改进型直流侧有源电力滤波器在三相系统中的应用研究

（衢州电力局，浙江衢州324000）

改进型直流侧有源电力滤波器在三相系统中的应用研究

嵇丽明，徐翀，柯明生，姜淦之，周扬飞

（衢州电力局，浙江衢州324000）

针对改进型DC侧APF具有负载输出电压可调、控制和驱动简单、储能电容容量小等优点，依据单相改进型拓扑，提出一种三相改进型DC侧APF拓扑模型，对三相整流类负载进行谐波治理具有技术优势。与三相PFC相比，该拓扑仅处理部分功率，主电路结构简单；与交流侧APF相比，简化了电路结构，减少了功率开关数量。仿真结果证明了该拓扑的正确性和可靠性。

谐波治理；整流桥类负载；谐波注入；有源电力滤波器

0 引言

随着我国工业和民用用电负荷的迅速增加，以及各种电力电子设备的广泛应用，谐波污染随着非线性负载数量及容量的增加而日趋严重，供电部门和用户对电能质量的要求则越来越高，因此人们对电力系统的谐波问题也越来越重视[1-2]。对于整流桥输入端进行谐波治理的有源电力滤波器研究，目前主要集中在对单相系统的研究[3-9]。

三相不可控整流桥在工业中大量应用，成为电力系统的主要谐波源，三相功率因数校正[10-11]和三相有源电力滤波器[12-13]是2种目前常用的针对三相整流桥的谐波治理措施。由于三相PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）需要处理几乎全部的负载功率，因此功率级电路容量大、成本高[14]，同时电路结构和控制相对复杂。

三相改进型直流（DC）侧APF（Active Power Filter，有源电力滤波器）是一种新的谐波治理方案，将有源电力滤波器移到三相整流桥的直流侧。相对三相PFC而言，该拓扑仅处理部分功率，主电路结构简单。与三相交流侧APF相比，该拓扑简化了电路结构，有源开关的数量较少，降低了成本和开关损耗。仿真结果证明了这一改进型DC侧APF拓扑模型的正确性和可靠性。

1 三相改进型DC侧APF电路工作原理

三相改进型DC侧APF拓扑模型如图1所示，二极管导通情况如表1所示。拓扑模型包含上、下2组单相DC侧APF和3个双向开关，其中低频双向开关Sa，Sb，Sc工作在二倍工频，Sp1和Sp2以及Sn1和Sn22对有源开关同时工作在高频。根据输入电压的相位关系，将每个电网周期分成6个工作区间，即区间Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，在每个区间内分别使3个双向开关中的1个导通，实现相应的解耦控制。

图1 三相改进型DC侧APF拓扑

表1 整流桥二极管导通情况

为了便于分析，假设开关Sp1和Sp2以及Sn1和Sn2的开关周期为Ts，Sp1的导通时间为dpTs，Sn1的导通时间为dnTs；三相电源是对称且无畸变的正弦波；容性负载C1和C2很大，Uc1和Uc2在开关周期内电压基本无变化，相当于理想电压源。

图2 三相改进型DC侧APF分区

该拓扑的工作区间以及低频双向开关动作情况如图2所示。根据开关的动作情况，得出解耦后等效电路（图3所示）和开关等效电路（如图4所示）。该拓扑对三相三线制整流桥负载的谐波抑制具有特定的优势和功效。

图3 三相改进型DC侧APF拓扑等效电路

图4 开关等效电路

2 多矢量误差放大器在三相系统的应用

多矢量误差放大器不仅兼顾了电路的稳态工况，而且考虑了输出电压突变的工作情况（输出电压存在一定程度的上升或下降），从而提高了整个电路在以上工况下的动态性和实时性[15]。

多矢量误差放大器的结构如图5所示，其中运算放大器EA实现稳态时的运算放大功能，R1和C是稳态输出的低通滤波器；运算放大器A1是电压跟随器，主要起隔离作用，避免将输出电压反馈网络的高阻抗导入到运算放大器A2及A3的输入端；运算放大器A2的主要功能是在输出电压升高到一定程度（例如105%）时快速降低输出电压；运算放大器A3的主要功能是在输出电压降低到一定程度（例如95%）时，快速升高输出电压。M1和M2组成镜像电流源。

2.1 主电路

运算放大器EA、电阻R1和电容C组成多矢量误差运算放大器的主路径，电压误差放大器输出电压UEA维持在允许的小波动区间内，多矢量误差运算放大器工作于主路径，实现稳态输出。

图5 多矢量误差放大器结构

2.2 高电压钳位电路

当反馈信号UIN突然上升到一定程度（常用λ =（uIN-UIN）/UIN表示电压突变程度，一般λ取值为5%～10%），高电压钳位环节电路马上作用去改变跨导放大器的跨导。该部分主要是由运算放大器A2和电阻R2及R3组成的加法器电路来完成有效降低负载输出电压的功能。

2.3 低电压钳位电路

低电压钳位电路主要包含运算放大器A3和NMOS管，当反馈电压信号UIN低于（1-λ）UIN时，电路启动低电压钳位电路，信号通过A3组成的高带宽通路，使镜像电流源产生电流，从而快速提高输出电压UEA。

3 主电路参数设计

3.1 电感L的设计

从理论上说，电感电流的动态变化率越大，跟踪效果就越好，在其它条件不变的情况下，L值越小，di/dt越大，同时也使系统成本降低；但如果L过小，会使电感中的纹波电流变大，也会影响补偿效果，电感值的选取可参考文献[9]。

3.2 储能电容C的设计

（1）对储能电容进行直接控制时，可利用脉动能量和储能电容容量的关系法来求取储能电容：

式中：r为稳态时电容电压波动范围（一般取r为2%～10%）；S为APF的容量；UC为储能电容直流电压。

（2）不对储能电容进行直接控制时，设储能电容最大波动电压为

储能电容C为：

将式（4）代入式（3），则储能电容C为：

4 谐波注入式三相DC侧APF拓扑

为了进一步减少有源开关数量，从而降低成本以及有源开关的耗损，文中引入了谐波注入式的思想，即用相应的阻抗代替中线的3个有源开关，并提出了一种谐波注入式结构的三相DC侧APF拓扑，图6为谐波注入式三相改进型DC侧APF主电路拓扑。

图6 谐波注入式三相改进型DC侧APF

在一个电源周期内，该拓扑电路工作在6个区间，现以区间I为例对图6的拓扑工作原理进行分析。

由于该拓扑是基于谐波注入式功率因数校正思想的三相三线制系统，则有：

由公式（6）、（7）得出：

由谐波注入式的工作原理及区间I下的电流关系式（8）可知，实现注入式的前提是保证流经阻抗的电流相等且为中线电流的1/3，该阻抗Za，Zb，Zc的设计方式有很多[16]。

5 仿真实验

仿真电路的参数如下：交流输入电压220 V，频率为50 Hz；输入滤波电感L1为1 mH；输出电感L2为0.25 mH；储能电容C为2 mF；负载电阻额定值为40 Ω；电路的时钟频率为25 kHz。分别对输出电压Uc1=Uc2=150 V和Uc1=Uc2=300 V进行仿真。负载为典型的电压型谐波源负载—电容滤波整流器。

图7，8，9分别是补偿前A相电流波形图、Uc1=Uc2=150 V的仿真波形图和Uc1=Uc2=300 V的仿真波形图。从图中可看出，三相改进型DC侧APF作为一种新的谐波治理方案，在不同负载输出电压情况下能够较好地抑制谐波。

图7 补偿前A相电流波形

图8 Uc1=Uc2=150 V的仿真波形

图9 Uc1=Uc2=300 V的仿真波形

6 结语

本文提出了一种三相改进型三相三线制DC侧APF拓扑，对于三相整流类负载进行谐波治理，该拓扑具有主电路新颖、补偿性能好、控制简单等优点。应用谐波注入式理论，用相应的阻抗元件代替有源开关，进一步减少了主电路中的有源开关数量，从而降低成本，扩大了应用领域。对电路启动或存在故障（短路、负载的突变或输入电压突变）等特殊情况，引入多矢量误差放大器来解决电网的动态性和实时性。针对该拓扑的动态性能以及相应的实验研究还有待进一步深入探讨和研究，以进一步验证该拓扑的正确性。

[1]吴竞昌．供电系统谐波[M]．北京：中国电力出版社，1998．

[2]王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．

[3]D.-Y.QIU,S.-C.YIP,HENRY S.H.CHUNG,et al. Single current sensor control for single-phase active power factor correction[J].IEEE Transactions on Power Electro-nics，2002，17（5）∶623-632.

[4]王群，姚为正，刘进军，等．谐波源与有源电力滤波器的补偿特性[J]．中国电机工程学报，2001，21（2）∶16-20．

[5]谢品芳，杜雄，周雒维．单周控制直流侧单相有源电力滤波器[J]．电工技术学报，2003，18（4）∶51-55．

[6]王群，姚为正，刘进军，等．电压型谐波源与串联型有源电力滤波器[J]．电力系统自动化，2000，24（7）∶30-35．

[7]侯世英，郑含博，林茂，等.直流侧串联型有源电力滤波器的单周控制方法[J].重庆大学学报，2008，31（7）∶740-743.

[8]侯世英，郑含博，刘庚，等.单相串联型直流侧有源电力滤波器[J].重庆大学学报，2008，31（4）∶408-412.

[9]侯世英，郑含博.改进型直流侧串联型有源电力滤波器[J].电网技术，2008，32（15）∶36-40.

[10]PRASADA R，ZIOGAS PD，MANIAS S.An active power factor correction technique for three-phase diode rectifiers [J].IEEE Trans on Power Electronics，1991，6（1）∶83-92.

[11]QIAO C，SMEDLEY K M.A general three-phase PFC controller for rectifiers with a series-connected dual-Boost topology[J].IEEE Transactions on IndustryApplic1 ations, 2002，38（2）∶137-148.

[12]EI-HABROUK M，DARWISH M K，MEHTA P.Ative power filters∶a review[J].IEE Proceeding-Electric PowerApplications，2000，147（5）∶403-413.

[13]王跃，杨君，王兆安，等．电气化铁路用混合电力滤波器的研究[J].中国电机工程学报，2003，23（7）∶23-27.

[14]杜熊，周雒维，侯世英．三相整流桥直流侧并联型有源电力滤波器[J].中国电机工程学报，2008，28（15）∶98-102.

[15]张永铂.一种无乘法器的CMOS PFC控制电路[D].西安电子科技大学，2007.

[16]曹建安.双开关三相有源功率因数校正技术的研究[D].西安交通大学，2002.

（本文编辑：龚皓）

Research onApplication of Improved DC SideActive Power Filter in Three-phase System

JI Li-ming，XU Chong，KE Ming-sheng，JIANG Gan-zhi，ZHOU Yang-fei
（Quzhou Electric Power Bureau，Quzhou Zhejiang 324000，China）

As the improved DC side active power filter（APF）is characterized by adjustable load output voltage，simple control and drive，small storage capacitance etc.，this paper proposes an improved three-phase DC sideAPF topology model based on an improved single-phase topology，which has great technical advantages of harmonic elimination for three-phase rectifier load.Compared with the three-phase power factor correction（PFC），the proposed topology only processes part of power and the main circuit structure is simple; compared with theAC sideAPF，the circuit structure is simplified and the amount of the power switches is reduced.The simulation results show that this topology has high accuracy and reliability.

harmonic elimination；bridge rectifier type load；harmonic injection；active power filter

TM714

：B

：1007-1881（2012）06-0013-04

2011-11-31

嵇丽明(1982-)，男，浙江衢州人，工学硕士，助理工程师，从事高压试验及远动检修工作。