DOI:10.16545/j.cnki.cmet.2010.05.035 2010 年第 5 期 煤 矿 机 电 ·9· 并联有源滤波器中滞环控制的设计研究 耿俊芬 ( 煤炭工业合肥设计研究院，安徽 合肥 230041) 摘 要: 针对并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号变化的要求，提 出了一种基于滞环比较器的瞬时值比较方式，其电流控制采用跟踪型 PWM 控制方式。该方式应 用于电压源型变流器为主电路结构的并联有源电力滤波器中，对三相四线制系统中非线性负载的 谐波和无功电流有理想的补偿效果。着重给出了选取滞环宽度的理论分析和仿真模型，设计了一 套三相四线制并联有源滤波器实验装置。仿真和实验结果证明了所选取控制方法的可行性和有效 性。 关键词: 有源电力滤波器; 滞环比较器; 谐波含量; 仿真 中图分类号:TM713. + 8 文章编号:1001 － 0874(2010)05 － 0009 － 04 文献标识码:A Design and Research on the Hysteresis Control of Parallel Active Filter ( Hefei Coal Industry Design and Research Institute，Hefei 230041，China) GENG Jun-fen An instantaneous value comparison method based on hysteresis comparator is proposed for the Abstract: requirements of compensation current generated by parallel active power filter should be changed to follow their current instruction signal real-time，the use of current control is the tracking PWM ( Pulse Width Modulation) control mode. The mode is applied to the parallel active power filter with the main circuit structure of voltage source converter for the three-phase four-wire system in nonlinear load harmonics and reactive current to have a desired compensation results. The theoretical analysis and the simulation model of selected hysteresis width are given，and three-phase four-wire parallel active filter is design. Simulation and a set of the experiment installation of experiment results prove the feasibility and effectiveness of the selected control method. Keywords: active power filter; hysteresis comparator; harmonic component; simulation 1 概述 随着电力电子装置的广泛应用，使得电网中的 谐波含量大量增加，谐波电流和无功电流的大量注 入使电网的安全运行和电气设备的正常使用受到严 。有 源 电 力 滤 波 器 APF ( Active Power 重 威 胁［1，2］ Filter) 是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力 电子装置，它能对频率和大小都发生变化的谐波和 无功进行补偿。本文就基于 Matlab 对并联型有源 电力滤波器进行设计和研究。 2 并联型有源电力滤波器的拓扑结构 有源电力滤波器输出的补偿电流 是由主电路 中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于 电感产生的，主电路的工作情况是由主电路中 6 组 开关器件的通断组合所决定的。仿真系统中，并联 型有源电力滤波器主电路如图 1 所示。变流器采用 IGBT 模型，逆变器直流侧接 2 个串联的直流电容。 主电路采用电压型变流器，在变流器的直流侧接有 大电容，正常工作时，其电压基本保持不变，可看作 电压源。 并联型有源电力滤波器进行谐波补偿时，检测 环节至关重要。实时精确地检测出谐波分量是进行 谐波补偿的重要前提。将三相包含谐波和无功的负 载电流经过三相 / 两相变换成有功和无功电流，有功 电流包括基波有功和谐波有功分量，无功电流包括 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·01· 煤 矿 机 电 2010 年第 5 期 基波无功和谐波无功分量，然后对有功电流、无功电 流低通滤波，得到基波电流的有功分量、无功分量， 最后进行两相 / 三相变换，得到三相电流基波分量， 实现了负载电流中谐波电流与基波电流的分离［3］ 。 图 1 三相四线制有源滤波器电容中点式主电路图 3 主电路滞环宽度的选取 由于有源电力滤波器( APF) 的指令电流包含高 次谐波和暂态电流，故要求实际输出电流对指令电 流有很高的跟踪能力，在 APF 的补偿对象已确定的 情况下，APF 主电路参数的选取对 APF 的性能和效 。以 A 相为例，分析采用滞环控 率有较大的影响［4］ 制时逆变器的工作频率 f 与电网电压 ea、变流器直 及主电路电感值 L 和滞环宽度 δ 之间 流侧电压 ud 的相互关系。对于所示的 A 相逆变电路，可得电路 方程为: L Ka + 1 Ka － 1 dica = ea － uc1 dt 式中:uc1 、uc2 分别为上电容电压和下电容电压值;Ka 为开关函数，其取值为:Ka = 1，A 桥臂上管组导通; Ka = － 1，A 桥臂下管组导通。 (1) + uc2 2 2 当 A 相桥臂上管导通，下管关断时，Ka = 1，式 (1) 转化为: L dica dt = ea － uc1 (2) 电感电流变化率为: ( ) (3) ea － uc1 dica dt = L 的最大值，故上式的结 大于等于 ea 为波峰值时， 为波谷值时，电感电流 系统中因 uc1 果为负，即电感电流在下降，并且当 ea 电感电流下降率为最小;当 ea 下降率为最大。 当 A 相桥臂下管导通，上管关断时，Ka = － 1， 式(1) 转化为: favg = = d － 8( u2 槡2Easin ωt) 2 8δLud 2π 1 0 2π∫ d － 4E2 u2 8δLud a 电感电流变化率为: dica dt = ea + uc2 L d( ωt) (4) (5) 上式的结果为正，即电感电流在上升。并且当 为波谷 为波峰值时电感电流上升率为最大;当 ea ea 值时电感电流上升率为最小。 设有 uc1 = uc2 = ud /2。假定逆变器的工作开关 频率较高，在一个开关周期内可认为电压 ea 基本不 变，如图 2 所示为仿真时滞环比较器的输出脉冲波 形。比较器输出 1 时，电流上升;输出 0 时，电流下 降。如图 3 所示，根据式(3) 和式(5) 可分别算出电 流的上升时间 Tp 和下降时间 Tn。 图 2 滞环比较器的输出脉冲波形 图 3 滞环控制时的补偿电流波形图 Tp = 2δ uc2 + ea Tn = L 2δ uc1 － ea L = = 2δL ud 2 + ea 2δL ud 2 － ea 逆变器的工作频率为: (6) (7) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

2010 年第 5 期 煤 矿 机 电 = d － 4E2 u2 8δLud a ·11· (11) 鉴于以上考虑，取电流滞环宽度 δ 为 1. 2 A，直 为 800 V，主电路电感 L 为 7 mH，则由 为 4. 7 kHz，最大开 为 8. 3 流侧电压 ud 上述公式可得最小开关频率 fmin 关频率 fmax kHz。 为 11. 9 kHz，平 均 开 关 频 率 favg 4 系统优化及仿真 (9) (10) 在谐波电流检测中，将低通滤波器的截止频率 选在 30 Hz，滤波器的阶数选择为二阶［5］ 。综合三 相 / 两相变换、低通滤波器、两相 / 三相变换的仿真模 型，得到整个谐波电流检测部分仿真系统，该系统如 图 4 所示。 f = 1 T = 1 Tp + Tn = 2δL ud 2 + ea 1 + 2δL ud 2 － ea = u2 d － 4e2 8δLud a (8) 在波峰值或波谷值时，逆变 在过零点时，逆变器工作频率 由式(8) 可知，当 ea 器工作频率最小;当 ea 最大。逆变器的最小工作频率为: u2 d － 8E2 8δLud fmin = a 式中:Ea 为 A 相电压有效值。 逆变器的最大工作频率为: fmax = ud 8δL 其平均开关频率为 favg = 2π 1 2π∫ 0 d － 8( u2 槡2Easin ωt) 2 8δLud d( ωt) 图 4 谐波电流检测部分仿真系统 谐波电流检测结果为指令补偿电流信号，与实 际输出补偿电流比较后［6］，输入滞环调制部分，系 统的三相定时滞环控制模型如图 5 所示。 当负载端为三相桥式二极管整流电路，为阻感 性负载供电，负载电阻 R = 20 Ω，负载电感 L = 15 mH，此时非线性负载为三相对称的。电网 A 相补 偿前电流的波形及其频谱见图 6。未进行谐波电流 补偿时，A 相总谐波畸变率 THD = 28. 34% ，A 相负 载电流中各次谐波电流含量见表 1，谐波含量为各 次谐波电流值与基波电流值的百分数。 图 5 系统的三相定时滞环控制模型图 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net

·21· 煤 矿 机 电 2010 年第 5 期 性，在仿真的基础上进行实验研究。实验结果如图 9 和图 10 所示，图 9 为补偿前电网 A 相电压及电 流，图 10 为补偿后电网 A 相电压及电流。 图 6 补偿前 A 相电网电流波形及频谱分析图 表 1 补偿前电网电流各次谐波电流含量 谐波次数 5 次 谐波含量 20. 97 7 次 13. 17 11 次 13 次 17 次 19 次 5. 06 8. 84 7. 36 5. 56 图 7 为 PWM 开关频率为 12 kHz 时，电网 A 相 补偿后电流的波形及其频谱图。进行谐波电流补偿 后，A 相电网电流的总谐波畸变率 THD = 1. 23% ，A 相电网电流中各次谐波电流含量见表 2。A 相指令 电流与跟踪电流波形的比较如图 8 所示。通过仿真 结果表明，所设计的并联型有源滤波器对谐波电流 具有补偿作用，并具有很好的动态补偿特性。 图 7 补偿后 A 相电网电流波形及频谱分析图 表 2 补偿后电网电流各次谐波含量 谐波次数 5 次 谐波含量 0. 37 7 次 0. 79 11 次 13 次 17 次 19 次 0. 05 0. 29 0. 22 0. 1 图 8 A 相指令电流与跟踪电流波形的比较 5 实验结果验证 图 9 补偿前电网 A 相电压和电流 图 10 补偿后电网 A 相电压和电流 6 结论 通过对滞环比较器宽度选取方法的分析，为进 一步提高 APF 的工作效率，确定了定时滞环控制部 分的最佳频率。通过仿真和实验分析比较，证明了 本文的设计方法的正确性和有效性。 参考文献: ［1］ 姜齐荣，赵东元，陈建业. 有源滤波器———结构原理控制［M］. 北京:科学出版社，2005. ［2］ 李战鹰，任震，等. 有源滤波装置及其应用研究综述［J］. 电网 技术，2004(22) . ［3］ Akigi H，Kanazawa Y，Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching device without energy storage components［J］. IEEE Trans on Industry Applications，1984，20 (3) . ［4］ 王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿［M］. 北京: 机械工业出版社，2002. ［5］ 王群，姚为正，王兆安. 低通滤波器对谐波检测的影响［J］. 西 安交通大学学报，1999(4) . ［6］ 公茂忠，刘汉奎，顾建军. 并联型有源电力滤波器参考电流获 取的新方法［J］. 中国电机工程学报，2002(9) . 作者简介:耿俊芬(1985 － ) ，女，助理工程师。2007 年毕业于安徽 工业大学，现在煤炭工业合肥设计研究院从事煤矿配供电方面的设 计工作。 为进一步验证本文所选电流滞环宽度的正确 ( 收稿日期:2009 － 11 － 03;责任编辑:姚克) 中国煤炭期刊网 www.chinacaj.net