王玲玲，周 賀，陳輝明，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

并聯(lián)混合型有源電力濾波器中無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王玲玲，周 賀，陳輝明，王正仕

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027）

介紹了一種針對(duì)中等功率非線性設(shè)備網(wǎng)側(cè)諧波補(bǔ)償?shù)姆植际讲⒙?lián)混合型有源電力濾波器，并對(duì)其中無(wú)源濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出了一種實(shí)用的無(wú)源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；詳細(xì)分析了無(wú)源濾波器參數(shù)對(duì)有源模塊開(kāi)關(guān)管耐壓、濾波支路電流的影響并推導(dǎo)了時(shí)域解析表達(dá)式；基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)整流性負(fù)載進(jìn)行了濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，在相同有源容量情況下，采用新的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)無(wú)源參數(shù)，濾波器濾波效果明顯改善。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性。

混合型；有源電力濾波器；無(wú)源濾波器；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

電力諧波是工業(yè)現(xiàn)代化的主要副產(chǎn)品之一，日益嚴(yán)重的諧波污染對(duì)配電系統(tǒng)造成了嚴(yán)重危害，因此電力濾波技術(shù)得到了廣泛研究。無(wú)源電力濾波器PPF（passive power filter），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但濾波效果易受系統(tǒng)影響；有源濾波器APF（active power filter）濾波效果好，但設(shè)備本身成本高、可靠性差［1］。目前，濾波主要是針對(duì)系統(tǒng)級(jí)別網(wǎng)絡(luò)，可靠性及可替換性較差，隨著變頻器等大容量電力電子負(fù)載的普及，設(shè)備級(jí)高性能濾波器的研究具有極其重要的意義。

設(shè)備級(jí)電力濾波裝置要求體積容量小、成本低、補(bǔ)償效果好且不會(huì)對(duì)被補(bǔ)償設(shè)備造成嚴(yán)重影響，混合型有源電力濾波器HAPF（hybrid active power filter）有效兼顧了成本和性能，是設(shè)備級(jí)高性能濾波裝置的首選。HAPF的濾波效果及其體積成本在很大程度上依賴(lài)于其中PPF的設(shè)計(jì)［2］。文獻(xiàn)［3-5］提出了幾種不同的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，算法復(fù)雜，且都只是針對(duì)PPF本身進(jìn)行研究，忽略了PPF與APF間的相互影響；文獻(xiàn)［6］針對(duì)HAPF提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)化方法，其優(yōu)化目標(biāo)為減小APF的容量；文獻(xiàn)［7］將針對(duì)PPF的粒子群優(yōu)化算法移植到HAPF的設(shè)計(jì)中。

已有文獻(xiàn)提出的PPF優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，都是將其抽象為規(guī)劃問(wèn)題，再應(yīng)用純計(jì)算機(jī)算法進(jìn)行數(shù)值求解，整個(gè)過(guò)程缺乏對(duì)電氣關(guān)系的定量分析和優(yōu)化，且算法復(fù)雜，缺乏工程實(shí)用性。本文在重點(diǎn)考慮PPF與APF之間相互影響的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了重要電氣參數(shù)關(guān)系的解析表達(dá)式，對(duì)單體設(shè)備級(jí)HAPF中PPF的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

設(shè)備級(jí)濾波器的作用在于濾除設(shè)備本身主要次諧波，結(jié)構(gòu)如圖1所示，選用二極管整流負(fù)載為補(bǔ)償對(duì)象。圖中：us、is為電網(wǎng)電壓、電流，iL為負(fù)載電流，Ls為電網(wǎng)等效電感，ZP為無(wú)源濾波器阻抗，負(fù)載為諧波源。

圖1 并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System configuration of HAPF

HAPF由APF與PPF直接串聯(lián)后并入電網(wǎng)。PPF由用于濾除主要次諧波的單調(diào)諧濾波器組成，其在APF開(kāi)關(guān)頻率處呈高阻抗，能夠起到濾除APF輸出開(kāi)關(guān)紋波的作用，此外，單調(diào)諧濾波器在基波頻率處呈現(xiàn)容性，可承受大部分基波電壓，從而降低了對(duì)變換器直流側(cè)電容和開(kāi)關(guān)器件的耐壓等級(jí)要求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，效率高［8］。

本文將APF控制為受控電壓源，等效電路如圖2所示。其輸出電壓的參考值V*AF為電網(wǎng)諧波電流ish的K倍，即V*AF=Kish，忽略電網(wǎng)諧波電壓，可得系統(tǒng)諧波等效電路如圖2（a），分析可得電網(wǎng)諧波電流ish為

式中：ZPh、Zsh分別為PPF阻抗和電網(wǎng)諧波阻抗；iLh為負(fù)載諧波電流。APF的作用相當(dāng)于在電網(wǎng)上串聯(lián)電阻RK，取值為K，強(qiáng)迫諧波電流流入濾波裝置，同時(shí)還起到了阻尼Zs和ZP諧振的作用，如圖2（b）所示。K越大濾波效果越好，但K不能取太大，否則會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此濾波效果不能完全依賴(lài)于K值的選取，還需要對(duì)Zp進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且無(wú)源參數(shù)也會(huì)對(duì)APF容量、器件應(yīng)力產(chǎn)生影響。

圖2 系統(tǒng)諧波等效電路Fig.2 Equivalent circuits for harmonics of HAPF

2 無(wú)源濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)源濾波器拓?fù)溥x擇

組成PPF的單調(diào)諧支路越多濾波效果越好，但系統(tǒng)復(fù)雜性和體積成本會(huì)大大提高，因此，在設(shè)備級(jí)HAPF實(shí)際應(yīng)用中，以單條和兩條支路方案為主，具體選擇要權(quán)衡其濾波能力和成本體積各方面。

二極管整流負(fù)載，主要為5、7次諧波。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，單支路通常將諧振頻率設(shè)計(jì)在7次諧波附近［8-9］；雙支路諧振頻率通常分別設(shè)計(jì)在5、7次諧波附近?？紤]相同無(wú)功補(bǔ)償能力，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，阻抗特性如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，雙支路拓?fù)渲械?次諧波阻抗約為單支路的1/2，7次諧波阻抗相差不大，在更高諧波頻率處，單支路阻抗小于雙支路阻抗。變換器直流側(cè)電壓足夠高時(shí)，通過(guò)閉環(huán)調(diào)節(jié)APF諧波阻抗，兩種方案均能實(shí)現(xiàn)很好的補(bǔ)償效果。

表1 經(jīng)驗(yàn)PPF參數(shù)Tab.1 Parameters of PPF

圖3 PPF阻抗特性Fig.3 Impedance characteristic of PPF

HAPF的成本主要由兩部分構(gòu)成：PPF中的電感電容和APF中的開(kāi)關(guān)管。開(kāi)關(guān)管的成本由其電壓電流應(yīng)力決定，由于APF是一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)，輸入輸出分頻共用同一端口，因此對(duì)其電壓電流應(yīng)進(jìn)行時(shí)域分析。以100 kW負(fù)載為例，僅考慮主要次諧波，APF端口電流和電壓時(shí)域曲線如圖4所示。由于設(shè)計(jì)無(wú)功補(bǔ)償能力相同，APF端口電流基本相同，但電壓差別較大，單、雙支路所需端口電壓峰值分別為43.3 V和34.1 V。由此可見(jiàn)，在相同的端口電流下，雙支路比單支路開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力小；在相同電壓應(yīng)力條件下，雙支路方案的電流應(yīng)力小于單支路。目前開(kāi)關(guān)管價(jià)格主要由電流決定，因此，雙支路方案APF成本低。但對(duì)于PPF部分，雙支路方案成本體積必然高于單支路方案。因此，應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況核算成本并考慮體積要求來(lái)選擇，本文針對(duì)單支路進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 APF端口電流和電壓曲線Fig.4 Current and voltage curves of APF

2.2 PPF參數(shù)優(yōu)化

由式（1）可知，相同K值下，ZPh越小濾波效果越好，其值還會(huì)直接影響有源部分電壓電流，從而間接影響系統(tǒng)體積及成本。單調(diào)諧濾波器電感、電容、電阻值分別為L(zhǎng)P，CP，RP，影響其阻抗特性的主要為電感電容。電感電容相同時(shí)，RP越小阻抗越小，但RP的微小區(qū)別，對(duì)濾波效果影響并不大。因此，實(shí)際中可結(jié)合體積要求，考慮散熱問(wèn)題，估計(jì)RP限值，確保設(shè)計(jì)滿足限值要求。以下分析均基于一個(gè)假定的RP限值，對(duì)LP、CP進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。單調(diào)諧濾波器諧振頻率ω與品質(zhì)因數(shù)Q分別為

對(duì)LP、CP的設(shè)計(jì)即為對(duì)Q、ω的設(shè)計(jì)。在分析其選值對(duì)電路其他參數(shù)影響時(shí)，假定系統(tǒng)完全補(bǔ)償，同時(shí)由于APF開(kāi)關(guān)頻率限制，接下來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)只考慮主要次諧波。

2.2.1 ω和Q對(duì)開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力的影響分析

PPF在n次諧波頻率處的阻抗ZP，n為

式中，ω1為基波頻率。故忽略系統(tǒng)諧波電壓時(shí)，APF輸出端諧波電壓uAup為

式中φ為阻抗角。因此，開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力Udc為

利用mathcad可得關(guān)系曲線，如圖5所示。圖5（a）為L(zhǎng)C諧振頻率對(duì)Udc的影響。ω不變時(shí)，Udc隨著Q的增大而增大；Q不變時(shí)，Udc在ω的可行區(qū)間內(nèi)存在最小值。由圖5（b）可見(jiàn)，Udc在（ω，Q）的可行域內(nèi)存在最小值，全域最小值點(diǎn)為最小Q值下的ω最小值點(diǎn)。由此可知，為了減小Udc，需要盡可能減小Q值，并找到最小值點(diǎn)處的ω。

圖5 開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力與ω、Q的關(guān)系曲線Fig.5 Relationships between maximum voltage of power switches and ω,Q

2.2.2 ω和Q對(duì)濾波支路電流的影響分析

本系統(tǒng)濾波支路電流If包括基波和諧波電流，其時(shí)域表達(dá)式為

則濾波支路電流峰值If_pk為

利用mathcad計(jì)算工具，可得LC諧振頻率對(duì)濾波支路電流的影響曲線，如圖6所示。圖6（a）中，當(dāng)ω不變時(shí)，If_pk隨著Q的增大而減??；Q不變時(shí)，If_pk隨著ω的增大而減小。由圖 6（b）可見(jiàn)，If_pk在（ω，Q）的可行域內(nèi)存在最小值，全域最小值點(diǎn)在ω和Q的最大值處。由此可知，為了減小If_pk需要盡可能增大Q值和ω值。

圖6 濾波支路電流與ω、Q的關(guān)系曲線Fig.6 Relationships between filter branch current and ω,Q

2.2.3 ω和Q的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由以上分析可知，If_pk與Udc對(duì)Q的要求相反，但本補(bǔ)償裝置的目的在于補(bǔ)償主要次諧波，只輔助提供少量無(wú)功，在相同補(bǔ)償效果時(shí)，影響補(bǔ)償支路電流大小的為基波電流的大小。而實(shí)際應(yīng)用中，受無(wú)功補(bǔ)償容量與系統(tǒng)體積成本限制，基波電流的大小存在限制，即Q值不能太??；隨著Q值每增大10，濾波支路電流變化較小，但開(kāi)關(guān)管電壓需求約有200 V的升高，故Q值不能太大。因此，可將基波電流峰值ip1_pk選為限制條件Ip1_lim，用以限制Q值，將開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力Udc作為優(yōu)化目標(biāo)，從而得到最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，具體優(yōu)化方程為

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證以上設(shè)計(jì)，對(duì)此HAPF進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要參數(shù)為：電網(wǎng)線電壓幅值380 V，頻率50 Hz；負(fù)載容量100 kW；變換器直流側(cè)電容為2 200 μF；PPF經(jīng)驗(yàn)參數(shù)為：電感2.3 mH，電容100 μF，電阻0.25 Ω，優(yōu)化參數(shù)為：電感1.55 mH，電容184 μF，電阻0.15 Ω。

圖7為負(fù)載電流iLa及相同APF直流側(cè)電壓條件下采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的網(wǎng)側(cè)電流istra和采用優(yōu)化參數(shù)網(wǎng)測(cè)電流isopt的仿真波形，表2為各電流的總諧波畸變率THD（total harmonic distortion）和各次諧波含量（以基波電流為基準(zhǔn)）。由表2可知，采用優(yōu)化參數(shù)對(duì)5次諧波電流的濾波效果有較大改善，并且網(wǎng)側(cè)電流THD比采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)降低了2.1%，提高了總體濾波效果。

圖7 不同THD參數(shù)下iLa，istra，isopt仿真電流Fig.7 Simulation waveforms of iLa，istraand isoptwith different THD

表2 負(fù)載及電網(wǎng)電流的THD及各次諧波含量Tab.2 THD of load and grid current and harmonics of esimulation %

搭建10 kVA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。為提高工作可靠性，IGBT驅(qū)動(dòng)采用了退飽和檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)技術(shù)。由圖可見(jiàn)，在相同APF直流側(cè)電壓條件下，采用經(jīng)驗(yàn)PPF參數(shù)，網(wǎng)側(cè)電流THD由補(bǔ)償前28.86%降至8.85%，采用優(yōu)化PPF參數(shù)，THD進(jìn)一步降至5.34%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果相符，驗(yàn)證了本文優(yōu)化方法的可行性。

圖8 不同THD參數(shù)下iLa、istra、isopt實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of iLa，istraand isoptwith different THD

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種由PPF和APF直接串聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)混合型有源電力濾波器，并分析了其工作原理，利用時(shí)域分析方法推導(dǎo)出了PPF參數(shù)對(duì)有源部分的影響，提出了一種實(shí)用的PPF參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)Matlab仿真和10 kVA實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證了該優(yōu)化方法的有效性，表明：在相同APF直流側(cè)電壓條件下，優(yōu)化的PPF參數(shù)能夠有效提高HAPF的諧波補(bǔ)償性能；在保證相同補(bǔ)償效果時(shí)，優(yōu)化的參數(shù)可降低有源部分的容量。

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Design and Optimization of Passive Power Filter in Shunt Hybrid Active Power Filter

WANG Lingling,ZHOU He,CHEN Huiming,WANG Zhengshi
（College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China）

This paper presents a distributed shunt hybrid active power filter for medium-power nonlinear devices’net harmonic current compensation.Research on the optimization of passive power filter is made and a practical design method is proposed.The effects of passive filter parameters on the switch voltage pressure and current of compensation approach are analyzed and the time domain analytical expressions are got.Based on this optimization method,passive filter parameters are designed for rectifier load system.Compared to traditional empirical design method,new optimization method improves the effect of filter significantly.Simulation and experimental results demonstrate the effectiveness of this optimization method.

hybrid;active power filter;passive power filter;optimization

王玲玲

王玲玲（1990-），女，碩士研究生，研究方向：有源電能質(zhì)量控制技術(shù)，E-mail：wanglljs@163.com；

周賀（1991-），男，碩士研究生，研究方向：有源電能質(zhì)量控制技術(shù)、高性能DC-DC變換器，E-mail：zhouhejl@163.com；

陳輝明（1963-）通信作者，男，博士，教授，研究方向：高頻感應(yīng)加熱、半導(dǎo)體技術(shù)、電力電子在節(jié)能與新能源中的應(yīng)用，E-mail：huiming@zju.edu.cn；

王正仕（1965-），男，博士，副教授，研究方向：高性能開(kāi)關(guān)電源、逆變功率電源、電力電子在節(jié)能與新能源中的應(yīng)用，E-mail：wzs@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.2.52

：TM 402

：A

2014-11-13

863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012AA053601）

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