有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

倪 堃 魏智慧 吴升涛 周文海 翟文化

（国网嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000）

0 引言

智能家电中使用的软启动器、电力电子调速变频装置和不间断电源等接入配网后都会使配网产生高次谐波。APF是一种有效的谐波治理装置，其按连接方式可以分为串联型、并联型和混联型3种。混联型APF控制复杂，成本高，而串联型APF在市场上并不多见，这是因为串联型APF不能直接接入系统（电源）中，需要在系统与APF之间接入一个耦合变压器[1-5]，所以工程中运用最多的是并联型APF。并联型APF存在谐波电流检测时间长，补偿有一定波动的问题，文献[6]针对并联APF直流侧功率波动的周期性设计了直流侧间接控制方法。文献[7]通过瞬时功率流分析的方法研究了单相APF直流侧电容与电压波动的关系，推导出在电容电压幅值波动条件下电容容量的数值。文献[8]分别计算并比较了三角波电流比较控制方式和空间矢量脉宽调制控制方式下直流侧电压利用率。

已有文献更多偏向于理论方法的研究和对比，缺乏应用于实例化场景的设计，且研究单相APF的文献相对较少[9-13]。未来，随着主动型配电网的构建，源—网—荷互动更加频繁，单相负载比重将进一步上升，用户端就地治理谐波，改善电能质量的重要性不言而喻。因此，本文以采用了大量智能家电的智慧家庭为研究对象，抽象出等效负载模型，设计了一种安装于智能家庭进户相线上的单相并联型APF，并提出了一种基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法，电流跟踪控制上则采用了较为成熟的滞环控制法。最后，通过仿真的实验结果，对比安装APF前后的电流波形和畸变率，来验证本文所设计的APF能有效改善电能质量，降低电源电流的畸变率。

1 单相并联型APF的原理

1.1 谐波的定义和测量标准

在非线性负载电路中，系统电气量（电压或电流）的波形产生了畸变，不再是标准的正弦波。一般条件下，非正弦波形都满足狄利克雷条件，能分解成傅里叶（Fourier）级数的形式。以非正弦波形的电流为例，傅里叶级数的形式可表示为：

其中，n=1表示基波分量。n＞1且取整数表示谐波分量，频率，当n取奇数时，表示奇次谐波；当n取偶数时，表示偶次谐波。

总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）由谐波总量的有效值之比得到，用百分数表示，其数值大小能反映电源电流的谐波含量。电流总谐波畸变率（THDI）表示如下：

IH表示谐波含有总量，公式如下：

本文采用THDI来反映电源电流的畸变程度，当并联APF补偿后的电源电流THD比没有使用APF的电源电流THD小，且波形得到大幅度改善，就认为所设计的APF对电源电流的补偿有效。

1.2 单相并联型APF的电流补偿原理

单相并联型APF的结构及原理示意图如图1所示。谐波电流检测电路检测出负载电流的谐波分量，通过控制电路产生PWM或控制驱动信号来控制主电路开关器件的开断，产生一个与负载电流的谐波分量大小相等、相位相反的补偿电流，消除电源侧的谐波分量，主电路采用的开关器件一般是MOSFET、IGBT。

图1 单相并联型APF构成示意图

2 单相并联型APF的设计

2.1 基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法

并联型APF的变换器直流侧都有一个大电容，用于储存电能，其大小影响补偿效果。基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法的思路是，将电容电压与设定的参考电压相比较，得到含有扰动量的信号，将该信号馈送到一个PI控制器中，该控制器能调整输入信号得到无扰动的输出信号，该输出信号就是负载电流基波分量的幅值。电压源的单位矢量是从系统（电源）得到的，负载电流基波分量的幅值乘以电压源单位矢量得到负载电流基波的参考信号，将该参考信号与负载检测电流相比较即可获得补偿电流。这种方法的优点在于通过适当调整PI控制器参数直接生成负载电流基波分量的幅值，如图2所示。

图2 基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法原理图

2.2 滞环控制法

滞环控制法（Hysteresis band control technique）是滞环比较跟踪控制技术的简称，也叫作bang-bang控制或纹波调节器控制，该方法把输出电气量（电压或电流）维持在内部参考电气量为中心的滞环公差h内，其原理图如图3所示，波形图如图4所示。

图3 滞环控制法原理图

图4 滞环控制法波形图

APF中滞环控制法工作原理是：先对实际补偿电流信号与参考电流信号进行实时的比较，之后再根据产生的偏差进行判断；偏差值为正时，补偿电流减少；偏差值为负时，补偿电流增加；进而产生PWM信号，控制开关器件的关断。这种方式下，改变PWM的占空比，就可以改变输出的补偿电流的幅值大小。

3 仿真与分析

3.1 负载等效模型构建

整流电路在各类家用电器电路中最常见，其产生的波形含有高次谐波，可以代表智慧家庭中开关器件的动作特性；部分家用电器中会有电动机、继电器等器件，在启动过程中会有反电动势，因此负载等效模型构建时应该考虑反电动势的影响；大部分负载呈感性，都可以等效为阻感负载。在综合考虑以上因素的前提下，构建出如图5所示虚线方框中的负载等效模型。为验证本文设计的APF性能，等效参数选择上要比实际情况裕度大一些，如表1所示，以期适应各种极端恶劣工况。负载在没有并入APF的条件下，电流波形严重畸变，含有大量高次谐波，直接接入配网，会导致配网的电流也含有大量高次谐波，如图6所示。

图5 系统仿真图

图6 补偿前电压源电流仿真波形分析

表1 等效负载参数表

3.2 系统仿真模型搭建

采用MATLAB/Simulink来搭建仿真模型，谐波电流检测方法采用了基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法，控制方法采用了滞环控制法，二者的集成子系统模型命名为G，如图7所示。配网等效为电压源，工频50 Hz，系统模型搭建中考虑了配网网损，APF通过滤波电感连接到家庭进户相线上，并联在等效负载两端，整体系统仿真图如图5所示。具体系统参数如表2所示。

图7 G子系统

表2 系统参数表

3.3 仿真结果分析

等效负载电流的波形与等效电压源电流的波形相似，在不考虑配网线损的情况下，二者波形一样。它们的谐波含量也相似，没有使用有源滤波器的电压源电流的波形和FFT分析图如图6所示，使用了APF的负载电流波形和FFT分析图如图8所示，补偿后电压源电流波形和FFT分析图如图9所示。

图8 补偿后负载电流仿真波形分析

图9 补偿后电压源电流仿真波形分析

从图6可以看出，没有使用APF的电压源电流总谐波畸变率（THD）为20.39%，波形畸变严重；从图9可以看出，使用APF后电压源电流的THD降低到了4.12%，符合国家标准，其幅值为38.87 A。APF补偿后电压源电流的幅值与负载电流的幅值只相差了0.19 A，说明本设计中的APF不仅补偿效果好且损耗小，能为负载提供所需的谐波电流。图8所示补偿后负载电流仿真波形带有毛刺，这是开关器件频繁动作以及存在谐波电流检测的固有时间间隔导致的，对负载来说会增加些许损耗，实际工作影响不大。

4 结论

随着智能电器的普及，电力电子设备在配网中的接入数量不断增加，谐波问题也急剧加重。在此背景下，本文提出在智慧家庭入户进线相线上安装APF的方法，来降低接入配网的高次谐波含量，抑制谐波，减轻对配网的危害。首先，提出了一种基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法，该方法不用计算有功功率，易于实施。之后，对应用单相并联型APF的实际场景进行了仿真模型搭建。基于模型仿真结果，对APF的性能进行了分析，发现安装APF后电源侧谐波总畸变率明显降低，高次谐波含量明显减少。由此可知，所设计的APF能为负载提供所需的谐波电流。