＜电气自动化）２０１０年第３２卷第５期 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 一种新型串联混合有源滤波器及其控制技术研究六 张晓英． 党存禄王德福 （兰州理工大学电信学院。甘肃兰州７３００５０） 摘要：混合型有源电力滤波器是当前有源滤波器研究领域的一个重要方向。针对传统有源电力滤波器存在的问题，本文提出了一种新 型的基于Ｌｃ串联谐振的串联混合有源电力滤波器。考虑到传统有源滤波器谐波补偿性能与系统稳定性之间存在矛盾，设计时 在电路主回路中引入了串联超前校正环节（ＰＤ控制器），并以此为基础，建立了系统的数学模型，对系统的频率特性和滤波特性 进行了分析。仿真结果表明：该新型滤波器滤波性能好，控制方法简单，实用性高；校正环节使系统的相位裕度增大，稳定性提高， 谐波补偿性能也得到改善。 关键词：串联混合型有源电力滤波器 串联超前校正频率特性稳定性仿真 【中图分类号】ｒＩ’ｒ １７【文献标识码】Ａ［文章编号】１０００．３８８６（２０１０）０５—００６２．０３ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｏｎ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｓｅｒｉｅｓ Ｈｙｂｒｉｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｌｔｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｚｈａｎｇ Ｘｉａｏｙｉｎｇ Ｄａｎｇ Ｃｕｎｌｕ Ｗａｎｇ Ｄｅｆｕ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｔｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｏｕ Ｃｈ，ａｎｓｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｙｂｒｉｄ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｓｐｅｃｉａｌ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ．Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ￣ｄｔｅｒ （ＡＰＦ），ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｅｒｉｅｓ ｈｙｂｒｉｄ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ．Ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒａｄｉｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｅｏｍ－ ｐｅｒｓａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ＰＤ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｒａｗｎ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ＡＰＦ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ．ＰＤ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｍａｒｇｉｎ， ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｅｓ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｒｉｅｓ ｈｙｂｒｉｄ ｔｙｐｅ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ＰＤ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０引言 随着电网中非线性负载的日益增多，谐波污染治理的问题越 来越受到重视。有源电力滤波器（ＡＰＦ）因其能动态治理电网中各 次谐波而广受人们关注“】，对其的研究日益深入，并出现了众多的 真分析，结果表明：该新型ＡＰＦ滤波性能好，控制方法简单，实用 性高，并使系统的稳定性得到很大改善。 １ 新型串联混合ＡＰＦ １．１主电路结构 图１为新型串联混合ＡＰＦ主电路结构，它与传统ＡＰＦ －４１的 电路拓扑结构［２１，其中将传统的无源滤波器和ＡＰＦ结合起来，取 长补短，组成混合ＡＰＦ，是当前ＡＰＦ研究领域的一个重要方向。文 献【３】、［４］提出了一种串联混合ＡＰＦ，其ＡＰＦ虽不承受基波电压， 主要区别是在电压源逆变器的输出和耦合变压器之间串人ＬＣ基 波谐振电路。并联无源滤波器由５次，７次和高通滤波器组成，电 感 和电容Ｃ。用来滤除ＰＷＭ逆变器的开关脉动。 但要通过基波负载电流，仅使有源滤波器的相对容量有一定程度 的减小。文献【５】提出一种在串联变压器二次侧采用多绕组的新 结构，使有源滤波器的容量大大提高，但其所用的逆变器件较多， 造价昂贵。文献【６】、【７】提出了一种基于Ｌｃ串联谐振的混合ＡＰＦ 方案，较适合于高压系统应用，但其滤波效果和系统稳定性之间存 在矛盾，影响了该方案的实用性。文献［８】提出了一种复合控制策 略，该策略在不影响系统稳定性的基础上，提高了系统的滤波性 能，但其控制策略比较复杂。 针对已有滤波器及其控制技术存在的问题，本文提出了一种 新型的基于Ｌｃ串联谐振的串联混合ＡＰＦ结构和新的控制技术。 对该新型ＡＰＦ的工作原理、滤波特性和频率特性等进行理论和仿 ★基金项目：兰州理工大学优秀青年教师资助项目（Ｎｏ．Ｑ２００８１４） ６２ ＥｌｅｃｔｒｉｃａＩ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 图１新型串联混合ＡＰＦ主电路结构 电力系统及其自动化 《电气自动化｝２０１０年第３２卷第５期 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ １．２工作原理 新型串联混 合ＡＰＦ的谐波补 偿原理和传统 ＡＰＦ相似。其单相 图４改进的系统闭环控制框图 图２新型串联混合ＡＰＦ单相等效电路 等效电路如图２ 由式（５）可知，改进控制方法增加了一个ｓ＝一１／Ｔ 的零点， 所示，ＡＰＦ等效为可控电压源Ｕｃ（相当于阻值为Ｋ的电阻），而负 只要选择合适的Ｋ口和Ｔｐ值，就可以使零点位于合适的位置，从而 载等效为谐波电流源Ｉ ，Ｚ 为电网等效阻抗，ｚｒ为无源滤波器总 提高系统的相位裕度，提高系统的稳定性。 阻抗，Ｌｃ基波谐振电路的等效阻抗为ｚ－。 ２．３频率特性分析 对图２作电路分析，可得流人电网的谐波电流表达式为 为了验证所提出控制方法的有效性，利用Ｍａｔｌａｂ软件进行系 ｊ统的频率特性分析，传统控制方法Ｋ＝５，改进控制方法Ｋ＝１５。 ＾ ＝ ｚｖ１ｌＦ十ｚ（１）Ｌ Ｊ Ｆ十ｚ一ｚ ＋ｚ—ｚ ＋ｚＦ十ｚ Ｆ十ｚＥ 其中，ｚ＝ｚ ＋Ｋ，ｚ 为基波谐振电路的ｎ次谐波阻抗，∞ 为基波频率。 ＝ 面１ （２） 很显然，ｚ的模值一定大于Ｋ的模值，在相同的Ｋ值、负载谐波电 流和电网谐波电压情况下，使电网谐波电流含量更低。同时，由式 （２）可知，随着谐波频率的提高，基波串联谐振电路等效阻抗的模 频率Ｏ ） 值增大，因此有源装置仅需要对电网电流中的低频成分进行部分 （ａ）幅频特性 补偿，从而使ＡＰＦ逆变器的直流电压利用率提高，进而减小逆变 器的容量。 ２ 系统的数学模型和特性分析 ２．１数学模型 进行系统的特性分析前，先建立系统的开环传递函数。 串联混合ＡＰＦ一般采用检测电网谐波电流的闭环控制…。系 统中因谐波检测电路、控制电路和脉宽调制（ＰＷＭ）逆变器中开关 频率（Ｈｚ） （ｂ）相频特性 器件的死区，会产生一定的延时，它近似表示为一阶惯性环节 ， 图５ 系统开环传递函数的频率特性 ｋ 为该环节的放大倍数， 为系统的平均延时，即 从图５可知，采用新的控制技术后，尽管Ｋ值增大（相当于增 （５）＝ 一 一 （３） 大系统的开环增益），但系统的相位裕度依然增大（从５８．４。增大到 由式（１）和（３）可得整个系统的闭环控制框图，如图３所示。 ８８．９。），同时增加了带宽，这样串联混合ＡＰＦ具有更好的谐波补 偿性能，更高的稳定性。 ２．４滤波特性 利用Ｍａｔｌａｂ软件对传统ＡＰＦ和新型ＡＰＦ的滤波特性进行仿 真对比。仿真参数如下：电网侧等效电感为０．５ｍＨ，ＬＣ基波谐振电 图３系统的闭环控制框图 路中ＬＪ＝１０７．９ｍＨ，Ｃ』＝９４．１ｖ，Ｆ，Ｋ＝５，并联无源滤波器的参数可 由图３可知，系统的开环传递函数为 见表１。 表１并联无源滤波器参数 负载谐波电流抑制 Ｇ㈡＝ （４） ５次 Ｌ ＝１．２ｍＨ Ｃ５＝３４０＃Ｆ 特性和电网谐波电压抑 Ｑ＝１４ ７次 ｈ＝１．２ｍＨ ２．２串联超前校正技术 制特性如图６所示。 ｃ７＝１７０￣Ｆ Ｑ＝１４ 高通滤波器 Ｌｈ＝０．２６ＩｎＨ Ｃｈ：３００／￣Ｆ Ｒｈ＝３ｎ 根据自动控制原理，串联超前校正可使系统增加一个开环零 从图６可以看出，新 点，使系统的相角裕度提高，因而有利于系统动态性能的改善；另 型串联混合ＡＰＦ的滤波特性相比传统ＡＰＦ的滤波特性有了极大 外利用其相角超前特性，产生有效的早期修正信号，以增加系统的 的改善，并且随着频率的提高，谐波抑制能力逐渐增大；另外，虽然 阻尼程度，从而改善系统的稳定性。其控制原理如图４所示。 在基波频率处发生了谐振，但并未影响整个系统的滤波特性，其幅 超前校正环节采用ＰＤ控制器，图中，Ｋ 为比例系数，Ｔｐ为微 值仅略高于传统ＡＰＦ。 分时间常数。由图４可得改进系统的开环传递函数为： ３ 系统仿真 几） ｌ＋ ） （５） 利用Ｍａｔｌａｂ软件对整个系统进行仿真。仿真参数如下：电网 侧等效电感为０．５ｍＨ，ＬＣ基波谐振电路中Ｌ。＝１０７．９ｍＨ，Ｃ，＝ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ６３ ‘电气自动化＞２０１Ｏ年第３２卷第５期 电力系统及其自动化 Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ （ａ）负载电流波形 ｗ（ａｚ） （ａ）负载谐波电流抑制特性 （ｂ）传统ＡＰＦ补偿后（１Ｆ５，ＴＨＤ为５．４％） 图６串联混合ＡＰＦ滤波特性 ９４．１ ，整个系统延时Ｔｄ＝５０１￣ｓ，Ｋｄ＝１；ＰＤ控制器中Ｋ ＝４，Ｔｐ＝ （ｃ）新型ＡＰＦ补偿后（ｋ＝５，ＴＨＤ为３．９＊／０） ０．０００１，并联无源滤波器的参数可见表１。仿真结果如图７和图８ 所示（横坐标：时间／ｓ；纵坐标：电流／Ａ．）。 图７是在相同的Ｋ值（Ｋ＝５）下，分别采用传统串联混合ＡＰＦ 和新型串联混合ＡＰＦ，两种系统结构下所做出的电流波形，并分析 了波形的谐波含量。采用新型装置后，电网电流谐波畸变率（１１｛Ｄ） 从５．４％下降为３．９％，可见新型装置具有更好的谐波补偿性能。 图８是在提高Ｋ值（Ｋ＝１５）下，分别采用传统控制方法和本 文提出的改进控制方法做出的电网电流波形，并分析了波形的谐 图７传统结构与新型结构的电流波形 （ａ）传统控制方法补偿后（ｋ＝－１５，ＴＨＤ为７．８ｏ／０） 波含量。采用传统控制方法在Ｋ值提高后，电网电流的波形出现 了较大的谐振分量，系统的稳定性下降，ＴＨＤ从３．９％上升为 ７．８％。而采用改进控制方法在Ｋ值提高后，电网电流的ＴＨＤ下降 为３．１％，可见改进的控制方法具有更好的谐波补偿性能，并使系 统的稳定性也得到提高。 ４结论 本文对新型的基于ＬＣ串联谐振的串联混合有源电力滤波器的 （ｂ）采用改进控制方法补偿后（ｋ＝１５，ＴＨＤ为３．１ｏ／ｏ） 图８传统控制方法和改进控制方法的电流波形 【５】陈乔夫，李达义，熊娅俐，等．一种大容量的串联型有源电力滤波器【Ｊ】． 电力系统自动化，２００５，２９（１）：７３～７６． 【６】ＳＴＥＶＥＮ ＳＥＮＩＮＩ，ＰＥＴＥＲ Ｊ ＷＯＬＦ￥．Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｍｕｌｔｉｐｌｅ— ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ ｈｙｂｒｉｄ ａｃｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ．ＩＥＥＥ Ｔｍｎ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ 工作原理和滤波特性进行了深入分析；分析结果表明：其滤波效果 好，并极大地减小了有源滤波器的容量。另外，针对其谐波补偿性能 与系统稳定性之间的矛盾，在电路主回路中引入了串联超前校正环 节，该控制方法简单，实用性高，仿真结果表明：该校正环节可使系 统的相位裕度增大，稳定性提高，谐波补偿性能也得到改善。 参出版社，１９９８． 【２】ＰＥＮＧ Ｆ Ｚ，ＡＤＡＭＳ Ｄ Ｊ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ． ＩＥＥＥ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９９，ｌ：４４８～４５５． 考文献 ｉｃｓ，２００２，４９（６）：１２８３～１２９２． 【７ＩＪ ＨＡＦＮＥＲ，Ｍ ＡＢＥＤＥＳ，Ｋ ＨＥＵＭＡＮＮ．Ａ ｓｈｕｎｔ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ ａｐ－ ｐｌｉｅｄ ｔｏ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｉｎｅｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，１９９７， 【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 １２（１）：２６６～２７２． 【８】何娜，徐殿国，武健．一种新型混合有源滤波器及其复合控制策略设 计【Ｊ】．电力系统自动化，２００７，３１（１Ｏ）：４５～４９． 【９】陈伯时．电力拖动自动控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００３． 【作者简介】张晓英（１９７３一），女，副教授，研究方向为电力系统自动化。 ［３］ＰＥＮＧ Ｆ Ｚ，ＡＫＡＧＩＨ，ＮＡＢＡＥ Ａ．Ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈｔｏ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｏｍｐｅｎ— ｓｓｔｌｏｎ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ—ａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｈｕｎｔ ｐａｓｓｉｖｅ ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓ ａｃｔｉｖｅ ｉｆｌｔｅｒｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎ ＯｌｌＩｎｄｕｓｔｒｙＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１９９０，２６（６）：９８３—９９０． ［４１刘进军，刘波，王兆安．基于瞬时无功功率理论的串联混合型单相电力 有源滤波器【Ｊ】．中国电机工程学报，１９９７，１７（１）：３７—４１．