4并联有源电力滤波器的控制策略
4.1并联型有源电力滤波器系统构成和及其工作原理
并联型电力有源滤波器系统的原理如图4.1 所示。图中： is 为电源电流；
iL 为负载电流；ic 为补偿电流；ic*为指令电流；icL 为补偿电流与负载电流之
和，即icL=ic+iL。并联型电力有源滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生器。其中补偿电流发生器的主电路采用了电压型PWM 变流器。电阻、电感、电容组成高通滤波器与有源滤波器并联，其作用是滤除补偿电流中开关频率附近的谐波成分。并联型电力有源滤波器的基本原理是：通过检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路的放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。
图4.1并联型电力有源滤波器系统
4.2并联有源电力滤波器的控制研究
并联有源电力滤波器电流控制电路主要作用是根据由检测系统得到补偿电流指令信号ic*，得出主电路开关器件通断的PWM信号，保证补偿电流跟踪其指令电流信号的变化。为了取得理想补偿特性，APF电流控制方法的选择十分重要。 4.2.1并联有源电力滤波器直流侧电压控制 并联有源滤波器有效进行谐波电流补偿，必须将有源电力滤波器直流侧母线电压控制为一个稳定值。但是，有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在某一恒定值，直流侧电压波动较大时会出现过补偿或者欠补偿。通常，直流侧电压随补偿电流和变流器工作模式的变化而变化，在允许的给定范围内波动。欠补偿会影响补偿电流的精度，过补偿会增加有源电力滤波器的干扰性谐波电流。
从理论上讲，有源电力滤波器直流侧电压的变化由有源电力滤波器和电网的能量流动所决定。当有源滤波器吸收有功功率时，其直流侧电压升高；反之，当有源滤波器发出有功功率时，其直流侧电压下降。直流侧电压波动的根本原因在于补偿电流在交流电源和有源电力滤波器之间的能量波动，这个能量波动要由电容器来缓冲。电容值过小，主电路直流侧电压波动就会过大；电容值过大，主电路直流侧电压动态响应就会变慢。所以，为了保证良好的补偿电流跟随性能，必须将主电路直流侧电容的电压控制为适当的值。在实际中，影响直流侧电容器电压的主要因素有：电路中电力电子元器件在工作情况下的损耗；系统中的谐波，不同成分谐波分量间相互作用并产生与电容间的能量交换；系统电压在直流侧产生的能量脉动。
直流侧电压进行控制的传统方法是：通过一个二极管整流器或调压器给直流侧的电容提供一个单独的直流电源，这种方法虽然能够达到调节直流侧电容电压的目的，但增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗等而较少采用。
另一种方法是通过适当的控制(PI调节控制)，使直流侧电容直接从电力有源滤波器交流侧获取能量，并维持其电压为适当值。如图4.2所示。Uce是Uc的给定值，Ucr是Uc的反馈值，两者之差经PI调节后得到出?ip。
图4.2直流侧电压PI调节控制
它叠加到瞬时有功电流分量ip上，经运算在指令信号ic*：中包含一定的基波有功电流，使电力有源滤波器直流侧与交流测交换能量，从而将Uc调至给定值。调节过程的关键在于有源电力滤波器和交流测间如何进行能量交换。
4．2．2有源电力滤波器电流跟踪控制技术
有源电力滤波器的性能很大程度上依赖于控制器的水平，设计良好的控制器，选用合适的控制策略非常关键。目前，并联有源电力滤波器常用的电流控制方法有：滞坏控制、三角波比较、无差拍控制和近几年兴起的自适应控制、自抗扰控制、神经网络控制、遗传算法和单周控制等。有源电力滤波器的滤波性能完全取决于其调制方法，目前主要采用PWM控制方式，其主要有两种，即滞环比较(瞬时值比较)方式和三角波比较方式。 4.2.2.1 PWM控制原理
PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即
通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，影响也最为深刻。PWM控制技术重要理论基础是采样控制理论的面积等效原理。如图4．7所示，用PWM等效正弦波(SPWM)。正弦波被n等份后可以看为n个彼此相连的脉冲序列(宽度相等，幅值不等)，根据面积等效原理(实际是冲量相等)得到PWM波。可以看出，脉冲幅值相等而宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形(也称SPWM)。同理，如果调制的信号波形是从电网提取的谐波电流，可以用三角波对其进行PWM调制，得到有源电力滤波器中PWM逆变器的控制信号，使主电路产生补偿电流。
图4.4信号波和载波的PWM控制波形
图4_4中把正弦波形ur作为调制信号波，等腰三角形uc作为载波信号，ud为储能元件电容C两端的电压幅值。当载波的瞬时值低于调制信号波时PWM逆变器输出高电平，否则输出低电平。分别用高低电平去控制PWM逆变器电力电子期间的导通和关断。
4.2.2.2滞环比较控制方式
滞环控制是一种电流瞬时值比较控制，当补偿对象与滤波器输出之差超过预定的容许误差时，主电路开关元件动作，滞环电流比较控制是实际电流与指令电流的上、下限相比较且形成一个环带，并以交点作为开关点。滞环比较控制方式基本原理是将补偿电流的指令信号ic*与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号ic和?ic之差作为滞环比较器的输入，通过比较器的输出来控制电力电子器件的通断，从而控制实际补偿电流ic的变化，如图4_5所示。
图4.5滞环电流控制原理图
滞环比较控制方式具有硬件电路简单、电流响应快、不需要载波输出电压中不含有特定频率谐波分量等特点。在这种控制方式中，滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大影响。当滞环的宽度较大时，主电路的开关元件的开关频率较低，对元器件要求不高，但是跟随误差较大；反之滞环的宽度较小时，跟随误差较小，但主电路的开关元件的开关频率较高在并联有源电力滤波器实际应用中，滞环比较控制方式环宽的选取至关重要。环宽的选取是根据电力系统绝对电流变化的要求决定的，电流畸变的边界值是总电流的5％左右。用H表示滞环比较控制方式的环宽，?ic＜H时，滞环比较器输出保持不变；当时，?ic＞H滞环比较器的输出翻转，假设后面的主电路无延迟，则补偿电流ic的变化方向随之改变。这样ic*就在-H和H之间变化，即ic*在ic*-H和ic*+H之间范围内呈锯齿波状跟随ic*变化。 4.2.2.3三角波比较方式
三角波比较电流跟踪控制与一般三角波作为载波的PWM控制方式不同，不是直接将指令信号ic*与三角波比较。而是将指令信号ic*与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号ic之差?ic缸经放大器后与高频三角波比较，得到矩形脉冲作为有源电力滤波器主电路元器件的控制信号，从而使变流器输出所需要补偿电流。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。原理如图4．6所示。
图4.6三角波比较控制原理图
三角波比较方式具有元器件开关频率固定，且PWM信号等于三角载波频率；输出补偿电流含有谐波较少，但含有与三角载波相同频率的谐波；但是动态响应没有滞环比较快、放大器增益有限、三角载波频率影响元器件等工作特点。 无差拍控制能快速反应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制，但是由于计算量大、容易造成延迟、对系统参数依赖性大从而影响整个系统的稳定性，对于有源电力滤波器这样一个非线性多变量系统而言这种策略很少采用。 自适应控制对动态变化过程有自适应，但对过程参数的变化不灵敏；自抗扰控制的抗干扰能力强；神经网络控制控制精度高、控制方法简化；遗传算法有优化运算方面的优势。
单周控制（One-Cycle Control，occ）不存在暂态误差，是一种非线性控制方法，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、控制电路简单和良好的稳定性能等优点，但是一种新的理论，还要等待时间的检验。这些方法的应用还处于初始阶段，无应用实例，理论性和实践性有待进一步研究。 4.3有源电力滤波器的主电路设计
4.3.1直流侧电容量的选择
为了保证有源电力滤波器正常工作，直流侧电压作为补偿器的直流电源必须保持恒定。但有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在一个恒定值，直流侧电压随补偿电流和补偿器工作模式的改变而改变，在允许的给定范围内波动。
直流侧电压的波动主要来自于APF补偿电流中的谐波及无功电流造成的能量脉动、开关损耗以及交流侧滤波电感储能引起的能量脉动，其中尤其以谐波电流造成的能量脉动所引起的直流侧电压波动最为明显。
为了减小直流侧电压波动，直流侧电容必须有一定的容量要求。当直流侧电压一定时，电容值越小，则直流侧电压波动越大，影响有源电力滤波器的补偿效果;电容值越大，则直流侧电压波动越小，但是电容体积和造价都会增加。因此，需要综合考虑两方面因素，在直流侧电压波动满足要求下进行电容值的选取。
设直流侧电压Udc的最大允许波动电压为△Udcmax 定义电压波动率为:
???Udcmax (4-1) Udc则直流母线电压最大值和最小值为:
Udcmax?(1??)Udc (4-2) Udcmin?(1??)Udc (4-3)
对于非线性负载来说，其谐波和无功电流所产生的瞬时功率不为零，但一个周期的平均值为零。当有源电力滤波器对谐波和无功电流进行补偿时，有源电力滤波器和负载之间有能量交换，需要直流侧电容提供能量交换缓冲。如果忽略有源电力滤波器系统存在损耗，这一缓冲电容只是周期性地吸收和释放能量，不需要电源提供能量。而当谐波和无功电流得到补偿时，电源只向负载提供有功电流，即提供负载消耗的能量，而不再和负载交换能量。有源电力滤波器、电源及负载之间的能量交换如图4.1所示:
图4.7有源滤波器、负载和电源之间的能量交换
为了简化分析，特作以下假设:
(1)考虑能量平衡关系时，不考虑滤波电感中的储能;
(2)稳态时，直流侧电压波动幅值与直流侧电压值相比非常小; (3)APF自身损耗忽略不计。
设有源电力滤波器交流侧的瞬时功率为Pc(t):