一種三相并聯(lián)有源濾波器的仿真研究

摘要：分析了并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理，采用基于瞬時無功功率理論的改進型ip—iq電流檢測算法，建立了基于電流滯環(huán)控制策略的仿真模型，并進行了仿真研究，結(jié)果證實了所提方案的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞：并聯(lián)型有源電力濾波器；瞬時無功功率；改進型ip—iq法

0 引言
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源電力濾波器(APF)已成為解決電網(wǎng)諧波問題最有前景的手段。有源電力濾波器主要由三部分組成：諧波及無功電流檢測電路、產(chǎn)生補償電流的逆變器和逆變器的控制電路。在APF中，諧波及無功電流的檢測非常重要，其檢測結(jié)果直接關(guān)系到整個APF系統(tǒng)的補償特性；逆變器的控制電路使逆變器能夠輸出與指令值相等的補償電流，其控制效果直接影響到APF補償性能的好壞。
    常用的模擬帶通(或帶阻)濾波器檢測高次電流的方法有許多缺點，如濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，要獲得理想的幅頻特性和相頻特性非常困難，對電網(wǎng)電壓畸變不敏感，當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅檢測精度受影響，而且使檢測出的諧波電流中含大量的基波分量，大大增加了有源補償器的容量和運行損耗。此外，這種方法不能同時分離出無功電流。
    基于瞬時無功功率理論的改進型ip—iq電流檢測算法，突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，適用于非正弦波和任何過渡過程，對電網(wǎng)電壓畸變不敏感；通過a—b—c坐標系下的電流滯環(huán)控制策略，建立了基于統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型，并進行了仿真研究。

1 有源電力濾波器的基本工作原理
    圖1為最基本的有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)原理圖。圖中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成)。主電路目前均采用PWM變換器。
    有源電力濾波器的基本工作原理是：檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。

2 并聯(lián)型有源電力濾波器的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)
    三相四線并聯(lián)APF的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)的直流電容分為四個。變換器的A、B、C三個橋臂連接到直流端就象常規(guī)的三相電壓源交換器，N橋臂連接到直流電容器的J點和K點，J點和K點之間的兩個電容器有相同的電容值Cb，直流端的另外兩個電容器有相同的電容值Ca。

    參數(shù)m定義如下：

   
    其中0≤m≤1。如果Ca》Cb，即m=l，此時的拓撲結(jié)構(gòu)就變成四橋臂的三相四線變換器，如果Cb》Ca，即m=0，此時的拓撲結(jié)構(gòu)就變成三橋臂中分變換器。
    因此，三橋臂中分電容拓撲和四橋臂中分拓撲都是所提到的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)的一個特例。兩種拓撲結(jié)構(gòu)差別的實質(zhì)就是電容比值不同。

3 諧波和無功電流的實時檢測方法一瞬時無功功率法
    采用一種改進的ip—iq運算方式，如圖3所示。這種運算方式對電網(wǎng)電壓畸變不敏感。

    圖中C、C32、C23分別由式(2)、式(3)、式(4)表示：

   
    根據(jù)上面的定義可以計算出ip、iq。經(jīng)低通濾波器得到ip、iq的直流分量ip、iq。這里ip、iq是由iaf、icf產(chǎn)生的，因此，ip、iq可以計算出三相電流的基波分量，進而計算出諧波分量iab、iah、iah。

4 a-b-c坐標系下的電流滯環(huán)控制策略
    1)中端電流補償
    采用三相四線并聯(lián)APF的統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)時，N橋臂的控制方案如式(5)所示．

   
    式中hn是滯環(huán)死區(qū)，irefn和iFn分別是式中N橋臂的參考電流和輸出電流。
    應(yīng)用式(5)的控制方案，式中端電流補償效果比較好。為了說明預(yù)想的可能性，使用了一種計算模型如圖4所示。

    根據(jù)計算，采樣頻率是10kHz，死區(qū)為1A。0．1秒時接入并聯(lián)APF裝置，單相整流負載在0．03秒時接入。整個系統(tǒng)負載和APF的參數(shù)見表1。

    2)相電流補償
    中端電流的補償可以表示為：

   
    其中εi是ABC橋臂的電流補償。由式(6)知，中端電流補償實際上減小了ABC橋臂電流補償缺陷的總和。
    忽略系統(tǒng)的零序電壓，若c相的系統(tǒng)電壓是一個非常大的正值，并要求輸出電流變換率是正的，N橋臂的開關(guān)狀態(tài)為

   
    當c相電壓在正的最大值附近時，輸出電流波動最大，當m=1時選擇統(tǒng)一拓撲結(jié)構(gòu)，當m=0，c相電壓在負的最大值附近時，可以得到相似的結(jié)果。當m較大時，A、B、C橋臂的輸出能力就比較大，但是輸出電流波動大，電流的跟蹤能力弱。這是因為N橋臂的開關(guān)狀態(tài)是由式(5)選擇的，并且沒有考慮相電壓。如果選擇一個比較小的m值，當相應(yīng)的相電壓在它們正、負最大值附近時，電流跟蹤效果會比較好。

4 并聯(lián)型APF基于MATLAB的仿真及仿真結(jié)果分析
    1)并聯(lián)型APF的仿真圖及模塊分析
    本文選用MATLAB 7．0．4／Simulink來進行建模。按照前面所述的并聯(lián)型有源濾波器(APF)的原理，用Simulink中的模塊搭建了系統(tǒng)的仿真模型(圖5)。其中電壓源、電感、電容、負載、IGBT、PWM發(fā)生器都是Simulink中的固有模塊。而ip—iq運算方式的諧波檢測環(huán)節(jié)(圖5中的jiarICC—lvchul模塊)運用Simulink中的加法器、乘法器、低通濾波器等控制模塊搭建。跟蹤驅(qū)動環(huán)節(jié)(圖5中的PWM模塊)是運用Simulink中的減法器、滯環(huán)比較器等模塊搭建。

    2)并聯(lián)型APF的仿真波形
    電網(wǎng)三相電流經(jīng)諧波檢測環(huán)節(jié)后，由示波器測得的波形如圖6，由圖可以看出電網(wǎng)電流明顯發(fā)生畸變。
    實際的補償電流是由主電路產(chǎn)生的，其大小與檢測到的諧波電流相等，方向則與其相反，如圖7所示。

    由圖8可以看出通過有源濾波器后得到的電流基本為正弦波，這就證明了文中所介紹的有源濾波器模型抑制諧波和補償無功的效果比較理想。

5 結(jié)束語
    本文通過對并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)的分析，提出并建立了利用基于改進的瞬時ip—iq法和電流滯環(huán)控制策略的APF的仿真模型，通過仿真結(jié)果，驗證了所提出的諧波電流檢測算法和控制方案的正確性，可以作為相關(guān)設(shè)計的參考。