姚自立，夏 華，，陸紅學(xué)，李 晟

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山243005 2.中冶華天馬鞍山電力濾波有限公司，安徽 馬鞍山243005 3.安徽省電能質(zhì)量治理省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 馬鞍山243005）

0 引 言

近年來，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用使電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波污染和低功率因數(shù)問題日益嚴(yán)重，極大地影響了供電質(zhì)量。因此，對電網(wǎng)諧波采取有效抑制并對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中一個(gè)重要課題。并聯(lián)型有源濾波器（APF）作為電能質(zhì)量治理的一個(gè)分支，它不僅能抑制諧波，還可實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，因此并聯(lián)型APF得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。APF的濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響，不會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會影響治理效果。APF根據(jù)需求的不同，設(shè)計(jì)不同的諧波補(bǔ)償功能，在某些情況下，APF需要濾除特定次的諧波分量或特定組的諧波分量。APF通過恰當(dāng)?shù)目刂疲梢赃x擇性的濾除特定次或特定組的諧波電流，稱為選擇性APF。用戶對負(fù)荷的諧波治理，就是使公共連接點(diǎn)處的總諧波畸變率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值要求，各單次諧波占有率也不超過允許的最大限值，而不需要濾除負(fù)荷的全部諧波。用戶在進(jìn)行諧波治理時(shí)可首先分析負(fù)荷的諧波，根據(jù)負(fù)荷的諧波特性和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，綜合考慮，確定負(fù)荷的哪些次數(shù)諧波需要濾除，最后采用選擇性APF濾除這些次數(shù)的諧波。本文主要研究的是選擇性APF對負(fù)荷為12脈波整流器的電能質(zhì)量治理，選擇性APF對其它類型負(fù)荷的電能質(zhì)量治理與之類似。

1 12脈波整流器及其電能質(zhì)量治理簡介

12脈波整流器由一個(gè)整流變壓器和兩個(gè)三相橋式電路構(gòu)成，整流變壓器為三繞組變壓器，兩個(gè)三相橋式電路對稱，并分別與整流變壓器的兩個(gè)低壓繞組連接。12脈波整流器通過兩個(gè)6脈波三相橋式電路的組合，可以實(shí)現(xiàn)12脈動(dòng)的效果。12脈波整流器可采用在整流變壓器低壓側(cè)或高壓側(cè)并聯(lián)APF進(jìn)行電能質(zhì)量治理。目前常見的APF是低壓APF，低壓側(cè)電能質(zhì)量治理可直接連接低壓APF在12脈波整流器的低壓側(cè)，高壓側(cè)電能質(zhì)量治理要通過變壓器將低壓APF連接在12脈波整流器的高壓側(cè)。低壓側(cè)電能質(zhì)量治理直接在低壓側(cè)抑制諧波電流和補(bǔ)償無功功率，可減小整流變壓器的損耗，增大整流變壓器的輸出效率。而高壓側(cè)電能質(zhì)量治理不僅對整流變壓器沒有改善，還需要變壓器，所以就經(jīng)濟(jì)成本而言，低壓側(cè)電能質(zhì)量治理較為合理。

本文采用低壓側(cè)電能質(zhì)量治理，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，12脈波整流器的兩個(gè)三相橋式電路各對稱并聯(lián)一個(gè)APF。為了降低成本，提高APF的性價(jià)比，每個(gè)APF還并聯(lián)一組投切電容器，補(bǔ)償負(fù)荷的無功功率。如圖2所示，APF采用三單相橋結(jié)構(gòu)。

圖1 12脈波整流器電能質(zhì)量冶理的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 三單相橋型有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu)圖

APF對12脈波整流器的電能質(zhì)量治理，主要是對12脈波整流器進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波治理。其無功補(bǔ)償比較容易實(shí)現(xiàn)，而諧波治理比較復(fù)雜，本文著重研究負(fù)荷的諧波治理。12脈波整流器的低壓側(cè)為兩個(gè)對稱三相橋式整流電路，其低壓側(cè)諧波主要為5次、7次、11次、13次、17次和19次等，其中5次、7次、11次和13次諧波較大。兩個(gè)對稱三相橋式整流電路產(chǎn)生的5次、7次諧波電流在整流變壓器一次繞組內(nèi)迭加，使5次、7次諧波電流相互抵消，故高壓側(cè)諧波主要為11次、13次、17次和19次等，其中11次與13次諧波較大?；?2脈波整流器的這種諧波特性，選擇性APF對12脈波整流器在低壓側(cè)的諧波治理采用濾除負(fù)荷較大的諧波，又因?yàn)?次和7次諧波在高壓側(cè)相互抵消，所以低壓側(cè)只需要濾除11次和13次諧波，而不需濾除5次和7次諧波。采用這種選擇性APF治理12脈波整流器的諧波，可使所需的APF容量最小，成本最低，并且治理后公共連接點(diǎn)處的總諧波畸變率和各次諧波占有率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。同時(shí)，選擇性APF還進(jìn)行無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

2 有源濾波器諧波及無功電流的檢測方法

APF需要對諧波和無功進(jìn)行快速的跟蹤補(bǔ)償，為保證APF補(bǔ)償電流的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)跟蹤，諧波和無功電流的瞬時(shí)檢測技術(shù)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了更加準(zhǔn)確、迅速地檢測出電網(wǎng)中瞬時(shí)變化的諧波和無功電流，人們提出了各種檢測方法。本文采用基于瞬時(shí)功率理論的諧波電流檢測方法，這種檢測方法具有受電源頻率變化的影響最小、檢測精度高和實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1 APF的基波和諧波電流正序分量檢測

2.1.1 基波電流正序分量檢測

（1）基波電流正序分量的par k變換

如圖3所示，將三相電壓ua、ub和uc通過鎖相環(huán)（PLL），得到與電壓同步的信號ωt，從而得到sinωt和cosωt，基波正序分量的par k變換矩陣T1＋為：

其中

如圖3所示，三相負(fù)荷電流為iLa、iLb和iLc，對三相負(fù)荷電流進(jìn)行基波電流正序分量的par k變換得到：

設(shè)置低通濾波器（LPF）對iq＋進(jìn)行低通濾波，提取iq＋的直流量為。

圖3 基波、11次和13次諧波電源正序分量檢測原理圖

（2）基波正序有功電流

APF必須從電力系統(tǒng)中連續(xù)地汲取少量的有功功率，來供給APF的開關(guān)損耗和阻性損耗。否則，這個(gè)能量將會由直流電容器來提供，使其連續(xù)地放電。為了保持直流電壓恒定，增加一個(gè)直流電壓調(diào)節(jié)器，使APF的損耗所需能量從電力系統(tǒng)中汲取。如圖3所示，在直流電壓調(diào)節(jié)器中，設(shè)u＊d為直流電壓的給定值，udi為某一個(gè)H橋的直流側(cè)電容電壓，將直流電壓的給定值u＊d與APF三相直流側(cè)電容電壓之和的平均值相減，其差值進(jìn)行PID調(diào)節(jié)控制，輸出量△id作為APF從電網(wǎng)吸收的基波正序有功電流，維持各電容電壓之和為定值。

（3）基波正序分量的par k反變換

2.1.2 11次諧波電流正序分量檢測

11次諧波電流正序分量的par k變換，如圖3所示，對三相負(fù)荷電流進(jìn)行11次諧波電流正序分量的par k變換得到：

如圖3所示，LPF對id11＋和iq11＋進(jìn)行低通濾波，對濾波后得到的進(jìn)行11次諧波電流正序分量的park反變換可得：

2.1.3 13次諧波電流正序分量檢測

13次諧波電流正序分量檢測與11次諧波正序分量檢測類似，如圖3所示。13次諧波電流正序分量的par k變換得到：

13次諧波電流正序分量的par k反變換得到：

2.2 有源濾波器的諧波電流負(fù)序分量檢測

為了完全補(bǔ)償，還必須測量正序分量對應(yīng)頻率的負(fù)序分量，這樣就完成了各個(gè)不合需要的諧波分量的計(jì)算，即基波與諧波的正序分量和負(fù)序分量的計(jì)算，為選擇性APF的實(shí)現(xiàn)作好了準(zhǔn)備。

2.2.1 基波電流負(fù)序分量檢測

基波電流負(fù)序分量的park變換，如圖4所示。

圖4 基波、11次和13次諧波電源負(fù)序分量檢測原理圖

對三相負(fù)荷電流進(jìn)行基波電流負(fù)序分量的par k變換得到：

LPF對id1－和iq1－進(jìn)行低通濾波，對濾波后得到的和進(jìn)行基波電流負(fù)序分量的par k反變換得到：

2.2.2 11次諧波電流負(fù)序分量檢測

11次諧波電流負(fù)序分量檢測與基波負(fù)序分量檢測類似，如圖4所示，11次諧波電流負(fù)序分量的par k變換得到：

11次諧波電流負(fù)序分量的par k反變換得到：

2.2.3 13次諧波電流負(fù)序分量檢測

13次諧波電流負(fù)序分量檢測與11次諧波電流負(fù)序分量檢測類似，如圖4所示。13次諧波電流負(fù)序分量的par k變換得到：

13次諧波電流負(fù)序分量的par k反變換得到：

2.3 有源濾波器的參考電流計(jì)算

設(shè)ic＊a、ic＊b和ic＊c為有源濾波器的參考電流，根據(jù)圖3和圖4所示，參考電流計(jì)算得到：

3 有源濾波器的控制

3.1 H橋單元電容電壓的均衡控制

APF各H橋的開關(guān)損耗、參數(shù)的分散性和開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖延遲等的不同會引起電容電壓的不均衡，這些不均衡電容電壓會導(dǎo)致H橋功率開關(guān)承受的電壓不一致，威脅APF的安全運(yùn)行。本文采用調(diào)節(jié)各H橋單元等效損耗的方法對電容電壓進(jìn)行均衡控制，具體方法是在直流支撐電容兩端并聯(lián)一個(gè)由放電功率開關(guān)和放電電阻串聯(lián)組成的電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，通過PWM調(diào)制策略控制放電功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，調(diào)節(jié)并聯(lián)于電容兩端的等效電阻值，實(shí)現(xiàn)各H橋單元電容電壓的均衡控制。這種方法等效于調(diào)節(jié)該H橋的并聯(lián)損耗，實(shí)現(xiàn)過程簡單。

3.2 有源濾波器的電流跟蹤控制

APF的控制策略，可歸結(jié)為在參考電流己知的情況下，如何控制主電路逆變器橋臂的狀態(tài)，使APF的電流能跟隨參考電流的變化。控制策略可分為滯環(huán)比較控制、三角波比較控制、無差拍控制等。APF電流跟蹤控制的原理圖如圖5所示，以APF的A相為例，采用滯環(huán)比較的控制方式。在該方式中，參考的補(bǔ)償電流i＊ca與實(shí)際的補(bǔ)償電流ica進(jìn)行比較，兩者之差△ica作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM信號。該P(yáng)WM信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來控制開關(guān)的通斷，從而控制補(bǔ)償電流ica的變化。電流滯環(huán)比較調(diào)制法是目前應(yīng)用得非常廣泛的一種電流控制方法。該方法的硬件電路簡單、易實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，控制精度高；但開關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度易受滯環(huán)帶寬的影響，帶寬固定時(shí)又易引發(fā)較大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪聲。

圖5 有源濾波器的滯環(huán)比較控制原理圖

4 仿真與分析

APF對12脈波整流器進(jìn)行電能質(zhì)量治理，兩個(gè)相同的APF對稱連接在整流變壓器的兩個(gè)低壓側(cè)，采用Si mulink軟件進(jìn)行仿真。12脈波整流器的低壓側(cè)負(fù)荷電流圖如圖6所示。由低壓側(cè)負(fù)荷電流FFT分析圖（圖6（b））可知，負(fù)荷電流的諧波總畸變率為23.40%，其中5次、7次、11次和13次的諧波含有率大，需要進(jìn)行諧波治理。

圖6 12脈波整流器的低壓側(cè)負(fù)荷電流圖

APF對負(fù)荷進(jìn)行選擇性濾波，在低壓側(cè)選擇性濾除11次和13次諧波并補(bǔ)償無功，低壓側(cè)治理后的電流圖如圖7所示。根據(jù)低壓側(cè)治理后的電流FFT分析圖（圖7（b））可知，11次和13次被抑制，它們的諧波含有率不超過0.5%，而5次和7次的諧波含有率與治理前的基本相同。

圖7 12脈波整流器低壓側(cè)治理后的電流圖

APF對12脈波整流器的電能質(zhì)量治理后，整流變壓器高壓側(cè)電流如圖8所示。根據(jù)治理后高壓側(cè)電流FFT分析圖（圖8（b））可知，電流的總諧波畸變率為1.38%，11次和13次的諧波含有率不超過0.54%，23次和25次的諧波含有率不超過0.74%，5次和7次諧波含有率不超過0.4%。電流的總諧波畸變率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各次諧波含有率也不超過限值。

圖8 12脈波整流器治理后高壓側(cè)電流圖

治理后整流變壓器的高壓側(cè)電壓如圖9所示。根據(jù)治理后高壓側(cè)的電壓FFT分析圖（圖9（b））可知，電壓的總諧波畸變率為0.94%，11次和13次的諧波含有率大約為0.05%，23次和25次的諧波含有率大約為0.13%，5次和7次諧波含有率不超過0.02%。電壓的總諧波畸變率滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各次諧波含有率也不超過限值。

APF選擇性濾除12脈波整流器的11次和13次諧波并補(bǔ)償無功，根據(jù)上面仿真結(jié)果的分析可知，治理后的諧波電壓和諧波電流在PCC處滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值，選擇性APF可對12脈波整流器能進(jìn)行有效的電能質(zhì)量治理。

圖9 12脈波整流器治理后的高壓側(cè)電壓圖

5 總 結(jié)

選擇性APF對12脈波整流器進(jìn)行電能質(zhì)量治理，采用瞬時(shí)功率理論檢測無功和諧波電流，補(bǔ)償負(fù)荷無功并有選擇濾除負(fù)荷11次和13次諧波電流。APF的控制策略采用滯環(huán)比較的電流跟蹤控制，H橋電容電壓的均衡控制采用調(diào)節(jié)各H橋單元等效損耗的方法來實(shí)現(xiàn)。為了給APF自身的損耗提供能量，采用PID控制電容電壓。根據(jù)APF對負(fù)荷的電能質(zhì)量治理仿真結(jié)果分析可知，APF治理后負(fù)荷的諧波和無功滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種有選擇濾除諧波電流和補(bǔ)償無功的控制方法，減小了APF的容量，降低了濾波裝置的成本，提高了APF的性價(jià)比。

［1］ 羅 安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［2］ 徐 政.瞬時(shí)功率理論及其在電力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 張銘杰，馬成斌.新型單H橋型有源濾波器的研究［J］.上海電氣技術(shù)，2006，（4）：34－37.

［4］ 徐 君，徐德鴻.并聯(lián)有源濾波器非理想條件電流滯環(huán)控制分析［M］.電力電子技術(shù)，2007，（1）：60－63.