李明月 张金瑞 李萍 高莹

摘要：針对谐波电流提取过程中的检测、数字化处理、传输等过程，往往会产生信号滞后、受到干扰等问题，影响电流补偿精度，提出了以并联型有源电力滤波器采用kalman滤波器递推算法，实现电网谐波电流检测、预测优化及无差拍跟踪控制。利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建滤波系统，编写了kalman滤波器递推及电流跟踪控制算法。仿真结果表明：滤波器可快速跟踪电网电流、各次谐波相位与幅值，并具有谐波电流预测功能，其逆变器跟踪控制性能良好。

关键词：三电平有源电力滤波器；kalman滤波器；谐波；预测；跟踪控制

中图分类号：TM74

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）08016903

1 引言

近年来各种电力电子装置、冲击性负载的不断涌现，严重影响了电网电能质量及其安全运行。向电网注入抵消负载谐波、无功电流的有源电力滤波器[1]（active power filter， APF）得到了广泛应用，同时为了使其更好地的适应各类负载，提高电网电能质量，对其性能提出了更高的要求，各种研究工作正深入开展。APF的核心问题是补偿精度，影响补偿精度有两个因素：一是谐波电流实时检测精度，二是逆变器动态跟踪控制精度。许多论文提出了各种控制算法[2～4]。针对谐波电流获取、传输过程中会受到各种噪声干扰或滞后的问题，提出利用kalman滤波器对电网电流进行跟踪，分离出需要补偿的指令电流，可根据产生的滞后给予预测优化，这种方法不但消除了信号在检测、传输过程中参入的噪声，还能弥补信号处理、传输过程中的滞后。电流跟踪控制采用简洁的误差拍跟踪控制方法，通过两方面分别提高APF的检测与控制精度。

2 有源电力滤波器电路结构及工作原理

APF采集非线性负载侧电流，通过数字化运算单元检测出需要补偿的谐波、无功电流即指令电流，与逆变器输出的补偿电流构成闭环反馈产生驱动功率开关管的脉冲信号，使逆变器输出电流跟踪指令电流，注入电网补偿负载的谐波和无功电流，净化了电网使谐波畸变率降低，功率因数提高。

3 Kalman滤波器补偿指令电流提取与预测优化方法

卡尔曼滤波是一种递推最优状态估计方法，应用于受随机干扰的动态系统。实际工程应用中，由于实时测得的离散观测数据往往受到噪声干扰，产生随机误差，影响系统性能。卡尔曼滤波能实现动态系统实时状态估计与对未来的预测。这种方法需要当前的测量值和前一个采样周期的估计值进行状态估计，而无需大量的存储空间，计算工作量小，只在直观的时间域内运行，因此该方法广泛的应用于各个领域[5]。

5 仿真实验验证

采用MATLAB/Simulink仿真软件对kalman跟踪电网谐波电流并进行预测的电流检测方法进行了仿真分析。电网相电压有效值220 V，电网频率50 Hz，PWM调制频率20 k，直流侧电压600 V，滤波电感1.6 mH。

采用带有负载电路的三相不可控整流桥作为电网非线性负荷。电网电流波形的仿真结果如图2～6所示。kalman 滤波器跟踪电网电流如图2（三相）及图3（单相）并检测基波有功分量、无功分量，通过定频电流跟踪控制APF实现补偿电网电流波形如图5所示。对网侧的a相电流的6个周期补偿前后进行FFT分析，如图4和图6所示，可看出谐波畸变率的变化情况，说明APF在采用了kalman 滤波器谐波检测和指令电流的定频跟踪控制方法的有效性，且有较高的补偿精度。

采用kalman滤波器实时检测电网谐波、无功电流，且根据系统滞后情况采用预测补偿提高谐波检测精度。在负载稳态运行和突变运行两种不同情况下，APF的稳态与动态响应跟踪补偿性能较高。理论分析与仿真实验结果表明，采用该kalman滤波器提取谐波与电流跟踪控制策略是可行，有效的。

参考文献：

[1]王兆安，杨 君，刘进军，等.谐波抑制和无功补偿（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2010：16～20.

[2]何英杰，刘进军，王兆安，等.基于重复预测原理的三电平APF无差拍控制方法[J].电工技术学报，2011，25（2）：114～120.

[3]申张亮，郑建勇，梅 军，等.基于改进电压空间矢量调制的有源滤波器双滞环电流跟踪控制策略[J].中国电机工程学报，2011，31（15）：8～14.

[4]林呈辉，杨洪耕，袁 锋.基于变换和自适应卡尔曼滤波的任意次谐波电流检测[J].现代电力，2013，（5）：14～20.

[5]Charles K.Chui，Guanrong Chen. 卡尔曼滤波及其实时应用（第四版）[M].北京：清华大学出版社，2013：1～15.

Abstract： Accuracy of the obtained harmonic current referenceis critical performance of the filter. Compensation accuracy is affected by the factors， such as signal detecting， digital processing and transmission causing time-delays or permeating interfering signals. The method is proposed so that the topology of three-level inverter utilized as the main circuit of the active power filter which is based on a real-time digital Kalman filter may has the performance of obtaining the reference control current， the capacity of prediction for avoiding the time-delay and improving current tracing accuracy. The mathematic model of abstracting reference current applied Kalman filter is established. Filtering system and Kalman filter algorithm is simulated in MATLAB/Simulink. The simulation results prove that the method of tracing harmonic current， phase and magnitude of the listed harmonic current，and prediction current is effective and correct ， the performance of inverter is good.

Key words： active power filter； Kalman filter； harmonic； prediction； tracing control