張少如，張云清，王平軍，張瑞葉

（河北師范大學 物理科學與信息工程學院，河北 石家莊 050024）

0 引言

近年來，由電網(wǎng)諧波引起的電能質(zhì)量問題日益受到重視，采用有源電力濾波器（APF）已成為諧波補償?shù)囊环N重要趨勢.有源電力濾波器分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種.并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理是從補償對象中檢測出諧波及無功電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該電流大小相等，極性相反的補償電流與其相抵消，使電網(wǎng)電流中只含有基波有功電流.顯然，諧波及無功電流的正確檢測是決定APF補償效果的重要環(huán)節(jié).

目前，諧波及無功電流的檢測方法有很多種，如基于Fryze功率定義的檢測方法、基于頻域分析的FFT檢測方法、自適應(yīng)檢測法[1]、基于瞬時無功功率理論的畸變電流瞬時檢測法等[2]，此外還有基于小波變換的時變諧波檢測法[3]、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法[4]等.其中最為成功的是基于三相電路瞬時無功功率理論的一系列檢測算法[5-6]，如p-q法、 -和d-q法[7-9].然而，目前使用的檢測方法大都利用坐標變換及其反變換得到諧波及無功電流，致使APF的控制電路復雜[10-12].

為改進以上方法的不足，本文在瞬時無功功率理論的基礎(chǔ)上，提出了一種新的諧波及無功電流檢測方法.該方法在電網(wǎng)電壓為正弦波的前提下，利用瞬時無功功率理論直接計算基波正序電流分量，不需要經(jīng)過坐標變換，因此檢測過程更簡潔、使用更方便，控制電路簡單可靠；和傳統(tǒng)的檢測方法相比，新的檢測方法不使用低通濾波器，因此不存在由低通濾波器帶來的相位滯后，故提高了補償?shù)膶崟r性能.仿真試驗證明了該檢測方法的有效性.

1 并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理

并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理如圖1所示.圖中L為濾波電感，C為APF直流側(cè)儲能元件.其基本工作原理是，檢測負載電流 中的諧波及無功分量作為APF的指令電流，控制APF的輸出電流 使之與諧波電流大小相等、極性相反，便可消除交流側(cè)的諧波電流，使得電網(wǎng)電流 為正弦波并與電網(wǎng)電壓 的基波正序分量同步.即，電網(wǎng)只提供三相平衡的基波正序有功電流.由此可見，只有正確地檢測出諧波及無功電流才能很好地控制APF的輸出電流，因此諧波及無功電流的正確檢測是APF補償?shù)年P(guān)鍵.

圖1 有源濾波器的基本工作原理Fig.1 Basic principleof APF

2 檢測原理

在三相負載電流不對稱且含有畸變的情況下，由對稱分量法可將負載電流表示為

公共電網(wǎng)電壓的畸變率往往很低，因此研究中假定電網(wǎng)電壓為三相對稱正弦電壓，且可由下式表示

則由并聯(lián)型APF的工作原理可知，補償后的電網(wǎng)電流應(yīng)具有式(3)的形式，即式(1)中的基波正序分量

由瞬時無功功率理論可知，負載消耗的有功在一個周期內(nèi)的平均值為

將式 (1)代入式 (4)得負載消耗的基波有功和各次諧波的有功之和

式中：

式 (7)中各項是由周期正弦函數(shù)的正交定理得到的.

將式 (6)、式 (7)代入式 (5)得

由式 (4)和式 (8)可得每相電網(wǎng)電流幅值為

至此，電網(wǎng)電流便可由式 (3)確定下來.

又由圖1可得，并聯(lián)APF向電網(wǎng)注入的補償電流(即諧波及無功電流)可由負載電流減去電網(wǎng)電流得到

3 實現(xiàn)方法

圖2給出了新的檢測方法的原理框圖.圖中，PLL是鎖相環(huán)，DI代表通過定積分求負載消耗的有功在一個周期內(nèi)的平均值.電網(wǎng)電流的幅值I由式 (9)經(jīng)計算得到.幅值為1的正弦電壓與電網(wǎng)電流幅值相乘即得到補償后的電網(wǎng)電流 .APF的指令電流 由 (10)式得到，指令電流信號經(jīng)滯環(huán)電流控制器得到三相橋臂的開關(guān)信號.

通過以上分析，可看出新的諧波及無功電流檢測方法基于瞬時無功功率理論直接計算基波正序電流，且不需要低通濾波器，所以該方法思路清楚，硬件簡單，調(diào)整方便，實時性強.只要用加法器、積分器、乘法器和除法器就能檢測出無功電流和諧波電流之和.而乘法和除法利用數(shù)字信號處理器DSP便可以快速求出.

圖2 新的檢測方法的原理框圖Fig.2 The schematic diagram of proposed detectionmethod

4 仿真分析

為了驗證上述檢測方法的正確性與有效性，根據(jù)圖2，利用Matlab中的Simulink工具箱構(gòu)建仿真系統(tǒng)框圖，并進行仿真試驗.電網(wǎng)電壓如下

圖3～圖6為三相電網(wǎng)電壓對稱時的仿真結(jié)果.圖3為三相電網(wǎng)電壓波形；圖4為畸變的三相負載電流波形；圖5為 APF輸出的補償電流；圖6為補償后三相電網(wǎng)電流波形，可以看出電網(wǎng)只輸出與電網(wǎng)電壓同步的正序電流.可見，新的檢測方法收到了很好的補償效果.

圖3 三相電網(wǎng)電壓波形Fig.3 Waveformsof three-phasesource voltages

5 結(jié)論

諧波及無功電流的正確檢測決定了APF的補償性能.本文針對傳統(tǒng)檢測方法存在的不足，提出了一種新的諧波及無功電流檢測方法.該方法在電網(wǎng)電壓為正弦波的前提下，從補償?shù)哪康某霭l(fā)，基于瞬時無功功率理論直接求出基波正序電流分量.由于該檢測法在三相坐標系中計算諧波及無功電流，不需經(jīng)過坐標變換，因此APF的控制電路簡單；并且新的檢測方法克服了傳統(tǒng)檢測法中由于低通濾波器帶來的相位滯后，增強了補償?shù)膶崟r性.利用Matlab所做的仿真表明，新的檢測方法具有很好的補償性能.

圖4 三相負載電流波形Fig.4 Waveformsof three-phase load currents

圖5 APF輸出的補償電流Fig.5 Outputcompensation currentsof APF

圖6 補償后三相電網(wǎng)電流波形Fig.6 Waveformsof three-phase source currentsafter compensation

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