直流侧并联型有源电力滤波器的可控性及其统一控制策略

2008年2月电工技术学报Vol.23No.2第23卷第2期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYFeb.2008直流侧并联型有源电力滤波器的可控性及其统一控制策略杜雄周雒维谢品芳（重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室重庆400044）摘要直流侧并联型有源电力滤波器并联在整流桥的直流侧，实现谐波治理的功能。本文提出了直流侧并联型有源电力滤波器正常工作的两个可控性条件，一是有源滤波器可以控制为一个受控电流源，二是有源滤波器的输入平均功率为零才能保证在逆变器直流侧选用无源储能元件。根据提出的两个条件分别分析验证了单相和三相直流侧有源电力滤波器的可控性。根据单相和三相直流侧有源电力滤波电路功能上的相似性，提出了基于单周控制的无需进行谐波电流检测的统一控制策略，稳态和动态实验结果证明了统一控制策略的正确性。关键词：整流桥有源电力滤波器可控性控制策略中图分类号：TM48TheControllabilityofParallelDCSideActivePowerFilterandUnifiedControlStrategyDuXiongZhouLuoweiXiePinfang（StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnologyChongqingUniversityChongqing400044China）AbstractDCsideactivepowerfilterwhichisparalleledindcsideofrectifiercansuppresstheinputharmoniccurrentoftherectifier.Twocontrollabilityconditionswhichensuretheoperationofdcsideactivepowerfilter(APF)areproposed.ThefirstoneisthatdcsideAPFshouldbecontrolledtoacontrolledcurrentsource,andanotheroneisthattheaverageinputpowerofAPFshouldbezero,andthesecondonemakesitpossibletousethepassiveenergystorageelement.Accordingtotheproposedcontrollableconditions,thecontrollabilityofsingle-phaseandthree-phasedcsideAPFisanalyzed.Aunifiedcontrolstrategybasedononecyclecontrolisproposedtocontrolthesingle-phaseandthree-phasedcsideAPF.Byusingone-cyclecontrol,thereisnoneedtosenseandcalculatetheharmoniccurrentcomponents.Thesteadyanddynamicexperimentalresultsverifiedthecorrectnessofthecontrolstrategy.Keywords：Rectifier,activepowerfilter,controllability,controlstrategy1引言单相和三相整流桥负载的应用广泛，是一种主要的谐波源。对整流桥负载进行谐波治理，功率因数校正技术是普遍采用的技术。由于有源电力滤波器仅处理部分功率，因而针对同样的整流桥负载，相比处理全部负载功率的功率因数校正器来说，有源滤波器的容量更小。传统的有源电力滤波器并联在交流电网，可称之为交流侧有源电力滤波器（APF）。针对整流桥负载，文献[1-4]提出了直流侧有源电力滤波器，并联在整流桥的直流侧，该直流侧APF工作在电压电流两个象限，相比工作在电压电流四个象限的交流侧APF，直流侧APF所用高频国家自然科学基金（50507020）和重庆市科委自然科学重点基金(2005BA6017)资助项目。收稿日期2006-12-11改稿日期2007-05-16128电工技术学报2008年2月开关数量少。直流侧APF与功率因数校正器相比，仅需补偿谐波和无功功率，针对同样的负载，所处理的功率更小；与传统的交流侧APF相比，所用到的高频开关数量减少，具有更小的开关应力，因而可以减少谐波治理装置的成本。虽然直流侧APF仅限于对整流桥负载进行谐波治理，但由于与功率因数校正器和交流侧APF相比，其成本低，而且整流桥负载应用广泛，因此其具有较强的工程实用价值。直流侧APF不像交流侧APF提出和研究的时间那么长，因而需要对其进行深入的理论研究。为什么将APF并联在整流桥的直流侧便可进行谐波补偿，如何维持构成APF的变换器直流侧储能元件的电压或电流稳定等问题，目前尚无相关的理论分析。本文对单相和三相整流桥直流侧并联型APF的可控性进行了研究，提出了直流侧APF可以正常工作的两个可控性条件，并分别对单相和三相直流侧APF的可控性进行了分析和验证，还提出了一种基于单周控制的适合于单相和三相直流侧APF的统一控制策略。2直流侧并联型有源电力滤波器的可控性2.1直流侧APF的可控性条件直流侧有源电力滤波器并联在整流桥的直流侧，应和交流侧APF[5]一样，为了能够正常工作，需满足以下两个可控性条件：（1）直流侧有源滤波器可控制为一个受控电流源。并联型APF通过补偿整流桥直流侧的负载电流使得整流桥前端的输入电流为正弦波，实现单位功率因数。因为负载电流的不确定性，因而需要APF能够控制为一个任意受控电流源。（2）直流侧有源电力滤波器的输入平均功率为零。通常APF采用电容或电感作为储能元件来构成电压型或电流型主电路拓扑结构。在忽略损耗的情况下APF并不能吸收或发出有功功率，因此为了保证APF能够正常工作，其输入平均功率必须为零。下面将分别针对单相和三相直流侧APF来证明其满足以上两个条件。在下面的分析中均假设电源电压为标准正弦波。2.2单相并联型直流侧APF的可控性单相并联型APF如图1中虚线内的电路所示[1]，方框内的双向Boost变换器并联在整流桥的直流侧，提供补偿电流ip，使得电源输出电流is为正弦波。图1单相并联型直流侧APF拓扑结构Fig.1ThetopologyofsinglephaseparallelDCsideAPF双向Boost变换器中的开关S1、S2工作在互补状态，开关S1导通对应的时间记为占空比D对应的时间。开关S1导通时的电感电压uL=ug＞0（1）开关S2导通时的电感电压uL=ug−uC＜0（2）从式（1）、式（2）可以看出，在一个开关周期内电感电压可正可负，说明可以通过控制开关的通断来控制单相直流侧APF为一个受控电流源，满足2.1节中的第一个可控性条件。那么需要满足第二个条件直流侧APF的输入平均功率为零，即gp0d0uiθπ=∫（3）式中gsuu=，下面证明式(3)成立。整流桥在不加直流侧APF之前，其直流侧的负载电流等于电源电流的绝对值，即lsii=（4）此时电源电流is可分解为与电源同频同相的基波有功分量ifp及其他无功和谐波分量ihsfphiii=+（5）在加直流侧APF后，电源电流成为正弦波，此时整流桥直流侧输出电流为glpfpiiii=+=（6）那么直流侧APF平均输入功率为APFgpggl0011d()dPuiuiiθθππ==−ππ∫∫=0（7）单相直流侧APF的输入平均功率为零得到证明。2.3三相并联型直流侧APF的可控性三相并联型直流侧APF的拓扑结构如图2所示[3]。其中Lp、Sp1、Sp2、Cp和Ln、Sn1、Sn2、Cn分别构成两个双向Boost电路，低频双向开关Sa、Sb、第23卷第2期杜雄等直流侧并联型有源电力滤波器的可控性及其统一控制策略129Sc工作在二倍工频，将每个工频周期分成6个区间，其区间分解如图3所示。每个区间内整个电路都可等效为两个串联运行的Boost变换器，在[π/6,π/2]区间内的等效电路如图4所示。因为三相三线制系统中只有两个独立的电流分量，因此可以分别控制整流桥正端和负端的Boost变换器补偿对应相中的负载电流来实现两相电流为正弦波，进而实现电网三相输入电流ia、ib、ic均成为与电网电压同频同相的正弦波。图2三相并联型直流侧有源电力滤波器拓扑结构Fig.2Thetopologyofthree-phaseparallelDCsideactivepowerfilter图3区间分解示意图Fig.3Theintervaldivision图4区间等效电路Fig.4Theequivalentcircuitofthree-phaseparallelDCsideactivepowerfilter采用与2.2中针对第一个可控性条件相类似的分析方法，可以得到图4中的两个Boost电路可分别控制为两个受控电流源来补偿负载电流，因此三相直流侧APF的第一个可控性条件可得到验证。如果需要满足第二个条件，那么两个串联Boost电路的两个端口的输入平均功率都必须为零。由于上、下半组电路相互独立，因此分析一组即可。下面以上组为例进行分析。以a相电路为例，在未补偿前的a相负载电流为ila，其基波有功分量为ia。由于是三相整流桥负载，因此未补偿前ila的值只在[π/6,5π/6]和[7π/6,11π/6]区间内可能不为0，其余区间电流均为0。从图3和图4可以看出，在[π/6,5π/6]区间内上组电路的电感电流实际上是补偿a相负载电流。而不同的是输入电压在[π/6,π/2]区间内是uac，而在[π/2,5π/6]区间内输入电压是uab。因此，在[π/6,5π/6]区间内上组电路的输入平均功率Pin为56inPMp61d2/3LPuiθππ=π∫562acpabp621()d()d2/3LLuuiuuiθθππππ⎛⎞⎜⎟=−+−⎜⎟π⎝⎠∫∫（8）根据三相整流桥的6脉波对称性，对式（8）进行计算，可得Pin=0。因此也证明了2.1节中的第二个可控条件。3统一控制策略虽然文献[13]中均采用单周控制来实现单相和三相直流侧APF的控制，但二者均为独立考虑。本节将单相和三相系统统一考虑，进而得到了统一的控制策略并用单周控制模块来实现。对于电网来说，无论是交流侧滤波还是直流侧滤波，最终目的都是使得从电源端看去，负载可等效为一个纯电阻。根据这一原则，可以确定直流侧APF的统一控制策略。对于单相直流侧APF来说，其控制目标为控制整流桥的输入阻抗为纯电阻，可等效为控制单相整流桥直流侧的输出阻抗为纯电阻[1]，即geguRi=（9）而对于三相直流侧APF而言，控制目标[3]为aeabebcecuRiuRiuRi=⎧⎪=⎨⎪=⎩（10）由于三相直流侧APF是在每60°的区间内将电130电工技术学报2008年2月路分解为双Boost电路，如在区间[],π/6π/2时等效电路图4所示，在该区间内，控制上组Boost变换器补偿a相负载电流，下组Boost变换器补偿b相负载电流，分别使得a、b相电流在该区间内成为对应正弦电流的一部分，c相电流也就自动成为其对应正弦电流的一部分。实现控制目标式(9)、式(10)，可以采用不同的控制方法。单周控制[6]因为不需要乘法器、无需进行谐波电流检测，具有控制电路简单[7-8]、控制效果好等优点在有源电力滤波器和功率因数校正器的控制中得到了广泛的应用。本文采用单周控制方式来构成直流侧APF的统一控制策略。单相直流侧APF的输入输出关系满足()gC1UDU=−（11）结合控制目标式(9)，式(11)可转化为msg(1)vDRi−=（12）式中Rs为电流取样比，smCeRvUR=。采用单周控制实现式(12)时，单相直流侧APF的控制方程可转化为sgmm0s1dtRivvtT=−∫（13）根