有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

陈雅丽

广东省清远市新能电力工程有限公司清新分公司

摘要：智能家电中使用的软启动器、电力电子调速变频装置和不间断电源等接入配网后都会使配网产生高次谐波。APF是一种有效的谐波治理装置，其按连接方式可以分为串联型、并联型和混联型3种。混联型APF控制复杂，成本高，而串联型APF在市场上并不多见，这是因为串联型APF不能直接接入系统（电源）中，需要在系统与APF之间接入一个耦合变压器，所以工程中运用最多的是并联型APF。基于此，对有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用进行研究，以供参考。

关键词：有源电力滤波器；配网电能；质量控制；应用

引言

电力电子装置在电力系统中应用非常普遍，二极管、整流器等非线性特性会引起电力系统谐波含量增加，从而影响电能质量。并联型有源电力滤波器可以实现对谐波的高效补偿，改善入网电流波形质量，其作为有源型电能质量治理设备在电力系统中被广泛使用。考虑到成本和SAPF自身容量较小且损耗大的局限性，电能质量治理不能完全依赖SAPF的投入。

1有源电力滤波器的工作原理及结构

APF由四个部分构成：指令电流运算部分（谐波检测部分）、电流追踪控制部分、驱动部分和主电路（电流变换部分）部分。按照电网连接APF的方式不同，可分为串联和并联以及串并联混合式结构。SAPF的串联式结构：电力系统中的谐波和三相不平衡电压由电源与变压器串联而成，适用于对电容负荷进行谐波补偿，其作用是滤除失真成分，改善电能品质。由于采用串联方式，使APF中的电流流量大，不仅对容量的要求高，而且运行损失大，而且在实际生产中很难使用。PAPF的并联结构主要用于补偿以感性负载为主的谐波源，功能是对畸变分量进行滤波，从而补偿无功。在此模式下，即使有很小的电流经过APF，APF仍然存在基波电压。在实际应用中，采用多个PAPF级联进行扩展，提高了系统的总电流输出。

2重复控制的基本思想

重复控制属于一种控制思想，其主要以内模原理为基础。内模是处于稳定的闭环控制系统中囊括外部输入信号的数学模型。内模原理对于一个控制系统来说，若是对其进行控制的反馈从被调节的信号中而来，这时内控外部信号动态模型已经包含在反馈回路中，整个系统均具有稳定的结构。内模原理则是将系统外部信号相关动力学模型引入到控制器中，组成精度更高的反馈控制系统。此系统可以对输入信号进行无静差的跟踪。就全部的无静差系统来说，均有此问题存在，也就是当输入信号接近0时，怎样确保控制信号能够继续输出，使适宜的控制作用得到有效维持。这时候尽管反馈、给定信号依然存在，然而误差信号则是零，那么系统信号通道则完全断开，输出和输入没有关系。面对这一情况，控制器应将外部干扰或指令的模型纳入其中，对信号输出进行积极控制。

3有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

3.1预测控制

预测控制是通过采集当下时刻的状态信号，来预测下一时刻的控制信号，选择最有效的电压矢量，从而使系统获得最优控制，具有良好的动态性能。根据优化方法的不同，模型预测控制主要分为两大类：有限集模型预测控制和连续集模型预测控制。连续集模型预测控制需要加入PWM调制器，很难实现对开关频率的优化控制，且控制目标单一。有限集模型预测控制不含有PWM调制器，因此能够实现对开关频率的控制，而且可以通过引入权重因子实现多目标控制。有限集模型预测控制可以分为：单矢量，双矢量和多矢量。传统的单矢量有限集模型预测控制存在电压矢量方向固定、幅值固定、寻优次数少等问题，控制后电流的脉动依然很大。针对这一问题，提出了在一个开关控制周期内使用一个非零矢量和零矢量组合替代传统的单一矢量，并推导了占空比计算公式，提出一种计算非零矢量和零矢量的作用时间的简单方法，与传统的单矢量模型预测控制相比，在相同采样频率下，该方法可以获得更低的功率脉动和谐波含量。提出了一种三矢量模型预测功率控制，通过构建预测功率模型，在每个控制周期进行两次电压矢量选择，首先选定第一个最优电压矢量，然后再从相邻的有效电压矢量中选取两个，再连同零矢量与第一个最优电压矢量分别组合，合成期望电压矢量，将这两个电压矢量代入价值函数，选取最优解，最后将得到的最优电压矢量进行空间矢量调制得到驱动信号，在相同开关频率下，改善了系统的稳态性能，提高了电流质量和控制精度。

3.2直流侧电压控制器设计

直流母线电压的稳定是保证APF可靠运行的关键因素。本文直流侧电压采用电压外环和电流内环进行控制。测量的直流母线电压Udc和参考电压Udc输入电压外环LADRC。将电压外环LADRC的输出作为基波d轴ifd的参考值再同时输入到电流内环LADRC，得到逆变器在基频处的电压命令。

3.3复合控制

要想确保重复控制展现出最佳效果，需与其他控制方式关联，然后应用到有源电力滤波器中。其一，与无差拍控制相结合，对无差拍形成的控制偏差进行修正，进而顺利获取到下一拍的输出电压，采取滞环、双滞环控制方式，有效解决重复控制动态性能不足的情况；其二，与带积分状态反馈结合，然后设计输出电压控制方案，可确保动态特性、精确度；其三，与有源阻尼结合形成的控制方式，能够在确保系统稳定以及稳态精度的基础上，制定科学合理的设计方案；其四，与PI控制并联，且巧妙地使用到有源电力滤波器中。如果指令电流突然出现变化，PI控制会第一时间做出响应，跟踪指令，并重复控制，以此来有效避免稳态误差的出现，这样除了能够展现出重复控制稳态精度高的特点之外，还能够彰显出PI控制动态速度迅速的特征。这一种复合控制方法值得广泛推广。

3.4谐振抑制策略

在工程实际中，当弱电网接入的情境下，SAPF与电容补偿装置并联使用时，不论电容补偿装置的位置如何，电网强度的变化都会诱发谐振，从而使得系统不能稳定工作。而且在实际工程中，并联电容补偿装置接入电网的位置不确定。因此，对该谐振现象进行抑制是十分必要的。对于系统中产生的谐振现象，为了避免引入实际电阻造成系统损耗，通常利用虚拟阻抗的方式实现谐振抑制。

3.5基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法

并联型APF的变换器直流侧都有一个大电容，用于储存电能，其大小影响补偿效果。基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法的思路是，将电容电压与设定的参考电压相比较，得到含有扰动量的信号，将该信号馈送到一个PI控制器中，该控制器能调整输入信号得到无扰动的输出信号，该输出信号就是负载电流基波分量的幅值。电压源的单位矢量是从系统（电源）得到的，负载电流基波分量的幅值乘以电压源单位矢量得到负载电流基波的参考信号，将该参考信号与负载检测电流相比较即可获得补偿电流。这种方法的优点在于通过适当调整PI控制器参数直接生成负载电流基波分量的幅值。

结束语

现阶段社会能源缺口逐渐加重，进而对高效清洁能源提出了更多的需求。在此背景下，能源生产与运用极其关键，电力电子技术是一种典型的清洁能源技术，发挥着重要作用，但电力电子会形成谐波，不利于其发展。所以，需加强对谐波的治理。在有源电力滤波器中运用重复控制可实现对谐波的有效治理。通过分析有源电力滤波器中的重复控制，以此来确保电力行业可持续健康发展。

参考文献

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