注入式混合型有源电力滤波器双闭环控制

有源电力滤波器双闭环控制

2009年9 月 第24卷第9期

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.24 No. 9

Sep. 2009

注入式混合型有源电力滤波器双闭环控制

孙贤大 罗 安 帅智康 舒 适

（湖南大学电气与信息工程学院 长沙 410082）

摘要 在分析注入式混合型有源电力滤波器基本工作原理的基础上，建立其数学模型，并以此为基础分析了逆变器基波环流的产生及危害。为消除逆变器输出中的基波成分，确保系统的安全稳定运行，提出了一种注入式HAPF的注入电流和逆变器输出电流双闭环控制策略。注入电流控制外环实现注入电流完全跟踪负载谐波电流，保证系统的精度；逆变器输出电流控制内环对输出电流进行限制，抑制系统的谐振，加入阻尼，保证逆变器的安全可靠运行。仿真及实验结果验证了本文所述控制策略在谐波控制精度及系统安全可靠性方面的优势。

关键词：谐波抑制 无功补偿 基波环流 注入式混合型有源电力滤波器 中图分类号：TM 48；TM76

Dual-Loop Control Strategy of Hybrid Active Power Filter

With Injection Circuit

Sun Xianda Luo An Shuai Zhikang Shu Shi (Hunan University Changsha 410082 China)

Abstract Based on the analysis of hybrid active power filter(HAPF) with injection circuit, the control model of the proposed HAPF is established. And then the origin and harm of fundamental current circumfluence are discussed. To eliminate fundamental component of the inverter output current, the paper proposes a novel control strategy composed of injection circuit outer control loop and output current of inverter inner control loop. The outer control loop based on the detection of injection current is used to carry out high precision, while the inner control loop based on the detection of APF output current is used to ensure the system security. Simulation and experimental results show the proposed control methods can meet the requirement of HAPF controller and have high precision, good security and stability.

Keywords：Harmonic suppression, reactive power compensation, fundamental current circum- fluence, hybrid active power filter with injection circuit

Power Filter, HAPF）是一种能够补偿大容量的无功，其有源同时滤除电网谐波电流的新型滤波装置[2-4]。装置仅承受谐波电压，因而保证有源部分的容量很小，投资及运行费用低，可以适用于中、高压系统的谐波动态治理，且具有大容量的无功静补能力。

理论研究已经表明注入式结构中的APF无论是等效为电压源还是等效为电流源，该结构在谐波抑制及阻尼谐振方面都具有良好的性能。为使HAPF

国家自然科学基金（60774043）、国家863计划（2004AA001032）和高等学校博士点基金（20070532053）资助项目。 收稿日期 2008-05-29 改稿日期 2008-09-20

1 引言

有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，但其安装容量受开关器件容量的限制[1]，传统的混合结构仍很难满足高压大容量的谐波治理和无功补偿的要求。注入式混合型有源电力滤波器（Hybrid Active

系统获得良好的动静态性能，现已提出许多种控制策略，如同步坐标系下的PI控制、广义积分、单周这些控制方法可以实现输出控制和预测控制等[5-9]，

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电流的零稳态误差，具有良好的控制效果。然而对于注入式HAPF，其结构模型较之APF存在较大的差异，一方面，注入支路的引入带来了不承受基波电压的好处，然而电感电容提高了系统的阶数，控制起来更加复杂[10]；另一方面，由于检测不准确等引起控制参考信号的误差，使HAPF输出指令中含有较小的基波成分，就会在逆变器内部形成很大的基波电流，严重威胁着HAPF的安全稳定运行。

本文在分析注入式HAPF基本工作原理的基础上，建立了注入式HAPF的数学模型，并以此为基础分析了注入式HAPF有源部分基波环流产生的机理，提出了一种适合于注入式HAPF的双闭环控制策略，仿真及实验结果验证了本文理论分析的正确性。

这就构成了不同的控制方法。然而注入支路的采用，给系统增加了3个储能元件，系统阶数增高，给控制器的设计带来了困难。因此，首先要针对HAPF建立数学模型，然后在确保系统稳定的基础上，进行有效地控制。

图2 注入式HAPF单相等效电路

Fig.2 Equivalent circuit of HAPF with injection circuit

2 注入式混合型有源滤波器的结构原理

2.1 基本结构

注入式混合有源滤波器结构如图1所示，该结构以电压型逆变器作为其有源部分，以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器作为其无源部分。这种结构主要是让C1和L1构成基波谐振，CS承担电网电压，这样就减小了有源滤波器承担的基波电压和电流。系统注入支路中，由于C1和L1构成基波谐振，CS就相当于补偿无功的电容器。

3 系统模型及基波环流的产生

3.1 系统模型

对耦合变压器进行等效变换，并忽略电网阻抗ZS，得到系统单相等效电路如图3所示。图中U(s)、U1(s)分别为逆变器输出电压和滤波器输出电压；I(s)、I0(s)、I1(s)分别为输出滤波器电感电流、基波谐振支路电流、注入电流。利用回路分析法，可以建立方程组

U1(s)=U(s) I(s)(Ls+R)

I(s)=U(s)Cs 01S

（1）

U(s)I(s)(LsR(s))=++1111 1 I(s)=I1(s)+I0(s)

图1 系统结构图 Fig.1 System topology

2.2 工作原理

整个补偿装置的单相等效电路如图2所示。负有源部分逆变器载谐波被看作一个谐波电流源ILh，

为电压型逆变器，其输出为U。APF通过抵消负载电流中的谐波成分，从而达到了谐波治理的目的。其中，L为输出滤波器电感，C1、L1分别为基波谐振支路电容、电感，ZS、CS分别为电网阻抗和注入电容，USh为电网谐波电压。

控制器的功能在于通过控制U来实现ISh为零，ISh，U的控制指令可以通过不同的方式得到，如ILh、

图3 忽略系统阻抗时系统单相等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of the system when grid

impedance is not considered

根据上述方程组可以建立系统等效结构如图4所示。

由图4可知，系统为四阶系统，同时由于电感电容的存在，系统存在三个谐振点，L1、C1串联谐振于基波频率50Hz处；L1、C1和CS并联谐振；L与后面阻抗网络发生串联谐振。这些谐振点的存在给系统带来极大的不稳定因素，稍微的干扰信号就

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图4 系统等效结构

Fig.4 Block diagram of HAPF with injection circuit

图6 系统前向通道博德图 Fig.6 Bode diagram of G0(s)

有可能引起系统的振荡。本文根据上述系统等效结构对注入式HAPF的控制策略进行深入研究，在分析采用传统控制策略易于引起基波环流的基础上，提出一种新型的HAPF控制策略，实现注入式HAPF的安全稳定工作，并具有良好的谐波治理和无功补偿性能，所用到的系统参数见表1所示。

表1 注入式HAPF系统参数

Tab.1 Parameters of HAPF with injection circuit

参 数

输出滤波器电感/mH

电感内阻/

基波谐振支路电感/mH

电感内阻/ 基波谐振支路电容/µF

注入电容/µF

数 值 2 0.05 20.7 0.092 478 200

逆变器输出电流与输出电压之比为

G2(s)=

I(s)

（3） U(s)

同理，利用Matlab获得逆变器输出电流I(s)与输出电压博德图如图7所示。

图7 逆变器输出电流与输出电压之比博德图

Fig.7 Bode diagram of I(s)/U(s)

由图6和图7可以看出，在基波频率处，注入电流I0(s)具有很小的增益，而对于逆变器输出电流I(s)具有很高的增益。而由于检测、控制等导致的误差原因，控制器输出一个基波频率的信号，而这个将会产生信号由于G2(s)在基波频率处很高的增益，很大的输出电流，而这个电流信号又无法被输出电流I0(s)检测到，无法进行控制，这等于处于一种失控状态。这样的系统是很不稳定的，难以可靠运行。而且，由于无法对逆变器的输出电流控制，通常会因逆变器过电流而烧毁功率器件。

由上述HAPF的控制结构框图可以得到由输入信号iLh到逆变器输出电流i的闭环传递函数为

G(s)=

3.2 APF基波环流的产生

常用的注入式HAPF控制方法是直接控制注入使其与负载谐波电流分量电流I0中的谐波分量I0h，

ILh相等，因为基波谐振支路的存在，不可能向电网注入基波电流，因此不可能完全控制I0，只是控制其谐波部分，在控制时候，要加入一个陷波器（BPF）来滤掉基波分量，控制结构框图如图5所示。

GACR(s)Gpwm(s)G2(s)

1+GACR(s)Gpwm(s)G2(s)G1(s)GBRF(s)

I(s)I(s)

G1(s)=0

I(s)U(s)

（4）

图5 注入式HAPF常用控制框图

Fig.5 Conventional control block diagram of HAPF

式中 G2(s)=

系统前向通道为

I(s)

G0(s)=0 （2）

U(s)

Gpwm(s)=

KpwmTis+1

GACR(s)=Ki

τis+1

τis

GBRF(s)为谐波检测环节。

利用Matlab仿真软件对上式进行仿真，系统参数见表1，获得的系统前向通道博德图如图6所 示。

GACR(jω1)Gpwm(jω1)G2(jω1)G1(jω1)GBRF(jω1) 1

（5）

在基波频率ω1处

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所以

G(jω1)≈GACR(jω1)Gpwm(jω1)G2(jω1) （6）

严重时还会因为过电流烧毁功率模块。因此，必须对逆变器输出电流进行控制，从而有效保障系统的可靠性。

由于G(jω1)很大，所以一旦在反馈信号I0h和 输出信号中由于GBRF(s)滤波不彻底，以及检测等其他原因引入基波就会在逆变器输出端形成很大的基波电流。以下利用Psim6.0软件进行分析，仿真结构如图5所示，给定信号ILh为20A的5次谐波电流信号，GBRF(s)环节采用ip iq方法检测，其精度为1%。可以得到图8所示的逆变器输出电流波形。

4 新型控制策略及控制器设计

4.1 新型控制策略

从上面分析可以看出，为获得良好的工作性能，并尽可能低地减少逆变器输出电流中的基波成分，确保系统安全稳定运行，必须对逆变器输出电流进行控制。因此，本文在逆变器外环对注入电流控制的基础上，加入逆变器输出电流控制内环。外环的控制目标是注入电流能完全跟踪负载谐波电流，保证系统的精度，外环输出为逆变器输出电流给定信号；内环的控制目标是对输出电流进行限制，抑制系统的谐振，加入阻尼，保证逆变器的安全可靠运行。此时系统等效结构图如图9所示。

4.2 电流内环ACR2的设计

由于输出电压U1(s)经过了LC滤波环节，其变化相对于逆变器输出电压U(s)及输出电流I(s)来说是非常缓慢的，因此在电流内环ACR2的调节过程中可以近似认为U1(s)不变，即 U1=0。这样，在设计电流内环时，可以暂时不考虑输出电压的变化，而将其断开，从而得到输出电流内环近似结构图，如图10所示。

电流内环的目标是输出电流能够跟随参考电流信号，精度要求不是很高。因此采用PI调节器，并

(a) 时域波形

(b) 频谱图

按照典型Ⅰ阶系统设计。

PI调节器传递函数为

WACR2(s)=Ki

图8 APF内部基波环流波形

Fig.8 Fundamental current circumfluence of APF

τis+1

（7） τis

由图8可知，逆变器输出电流峰值超过了80A，而基波电流就占了50A，真正输出的只有30A。这50A的输出电流全部流入基波谐振支路中去了，对电网没有任何意义，而只是增大了逆变器的容量。

式中，Ki是比例系数；τi是时间常数。

系统开环传递函数为

GI(s)=Ki

τis+1Kpwm1/R

（8）

××

τisTis+1L/Rs+1

图9 采用新型控制策略时系统等效结构图 Fig.9 Block diagram of HAPF with novel control strategy

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4.3 电流外环的ACR1设计

电流外环的ACR1的控制目标是使注入I0(s)能够完全跟踪参考信号负载谐波电流，从而实现谐波

图10 电流内环控制器

Fig.10 Control diagram of the inner control loop

的完全补偿。通常当参考信号为直流信号或者是常量时，控制器只要包含一个常规的积分器就能保证系统无稳态误差。然而，HAPF的参考信号为交流周期信号，常规的积分器无法起到很好的效果。为解决此问题，可以通过坐标变换将正弦信号化为一个直流信号，然后在新的坐标内采用常规积分器对直流信号进行PI控制，但需要进行多个频率的旋转坐标变换，计算复杂，在实际应用中是较为麻烦 的。

针对以上问题，本文采用基于广义积分[11-12]的分频控制方法，即通过广义积分实施对周期量的分频积分，而不考虑频率和相位的影响。对于频率为

典型Ⅰ阶系统传递函数为

K

W(s)= （9）

s(Ts+1)

PI调节器参数包括Ki和τi。时间常数τi可选定为其中时间常数较大的环节，即τi=L/R。比例系数Ki取决于所需的ωci和动态性能指标。在设计时，（10）为确保系统有较快响应，选择KT=1，Ki可按式确定，实际调试时，因为是对交流量进行控制，比理论值要大些。

Ki=

RτiL

= （10）

TiKpwmTiKpwm

ωn的谐波信号，其广义积分器为

Gn(s)=

2ss

22+ωn

（11）

电流内环开环传递函数幅频特性如图11所示。

实际上，对于HAPF而言，只需要考虑有限的几次谐波，则广义积分器输出可以表示为

yI(s)=E(s)

m N

∑s2+(mω)2 （12）

s

2s

式中，N为HAPF需要滤除的谐波次数的集合。

类似于常规PI控制，得到基于广义积分器的等效控制计算框图如图13所示。在输出端加入限幅环节，从而对逆变器输出电流信号限幅，有效保障逆变器的安全运行。

图11 电流内环开环传递函数Bode图 Fig.11 Bode diagram of open inner control loop

考虑U1(s)作用下，系统内环传递函数由不加控制前的图6变成下面的图12。

图13 电流外环控制器ACR1结构图 Fig.13 Control diagram of the outer control loop

图12 电流内环闭环传递函数幅频特性 Fig.12 Bode diagram of close inner control loop

5 仿真与实验

5.1 仿真结果

为了验证本文提出的内环为PI，外环为广义积分控制器的控制方法，应用该控制方法对HAPF系

可见基波频率处的谐振点已经得到了有效抑制，电流具有较好的跟踪性能。

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统进行了仿真研究，并与传统的PI控制器进行了比较。仿真时，系统电网电压380V，谐波源由理想电流源代替，基波电流由1mH、5 的阻感负载产生。广义积分控制器针对上述5、7、11、13次谐波进行闭环控制。仿真结果如图14和表2所示。图中控制器1为单环传统PI控制器，控制器2为单环广义积分控制器，控制器3为双环控制器。i_Sa、i_0a、i_inva、i_La分别为A相电网电流、注入电流、逆变器输出电流和负载电流。

的基波电流，影响了逆变器的正常工作；而控制器3由于进行了逆变器输出电流内环控制，抑制了谐振，其基波电流很小。另外，控制器3和控制器2对注入电流进行了广义积分控制，取得了较好的跟踪性能，电网谐波电流含量较之控制器1要低一些，特别是在频率比较高处仍具有良好性能，这充分说明了广义积分的有效性。

表2 各次谐波电流的频谱数据 Tab.2 Spectrum data of harmonic current

谐波次数

基波

5次

7次 11次

13次0.679.40.2410.10.29.8

i_Sa/A 66.2 0.3 0.72 0.77

控制器1

25.7 37.7 14.2i_inva/A 177.6

i_Sa/A 64.2 0.16 0.43 0.13

控制器2

i_inva/A 39.1 26.5 38.1 14.8i_Sa/A 63.9 0.16 0.16 0.18

控制器3

i_inva/A 0.20 26.6 37.7 14.6

(a) 采用控制器1仿真波形

5.2 实验结果

为了验证本文所述控制策略的有效性，利用智能功率模块IPM（300A/1200V）在实验室搭建了注入式HAPF实验平台。系统主要由注入支路，有源部分以及非线性负载组成。主要电路参数为：直流母线电压由全桥整流供电；开关频率fc=6.4kHz；采样周期T=156.25µs；滤波电感L=2mH。图15为负载电流、电网电流以及逆变器输出电流波形。

由图15可以看出，非线性负载主要引起了5

(b) 采用控制器2仿真波形

次、7次、11次和13次谐波，本文搭建的注入式HAPF实验系统投入运行后，各次谐波含量显著下降，电网电流波形接近于正弦波，同时电网功率因数由0.82提高至0.95，在系统运行过程中，逆变器输出电流不含基波成分。因此，本文所述控制策略具有良好的谐波治理和无功补偿效果，并且能够使装置不出现基波过流现象，确保了系统的安全稳定运行。

(c) 采用控制器3仿真波形

图14 仿真波形

Fig.14 Waveforms of simulation results

从图形和表格可以看出，由于缺乏对逆变器输出电流的控制，控制器1和控制器2中均出现大量

(a) 负载电流

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图15 实验波形

Fig.15 Waveforms of experimental results

6 结论

（1）文章对注入式HAPF的系统结构和基本工作原理进行了分析，并在此基础上建立了注入式HAPF的数学模型。

（2）根据HAPF的数学模型，对HAPF内部基波环流的原因进行了深入的研究，得出由于系统检测误差及控制策略不当会引起基波环流。

（3）为消除APF基波环流，提高系统的安全可靠性，提出了一种注入式HAPF的注入电流和逆变器输出电流双闭环控制策略，并利用广义积分算法提高系统的稳态控制精度。

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（下转第139页）

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作者简介

唐 欣 男, 1975年生, 博士, 副教授, 研究方向为电力电子技术及应用和柔性交流输电技术。

罗 安 男，1957年生，教授，博士生导师，研究方向为电力有源滤波、无功补偿，配电网节能关键技术，控制理论和技术等。

（上接第133页）

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作者简介

孙贤大 男，1985年生，硕士研究生，研究方向为电网谐波治理和无功补偿技术等。

罗 安 男，1957年生，教授，博士生导师，研究方向为电力有源滤波、无功补偿，配电网节能关键技术，控制理论和技术等。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bzcm.html