韓 旗，張艷軍

（1.海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

一種無諧波檢測的三相四線有源電力濾波器

韓 旗1，張艷軍2

（1.海軍駐上海704研究所軍事代表室，上海 200031；2.中國船舶重工集團公司第704研究所，上海 200031）

介紹了一種無諧波檢測的三相四線有源電力濾波器，可以同時補償諧波和無功且不需要對諧波和無功進行檢測。采用控制流入直流側(cè)電流的大小和方向的方法使直流側(cè)電壓穩(wěn)定，詳細分析了負載有功電流對直流側(cè)電壓的影響；將負載有功電流作為擾動，提出了一種無諧波檢測的新型控制策略，省去了復雜的檢測算法，避免了檢測算法引起的誤差和延時，提高了動態(tài)響應(yīng)速度。介紹了主電路參數(shù)的選型，并研制了一臺實驗樣機，實驗結(jié)果表明所提出的無諧波檢測的三相四線有源電力濾波器具有較好的諧波、無功和不平衡補償效果，較快的動態(tài)響應(yīng)速度。

三相四線；有源電力濾波器；無諧波檢測

0 引言

隨著電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，大量的電力電子設(shè)備給電網(wǎng)帶來了嚴重的無功和諧波危害[1]。有源電力濾波器（Active Power Filter-APF）[2-5]作為一種新型的諧波和無功抑制裝置，可以動態(tài)地補償、抑制諧波，并克服無源濾波器的缺點，有效地改善了電網(wǎng)的電能品質(zhì)。APF為了能實時補償非線性負載含有的諧波和無功功率，就需要對待補償?shù)姆蔷€性負載的諧波、無功功率進行實時檢測。諧波、無功檢測算法主要有基于傅里葉變換檢測算法、基于瞬時無功功率理論檢測算法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測算法[6-8]?；诟道锶~變換檢測算法需要采樣一個基波周期的電流或電壓信號再進行FFT分析，計算量大、計算時間長、實時性差；基于瞬時無功功率理論檢測算法計算量較小，但算法中含有的低通濾波器會產(chǎn)生一定的延時，導致動態(tài)檢測誤差；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測算法是一種新興智能檢測算法，檢測精度高、響應(yīng)快，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習因子影響檢測的速度和精度，而檢測速度與精度是矛盾的，因此選擇適當?shù)膶W習因子同時達到檢測速度和精度最優(yōu)是很困難的。諧波、無功的檢測算法不可避免的會有檢測誤差，進而影響補償?shù)男Ч?/p>

文獻[9]介紹了一種無諧波檢測的三相并聯(lián)型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，提出了一種無諧波檢測控制策略。本文將該控制策略改進推廣應(yīng)用到三相四線制有源電力濾波器，介紹了三相四線制有源電力濾波器的無諧波檢測的控制策略，詳細設(shè)計了主電路參數(shù)，研制了一臺實驗樣機，實驗結(jié)果表明無諧波檢測的三相四線制有源電力濾波器可以同時對非線性負載進行諧波、無功、不平衡電流補償，補償效果好且動態(tài)響應(yīng)速度快。

1 結(jié)構(gòu)與原理

圖1為三相四線有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)框圖，主體為三相四橋臂電路，其交流側(cè)通過 LCL與三相電網(wǎng)及中線N連接，通過檢測控制生成PWM波驅(qū)動三相橋的開關(guān)器件 IGBT，向電網(wǎng)注入一定的電流用以消除電網(wǎng)諧波、無功電流和不平衡電流；其直流側(cè)接有母線支撐電容，用以緩沖諧波和無功能量，穩(wěn)定直流電壓。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 無諧波檢測控制策略

2.1 直流側(cè)電壓控制方法

有源電力濾波器的補償電流發(fā)生電路由電壓型PWM 變流器及其相應(yīng)的電流跟蹤控制、驅(qū)動電路組成。為了保證其有良好的諧波電流補償性能，必須將直流側(cè)電壓控制為一個穩(wěn)定的值。直流側(cè)電壓控制的傳統(tǒng)方法是為直流側(cè)電容提供一個獨立的直流電源，需要另外一套電路，增加了系統(tǒng)的復雜程度。本文通過控制流入三相四橋臂電路的有功功率大小和方向使直流側(cè)電壓穩(wěn)定在給定值，不需要另外的硬件電路。

圖2 直流側(cè)電壓控制框圖

2.2 有功電流擾動對直流側(cè)電壓的影響

由交流側(cè)和直流側(cè)瞬時有功功率平衡得：

則：

穩(wěn)態(tài)時，Vdc=VDC，則：

所以直流側(cè)電壓控制結(jié)構(gòu)為圖 3，其中，Gc(s)為PI控制器的傳遞函數(shù)，Gi(s)為電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。

把負載基波有功電流iLp作為系統(tǒng)的擾動，那么直流側(cè)電壓控制結(jié)構(gòu)圖變?yōu)閳D 4，可以得到直流側(cè)電壓Vdc對擾動iLp的響應(yīng)：

圖3 直流側(cè)電壓控制結(jié)構(gòu)

式中，Gi(s)為電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，約為 1；Gc(s)為PI控制器的傳遞函數(shù)，且Gc(s)＞＞1，因此可以得到：

式（5）說明直流側(cè)電壓閉環(huán)大大抑制了負載基波有功電流iLp對直流側(cè)電壓產(chǎn)生的影響，因此可以把負載基波有功電流iLp作為一個擾動。

2.3 新型控制策略

有源電力濾波器常用的控制策略如圖5（a），通過檢測算法檢測出負載諧波和無功電流 iLc，與直流電壓環(huán)輸出之和作為電流內(nèi)環(huán)指令，電流內(nèi)環(huán)指令與反饋電流ic之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM波驅(qū)動IGBT工作，產(chǎn)生相應(yīng)的補償諧波和無功電流，使電網(wǎng)電流不含有諧波。

圖4 直流側(cè)電壓控制結(jié)構(gòu)（iLp作為擾動）

根據(jù)2.2章節(jié)內(nèi)容，將iLp作為系統(tǒng)的擾動，得到控制框圖 5(b)。同時負載電流由有功電流 iLp，諧波和無功電流iLc兩部分組成，如式（6）所示。

將負載有功電流iLp和諧波和無功電流iLc合并成負載電流 iL得到控制結(jié)構(gòu)圖 5(c)。此新型控制策略采用電壓電流雙環(huán)控制，直流側(cè)電壓外環(huán)產(chǎn)生穩(wěn)壓電流指令與負載電流 iL之和作為電流內(nèi)環(huán)的指令，與反饋電流ic比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號驅(qū)動IGBT。本文提出的控制策略與傳統(tǒng)常用的控制策略不同之處是把負載有功電流iLp作為擾動，不需要將負載電諧波和無功電流從負載電流中檢測分離出來，省去了復雜的檢測算法，避免了復雜檢測算法引起的延時和誤差，提高了補償效果和動態(tài)響應(yīng)速度。

中線零序電流采用N相橋臂進行補償，N相控制策略如圖5(d)，三相負載電流之和作為N相補償電流指令與反饋電流icN比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號驅(qū)動N相IGBT。

圖5 控制框圖

3 主電路設(shè)計

3.1 直流側(cè)電容的選取

直流側(cè)電容主要是提供一個穩(wěn)定的直流電壓，來緩沖高次諧波電流和負序電流在逆變器直流側(cè)造成的能量波動。負序電流是造成能量脈動的主要原因?？紤]系統(tǒng)輸出一半容量的基波負序、零序電流，則直流側(cè)電容容量必須滿足[10]：

式中，T為直流側(cè)電壓波動周期；Vdcmax為直流側(cè)電壓波動的上限值；Vdcmin為直流側(cè)電壓波動的下限值。

由以上關(guān)系可得直流側(cè)電容的計算公式，如下所示：

3.2 LCL濾波器設(shè)計

LCL濾波器具有比L型濾波器更理想的高頻濾波效果，從而常被用于大功率、低開關(guān)頻率系統(tǒng)的濾波環(huán)節(jié)。LCL設(shè)計時要滿足以下條件[11]：

1）進線電感 Lr不僅會影響電流環(huán)的靜態(tài)和動態(tài)響應(yīng)特性，要綜合考慮高次諧波抑制效果和電流跟蹤特性。

2）為了讓高次諧波流過電容支路，電容與逆變器側(cè)電感阻抗應(yīng)滿足關(guān)系：

3）電容吸收的無功必須限制在一定數(shù)值內(nèi)，則：

式中，λ為電容C吸收的無功功率；P為系統(tǒng)額定功率；Vg為電網(wǎng)相電壓有效值。

4）LCL濾波器的諧振頻率應(yīng)該在10fg～ 0.5fs之間：

5）滿足較好的電流跟蹤效果，則：

LCL設(shè)計完成后，應(yīng)同時滿足以上5個條件，否則進行重新迭代設(shè)計。

4 實驗結(jié)果

為了驗證本文所提出的控制策略的有效性，研制了一臺10kVA的三相四線制的并聯(lián)型有源電力濾波器實驗樣機。實驗參數(shù)如下：負載為三相不控整流橋帶阻感性負載，負載電阻為6.8?，負載電感為3mH，A相與N相之間接7?的電阻；電源線電壓為380V，直流側(cè)電壓為750V，開關(guān)頻率為10kHz。

圖6為穩(wěn)態(tài)實驗波形，圖6(a)為A相補償波形，由上至下分別為負載電流 iL、電網(wǎng)電壓 us、電源電流is、輸出補償電流ic；圖6(b)為N相補償波形，由上至下分別為N相負載電流，N相電源電流。電源電流經(jīng)過補償后變?yōu)橐?guī)則的正弦波且與電網(wǎng)電壓同相，表明無諧波檢測的三相四線有源電力濾波器諧波和無功補償特性好。N相電源電流經(jīng)過補償后基本為零，表明具有較好的零序補償效果。

圖6 穩(wěn)態(tài)實驗波形

圖7為動態(tài)的實驗波形。負載電阻由6.8?減小到3.4?，負載突然增大一倍后，經(jīng)過 1個基波周期后就達到穩(wěn)態(tài)且具有較好的諧波和無功補償效果，可見本文提出的控制策略具有較快的動態(tài)響應(yīng)速度，能快速跟蹤補償跳變的負載，特別適用于電弧焊等諧波負載。

圖7 動態(tài)實驗波形

5 結(jié)論

本文介紹了三相四線制有源電力濾波器的無諧波檢測的控制策略，較傳統(tǒng)控制策略省去了復雜的諧波、無功檢測算法，避免了檢測算法引起的誤差和延時，提高了補償效果和動態(tài)響應(yīng)速度；詳細設(shè)計了主電路參數(shù)，研制了一臺10kVA實驗樣機，實驗結(jié)果表明無諧波檢測的三相四線制有源電力濾波器可以同時對非線性負載進行諧波、無功、不平衡電流補償，補償效果好且動態(tài)響應(yīng)速度快，較常規(guī)控制策略具有明顯的優(yōu)勢。

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A Three Phase Four Wire Active Power Filter without Harmonic Detection

HAN Qi1, ZHANG Yan-jun2
(1. Navy Representative Office Stationed at No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A non-harmonic detection three phase four wire active power filter is introduced, which can compensate harmonics and reactive power without harmonic and reactive power detection. A DC voltage control method，controlling the magnitude and direction of the current flowing into DC side to make DC voltage steady is proposed. The influence of load active current on the DC voltage is analyzed in detail. A new non- harmonic detection control strategy is proposed with load active current as a perturbation. The proposed control strategy avoids complex detection algorithm, errors and delay caused by detection algorithm, which improves dynamic response speed. The main circuit parameters selection method is introduced and a prototype is developed. Experiment results exhibit excellent harmonic, reactive power and unbalance compensation performance and fast dynamic response speed.

three- phase four-wire; active power filter; non-harmonic detection

TM464

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.021

韓旗（1970-），男，高級工程師，研究方向為電氣及自動化。

張艷軍（1988-），男，碩士研究生，工程師，主要研究方向為電力電子和電能質(zhì)量治理。