并联有源滤波器的设计方法研究

涂福荣 黄建涛 章龙洪

1.福建省电力勘测设计院 福建 福州 350003；2.福建省大田县水利局 福建 大田 366100

0 引言

电力电子设备是一种非线性用电设备，广泛应用于工业领域，如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等。这些设备给电网带来了严重的谐波污染，电力滤波器的出现就是为了治理谐波污染。

电力滤波器的类型有：无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器等。其中，有源电力滤波器（APF）最具发展潜力，它克服了无源滤波器易受电路参数影响、易与电网发生谐振现象等缺点，可以解决电力系统谐波、无功补偿、三相不平衡等多种问题。

有源电力滤波器的电路结构较为复杂，元器件参数不易确定，控制算法的可靠性检测困难。借助计算机仿真来设计有源滤波器，可以达到事半功倍的效果。

本文利用Matlab仿真软件，采用基于三相瞬时无功功率的指令电流产生方法、滞环电流跟踪控制方法，对控制系统做了仿真分析，检验控制算法的可靠性。

1 并联有源滤波器的工作原理

并联有源滤波器（APF）相当于一个谐波电流发生器，它由电流运算电路、补偿电流发生器两部分组成[1-2]。

其工作过程如下：首先，检测负载电流中的谐波电流；然后，通过适当的控制算法，使得滤波器产生补偿电流，这个补偿电流与负载谐波大小相等、方向相反。这样，就可以抵消电路的谐波电流，使电源侧的电流接近于正弦波。

并联有源滤波器 （APF）的工作原理如图1所示。

图1 并联有源滤波器的工作原理

其中：is为电源电流；ic为补偿电流；il为谐波电流；ib=il-ic。

并联有源滤波器（APF）控制电路是实现谐波治理的核心部分，它决定着滤波性能，它包括谐波检测电路、补偿电流计算电路两部分。

目前，常用的谐波检测方法主要有：瞬时空间矢量法；基于H的数字化分析法；自适应检测法等。

补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压型逆变器，控制方法有：三解载波线性控制；滞环比较控制；无差拍控制等。

2 有源滤波器的控制系统

2.1 指令电流计算

指令电流运算的主要过程是，检测出负载电流中的谐波电流，并将与谐波大小相等、方向相反的电流作为滤波器的指令电流。

本文采用了基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波计算方法，其计算原理如图2所示。

图2 ip-iq方法谐波计算原理

设ia、ib、ic为负载的三相电流，按照瞬时无功功率理论进行运算，可得瞬时有功电流分量ip和瞬时无功电流分量iq。

ip、iq经过低通滤波之后，可得基波电流的有功分量、无功分量再经反变换后，即得三相基波电流的瞬时值：

最后，用负载电流值减去基波电流值，即得三相谐波电流，即三相指令电流：

sinωt、－cosωt是通过PLL锁相环和正余弦发生电路得到的，它与电源的电压同相。

若设定iq=0，则ip、iq经反变换之后，可得到负载电流基波有功分量的瞬时值，可以实现对无功电流的补偿。

基于瞬时无功功率理论的ip-iq法计算量小、实时性好[3]，还可以根据不同的需求进行选择性补偿。

2.2 直流侧电压的稳定

主电路直流侧电容电压的稳定也很重要，在APF的工作过程中，电容电压的稳定，可以确保PWM电流控制的准确性。

直流侧电压的稳定控制方法有两种：

1）通过增加单独的整流电路为直流侧电容供电，此种方法增加了电路的复杂性，较少采用。

2）是直流侧电容从电源直接获取能量，通过施加适当的控制策略，将电容电压维持在适当的范围内，其原理如图2所示。

图中，U*c为电容电压的给定值，Ucf为电容电压的实际值。Ucf作为控制系统的反馈值，U*c与Ucf的差值经过PI控制器，得到调节信号Δip，Δip叠加到基波有功分量之中。

当Δip＞0时，从电网流出的有功电流经升压斩波电路对电容进行充电；当Δip＜0时，则将电容电压进行逆变，将有功电流回馈电网。这就是实现直流侧电容电压的稳定原理。

2.3 滞环电流跟踪控制

滞环电流跟踪控制的作用是，通过施加适当的控制方案，产生电力电子器件的开关逻辑信号，使得实际补偿电流icf能够实时跟踪指令电流信号i*c。

图3 滞环电流跟踪控制原理

PWM变换器的滞环比较方法如图3所示。其中，i*为参考输入电流指令，i为输出负载电流反馈，e＝i*－i为电流跟踪误差，2ΔI为对称滞环比较器的滞环宽度。

当e＞ΔI时，输出PWM=1，变换器输出电压u0＝ud，输出电流i上升；当e＜ΔI时，输出PWM=0，变换器输出电压u0＝ud，输出电流i下降。依次反复，便实现了对输出电流i的跟踪控制，使其跟随指令电流i*。

滞环电流比较方式的优点是，便于采用硬件来实现，实时较好，精度高且电流响应速度快，稳定性好[4]。缺点是开关频率波动较大，甚至超过开关器件的频率容限，使其损坏。需要改进相关的软硬件技术来稳定开关频率，保护开关器件。

3 滤波器的仿真设计

3.1 仿真模型

本文利用Matlab的电力系统工具箱，建立了并联有源滤波器的仿真模型，如图4所示。谐波源采用三相Diodes整流器带电阻负载，其中，电阻与晶闸管并联，电阻是可变的，主电路三相变流器的功率器件采用IGBT/Diodes。

滤波器的仿真参数：

电压源为标准的三相正弦波，线电压380V，频率50Hz； 负载电阻R1=10Ω，R2=10Ω，R3=30Ω， 0~0.5s晶闸管关断，等效电阻为50Ω，0.5s晶闸管导通，等效电阻为30Ω；L1=5mH，L2=10mH。

直流侧电容C=4700μF，给定电容电压初始值为700V，电压指令为700V。

滞环宽度为0.2A，指令电流滤波采用Butterworth Filter，截止频率为20Hz；直流电压环PI参数，Kp=2，Ki=20。

图4 有源滤波器的仿真模型

3.2 仿真结果分析

1）负载电阻不变时的波形

在t=0~0.5s，晶闸管关断，负载电阻始终为50Ω，仿真波形如下：

图5 直流侧电容电压Udc

图5中，蓝线为电压指令值，红线为实际电压值。t=0s，电容电压初始值为700V，仿真开始后电压波动并跟踪指令值；t=0.2s，电容电压基本稳定在700V左右，验证了控制算法的正确性。

图6 谐波源电流

图7 谐波源电流的频谱图

图6为谐波电流波形，可以看出，其谐波畸变率（THD）高达25.22%，FFT分析显示，谐波电流中含有多种谐波，尤其5次、7次谐波的幅值非常大，分别达到了基波幅值的22%和9%。

图8 电源电流

图9 电源电流频谱图

图8为电源电流的波形，可见，经APF补偿后，电源电流的正弦度非常好。

图9的频谱图表明，电源电流的各次谐波含量均显著减少，5次和7次谐波的不到基波幅值的1.5%，谐波畸变率也下降至3.96%。可见，由非线性负载所带来的谐波电流被有效地抑制了。

由图10可见，滤波器的实际补偿电流能够很好地跟踪指令电流。

2）负载电阻突变时的波形

在t=0.5s，晶闸管导通，负载电阻从50Ω突变至30Ω，仿真波形如下：

图10 补偿电流跟踪指令电流

图11 电阻突变时的直流侧电压Udc

图11中，线1为电压指令值，线2为实际电压值。t=0.5s，负载电阻突变，电容电压也跟着突变，t=0.6s，Udc基本稳定在700V左右。

图12 电阻突变时的谐波源电流

图12为负载电阻突变时的谐波电流波形，可见，t=0.5s，电阻突变后，谐波源电流从11A增大到15A左右。

图13 电阻突变时的电源电流

图13为负载电阻突变时的电源电流波形，可见，t=0.5s，电阻突变后，电源电流从11A增大到15A左右，始终保持很好的正弦度。

这说明，在电阻突变的情况下，本文设计的滤波器仍能很好地完成谐波治理。

4 结论

本文利用Matlab的电力系统工具箱，采用的是基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波算法、滞环电流跟踪控制方法，设计了并联有源滤波器。

仿真结果表明，本文的元器件选型、控制方案较为合理，控制效果良好，计算机仿真为滤波器设计提供了一条便捷有效的途径。

[1] 王金星，王庆平，贾长朱，杨刚，陈超英.MATLAB在有源滤波器仿真设计中的应用 [J].电力系统及其自动化学报，2001，13（4）：43-46.

[2] 陈国柱，吕证宇，钱照明.有源滤波器的一般原理及应用[J].中国电机工程学报，2000，20（9）：17-21.

[3] Zhou Luowei，Du Xiong，Hou Shiying.A comprehensive analysis of one cycle controlled single-phase DC side active power filter[C].IEEE International Conference on Industrial Technology，Hong Kong，China，2005.

[4] 谈龙成，陈永刚，常国洁等.有源电力滤波器的电流控制新方法[J].电网技术，2006，30（21）：62-65.