混合型有源滤波器谐波检测复合算法的研究

吴文博，吴 雷

（江南大学 工业节能与控制技术无锡重点实验室，江苏 无锡 214122）

混合型有源滤波器谐波检测复合算法的研究

吴文博，吴 雷

（江南大学 工业节能与控制技术无锡重点实验室，江苏 无锡 214122）

为了提高混合型有源电力滤波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）的电流检测方法的性能，提出一种基于自适应有限脉冲响应（FIR）预测与FBD电流检测相结合的电流检测算法。通过对注入式混合型有源滤波器（IHAPF）结构及工作原理的分析，将算法应用于该装置谐波电流检测环节。最后采用Matlab对模型进行仿真分析，试验结果证明复合算法理论的正确性。

混合型有源滤波器；FBD算法；FIR滤波器；谐波检测

随着电力电子技术的发展，更多的非线性用电设备对电网的谐波污染问题越来越严重[1]。有源电力滤波器（APF）由于其动态无功与谐波电流补偿的性能良好，在电能质量调节领域得到广泛的应用。然而，单独使用APF时，要求有源滤波器具有较大的容量，这对功率器件的选择造成较大困难，同时也增加了成本。将有源滤波器和无源滤波器混合使用组成混合型有源滤波器（HAPF），充分结合无源滤波器（PPF）与 APF优点，既具有 PPF结构简单、容量大、成本低的优点，又有APF动态补偿、谐波抑制频谱宽、运行可控的优点[2-3]。将无源滤波器与有源滤波器混合使用，可以克服PPF与电网阻抗发生谐振，以及APF容量不足的限制。

1 HAPF工作原理

如图1所示，混合型有源电力滤波器有源部分由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路、主电路以及逆变器直流侧电容组成。控制系统主要包括两大部分：谐波电流检测电路和补偿电流发生电路。检测部分的作用是检测出补偿对象中谐波分量，补偿部分的作用是根据检测的谐波分量信号计算产生实际的补偿电流。补偿电流与待补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反。相互抵消，最终得到期望的电网电流。使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的。

图1 混合型有源滤波器控制系统图Fig.1 Control system of HAPF

上述原理可用如下的一组公式描述：

其中iLf和iLn分别表示负载电流的基波值和谐波值，iC表示补偿电流值。

有源滤波器的性能，很大程度上取决于对谐波电流以及基波无功电流检测的速度与精确程度。因此对谐波电流检测方法的研究具有十分重要的意义。

2 HAPF谐波电流检测复合算法

2.1 FBD法进行电流检测

如图2所示，FBD法是将电流投影到电压坐标系上，电压决定检测结果，其思路是：把实际电路中的负载等效为理想电导元件。电路中的功率都消耗在这个等效电导上，而没有能量的损失[4－5]。根据等效电导对电流进行分解，讨论各电流分量的性质。把一个实际电路等效为m相系统．能量从源系统传递到负载系统，等效电路如图所示。

图2 FBD法m相等效电路Fig.2 Equivalent circuit diagram of FBD

其中，u和i分别为系统的电压和电流矢量，Gp（t）为等效电导，ip为有功电流。图中的量均为瞬时值，由理论可知，若有一个合适的功率补偿装置与负载并联．就可以实时补偿检测到的各种电流分量。

图3 基于FBD法的基波电流检测方法Fig.3 Method of fundamental current detection based on FBD

如图3所示，在三相制系统中，a、b、c三相的电压相位、电流相位依次相差120°，设三相电路的电源电压经过同步锁相环PLL后的有功参考电压矢量up为

假设三相系统中负载电流均包含正序、负序、零序分量，则负载电流表达式为：

经过LPF后，得到线性等效电导

通过锁相环和低通滤波器可以获得电网电压相位信号以及GP（t）的直流分量。继而可以检测出基波有功电流分量和基波无功电流分量，将总负载电流减去基波有功电流及基波无功电流，便得到负载的总谐波电流。

2.2 自适应FIR预测算法

由FBD法检测原理可知，无功及谐波检测的准确性以及速度很大程度上决定于LPF的性能[6－8]。本文提出基于自适应FIR（Finite Impulse Response）预测滤波器的谐波检测，并结合FBD的电流检测法更好地完成电流检测和滤波效果，其突出的特点是通过预测算法从负载畸变电流中分离出基波电流，而不会引起基波电流的相移，从畸变电流中减去基波电流就可得到所需的谐波电流。当采样频率增加时，谐波信号的产生总是只有一次减法的延时，而大部分的计算都在空闲的时间里进行，保证计算能够及时完成且不对采样频率产生过大的限制，大大提高了系统的实时性，从而可以降低系统离散化程度。

其自适应滤波算法原理图如图4所示。

图4 自适应滤波器结构图Fig.4 Configuration of adaptive predictive filter

复合算法整体思想如图5所示，设系统采样频率为fS，每个周期采样M点。通过FBD法计算负载侧基波电流，从当前时刻开始，在过去的一个周期的负载侧基波电流中

如图4所示，可知：

图5 复合检测的实现思想Fig.5 Realizing idea of detection

如图5所示，等间隔抽取N（N=M/k）个数据，通过自适应预测从当前采样周期开始第k个采样周期的负载侧基波电流，当前采样周期与第k个采样周期的负载侧基波电流，当前采样周期与第k个采样期之间的其它采样周期的负载侧基波采用内插值算法计算得到。在接下来的k个采样周期只对总的负载电流检测，执行一次减法运算，即从检测得到的负载电流中减去电网基波电流预测值得到有源电力滤波器参考电流。

3 主回路拓扑结构

如图6所示，在多种混合型有源滤波器结构中，本文选取注入式混合型有源滤波器 （Hybird Active Power Filter With Injection Circuit，IHAPF）作为复合检测算法的研究对象。其单相等效电路如图7所示。

图6 注入型HAPF主电路拓扑结构Fig.6 Topology of injection type hybrid APF

图7 IHAPF单相等效电路图Fig.7 Single－phase equivalent circuit of IHAPF

负载谐波被看做谐波电流源ILh，有源部分逆变器为电压型逆变器，其输出为U。APF通过抵消负载电流中的谐波成分，从而达到了谐波治理的目的。其中L为输出滤波器电感，C1、L1分别为为基波谐振直路电容和电感，ZS，CS分别为电网阻抗和注入电容，USh为电网谐波电压。IHAPF是一种既能够补偿一定容量的无功，同时又可抑制谐波的有源滤波装置。通过对电容C0合理取值，可补偿一定容量的无功功率，由于注入支路中存在串联基波谐振支路，使有源部分不再承受基波电压，从而降低逆变器开关对电压等级的要求，在很大程度上减小了对有源部分的容量要求。根据负载特点，在负载侧并联5次、7次单调谐路滤波器组，用以滤除含量较高的5次和7次谐波。

4 仿真及实验结果分析

为了验证复合检测在串联注入式并联混合型有源滤波器中的应用效果，通过电力电子专业仿真软件MATLAB对本文提出的预测法进行仿真研究，仿真采用三相可控桥带阻感负载，R=100 Ω，L=58.7 MH； 三相交流电源为 10 kV，50 Hz；采样频率为6.4 kHz，即每个工频周期采样128点；仿真时间设为 0.1s；数据窗长度 N=20；算法中涉及 β=0.99，α=0.97，γ=0.003 2。仿真结果如图8～10所示。

图8 HAPF未投入电网时波形及分析Fig.8 Simulation waveform of harmonic current before HAPF put into operating，and FFT analysis

图9 投入运行后电网电流及分析Fig.9 Simulation waveform and FFT analysis of grid current after HAPF put into operating

图10 谐波电流Fig.10 Simulation waveform of harmnic current

5 结 论

根据谐振式混合型有源电力滤波器构建数学模型，并将复合检测算法应用于该滤波装置，基于该模型分析电网电流的变化，对检测到的谐波电流进行合理的补偿，通过Matlab仿真证明该算法的正确性与有效性，且验证了应用算法进行谐波检测的IHAPF性能良好，可快速、明显的降低电网中谐波含量。

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Research of hybrid active power filter current detection

WU Wen-bo，WU Lei
（Key Lab of Industrial Energy Conservation and Control Technology， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

In order to improve the performance of Hybrid Active Power Filter （HAPF） harmonic current detection method，a new method based on an current testing algorithm of combining adaptive finite response （FIR）with FBD.Based on the analysis of the structure and working principle of Parallel Hybrid Active Power Filter with resonance injunction circuit，the proposed method is applied into harmonic current detection ofPHAPF.Finally the Matlab/Simulink simulation results verify the correctness of the algorithm.

Hybrid active power filter； FBD algorithm； FIR filter； harmonic detection

TM713

A

1674－6236（2013）08-0099-03

2012-11-02稿件编号201211011

吴文博（1985—），男，内蒙古通辽人，硕士研究生。研究方向：电机与电器。