ATHPF控制与保护策略优化方案

（1）失谐度的检测

失谐度反映了滤波器的调谐状态，失谐度的检测是ATHPF自动调谐控制的基

图5-47 ATHPF滤波效果与调谐控制系数的关系

础，而检测精度是影响滤波器性能和运行稳定性的重要因素。按照失谐度的定义，h次调谐滤波器的失谐度是滤波器实际谐振频率ω_r偏离电网h次谐波频率ω_h的程度：

显然，从失谐度的定义出发来测定失谐度的大小是困难的。因此，失谐度的检测需要从失谐的原因和后果来讨论。

滤波器失谐的直接原因是滤波器存在失谐电抗。失谐电抗X_Fh的性质（感性或容性）及其大小直接反映了滤波器的失谐状况。无失谐时，X_Fh＝0；有失谐时，X_Fh≠0，且X_Fh的正负反映了失谐的方向。但是，失谐电抗X_Fh不易在线直接检测。

滤波器支路的谐波无功功率是失谐电抗存在必然引起的结果。因此，可采用谐波无功功率的正负和大小来反映滤波器的失谐。但是，谐波无功功率的大小与滤波器母线谐波电压、滤波器支路谐波电流以及电网的谐波阻抗都有关系，其变化范围不确定，因而与失谐度之间没有一个相对稳定的数值对应关系。

滤波器支路谐波阻抗角也是失谐电抗存在必然引起的结果。与谐波无功功率相比，不仅可以利用数字信号处理技术直接测量谐波阻抗角，谐波阻抗角的范围也是确定的，而且谐波阻抗角与失谐度具有直接的对应关系^［14］。对于单调谐滤波器，谐波阻抗角与失谐度的数学关系如下：

式中，q为滤波器的基波品质因数。对于经过校准的滤波器，其参数变化范围较小，品质因数可视为定值，计算中可采用设计值。图5-48给出了不同品质因数下滤波器失谐度与谐波阻抗角之间的关系曲线，可以看出，谐波阻抗角在［-60°，＋60°］范围内时，谐波阻抗角与失谐度近似成线性关系，自动调谐控制系统主要利用这段线性关系。

图5-48 失谐度与谐波阻抗角的关系

采用傅立叶变换可以测量谐波阻抗角。首先检测滤波器端电压和支路电流，分析计算h次谐波频率下电压电流的实部和虚部，可按下式计算谐波阻抗角：

当滤波器的调谐状态逼近完全谐振点时，谐波电压可能变得非常小，致使无法准确地检测出谐波电压的相位，从而影响ATHPF的调谐控制精度。

滤波电抗器与滤波电容器的谐波电压幅值之差也能反映滤波器的谐振状态。在完全谐振时，虽然滤波器端电压的h次谐波分量达到最小，但是，滤波器中的h次谐波电流分量却达到最大，即滤波电抗器和滤波电容器上的谐波电压此时最大。若忽略电抗器的等值电阻，当滤波器完全谐振时，电抗器与电容器上的谐波电压幅值相等，谐波电压幅值之差等于零；当滤波器失谐越大时，谐波电压幅值差也越大，且差值的正负反映了失谐的方向。

如果忽略滤波支路电阻的影响，在失谐度较小（|d_h|≤0.1）的情况下，分析可得失谐度与电感电容谐波电压差的关系如下式所示：

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（2）调谐控制策略

式（5-39）也已表明，就某次谐波分量而言，APF输出电流i_apf与滤波器电流i_F成线性关系，其比例系数k_h是频率的函数，且与LC参数有关。因此，ATHPF调谐控制策略是一种频域加权滤波算法。设ATHPF拟对5、7、11和13次谐波完全滤波，根据式（5-41），理想的k_h值应为

式中 L₀——滤波电抗器的自然电感量；

C——滤波电容器的电容量。

显然，k_h呈现为一种不规则的梳状滤波器特性。通常，若系统最低次谐波为5次，则ω²₅L₀C≈1。因此，对5、7、11和13次谐波的调谐控制系数k_h依次为0、-0.49、-0.79和-0.85。显然k_h的取值范围在［-1，0］。

在实际工况下，LC参数存在偏差，电网频率存在波动，因此，调谐控制系数k_h必须根据滤波器的实际调谐状态来实时调整。图5-49给出了式（5-39）的一种可行的实现算法。

图5-49 ATHPF的调谐控制方案

首先，通过电流互感器TA1取出滤波器电流信号，再经过谐波电流检测单元，提取出拟滤除的各次谐波电流分量i_h.1～i_h.m；同时，通过电压互感器TV1和TV2分别取出滤波电容器和电抗器上的电压，再经过失谐度检测单元，分析计算出有源调谐滤波器在拟滤除谐波频率下的失谐度d_h.1～d_h.m。根据失谐度的大小和方向，由多调谐控制器按照多调谐控制策略生成谐波补偿电流加权系数k_h.1～k_h.m，加权滤波器根据谐波电流分量i_h.1～i_h.m和加权系数k_h.1～k_h.m进行加权求和处理，最终形成APF的谐波补偿电流指令i_ch.ref。

为了稳定单相APF的直流侧电压，引入了直流电压闭环控制，根据直流电压与指令值的偏差，经过电压调节器AVR生成基波有功电流指令i_dc.ref。APF的指令电流i_apf.ref是谐波补偿电流指令i_ch.ref与基波有功电流指令i_dc.ref之和，它与APF实际输出电流进行比较并产生IGBT的PWM驱动信号。

（3）柔性过电流保护策略

ATHPF主体是无源调谐滤波器，容易出现谐波过电流现象是这类滤波器的固有缺点。ATHPF的调谐控制策略为滤波器的谐波过电流柔性保护提供了条件，可以利用“主动脱谐”的策略实现滤波器的谐波过电流柔性保护。当滤波器谐波过电流时，主动引入一定程度的失谐，增大滤波器的谐波阻抗，把谐波电流限制在允许的范围内。

调谐控制策略的目的在于调节APF输出的谐波电流分量，使ATHPF在该次谐波频率下接近完全谐振，从而让更多的负载谐波电流流过滤波器；谐波过电流柔性保护策略的目的刚好相反，如果滤波器一旦出现谐波过电流，就通过调节APF输出的谐波电流分量使滤波器主动偏离谐振状态，减小流过滤波器中的谐波电流，保障滤波器的安全。由于两种策略都是通过调节APF输出电流来实现，因此，必须解决两种不同目标的算法结构的融合问题。

图5-50给出一种具有柔性限流功能的ATHPF控制系统结构。首先，通过对滤波器电压电流的分解分析，得到滤波器在h次谐波下的失谐度d_h；其次，通过过电流调节器生成失谐度参考信号；最后，根据失谐度误差由调谐控制器生成调谐控制系数和APF参考电流。

图5-50 ATHPF的谐波过电流柔性保护策略

在无过流的情况下，失谐度参考信号为0，滤波器完全调谐滤波；当滤波器发生谐波过电流时，失谐度参考信号逐步增大，通过调谐控制后使滤波器脱离谐振状态，直到滤波器电流降落到参考值以内。