《IEEE Transactions on Affective Computing》：An Enhanced FAH-PLL-Based SAPF Control Method Under Distorted Grid Conditions and Sensor Failures
编辑推荐：
现代电力系统中，基于电力电子变换器的变流器与非线性负载的广泛应用，导致谐波畸变与电能质量问题日益突出。特别是，电流与电压测量系统中出现的直流偏置误差（DC-offset error）会对基于锁相环（phase-locked loop，PLL）的同步算法性能产生
现代电力系统中，基于电力电子变换器的变流器与非线性负载的广泛应用，导致谐波畸变与电能质量问题日益突出。特别是，电流与电压测量系统中出现的直流偏置误差（DC-offset error）会对基于锁相环（phase-locked loop，PLL）的同步算法性能产生不利影响，进而导致并联有源电力滤波器（shunt active power filter，SAPF）系统中参考电流生成错误，并削弱谐波抑制性能。然而，传统的基于dq坐标系（dq-axis）的SAPF控制方法在电网含有谐波、负载不平衡以及传感器引入的直流偏置误差等条件下，其性能表现有限。为此，本研究针对三相SAPF应用提出了一种基于频率自适应混合锁相环（frequency adaptive hybrid-phase-locked loop，FAH-PLL）的改进dq控制方法。在所提方法中，电网频率与相位角通过FAH-PLL结构获取，而dq轴上的基波电流分量则利用频率自适应混合（frequency adaptive hybrid，FAH）滤波结构进行分离。FAH-PLL组合了二阶广义积分器（second-order generalized integrator，SOGI）、全通滤波器（all-pass filter，APF）和正序计算器（positive-sequence calculator，PSC）。该结构能够在谐波畸变、电网电压不平衡、传感器引入的直流偏置误差以及频率变化条件下提供精确且稳定的同步。所提出的控制方法在非线性负载、不平衡负载、传感器引入的直流偏置故障以及电网频率变化条件下进行了性能测试。结果表明，基于FAH-PLL的方法能够有效抑制谐波分量，显著改善电能质量，并将总谐波畸变率（total harmonic distortion，THD）降低至IEEE 519-2022标准规定的限值以下。上述结果证实，所提方法在扰动性电网条件与测量误差下，为SAPF应用提供了一种有效、稳定且可靠的解决方案。
在现代电力系统中，基于电力电子变换器的装置与非线性负载的广泛接入，导致谐波畸变和电能质量问题日益加剧。特别是，电压与电流测量环节中出现的直流偏置（DC-offset）误差会严重削弱基于锁相环（PLL）的同步算法性能，使并联有源电力滤波器（SAPF）生成错误的参考补偿电流，进而降低谐波抑制能力。传统的基于dq坐标系（dq-axis）的SAPF控制方法在电网谐波、负载不平衡以及传感器直流偏置误差等非理想条件下难以维持良好性能。为此，研究人员提出了一种基于频率自适应混合锁相环（FAH-PLL）的改进dq控制方法，用于三相SAPF应用。该方法通过FAH-PLL精确获取电网频率与相位角，并利用频率自适应混合（FAH）滤波结构分离dq轴基波电流分量。FAH-PLL融合了二阶广义积分器（SOGI）、全通滤波器（APF）和正序计算器（PSC），从而在谐波畸变、电网电压不平衡、传感器直流偏置误差及频率波动条件下提供准确稳定的同步信号。研究人员在非线性负载、不平衡负载、传感器直流偏置故障及电网频率变化等多种工况下对所提方法进行了验证。结果表明，基于FAH-PLL的方法能有效抑制谐波分量，显著改善电能质量，并将总谐波畸变率（THD）降至IEEE 519-2022标准规定的限值以下。该研究证实了所提方法在恶劣电网条件和测量故障下为SAPF应用提供了一种有效、稳定且可靠的解决方案，论文发表于《IEEE Transactions on Affective Computing》。
研究人员围绕SAPF谐波补偿性能受电网畸变与传感器直流偏置误差影响的问题，设计了基于FAH-PLL的完整控制架构。关键技术方法包括：第一，FAH-PLL同步单元，由两个SOGI、两个APF和PSC构成，替代传统DSOGI-PLL中的积分环节，使正交信号生成路径具有带通特性，从而消除直流偏置；第二，频率自适应FAH滤波结构，用于从负载电流中提取基波正序分量，其中心频率由FAH-PLL估计的角频率实时调整；第三，基于dq同步参考坐标系的参考电流生成方法，通过Clarke变换、Park变换、直流母线电压PI调节以及SPWM调制产生SAPF开关信号。实验平台基于TMS320F28335数字信号处理器（DSP），电网线电压400V，基频50Hz，开关频率10kHz。
在理想电网电压、非线性负载与DC-offset条件下的SAPF性能：研究人员将三相二极管整流器作为非线性负载接入PCC，并在t=0.30s投入SAPF，于t=0.34s向电压和电流测量信号注入直流偏置。结果显示，负载电流THD约为11.86%，而补偿后电网电流THD分别为2.82%、2.63%和2.65%，均低于IEEE 519-2022标准5%的限值，证明该方法在传感器误差和谐波负载下仍能保持可靠同步与高补偿性能。
在谐波畸变电网电压、非线性负载与DC-offset条件下的SAPF性能：研究人员在保持场景一条件的基础上，额外向电网电压注入THD约为6.40%的谐波分量。此时三相负载电流THD分别为11.66%、15.38%和10.54%，而投入SAPF后电网电流THD降至2.63%、2.89%和2.99%。这表明即使在电网电压畸变和直流偏置同时存在时，所提FAH-PLL控制方法依然能有效抑制谐波。
在谐波畸变电网电压、不平衡非线性负载与DC-offset条件下的SAPF性能：研究人员进一步在场景二基础上接入不平衡负载，使三相负载电流THD分别达到10.56%、12.42%和7.66%，并出现相位电流不平衡。SAPF投入后，电网电流恢复平衡且接近正弦，三相THD分别为2.69%、3.16%和3.01%。该场景验证了所提方法在谐波畸变、负载不平衡与传感器直流偏置三重恶劣条件下的鲁棒性。
讨论部分指出，FAH-PLL结构利用APF代替传统积分器生成正交信号，使得所有滤波输出均具有带通特性，从而彻底消除了直流偏置对同步精度的影响，同时增强了对谐波的抑制能力。FAH滤波器的频率自适应机制能够随电网频率变化调整中心频率，保证基波分量提取的准确性。dq参考电流生成策略结合直流母线电压PI控制，使SAPF在复杂工况下保持功率平衡并稳定输出补偿电流。三个场景的实验结果一致表明，直流偏置误差未对同步和补偿性能产生负面影响，电网电流THD始终低于5%限值。
研究结论部分可翻译为：本文提出了一种基于FAH-PLL的鲁棒SAPF控制技术，旨在改善畸变电网电压、非线性与不平衡负载以及传感器直流偏置扰动下的电能质量。所提出的控制架构利用FAH-PLL估计的频率和相位角对FAH滤波器进行频率自适应，从而准确分离负载电流的基波分量。因此，即使在谐波畸变和传感器直流偏置故障下，参考补偿电流仍能精确生成，确保SAPF稳定运行。该方法在涉及非线性负载、谐波畸变电网电压和直流偏置扰动的三种不同测试场景中进行了评估。负载电流THD最高约为15.38%，电网电压THD约为6.40%，但所提控制方法在所有测试场景中均将电网电流THD保持在5%限值以下。此外，研究观察到直流偏置对同步和补偿性能无不利影响。这些结果验证了所提方法作为实时SAPF应用的一种鲁棒且可靠的替代方案。
