一种无谐波检测的三相四线有源电力滤波器

韩 旗，张艳军

（1.海军驻上海704研究所军事代表室，上海 200031；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

一种无谐波检测的三相四线有源电力滤波器

韩 旗1，张艳军2

（1.海军驻上海704研究所军事代表室，上海 200031；2.中国船舶重工集团公司第704研究所，上海 200031）

介绍了一种无谐波检测的三相四线有源电力滤波器，可以同时补偿谐波和无功且不需要对谐波和无功进行检测。采用控制流入直流侧电流的大小和方向的方法使直流侧电压稳定，详细分析了负载有功电流对直流侧电压的影响；将负载有功电流作为扰动，提出了一种无谐波检测的新型控制策略，省去了复杂的检测算法，避免了检测算法引起的误差和延时，提高了动态响应速度。介绍了主电路参数的选型，并研制了一台实验样机，实验结果表明所提出的无谐波检测的三相四线有源电力滤波器具有较好的谐波、无功和不平衡补偿效果，较快的动态响应速度。

三相四线；有源电力滤波器；无谐波检测

0 引言

随着电力电子设备的广泛应用，大量的电力电子设备给电网带来了严重的无功和谐波危害[1]。有源电力滤波器（Active Power Filter-APF）[2-5]作为一种新型的谐波和无功抑制装置，可以动态地补偿、抑制谐波，并克服无源滤波器的缺点，有效地改善了电网的电能品质。APF为了能实时补偿非线性负载含有的谐波和无功功率，就需要对待补偿的非线性负载的谐波、无功功率进行实时检测。谐波、无功检测算法主要有基于傅里叶变换检测算法、基于瞬时无功功率理论检测算法、基于神经网络检测算法[6-8]。基于傅里叶变换检测算法需要采样一个基波周期的电流或电压信号再进行FFT分析，计算量大、计算时间长、实时性差；基于瞬时无功功率理论检测算法计算量较小，但算法中含有的低通滤波器会产生一定的延时，导致动态检测误差；基于神经网络检测算法是一种新兴智能检测算法，检测精度高、响应快，但神经网络的学习因子影响检测的速度和精度，而检测速度与精度是矛盾的，因此选择适当的学习因子同时达到检测速度和精度最优是很困难的。谐波、无功的检测算法不可避免的会有检测误差，进而影响补偿的效果。

文献[9]介绍了一种无谐波检测的三相并联型电能质量调节器，提出了一种无谐波检测控制策略。本文将该控制策略改进推广应用到三相四线制有源电力滤波器，介绍了三相四线制有源电力滤波器的无谐波检测的控制策略，详细设计了主电路参数，研制了一台实验样机，实验结果表明无谐波检测的三相四线制有源电力滤波器可以同时对非线性负载进行谐波、无功、不平衡电流补偿，补偿效果好且动态响应速度快。

1 结构与原理

图1为三相四线有源电力滤波器的结构框图，主体为三相四桥臂电路，其交流侧通过 LCL与三相电网及中线N连接，通过检测控制生成PWM波驱动三相桥的开关器件 IGBT，向电网注入一定的电流用以消除电网谐波、无功电流和不平衡电流；其直流侧接有母线支撑电容，用以缓冲谐波和无功能量，稳定直流电压。

图1 系统结构框图

2 无谐波检测控制策略

2.1 直流侧电压控制方法

有源电力滤波器的补偿电流发生电路由电压型PWM 变流器及其相应的电流跟踪控制、驱动电路组成。为了保证其有良好的谐波电流补偿性能，必须将直流侧电压控制为一个稳定的值。直流侧电压控制的传统方法是为直流侧电容提供一个独立的直流电源，需要另外一套电路，增加了系统的复杂程度。本文通过控制流入三相四桥臂电路的有功功率大小和方向使直流侧电压稳定在给定值，不需要另外的硬件电路。

图2 直流侧电压控制框图

2.2 有功电流扰动对直流侧电压的影响

由交流侧和直流侧瞬时有功功率平衡得：

则：

稳态时，Vdc=VDC，则：

所以直流侧电压控制结构为图 3，其中，Gc(s)为PI控制器的传递函数，Gi(s)为电流环的闭环传递函数。

把负载基波有功电流iLp作为系统的扰动，那么直流侧电压控制结构图变为图 4，可以得到直流侧电压Vdc对扰动iLp的响应：

图3 直流侧电压控制结构

式中，Gi(s)为电流环的闭环传递函数，约为 1；Gc(s)为PI控制器的传递函数，且Gc(s)＞＞1，因此可以得到：

式（5）说明直流侧电压闭环大大抑制了负载基波有功电流iLp对直流侧电压产生的影响，因此可以把负载基波有功电流iLp作为一个扰动。

2.3 新型控制策略

有源电力滤波器常用的控制策略如图5（a），通过检测算法检测出负载谐波和无功电流 iLc，与直流电压环输出之和作为电流内环指令，电流内环指令与反馈电流ic之差经过PI调节器产生PWM波驱动IGBT工作，产生相应的补偿谐波和无功电流，使电网电流不含有谐波。

图4 直流侧电压控制结构（iLp作为扰动）

根据2.2章节内容，将iLp作为系统的扰动，得到控制框图 5(b)。同时负载电流由有功电流 iLp，谐波和无功电流iLc两部分组成，如式（6）所示。

将负载有功电流iLp和谐波和无功电流iLc合并成负载电流 iL得到控制结构图 5(c)。此新型控制策略采用电压电流双环控制，直流侧电压外环产生稳压电流指令与负载电流 iL之和作为电流内环的指令，与反馈电流ic比较后经过PI调节器产生PWM驱动信号驱动IGBT。本文提出的控制策略与传统常用的控制策略不同之处是把负载有功电流iLp作为扰动，不需要将负载电谐波和无功电流从负载电流中检测分离出来，省去了复杂的检测算法，避免了复杂检测算法引起的延时和误差，提高了补偿效果和动态响应速度。

中线零序电流采用N相桥臂进行补偿，N相控制策略如图5(d)，三相负载电流之和作为N相补偿电流指令与反馈电流icN比较后经过PI调节器产生PWM驱动信号驱动N相IGBT。

图5 控制框图

3 主电路设计

3.1 直流侧电容的选取

直流侧电容主要是提供一个稳定的直流电压，来缓冲高次谐波电流和负序电流在逆变器直流侧造成的能量波动。负序电流是造成能量脉动的主要原因。考虑系统输出一半容量的基波负序、零序电流，则直流侧电容容量必须满足[10]：

式中，T为直流侧电压波动周期；Vdcmax为直流侧电压波动的上限值；Vdcmin为直流侧电压波动的下限值。

由以上关系可得直流侧电容的计算公式，如下所示：

3.2 LCL滤波器设计

LCL滤波器具有比L型滤波器更理想的高频滤波效果，从而常被用于大功率、低开关频率系统的滤波环节。LCL设计时要满足以下条件[11]：

1）进线电感 Lr不仅会影响电流环的静态和动态响应特性，要综合考虑高次谐波抑制效果和电流跟踪特性。

2）为了让高次谐波流过电容支路，电容与逆变器侧电感阻抗应满足关系：

3）电容吸收的无功必须限制在一定数值内，则：

式中，λ为电容C吸收的无功功率；P为系统额定功率；Vg为电网相电压有效值。

4）LCL滤波器的谐振频率应该在10fg～ 0.5fs之间：

5）满足较好的电流跟踪效果，则：

LCL设计完成后，应同时满足以上5个条件，否则进行重新迭代设计。

4 实验结果

为了验证本文所提出的控制策略的有效性，研制了一台10kVA的三相四线制的并联型有源电力滤波器实验样机。实验参数如下：负载为三相不控整流桥带阻感性负载，负载电阻为6.8Ω，负载电感为3mH，A相与N相之间接7Ω的电阻；电源线电压为380V，直流侧电压为750V，开关频率为10kHz。

图6为稳态实验波形，图6(a)为A相补偿波形，由上至下分别为负载电流 iL、电网电压 us、电源电流is、输出补偿电流ic；图6(b)为N相补偿波形，由上至下分别为N相负载电流，N相电源电流。电源电流经过补偿后变为规则的正弦波且与电网电压同相，表明无谐波检测的三相四线有源电力滤波器谐波和无功补偿特性好。N相电源电流经过补偿后基本为零，表明具有较好的零序补偿效果。

图6 稳态实验波形

图7为动态的实验波形。负载电阻由6.8Ω减小到3.4Ω，负载突然增大一倍后，经过 1个基波周期后就达到稳态且具有较好的谐波和无功补偿效果，可见本文提出的控制策略具有较快的动态响应速度，能快速跟踪补偿跳变的负载，特别适用于电弧焊等谐波负载。

图7 动态实验波形

5 结论

本文介绍了三相四线制有源电力滤波器的无谐波检测的控制策略，较传统控制策略省去了复杂的谐波、无功检测算法，避免了检测算法引起的误差和延时，提高了补偿效果和动态响应速度；详细设计了主电路参数，研制了一台10kVA实验样机，实验结果表明无谐波检测的三相四线制有源电力滤波器可以同时对非线性负载进行谐波、无功、不平衡电流补偿，补偿效果好且动态响应速度快，较常规控制策略具有明显的优势。

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A Three Phase Four Wire Active Power Filter without Harmonic Detection

HAN Qi1, ZHANG Yan-jun2
(1. Navy Representative Office Stationed at No.704 Research Institute, Shanghai 200031, China; 2. No. 704 Research Institute, CSIC, Shanghai 200031, China)

A non-harmonic detection three phase four wire active power filter is introduced, which can compensate harmonics and reactive power without harmonic and reactive power detection. A DC voltage control method，controlling the magnitude and direction of the current flowing into DC side to make DC voltage steady is proposed. The influence of load active current on the DC voltage is analyzed in detail. A new non- harmonic detection control strategy is proposed with load active current as a perturbation. The proposed control strategy avoids complex detection algorithm, errors and delay caused by detection algorithm, which improves dynamic response speed. The main circuit parameters selection method is introduced and a prototype is developed. Experiment results exhibit excellent harmonic, reactive power and unbalance compensation performance and fast dynamic response speed.

three- phase four-wire; active power filter; non-harmonic detection

TM464

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.021

韩旗（1970-），男，高级工程师，研究方向为电气及自动化。

张艳军（1988-），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力电子和电能质量治理。