并联混合型有源电力滤波器的研究

胡慧慧，王鲁杨，沈贤杰，王禾兴，张 浩

(1.上海电力学院 电气工程学院，上海 200090;2.国网上海市电力公司 市北供电公司，上海 200072)

电力电子技术发展迅速且电力电子装置应用十分广泛，从而造成谐波含量日益增加、功率因数降低、谐波污染等问题.电网谐波不仅使电能质量下降，而且还导致用电设备工作不正常.电网中的谐波严重地威胁着电网自身的安全运行和用户的用电安全，因此滤除谐波变得尤为重要.

LC无源滤波器作为早期使用的补偿装置，在滤除湝波的同时还可补偿无功，但只能滤除特定频率的谐波，且其存在体积大、工作点固定等缺点，很难满足大范围、动态补偿的要求.

近年来，电力电子技术的发展有力地推动了有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)的发展.APF通过补偿的方式滤除谐波.世界各国都在研究APF中检测谐波的先进算法和相应的控制方法.目前日本投入运行的有源滤波器中，大多数都是基于瞬时无功功率的理论.[1]2006年上海交通大学与信元瑞电气公司合作推出了国内唯一一台基于能量算法的APF.根据国家电力科学研究院的评估，上海信元瑞生产的APF和静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)产品的各项性能已经达到ABB公司产品的水平，这就说明我国APF的研究水平已经上升到了一个新的高度.[2]

有源滤波器虽然可以达到动态补偿的效果，[3]但是其投资成本较高，且容量有限.为了充分利用上述这两种滤波器的优点，克服其缺点，本文对并联混合型有源电力滤波器进行了研究.

1 原理与结构

图1为所采用的并联混合型 APF结构，即LC无源滤波器和APF都与电网并联，其中LC无源滤波器是5次，7次，11次单调谐滤波器，主要用来滤掉系统中的5次，7次，11次谐波.负载与LC无源滤波器都被APF作为负载，剩下的谐波由APF补偿.

图1 并联混合型有源电力滤波器系统示意

有源滤波器的基本工作原理为:通过指令电流运算电路实时地采集补偿对象中的指令电流信号，然后根据补偿电流发生电路将所得的指令电流信号进行分析处理，再根据放大电路实现该信号的放大处理，从而实现补偿电流的数值获取，最终，通过补偿电流来抵消负载电流中谐波及无功等电流，从而得到理想的电源电流.[4]

2 控制策略

2.1 基于ip-iq谐波电流检测的PI控制法

目前，APF通常使用PI控制法.基于ip-iq谐波电流检测的PI控制原理如图2所示.

图2 PI调节法的原理示意

图2 中，将检测到的电容两端电压Ucf与给定电压值Ucr进行比较，两者之间的差值信号送到PI调节器的输入端，得到调节信号Δid.将瞬时有Δi功电流的直流分量 与d叠加，通过运算，分析提取指令信号中的基波有功电流，因为一定量的基波有功电流存在于实际的补偿电流中，所以能量交换只在有源电力滤波器的交流侧与直流侧进行，将直流侧的电容电压 Uc调到给定值.[5]当Ucf比Ucr小时，通过PI调节器调节后，使得 Δid值为正，最终获得的指令电流将含有大于零的有功电流，在该指令电流作用下，主电路一边对谐波电流进行补偿，一边接收来自电网的有功功率，从而抬高直流侧的电容电压，直至反馈值被调到给定值.反之，当 Ucf比 Ucr大时，通过 PI调节器调节后，使得Δid值为负，最终获得的指令电流将含有小于零的有功电流，在该指令电流作用下，主电路一边对谐波电流进行补偿，一边释放有功功率给电网，从而降低直流侧的电容电压，直至反馈值被调到给定值.

2.2 瞬时值比较方式

通过对补偿电流ic与其指令信号ic*的叠加分析，得到叠加后的偏差信号Δic，再通过滞环比较器，获取控制逆变器中各个开关通与断的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，原理如图3所示.为了达到实现开关通断控制的目的，PWM信号还需要通过驱动电路，从而可以控制实际补偿电流的变化.[6]

在这种控制方式中，补偿电流的跟随性能受滞环的宽度H影响很大.比如选择较大的 H值时，通断频率较低，对器件的要求也较低，但这种情况存在较大的跟随误差，补偿电流中也存在较大的高次谐波.相反，当选择较小的 H值时，尽管存在较小的跟随误差，通断频率却较高.

图3 瞬时值比较方式的原理示意

3 仿真研究

使用 Matlab/Simulink[7]构建的并联混合型有源滤波器的仿真模型如图4所示.

设置的参数如下:

(1)交流侧的三相电源相间有效值电压为220 V，频率为50 Hz，电感L为1 mH;

(2)主电路直流侧电容C为2 000 μF，直流侧参考电压设定为600 V;

(3)谐波源为三相不控桥式整流电路带电阻负载，电阻的阻值为20 Ω.

图4所示系统中湝波源产生的电流如图5所示.

图4 并联混合型有源电力滤波器的仿真模型

图5 谐波源的电流

系统中无源滤波器 A，B，C滤除5，7，11次湝波后，控制系统生成的补偿电流指令信号波形和APF实际补偿电流波形如图6所示.由图6可知，实际产生的补偿电流能够实时跟踪补偿电流的指令信号.混合补偿后的电源电流波形如图7所示.由图7可知，采用并联混合型有源滤波器滤波后，电源电流接近于正弦波.

图6 补偿电流的波形

在仿真模型中采用Breaker模块，设置在0.1 s时负载发生突变，负载电阻从原先的20 Ω突变成1 Ω，当负载发生突变时补偿后的电源电流波形如图8所示.

图7 混合补偿后电源电流波形

图8 表明，在负载发生突变的情形下，并联混合型有源电力滤波器具有较好的动态跟踪性能，补偿效果也很理想.

图8 负载突变补偿后的电源电流波形

4 结语

本文构建了并联混合型有源电力滤波器的仿真模型.仿真结果表明基于三相瞬时无功功率的ip-iq谐波检测法能够快速地检测出负载电流中的谐波分量，并且能够有效地补偿谐波电流，使得电源电流接近于正弦波，具有良好的动态补偿特性.

[1]陈经伦.电力有源滤波器谐波检测与控制方法的研究[D].长沙:湖南大学，2013.

[2]平阳乐.基于三电平变换器的并联型有源电力滤波器研究[D].济南:山东大学，2013.

[3]肖湘宁，徐永海.电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展[J].中国电力，1999，32(3):1-2.

[4]周福诞.并联型有源电力滤波器的研究[D].天津:天津大学，2007.

[5]付永生.并联型电能质量控制器设计及其应用仿真研究[D].郑州:郑州大学，2005.

[6]彭传彪，侯振义，王少坤，等.采用小波分析的滞环电流控制逆变器谐波分析[J].高电压技术，2010，36(7):39-44.

[7]孙百军，施宏，戴钱坤.并联型有源电力滤波器 MATLAB仿真研究[J].测控技术，2014，33(2):138-142.