張 明 袁 鑰

三電平有源濾波器在電壓源型負(fù)載系統(tǒng)中的仿真和應(yīng)用

張 明 袁 鑰

（西安西馳電氣股份有限公司，西安 710075）

為了解決有源濾波器用于電壓源型負(fù)載系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)的諧波放大問題，本文提出在電壓源型負(fù)載輸入側(cè)增加輸入電抗的方法。結(jié)合某化工廠實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，先從理論上分析增加輸入電抗對(duì)諧波放大系數(shù)的影響；然后借助PSIM仿真軟件搭建三電平有源濾波器在該系統(tǒng)的應(yīng)用仿真模型，分別對(duì)不同電感下的諧波放大系數(shù)進(jìn)行仿真。最終結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況確定了最優(yōu)的輸入電抗參數(shù)，有效抑制了諧波放大現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了三電平有源濾波器在該電壓源型負(fù)載系統(tǒng)中的合理應(yīng)用。

三電平；有源濾波器；電壓源型負(fù)載；仿真；節(jié)能減排

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技進(jìn)步，各種各樣的電力電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。電力電子設(shè)備的應(yīng)用加速了工業(yè)生產(chǎn)的步伐，給家庭生活帶來便捷；與此同時(shí)，由于這些設(shè)備大都采用二極管、晶閘管等非線性的電力電子元器件[1]，故給電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染。為解決諧波引起的電能質(zhì)量問題，諧波治理技術(shù)在不斷進(jìn)步。

無源型濾波器存在體積大、補(bǔ)償次數(shù)受元件參數(shù)決定等缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[2]通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以滿足不同工況下的需求，但仍不可避免地存在諧振等不足，故諧波治理逐漸朝有源型濾波器（active power filter, APF）的方向發(fā)展。最開始出現(xiàn)的有源型濾波器基本以兩電平拓?fù)錇橹?，隨著電路拓?fù)溲芯康纳钊耄m然三電平拓?fù)淇刂茝?fù)雜，但是由于多一個(gè)電平，其正弦度高、損耗小；不僅如此，三電平拓?fù)湎碌臑V波參數(shù)可以減小，相應(yīng)的體積也能減小很多，故基于三電平拓?fù)涞挠性礊V波器成為發(fā)展趨勢。

對(duì)于電壓源型負(fù)載系統(tǒng)，電網(wǎng)側(cè)呈感性，負(fù)載側(cè)呈容性，即系統(tǒng)本身存在一個(gè)諧振點(diǎn)。當(dāng)有源濾波器注入的諧波頻率在諧振點(diǎn)附近時(shí)，極易引起諧振現(xiàn)象。文獻(xiàn)[3]雖然通過限制補(bǔ)償帶寬的方式解決諧振問題，但是當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)該帶寬也要變化，并且如果帶寬過小還會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償效果下降。傳統(tǒng)的解決方案一般采取擴(kuò)大有源濾波器的容量，同時(shí)在電壓源負(fù)載側(cè)增加輸入電抗的方式。雖然可以通過多次嘗試解決該應(yīng)用問題，但對(duì)于不同場合下的定量分析還不足。

作為電力電子領(lǐng)域比較通用的仿真軟件，PSIM具有功能強(qiáng)大、可操作性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。通過模型搭建和仿真，可以更深刻地認(rèn)識(shí)電力電子設(shè)備工作原理；可以對(duì)不同場合下設(shè)備的應(yīng)用進(jìn)行定量分析。仿真軟件的應(yīng)用在一定程度上可縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品應(yīng)用中解決問題的速度。

1 三電平有源濾波器技術(shù)原理及仿真

基于三電平的有源電力濾波器涉及的技術(shù)點(diǎn)主要有：

1）三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）排列方式可分為Ⅰ字形和T字形；按照三電平產(chǎn)生的方式可分為二極管鉗位型及飛跨電容型等；與兩電平拓?fù)漕愃疲鶕?jù)逆變器輸出側(cè)濾波形式可分為電壓源型和電流源型。每種拓?fù)涠加懈髯蕴攸c(diǎn)，本文選用的Ⅰ字形二極管鉗位式電壓源型三電平拓?fù)?，如圖1所示。

圖1 Ⅰ字形二極管鉗位式電壓源型三電平拓?fù)?/p>

2）三電平調(diào)制方式

三電平調(diào)制的核心在于正確處理四只IGBT的開通、關(guān)斷邏輯，避免上、下橋臂直通。目前，三電平的調(diào)制方法已經(jīng)很成熟，應(yīng)用較多的是采用雙調(diào)制波載波脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation, PWM）[4]。

3）基于三電平拓?fù)涞挠性礊V波器控制策略

有源濾波器的主要原理是通過采集負(fù)載側(cè)的電流，計(jì)算分析其所含有諧波的次數(shù)、幅值，進(jìn)而通過控制IGBT開通、關(guān)斷產(chǎn)生相反的諧波含量與之抵消，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)諧波治理[5]。三電平拓?fù)湎碌挠性礊V波器控制主要分為：

（1）母線電壓控制（包括中點(diǎn)電壓控制）

直流側(cè)母線電壓的穩(wěn)定程度直接影響APF的補(bǔ)償效果，故有源濾波器采用PWM可控整流的方式將母線電壓維持在某一固定值，且該電壓的控制器常采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器[6]。

三電平拓?fù)湎?，補(bǔ)償電流在換流過程中會(huì)引起中點(diǎn)電壓波動(dòng)，為避免造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般會(huì)引入中點(diǎn)電壓控制，比如注入零序分量等控制方式[7]。

（2）補(bǔ)償電流控制

補(bǔ)償電流的控制策略不僅會(huì)影響補(bǔ)償?shù)木?，?duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能穩(wěn)定也至關(guān)重要。常用的有源濾波器電流控制策略有滯環(huán)控制、定頻載波正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal PWM, SPWM）、空間矢量脈寬調(diào)制（space vector PWM, SVPWM）等。

此外，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制，還需具備最基本的鎖相環(huán)、諧波分析等功能；隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型諧波檢測算法不斷出現(xiàn)，比如改進(jìn)自適應(yīng)諧波檢測算法[8]等。

基于以上原理，借助PSIM仿真軟件搭建了Ⅰ字形二極管鉗位式電壓源型三電平有源濾波器仿真模型，該仿真實(shí)現(xiàn)的技術(shù)點(diǎn)有：①直流母線電壓的PI控制；②基于p-q的諧波電流分析；③基于滯環(huán)控制器的電流控制。

仿真模型中，負(fù)載電流采用給定諧波電流加有功電流的方式。通過p-q算法分離出諧波電流，然后將該值作為給定值送至滯環(huán)控制器，通過控制IGBT得到所需的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波的治理。

為了方便波形對(duì)比，仿真波形同時(shí)觀測電網(wǎng)電流、負(fù)載電流和有源濾波器輸出電流三組波形。

有源濾波器不投入時(shí)電流仿真波形如圖2所示。當(dāng)有源濾波器不投入運(yùn)行時(shí)，負(fù)載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)波形一致，測得電網(wǎng)側(cè)三相電流總諧波畸變率（total harmonic distortion, THD）分別為14.1%、13.9%、14%。

有源濾波器投入時(shí)電流仿真波形如圖3所示，當(dāng)有源濾波器投入運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)側(cè)波形明顯得到改善，測得電網(wǎng)側(cè)三相THD分別為3.6%、3.9%、3.5%。

圖2 有源濾波器不投入時(shí)電流仿真波形

圖3 有源濾波器投入時(shí)電流仿真波形

2 電壓源型負(fù)載系統(tǒng)在諧波電流下的放大理論分析

當(dāng)有源濾波器應(yīng)用到電壓源型負(fù)載時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 電壓源型負(fù)載系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

次諧波下整個(gè)系統(tǒng)的等效電路如圖5所示。

圖5 h次諧波下系統(tǒng)的等效電路

根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以推導(dǎo)出流經(jīng)電網(wǎng)側(cè)s的諧波電流分量，同理可推導(dǎo)出流經(jīng)電壓型負(fù)載c的諧波電流分量，進(jìn)而可以得出諧波電流注入后電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的放大比例分別為

式中：s為電網(wǎng)側(cè)阻抗；為諧波次數(shù)；為電抗率；c為容抗。

增加輸入電抗前后，兩個(gè)放大比例與諧波次數(shù)的關(guān)系曲線分別如圖6和圖7所示。通過對(duì)比圖6和圖7可以看出，增加輸入電抗后，放大比例明顯減小。

圖6 增加輸入電抗前放大比例與諧波次數(shù)的關(guān)系曲線

圖7 增加輸入電抗后放大比例與諧波次數(shù)的關(guān)系曲線

3 諧波放大抑制措施仿真與實(shí)際應(yīng)用

某化工廠的負(fù)載為多臺(tái)電壓源型變頻器；前期結(jié)合負(fù)載諧波含量及變壓器容量，制定了諧波治理方案。后期設(shè)備投入后，出現(xiàn)負(fù)載諧波放大現(xiàn)象。以某一臺(tái)電壓源型負(fù)載為例，增加輸入電抗前APF不運(yùn)行和運(yùn)行時(shí)負(fù)載側(cè)THD分別如圖8和圖9所示，當(dāng)APF投入運(yùn)行后，該負(fù)載側(cè)THD由48.7%增大至71.7%，放大倍數(shù)為1.47。

圖8 增加輸入電抗前APF不運(yùn)行時(shí)負(fù)載側(cè)THD

圖9 增加輸入電抗前APF運(yùn)行時(shí)負(fù)載側(cè)THD

結(jié)合負(fù)載側(cè)、電網(wǎng)側(cè)阻抗參數(shù)，利用式（1）和式（2）推導(dǎo)出比較接近的阻抗參數(shù)，搭建了三電平有源濾波器在該電壓源型負(fù)載場合的應(yīng)用仿真模型，未增加輸入電抗APF不運(yùn)行和運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖10和圖11所示。

通過仿真對(duì)比分析，在未增加輸入電抗的情況下，有源濾波器投入后，負(fù)載側(cè)三相的THD平均由47.7%增大至82.6%，即放大倍數(shù)為1.73；受網(wǎng)側(cè)諧波放大的影響，電網(wǎng)側(cè)諧波電流治理效果較差。仿真結(jié)果基本與現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)接近，即證明了該模型的正確性。

針對(duì)該系統(tǒng)存在的放大問題，業(yè)內(nèi)普遍采用的方案是在負(fù)載側(cè)增加輸入電抗[9]，即通過改變負(fù)載側(cè)電抗率達(dá)到抑制放大的效果。電抗器容量的選擇需要謹(jǐn)慎，容量選擇過小，一方面會(huì)造成治理效果較差，另一方面往往還需要更大容量的有源濾波器，增加設(shè)備投資；容量選擇過大，電抗自身的壓降會(huì)過大，造成電壓源型設(shè)備無法正常工作。

圖10 未增加輸入電抗APF不運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果

圖11 未增加輸入電抗APF運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果

在基于理論計(jì)算的前提下，借助仿真模型，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用確定了最優(yōu)參數(shù)。增加輸入電抗后APF不運(yùn)行和運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

圖12 增加輸入電抗后APF不運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果

通過仿真對(duì)比分析，增加輸入電抗后，負(fù)載側(cè)THD由28.6%增大至35.3%，即放大了1.23倍。

增加輸入電抗后現(xiàn)場實(shí)際的治理效果測試對(duì)比如圖14和圖15所示。從實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，增加輸入電抗后，負(fù)載側(cè)THD由33.3%增大至43.6%，即放大了1.3倍。

圖13 增加輸入電抗后APF運(yùn)行時(shí)的仿真結(jié)果

圖14 增加輸入電抗后APF不運(yùn)行時(shí)的THD

圖15 增加輸入電抗后APF運(yùn)行時(shí)的THD

仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)表明，通過增加輸入電抗，不僅能夠抑制諧波放大，同時(shí)也能抑制變頻器設(shè)備自身的諧波。綜上，通過搭建仿真模型，配合理論支撐，最終合理解決了有源濾波器在該現(xiàn)場的應(yīng)用問題。

4 結(jié)論

為解決三電平有源濾波器在電壓源型負(fù)載場合應(yīng)用中出現(xiàn)的諧波放大問題，通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)測，搭建了接近現(xiàn)場狀況的仿真模型。仿真模型一方面復(fù)現(xiàn)了現(xiàn)場存在的諧波放大現(xiàn)象，另一方面驗(yàn)證了通過增加輸入電抗能夠抑制諧波放大。所有仿真結(jié)果與實(shí)際測試數(shù)據(jù)接近，一定程度上說明了仿真的準(zhǔn)確性，對(duì)于三電平有源濾波器在該類場合的應(yīng)用分析具有一定借鑒意義。

雖然本文搭建的仿真模型能夠反映三電平有源電力濾波器工作原理，也能模擬實(shí)際的現(xiàn)場應(yīng)用，但還需要進(jìn)一步優(yōu)化。比如：

1）通過增加輸入電抗只能盡可能減小放大倍數(shù)，不能徹底消除諧波放大問題，配合有效的控制策略效果將會(huì)更好，比如增加有源阻尼等控制 策略。

2）新型電流諧波檢測算法、電流控制方法等技術(shù)的仿真搭建及應(yīng)用效果分析。

3）從系統(tǒng)層面優(yōu)化仿真模型，進(jìn)一步提高仿真的準(zhǔn)確性。

[1] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[2] 謝化安, 王凱亮, 曾江, 等. 基于三點(diǎn)工況下的無源濾波器組優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(6): 1713- 1718.

[3] 張濤. 并聯(lián)有源濾波器補(bǔ)償容性非線性負(fù)載的研究[J]. 電氣技術(shù), 2016, 17(4): 76-79.

[4] 李文娜, 劉小河, 李萍. 二極管鉗位型三電平APF的載波調(diào)制策略研究[J]. 電氣技術(shù), 2015, 16(4): 30-34.

[5] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[6] 楊劍鋒, 王帥, 謝延凱. 有源電力濾波器直流側(cè)電壓專家PI控制研究[J]. 電力電子技術(shù), 2014, 48(9): 71-73.

[7] 陳兮, 黃聲華, 李炳璋, 等. 一種零序注入的三電平中點(diǎn)鉗位型變換器中點(diǎn)電位平衡控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(2): 337-348.

[8] 張建忠, 耿治, 徐帥, 等. 一種有源電力濾波器的改進(jìn)自適應(yīng)諧波檢測算法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(20): 4323-4333.

[9] 陳伯勝. 串聯(lián)電抗器抑制諧波的作用及電抗率的選擇[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2004, 27(12): 92-95.

Simulation and application of three-level active power filter in voltage source load system

ZHANG Ming YUAN Yue

(Xi’an Xichi Electric Co., Ltd, Xi’an 710075)

In order to solve the problem of harmonic amplification when active power filter is used in voltage source load system, a method of adding input reactance to the input side of voltage source load is proposed. Combined with the practical application system of a chemical plant, the influence of increasing input reactance on harmonic amplification coefficient is analyzed theoretically; then the application simulation model of three-level active power filter in the system is built with the help of PSIM simulation software, and the harmonic amplification coefficient under different inductance is simulated respectively. Finally, the optimal input reactance parameters are determined according to the actual situation, which can effectively suppress the harmonic amplification phenomenon and realize the reasonable application of three-level active power filter in the voltage source load system.

three-level; active power filter; voltage source load; simulation; energy saving and emission reduction

2021-01-23

2021-04-01

張 明（1986—），男，山東臨沂人，碩士，工程師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)工作。