学术︱间谐波环境下并联有源电力滤波器系统设计
山东科技大学电气与自动化工程学院、中国矿业大学信电学院、龙口矿业集团的研究人员张超、马小平、张义君等，在2015年第20期《电工技术学报》上撰文，针对电网环境中含有间谐波的复杂情况，以三电平并联有源电力小滤波器（SAPF）为研究对象，建立三电平SAPF数学模型。采用CPT原理检测间谐波环境下电网基波分量，从而准确测量电网谐波含量。
将间谐波、APF参数波动和死区效应等考虑为控制器非周期干扰，利用等价输入干扰原理对传统重复控制器加以改进，提高控制系统控制性能，消除非周期干扰对控制器的影响。在Matlab和三电平试验平台上，建立SAPF控制系统，仿真及实验验证所设计系统可以准确检测间谐波环境下电网谐波含量，并对电网谐波、间谐波进行补偿。
间谐波是指频率不等于基波频率（工频）整数倍的分量。随着高压直流输电装置、电弧炉和变频器等电力电子设备的应用，电网中出现大量的间谐波[1,2]。间谐波具有类似谐波的危害，而且会导致电压闪变和冲击性转矩[3]。由于间谐波的频率会随着谐波源设备运行状况而变化，导致其难以准确检测和消除。
有源滤波器（Active Power Filter，APF）已经在解决电网谐波污染问题方面得到广泛应用。在设计APF时，应考虑不同的电网环境和负载设备的要求，APF应该可以在各种复杂电网环境下投入运行，并且运行时不会对电网产生干扰。
目前，国内外关于间谐波的研究主要集中在检测方面，对间谐波的抑制方法，主要采用无源滤波器，利用APF消除电网中间谐波含量的研究较少，并且现有应用于APF装置的谐波检测及控制方法并不能有效适用于间谐波环境下[4]。所以，在电网中间谐波含量明显时，研究APF针对间谐波和谐波的共同检测及补偿方法具有重要意义。
目前谐波、间谐波的检测主要可以分为两大类：基于频域和时域检测方法。傅里叶变换是频域检测的经典算法，但由于间谐波的存在，傅里叶变换较难实现同步采样，采用非同步采样时，又存在着频谱泄漏等缺陷。
采用加窗插值[5-7]、小波变换[8]、HHT（Hilbert-Huang transform）变换[9]的办法可以有效减少频谱泄漏等带来的误差，但存在实时性、边缘效应、频率分辨率低等问题。用现代谱估计的方法可以减少采样时间，提高频率分辨率，谱估计方法主要有：自回归（Auto Recursive，AR）谱估计[10]、三线性算法[11]、采用自适应、粒子群优化谱估计算法[12,13]等。
频域检测的方法可以获取谐波电流，但计算量较大，实时性较差。电网中电压、电流存在畸变时，传统功率理论已不适用，而现有时域检测方法主要基于各种非正弦功率理论，对APF的适用性强，且算法本身构造简单，应用广泛。常用的基于功率理论时域检测方法，主要有两类：基于瞬时功率定义和基于Fryze功率定义的方法。
基于传统瞬时无功功率理论（p-q theory）的检测方法无法在三相电压不对称及发生波形畸变时，准确地检测出电网谐波电流；基于p-q-r功率理论的检测方法增加了零功率的定义[14]，可以用于三相不平衡系统检测中；通用瞬时功率理论及其改进算法解决了在三相电压不对称及畸变系统中谐波和无功电流检测的问题[15,16]。
FBD法由Fryze提出，经Buchholz和Dpenbrock完善，通过等效电导概念来分离电流，讨论各电流分量的物理含义，并且相比于传统瞬时功率定义的方法，不需要坐标变换，算法实现相对简单[17,18]；CPT（conservative power theory）定义了在三相不平衡及畸变系统中的瞬时功率[19]，与pq功率理论、FBD功率理论相比，CPT对不平衡及畸变系统中电流分解的表达更准确[20,21]，但对于电网含间谐波的情况需要进一步的研究。
重复控制（repetitive control）可以实现对周期参考信号的跟踪和周期干扰信号的抑制，与PI控制、预测控制等相结合，可以实现对PWM变换器取得较好的电流控制性能。但重复控制系统对非周期信号的控制以及非周期信号的干扰抑制性能较差，因此需要寻求改善重复控制系统非周期控制性能的方法。
解决的思路有：高阶重复控制器（High- Order Repetitive Controller，HORC）[22]和自适应重复控制器[23]，这些方法在改善控制系统性能的同时，增加了系统复杂程度，使得系统稳定性难以实现。如果将非周期信号看作干扰，采用干扰观测器与重复控制结合的方法也是解决重复控制非周期控制问题的思路。
等价输入干扰（Equivalent Input Disturbance，EID）方法[24]与通常干扰观测器不同，并不是基于系统逆理论，是一种主动扰动抑制方法。这种方法结构简单、易于实现，可以用于重复控制器中，提高重复控制系统的非周期扰动抑制性能。
本文以三电平SAPF为研究对象，基于CPT功率理论的定义，研究了间谐波环境下SAPF指令谐波电流的检测，采用重复和PI复合的控制方式对电网电流谐波以及间谐波分量进行补偿，通过引入EID控制器，提高了SAPF在非周期信号干扰下的控制性能，分析了所设计系统稳定性及灵敏度问题，给出了一种适合于间谐波环境下的SAPF系统设计方法。
仿真和实验表明，所设计系统可以准确检测电网谐波、间谐波含量，有效对电网谐波和间谐波进行补偿。
图1 三电平变换器结构拓扑
结论
随着新型电力电子设备在电网中应用，电网间谐波影响将会愈发严重。基于瞬时功率理论检测方法存在相位延时、幅值放大等现象，本文以基于CPT功率理论方法对电网间谐波检测，实验证明其有效性。
在重复和PI复合控制基础上，加入EID干扰推测，提高SAPF对间谐波控制及对干扰抑制性能，以Matlab和三电平实验平台对控制系统进行仿真及实验验证，结果证明所设计系统在间谐波环境下可以对电网谐波有效治理，为间谐波环境下电网谐波治理提供思路。
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