摘 要：针对电网中含有大量谐波问题，提出了单周控制的单相并联有源电力滤波器(APF)对电网进行谐波补偿，应用PSCAD/EMTDC 仿真软件对单周控制单相并联型APF 系统进行建模, 并对系统补偿性能进行仿真。在仿真的基础上设计了双极性单周控制单相并联型APFF 系统并进行了实验。仿真和实验结果表明单周控制的单相并联APF 能很好的补偿电网中的谐波，并且具有控制电路结构简单和动态效果好的特点，具有很好的实际应用前景。

　　关键词：单周控制，谐波补偿，有源电力滤波器，PSCAD/EMTDC

　　1.引言

　　近年来，随着电力电子技术的飞速发展，电力电子设备等非线性负载的应用越来越广泛[1]。这些非线性负载会产生大量的谐波注入电网，导致电网电能质量下降。因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为近年来电气工程领域研究的热点之一[2]。从上个世纪80 年代至今，基于不同控制方法的有源电力滤波器(APF)不断被提出，并且一些已进入了成熟实用阶段[3]。

　　单周控制作为一种新型的非线性控制方法，其基本思想是不论稳态还是暂态，都能保持受控量(一般为开关变量)的平均值等于或正比于给定参考值[4]。该控制方法适用于非线性系统场合。相比于传统控制方法，单周控制理论应用于APF，只需要检测电源电流和直流侧电容电压，计算量小，控制电路简单，大大简化了APF 的系统[5]。

　　本文在研究了单周控制原理的基础上，设计了单周控制单相并联型APF 系统，应用PSCAD/EMTDC仿真软件对单周控制单相并联型APF 系统进行建模，并对系统的补偿性能进行仿真。在仿真的基础上，对双极调制工作模式下的单周控制APF 系统进行了实验研究，以进一步验证理论分析的正确性。

　　2.单周控制单相并联型APF 设计及仿真

　　2.1 双极调制电路设计

　　2.1.1 控制原理

　　图1 为单周控制的单相并联型APF 总体框图。由图1 可见，APF 的主电路是由一个H 桥和储能电容C以及交流侧的滤波电感L 组成的。其中，开关管分为两组，S1 和S3 驱动信号相同，S2 和S4 驱动信号相同，两组开关管在调制频率fs 下由占空比d 控制轮流导通。

　　假设开关频率远远大于电网频率和非线性负载电流的频率，即在每个开关周期内，负载电流与补偿电流近似不变，则在每个开关周期中，滤波电感L 的电流变化为零，所以根据每个开关周期中电感的伏秒平衡原则有：

　　2.2 主电路参数设计

　　本文中并联型APF 所采用的主电路为单相电压型PWM 变流电路。对于单周控制的APF 而言，主要参数是由控制系统稳定性条件来决定的。因此在设计参数前要对其稳定性进行分析。

　　由于开关调制频率fs 远大于电网频率和负载电流频率以及补偿电流的变化频率，因此可以假设在一个开关周期内负载电流不变，所以电网电流is 上升和下降的斜率与交流侧电感电流的上升与下降斜率近似相等。图4 为比较器输入端两个信号的波形图。

　　根据对整个控制过程的分析可知，要使系统稳定，则需要比较器输出值在每个周期内都有翻转即在每个周期内都能切换开关。由此分析得到，每个开关周期内占空比组成的数列{dn}收敛。根据式(9)和等比数列收敛公式可得：

　　2.3 单周控制并联型APF 的仿真

　　通过对双极调制工作模式下的单周控制单相APF控制电路的设计和主电路参数的设计， 在PSCAD/EMTDC 中搭建了如图5 所示的仿真模型，其中is、if、ic 分别代表电网电流、负载电流和补偿电流。系统仿真参数为：交流侧电压有效值为220V;频率为50Hz;直流侧储能电容为1000μF;交流侧滤波电感为2mH;开关调制频率为fs=10kHz;负载为单相不可控整流桥接阻感支路或阻容支路。得到的仿真波形如图6 和图7 所示。

　　从仿真波形可以看出采用双极调制的单周控制APF 能对感性和容性负载所引起的谐波及无功电流进行有效地补偿，补偿后的电网电流除含有一定个毛刺和纹波外，是一个与电网电压同相位正弦波，并且APF从谐波产生的第一个周期开始就对负载电流进行了补偿，补偿效果较为理想。为了进一步分析补偿效果，对电流的频谱进行了分析，如图8 所示。可以看出谐波经过APF 补偿后的电网电流中，谐波含量明显降低了。

　　3.实验及其结果分析

　　为了进一步验证本文所提出的单周控制APF 的正确性和可行性，在系统仿真的基础上，根据单周控制控制电路与主电路的结构框图搭建了相应部分的实验电路，构建了双极调制工作模式下单周控制的单相并联型APF 的实验系统。其中，输入电压有效值为200V，输入电压频率为50Hz，直流侧电压为400V，开关频率为10kHz。实验结果波形如图10 所示，其中图10 a)为补偿前负载电流波形，图10 b)为投入APF 后的电网电流波形。实验结果表明采用单周控制的并联型APF对非线性负载所产生的谐波和无功电流有较好的补偿效果，验证了理论的正确性和可行性。

　　4.结论

　　本文从抑制谐波和无功对交流电网的污染角度出发，通过对当前APF 的各种控制方式的比较，选择单周控制作为系统的控制策略，推导并建立了双极性工作模式下的单周控制的单相APF 的控制电路，完成了系统的理论分析，应用PSCAD/EMTDC 仿真软件搭建了双极性工作模式下的系统仿真模型，并对系统的补偿性能进行仿真，在仿真的基础上设计了双极性单周控制单相并联型APF，搭建了相应的硬件电路，并进行了相关实验。实验结果进一步验证了该控制策略的正确性与可行性。

　　参考文献

　　[1] 王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京：机械工业出版社，1998.

　　[2] 王小红, “有源电力滤波器的发展及其在电能质量控制中的应用,” 科技情报开发与经济，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, 王伟, 张凤, “单相有源电力滤波器的单周控制策略综述,” 电网技术，vol. 30, no. 22, pp. 81-86,2006.

　　[6] 黄玉水，万村英，朱玲，周志强, “基于单周控制的四桥臂三相四线制串联型有源电力滤波器,” 电测与仪表，vol. 46, no. 10, pp. 38-42, 2009.

　　作者简介：

　　李文娟，女，1968 年生，博士，教授，主要研究方向为电力电子技术及其应用。