摘要：有源濾波器直流側(cè)電壓的波動對有源濾波器的穩(wěn)定運行有很大的影響，針對這個問題，分析了直流側(cè)電壓波動產(chǎn)生的原因及對有源濾波器運行的影響，對傳統(tǒng)的PI控制提出了基于電壓偏差平方的PI控制改進的方法，這種控制直流側(cè)電壓的方法對處理傳統(tǒng)PI控制的非線性問題也有很大的改進。并通過matlab仿真驗證了改進的PI調(diào)節(jié)控制策略對諧波的消除有很好的效果，這種控制策略通過軟件即可實現(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，是一種經(jīng)濟的解決措施。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)型有源濾波器；直流側(cè)電壓；改進PI控制

    隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)諧波污染問題越來越嚴重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，有源濾波器(APF)作為一種可以動態(tài)補償諧波的設(shè)備得到了廣泛的關(guān)注和研究。為保證并聯(lián)型有源濾波器能達到預(yù)期的諧波治理效果，直流側(cè)電壓必須保持穩(wěn)定。但在工程應(yīng)用中，直流側(cè)電壓往往會出現(xiàn)波動，嚴重影響了有源濾波器的正常工作。
    現(xiàn)階段，直流側(cè)電壓穩(wěn)定的控制策略大多采取傳統(tǒng)的PI控制，另外有模糊-PI控制策略，直流側(cè)電壓閉環(huán)控制策略，直流側(cè)電壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
控制等策略。本文在參考大量的文獻資料的基礎(chǔ)上，探討了直流側(cè)電壓波動的原因，以及對系統(tǒng)穩(wěn)定控制、諧波補償效果的影響，在不增加硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的PI控制策略進行改進。并通過matlab仿真進一步證明了這種方法能有效地控制直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，進一步保證諧波的補償效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
    并聯(lián)有源濾波器采用電壓型逆變器，其中負載作為諧波源，APF輸出與電網(wǎng)中諧波電流幅值相同相位相反的電流，與負載產(chǎn)生的諧波相疊加，可以濾除電網(wǎng)中的諧波。諧波檢測電路實時檢測出負載電流中的諧波成分，驅(qū)動電路將電流跟蹤電路生成的PWM信號轉(zhuǎn)變成逆變電路開關(guān)器件的開關(guān)信號，逆變電路向電網(wǎng)注入補償電流，通過這幾部分來實現(xiàn)補償諧波的目的。有源濾波器工作性能很大程度取決于對諧波電流的高精度和實時的檢測，目前有基于時域理論的傅立葉變換法、小波變換、瞬時無功功率理論、模糊閉環(huán)檢測及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，其中采用基于瞬時無功功率理論最廣泛?；谒矔r無功功率理論有d—q算法、p—q算法以及ip—iq算法，通過比較精度，采用ip—iq算法。它可以準確檢測出電網(wǎng)的負序和諧波電流，準確度不受電網(wǎng)電壓畸變和負載變化的影響。

2 直流側(cè)電壓波動的原因及影響
    直流側(cè)電壓出現(xiàn)波動的原因主要有： (1)濾波器與電網(wǎng)之間大容量的無功交換； (2)負序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生能量脈動，使直流側(cè)電壓波動；(3)逆變器開關(guān)損耗引起直流側(cè)電壓降低； (4)APF本身存在由線路電阻帶來的有功損耗，在工作狀態(tài)變化時需從系統(tǒng)吸收一定的有功功率。
    由圖1中的APF原理框圖可知
   
    其中Us(t)和Ucom(t)分別是系統(tǒng)電壓和有源濾波器輸出電壓，Lcom是等效電感。

    根據(jù)電壓源逆變器的調(diào)制控制理論，可以將電壓源逆變器等效為一個比例放大器，即
    Ucom(t)=KUdc(t)     (2)
    Udc(t)為電壓源逆變器的直流側(cè)電容電壓，而K為與調(diào)制控制方法有關(guān)的函數(shù)。
    為了使ic(t)能夠快速的跟蹤要補償?shù)碾娏?，設(shè)計時必須重視其電流變化率，而要提高dicom(t)／dt，要么減小有源濾波器的等效電感Lcom，要么提高逆變器輸出電壓Ucom(t)。APF中等效電感Lcom越小，其電流跟蹤能力越強，但Lcom過小，APF輸出電流中基于開關(guān)頻率的特征諧波會很大，一旦有源濾波器本身出現(xiàn)故障，會產(chǎn)生很大的過電流，從而影響系統(tǒng)。由于調(diào)制控制函數(shù)的變化范圍通常是固定的，因此提高直流側(cè)電容電壓成為Udc(t)提高有源濾波器電流跟蹤能力的有效手段。取值過低，不能將諧波電流完全消除；取值越高，補償效果越好，但它將增加逆變器和電容器的容量，提高對器件耐壓的要求，還將增加成本。電流側(cè)電容電壓波動或引起直流側(cè)出現(xiàn)欠壓，都將影響有源濾波器的正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓，危及有源濾波器的安全可靠運行。

3 直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制策略
    由于流入有源濾波器的有功電流直接影響其直流側(cè)電壓，目前主要采用PI控制，其基本原理是如圖2所示：根據(jù)直接母線電壓的實際測量值Udc與參考電壓值Udset之差，通過PI控制方法得到調(diào)節(jié)結(jié)果△Ip，將此調(diào)節(jié)結(jié)果疊加到瞬時有功電流的直流分量上，然后產(chǎn)生對應(yīng)的指令電流，使APF的補償電流包含一定的基波有功電流分量，將Udc調(diào)節(jié)到參考電壓值。

    傳統(tǒng)的PI控制雖然能對直流側(cè)電壓起到有效的控制作用，但會導(dǎo)致被控制系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴重的非線性，具有較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也比較慢。為了獲得更好的穩(wěn)態(tài)控制方法，各種新型的控制方法產(chǎn)生了，有模糊控制理論；有自適應(yīng)濾波控制；還有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等，但很多都只是處于理論階段，本文根據(jù)原有的理論提出了基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)的控制策略，通過軟件設(shè)計和仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其有效地控制了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，保證了APF的穩(wěn)定運行和諧波補償?shù)男Ч?br /> 3．1 基于電壓差平方的PI控制理論
    根據(jù)兩端口網(wǎng)絡(luò)的能量守恒定律，忽略逆變橋的開關(guān)損耗，它從交流側(cè)吸收或釋放的能量等于它向直流側(cè)電容充電或放電的能量，即：
   
    由此可知，可以由直流側(cè)電容電壓的變化的值來確定。

3．2 基于電壓差平方的PI控制對諧波電流控制的原理
    與電網(wǎng)A相同相位的正余弦信號，通過鎖相環(huán)PLL保證與電網(wǎng)同相位，通過正余弦發(fā)生器產(chǎn)生正余弦信號。自動實時的跟蹤電網(wǎng)頻率，采樣的負載電流通過低通濾波對20 Hz以上頻率進行濾波，然后進行ip—iq算法。其中，低通濾波器保證盡可能衰減交流分量，為保證濾波算法簡單易行，系統(tǒng)采用IIR濾波器。直流側(cè)電壓對諧波電流的影響通過基于電壓差平方的PI控制將補償?shù)剑玫街C波電流。

4 仿真研究與實驗結(jié)果
    本文搭建的仿真模型模型如圖5，相關(guān)參數(shù)如下：系統(tǒng)相電壓220V，系統(tǒng)線路阻抗0.3 Ω+0．3 mH，連接電感0．68 mH，變流器開關(guān)頻率10 kHz，直流側(cè)電容5000 uF，整流負載直流側(cè)電感160 mH，電阻15 Ω。中間電壓采用軟啟動，分三次升至穩(wěn)定電壓700 V。因為當APF濾波裝置啟動時，由于直流側(cè)電壓突然由未投入裝置時的穩(wěn)定值在極短的時間內(nèi)上升至設(shè)定值，從而造成了較大的Udc。

5 結(jié)束語
    從可以看出基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)比傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)對直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制在超調(diào)量和靜差上都有很好的改善。通過仿真可以看到基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)對補償效果有明顯改善，未補償前THD=28．51％，采用傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)后，諧波含有率大大降低，THD=3．74％，采用基于電壓差平方的PI調(diào)節(jié)后，THD=2．23％，比傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)有進一步改善?；陔妷翰钇椒降腜I調(diào)節(jié)的控制策略，提高了APF穩(wěn)定工作的性能。這種方法有較強的處理非線性的能力，且不需要增加硬件設(shè)備。仿真證明不僅提高了直流側(cè)電壓穩(wěn)定，而且改善了濾波效果。