【摘 要】我國低壓配電系統(tǒng)主要采用三相四線制方式，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、辦公及民用供電。近年來，在低壓系統(tǒng)中的用電負(fù)荷使用大量增加，并且其中大多數(shù)為單相非線性負(fù)荷，由此帶來的諧波及不平衡問題日益得到關(guān)注。本文以三相四線制為背景，研究了基于四橋臂結(jié)構(gòu)的并聯(lián)混合型有源電力濾波器。在分析了諧波治理的常用方法基礎(chǔ)上，結(jié)合空間矢量調(diào)制方法提出了基于空間三維SVPWM方法的并聯(lián)混合型APF諧波治理方法。并對該方法進(jìn)行了準(zhǔn)確的仿真研究，通過對仿真結(jié)果的分析，能夠非常直觀的得出此方法能有效降低三相四線制系統(tǒng)中的諧波含量的結(jié)論。同時該混合型APF系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】三相四線制 四橋臂 混合型有源電力濾波器 三維空間矢量調(diào)制

一、前言

在低壓電力系統(tǒng)中是采取三相四線制的供電模式在我國現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用的最為廣泛，考慮到低壓系統(tǒng)中存在數(shù)量巨大的如：計算機(jī)（PC）、電視機(jī)（TV）、照明設(shè)備以及加熱設(shè)備等用電裝置，上述設(shè)備雖然個體功率很小，但是由于數(shù)量龐大，其中單相非線性負(fù)荷占據(jù)了主要部分，此時上述負(fù)荷對電網(wǎng)造成的諧波污染以及三相不平衡狀態(tài)的影響愈發(fā)凸顯。日本電氣學(xué)會（Nec society）曾經(jīng)發(fā)表了一份關(guān)于日版電力系統(tǒng)中各類諧波源的統(tǒng)計分析報告，并在其中指出公司辦公設(shè)備、日常家用電器所造成的電力諧波污染占據(jù)了整個大系統(tǒng)諧波污染源的25%以上，上述諧波源正在日益成為諧波干擾的主要來源。統(tǒng)計報告中還指出：對于低壓系統(tǒng)而言，其每天19點-22點時間段內(nèi)的整個電力系統(tǒng)電網(wǎng)中電流波的形畸情況變得最為嚴(yán)重，此時abc三相之間存在著極為嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象，相應(yīng)的上述時段為居民小功率用電最高的時段。所以研究三相四線制系統(tǒng)中諧波和三相不平衡問題有著重要意義[1-2]。

二、諧波治理的常用方法

目前對于電力諧波的治理大體上有兩個方向：主動治理及被動治理。主動治理方式作為一種積極主動的諧波治理方法，是從諧波源的本體出發(fā)，直接從根源上使諧波源不產(chǎn)生諧波輸出；被動治理即外加裝置來抑制諧波。至于采用哪種途徑，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益來決定。另外，對已經(jīng)在運行的裝置只能通過加裝濾波器來實現(xiàn)。目前應(yīng)用最多的是被動治理，主要有無源濾波和有源濾波兩種方法[5-6]。

無源濾波技術(shù)是一種傳統(tǒng)的抑制諧波的方法，采取LC調(diào)諧的方式進(jìn)行諧波濾除。LC濾波器在結(jié)構(gòu)上包括電抗器、電容器等，其利用電路的諧振原理來實現(xiàn)濾波功能。該方法的缺點在于其補(bǔ)償特性受運行狀態(tài)以及電網(wǎng)阻抗的影響，此外其極易與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振抖動，甚至使得LC 濾波器過載甚至燒毀。此外，其僅能補(bǔ)償固定頻率的諧波，且補(bǔ)償?shù)男Ч膊皇呛芾硐?。為了解決無源濾波器的局限性，有源濾波技術(shù)作為一種新型的濾波技術(shù)逐漸發(fā)展起來。有源濾波技術(shù)即采用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）來進(jìn)行諧波抑制，APF作為一種動態(tài)諧波補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮釉O(shè)備，其可以對幅值和頻率均發(fā)生變化的無功和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，上述特性有效地彌補(bǔ)了無源濾波器的諸多缺點，從而獲得比無源濾波器更加優(yōu)異的補(bǔ)償特性，是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置。混合濾波技術(shù)（HPF）是一種綜合了有源濾波技術(shù)（APF）和無源濾波技術(shù)（PF）的新型電網(wǎng)濾波技術(shù)，該技術(shù)充分發(fā)揮了兩種濾波技術(shù)的補(bǔ)償優(yōu)勢，其中無源濾波器（PF）主要功能為濾除諧波源中的某些含量較高的特征次諧波（5次、7次等），而有源濾波器（APF）主要用來提高整個電力系統(tǒng)的總體補(bǔ)償?shù)男Ч?，其可以對各個諧波次數(shù)的諧波分量進(jìn)行濾除與補(bǔ)償。混合型有源電力濾波技術(shù)（HPF）作為一種優(yōu)秀的諧波濾波方式，該技術(shù)可以降低電力系統(tǒng)對于有源濾波裝置的容量需求，有效地降低了有源濾波器的投入成本與系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時混合型有源電力濾波技術(shù)（HPF）可以補(bǔ)償無源濾波系統(tǒng)（PF）存在的隨溫度變化的參數(shù)漂移問題以及避免電網(wǎng)發(fā)生諧振危害等。

三、 三維空間矢量基本原理

本文所采用的并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中有源電力濾波器的主電路采取四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖

空間矢量脈寬調(diào)制（Space vector pulse width modulation，SVPWM）策略與傳統(tǒng)的SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）相比，具有直流電壓利用率高、電流畸變率小等優(yōu)點，并且非常適合數(shù)字化實現(xiàn)和實時控制。目前SVPWM已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于交流傳動領(lǐng)域，并逐步擴(kuò)展到其他電力電子領(lǐng)域。通常所說的SVPWM是一種在二維平面（2D）上的電壓調(diào)制技術(shù)，即傳統(tǒng)的電壓空間矢量調(diào)制。二維空間矢量（2D）調(diào)制來源于交流電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中的圓形磁通的基本概念之中，其控制目標(biāo)位為得到一個圓形的電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁鏈。SVPWM采取的是基于空間旋轉(zhuǎn)矢量的等效原理，將所需要的三相交流量轉(zhuǎn)換成空間旋轉(zhuǎn)的矢量，再用有限的幾個靜止矢量去合成所需的空間旋轉(zhuǎn)矢量。

圖2 三維空間矢量分布圖

傳統(tǒng)的二維空間矢量調(diào)制只適用于三橋臂結(jié)構(gòu)的變流器，對于四橋臂結(jié)構(gòu)的變流器并不能直接使用。在四橋臂變流器中，因為帶了不平衡負(fù)載，所以四橋臂變流器的空間矢量軌跡運行于一個三維空間（3D）之內(nèi)，上述特性使得系統(tǒng)可以模仿二維空間矢量（2D）的調(diào)制原理，即在三維空間（3D）內(nèi)采用幾個靜止的電壓矢量來合成出所期望的指令電壓。指令電壓也從二維空間變到了三維空間的軌跡。三維SVPWM中包含有16種狀態(tài)不同的開關(guān)狀態(tài)，上述開關(guān)狀態(tài)所對應(yīng)的電壓矢量被描述為uα、uβ及u0，可以被確定為16個靜止電壓矢量在α-β-0坐標(biāo)系內(nèi)的相應(yīng)位置，即可以得到四橋臂三維空間矢量分布圖及其在α-β坐標(biāo)系下的投影，如圖2所示，其中x為1或0。

由圖2可以看出，16個開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)16個靜止電壓矢量，其中兩個零矢量（1111、0000），其它的為非零矢量。這些電壓矢量是分布在三維空間里的，構(gòu)成一個六棱柱。根據(jù)電壓矢量在0軸分量u0的大小可以將它們分為7層，u0=0這一層對應(yīng)矢量1111和0000；u0= udc/1.732這一層對應(yīng)矢量1000、0100和0010等。三維空間矢量（3D）在兩相靜止的α-β坐標(biāo)系下的投影和二維空間矢量（2D）一樣，不同點在于其多出了一個橋臂的開關(guān)狀態(tài)，因此為了有效地實現(xiàn)三維電壓空間矢量（3D）調(diào)制要求，通常需要依次執(zhí)行以下幾個步驟：1）判斷參考電壓矢量Uref所在的棱柱對應(yīng)位置；2）判斷Uref所在的四面體對應(yīng)位置；3）計算Uref相鄰矢量的相關(guān)作用時間；4）相鄰矢量的依次作用順序。

四、仿真結(jié)果與分析

據(jù)上述對三維空間矢量調(diào)制的分析，按照三維SVPWM的具體實現(xiàn)步驟，通過MATLAB建立其仿真模型。仿真模型中主要由以下幾個基本模塊組成：1）判斷參考電壓矢量位置模塊；2）相鄰電壓矢量的作用時間計算模塊；3）矢量切換點時間模塊；4）觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊。

使用可編程三相電源，使輸出的參考電壓為基波電壓和一個幅值為基波電壓0.4倍的三次諧波分量。得出負(fù)載的三相電流波形及其中性點波形分別為圖3（a）和（b）所示。由圖3可以看出，調(diào)制前三相輸出電壓的基波分量分別是309.4V、309.7V和309.7V，電壓畸變率分別是40.29%、40.20%和40.20%，畸變很嚴(yán)重，并且伴有三相不平衡現(xiàn)象；由圖3（b） 可以看出中性線電流也很大?？梢娡ㄟ^四橋臂的電流諧波含量都很大，可以作為模擬諧波治理的治理對象。

參照圖1的結(jié)構(gòu)，利用基于三維SVPWM算法的并聯(lián)APF來補(bǔ)償此電網(wǎng)絡(luò)，試圖達(dá)到諧波治理的目的。將此并聯(lián)混合型APF投切到電網(wǎng)中，其負(fù)載電流波形及中性線電流波形如圖4所示。由圖4（a）中可以看出負(fù)載電流的畸變得到了明顯的改善，沒有不平衡現(xiàn)象。由圖4（b） 可以看出中性線電流在0上下小幅波動，與三相電流相比可以忽略不計。根據(jù)上述結(jié)果分析，基于三相SVPWM調(diào)制的并聯(lián)APF有著良好的動態(tài)補(bǔ)償性能，對于諧波和不平衡電流都有很好的補(bǔ)償效果。

五、結(jié)論

本文把注重點放在低壓用電中大量小功率設(shè)備用電造成的諧波污染的治理上。分析了基于四橋臂結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器的空間矢量調(diào)制算法——三維空間矢量調(diào)制及其調(diào)制流程。并使用MATLAB仿真了被治理對象在裝置投切前后的電流諧波的變化狀況，驗證了三維SVPWM調(diào)制算法對于四橋臂結(jié)構(gòu)諧波治理的準(zhǔn)確性和有效性。

圖3負(fù)載電流波形及中性線電流波形

圖4 投入APF后三相電流波形和中

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作者簡介：李珉，男，1968.09出生，陜西漢中人，陜西工學(xué)院電氣技術(shù)專業(yè)，大唐蘇州熱電有限責(zé)任公司，主要從事電氣技術(shù)管理工作