有源濾波器的仿真分析

呂 青

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程，湖北武漢 430050）

傳統(tǒng)的諧波抑制多采用無源濾波技術(shù)，該方式一方面可以抑制諧波，另一方面也有無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩５嬖谝韵氯毕荩旱谝?，只能抑制固定幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大；第二，只能補(bǔ)償固定的無功功率，對變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償；第三，其濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并容易受溫度漂移、網(wǎng)絡(luò)上諧波污染程度、濾波電容老化及非線性負(fù)荷變化的影響。因而，在電子器件、變頻設(shè)備應(yīng)用日益頻繁的現(xiàn)代艦船上，諧波含量日益豐富，無源濾波器使用的效果并不理想。

有源電子濾波器（APF）是一種能夠彌補(bǔ)無源濾波器不足的新型諧波抑制設(shè)備，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波，補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。它首先檢測出不同頻率的諧波，然后產(chǎn)生出相位相反的同頻率諧波進(jìn)行補(bǔ)償，以達(dá)到消除諧波的目的。采用有源電子濾波器可以彌補(bǔ)無源濾波器存在的缺陷，是抑制諧波的一個(gè)發(fā)展趨勢。

1 有源電力濾波器的原理分析

以并聯(lián)型電力有源濾波器系統(tǒng)為例，見圖1，IS為電源電流；IL為復(fù)載電流；IC為補(bǔ)償電流；I＊C為指令電流；ILC為補(bǔ)償電流與復(fù)載電流之和。并聯(lián)型電力有源濾波器由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中補(bǔ)償電流發(fā)生器的主電路采用了電壓型PWM變流器。電阻、電感、電容組成高通濾波器與有源濾波器并聯(lián)，其作用是濾除補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波成分。通過檢測補(bǔ)償對象的電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算，電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號，該信號補(bǔ)償電流發(fā)生電路的放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流、諧波及無功電流抵消，最終得到期望的電源電流。

圖1 并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)

有源電力濾波器對包含諧波和無功分量的電網(wǎng)進(jìn)行“矯正”的方式類似于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”，因此，有源電力濾波器有很快的響應(yīng)速度，對變化的任意次諧波和無功功率，都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。

2 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真分析

并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性、強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)，對它進(jìn)行理論分析是比較困難的。而且新的控制算法應(yīng)用于這樣一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力。仿真工作可以驗(yàn)證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性，加深對其控制規(guī)律的認(rèn)識和理解。系統(tǒng)一些重要控制參數(shù)的仿真結(jié)果對實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)的選擇具有一定的參考作用，一些重要環(huán)節(jié)的參數(shù)需要用仿真來求取。本文基于UPF算法對并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行理論簡述和仿真分析。

2.1 單位功率因數(shù)的控制策略（UPF）的基本原理

單位功率因數(shù)控制策略的目的是使非線性負(fù)載和并聯(lián)的濾波器等效為一電阻性負(fù)載，從而使電網(wǎng)的負(fù)載電流為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率電網(wǎng)數(shù)為1（單位功率因數(shù)）。本文提出了按此策略設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中Vsi（電網(wǎng)電壓）為理想正弦電壓而且三相平衡，可表示為

圖2 有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)原理圖

式中：VS為電網(wǎng)電壓有效值。

負(fù)載電流iLi可表示為

式中：In代表基波和各次諧波電流的有效值；

θn代表基波和各次諧波電流的初相值。

補(bǔ)償電流iCi可表示為

式中，I1負(fù)載電流iLi的基波分量的有效值。

將式（3）代入式（4）中就可求出保證單位功率因數(shù)所需要的逆變器輸出電壓 Vconi（t），Vconi（t）是通過對Vdc／2進(jìn)行調(diào)制得到。當(dāng)正常工作時(shí)，isi應(yīng)成為與Vsi同相的正弦波，可表示為

式中：Is為網(wǎng)側(cè)電流有效值。

電網(wǎng)的負(fù)載電流是與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率因數(shù)為1（單位功率因數(shù)），式（5）中Is可從整個(gè)系統(tǒng)的有功功率流動(dòng)中獲得。檢測APF直流側(cè)電容電壓，濾除紋波，得到電容平均電壓，將電壓設(shè)定值減去電容電壓，差值送入PI控制器，PI控制器的輸出就是網(wǎng)側(cè)電流的幅值。該幅值與相電壓同相的三相單位正弦信號相乘后，便可得到理想的參考電流信號，然后與整流側(cè)電流相減便可得到所需的調(diào)制信號，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于UPF控制策略的系統(tǒng)框圖

2.2 并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理

三相有源電力濾波器的工作原理如圖4所示，單相有源電力濾波器的工作原理如圖5所示。

圖4中，UDC為三相有源電力濾波器直流回路電壓測量值，，為直流回路電壓給定值，兩者之差經(jīng)過具有低通濾波功能的誤差放大器后得到電壓控制量。該電壓控制量經(jīng)過與各輸入電壓的參考信號Ua、Ub與Uc相乘后，得到各相的輸入電流給定信號與，該給定信號與各相實(shí)際電流信號isa、isb和isc相比較后經(jīng)過各自PI調(diào)節(jié)器，得到最終的體現(xiàn)有輸出電壓調(diào)節(jié)和輸入電流調(diào)節(jié)的綜合控制信號，經(jīng)過電壓比較器后得到6路PMW信號，經(jīng)過隔離和放大后驅(qū)動(dòng)對應(yīng)功率器件工作。

圖5所示的單相有源電力濾波器的工作原理與圖4相似，區(qū)別是：電流PI調(diào)節(jié)器的結(jié)果加入了輸入電壓補(bǔ)償量；為了構(gòu)造4路PWM脈沖，增加了最終信號求反環(huán)節(jié)。顯然，當(dāng)有源濾波器可以作為可控整流器使用，而其基本算法可以不變。類似單相有源PFC，有源電力濾波器輸出直流電壓一般要大于輸入交流電壓幅值2－3倍，否則控制效果和經(jīng)濟(jì)性較差，其輸入電感L同時(shí)起到儲能和濾波作用。

圖4 三相有源電力濾波器的工作原理

圖5 單相有源電力濾波器的工作原理

2.3 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真分析

從輸入相數(shù)上來看，有源電力濾波器分為單相并聯(lián)型有源電力濾波器和三相并聯(lián)型有源電力濾波器，其功率電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖6和圖7所示。非線性負(fù)載一般是指輸入電壓與輸入電流波形不一致的一類負(fù)載，如輸入級為單相或三相整流器的變換器系統(tǒng)。這類負(fù)載向電網(wǎng)注入有功電流、無功電流和／或諧波電流，有源電力濾波器的作用就是向電網(wǎng)產(chǎn)生相位相反的無功電流和／或諧波電流，抵消非線性負(fù)載產(chǎn)生的無功電流和諧波電流，消除諧波電流污染，提高接入點(diǎn)附近的功率因數(shù)。

1）單相并聯(lián)型有源電力濾波器（APF）的仿真分析

基于圖5和圖6，建立單相并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型，如圖8所示。其模型仿真參數(shù)設(shè)置為：變步長，最大步長為1e－6s，相對精度為1e－3s，算法選擇ode23tb stiff／TR－BDF2。

整個(gè)電路由單相APF和單相非線性負(fù)載組成，其中二極管D5－D8、電感RLC（10mH）、電容RLC7（1410μF）和電阻RLC8（100Ω）構(gòu)成了單相非線性負(fù)載。而檢測電流用電阻RLC1（0.02Ω）、濾波電感RLC2和RLC3（5mH）、二極管D1－D4、功率開關(guān)S1—S4、電解電容RLC（1410μF）和假負(fù)載電阻RLC5（10kΩ）構(gòu)成了單相APF。VS1為標(biāo)準(zhǔn)單相正弦電壓源，電壓有效值為220V。上面部分為功率電路。

圖6 單想并聯(lián)型有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖7 三相并聯(lián)型有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖8 單相有源電力濾波器的仿真電路

在控制電路部分中，Sine Wave1為參考輸入電壓，為單相電源完全一致，幅值為2V。Setp1為階躍信號，階躍時(shí)刻為0.02s，用于延時(shí)啟動(dòng)控制電路。Repeating Sequence為頻率20kHZ、幅值0－1的鋸值波發(fā)生器，也可以構(gòu)造相似的三角波發(fā)生器代替鋸齒波發(fā)生器。

運(yùn)行圖8仿真模型后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析：系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，圖9所示給出了補(bǔ)償后電源輸入電壓與輸入電流波形，其中輸入電流幅值縮減了20倍。圖11所示給出了單相APF的輸出直流電壓波形，直流平均電壓為525V，紋波電壓峰峰值為4V。圖12所示給出了非線性負(fù)載輸入電壓和輸入電流波形。圖10所示給出了單相APF的輸入電壓和輸入電流波形。

圖9 補(bǔ)償后輸入電壓與電流波形

圖10 單相PDF輸入電壓與電流波形

圖11 單相APF輸出直流電壓波形

2）單位功率因數(shù)的三相并聯(lián)型有源電力濾波器（APF）的仿真分析

基于圖4和圖7，建立三相有源電力濾波器的仿真模型，如圖13所示。其模型仿真參數(shù)設(shè)置為：變步長，最大步長為1e－6s，相對精度為1e－3，算法選擇ode23tb stiff／TR－BDF2。

整個(gè)電路由單相APF和單相非線性負(fù)載組成，其中二極管D7－D12、電感RLC9（10mH）、電容RLC10（20μF）和電阻RLC11（100Ω）構(gòu)成了三相非線性負(fù)載。而檢測電流用電阻RLC1－3（0.02Ω）、濾波電感RLC4－6（10mH）、二極管D1－D6、功率開關(guān)S1—S6、電解電容RLC74（2500μF）和假負(fù)載電阻RLC8（10kΩ）構(gòu)成了三相APF。VS1－3為標(biāo)準(zhǔn)三相正弦電壓源，相電壓有效值為220Vrms。上面部分組成了三相并聯(lián)型有源電力濾波器的功率電路。其控制電路和單相有源電力濾波器的類似。

圖12 非線性負(fù)載輸入電壓與電流波形

圖13 三相有源電力濾波器的仿真電路

圖14 補(bǔ)償后輸入電壓和輸入電流波形

運(yùn)行圖13仿真模型后對仿真結(jié)果進(jìn)行分析：系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，圖14所示給出了補(bǔ)償后電源輸入電壓與輸入直流電壓波形，其中輸入電流幅值縮減了20倍。圖16所示給出了三相APF的輸出直流電壓波形，直流平均電壓為763V，紋波電壓峰峰值為5V。圖17所示給出了非線性負(fù)載輸入電壓和輸入電流波形。圖15所示給出了三相APF輸入電壓和輸入電流波形。

圖15 三相APF輸入電壓和輸入電流波形

圖16 三相APF輸出直流電壓波形

圖17 非線性負(fù)載輸入電壓與輸入電流波形

3 結(jié) 語

通過建立了單相和三相并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型，其仿真結(jié)果符合預(yù)期的濾波效果。采用有源電力濾波器能夠彌補(bǔ)無源濾波器的缺陷，是對濾波進(jìn)行抑制的一個(gè)發(fā)展趨勢，對于保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)合性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義，有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 王兆安.有源電力濾波器的發(fā)展與應(yīng)用［M］.西安交通大學(xué)出版社，1998

2 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1998

3 羅德凌，唐朝暈，周方圓.有源電力濾波器研究現(xiàn)狀及其發(fā)展方向［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2006（2）