关键词：电能质量；有源电力滤波器；控制策略；补偿误差
Abstract: Active compensation device is an effective solution to power quality problem. On the basis of analyzing and summarizing the existing power quality management methods of traction network, the compensation scheme of cascade active power filter (APF) is adopted, and its working principle and topology structure are analyzed. According to the characteristics of traction load fluctuation, the overall control strategy of cascade APF is studied and designed. In view of the compensation error caused by the voltage fluctuation on the dc side, a stable outer ring control is adopted. Under the Matlab/Simulink environment, the simulation model of single-phase cascade APF was established. By comparing the simulation results, the effectiveness of the cascade APF overall control strategy designed in this paper is verified.
Key words: Power quality; Active power filter; Control strategy; Compensation error
1 引言
由于牵引负荷自身的非线性特点，会引发电气化铁路一系列的电能质量问题，主要表现负序、谐波、和电压波动与闪变[1]。这些电能质量问题会导致电气化铁路及其他介入该系统的设备造成许多不良影响。
为了治理电气化铁路电能质量的问题，当前主要的治理措施大致分为三种：从负荷角度：改进电力机车、从供电系统角度：改进牵引供电系统、其它角度：装设补偿装置就地补偿。
本文采用装设有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）的方法来补偿电流。将级联H桥型多电平拓扑结构的APF，作为牵引网的有源补偿装置[2]。其中，主要对级联APF的拓扑结构、电流跟踪控制、直流稳压控制等关键技术进行了研究。然后，通过Matlab/Simulink仿真平台，搭建牵引网系统和级联APF的仿真模型[3]。最后验证级联APF治理牵引网电能质量问题的有效性。
2 级联APF工作原理分析
如图1，这是单相H桥级联APF的拓扑电路结构图。
图1 H桥级联APF的主电路拓扑
图2 级联APF工作原理图
3 级联APF控制策略
3.1 级联APF整体控制策略
级联APF整体控制框图如图3所示，包括参考指令电流检测、直流侧稳压控制、电流跟踪控制以及直流侧电容电压均衡控制。
图3 级联APF整体控制框图
3.2 无差拍电流跟踪控制
无差拍控制运用在逆变器控制中，在变流器中的应用被广泛关注与研究[4]。根据状态方程，下一个控制周期指令的预测值和当前周期的反馈信号，计算下一控制周期逆变器的占空比，并且在当前控制周期执行。状态方程表示为：
图4 无差拍控制框图
3.3 直流稳压
直流侧稳压控制是将级联APF各个功率模块的直流侧电压等效为一个整体，再以各功率单元直流侧电压的平均值做为控制目标，使级联APF总的直流电压保持恒定。对比电流内环而言，电压外环的响应速度较慢，然而PI控制器可以对直流量进行准确跟踪，所以采用传统的PI控制即可达到要求。图5为控制框图，其中
为PI控制器的传递函数。
图5直流侧稳压控制框图
直流侧稳压控的制原理是将各个功率单元的直流侧电容电压相加，然后求均值
，再与直流侧参考电压
作比较后的差值，把该值作为PI控制器的输入信号，最后PI输出与牵引母线电压经锁相环后的正弦信号
相乘，即可得到基波有功电流瞬时指令值
。当直流侧电压均值小于参考电压时，PI控制使基波有功电流增大，级联APF从牵引网吸收能量使直流侧电压上升；反之，基波有功电流减小，级联APF向牵引网释放能量使直流侧电压降低。将
同提取的指令电流叠加后共同作为级联APF参考指令电流
，通过电流内环产生级联APF调制信号。
4 仿真结果与分析
级联APF系统仿真模型如图6所示，它包括级联APF主电路拓扑、CPS-SPWM调制、改进自适应谐波电流检测、直流侧PI稳压控制、基于两拍外推重复预测与电流校正的无差拍电流控制、平移调制波电容电压均衡控制。
图6 单相级联APF系统仿真模型
4.1 直流侧稳压控制的仿真实验
参考电压为1600V，直流侧稳压PI控制仿真结果如图7所示。
图7 直流侧稳压控制仿真结果
由图7可以看出，直流侧的电容电压平均值能基本稳定在1600V，稳态时电压波动率≈0.015，稳压控制效果好，能够保证级联APF正常工作。
4.2 无差拍电流跟踪控制的仿真实验
为了验证无差拍电流控制的有效性，先假设一个0.5s突变的二极管桥式整流负载，传统无差 拍滞后无补偿的负载电流和FFT频谱分析如图8所示。
图9表示为补偿后的网侧电流波形及其频谱分析。从仿真结果可以观察出，在负载发生突变之后，经补偿的网侧电流经过大概两个工频周期稳定。从无差拍电流跟踪图中可以观察出，无差拍电流控制几乎能够做到实时跟踪参考指令电流的变化，而且具有很好的稳态精度，可以大大降低网侧电流中的谐波含量。
经过对比发现，经滞后补偿且电流校正后的无差拍电流控制相较传统无差拍电流控制，补偿精度明显提高，验证了本文所改进的无差拍电流控制的正确性与有效性。
4.3 直流侧电容电压均衡控制仿真
直流侧电容电压均衡控制，主要由Matlab Function模块编译程序实现。由于篇幅的限制，在此处以两个直流侧电容电压均衡控制为研究对象进行仿真分析，仿真模型如图10所示。
图10 直流侧电容电压均衡控制
然而，实际的级联APF系统包括30个H桥功率单元，由30个单元级联而成，在不加电压均衡控制的情况下，仿真结果如图11所示。
在图11中，直流侧稳压控制虽然能够基本保持在1600V左右，但是由于各个功率单元的损耗与和脉冲触发信号的延时因素原，会造成各个H桥功率单元的直流侧电容电压不相同，所以必须对直流侧电容电加入均衡控制。
在加入电压均衡控制模型后，各个H桥功率单元的直流侧电容电压仿真结果如图21所示。
在图12中，可以看到在，加入电容电压均衡控制之后，30个H桥功率单元几乎都能稳定在1600V，说明电压均衡控制的效果很好。
5 结论
级联APF的控制系统决定了其补偿的性能。本文提出了一种控制策略。考虑到牵引负荷的波动性，采用无差拍电流跟踪控制的方法，具有很好的稳态精度，提高了系统的稳定性；电压控制包括直流侧稳压控制与电容电压均衡控制，加入均衡控制，电压的控制精度明显提高，验证了该策略的有效性。
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作者简介：
陈晨（1995年） 男 电气工程与自动化学院 硕士研究生在读 河南理工大学
研究方向为电力系统及其自动化
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