联合控制概述

随着大型企业非线性及无功负载的大量增加，配电网中电流、电压波形畸变程度及相角偏移也日益严重。电力电子器件额定功率有限，与电网所要求控制的电压之间产生矛盾。因此，有源电力滤波器的多样化方案成为研究的重点。补偿系统能否应用于实际取决于其结构的复杂度，滤波系统的治理效果取决于其控制方法。为了应用实际并提高滤波效果，针对各类拓扑结构提出了许多新颖的控制方法，均有各自的优势，但都局限在低压小容量系统中使用。传统的混合型电力滤波器无法像无源滤波器一样补偿无功功率，因此提出了用于补偿谐波和无功功率的新型拓扑结构，例如改进多通道注入式 HAPF 与TCR 联合系统，双环解耦电压型逆变器控制的研究。这些新的拓扑与控制方法结构复杂，补偿时是分别并入电网，没有达到联合控制的目的，且这些方法并没有大幅度减小有源电力滤波器容量。针对于此，本文提出一种并联混合电力滤波器(SHPF)与TCR 的新型串联组合。这种组合可以很好地抑制负载产生谐波电流并补偿系统所需无功功率，并且减小直流侧电压。该拓扑结构适用于大容量系统的谐波抑制和无功补偿的综合系统。

联合控制SHPF-TCR 的补偿原理

SHPF 和TCR 组合的新型拓扑结构。SHPF 由一个小容量的APF 和一个LC 五次无源滤波器串联组成。其中APF 由串接注入式升压电感(L_pf，R_pf)和脉冲宽度调制(PWM)三相全桥电压型逆变器及直流母线电容器(C_dc)组成。系统主要补偿由无源部分承担，有源部分改善滤波特性、抑制电网和SPF 间的谐振，承受非常小的电网基波电压和电流，其额定容量被大大降低。新型拓扑结构不用经过隔离变压器，系统复杂度被大大降低，经济实用性强。

联合系统提出了改善动态响应并降低TCR 稳态误差的控制方法。由PI 控制器和提取所需的触发角来补偿负载所消耗的无功功率。非线性控制SHPF 进行电流跟踪和电压调节。采用解耦控制策略，将dq 坐标系的分量解耦线性化，控制SHPF的注入电流。直流电压使用输出反馈线性控制，该 SHPF 可以保持较低的直流侧电压。这个SHPF-TCR 相结合的拓扑结构及控制方法非常适合电力系统综合补偿无功功率和消除谐波电流。

联合控制系统组成与建模

在三相静止abc 坐标系变换到两相旋转dq 坐标系，将电流i_d和i_q进行微分，得出该系统的空间状态模型。由于状态变量{i_d,i_q,V_dc}和开关状态函数{d _nd,d_nq}的存在，系统模型为非线性的。SHPF控制的三个状态变量必须独立地控制。因此通过解耦策略，充分分离它们各自的动态变量，可以避免内部电流环路和外部直流母线电压环路之间的相互作用。

采用电流内环和直流电压外环模型时，TCR 电容电压的微分系数比较低，所以对所提出控制技术的性能没有显著的负面影响。因此，它们实际上可忽略不计，然后将电流进行解耦，得出输入变量。在变换过程中，对解耦后的电流进行跟踪。电流i_d和i_q可以被独立地控制，并且通过使用比例积分补偿器，实现快速动态响应和零稳态误差。跟踪控制器的表达式为

联合控制仿真与实验

不投入无功负载，得出单相供电电流( i_s1)，负载电流( i_L1)，SHPF-TCR电流( i_c1)的仿真图形及直流侧电压( V_dc)。 SHAP 工作时，电源电流的总谐波失真，从25.72%降低到1.52%。通过仿真验证SHPF-TCR 补偿器提供了非常良好的补偿性能，并且直流侧电压稳定在50 V。在系统产生谐波和需无功功率时，通过实验观察SHPF-TCR 的补偿规律，显示出SHPF-TCR 补偿无功功率和消除谐波的稳态响应，其中波形是网侧电压(V_s1)、单相电源电流( i_s1)、负载电流( i_L1)和混合滤波器的电流( i_c1)。 SHPF-TCR 补偿负载电流( i_L1)的动态响应。从实验结果可以观察到SHPF-TCR 补偿器能够有效地补偿谐波电流和无功功率。电源电流接近正弦，并保持与电压同相位。系统谐波由TCR 并联连接电容器和有源滤波器进行补偿。APF 被设置为仅补偿负载谐波，TCR 的谐波电流迫使流过电容器，这些谐波不会流过电源或负载。因此，保证了网侧的电能质量。

联合控制结论

本文提出的HAPF 与TCR 联合补偿系统，将非线性控制解耦策略应用于SHPF-TCR 控制系统，同时把有源滤波器和SPF 进行互补，从而提高了滤波性能，减小有源滤波器的额定功率，并且使有源滤波器直流侧电压保持在稳定的低压值处，实现了谐波与无功的动态综合补偿。仿真与试验证明了其具有动态响应快，稳态和瞬态晶闸管能够通过功率的变化进行切换，所提出的补偿系统及控制方法有效地解决了大型企业非线性负载增加的问题。