前言

　　隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以變頻器、同步電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備、開關(guān)電源為代表的典型非線性設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，這些設(shè)備在運(yùn)行中會(huì)注入大量諧波電流到公共電網(wǎng)中，帶來(lái)了一系列的問題，諸如鐵磁諧振，線路損耗， 電能質(zhì)量變差等。為了解決這個(gè)問題，有源電力濾波技術(shù)　(Active Power Filter， APF)迅速發(fā)展起來(lái)。

      APF技術(shù)迄今已經(jīng)比較成熟，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上看，以三相全橋脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation， PWM) 變流器為主流拓?fù)?，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是輸出電壓低， 無(wú)法直接接入高壓電網(wǎng)，其接入高壓電網(wǎng)的方式為多臺(tái)APF設(shè)備并聯(lián)之后通過(guò)升壓變壓器接入中壓電網(wǎng)，如圖1所示，這樣做的缺點(diǎn)很明顯，由于變壓器是含鐵芯的感性設(shè)備，一方面，APF發(fā)出的高次補(bǔ)償電流在通過(guò)變壓器的時(shí)候被衰減了一部分，次數(shù)越高衰減程度越大，這樣就影響了諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?。另一方面，這些補(bǔ)償電流引起了鐵芯明顯發(fā)熱甚至磁路飽和，危害變壓器的正常運(yùn)行。

圖 1 APF 設(shè)備并入高壓電網(wǎng)示意圖圖 

        從控制方案上看，其以電流控制為目標(biāo)，相關(guān)的控制策略有滯環(huán)控制、諧振控制、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制等等。滯環(huán)控制的特點(diǎn)是控制響應(yīng)速度快、控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好， 其缺點(diǎn)在于開關(guān)頻率不固定、滯環(huán)寬度設(shè)計(jì)困難， 難以引用在大功率設(shè)備上。諧振控制可以理解為正弦信號(hào)的廣義積分，在特殊頻率點(diǎn)有無(wú)窮大增益， 從而使系統(tǒng)對(duì)該頻率的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差理論上為零，但在工程實(shí)際應(yīng)用中，理想的諧振控制器會(huì)帶來(lái)穩(wěn)定性的問題， 且當(dāng)實(shí)際諧振頻率與設(shè)計(jì)的諧振頻率存在偏差時(shí)，開環(huán)增益明顯下降， 影響補(bǔ)償效果。同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)控制利用鎖相環(huán)設(shè)置多個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)， 從而將指定次諧波轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量， 采用低帶寬的PI控制參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤。但其缺點(diǎn)也很突出，比如需要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波都要設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，計(jì)算量大幅增加，其諧波提取采用低通濾波器，各次諧波中其實(shí)包含少量的其他次諧波，多控制器同時(shí)工作時(shí)會(huì)相互干擾，容易引起系統(tǒng)振蕩。

        為了實(shí)現(xiàn)APF設(shè)備直接并入高壓電網(wǎng)，本文中的設(shè)計(jì)采用H橋單元級(jí)聯(lián)方案，可以直接輸出高電壓。在控制方式上， 采用PI控制并聯(lián)重復(fù)控制( Repeat Control， RE)的控制策略，在滿足快速響應(yīng)的同時(shí)提高穩(wěn)態(tài)控制精度。

2 高壓 APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　本文中設(shè)計(jì)的APF輸出電壓為4160kV，功率單元為H橋結(jié)構(gòu)，逆變電路采用H橋級(jí)聯(lián)(Cascade H Bridge， CHB)的方式，每個(gè)換流鏈由5個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)，三組換流鏈按照Y型相接，中性點(diǎn)懸空。每個(gè)鏈節(jié)包含一個(gè)預(yù)充電電阻和與之并聯(lián)的接觸器，通過(guò)并網(wǎng)電抗器接入高壓電網(wǎng)公共耦合點(diǎn)(Point of Common Couple， PCC)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中的APF控制系統(tǒng)主要包括換流鏈直流母線總體電壓控制，直流母線內(nèi)部各功率單元間直流母線均壓控制，補(bǔ)償電流控制，如圖3所示。

圖 3 高壓 APF 控制系統(tǒng)圖

　功率單元直流母線電壓控制

　　本文中用典型非線性負(fù)載三相全橋整流器進(jìn)行分析，其電流如圖4中藍(lán)色曲線所示，黑色曲線為APF理想輸出電流波形，紅色曲線為公共耦合點(diǎn)補(bǔ)償后的理想波形，右側(cè)波形為負(fù)載電流諧波含量?？梢岳斫鉃橄到y(tǒng)電網(wǎng)只給該負(fù)載提供基波有功電流，APF設(shè)備提供其他高次諧波有功電流。

圖 4 三相全橋整流器負(fù)載電流曲線及其諧波含量

　　下式1為有功功率公式，其中 為第n次諧波電流電壓的相位差。對(duì)于典型三相全橋負(fù)載，其只存在6k±1次諧波，有功功率可以簡(jiǎn)化為式2，由于APF設(shè)備只補(bǔ)償高次諧波，所以可以使用基波有功功率來(lái)控制DC bus的電壓值。

　　式1

　　式2

　　單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)APF與低壓APF在控制系統(tǒng)上的顯著區(qū)別就是存在功率單元DC bus均壓?jiǎn)栴}，由于開關(guān)器件參數(shù)的不一致以及H橋驅(qū)動(dòng)脈沖不可能做到完全同步，各個(gè)功率單元DC bus電壓存在明顯的差別，電壓低的功率單元會(huì)進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)，這樣反而會(huì)產(chǎn)生更多次的諧波電流。可以采用經(jīng)過(guò)該功率單元電容的電流來(lái)調(diào)節(jié)其DC bus電壓， 具體控制方式如圖5所示。

圖 5 DC bus 電壓控制圖

　　基于PI控制并聯(lián)重復(fù)控制的電流補(bǔ)償策略

　　重復(fù)控制技術(shù)源于控制理論的內(nèi)模原理，利用負(fù)載擾動(dòng)的周期性變化規(guī)律有針對(duì)性對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差逐周期進(jìn)行修正，可以實(shí)現(xiàn)高精度控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，其連續(xù)形式和離散形式如下式3所示。其缺點(diǎn)在于相應(yīng)速度慢，為了提高控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，引入了并聯(lián)PI控制器如下式4和圖6所示。

　　  式3

　　上式中，T為靜態(tài)誤差的周期，TS為采樣周期

　　  式4

　　圖4中，，可以根據(jù)靜態(tài)誤差的周期進(jìn)行微調(diào)

            ，為周期性誤差的周期累加

　　       取0.707，Wn為剪切頻率，用于提高控制器穩(wěn)定性以及抑制高頻擾動(dòng)

　　為被控系統(tǒng)傳遞函數(shù)，L為連接電抗器

       為PI控制器差分形式。

圖 6 APF 數(shù)字復(fù)合控制器

　　表 1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

　　仿真驗(yàn)證

　　為了驗(yàn)證本文中的算法，在MATLAB中搭建了仿真模型，如圖7所示。CHB為逆變電路，CT為電流傳感器，PT 為電壓傳感器。主電路中包含2組電流傳感器，一組用于檢測(cè)逆變器的輸出電流，另一組用于檢測(cè)公共耦合點(diǎn)的電流，用于諧波補(bǔ)償。包含1組PT，用于檢測(cè)CHB的輸出電壓，另外每個(gè)功率單元的DC bus 電壓也被檢測(cè)，用于DC bus幅值控制和均壓控制。負(fù)載采用三相全橋整流器，輸出端連接一個(gè)阻性負(fù)載。需要考核的指標(biāo)為DC bus 電壓控制效果和公共耦合點(diǎn)電流諧波。

圖 7 單元級(jí)聯(lián) APF 仿真模型

從圖8和圖9可以看出，

　　(1)0~0.2s 為預(yù)充電過(guò)程，為了加速仿真過(guò)程，電容初始值電壓設(shè)置為額定值的20%。

　　(2)0.2~0.8s為 DC bus 控制以及電流補(bǔ)償控制， 可以看出控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速。

　　(3) top1圖中的曲線為A相換流鏈各個(gè)單元的DC bus 電壓，控制目標(biāo)為1000V，各個(gè)單元的電壓最大值和最小值的偏差不超過(guò)5V。

圖 8 APF DC bus 控制效果及電流補(bǔ)償曲線

圖 9 APF DC bus 控制效果及電流補(bǔ)償曲線放大圖

　　(4) top2圖為三個(gè)換流鏈DC bus總和的對(duì)比波形?？傮w控制目標(biāo)為5000V，在0.7s三相電壓均達(dá)到額定值。最大值和最小值的偏差不超過(guò)150V。

　　(5) bottom1 圖為公共耦合點(diǎn)電流，其輪廓接近正弦，而在負(fù)載電流瞬變的時(shí)刻補(bǔ)償效果略弱，沒有完全補(bǔ)償高頻諧波。

　　(6) bottom2 圖為 APF輸出電流，對(duì)比圖4中的負(fù)載諧波波形可以發(fā)現(xiàn)二者已經(jīng)非常接近。

　　補(bǔ)償效果分析

　　表2為IE C519- 2014 關(guān)于諧波含量的規(guī)定。120V~69kV電網(wǎng)電流諧波奇次諧波限值，其中為公共耦合點(diǎn)的短路電流，為負(fù)載電流，偶次諧波為相應(yīng)的奇次諧波的25%。

　　圖10為系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)電流的FFT分析，對(duì)比表2可以看出各次諧波含量和總體諧波含量均滿足要求。

表 2 IEC519-2014 最大諧波電流限值表

　圖 10 公共耦合點(diǎn)電流 FFT 分析

　結(jié)論

　　從仿真驗(yàn)證的效果可以看出，本文中設(shè)計(jì)的高壓APF設(shè)備，DC bus控制精度高，基本沒有波動(dòng)，有利于DC bus過(guò)壓保護(hù)算法的設(shè)計(jì)，電流響應(yīng)迅速且補(bǔ)償效果良好，已經(jīng)達(dá)到了IEC519-2014關(guān)于公共耦合點(diǎn)諧波含量的要求。