一種新型并聯(lián)混合型有源濾波器的研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)對非線性負(fù)載的諧波補(bǔ)償和功率因數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)，采用了一種無變壓器并聯(lián)混合型有源濾波器，闡述了其工作原理。綜合考慮成本與濾波效果的情況下選擇采用7次單調(diào)諧無源濾波器，針對7次單調(diào)諧無源濾波器對于5次諧波補(bǔ)償能力較差的狀況，采用了反饋加5次前饋的控制策略，為了進(jìn)一步對系統(tǒng)的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，在原有的反饋控制環(huán)節(jié)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)，仿真結(jié)果證明了該并聯(lián)混合性有源濾波工作的有效性。
關(guān)鍵詞：無變壓器；混合有源濾波器；前饋加反饋補(bǔ)償；無功功率補(bǔ)償

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載越來越多，由此帶來的諧波污染也越來越嚴(yán)重。傳統(tǒng)的LC無源電力濾波器(PPF)以其廉價(jià)、簡單、易維護(hù)等特點(diǎn)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，但無源補(bǔ)償裝置濾波性能受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，只能補(bǔ)償固定次數(shù)的諧波，易于電網(wǎng)等效阻抗發(fā)生諧振，難以對動態(tài)的無功功率和諧波進(jìn)行有效補(bǔ)償。
    和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源濾波器(APF)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，既可對一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償，而且補(bǔ)償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)補(bǔ)償。但其成本較高、輸出容量有限，難以應(yīng)用于對大容量負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償。由PF和APF構(gòu)成的混合型有源濾波器(HAPF)既可克服APF成本高的缺點(diǎn)，又可使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能，適用于大容量負(fù)載的補(bǔ)償。
    文中在闡述TSHAPF工作原理的基礎(chǔ)上，針對7次調(diào)諧的無源濾波器對5次諧波濾波能力較差的狀況，提出了反饋控制加5次前饋控制的策略，并給出了系統(tǒng)的總體控制策略。當(dāng)系統(tǒng)的無功功率急劇變化時(shí)會引起母線電壓的波動，從而影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，因此在原有的反饋環(huán)節(jié)中加入了無功功率補(bǔ)償回路，通過調(diào)節(jié)補(bǔ)償器的無功容量，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的無功功率穩(wěn)定。

1 TSHAPF工作原理
    在傳統(tǒng)的HAPF系統(tǒng)中，由于基波阻抗較低，無源部分無法承擔(dān)較多的基波電壓，且流經(jīng)有源部分的基波無功電流較大，因此需要通過耦合變壓器來滿足有源和無源濾波器的電壓和電流的匹配。為了濾除高頻毛刺，還需附加輸出濾波電路。文中采用了一種無變壓器型TSHAPF，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    APF的有源部分與LC濾波器串聯(lián)，然后并聯(lián)接入電網(wǎng)，非線性負(fù)載為整流負(fù)載。有源濾波支路產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流來補(bǔ)償整流負(fù)載電流中的諧波電流，從而使電網(wǎng)側(cè)電流實(shí)現(xiàn)正弦化。負(fù)載交流側(cè)串接阻抗，以防止短路故障電流和降低負(fù)載電流畸變率，同時(shí)抑制公共節(jié)點(diǎn)電壓的開關(guān)紋波分量。
    無源濾波器采用單調(diào)諧電路，在某個(gè)低次諧波附近呈現(xiàn)低阻抗，分流負(fù)載電流的該次諧波分量，而在開關(guān)頻率處呈現(xiàn)高阻抗，從而不需要額外的開關(guān)紋波濾波器，減小了系統(tǒng)的體積。此外，對于基波而言LC諧振電路相當(dāng)于一個(gè)大電容，承擔(dān)了大部分的基波電壓，有源濾波器上的基波電壓非常小，降低了對開關(guān)器件的耐壓要求。因此在某些場合中可以選用低壓MOSFET，降低成本，提高系統(tǒng)效率及補(bǔ)償性能。

2 TSHAPF控制策略
    TSHAPF中逆變器控制策略是整個(gè)濾波系統(tǒng)的核心問題，它決定著濾波的跟隨特性和整體濾波效果。文中提出了一種采用電網(wǎng)諧波電流反饋控制與負(fù)載諧波電流前饋控制的復(fù)合控制策略，這種控制方法計(jì)算量小，控制簡單，濾波效果比僅采用電網(wǎng)諧波電流作反饋控制時(shí)更好。其中前饋控制的作用是當(dāng)擾動出現(xiàn)時(shí)立即根據(jù)擾動的性質(zhì)和大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動的影響，目的是加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)；反饋控制主要用來彌補(bǔ)前饋控制的不足，克服模型不精確以及干擾帶來的影響。TSHAPF的總體控制框圖如圖2所示。

2．1 反饋控制
    反饋控制是有源濾波器中最常用的控制策略，目的在于利用有源濾波器來改善無源濾波器的整體濾波性能。
    基于瞬時(shí)無功理論，文中通過abc-dq變換將三相電網(wǎng)電流is轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)有功電流id1和瞬時(shí)無功電流iq1，其中的直流部分對應(yīng)is中的基波分量，交流部分對應(yīng)is中的諧波分量。使用兩個(gè)一階高通濾波器從id1，iq1中提取出交流分量idac和iqac，之后進(jìn)行dq-abc變換就可以得到待補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)諧波電流iSH，將其放大K倍后作為有源濾波器的參考信號。同時(shí)，通過檢測逆變器直流電壓Vdc進(jìn)行閉環(huán)控制可以實(shí)現(xiàn)Vdc的建立與穩(wěn)定，無需外加獨(dú)立直流電壓源。
2．2 前饋控制
    并聯(lián)在電網(wǎng)上的無源濾波器僅由一組7次單調(diào)諧波器構(gòu)成，針對7次調(diào)諧的無源濾波器對5次諧波能力較差的情況，采用了單獨(dú)對5次諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，基于瞬時(shí)無功理論，三相負(fù)載電流iL通過abc-dq變換轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)有功電流iLd5和iLq5，經(jīng)過低通濾波后與阻抗矩陣相乘，再經(jīng)dq逆變換，得到三相的前饋指令電壓。在α-β靜止坐標(biāo)系下，LC濾波器的阻抗可以表達(dá)為


3 仿真結(jié)果
    為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，在MATLAB環(huán)境下給出了該系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示，補(bǔ)償對象為三相不可控橋式整流電路帶組感性負(fù)載(R0=50 Ω，L0=1 mH)，交流出線側(cè)電感L=3 mH。

    圖3為補(bǔ)償前a相電流波形及頻譜分析，可以看出負(fù)載電流存在著很大的畸變，電流的總畸變率達(dá)到27．37％。圖4為采用該控制系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后的a相電流波形及頻譜分析，波形接近為正弦波，畸變率降低到了3．34％，達(dá)到了很好的補(bǔ)償效果。

4 結(jié)論
    文中針對傳統(tǒng)混合型變壓器采用了一種不經(jīng)過耦合變壓器的混合型有源濾波器，混合有源濾波器中基波電壓大部分都由單調(diào)諧支路的電容來承受，有源濾波器基本不承受基波電壓。因此，APF容量比較小，可以節(jié)省投資成本。采用了反饋加前饋的控制策略，能夠?yàn)V除系統(tǒng)的大部分諧波，并且降低了系統(tǒng)的無功功率，在穩(wěn)態(tài)情況下具有良好的補(bǔ)償諧波和無功功率的能力，在MATLAB中建立了并聯(lián)型有源濾波器的仿真模型，仿真結(jié)果表明該控制方案具有良好的動態(tài)補(bǔ)償性能。