改進(jìn)型直流側(cè)有源電力濾波器在三相系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

（衢州電力局，浙江衢州324000）

改進(jìn)型直流側(cè)有源電力濾波器在三相系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

嵇麗明，徐翀，柯明生，姜淦之，周揚(yáng)飛

（衢州電力局，浙江衢州324000）

針對(duì)改進(jìn)型DC側(cè)APF具有負(fù)載輸出電壓可調(diào)、控制和驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、儲(chǔ)能電容容量小等優(yōu)點(diǎn)，依據(jù)單相改進(jìn)型拓?fù)洌岢鲆环N三相改進(jìn)型DC側(cè)APF拓?fù)淠Ｐ?，?duì)三相整流類負(fù)載進(jìn)行諧波治理具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。與三相PFC相比，該拓?fù)鋬H處理部分功率，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；與交流側(cè)APF相比，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減少了功率開關(guān)數(shù)量。仿真結(jié)果證明了該拓?fù)涞恼_性和可靠性。

諧波治理；整流橋類負(fù)載；諧波注入；有源電力濾波器

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)和民用用電負(fù)荷的迅速增加，以及各種電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波污染隨著非線性負(fù)載數(shù)量及容量的增加而日趨嚴(yán)重，供電部門和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求則越來越高，因此人們對(duì)電力系統(tǒng)的諧波問題也越來越重視[1-2]。對(duì)于整流橋輸入端進(jìn)行諧波治理的有源電力濾波器研究，目前主要集中在對(duì)單相系統(tǒng)的研究[3-9]。

三相不可控整流橋在工業(yè)中大量應(yīng)用，成為電力系統(tǒng)的主要諧波源，三相功率因數(shù)校正[10-11]和三相有源電力濾波器[12-13]是2種目前常用的針對(duì)三相整流橋的諧波治理措施。由于三相PFC（Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）需要處理幾乎全部的負(fù)載功率，因此功率級(jí)電路容量大、成本高[14]，同時(shí)電路結(jié)構(gòu)和控制相對(duì)復(fù)雜。

三相改進(jìn)型直流（DC）側(cè)APF（Active Power Filter，有源電力濾波器）是一種新的諧波治理方案，將有源電力濾波器移到三相整流橋的直流側(cè)。相對(duì)三相PFC而言，該拓?fù)鋬H處理部分功率，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。與三相交流側(cè)APF相比，該拓?fù)浜?jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，有源開關(guān)的數(shù)量較少，降低了成本和開關(guān)損耗。仿真結(jié)果證明了這一改進(jìn)型DC側(cè)APF拓?fù)淠Ｐ偷恼_性和可靠性。

1 三相改進(jìn)型DC側(cè)APF電路工作原理

三相改進(jìn)型DC側(cè)APF拓?fù)淠Ｐ腿鐖D1所示，二極管導(dǎo)通情況如表1所示。拓?fù)淠Ｐ桶?、?組單相DC側(cè)APF和3個(gè)雙向開關(guān)，其中低頻雙向開關(guān)Sa，Sb，Sc工作在二倍工頻，Sp1和Sp2以及Sn1和Sn22對(duì)有源開關(guān)同時(shí)工作在高頻。根據(jù)輸入電壓的相位關(guān)系，將每個(gè)電網(wǎng)周期分成6個(gè)工作區(qū)間，即區(qū)間Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，在每個(gè)區(qū)間內(nèi)分別使3個(gè)雙向開關(guān)中的1個(gè)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的解耦控制。

圖1 三相改進(jìn)型DC側(cè)APF拓?fù)?/p>

表1 整流橋二極管導(dǎo)通情況

為了便于分析，假設(shè)開關(guān)Sp1和Sp2以及Sn1和Sn2的開關(guān)周期為Ts，Sp1的導(dǎo)通時(shí)間為dpTs，Sn1的導(dǎo)通時(shí)間為dnTs；三相電源是對(duì)稱且無畸變的正弦波；容性負(fù)載C1和C2很大，Uc1和Uc2在開關(guān)周期內(nèi)電壓基本無變化，相當(dāng)于理想電壓源。

圖2 三相改進(jìn)型DC側(cè)APF分區(qū)

該拓?fù)涞墓ぷ鲄^(qū)間以及低頻雙向開關(guān)動(dòng)作情況如圖2所示。根據(jù)開關(guān)的動(dòng)作情況，得出解耦后等效電路（圖3所示）和開關(guān)等效電路（如圖4所示）。該拓?fù)鋵?duì)三相三線制整流橋負(fù)載的諧波抑制具有特定的優(yōu)勢(shì)和功效。

圖3 三相改進(jìn)型DC側(cè)APF拓?fù)涞刃щ娐?/p>

圖4 開關(guān)等效電路

2 多矢量誤差放大器在三相系統(tǒng)的應(yīng)用

多矢量誤差放大器不僅兼顧了電路的穩(wěn)態(tài)工況，而且考慮了輸出電壓突變的工作情況（輸出電壓存在一定程度的上升或下降），從而提高了整個(gè)電路在以上工況下的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性[15]。

多矢量誤差放大器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中運(yùn)算放大器EA實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)時(shí)的運(yùn)算放大功能，R1和C是穩(wěn)態(tài)輸出的低通濾波器；運(yùn)算放大器A1是電壓跟隨器，主要起隔離作用，避免將輸出電壓反饋網(wǎng)絡(luò)的高阻抗導(dǎo)入到運(yùn)算放大器A2及A3的輸入端；運(yùn)算放大器A2的主要功能是在輸出電壓升高到一定程度（例如105%）時(shí)快速降低輸出電壓；運(yùn)算放大器A3的主要功能是在輸出電壓降低到一定程度（例如95%）時(shí)，快速升高輸出電壓。M1和M2組成鏡像電流源。

2.1 主電路

運(yùn)算放大器EA、電阻R1和電容C組成多矢量誤差運(yùn)算放大器的主路徑，電壓誤差放大器輸出電壓UEA維持在允許的小波動(dòng)區(qū)間內(nèi)，多矢量誤差運(yùn)算放大器工作于主路徑，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)輸出。

圖5 多矢量誤差放大器結(jié)構(gòu)

2.2 高電壓鉗位電路

當(dāng)反饋信號(hào)UIN突然上升到一定程度（常用λ =（uIN-UIN）/UIN表示電壓突變程度，一般λ取值為5%～10%），高電壓鉗位環(huán)節(jié)電路馬上作用去改變跨導(dǎo)放大器的跨導(dǎo)。該部分主要是由運(yùn)算放大器A2和電阻R2及R3組成的加法器電路來完成有效降低負(fù)載輸出電壓的功能。

2.3 低電壓鉗位電路

低電壓鉗位電路主要包含運(yùn)算放大器A3和NMOS管，當(dāng)反饋電壓信號(hào)UIN低于（1-λ）UIN時(shí)，電路啟動(dòng)低電壓鉗位電路，信號(hào)通過A3組成的高帶寬通路，使鏡像電流源產(chǎn)生電流，從而快速提高輸出電壓UEA。

3 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 電感L的設(shè)計(jì)

從理論上說，電感電流的動(dòng)態(tài)變化率越大，跟蹤效果就越好，在其它條件不變的情況下，L值越小，di/dt越大，同時(shí)也使系統(tǒng)成本降低；但如果L過小，會(huì)使電感中的紋波電流變大，也會(huì)影響補(bǔ)償效果，電感值的選取可參考文獻(xiàn)[9]。

3.2 儲(chǔ)能電容C的設(shè)計(jì)

（1）對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行直接控制時(shí)，可利用脈動(dòng)能量和儲(chǔ)能電容容量的關(guān)系法來求取儲(chǔ)能電容：

式中：r為穩(wěn)態(tài)時(shí)電容電壓波動(dòng)范圍（一般取r為2%～10%）；S為APF的容量；UC為儲(chǔ)能電容直流電壓。

（2）不對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行直接控制時(shí)，設(shè)儲(chǔ)能電容最大波動(dòng)電壓為

儲(chǔ)能電容C為：

將式（4）代入式（3），則儲(chǔ)能電容C為：

4 諧波注入式三相DC側(cè)APF拓?fù)?/h2>

為了進(jìn)一步減少有源開關(guān)數(shù)量，從而降低成本以及有源開關(guān)的耗損，文中引入了諧波注入式的思想，即用相應(yīng)的阻抗代替中線的3個(gè)有源開關(guān)，并提出了一種諧波注入式結(jié)構(gòu)的三相DC側(cè)APF拓?fù)?，圖6為諧波注入式三相改進(jìn)型DC側(cè)APF主電路拓?fù)洹?/p>

圖6 諧波注入式三相改進(jìn)型DC側(cè)APF

在一個(gè)電源周期內(nèi)，該拓?fù)潆娐饭ぷ髟?個(gè)區(qū)間，現(xiàn)以區(qū)間I為例對(duì)圖6的拓?fù)涔ぷ髟磉M(jìn)行分析。

由于該拓?fù)涫腔谥C波注入式功率因數(shù)校正思想的三相三線制系統(tǒng)，則有：

由公式（6）、（7）得出：

由諧波注入式的工作原理及區(qū)間I下的電流關(guān)系式（8）可知，實(shí)現(xiàn)注入式的前提是保證流經(jīng)阻抗的電流相等且為中線電流的1/3，該阻抗Za，Zb，Zc的設(shè)計(jì)方式有很多[16]。

5 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真電路的參數(shù)如下：交流輸入電壓220 V，頻率為50 Hz；輸入濾波電感L1為1 mH；輸出電感L2為0.25 mH；儲(chǔ)能電容C為2 mF；負(fù)載電阻額定值為40 Ω；電路的時(shí)鐘頻率為25 kHz。分別對(duì)輸出電壓Uc1=Uc2=150 V和Uc1=Uc2=300 V進(jìn)行仿真。負(fù)載為典型的電壓型諧波源負(fù)載—電容濾波整流器。

圖7，8，9分別是補(bǔ)償前A相電流波形圖、Uc1=Uc2=150 V的仿真波形圖和Uc1=Uc2=300 V的仿真波形圖。從圖中可看出，三相改進(jìn)型DC側(cè)APF作為一種新的諧波治理方案，在不同負(fù)載輸出電壓情況下能夠較好地抑制諧波。

圖7 補(bǔ)償前A相電流波形

圖8 Uc1=Uc2=150 V的仿真波形

圖9 Uc1=Uc2=300 V的仿真波形

6 結(jié)語

本文提出了一種三相改進(jìn)型三相三線制DC側(cè)APF拓?fù)?，?duì)于三相整流類負(fù)載進(jìn)行諧波治理，該拓?fù)渚哂兄麟娐沸路f、補(bǔ)償性能好、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用諧波注入式理論，用相應(yīng)的阻抗元件代替有源開關(guān)，進(jìn)一步減少了主電路中的有源開關(guān)數(shù)量，從而降低成本，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)電路啟動(dòng)或存在故障（短路、負(fù)載的突變或輸入電壓突變）等特殊情況，引入多矢量誤差放大器來解決電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性和實(shí)時(shí)性。針對(duì)該拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性能以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究還有待進(jìn)一步深入探討和研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證該拓?fù)涞恼_性。

[1]吳競(jìng)昌．供電系統(tǒng)諧波[M]．北京：中國(guó)電力出版社，1998．

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

[3]D.-Y.QIU,S.-C.YIP,HENRY S.H.CHUNG,et al. Single current sensor control for single-phase active power factor correction[J].IEEE Transactions on Power Electro-nics，2002，17（5）∶623-632.

[4]王群，姚為正，劉進(jìn)軍，等．諧波源與有源電力濾波器的補(bǔ)償特性[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001，21（2）∶16-20．

[5]謝品芳，杜雄，周雒維．單周控制直流側(cè)單相有源電力濾波器[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2003，18（4）∶51-55．

[6]王群，姚為正，劉進(jìn)軍，等．電壓型諧波源與串聯(lián)型有源電力濾波器[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000，24（7）∶30-35．

[7]侯世英，鄭含博，林茂，等.直流側(cè)串聯(lián)型有源電力濾波器的單周控制方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（7）∶740-743.

[8]侯世英，鄭含博，劉庚，等.單相串聯(lián)型直流側(cè)有源電力濾波器[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（4）∶408-412.

[9]侯世英，鄭含博.改進(jìn)型直流側(cè)串聯(lián)型有源電力濾波器[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（15）∶36-40.

[10]PRASADA R，ZIOGAS PD，MANIAS S.An active power factor correction technique for three-phase diode rectifiers [J].IEEE Trans on Power Electronics，1991，6（1）∶83-92.

[11]QIAO C，SMEDLEY K M.A general three-phase PFC controller for rectifiers with a series-connected dual-Boost topology[J].IEEE Transactions on IndustryApplic1 ations, 2002，38（2）∶137-148.

[12]EI-HABROUK M，DARWISH M K，MEHTA P.Ative power filters∶a review[J].IEE Proceeding-Electric PowerApplications，2000，147（5）∶403-413.

[13]王躍，楊君，王兆安，等．電氣化鐵路用混合電力濾波器的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23（7）∶23-27.

[14]杜熊，周雒維，侯世英．三相整流橋直流側(cè)并聯(lián)型有源電力濾波器[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（15）∶98-102.

[15]張永鉑.一種無乘法器的CMOS PFC控制電路[D].西安電子科技大學(xué)，2007.

[16]曹建安.雙開關(guān)三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[D].西安交通大學(xué)，2002.

（本文編輯：龔皓）

Research onApplication of Improved DC SideActive Power Filter in Three-phase System

JI Li-ming，XU Chong，KE Ming-sheng，JIANG Gan-zhi，ZHOU Yang-fei
（Quzhou Electric Power Bureau，Quzhou Zhejiang 324000，China）

As the improved DC side active power filter（APF）is characterized by adjustable load output voltage，simple control and drive，small storage capacitance etc.，this paper proposes an improved three-phase DC sideAPF topology model based on an improved single-phase topology，which has great technical advantages of harmonic elimination for three-phase rectifier load.Compared with the three-phase power factor correction（PFC），the proposed topology only processes part of power and the main circuit structure is simple; compared with theAC sideAPF，the circuit structure is simplified and the amount of the power switches is reduced.The simulation results show that this topology has high accuracy and reliability.

harmonic elimination；bridge rectifier type load；harmonic injection；active power filter

TM714

：B

：1007-1881（2012）06-0013-04

2011-11-31

嵇麗明(1982-)，男，浙江衢州人，工學(xué)碩士，助理工程師，從事高壓試驗(yàn)及遠(yuǎn)動(dòng)檢修工作。