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电力有源滤波器谐波检测及跟踪控制方法的仿真研究
陈志华曹以龙上海电力学院
摘要在电力有源滤波器中谐波的检测与电流的跟踪控制是最为主要的两个方面，具有良好实时性与准确性的检测方法和控制策略是有源滤波器实现有效补偿的一个关键。本文介绍了几种目前较为流行的有源滤波器谐波检测方法和电流跟踪补偿策略的基本原理，并针对各自的优缺点总结了参考文献中提出的若干改进方法。最后结合了其中的一种方法在MATLAB中进行了仿真研究。
关键词电力有源滤波器；电力电子；谐波检测；电流跟踪控制
1．引言
有源电力滤波器主要的研究方向包括：拓扑结构、谐波电流检测算法、谐波电流跟踪补偿策略及其数字化的实现。其中对于电路的拓扑结构自确定以后就少有变更，因此有源滤波器的关键技术就是谐波电流检测和补偿电流跟踪两个方面。
有源滤波器的基本工作原理是：检测系统的电压和电流信号，经谐波指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后根据此信号由补偿电流跟踪控制电路产生补偿电流，该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波、负序和无功电流同相位而极性相反，这样就会使它们互相抵消。
本文将几种比较有代表性的谐波检测方法和电流跟踪控制策略的原理以及各自的优缺点做了简单说明。并结合了其中一种方法在MATLAB中搭建了一个三相三线制并联有源电力滤波器的系统模型。
2．谐波检测方法
2.1模拟滤波器
该方法原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。但此方法的补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振，而且低通滤波器的频率特性和元器件参数容易因外界条件的改变而改变，稳定性差[1]。随着数字化进程的发展，这种方法已基本被取代。
2.2瞬时无功功率理论
在众多的有源滤波及无功补偿控制算法中，基于三相瞬时无功功率理论的有源滤波及无功算法应用最为广泛，该理论首先于1983年由日本的赤木泰文提出，该方法的提出和完善极大地推动了APF技术的迅速发展，可以说是在瞬时无功功率理论提出后，有源滤波器才进入了实际应用阶段。
该理论的核心是将三相电路各相电压和电流的瞬时值交换到两相正交的坐标系上研究。现在基于该理论的经典检测法包括：p-q法[2]、[3]法、d-q[4]法。其中p-q法应用最早，但它仅适用于对称三相且无畸变的市电电网；法不仅对电源电压畸变有效，而且在不对称三相市电电网的检测中，相对于p-q法来说，检测误差要小一些；基于Park变换的d-q法，不仅简化了电网对称无畸变的电流检测，而且也使用于不对称、有畸变的市电电网检测。
对于该算法参考文献中从3个方面提出了完善方法：1、文献【5】中提出可以通过预先设定d-q变换矩阵频率的从而实现无锁相环d-q谐波电流检测法；该方法完全实现了d-q检测的优点，并节省了锁相环电路。2、文献【6】中提出的一种改进方法使其既能检测总谐波电流，又能检测任意指定次谐波电流；3、文献【7】中提出可以用滑窗迭代算法去代替低通滤波器，这样可以省去复杂的低通滤波器的设计，更适合数字化的实现，并且可使滤波的效果更好。

2.3基于傅立叶变换的检测方法
该方法以傅利叶分析为基础，要求被补偿的信号波形是周期变化的，否则误差较大。傅立叶变换的扩展包括离散傅里叶变换(DFT)、快速傅立叶变换(FFT)和递归离散傅立叶变换(RDFT)[8-10]。
文献【1】提出了一种基于离散傅立叶变换（DFT）的滑窗迭代算法，该算法能准确求取负载电流中的谐波成份，通过对该算法进行扩展，还能应用于单次谐波的检测。图1即为该算法原理示意图，整个算法实现简单，计算量小，可有效地提高参考谐波电流信号的运算速度与跟踪精度。该方法特别适用于DSP，不仅速度快，精度高；而且能为APF的控制器部分留出更多的时间，从而为后续部分的设计与处理提供了更多的灵活性。

图1滑窗迭代算法原理示意图

3．电流跟踪控制策略
3.1滞环比较控制
滞环比较控制是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，该方法是把补偿电流的指令信号和实际的补偿电流信号进行比较二后的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号控制IGBT的通断，最终控制补偿电流的变化；图2即为该控制方法的原理图。
这种控制方式中,通常滞环的带宽为固定值，这就导致主电路中器件的开关频率是变化的，会引起较大的脉动电流和开关噪声甚至导致开关器件的损坏。针对滞环控制的这种缺陷，参考文献中提出的改进的方法有两种，一种是文献【11】提出的设计环宽随电流变化率而变化的滞环比较器从而固定开关频率，另一种是用一个时钟定时比较器代替滞环比较器从而限制器件的最高开关频率；相比之下后一种方法较前一种简单且容易实现。

图2滞环比较控制示意图

3.2三角载波控制
三角载波线性控制:这是一种最简单的线