摘 要：針對電網中含有大量諧波問題，提出了單周控制的單相并聯有源電力濾波器(APF)對電網進行諧波補償，應用PSCAD/EMTDC 仿真軟件對單周控制單相并聯型APF 系統進行建模, 并對系統補償性能進行仿真。在仿真的基礎上設計了雙極性單周控制單相并聯型APFF 系統并進行了實驗。仿真和實驗結果表明單周控制的單相并聯APF 能很好的補償電網中的諧波，并且具有控制電路結構簡單和動態效果好的特點，具有很好的實際應用前景。
關鍵詞：單周控制，諧波補償，有源電力濾波器，PSCAD/EMTDC
1.引言
近年來，隨著電力電子技術的飛速發展，電力電子設備等非線性負載的應用越來越廣泛[1]。這些非線性負載會產生大量的諧波注入電網，導致電網電能質量下降。因此，開展電能質量控制技術的研究及相關電能質量調節裝置的開發具有重要的現實意義和戰略意義，成為近年來電氣工程領域研究的熱點之一[2]。從上個世紀80 年代至今，基于不同控制方法的有源電力濾波器(APF)不斷被提出，并且一些已進入了成熟實用階段[3]。
單周控制作為一種新型的非線性控制方法，其基本思想是不論穩態還是暫態，都能保持受控量(一般為開關變量)的平均值等于或正比于給定參考值[4]。該控制方法適用于非線性系統場合。相比于傳統控制方法，單周控制理論應用于APF，只需要檢測電源電流和直流側電容電壓，計算量小，控制電路簡單，大大簡化了APF 的系統[5]。
本文在研究了單周控制原理的基礎上，設計了單周控制單相并聯型APF 系統，應用PSCAD/EMTDC仿真軟件對單周控制單相并聯型APF 系統進行建模，并對系統的補償性能進行仿真。在仿真的基礎上，對雙極調制工作模式下的單周控制APF 系統進行了實驗研究，以進一步驗證理論分析的正確性。
2.單周控制單相并聯型APF 設計及仿真
2.1 雙極調制電路設計
2.1.1 控制原理
圖1 為單周控制的單相并聯型APF 總體框圖。由圖1 可見，APF 的主電路是由一個H 橋和儲能電容C以及交流側的濾波電感L 組成的。其中，開關管分為兩組，S1 和S3 驅動信號相同，S2 和S4 驅動信號相同，兩組開關管在調制頻率fs 下由占空比d 控制輪流導通。
假設開關頻率遠遠大于電網頻率和非線性負載電流的頻率，即在每個開關周期內，負載電流與補償電流近似不變，則在每個開關周期中，濾波電感L 的電流變化為零，所以根據每個開關周期中電感的伏秒平衡原則有：
2.2 主電路參數設計
本文中并聯型APF 所采用的主電路為單相電壓型PWM 變流電路。對于單周控制的APF 而言，主要參數是由控制系統穩定性條件來決定的。因此在設計參數前要對其穩定性進行分析。
由于開關調制頻率fs 遠大于電網頻率和負載電流頻率以及補償電流的變化頻率，因此可以假設在一個開關周期內負載電流不變，所以電網電流is 上升和下降的斜率與交流側電感電流的上升與下降斜率近似相等。圖4 為比較器輸入端兩個信號的波形圖。
根據對整個控制過程的分析可知，要使系統穩定，則需要比較器輸出值在每個周期內都有翻轉即在每個周期內都能切換開關。由此分析得到，每個開關周期內占空比組成的數列{dn}收斂。根據式(9)和等比數列收斂公式可得：
2.3 單周控制并聯型APF 的仿真
通過對雙極調制工作模式下的單周控制單相APF控制電路的設計和主電路參數的設計， 在PSCAD/EMTDC 中搭建了如圖5 所示的仿真模型，其中is、if、ic 分別代表電網電流、負載電流和補償電流。系統仿真參數為：交流側電壓有效值為220V;頻率為50Hz;直流側儲能電容為1000μF;交流側濾波電感為2mH;開關調制頻率為fs=10kHz;負載為單相不可控整流橋接阻感支路或阻容支路。得到的仿真波形如圖6 和圖7 所示。
從仿真波形可以看出采用雙極調制的單周控制APF 能對感性和容性負載所引起的諧波及無功電流進行有效地補償，補償后的電網電流除含有一定個毛刺和紋波外，是一個與電網電壓同相位正弦波，并且APF從諧波產生的第一個周期開始就對負載電流進行了補償，補償效果較為理想。為了進一步分析補償效果，對電流的頻譜進行了分析，如圖8 所示。可以看出諧波經過APF 補償后的電網電流中，諧波含量明顯降低了。
3.實驗及其結果分析
為了進一步驗證本文所提出的單周控制APF 的正確性和可行性，在系統仿真的基礎上，根據單周控制控制電路與主電路的結構框圖搭建了相應部分的實驗電路，構建了雙極調制工作模式下單周控制的單相并聯型APF 的實驗系統。其中，輸入電壓有效值為200V，輸入電壓頻率為50Hz，直流側電壓為400V，開關頻率為10kHz。實驗結果波形如圖10 所示，其中圖10 a)為補償前負載電流波形，圖10 b)為投入APF 后的電網電流波形。實驗結果表明采用單周控制的并聯型APF對非線性負載所產生的諧波和無功電流有較好的補償效果，驗證了理論的正確性和可行性。
4.結論
本文從抑制諧波和無功對交流電網的污染角度出發，通過對當前APF 的各種控制方式的比較，選擇單周控制作為系統的控制策略，推導并建立了雙極性工作模式下的單周控制的單相APF 的控制電路，完成了系統的理論分析，應用PSCAD/EMTDC 仿真軟件搭建了雙極性工作模式下的系統仿真模型，并對系統的補償性能進行仿真，在仿真的基礎上設計了雙極性單周控制單相并聯型APF，搭建了相應的硬件電路，并進行了相關實驗。實驗結果進一步驗證了該控制策略的正確性與可行性。
參考文獻
[1] 王兆安，楊君，劉進軍. 諧波抑制和無功功率補償. 北京：機械工業出版社，1998.
[2] 王小紅, “有源電力濾波器的發展及其在電能質量控制中的應用,” 科技情報開發與經濟，vol. 15, no. 13, pp.137-138, 2005.
[3] K. M. Smedley and S. Cuk, “ One-cycle control ofSwitching Converters，” IEEE Transactions on PowerElectronics， vol. 10, no. 6, pp. 625-633，1991.
[4] L. W. Zhou and K. M. Smedley, “Unifiedconstant-frequency Integration Control of Active PowerFilter,” IEEE Transactions on Power Electronics，vol. 16,no. 3, pp. 428-436, 2001.
[5] 徐明, 周林, 王偉, 張鳳, “單相有源電力濾波器的單周控制策略綜述,” 電網技術，vol. 30, no. 22, pp. 81-86,2006.
[6] 黃玉水，萬村英，朱玲，周志強, “基于單周控制的四橋臂三相四線制串聯型有源電力濾波器,” 電測與儀表，vol. 46, no. 10, pp. 38-42, 2009.
作者簡介：
李文娟，女，1968 年生，博士，教授，主要研究方向為電力電子技術及其應用。
