双环重复控制三相四线制有源电力滤波器
黄海宏 1，王 钰1，许若冰 2，杨佳能1
【摘 要】摘要：采用一种适合于三相四线制不对称负载的谐波检测方法，使得逆变器仅需补偿无功及谐波电流而降低了开关器件容量的选取值。将比例调节与重复控制理论相结合，设计了电流双环重复控制系统，提高了电流环跟踪的快速性与稳态精度。通过MATLAB仿真验证了该谐波检测算法可顺利分离出各相无功及谐波电流，且控制算法具有快速和高稳定性。通过搭载DSP芯片作为主控系统的实验平台验证实际补偿效果，三相网侧电流谐波畸变率分别由补偿前的54.4%、59.2%、65.2%降低至补偿后的2.6%、3.2%、4.4%，证明所提出的检测及控制方法具有实用性和高稳定性。 【期刊名称】电力自动化设备 【年(卷),期】2016(036)004 【总页数】6
【关键词】三相四线制；有源电力滤波器；谐波检测；重复控制；双环；谐波分析；补偿
0 引言
随着现代工业的发展，非线性负载开始广泛使用，谐波及无功电流对电网的污染已不容忽视，有源电力滤波器APF（Active Power Filter）的诞生为此提供了有效的解决方案。目前三相三线制APF应用已较为成熟，而对于我国大多采用三相四线制线路的市政电网，三相四线制并联APF［1-2］由于能够补偿网侧三相和中线上谐波及无功电流，开始逐步受到关注。
目前，APF电网电流检测算法主要有如下4种。①基于瞬时无功功率理论的实
时检测法［3］，其主要包含p-q法和ip-iq法。这2种方法补偿效果都比较明显，但由于其原理是建立在对称的三相三线制电路基础上，三相电流不含零序分量，故而在应用广泛的三相四线制线路中并不适用。②基于傅里叶级数的变换法［4］。该方法具有较高的检测精度而且可以对基波和指定谐波进行检测，但由于对周期数据的分析，不适宜快速实时控制。③基于dq0坐标变换的广义瞬时无功功率法［5］。由于该方法可对零序电流进行运算变换，故而适用于三相四线系统。假设应用该方法进行同步坐标变换并断开瞬时无功q轴滤波通道得到指令电流，其补偿后三相网侧电流只含对称的基波正序有功分量且中线电流为0，这将导致APF向网侧注入大量基波电流不对称分量，严重增加了开关器件流通电流大小。④基于瞬时无功功率理论改进的单相谐波检测方法［6］，该方法在单相APF中有过应用。本文考虑到三相四线制系统可以看作3个依次滞后120°的单相系统组合，故而可分别通过低通滤波器获得每相的基波有功电流，使得APF仅需补偿无功及谐波电流，并使中线补偿后只含基波电流。 而 FBD（Fryze Buchholz Dpenbrock）［7］、自适应、神经网络检测、小波检测等其他检测手段也曾是 APF 研究的热点［8-10］。
在控制算法层面，基于PI调节的三角载波比较控制法在传统的APF控制中被广泛应用，但由于PI控制只可以无静差地跟踪直流信号，该电流控制模式在实际的APF应用中并不能获得较满意的稳态特性。基于内模原理的重复控制理论上能够在谐波频率处获得无穷大增益［11］，提高稳态特性，但是动态性能较差。为此本文总结其他改进方法［12-15］并简化得出了一种双环重复控制系统，将比例控制的快速性引入，使得整个APF系统能够获得快速高稳态的补偿性能。
在此基础上，在实验室搭载了一台380 V三相四线制APF，并采用TI公司的TMS320F2812DSP芯片作为主控系统，通过仿真和实验验证了本文提出方法的补偿效果。
1 谐波检测算法选择
对于三相四线制APF，目前应用较多的是基于dq0坐标变换的检测方法，即引言提及的方法③，其检测原理框图如图1所示。
通过图1可以看出，基于dq0坐标变换的检测方法是通过同步坐标变换，将abc坐标系下的三相负载电流变换到dq0同步旋转坐标系中，原三相基波正序电流分量转成dq0坐标系中直流分量，其余分量则转成dq0坐标系中交流分量。在这里设计APF可补偿谐波及基波正序无功电流，因此断开q轴通道，即只用低通滤波器（LPF）滤得d轴直流分量，再经同步坐标反变换得到的便是与三相系统基波正序电压同频同相的基波正序有功电流，从而可方便地得出需补偿的指令电流。
基于dq0坐标变换的检测方法能准确检测出三相四线系统中需补偿的指令电流（含基波正序无功电流、基波电流不对称分量及谐波电流）。其网侧补偿后理想效果为对称的基波正序有功电流，因此APF除需补偿基波正序无功及谐波电流外，还需补偿大量基波电流不对称分量。基波电流不对称分量在APF系统的能量流动中表现为瞬时无功功率，虽然对直流侧和交流侧进行的能量交换没有作用，但是在三相间的功率交换会严重增加开关管流通电流大小，在设计时也必须考虑到开关器件容量的增加。
由以上分析可以看出，APF应用dq0坐标变换检测法时的开关器件容量选取值要比仅补偿基波正序无功及谐波电流时增大不少。事实上，三相四线不平衡系
双环重复控制三相四线制有源电力滤波器
