高 昉 魏 昕 楊小磊 宋琳琳

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

引言

電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。有源電力濾波器(APF)作為改善電能質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在日本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用[8]。能有效的控制電力電子裝置的諧波。并聯(lián)型APF的研究主要以理論和實(shí)驗(yàn)為主，涉及到了功率理論的定義、各種諧波電流的檢測(cè)方法、APF的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性分析等。但由于多方面條件的限制，至今未有并聯(lián)型APF的正式產(chǎn)品用于實(shí)際。目前，以高速數(shù)字信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展使得采用模擬量控制的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置正被采用數(shù)字量控制的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置所取代。隨著DSP性價(jià)比的不斷提高，用DSP控制APF已成為當(dāng)今和未來(lái)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新熱點(diǎn)。此外，大功率電力電子技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展使APF的成本也將不斷降低，加之其卓越的濾波性能，在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用前景。

1 有源濾波基本原理

APF的構(gòu)成與基本工作原理如圖1所示。APF由諧波與無(wú)功電流檢測(cè)電路及補(bǔ)償電流發(fā)生電路(包括補(bǔ)償電流控制電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路和主電路)。前者用來(lái)檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波與無(wú)功電流等分量；后者根據(jù)檢測(cè)出來(lái)的諧波與無(wú)功電流等產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。其中補(bǔ)償電流控制電路是補(bǔ)償電流發(fā)生電路的核心環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)根據(jù)補(bǔ)償電流指令信號(hào)，由控制算法計(jì)算得到主電路每相橋臂各功率開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖；隔離與驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)主電路IGBT開關(guān)；主電路用來(lái)產(chǎn)生補(bǔ)償電流。

圖1 并聯(lián)型APF基本工作原理

2 有源電力濾波器的主電路

根據(jù)APF直流側(cè)儲(chǔ)能元件不同，單個(gè)APF主電路分為電壓型和電流型[8]：本文的研究對(duì)象就是單獨(dú)使用的三相并聯(lián)電壓型APF，既用于補(bǔ)償諧波也用于補(bǔ)償無(wú)功功率。

圖2 電壓型APF主電路

圖2所示的電壓型APF直流側(cè)接有大電容，正常工作時(shí)其電壓基本不變，可看作電壓源，但為保持直流側(cè)電壓不變，需對(duì)該電壓進(jìn)行控制；電壓型APF交流側(cè)輸出電壓為PWM方波。電壓型APF效率高，初期投資少，可任意并聯(lián)擴(kuò)容，易于單機(jī)小型化，適用于電網(wǎng)級(jí)諧波補(bǔ)償。

3 諧波電流檢測(cè)原理

APF進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵在于準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流，為了消除負(fù)載產(chǎn)生的諧波及補(bǔ)償消耗的無(wú)功，需要對(duì)負(fù)載中的諧波成分進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。d-q法是目前實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波和無(wú)功的主要方法，簡(jiǎn)化了對(duì)稱無(wú)畸變情況下的電流增量檢測(cè)，并且適用于不對(duì)稱有畸變情況下的電流增量檢測(cè)[2]。瞬時(shí)三相電流或電壓變換到d-q坐標(biāo)上為：

d-q檢測(cè)法的原理如圖3所示，d軸電流直流分量 與負(fù)載基波有功功率相對(duì)應(yīng)，q軸電流直流分量 與負(fù)載基波相位移的無(wú)功功率相對(duì)應(yīng)，d軸電流交流分量 和q軸電流交流分量 分別與高次諧波的有功功率和無(wú)功功率相對(duì)應(yīng)，故 id和iq經(jīng)LPF后即得到與基波對(duì)應(yīng)的有功分量和無(wú)功分量。o軸分量與負(fù)載基波不對(duì)稱相對(duì)應(yīng)。d-q變換計(jì)算諧波的原理如下圖所示：

基于d-q坐標(biāo)系下的檢測(cè)方法消除電壓諧波和不對(duì)稱電壓的影響能力強(qiáng)，檢測(cè)實(shí)時(shí)性好，與ip-iq法相比，其優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單，利于數(shù)字化電路的實(shí)現(xiàn)，是普遍采用的一種方法[15]。

4 諧波檢測(cè)電路及濾波器仿真

圖3 d-q檢測(cè)法原理

4.1 畸變電壓波形d-q檢測(cè)法仿真

圖4 含諧波的電源電壓

圖5 電源含諧波情況下三種檢測(cè)方法分離出到的基波電流

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)電源電壓有畸變時(shí)，ip-iq法和d-q法的檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響。

4.2 滯環(huán)電流控制方法的仿真

三角波比較控制方法跟蹤誤差大、補(bǔ)償響應(yīng)速度也較慢，控制效果不理想，本文采用滯環(huán)電流控制方法，模型如圖6所示。滯環(huán)的寬度H設(shè)置為-1和1。另外，延遲單元是為了消除仿真過(guò)程中可能出現(xiàn)的代數(shù)環(huán)問(wèn)題而設(shè)置的[30]，其延遲時(shí)間只需設(shè)置為一很小的值。

圖6 滯環(huán)比較控制模塊子系統(tǒng)仿真框圖

仿真算法選取ode23tb，時(shí)間設(shè)定為0.1s時(shí)，仿真結(jié)果如圖7所示：

圖7 滯環(huán)電流控制方法仿真輸出波形

從圖中可以看出，滯環(huán)電流控制方法控制的APF補(bǔ)償效果良好，具有較小的跟蹤誤差且補(bǔ)償量響應(yīng)速度也較快。

4.3 有源電力濾波器系統(tǒng)的仿真

對(duì)整個(gè)有源電力濾波器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，建立系統(tǒng)模型如圖6。諧波源的觸發(fā)角設(shè)為60度，采用如前所述的d-q檢測(cè)法和滯環(huán)比較控制，仿真參數(shù)不變，進(jìn)行仿真，最后使用FFT進(jìn)行諧波含量分析。仿真結(jié)果如圖9與圖10。

從圖中可看出，在本文所設(shè)計(jì)的有源濾波器的補(bǔ)償作用下，電源電流的THD值由14.88%下降到0.71%，很好的實(shí)現(xiàn)了濾波效果。

圖9 補(bǔ)償前，電源電流的頻率分析圖

圖10 補(bǔ)償后，電源電流的頻率分析圖

結(jié)論。通過(guò)仿真研究，p-q檢測(cè)法能夠準(zhǔn)確地、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出三相電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波，適應(yīng)三相對(duì)稱無(wú)畸變電網(wǎng)和三相對(duì)稱有畸變電網(wǎng)等不同場(chǎng)合。滯環(huán)電流控制其方法簡(jiǎn)單，控制速度快，都能夠控制APF實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。通過(guò)仿真前后諧波頻譜分析，驗(yàn)證了本文提出的諧波補(bǔ)償方法具有很好性能。

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