论文导读：：电力电子设备的大量使用，使得电网谐波引起了电力系统的广泛关注。有源电力滤波器作为一种很好的谐波补偿装置，将在电力系统中得到广泛的应用。其中，三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器主要应用在配用电系统。由于负载的波动以及三相全桥逆变器元器件IGBT存在有功损耗，直流侧电容会与电网交换有功引起电容电压波动。而在补偿谐波电流时，电容电压的稳定直接影响有源电力滤波器的正常工作。本文通过瞬时功率平衡原理得到了有功损耗电流与直流电压波动的关系，通过基尔霍夫电流定律得到了直流侧上下电容电压差与不平衡电流的关系。根据电压控制性能指标所设计的串联PI环节校正装置参数，在MATLAB中分析了控制系统的幅频、相频特性曲线，最后在PSCAD/EMTDC中仿真证明了所提出直流侧电压控制方法的可行性。

　　论文关键词：三相四线制电容中点式有源电力滤波器，直流侧电压控制，PSCAD/EMTDC

　　1 有源电力滤波器的工作原理

　　图1为三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器系统结构图，主电路是三相桥电压源型逆变器，采用基于瞬时无功功率的ip,iq检测算法，如图2，得到有源电力滤波器所要补偿的谐波电流ic*，与电流互感器采集的逆变器输出电流ic比较，通过电流控制系统、驱动器、三相桥电压源型逆变器物理论文，形成一个闭环反馈控制系统，实现对谐波电流的跟踪，使电网电流is趋近于正弦波。

　　图1 三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器系统结构图

　　图2 基于瞬时无功功率的检测算法

　　其中，直流侧电容电压由于有功损耗、负载波动等因素产生的波动会影响补偿的性能，电容电压低会使得补偿精度下降，电容电压高会造成APF的干扰性谐波电流增加；而且有源电力滤波器的正常工作必须是建立在其三相桥电压源逆变器的电容电压高于电网相电压的峰值，如果电容电压低于电网相电压的峰值，三相全桥逆变器电路整流运行，虽然也能补偿谐波，但电网要向电容注入大量的有功功率论文服务。因此，直流侧电容电压必须加以控制以满足有源电力滤波器工作要求。

　　2 直流侧电容电压控制

　　采用PWM控制技术，由调制比即正弦波电压幅值与直流电压之比不能大于75%，而采用电压型全桥逆变电路，输出电压幅值仅为电容电压一半物理论文，考虑1.2倍的裕量，选择直流侧电容电压，取直流侧电压1000V，图3为电容总电压控制原理框图。

　　图3 电容总电压控制原理框图

　　1）被控对象传函

　　时刻内，

　　（1）

　　其中为，

　　对（1）式线性化处理得：

　　时，有：

　　经拉氏变换后得到被控对象的传递函数为：

　　2）未加PI环节控制系统性能

　　系统开环传递函数为：，仿真分析其半对数幅频、相频曲线如图4。

　　图4 未加PI环节直流侧电容总电压控制系统半对数幅频、相频曲线

　　3）校正环节

　　为提高动态性能指标超调量及调节时间，并在有噪声的情况下使静差为零，系统中串联PI校正环节，控制框图如下：

　　增益抬高，为保持通带内的增益，令PI环节转折频率f<1Hz，可使得带宽提高，响应速度得以提升物理论文，据系统所要求超调量和调节时间，设计PI环节参数分别为：Kp=15，Ki=10论文服务。

　　仿真分析校正后的开环传函半对数幅频、相频曲线如图5

　　图5 串联PI环节后直流侧电容总电压控制系统半对数幅频、相频曲线

　　3 均压控制

　　三相四线制电容中点式APF直流侧有上下两个电容，由于D/A电路存在零偏，三相补偿电流含有直流分量，造成上下电容电压不平衡，如果不加控制可能导致其中有一个电容电压低于相电压幅值，从而使得三相逆变桥整流运行，无法实现谐波补偿。

　　均压控制框图如图6：

　　图6 均压控制框图

　　如图1，不考虑其他因素，零序电流与上下电容电压之差的变化关系如下：

　　其中是上电容的电容值，是下电容的电容值，设

　　经拉氏变换得：，

　　均压控制的开环传函与直流侧总电压控制的开环传函半对数幅频、相频曲线大体相同物理论文，如同直流侧总电压控制，为了达到系统的动态性能指标以及抗干扰能力，在均压控制中加入串联PI环节，设计PI环节参数Kp=10，Ki=10。

　　图6 未加PI环节后均压控制系统半对数幅频、相频曲线

　　图7 串联PI环节后均压控制系统半对数幅频、相频曲线

　　4 仿真

　　在PSCAD/EMTDC中建立如图1所示三相四线制电容中点式并联有源电力滤波器系统，选择三相电源幅值380V，非线性负载选用三相桥可控整流电路，整流电路直流侧接电阻1欧姆，电感0.1mH，并采用如图2所示谐波检测算法ip，iq算法，谐波电流跟踪采用滞环控制，分别对直流侧电容电压未加PI控制方式，直流侧电容电压加PI控制方式进行了仿真分析。

　　1）直流侧电容电压未加PI控制运行方式下

　　如图8所示t从0~0.05s内物理论文，采用直流电压源对电容进行充电，t在0.5s左右，电容电压达到500V，0.5s后，断开并联在两电容的直流电压源，有源电力滤波器并网运行，在t=1s时电容电压呈锯齿状下降至280V左右，此时由于电容电压值已小于三相电源电压值，三相逆变桥整流运行，电网向电容充电，如图9所示负载侧的谐波电流被三相桥补偿，即三相逆变桥整流运行时，同样也能补偿谐波，但从图10和图11中可以看到网侧基波含量要比负载基波含量大很多物理论文，即电网向电容注入有功功率论文服务。

　　图8 未加PI控制电容电压曲线

　　图9 未加PI控制负载电流及网侧电流曲线

　　图10 未加PI控制负载电流各频率含量

　　图11 未加PI控制网侧电流各频率含量

　　2）直流侧电容电压加PI控制运行方式

　　图12所示，t从0~0.05s内，直流电压源对电容进行充电，并在0.05s后保持在500V附近，三相全桥电路逆变运行，由于本文采用滞环控制的电流跟踪策略，补偿后的网侧电流波形有很多毛刺，从图14和图15发现补偿后，网侧电流还含有少量的5次和7次谐波，从电流补偿策略上看，滞环控制不能实现控制系统稳态误差为0。

　　图12 串联PI环节后电容电压曲线

　　图13 串联PI环节后负载电流及网侧电流曲线

　　图14 串联PI环节后负载电流各频率含量

　　图15 串联PI环节后网侧电流各频率含量

　　5 结论

　　1）直流侧电容电压未加PI控制时，有源滤波器并网后，电压下降，三相桥整流运行物理论文，也能补偿谐波，但电网要向电容注入大量的 有功功率。

　　2）直流侧电容电压加PI控制时，有源滤波器并网后，电压保持在允许范围内，满足系统工作要求。

　　3）本文采用滞环控制的电流跟踪控制策略，在补偿谐波时存在稳态误差，因此，需要进一步研究有源电力滤波器的谐波电流跟踪控制方法。

　　参考文献

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