单相并联型有源电力滤波器电流复合控制

Power Electronics

Vol.44，No.3March 2010

第44卷第3期2010年3月

基金项目：国家科技支撑计划资助（2007BAA12B03）定稿日期：2009-07-31

作者简介：张树全（1983-），男，山东东营人，博士研究生，研

究方向为电力电子在电力系统中的应用等。

1引言

电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使得大量的无功电流和谐波电流注入电网，严重影响了电网和电气装置的安全运行和可靠使用[1]。有源电力滤波器（APF ）与无源滤波器相比，可以动态的抑制谐波和无功电流，不易与系统发生谐振。随着电气化铁路中整流电力机车，越来越多的开关电源，各种家用电气等单相电力电子设备的大量应用，单相APF 逐渐成为了研究热点[2]。

文献[3]针对工频整流器式电力机车，通过耦合变压器，把APF 串入无源滤波器中，提出了一种混合型单相APF 。文献[4]通过对三相空间矢量的分析，提出了一种适合单相全桥型逆变器的空间矢量方法。对于APF 的电流环而言，输入指令主要为快速变化的谐波信号，PI 控制器的带宽有限，无法做到对这种多个频率正弦信号叠加的谐波电流的精确跟踪。基于内模原理的重复控制技术理论，以实现对正弦指令信号的无静差跟踪[5]，但基于工频周期的调节的重复控制的缺点是动态响应慢。因此对单相APF ，提出了一种静止坐标系下的采用PI 控制和重复控

制并联的电流复合控制策略，利用PI 控制的快速响应特性保证系统的动态性能，利用重复控制来提高稳态时系统的补偿精度。实验结果表明基于PI 和重复控制并联运行的控制策略稳态精度高，动态响应快，补偿性能良好。

2单相APF 数学模型

单相并联型APF 的电路模型如图1所示。

由图1可建立静止坐标系下单相APF 的模型：

L d i f d t +Ri f =u s -（S a +S b ）U dc ，C dc d U dc d t

=（S a +S b ）i f （1）式中：S a ，S b 为开关函数，S a ，S b 为1表示上管导通下管关断，为0表示下管导通上管关断。

由此可得单相APF 在静止坐标系下的数学模型，如图2虚线框内所示，图2中电网电压为一扰动量，考虑电网电压可能存在畸变以及给控制器提供一个稳态运行的工作点，加入电网电压前馈。引入一个新的控制变量u r =u s -（S a +S b ）U dc ，代入式（1）可得：

单相并联型有源电力滤波器电流复合控制

张树全，戴

珂，李

直

（华中科技大学，湖北武汉

430074）

摘要：为提高单相并联型有源电力滤波器（Active Power Filters ，简称APF ）的补偿精度，提出了一种静止坐标系下PI 和重复并联运行的电流复合控制策略，其中PI 控制主要保证系统的动态性能，基于内模原理的重复控制可以显著提高APF 输出电流对负载谐波电流的跟踪精度。对单相APF 中的复合控制策略参数进行了设计，理论研究和实验结果表明复合控制策略可以有效提高单相APF 的滤波性能，总谐波畸变率降低到3.8％，达到谐波补偿的国家标准。关键词：有源电力滤波器；单相；比例积分控制；重复控制；补偿性能中图分类号：TN713

文献标识码：A

文章编号：1000-100X （2010）03-0022-03

Current Compound Control Strategy for Sing -phase Shunt Active Power Filter

ZHANG Shu -quan ，DAI Ke ，LI Zhi

（Huazhong University of Science and Technology ，Wuhan 430074，China ）

Abstract ：In order to improve the accuracy of the harmonic compensation for the single -phase shunt active power filter （APF ），based on the stational frame ，a compound control strategy which conclude the PI control and repetitive parallel is pro -posed.PI control is used to guarantee the system dynamic performance ，the repetitive control is to improve the output cur -rent tracking accuracy for the load harmonic current.The theoretical analysis and experimental results verify that the wave -form quality is effectively improved by the strategy proposed.Total harmonic distortion （THD ）is reduced to 3.8%，which is achieve the national stan -dards of harmonic compensation.

Keywords ：active power filter ；single -phase ；proportion integral control ；repetitive control ；compensation performance Foundation Project ：Supported by National Key Technology R&D Program （No.2007BAA12B03）

VS a1，VS a2，VS b1，VS b2为两个桥臂的开关管L 为APF 的输出电感；C dc 为直流母线上的滤波电容

R 为输出电感内阻和每个桥臂的上下管互锁死区压降等效阻抗之和

图1单相APF 电路模型

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d t

+Ri f=u r（2）此时控制对象实际简化成一个一阶惯性环节，u r 实际相当于APF桥臂中点的输出电压。

3单相APF控制系统

单相APF的控制系统如图2所示，由电压外环和电流内环组成，电流内环有两个作用，一个是通过对电压外环产生的电流指令信号进行调节，与电压外环PI控制器一起维持直流侧电压稳定在一个合适值；另外可对检测到的负载谐波电流指令进行调节，使APF输出与负载谐波幅值相等，方向相反的谐波电流信号，从而起到谐波补偿的目的。因此APF 性能很大程度上取决于电流环控制器的性能。

3.1PI控制器的分析和设计

由上述分析可知，控制对象可简化成一个一阶惯性环节，因此基于PI控制的电流闭环控制系统为一个典型的二阶系统，可以采用零极点对消的方式将此时的闭环传函简化成一阶模型，该方法的核心思想是使控制器的零点偏移到该系统在S平面的极点。取比例常数和积分常数K i/K p=R/L，此时基于PI 控制的电流环闭环传递函数为：

I f（s）I r*（s）=K p

K p+Ls

=1

1+T f s

（3）

式中：T f为系统响应的延迟时间。

由式（3）可知，T f与K p成反比，与L成正比，因此减小L和增大K p有助于提高系统补偿精度，但控制对象一阶惯性特性决定了PI控制无法消除延迟，系统采样、指令计算和数字控制一拍滞后的特性使得电流响应时间延迟变严重，因此对输出电流的跟踪精度改进有限，且可能导致系统不稳定。

3.2重复控制器的分析和设计

嵌入式重复控制器结构如图3所示。低通滤波器Q（z）简单的取为一个小于1的常数，与周期延迟环节z-N串联构成重复控制器的内模部分。S（z）是针对控制对象P（z）而设置的补偿器。以工频周期正弦信号作为重复控制的内模进行设计，因此根据内模原理，只要以基波周期重复出现的信号，重复控制器理论上均可以做到对此稳态无静差的跟踪。

Q（z）不仅与控制系统的稳定性有关，而且与补偿精度有关，Q（z）的取值以牺牲稳态精度来提高系统的稳定性，取Q（z）＝0.95。上面提到的控制对象一阶惯性环节特性、系统采样、指令计算和滞后一拍的控制均会增大T f，故用超前拍数环节来补偿数字控制的一拍延迟以及控制对象的相位滞后。通过估算和实验验证选取超前拍数为2，即超前环节为z2，选取合适的重复控制增益K r来调节重复控制器的收敛速度，它不能取的太大，否则容易导致系统的不稳定，这里取K r＝0.5。此时S（z）设计为K r S（z）。

3.3复合控制策略分析

重复控制理论上虽可以做到对指令信号无静差跟踪，但是有一个缺点，即其动态响应滞后一个工频周期。因此，为同时兼顾系统的动态特性和稳态性能，在单相APF控制系统中，将重复控制器与PI调节器并联运行组成电流复合控制策略。

当系统稳态运行时，其跟踪误差小，重复控制占据主导作用，PI控制器的作用很小；当系统出现大扰动时，由于重复控制器存在一个工频周期的延时，在扰动瞬间的一个工频周期内无法产生调节作用，而PI控制可以迅速调节，一个基波后重复控制器的调节作用使跟踪误差减小，直至系统达到新的稳定运行状态。

4实验结果

为证明分析的正确性，研制了一台22kVA单相并联APF实验系统，电路结构参数为：交流电源有效值U s=220V；电网频率f s=50Hz；L=0.9mH；C dc=40mF；直流侧电压U dc=450V；APF容量S C=22kVA；开关元件额定电流I cmax=300A；开关频率f c=9.6kHz。

搭建了单相不控整流桥带RL型负载作为谐波源，L和R分别为8mH和5.5Ω。图4示出投入非线性负载后系统的电流波形。可见，奇数次谐波畸变严重，其中3次谐波畸变率为14.8％，总的谐波电流畸变率为20.4％。

电流内环单独采用PI控制时补偿效果如图5所示，其中i f为APF输出电流，i s为补偿后系统侧电

图3嵌入式重复控制器

图2单相APF控制框图

图4补偿前系统电流波形和频谱分析

单相并联型有源电力滤波器电流复合控制

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电力电子技术

Power Electronics

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由图5a 可见，VD 5，VD 6的电压尖峰较小，表明该CDD 缓冲电路对续流二极管的电压尖峰有良好的抑制作用。由图5b 可见，在开关管关断后进入续流前，对应的次级续流二极管要换流关断，缓冲电路开始起作用，抑制续流管的电压尖峰，当续流管反向恢复结束后，承受电压回到正常值。在开关管关断时

C s1的能量释放到负载。可见，u C s1，u VDs2，u VDs1波形与前面的分析一致。对比图5c 与图5b 可见，缓冲电容充

放电的时间较长。

6结论

针对大功率双管正激变换器次级整流二极管会产生电压尖峰的缺点，介绍了几种解决方案，详细分析了加CDD 缓冲电路的组合双管正激变换器工作原理，并对缓冲电容的选取作了一些说明。实验证明，该CDD 缓冲电路能很好地抑制次级整流管和续流管反向恢复时的尖峰，并克服RC 和RCD 缓冲电路损耗较大的缺点。

参考文献

[1]

石健将.双管正激变换器组合研究[D].南京：南京航空航天大学，2003.

[2]徐晓彬.大功率全桥变流器次级整流吸收电路研究[J].电力电子技术，2009，43（1）：41-43.

[3]

Huang C K ，Nien H H ，Changchien S K ，et al.An Optimal Designed RCD Snubber for DC/DC Converters[A].Control ，Automation ，Robotics and Vision ，10th International Con -ference on ICARCV 2008[C].2008：2202-2207.

[4]步宏飞，肖岚.一种加双CDD 无源无损缓冲电路的推

挽正激变换器[J].电力电子技术，2006，40（3）：50-52.

[5]

Canales F ，Barbosa P ，Lee F C.A Zero -Voltage and Zerocur -rent Switching Three -Level DC/DC Converter[J].IEEE Trans.on Power Electronics ，2002，17（6）：8-904.

图5

实验结果

流，在固定点处的电流阶跃依旧很明显，3次谐波畸变率从补偿前的14.8％降低到8.9％，THD 由补偿前的20.4％降低到13.8％，可见PI 的补偿效果有限，尚未达到谐波抑制的国家标准。

同样负载条件，采用PI 控制和重复控制并联运行的电流复合控制策略下，补偿效果如图6所示。

在固定点处的电流阶跃得到明显抑制，3次谐波畸变率从14.8％降低到1.75％，THD 下降至3.8％，补偿精度得到显著提高，波形质量得到明显改善，达到了谐波抑制的国家标准。

5结论

从理论上分析了PI 控制器在单相APF 中应用的局限性，为改善单相APF 稳态时补偿精度，同时兼顾其动态响应特性，提出了PI 控制器和重复控制器并联运行的电流复合控制策略。实验结果表明提出的复合控制策略可以明显提高单相APF 的补偿性能，达到了谐波抑制的国家标准。

参考文献

[1]

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，1998.

[2]T Tanaka ，E Hiraki ，K Ueda ，et al.A Novel Detection Method of Active and Reactive Currents in Single Phase Circuits Using the Correlation and Cross -correlation Coefficients and Its Applications [J].IEEE Trans.on Power Delivery ，2007，4（22）：2450-2456．

[3]符志平，王跃，杨君，等．新型单相混合有源电力滤波

器的研究[J]．电力电子技术，2003，37（6）：27-29．

[4]A Koochaki ，S H Fathi ，M Divandari.Single Phase Applica -tion of Space Vector Pulse Width Modulation for Shunt

Active Power Filters[A].IEEE International Symposium on Industrial Electronics[C].2007：611－616.[5]

Robert Grin ó，Rafael Cardoner ，Ramon Costa -Castell ó，et al.Digital Repetitive Control of a Three -Phase Four -wire Shunt Active Filter[J].IEEE Trans.on Industrial Elcetronics ，2007，54（3）：1495-1503.

图5

单独PI 控制器时系统电流和电流频谱

图6

复合控制补偿时系统电流和电流频谱

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（上接第21页）

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