混合有源電力濾波器的仿真研究

1 引言

電力電子產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)控制領域，并且用戶對電能質(zhì)量要求越來越高，其中最為突出的是電壓質(zhì)量和諧波問題。因此，如何提高電壓質(zhì)量、治理諧波就成為輸配電技術中最為迫切的問題之一。低成本的無源濾波器PF(Passive Filter)是目前普遍采用的補償方法，但其濾波效果與系統(tǒng)運行參數(shù)密切相關，在特定情況下無源濾波器還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振。80年代以來，利用功率開關的有源電力濾波器APF(Active Power Filter)的研究越來越引起人們關注。APF是一種用于動態(tài)諧波抑制、無功補償?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，其對開關器件電壓等級要求較高；當負載諧波電流大時，有源濾波裝置的容量也相應較大；對于高于有源濾波器開關頻率的諧波也無法通過有源濾波器濾除，因此同時具有較大的補償容量和較寬的補償頻帶較為困難。

將APF與PF相結(jié)合，合理分擔補償需求，可使APF容量減小。混合型補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、易實現(xiàn)等特點以及APF所具有的寬諧波抑制范圍和自動跟蹤等優(yōu)勢。

2 無源濾波器

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

3 有源濾波器

有源濾波器的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)中只含有基波分量，達到實時補償電流的目的。如果要求有源濾波器在補償諧波的同時，還補償負載的無功，則只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流無功分量反極性的成分即可。這種濾波器可對頻率和大小都隨時間變化的諧波以及變化的無功功率進行迅速動態(tài)跟蹤補償。

(1)諧波檢測諧波的測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分析、基于瞬時無功功率的諧波檢測等。在諧波和無功電流的實時檢測中運用最多的是基于瞬時無功功率的諧波檢測方法。這里采用以瞬時無功理論為基礎的p-q運算法來實時檢測諧波。p-g運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值變換到α-β兩相正交的坐標系上，根據(jù)定義算出瞬時實功率p、瞬時虛功率q，經(jīng)低通濾波器LPF得p、q的直流分量。電網(wǎng)電壓波形無畸變時，p為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，q為基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生。于是，由p、q即可計算出被檢測電流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)生的補償電流應實時跟隨其指令電流信號的變化，即具有很好的動態(tài)響應特性，因此其控制大多采用跟蹤型控制技術。把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為反饋信號，通過比較兩者的瞬時值決定逆變電路各器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號發(fā)生變化。目前主要采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式(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)構如圖2所示。

由無源和有源濾波器構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源濾波器補償，采用多個單調(diào)諧濾波器組成，單調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率根據(jù)被補償對象的諧波成分確定，無源濾波器可由5次、7次和11次單調(diào)諧濾波器構成。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關器件產(chǎn)生的高頻毛刺。

5 仿真分析

有源電力濾波器采用PSIM進行仿真計算，其參數(shù)設置為：有源電力濾波器電網(wǎng)電壓為線電壓 380 V，頻率為50 Hz。諧波源為常見的晶閘管三相橋式整流電路帶感性負載，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載電流諧波很大，投入有源電力濾波器可抵消嚴重畸變的電網(wǎng)諧波電壓，使負載諧波電流相對基波總畸變率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)過補償后接近為正弦波，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，補償電流約為70 A，有源濾波器承擔的補償容量較大。因此，可以將補償含量較大的低次諧波任務由無源濾波網(wǎng)絡承擔。對圖2所示的混合有源電力濾波器進行仿真實驗，結(jié)果如圖5所示。

對混合有源電力濾波器中，無源濾波器與有源濾波器各自輸出的補償電流進行傅里葉分析，結(jié)果如圖6所示。

由圖6a、b可看出，含量較大的5次、7次諧波主要通過無源濾波器濾除；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5次、7次諧波有一定的補償作用，但補償值大大降低，如圖6c所示．因而其容量相對于單獨使用有源電力濾波器情況下大為減少。

6 結(jié)束語

理論分析和仿真結(jié)果表明，混合型APF的電路結(jié)構充分發(fā)揮無源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點，并減小了有源濾波器的容量，改善了無源濾波器的性能，達到了所設計的目標。特別適用于高壓大容量場合下進行諧波和無功功率的綜合治理。