基于鉴相原理的单相有源滤波器仿真研究＊

李兴邦，孙良武

（青海大学水利电力学院，青海西宁810016）

1 引言

随着人民生活质量的不断提高，越来越多的非线性单相负载和设备投入应用，由此产生的谐波注入电网，严重影响了电网的电能质量。有源滤波器是治理谐波最有效的设备之一，但其性能在很大程度上受到谐波检测环节的影响。目前，谐波检测方法多种多样，主要有自适应谐波检测法、人工神经网络法、基于瞬时无功功率理论的谐波检测法［1～3］等等。本文以鉴相原理为基础，通过一定的算法控制，分离出负载电流中除基波分量以外的总畸变电流，再通过PWM逆变控制模块采用适当的控制方法使逆变主电路产生大小相等、方向相反的谐波分量注入到电网中，用以消除负载电流中的谐波分量的方法达到了补偿谐波的目的［4，5］。

2 带感性负载的不可控桥式电路的谐波分析

带感性负载的单相桥式不可控二极管整流电路的结构如图1所示。

图1 带感性负载的单相桥式不可控二极管整流电路

设置电源为 US＝220V，fS＝50Hz的交流电，负载R＝10Ω，电感值分别取L＝100mH和L＝10mH。通过MATLAB仿真观察电网波形的变化，仿真结果如图2和图3所示。

从仿真结果可以看出，电感值为L＝100mH时，电流波形近似为方波，波形畸变明显，波形畸变率达到了46.59%；电感值调小到L＝10mH时，波形同样也有畸变，但相比电感值为100mH时的波形畸变程度有所减小，波形畸变率为14.31%，但仍未达到波形畸变率THD≤5%的要求。

图2 电网电流的总畸变率（100mH）

图3 电网电流的总畸变率（10mH）

在实际应用中，绝大多数负载均为感性负载，电网波形发生畸变是必然的。因此，如何分离出注入电网的谐波分量并加以滤除是保证电网电能质量的关键。本文采用鉴相原理的瞬时电流检测方法，分离出除基频分量外的总畸变波形，再通过PWM逆变控制电路并采用适当的控制方法使逆变主电路产生大小相等、方向相反的谐波分量注入到电网中，用以补偿负载电流中的谐波分量，从而抑制直流负载产生的谐波对电网电流波形的影响。

3 基于鉴相原理的瞬时电流检测方法

鉴相是指将两个信号利用乘法器运算，再经低通滤波器滤波后得到这两个信号相位差的过程。

图1中具有畸变的负载电流iL为基波分量iL1与谐波分量iLh之和，即

式中:φ-基频分量的初相位，IL1-负载电流基频分量有效值，ILhm-负载电流谐波分量最大值。

在式（1）两边同乘以 sinωt，得

同理，在式（1）两边同乘以 cosωt，得

由式（2）和（3）可以看出，只要将通过上述算法得到的iL2和iL3信号经过两个参数完全相同的低通滤波器滤波后，高频分量将限制通过，从而只得到直流分量。即

在式（4）两边乘 sinωt，在式（5）两边乘以 cosωt得到

将式（6）和（7）相加得

式（8）表明，将电流信号iL8通过放大器放大2倍便可得到畸变的负载电流的基波分量iLh。

因此，将实际检测得到的畸变负载电流iL与通过上述算法得到的电流信号相减，便可分离出负载电流的谐波分量 i＊C，即

再通过PWM逆变控制模块采用适当的控制方法使逆变主电路产生大小相等、方向相反的谐波分量iC注入到电网中，用以消除负载电流iL中的谐波分量i＊C，电路结构如图4所示。

图4 加入并联型单相有源滤波器的电路结构

4 基于鉴相检波的单相有源滤波器仿真分析

4.1 基于鉴相检波的单相有源滤波器系统仿真模型

本文采用MATLAB中Simulink的PowerSystems工具箱建立了非线性负载模型、谐波检测模型、控制算法模块和主电路模块，仿真电路建立在图4电路基础上，如图5所示。

图5 单相有源滤波器系统仿真模型

仿真中选取直流侧电容容量为470μF，电容电压为450V，交流侧电感设置为LS＝15mH，负载电阻R＝10Ω，电感L＝100mH为例，低通滤波器的截止频率为30Hz。并联型有源滤波器的电流控制采用三角波比较控制的跟踪型PWM控制方式，在该方式中把补偿电流的指令信号i＊C与实际补偿电流信号iC进行比较，两者的偏差△iC作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流iC的变化，仿真中设PWM模块中产生的锯齿波频率为8MHz。

4.2 基于鉴相检波的单相有源滤波器仿真结果分析

仿真中分别提取电源电流、负载电流以及负载电流的谐波分量，如图6、7所示。

图6 基于鉴相原理的单相有源滤波器仿真电流波形

图7 加入有源滤波器后负载电流的波形

从仿真结果可以看出，电网接入负载电阻R＝10Ω，电感L＝100mH的单相桥式二极管整流电路时，电流波形失真非常厉害，电流的总畸变率达到了46.59%；而加入具有鉴相检波的单相有源滤波器后，电流的总畸变率已经下降到4.55%，完全满足了THD≤5%要求，达到了很好的滤波效果，满足了动态跟踪谐波补偿的要求。

5 结论与讨论

通过采用鉴相原理的瞬时谐波电流检测方法，并采用一定的算法控制，将负载电流中除基波分量以外的总畸变电流分离出来，再通过适当的控制方法产生与总畸变电流大小相等、方向相反的谐波分量补偿到电网，从而达到了改善电网电能质量的目的。这种方法有如下几个特点:

（1）不需要分离出各次谐波分量，只需检测出负载电流中除基波分量以外的总畸变电流即可；

（2）电网电压不直接参加运算，即使电网电压存在畸变，仍可得到较为准确的谐波电流；

（3）电路实现相对简单，检测结果实时性好、动态响应速度快。