高 昉 魏 昕 杨小磊 宋琳琳

(西南交通大学电气工程学院,四川 成都 610031)

引言

电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。有源电力滤波器(APF)作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛的应用[8]。能有效的控制电力电子装置的谐波。并联型APF的研究主要以理论和实验为主，涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、APF的稳态和动态特性分析等。但由于多方面条件的限制，至今未有并联型APF的正式产品用于实际。目前，以高速数字信号处理器为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字量控制的电能质量调节装置所取代。随着DSP性价比的不断提高，用DSP控制APF已成为当今和未来技术发展的一个新热点。此外，大功率电力电子技术、控制技术的不断发展使APF的成本也将不断降低，加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用前景。

1 有源滤波基本原理

APF的构成与基本工作原理如图1所示。APF由谐波与无功电流检测电路及补偿电流发生电路(包括补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路)。前者用来检测出负载电流中的谐波与无功电流等分量；后者根据检测出来的谐波与无功电流等产生相应的补偿电流。其中补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环节，负责根据补偿电流指令信号，由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲；隔离与驱动电路负责驱动主电路IGBT开关；主电路用来产生补偿电流。

图1 并联型APF基本工作原理

2 有源电力滤波器的主电路

根据APF直流侧储能元件不同，单个APF主电路分为电压型和电流型[8]：本文的研究对象就是单独使用的三相并联电压型APF，既用于补偿谐波也用于补偿无功功率。

图2 电压型APF主电路

图2所示的电压型APF直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本不变，可看作电压源，但为保持直流侧电压不变，需对该电压进行控制；电压型APF交流侧输出电压为PWM方波。电压型APF效率高，初期投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，适用于电网级谐波补偿。

3 谐波电流检测原理

APF进行精确补偿的关键在于准确地、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，为了消除负载产生的谐波及补偿消耗的无功，需要对负载中的谐波成分进行实时检测。d-q法是目前实时检测谐波和无功的主要方法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，并且适用于不对称有畸变情况下的电流增量检测[2]。瞬时三相电流或电压变换到d-q坐标上为：

d-q检测法的原理如图3所示，d轴电流直流分量 与负载基波有功功率相对应，q轴电流直流分量 与负载基波相位移的无功功率相对应，d轴电流交流分量 和q轴电流交流分量 分别与高次谐波的有功功率和无功功率相对应，故 id和iq经LPF后即得到与基波对应的有功分量和无功分量。o轴分量与负载基波不对称相对应。d-q变换计算谐波的原理如下图所示：

基于d-q坐标系下的检测方法消除电压谐波和不对称电压的影响能力强，检测实时性好，与ip-iq法相比，其优点在于检测电路比较简单，利于数字化电路的实现，是普遍采用的一种方法[15]。

4 谐波检测电路及滤波器仿真

图3 d-q检测法原理

4.1 畸变电压波形d-q检测法仿真

图4 含谐波的电源电压

图5 电源含谐波情况下三种检测方法分离出到的基波电流

由仿真结果可知，当电源电压有畸变时，ip-iq法和d-q法的检测结果不受电压波形畸变的影响。

4.2 滞环电流控制方法的仿真

三角波比较控制方法跟踪误差大、补偿响应速度也较慢，控制效果不理想，本文采用滞环电流控制方法，模型如图6所示。滞环的宽度H设置为-1和1。另外，延迟单元是为了消除仿真过程中可能出现的代数环问题而设置的[30]，其延迟时间只需设置为一很小的值。

图6 滞环比较控制模块子系统仿真框图

仿真算法选取ode23tb，时间设定为0.1s时，仿真结果如图7所示：

图7 滞环电流控制方法仿真输出波形

从图中可以看出，滞环电流控制方法控制的APF补偿效果良好，具有较小的跟踪误差且补偿量响应速度也较快。

4.3 有源电力滤波器系统的仿真

对整个有源电力滤波器系统进行仿真，建立系统模型如图6。谐波源的触发角设为60度，采用如前所述的d-q检测法和滞环比较控制，仿真参数不变，进行仿真，最后使用FFT进行谐波含量分析。仿真结果如图9与图10。

从图中可看出，在本文所设计的有源滤波器的补偿作用下，电源电流的THD值由14.88%下降到0.71%，很好的实现了滤波效果。

图9 补偿前，电源电流的频率分析图

图10 补偿后，电源电流的频率分析图

结论。通过仿真研究，p-q检测法能够准确地、实时地检测出三相电网中瞬态变化的谐波，适应三相对称无畸变电网和三相对称有畸变电网等不同场合。滞环电流控制其方法简单，控制速度快，都能够控制APF实现对谐波动态补偿。通过仿真前后谐波频谱分析，验证了本文提出的谐波补偿方法具有很好性能。

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