胡慧慧，王魯楊，沈賢杰，王禾興，張 浩

(1.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090;2.國網(wǎng)上海市電力公司 市北供電公司，上海 200072)

電力電子技術(shù)發(fā)展迅速且電力電子裝置應(yīng)用十分廣泛，從而造成諧波含量日益增加、功率因數(shù)降低、諧波污染等問題.電網(wǎng)諧波不僅使電能質(zhì)量下降，而且還導(dǎo)致用電設(shè)備工作不正常.電網(wǎng)中的諧波嚴重地威脅著電網(wǎng)自身的安全運行和用戶的用電安全，因此濾除諧波變得尤為重要.

LC無源濾波器作為早期使用的補償裝置，在濾除湝波的同時還可補償無功，但只能濾除特定頻率的諧波，且其存在體積大、工作點固定等缺點，很難滿足大范圍、動態(tài)補償?shù)囊?

近年來，電力電子技術(shù)的發(fā)展有力地推動了有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)的發(fā)展.APF通過補償?shù)姆绞綖V除諧波.世界各國都在研究APF中檢測諧波的先進算法和相應(yīng)的控制方法.目前日本投入運行的有源濾波器中，大多數(shù)都是基于瞬時無功功率的理論.[1]2006年上海交通大學(xué)與信元瑞電氣公司合作推出了國內(nèi)唯一一臺基于能量算法的APF.根據(jù)國家電力科學(xué)研究院的評估，上海信元瑞生產(chǎn)的APF和靜止無功發(fā)生器(Static Var Generator，SVG)產(chǎn)品的各項性能已經(jīng)達到ABB公司產(chǎn)品的水平，這就說明我國APF的研究水平已經(jīng)上升到了一個新的高度.[2]

有源濾波器雖然可以達到動態(tài)補償?shù)男Ч?，[3]但是其投資成本較高，且容量有限.為了充分利用上述這兩種濾波器的優(yōu)點，克服其缺點，本文對并聯(lián)混合型有源電力濾波器進行了研究.

1 原理與結(jié)構(gòu)

圖1為所采用的并聯(lián)混合型 APF結(jié)構(gòu)，即LC無源濾波器和APF都與電網(wǎng)并聯(lián)，其中LC無源濾波器是5次，7次，11次單調(diào)諧濾波器，主要用來濾掉系統(tǒng)中的5次，7次，11次諧波.負載與LC無源濾波器都被APF作為負載，剩下的諧波由APF補償.

圖1 并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)示意

有源濾波器的基本工作原理為:通過指令電流運算電路實時地采集補償對象中的指令電流信號，然后根據(jù)補償電流發(fā)生電路將所得的指令電流信號進行分析處理，再根據(jù)放大電路實現(xiàn)該信號的放大處理，從而實現(xiàn)補償電流的數(shù)值獲取，最終，通過補償電流來抵消負載電流中諧波及無功等電流，從而得到理想的電源電流.[4]

2 控制策略

2.1 基于ip-iq諧波電流檢測的PI控制法

目前，APF通常使用PI控制法.基于ip-iq諧波電流檢測的PI控制原理如圖2所示.

圖2 PI調(diào)節(jié)法的原理示意

圖2 中，將檢測到的電容兩端電壓Ucf與給定電壓值Ucr進行比較，兩者之間的差值信號送到PI調(diào)節(jié)器的輸入端，得到調(diào)節(jié)信號Δid.將瞬時有Δi功電流的直流分量 與d疊加，通過運算，分析提取指令信號中的基波有功電流，因為一定量的基波有功電流存在于實際的補償電流中，所以能量交換只在有源電力濾波器的交流側(cè)與直流側(cè)進行，將直流側(cè)的電容電壓 Uc調(diào)到給定值.[5]當(dāng)Ucf比Ucr小時，通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，使得 Δid值為正，最終獲得的指令電流將含有大于零的有功電流，在該指令電流作用下，主電路一邊對諧波電流進行補償，一邊接收來自電網(wǎng)的有功功率，從而抬高直流側(cè)的電容電壓，直至反饋值被調(diào)到給定值.反之，當(dāng) Ucf比 Ucr大時，通過 PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，使得Δid值為負，最終獲得的指令電流將含有小于零的有功電流，在該指令電流作用下，主電路一邊對諧波電流進行補償，一邊釋放有功功率給電網(wǎng)，從而降低直流側(cè)的電容電壓，直至反饋值被調(diào)到給定值.

2.2 瞬時值比較方式

通過對補償電流ic與其指令信號ic*的疊加分析，得到疊加后的偏差信號Δic，再通過滯環(huán)比較器，獲取控制逆變器中各個開關(guān)通與斷的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號，原理如圖3所示.為了達到實現(xiàn)開關(guān)通斷控制的目的，PWM信號還需要通過驅(qū)動電路，從而可以控制實際補償電流的變化.[6]

在這種控制方式中，補償電流的跟隨性能受滯環(huán)的寬度H影響很大.比如選擇較大的 H值時，通斷頻率較低，對器件的要求也較低，但這種情況存在較大的跟隨誤差，補償電流中也存在較大的高次諧波.相反，當(dāng)選擇較小的 H值時，盡管存在較小的跟隨誤差，通斷頻率卻較高.

圖3 瞬時值比較方式的原理示意

3 仿真研究

使用 Matlab/Simulink[7]構(gòu)建的并聯(lián)混合型有源濾波器的仿真模型如圖4所示.

設(shè)置的參數(shù)如下:

(1)交流側(cè)的三相電源相間有效值電壓為220 V，頻率為50 Hz，電感L為1 mH;

(2)主電路直流側(cè)電容C為2 000 μF，直流側(cè)參考電壓設(shè)定為600 V;

(3)諧波源為三相不控橋式整流電路帶電阻負載，電阻的阻值為20 Ω.

圖4所示系統(tǒng)中湝波源產(chǎn)生的電流如圖5所示.

圖4 并聯(lián)混合型有源電力濾波器的仿真模型

圖5 諧波源的電流

系統(tǒng)中無源濾波器 A，B，C濾除5，7，11次湝波后，控制系統(tǒng)生成的補償電流指令信號波形和APF實際補償電流波形如圖6所示.由圖6可知，實際產(chǎn)生的補償電流能夠?qū)崟r跟蹤補償電流的指令信號.混合補償后的電源電流波形如圖7所示.由圖7可知，采用并聯(lián)混合型有源濾波器濾波后，電源電流接近于正弦波.

圖6 補償電流的波形

在仿真模型中采用Breaker模塊，設(shè)置在0.1 s時負載發(fā)生突變，負載電阻從原先的20 Ω突變成1 Ω，當(dāng)負載發(fā)生突變時補償后的電源電流波形如圖8所示.

圖7 混合補償后電源電流波形

圖8 表明，在負載發(fā)生突變的情形下，并聯(lián)混合型有源電力濾波器具有較好的動態(tài)跟蹤性能，補償效果也很理想.

圖8 負載突變補償后的電源電流波形

4 結(jié)語

本文構(gòu)建了并聯(lián)混合型有源電力濾波器的仿真模型.仿真結(jié)果表明基于三相瞬時無功功率的ip-iq諧波檢測法能夠快速地檢測出負載電流中的諧波分量，并且能夠有效地補償諧波電流，使得電源電流接近于正弦波，具有良好的動態(tài)補償特性.

[1]陳經(jīng)倫.電力有源濾波器諧波檢測與控制方法的研究[D].長沙:湖南大學(xué)，2013.

[2]平陽樂.基于三電平變換器的并聯(lián)型有源電力濾波器研究[D].濟南:山東大學(xué)，2013.

[3]肖湘寧，徐永海.電網(wǎng)諧波與無功功率有源補償技術(shù)的進展[J].中國電力，1999，32(3):1-2.

[4]周福誕.并聯(lián)型有源電力濾波器的研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[5]付永生.并聯(lián)型電能質(zhì)量控制器設(shè)計及其應(yīng)用仿真研究[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2005.

[6]彭傳彪，侯振義，王少坤，等.采用小波分析的滯環(huán)電流控制逆變器諧波分析[J].高電壓技術(shù)，2010，36(7):39-44.

[7]孫百軍，施宏，戴錢坤.并聯(lián)型有源電力濾波器 MATLAB仿真研究[J].測控技術(shù)，2014，33(2):138-142.