并聯型有源濾波器直流側電壓穩定控制策略

摘要：有源濾波器直流側電壓的波動對有源濾波器的穩定運行有很大的影響，針對這個問題，分析了直流側電壓波動產生的原因及對有源濾波器運行的影響，對傳統的PI控制提出了基于電壓偏差平方的PI控制改進的方法，這種控制直流側電壓的方法對處理傳統PI控制的非線性問題也有很大的改進。并通過matlab仿真驗證了改進的PI調節控制策略對諧波的消除有很好的效果，這種控制策略通過軟件即可實現，不需要增加硬件設備，是一種經濟的解決措施。
關鍵詞：并聯型有源濾波器；直流側電壓；改進PI控制

隨著電力電子器件的廣泛應用，電網諧波污染問題越來越嚴重，由諧波引起的各種事故不斷發生，有源濾波器(APF)作為一種可以動態補償諧波的設備得到了廣泛的關注和研究。為保證并聯型有源濾波器能達到預期的諧波治理效果，直流側電壓必須保持穩定。但在工程應用中，直流側電壓往往會出現波動，嚴重影響了有源濾波器的正常工作。
現階段，直流側電壓穩定的控制策略大多采取傳統的PI控制，另外有模糊-PI控制策略，直流側電壓閉環控制策略，直流側電壓神經網絡
控制等策略。本文在參考大量的文獻資料的基礎上，探討了直流側電壓波動的原因，以及對系統穩定控制、諧波補償效果的影響，在不增加硬件設備的基礎上，對傳統的PI控制策略進行改進。并通過matlab仿真進一步證明了這種方法能有效地控制直流側電壓的穩定，進一步保證諧波的補償效果。

1 系統結構與工作原理
并聯有源濾波器采用電壓型逆變器，其中負載作為諧波源，APF輸出與電網中諧波電流幅值相同相位相反的電流，與負載產生的諧波相疊加，可以濾除電網中的諧波。諧波檢測電路實時檢測出負載電流中的諧波成分，驅動電路將電流跟蹤電路生成的PWM信號轉變成逆變電路開關器件的開關信號，逆變電路向電網注入補償電流，通過這幾部分來實現補償諧波的目的。有源濾波器工作性能很大程度取決于對諧波電流的高精度和實時的檢測，目前有基于時域理論的傅立葉變換法、小波變換、瞬時無功功率理論、模糊閉環檢測及神經網絡等方法，其中采用基于瞬時無功功率理論最廣泛。基于瞬時無功功率理論有d—q算法、p—q算法以及ip—iq算法，通過比較精度，采用ip—iq算法。它可以準確檢測出電網的負序和諧波電流，準確度不受電網電壓畸變和負載變化的影響。

2 直流側電壓波動的原因及影響
直流側電壓出現波動的原因主要有： (1)濾波器與電網之間大容量的無功交換； (2)負序電流和系統電壓在直流側產生能量脈動，使直流側電壓波動；(3)逆變器開關損耗引起直流側電壓降低； (4)APF本身存在由線路電阻帶來的有功損耗，在工作狀態變化時需從系統吸收一定的有功功率。
由圖1中的APF原理框圖可知

其中Us(t)和Ucom(t)分別是系統電壓和有源濾波器輸出電壓，Lcom是等效電感。

根據電壓源逆變器的調制控制理論，可以將電壓源逆變器等效為一個比例放大器，即
Ucom(t)=KUdc(t) (2)
Udc(t)為電壓源逆變器的直流側電容電壓，而K為與調制控制方法有關的函數。
為了使ic(t)能夠快速的跟蹤要補償的電流，設計時必須重視其電流變化率，而要提高dicom(t)／dt，要么減小有源濾波器的等效電感Lcom，要么提高逆變器輸出電壓Ucom(t)。APF中等效電感Lcom越小，其電流跟蹤能力越強，但Lcom過小，APF輸出電流中基于開關頻率的特征諧波會很大，一旦有源濾波器本身出現故障，會產生很大的過電流，從而影響系統。由于調制控制函數的變化范圍通常是固定的，因此提高直流側電容電壓成為Udc(t)提高有源濾波器電流跟蹤能力的有效手段。取值過低，不能將諧波電流完全消除；取值越高，補償效果越好，但它將增加逆變器和電容器的容量，提高對器件耐壓的要求，還將增加成本。電流側電容電壓波動或引起直流側出現欠壓，都將影響有源濾波器的正常工作或導致直流側出現過壓，危及有源濾波器的安全可靠運行。