方波有源濾波器諧波電流檢測的一種新方法

1引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，引起的電網(wǎng)諧波污染也日趨嚴(yán)重[1][2]。因此，對電網(wǎng)諧波采取有效的抑制并對無功功率進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償已成為重要的研究方向。

采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施。傳統(tǒng)的方法是采用LC無源濾波器，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、效率高，但其補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生諧振造成諧波放大，且只能補(bǔ)償固定頻率的諧波[2][3]。

基于電力電子技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的有源電力濾波器(ActivePowerFilterAPF)，為消除電力系統(tǒng)諧波開辟了新途徑，同時也解決了無功功率補(bǔ)償?shù)膯栴}。APF基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個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)電流只含基波分量。這種濾波器具有LC濾波器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的動、靜態(tài)補(bǔ)償性能，且其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，可實(shí)現(xiàn)多功能的集成化，一機(jī)多用。

從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，APF具有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)[3][4][5]。單獨(dú)使用的串聯(lián)或并聯(lián)APF對小功率系統(tǒng)具有良好的補(bǔ)償特性，但不宜用于大功率系統(tǒng)[1]，因?yàn)榇祟怉PF是用一個逆變器產(chǎn)生要補(bǔ)償?shù)乃兄C波信號。這種方式對逆變器PWM調(diào)制的帶寬要求較高，只能用于中等容量的系統(tǒng)(500kW～10MW)。將APF與無源濾波器串聯(lián)使用，使APF只承受諧波電壓，因而容量大大減小，可用于功率10MW以上的系統(tǒng)[1][6][7]，文獻(xiàn)[8][9]提出一種方波有源濾波器(HybridParallelActivePowerFilterAPAPF)，其采用多個小容量(約為非線性負(fù)載容量的1％～2％)的逆變器對主要的諧波分別進(jìn)行補(bǔ)償，使逆變器只承受某次諧波電壓，如圖1所示。

本文針對此新型方波APF，基于瞬時無功功率理論，提出一種檢測指定諧波次數(shù)電流的方法，理論和仿真證明了此方法的有效性。

2瞬時無功功率理論

1983年，日本學(xué)者赤木泰文提出的“瞬時無功功率理論”使得20世紀(jì)70年代提出的有源電力濾波器

圖1方波有源濾波器系統(tǒng)

圖2αβ坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量

圖3pq運(yùn)算方式的原理圖

走出了實(shí)驗(yàn)室。此后，這一理論被不斷完善[10]。

設(shè)三相電路為三相三線制，其各相電壓、電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。把它們分別變換到兩相正交的αβ坐標(biāo)系，如圖2所示。(1)(2)

在圖2所示的αβ平面上，矢量eα、eβ和iα、iβ分別合成電壓矢量e和電流矢量i，三相電路瞬時無功功率q(瞬時有功功率p)為電壓矢量e的模與三相電路瞬時無功電流iq(瞬時有功電流ip)的乘積。(3)

由圖2并進(jìn)行坐標(biāo)變換可得：(4)