制器的输入；K int(/)C K N =P 为比例增益；K I 为积分常数；N 为每个周期的采样数；K 为采样时刻。

所提出的基于上述思想和d-q 变换及递推积分的逆变器调制信号获取框图如图4所示。

图4 基于d-q 变换的电流分频控制方法框图

Fig. 4 Current frequency dividing control method based

on d-q transform

要注意的是i ca , i cb , i cc 中包含一定的基波电流和注入的谐波补偿电流，应用时需将其所包含的谐波电流i ca h , i cb h , i cc h 提取出来。 2.2 直流侧电压控制方法

对于单独使用的并联型有源电力滤波器而言，可通过调节基波有功信号来保证直流侧电压的稳定，但是对于上述并联型混合有源滤波器而言，因为注入支路对基波成容性，流过注入支路的电流超前于供电点电压，有源部分必须输出一个与此电流同相位的基波电压，才能由此超前的电流电压产生有功功率对直流侧电容电压进行控制。通过对注入支路参数的设计，可以在注入支路产生足够的无功电流，通过PWM 反向整流的方式将直流侧电容充电至所需电压处，所提出的基于基波无功电流闭环调节的直流侧电压控制方法控制框图如图4所示。

图中u dc 和分别为实际的和给定的直流侧电压

dc u 值，采用这种控制方法后，直流侧电容通过吸收和释放适当的电网无功功率的方式达到保持直流测电压稳定的目的。由于有源部分与取值较大的电容并在一起，为防止有源部分投入运行时刻电流过大损坏逆变器件，实际应用时应先通过全桥整流将直流侧电容充电至某一电压值再断开整流部分，此外

须将逆变器输出电流中的基波分量进行控制，以降低有源部分上电时刻的冲击电流，如图4所示，图中i oa f 、i ob f 、i oc f 分别为逆变器输出电流中的基波分量。

此外，当出现由电网谐波电压过高、注入支路谐波放大和电网电压骤升及跌落导致的电网重合闸等情况引起的直流侧电压抬升现象时，控制器能够通过控制逆变器发出幅值相位适当的基波电压，产生与回灌电流相反的抑制电流，来保持直流侧电压的稳定，确保装置的安全运行。

综合上述所提出的谐波电流参考信号和与直流侧电压控制相关的基波无功电流参考信号，逆变器所需调制信号为

Ref Ref1Ref2i =i +i (7)

3 仿真及实验结果

针对某冶炼厂10 kV 电源功率因数低，5、7、11和13次谐波含量偏高的具体工况，本文在实验室研制了一套新型谐振注入式混合有源滤波器，其拓扑结构如图2所示。两组无源滤波器分别调谐在250和350 Hz 用来滤除5、7次谐波，有源部分主要用来动态治理电网中的11、13次谐波和少量的其余次数背景谐波电流。注入支路由L 1、C 1和L ′1、C ′1组成，分别谐振在550 Hz 和650 Hz 为有源部分发出的补偿谐波电流提供低阻抗注入通道，C 2取值相对较大以确保有源部分上电时刻分压较低，无源滤波器的参数采用多目标优化设计[19]，逆变器选用智能功率模块PM300CLA120，开关频率为6.4 kHz ，直流侧电容取值为10 000 µF/1 000 V 。采用本文所提的电流控制方法和直流侧电压控制方法，控制算法利

用TMS320F2407实现，

测量结果由智能型电网谐波监视分析及保护一体化装置[20]测得。

图5为治理前后的电网电流波形对比图，补偿前电网的5、7、11和13次的谐波畸变率分别为8.3%、9.2%、11.5%和10.6%，采用传统PI 控制方法和采用文中所提控制方法时整个装置投运以后各次谐波的畸变率分别下降为4.1%、4.3%、7.2%、6.9%和2.3%、2.4%、2.8%、2.6%。实验结果说明了该系统具有良好的滤波器性能，有效治理了电网中的谐波，并且采用文中所提控制方法治理后的电流波形要好于采用传统PI 控制方法治理后的波形。

图6(a)为采用文中提出控制方法时的直流侧电压波形图，首先通过半桥整流电路将直流侧电压充

第19期赵伟等：新型注入式HAPF 谐波电流及直流侧电压控制新方法 149

−−500

500

1 000 c

i /A

t /ms

(a) 治理前电流波形图

−−500

500 c

i /A

t /ms (b) 采用传统PI 控制方法时的治理后波形

−−500 0

500 c

i /A

t /ms

图5 治理前后的电网电流波形 Fig. 5 Current waveforms

电至310 V 左右，然后断开整流桥对直流侧电压实行闭环控制，并使其稳定于350 V 。从实验测得的波形可以看出，采用该控制方法控制直流电容电压时静态误差小，响应速度快，效果十分显著。同时，为验证所提方法抑制直流侧电压抬升的效果。本文作了相应仿真，向电源电压添加了一定量的谐波电压，图6(b)和(c)为仿真结果。从图中可以看出，在出现因电网谐波电压过高或谐波放大导致的基波谐振支路分压过高，致使直流侧电压抬升的现象时，相对比直接采用由电网整流的方式，所提方法能够控制逆变器发出一定基波有功功率，抑制了直流侧电压的抬升，确保了装置的安全性。

有源部分上电后去掉整流桥时，为使直流侧电压充电至350 V 给定电压处，在逆变器输出侧会产生较大的基波无功冲击电流，如果不做控制容易损坏逆变器件，为验证文中提出的抑制冲击电流方法的正确性，采用PSIM 软件做了相应仿真，仿真结果

如图7所示。

仿真中不添加谐波源，有源部分不发出补偿谐波电流，此时的逆变器输出侧电流只是用来稳定直

−−400

800

幅

值

/V t

(a) 直流侧电压实验波形图 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

t /s 0

200

400600

u /V (b) 谐波电压作用下只加整流桥时的直流侧电压波形

t /s 300

320340360u /V

图6 直流侧电压波形

Fig. 6 DC-side voltage waveform

t /s 0

−100

100

I /A

(a) 未作控制时逆变器输出侧电流 t /s −40

I /A

−200

20 40

(b) 采用文中方法后逆变器输出侧电流

图7 逆变器输出侧电流

Fig. 7 Current waveform of APF output-side

流侧电压的基波无功电流。从图中可以看出，在不对逆变器输出侧电流进行控制时，0.3s有源部分投入时刻冲击电流变化大并且幅值高，采用文中提出控制方法后冲击电流得到了较好的抑制，从而保护了逆变器件的安全性。

4 结论

为解决注入式混合有源滤波器中无源与有源部分补偿效果叠加、补偿谐波电流在经过注入支路和输出滤波器之后会产生一定的相位和幅值偏差的问题，所提出的采用递推积分方法将无源滤波器作用后电网谐波电流与注入支路补偿电流进行闭环比较控制以获得参考电流的方法，减小了系统误差，提高了系统的控制精度；针对基波谐振支路的存在使得必须通过添加整流桥的方式获取直流侧电压从而难以保持直流侧电压的稳定的问题。所提出的改进结构的新型谐振注入式混合有源滤波器，使直流侧电容能够与电网产生能量交换，结合提出的基于基波无功电流闭环调节的直流侧电压控制方法，保证了直流侧电压的稳定。实验结果证明了所提出方法的有效性，为提高中高压系统下并联混合型有源滤波器的滤波性能提供了新的思路。

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附录A

注入支路的参数：11次谐振电容C1=1.5μF，谐振电感, 11次谐振电感L1=55.75mH，13次谐振电容C′1=1.5μF，13次谐振电感L′1=40.05mH，旁路电容C2=75μF，品质因数Q=50；5次无源支路：电感L11=1.91mH，电容C11=212.3μF，品质因数Q=35。

7次无源支路参数：电感L13=0.96mH，电容C11= 212.3μF，品质因数Q=35。

收稿日期：2007-10-08。

作者简介：

赵伟(1981—)，男，山东泰安人，博士研究

生，主要从事有源电力滤波器和无功补偿技术的研

究，zh_solar@126.com；

罗安(1957—)，男，湖南长沙人，教授，博

士生导师，主要从事大功率电网谐波有源治理和先

进静止无功发生器的研究。

赵伟

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