串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计及仿真

王少杰，张雪珍

(邵阳学院 信息工程系，湖南 邵阳，422000)

串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计及仿真

王少杰，张雪珍

(邵阳学院 信息工程系，湖南 邵阳，422000)

针对谐波对电网及工业企业造成的危害，有针对性的对谐波治理给出了综合性的设计方案，提出了串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计，专门对低压侧负载谐波治理进行了科学的设计，对基波串联谐振及LC滤波参数进行了全面论证考虑，最后给出了仿真应用电路图，仿真结果表明该方案的科学性、可行性，对谐波治理有良好的借鉴意义。

注入式；混合有源滤波器；无源滤波器；谐波治理

随着电力电子技术的发展，非线性负载的多样性导致电能质量难以得到保证，利用有源电力滤波器治理电网和相关企业谐波[ 1-2]，又会呈现出矛盾的两面：一方面，要想理想地滤除谐波，滤波器的容量就会相应的扩容增加；另一方面，随着容量的增加，相关企业的运行成本则会明显提升，社会效益和经济效益就会大打折扣。如何在二者之间求得平衡，是摆在科学工作者面前的难题。就目前而言，将无源滤波器和有源滤波器混合使用，既能达到降低有源部分容量，又降低相关企业成本，是比较好的选择。整体上综合考虑，利用无源滤波器滤除谐波源中的特定次谐波，再利用有源谐波器来做进一步补偿，既能达到抑制谐波，又能在相应的设计上增加无功补偿，防止电压闪变，抑制电压不平衡工况出现[3-6 ]。可以说，混合有源电力滤波器能够比较好的解决这一问题。本文将上述存在的问题，给出了串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计方案。

1 串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计方案

针对低压负载侧谐波电流的治理，就串联谐振注入式混合型有源电力滤波器(Series resonance the injection hybrid active power filter,SRIHAPF)拓扑结构[7]，专门设计出了0.4kV的串联谐振注入式混合型有源电力滤波器的综合设计方案(如图1所示)。其基本原理是通过高精度采样CT实时监测负载电流，转换成数字处理器可读信号后通过一系列的运算，以PWM调制方式，控制核心的智能功率模块(IPM)输出与谐波分量大小相等、极性相反的电流，达到消除谐波净化电网的目的。

图1 SRIHAPF总设计结构框图Fig.1 The integrated design block diagram of SRIHAPF

如图1所示，在这个设计方案中，上位机和下位机之间进行串口通信，再根据两者之间共同的通讯协议来进行数据的交换，达到对低压负载侧谐波电流的检测、分析、补偿及显示。上位机部分主要包括控制系统中的PC机和显示器，PC控制器通过PC串口向下位机发出操作指令，显示器则是将下位机监控的采样数据、电流谐波补偿数据等一些动态参数显示出来。下位机部分主要集中了双DSP控制器、谐波电流检测电路及补偿主电路结构。DSP处理芯片选用TMS320家族系列中的TMS320LC240，其中两个高速的DSP处理器，一个控制主电路控制系统中的PWM整流IPM模块，另一个则控制有源逆变IPM模块，同时将复杂可编程逻辑器件(CPLD)控制与高速串行通信芯片TL16C750进行数据交换，然后通过低电平转换芯片MAX3485将数据信号传送给上位机。采用双DSP处理器具有明显的优势，它们有性能好、数据运算速度快、精度高、功耗低，动态性突出。SRIHAPF装置的主电路主要是实现负载侧总电流的采样，计算分析出参考谐波电流，并进一步得出补偿谐波电流，注入电网的负载侧，SRIHAPF设计的电路原理图如图2所示。

图2 SRIHAPF系统电路原理图Fig.2 The principle circuit of SRIHAPF

从相关行业用电检测报告可以看出，民用与工业建筑设施中电梯、自动扶梯、升降机等设备主要产生5、7次谐波；照明装置中荧光灯、调光灯等非线性照明设备主要产生3、5次谐波；含变频/软启动器的制冷、制热设备、通风设备主要产生5、7、11次谐波；计算机、数据处理设备和网络通讯设备等主要产生5、7次谐波；不间断电源UPS主要产生3、5次谐波。从检测报告进一步分析出，低压生活与工业用电中非线性负载产生的3、5次谐波电流占有的比重最大，因此图2的设计方案中设计了固定滤除3、5次谐波的LC无源滤波器，还设计了能提供基波通路的基波串联谐振电路，参数设计如表1所示。通过LC无源滤波器可滤除大部分的3、5次谐波电流，再利用有源滤波装置对剩下的谐波电流进行更加全面的精滤。

表1 基波串联谐振LC滤波参数

Table 1 The LC filter parameters with fundamental wave series resonance

次数电容值C(μF)电感值L(mH)电阻值R(Ω)基波101.31000.053次56.3200.055次20.3200.05

SRIHAPF滤波装置在进行谐波治理时，随着谐波电流的减小，谐波电流吸收公用电网中的无功功率也随之相应减小，在某种程度上起到了一定的无功补偿作用。若非线性负载侧的电压、电流波形发生较为严重的畸变以及功率因素过低，治理效果不明显，达不到电力部门提出的要求，这时就要考虑就地加装无功补偿装置就地平衡电网中的无功功率。如图2的系统原理图所示，无功补偿电容C应根据实际需要补偿的无功来选取。其中耦合变压器的变比n一般在1到3之间选取，可使耦合变压器的总损耗降低。

2 应用仿真

采用图1对应的图2设计的SRIHAPF原理图，对三相三线制低压侧非线性负载发生突变时进行仿真分析。系统的仿真采用MATLAB2013a/simulink，仿真所采用的三相电压为220V、50Hz，仿真时间为0.35s，算法采用ode23tb，当负载发生突变时总体系统仿真模型如图3所示。

图3 SRIHAPF系统总体仿真图Fig.3 The integrated simulation of SRIHAPF

按图3建模后应对仿真模型进行参数设置，输出滤波器电感设定为Lo=10mH，电容值设定为Co=1×10-3μF。有源逆变器直流侧电压拟采用为500V，直流侧电容设定为Co=50μF，PWM控制模块中，其载波比控制为100，即三角波频率设定为5kHz，其开关阈值设定为1.1。对系统在t=0.2s负载发生突变时进行分析，系统电压保持不变仍为220V，负载突变前设定C=2μF、R=20Ω、L=4mH，突变后变为C=1μF、R=10Ω、L=2mH。谐波检测方法采用基于FIR的自适应预测算法，检测出参考谐波电流，再将参考电流送入PWM有源逆变模块，其中自适应预测算法利用S-Function编程，保存为m文件，在Simulink中调用出来，再将输出参数封装成一个电流检测模块。对参考谐波电流控制采用双闭环控制策略[ 8-9]，封装在PWM有源逆变模块中，递推积分调节器的参数设置为Kp=20，KI=200。为使SRIHAPF达到更好的补偿效果，应对直流侧的电压做适当控制，通常意义上来说，使直流侧在0～0.04s对电容进行预充电，0.04～0.2s电压设定为500V，0.2～0.35s时电压保持在600V，由于三相电压、电流谐波波形不便于观察，因此以a相为例，对SRIHAPF的谐波治理效果进行分析。

图4 a相负载总电流波形Fig.4 The load current waveform of a phase

图5 a相负载谐波电流波形Fig.5 The harmonic current waveform of a phase

图6 传统PI单闭环控制谐波补偿电流波形Fig.6 The harmonic compensation current waveform of traditional PI single closed-loop control

图7 检测的谐波电流与实际补偿电流的偏差波形Fig.7 The deviation current waveform of detection harmonic current and actual compensation

从上图可以看出，采用传统的PI调节器单闭环控制SRIHAPF产生的补偿电流在负载发生突变时，补偿的误差较大，不能立即跟踪负载谐波电流的变化，实时性不好，在突变后的一个周期内，谐波电流允许值不能控制在允许值以内。但是在系统稳定运行时，补偿效果较好，偏差不大。因此，该控制方法适用于长期稳定运行的系统中。为了提高控制系统的动态跟踪性能，采用基于递推积分PI调节器的双闭环控制系统，仿真结果如图8、图9所示：

图8 双闭环控制的谐波补偿电流波形Fig.8 The harmonic compensation current waveform of double closed loop control

图9 检测的谐波电流与实际补偿电流的偏差波形Fig.9 The deviation current waveform of detection harmonic current and actual compensation

如图8、图9所示，谐波电流控制采用基于递推积分PI调节器的双闭环控制系统在负载发生突变时，能够在精确且快速地跟踪负载谐波电流的控制，补偿误差能控制在允许值以内，特别适用于非线性负载频繁投切的系统。

SRIHAPF在0s时开始投入工作，因在0s时直流侧电压为0，不能及时的输出补偿电流，所以由图7、图9可以看出，其系统补偿后的电流波形会在刚开始时出现不规则的波动，且补偿谐波电流也在开始阶段出现较大的波动，但是经过短时间的调整后，SRIHAPF很快就可以稳定的输出补偿电流，补偿电流进入电网，获得补偿后的系统电流更加接近正弦波。

根据补偿前后的电流频谱图分析，可得谐波电流总畸变率与有效值在SRIHAPF投入前后的变化情况，如表2所示。

表2 谐波电流参数Table 2 Harmonic current parameters

由表2可知，SRIHAPF投入前负载三相电流波形发生了比较严重的畸变，三相电流畸变率分别为 18.94%，18.25%，19.28%；三相谐波电流有效值分别为12.5A，11.9A，12.2A。投入滤波设备后，谐波电流畸变率明显减小至3.93%，4.02%，4.11%，并最后稳定在此范围内，符合国家对于谐波电流畸变率的要求。而三相谐波电流有效值则分别降至4.8A，4.9A，4.5A，电网中的谐波电流含有量大大减少，降低了电网中的线路损耗，而且能够避免谐波电流过大使变压器的铜耗增加，引起局部过热、振动、噪声增大、绕组附加发热等的情况发生，进而威胁变压器等其他相关用电设备的正常运行。

3 结 语

论文设计的SRIHAPF总体设计，经过计算机模拟仿真，仿真结果表明该设计方案能充分应对非线性负载发生突变，在对这一过程中的谐波电流治理工作也表现出色。在实际工程应用中只需与非线性负载并联接入系统中，操作非常方便，且结构简单，模块化封装结构更是便于安装和维护。

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Integrated design and simulation of series resonance the injection hybrid active power filter

WANG Shaojie， ZHANG Xuezhen

(The Department of Information Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

In view of the harmonic harm to power grid and industrial enterprises,the comprehensive design is given in this paper.The comprehensive design of series resonant injection hybrid active power filter is given too,specifically the scientific harmonic suppression for low voltage side load is designed.The fundamental wave series resonance and the LC filter parameters is demonstrated fully.The simulation application circuit diagram is given finally.The result of simulation shows that the design is scientific and feasibility,the design is good reference for harmonic suppression.

injection type;hybrid active filter;passive filter;harmonic suppression

1672-7010(2017)01-0093-07

2016-12-12

邵阳市科技计划重点攻关项目(2015JH13)

王少杰(1974-)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，研究生导师，从事高电能质量输配电技术研究通信作者：张雪珍(1990-)，女，湖南邵东人，2014级硕士研究生，从事电气工程方面研究

TM864 < class="emphasis_bold">文献标志码：A

A