基于有源电力滤波器的改进型电流控制方法.pdf

Telecom Power Technology 1 Oct.10,2023,Vol.40 No.19 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.19.001基于有源电力滤波器的改进型电流控制方法杨双双（国网天津滨海供电公司，天津 300450）摘要：通过建立包含 LCL 滤波器的有源电力滤波器数学模型，开展对电路中电流控制方法的研究。针对有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）网侧、逆变侧电流控制方法存在的缺陷，引用电容电流前置叠加。并在此基础上，开展对系统的根轨迹图形、指令电流跟踪能力、抑制开关频率附近的谐波效果等内容的研究。通过仿真实验证实所提的控制方法能够进一步改善补偿电流的跟踪效果，具有一定的使用价值和参考价值。关键词：LCL 滤波器；电容电流前馈；补偿精度Improved Current Control Method Based on Active Power FilterYANG Shuangshuang(State Grid Tianjin Binhai Power Supply Company,Tianjin 300450,China)Abstract:By establishing the mathematical model of active power filter including LCL filter,the current control method in the circuit is studied.Aiming at the defects of current control methods on the network side and inverter side of Active Power Filter(APF),capacitor current pre-superposition is introduced.On this basis,the root trajectory graph,command current tracking ability and harmonic suppression effect near switching frequency of the system are studied.The simulation results show that the control method proposed in this paper can further improve the tracking effect of compensation current,and has certain use value and reference value.Keywords:LCL filter;capacitance current feedforward;compensation accuracy0 引 言随着电力电子技术的迅速发展，电网中使用各类功率开关和非线性负荷设备，导致严重的谐波污染出现。通常采用的补偿谐波方法是引进有源电力滤波器（Active Power Filter，APF），而抑制谐波模块则采用 LCL 滤波器1-2。但以网侧电流作为反馈设计会使系统稳定性变差，产生较大纹波，损坏功率器件。近来，大量学者提出用逆变侧电流设计，以改善系统稳定性差的问题，但整体补偿效果依然不佳3-4。在此基础上，针对并联的 APF 提出了利用电容电流前置叠加逆变侧电流控制的新型策略，以补偿系统中的电流，进一步提高 APF 整体补偿精度，同时采用仿真验证该控制策略的实用和有效性。1 含有 LCL 滤波器的 APF 模型含有 LCL 滤波器的 APF 拓扑结构如图 1 所示。Lg、Lc、Cf、Rd分别代表网侧滤波电感、逆变侧滤波电感、滤波电容以及系统阻尼电阻。其中阻尼电阻为抑制系统谐振的元件。假定系统三相电压对称，不计电感寄生电阻，滤波电感为线性，由基尔霍夫电流定律（Kirchhoffs Current Law，KCL）、基尔霍夫电压定律（Kirchhoffs Voltage Law，KVL）得到系统方程 1dcc12c2c12diuuLdidiueLdiduiCidtG sL sGsCsGsL sisG su s=+=+=+=+L L CsLL s12（1）式中：udc为直流电压；uc为电容电压；L1为逆变侧电 感；L2为网侧电感；e 为电网电压；C 为滤波电容；i1为逆变侧电流；i2为网侧电流。根据式（1）建立频域模型，如图 2 所示。-u+-+-e+i2G(s)1G(s)2G(s)3i1icuc图 2 LCL 滤波器模型收稿日期：2023-08-27作者简介：杨双双（1990），女，黑龙江齐齐哈尔人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力系统及其自动化。UV1CdV35V246VVVRfCdLcLgUgD1DD35DDD246i1i2uc图 1 含有 LCL 滤波器的 APF 拓扑结构 2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期Oct.10,2023,Vol.40 No.19Telecom Power Technology 2 图 2 中()()()()()()()1dcc12c2c121123223121111diuuLdidiueLdiduiCidtG sL sGsCsGsL sisG su s=+=+=+=，()()()()()()1dcc12c2c121123223121111diuuLdidiueLdiduiCidtG sL sGsCsGsL sisG su s=+=+=+=，()()()()()1dcc12c2c121123223121111diuuLdidiueLdiduiCidtG sL sGsCsGsL sisG su s=+=+=+=，滤波器的开环传递函数为 ()()()()1dcc12c2c121123223121isG su s=+L L CsLL s12（2）2 传统电流控制策略2.1 网侧电流闭环方法网侧电流闭环方法的控制模型如图 3 所示。-u+-+-e+i2G1(s)G2(s)G3(s)i1icucGi(s)i2*+-i2图 3 以网侧电流作为反馈回路的控制模型开环传函 G0(s)的计算公式为 ()()()()()()0101g2c1g2c11Gi(s)G1(s)G2(s)G3(s)Gi(s)G1(s)1+G2(s)G3(s)1+G1(s)G2(s)+G2(s)G3(s)Gs=（3）式中：Gi(s)为主电路模块传递函数。式（3）可以简化为 Gi(s)=kp+ki/s（4）式中：kp为比例系数；ki为积分系数。如果系统开关频率很大，可用 kp表示 Gi(s)。2.2 逆变侧电流闭环方法逆变侧电流闭环方法的控制模型如图 4 所示。-u+-+-e+i2G1(s)G2(s)G3(s)i1icucGi(s)i1*+-i1uci2图 4 以逆变侧电流作为反馈回路的控制模型系统开环传递函数为()()()()()0101g2c1g2c11Gi(s)G1(s)G2(s)G3(s)Gi(s)G1(s)1+G2(s)G3(s)1+G1(s)G2(s)+G2(s)G3(s)1+G1(s)G2(s)+G2(s)G3(s)iiGs=（5）3 含有 LCL 滤波器的改进控制方法为提高补偿精度，将 LCL 滤波器电容电流作为前置。首先将 LCL 滤波器电容电流与指令电流叠加，其次将叠加后的结果减去逆变侧电流，最后将结果输入控制系统产生补偿谐波。控制模型如图 5 所示。-u+-+-e+i2G1(s)G2(s)G3(s)i1icucGi(s)i1-i1uci2i2*+*+ic图 5 引入电容电流前馈的系统控制模型3.1 开关频率处谐波引入电容电流作为前置反馈前，用表示衰减比，则由图 4 推导出()()()()()()0101g2c1g2c11Gi(s)G1(s)G2(s)G3(s)Gi(s)G1(s)1+G2(s)G3(s)1+G1(s)G2(s)+G2(s)G3(s)1+G1(s)G2(s)+G2(s)G3(s)GsiiGsIsiIsi=G2(s)G3(s)G2(s)G3(s)1+G2(s)G3(s)（6）引入电容电流作为前置反馈后，由图 5 推导出()()()()()()0101g2c1g2c11IsiIsi=G2(s)G3(s)1+G2(s)G3(s)1+G2(s)G3(s)s2L2C+1（7）由式（6）和式（7）计算出的系统衰减比没有明显变化，证明系统衰减比仅受网侧滤波电感与滤波电容的影响。因此，引入电容电流作为前置反馈的方法并未改善谐波对开关频率的抑制作用5-6。3.2 根轨迹逆变侧电流作为反馈时，系统开环传递函数零点、极点数分别为 2 和 3。引入电容电流前馈后，零点分布不变，极点只剩原点位置 1 个。说明引入前馈后，若系统开环增益不变，其闭环极点会距虚轴更远，暂态分量衰减更快，系统可以在更短时间达到稳定。4 仿真研究利用 MATLAB 开展仿真，选取 6.6 kVA 的有源电力滤波器；逆变开关频率取 12.5 kHz；直流侧电压取 800 V；电容取 2 200 F；Lc 和Lg分别取 2.8 mH、0.6 mH；Cf取 5 F；Rd取 4。APF 投入系统的时间设置在启动时间 0.04 s 之后7-8。应用网侧电流和逆变侧电流作为反馈回路时，系统的电流波形及补偿电流波形如图 6 所示。由图 6 可知，采用网侧电流作为反馈回路时纹波很大，容易损坏功率开关；而逆变侧电流作为反馈回路时，纹波较小，能有效保证系统运行的稳定性。传统控制策略和新型控制策略下系统侧电流谐波分析分别如图 7、图 8 所示。由图 7 和图 8 可以看出，未引入电容电流前反馈时系统侧总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）为 3.12%；引入电容电流前反馈后系统侧 THD为 2.08%。说明引入电容电流前反馈可以抑制系统谐波，降低了系统整体的谐波含量。5 结 论文章主要分析了加入 LCL 滤波器的 APF，在采用典型网侧电流作为反馈回路和采用逆变侧电流作为反馈回路时性能的优劣。在此基础上，提出了改进策略，通过引入电容电流作为前置回路，并将逆变侧电流叠加到闭环控制。该方法能够进一步优化补偿电流的跟踪效果，从而提高 APF 的补偿精度，抑制谐振峰值，使系统在更短时间达到稳定。2023 年 10 月 10 日第 40 卷第 19 期 3 Telecom Power TechnologyOct.10,2023,Vol.40 No.19 杨双双：基于有源电力滤波器的 改进型电流控制方法参考文献：1 何 颖.高频有源电力滤波器谐波电流控制策略比较研究 D.武汉：华中科技大学，2020.2 程姚祥.四桥臂有源滤波器谐波检测及控制策略研究 D.徐州：中国矿业大学，2022.3 吴丽珍，安利锋，陈 伟，等.考虑电网阻抗变化的 LLCL 并网逆变器谐振抑制策略 J.兰州理工大学学报，2021，47（4）：76-82.4 程国栋，吴 玮，夏晶晶.三相 LCL 并网逆变器改进模型预测控制策略 J.电力电子技术，2019，53（7）：14-17.5 梁 欢，张 琦，唐 雨，等.用于并网逆变器谐波抑制的重复控制策略研究 J.电力电子技术，2022，56（9）：5-7.6 DU X，LE J，LIU K P.Capacitive current feedback control approach for LCL-based four leg shunt active power filterC/Proceedings of 2015 International Conference on Computer Information Systems and Industrial Applications（CISIA2015），2015.7 许津铭，季 林，葛小伟，等.计及逆变器侧电流反馈影响的 LCL 滤波器参数优化设计 J.中国电机工程学报，2016，36（17）：4656-4665.8 冉立泽.单相并网逆变器控制策略研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.0.2000.2020.2040.2060.2080.2100.2120.2140.2160.2180.220-80-60-40-20020406080 网侧i闭环逆变侧i闭环电流/时间/s（a）系统电流波形0.2000.2020.2040.2060.2080.2100.2120.2140.2160.2180.220-40-30-20-10010203040 逆变侧i闭环网侧i闭环时间/s电流/（b）补偿电流波形图 6 系统的电流波形/补偿波形051015200.0谐波次数/次THD=3.12%0.20.40.60.81.0 谐波幅值占基波幅值比重/%图 7 传统控制策略下系统侧电流谐波分析0.005101520谐波次数/次0.20.40.60.81.0THD=2.08%谐波幅值占基波幅值比重/%图 8 新型控制策略下系统侧电流谐波分析