混合有源電力濾波器的仿真研究

1 引言

電力電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并且用戶對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，其中最為突出的是電壓質(zhì)量和諧波問(wèn)題。因此，如何提高電壓質(zhì)量、治理諧波就成為輸配電技術(shù)中最為迫切的問(wèn)題之一。低成本的無(wú)源濾波器PF(Passive Filter)是目前普遍采用的補(bǔ)償方法，但其濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，在特定情況下無(wú)源濾波器還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振。80年代以來(lái)，利用功率開(kāi)關(guān)的有源電力濾波器APF(Active Power Filter)的研究越來(lái)越引起人們關(guān)注。APF是一種用于動(dòng)態(tài)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償?shù)男滦碗娏﹄娮友b置，但是由于電源電壓直接加在逆變橋上，其對(duì)開(kāi)關(guān)器件電壓等級(jí)要求較高；當(dāng)負(fù)載諧波電流大時(shí)，有源濾波裝置的容量也相應(yīng)較大；對(duì)于高于有源濾波器開(kāi)關(guān)頻率的諧波也無(wú)法通過(guò)有源濾波器濾除，因此同時(shí)具有較大的補(bǔ)償容量和較寬的補(bǔ)償頻帶較為困難。

將APF與PF相結(jié)合，合理分擔(dān)補(bǔ)償需求，可使APF容量減小?；旌闲脱a(bǔ)償方案的基本原理就是將常規(guī)型APF上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而可顯著降低有源裝置的容量，充分發(fā)揮PF的高耐壓、大容量、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)以及APF所具有的寬諧波抑制范圍和自動(dòng)跟蹤等優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)源濾波器

用于諧波治理的傳統(tǒng)方式為并聯(lián)無(wú)源LC濾波器，選定R、L、C的參數(shù)，使濾波網(wǎng)絡(luò)在一定的諧波信號(hào)頻率處產(chǎn)生諧振，從而達(dá)到抑制諧波的目的。無(wú)源濾波器主要可以分為兩大類(lèi)：調(diào)諧濾波器和高通濾波器。調(diào)諧濾波器實(shí)際應(yīng)用較多的是單調(diào)諧濾波器，它是利用電感、電容的串聯(lián)諧振原理構(gòu)成的。

3 有源濾波器

有源濾波器的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)中只含有基波分量，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償電流的目的。如果要求有源濾波器在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，還補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流無(wú)功分量反極性的成分即可。這種濾波器可對(duì)頻率和大小都隨時(shí)間變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行迅速動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償。

(1)諧波檢測(cè)諧波的測(cè)量方法包括采用模擬帶通(或帶阻)濾波器、基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)分析、基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)等。在諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)中運(yùn)用最多的是基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)方法。這里采用以瞬時(shí)無(wú)功理論為基礎(chǔ)的p-q運(yùn)算法來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波。p-g運(yùn)算法的原理框圖如圖1所示。

圖1中，C23=C32T，該方法將三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值變換到α-β兩相正交的坐標(biāo)系上，根據(jù)定義算出瞬時(shí)實(shí)功率p、瞬時(shí)虛功率q，經(jīng)低通濾波器LPF得p、q的直流分量。電網(wǎng)電壓波形無(wú)畸變時(shí)，p為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，q為基波無(wú)功電流與電壓作用所產(chǎn)生。于是，由p、q即可計(jì)算出被檢測(cè)電流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。將iaf、ibf、icf與ia、ib、ic相減，即可得出諧波分量iah、ibh、 ich。

(2)電流跟蹤控制模塊的建立由于有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨其指令電流信號(hào)的變化，即具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，因此其控制大多采用跟蹤型控制技術(shù)。把希望輸出的波形作為指令信號(hào)，把實(shí)際波形作為反饋信號(hào)，通過(guò)比較兩者的瞬時(shí)值決定逆變電路各器件的通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤指令信號(hào)發(fā)生變化。目前主要采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式(hysteresis control)和三角波線性比較方式(tri-angle wave linear control)，這里采用后者。

4 混合型有源電力濾波器電路的建立

混合型有源電力濾波器電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由無(wú)源和有源濾波器構(gòu)成的混合濾波器有兩種基本連接方式：串聯(lián)型(SHAPF)和并聯(lián)型(PHAPF)，這里采用后者。其中，特定次諧波主要由無(wú)源濾波器補(bǔ)償，采用多個(gè)單調(diào)諧濾波器組成，單調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率根據(jù)被補(bǔ)償對(duì)象的諧波成分確定，無(wú)源濾波器可由5次、7次和11次單調(diào)諧濾波器構(gòu)成。有源濾波器采用電壓型逆變器，輸出各次諧波電壓的疊加，用以濾除電網(wǎng)的部分諧波并抑制電網(wǎng)阻抗與無(wú)源濾波器之間的諧振。輸出濾波器采用LC低通濾波器，用以濾除電壓型逆變器開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的高頻毛刺。

5 仿真分析

有源電力濾波器采用PSIM進(jìn)行仿真計(jì)算，其參數(shù)設(shè)置為：有源電力濾波器電網(wǎng)電壓為線電壓 380 V，頻率為50 Hz。諧波源為常見(jiàn)的晶閘管三相橋式整流電路帶感性負(fù)載，主要諧波含量為5次，7次諧波。有源濾波器作用下的仿真結(jié)果如圖3所示，圖4為其仿真結(jié)果的傅里葉分析。

由仿真結(jié)果可看出，未投入有源電力濾波器前的負(fù)載電流諧波很大，投入有源電力濾波器可抵消嚴(yán)重畸變的電網(wǎng)諧波電壓，使負(fù)載諧波電流相對(duì)基波總畸變率THD 由30．44％下降為5.3％(其中5次、7次、11次諧波分別下降了25．12％、5．56％、4．74％)，對(duì)于高次諧波也有良好的濾波特性。電網(wǎng)電流的波形在經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后接近為正弦波，有源電力濾波器具有良好的濾波效果。但僅在有源濾波器的控制作用下，補(bǔ)償電流約為70 A，有源濾波器承擔(dān)的補(bǔ)償容量較大。因此，可以將補(bǔ)償含量較大的低次諧波任務(wù)由無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)。對(duì)圖2所示的混合有源電力濾波器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

對(duì)混合有源電力濾波器中，無(wú)源濾波器與有源濾波器各自輸出的補(bǔ)償電流進(jìn)行傅里葉分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a、b可看出，含量較大的5次、7次諧波主要通過(guò)無(wú)源濾波器濾除；輸出電網(wǎng)電流中基本不含5次、7次諧波成分。有源濾波器對(duì)5次、7次諧波有一定的補(bǔ)償作用，但補(bǔ)償值大大降低，如圖6c所示．因而其容量相對(duì)于單獨(dú)使用有源電力濾波器情況下大為減少。

6 結(jié)束語(yǔ)

理論分析和仿真結(jié)果表明，混合型APF的電路結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮無(wú)源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點(diǎn)，并減小了有源濾波器的容量，改善了無(wú)源濾波器的性能，達(dá)到了所設(shè)計(jì)的目標(biāo)。特別適用于高壓大容量場(chǎng)合下進(jìn)行諧波和無(wú)功功率的綜合治理。