有源電力濾波器對(duì)消除諧波電流的研究*

秦學(xué)斌，張一哲，汪　梅(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

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有源電力濾波器對(duì)消除諧波電流的研究*

秦學(xué)斌，張一哲，汪梅
(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安710054)

摘要:非線性負(fù)載尤其是電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致了電網(wǎng)中含有大量諧波，這些諧波給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的污染，從而使電能質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。有源電力濾波器(APF)作為一種高效治理諧波的電力電子裝置得到越來越廣泛的關(guān)注。文中構(gòu)造了有源電力濾波器采用基于瞬時(shí)無功理論的ip－iq檢測(cè)法來檢測(cè)諧波電流，采用滯環(huán)比較法來跟蹤指令電流。通過MATLAB/ SIMULINK搭建仿真模型，對(duì)電力系統(tǒng)中存在的負(fù)載是否平衡和電網(wǎng)是否平衡4種情況進(jìn)行仿真研究。仿真實(shí)驗(yàn)表明: APF針對(duì)于這4種狀況能夠消除電流諧波，使電流中的諧波含量減少了75%以上，使得電流總畸變率大大降低，與傳統(tǒng)的LC無源濾器相比，有源電力濾波器具有深入的研究意義和廣泛的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:有源濾波器;瞬時(shí)無功理論; ip－iq諧波檢測(cè)法

0　引言

當(dāng)正弦波電壓施加在非線性電路上時(shí)，會(huì)使電流的波形變成非正弦波。對(duì)于周期為T =2π/ω的非正弦電流i(ωt)，一般滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級(jí)數(shù)。其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為基波頻率的整數(shù)倍分量稱為諧波［1］。

理想的供電系統(tǒng)應(yīng)該保持三相平衡對(duì)稱，電壓電流波形頻率恒定且為正弦波，電能質(zhì)量不受負(fù)載變化的影響。然而在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，電力電子裝置、電弧爐、變壓器等非線性負(fù)載的大量使用使電網(wǎng)電流波形變成非正弦，引起諧波污染和電流畸變，使電能質(zhì)量嚴(yán)重下降［2－3］。為提高電能質(zhì)量，必須首先準(zhǔn)確檢測(cè)出各種情況下的諧波分量，才有可能補(bǔ)償這些諧波分量，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行了深入的研究［4］，提出了不同的檢測(cè)方法，按照提取諧波原理的不同，可分為頻率特征檢測(cè)法、時(shí)域特征檢測(cè)法和自適應(yīng)檢測(cè)3類諧波［5］。頻率特征檢測(cè)法包括模擬濾波器或陷波器法、傅里葉變換法［6－7］、小波變換法［8－11］、卡爾曼濾波器法，但這些方法的算法本身構(gòu)造復(fù)雜，硬件電路難以實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)檢測(cè)法包括自適應(yīng)干擾消除技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［12－13］、自適應(yīng)基波提取與頻率跟蹤算法，這些方法需要大量訓(xùn)練樣本，同樣硬件電路難以實(shí)現(xiàn)，適用于理論研究。時(shí)域特征檢測(cè)法包括Fryze功率理論、瞬時(shí)無功功率理論、加強(qiáng)鎖相環(huán)法、正弦信號(hào)合成技術(shù)等。文中采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip－iq法［14］，該算法簡(jiǎn)單而且硬件電路易搭建，已經(jīng)成功運(yùn)用到實(shí)際的應(yīng)用之中。

有源電力濾波器(APF)［15］作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能抑制大小和頻率同時(shí)變化的諧波電流。它主要由指令運(yùn)算電流電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路組成。指令運(yùn)算電流電路采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ipiq法來提取諧波并產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的電流指令，補(bǔ)償電流發(fā)生電路采用滯環(huán)比較法PWM［16］控制方式接收電流指令并產(chǎn)生補(bǔ)償電流。APF可克服傳統(tǒng)LC濾波器的缺點(diǎn)，適用于諧波階次較高且變化速率快的負(fù)載。

文中首先闡述了APF的工作原理以及檢測(cè)電流的相關(guān)方法，進(jìn)而在MATLAB平臺(tái)上搭建系統(tǒng)仿真模型［17］。對(duì)負(fù)載平衡、不平衡和電網(wǎng)平衡、不平衡4種狀況進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提取其電網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析。通過APF電流補(bǔ)償前后的情況來驗(yàn)證其對(duì)消除諧波的作用。

1　相關(guān)內(nèi)容

1. 1工作原理

如圖1所示為基本的有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖。有源電力濾波器有2大部分組成及指令運(yùn)算電流電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中，指令運(yùn)算電路主要是檢測(cè)諧波和無功電流電路，補(bǔ)償電路由電流跟蹤電路、驅(qū)動(dòng)電路、主

電路組成。指令運(yùn)算電路檢測(cè)諧波和無功電流并產(chǎn)生指令信號(hào)控制電流跟蹤電路，由跟蹤電路產(chǎn)生PWM信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器控制主電路的變流器，產(chǎn)生補(bǔ)償電流。

有源電力濾波器由式(1)描述

其中is為電源電流; ic為補(bǔ)償電流; il為負(fù)載電流。

圖1　有源電力濾波器結(jié)構(gòu)Fig．1　Structure of active power filter

其中ilh為諧波電流; ilf為基波電流，主電路產(chǎn)生與諧波電流大小相等且極性相反的電流。則得到的電源電流只含有基波分量

1. 2采用方法

指令運(yùn)算電路和電流跟蹤控制電路是有源電力濾波器中最重要的2個(gè)環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)采用瞬時(shí)無功理論p，q的基礎(chǔ)上改進(jìn)ip－iq法檢測(cè)諧波和無功電流。在電流跟蹤電路中采用滯環(huán)比較法控制方式。

1. 2. 1ip－iq檢測(cè)法

ip－iq法檢測(cè)結(jié)構(gòu)如圖2所示，取A相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)。然后將它們加入系統(tǒng)中，由式(4)獲得諧波電流。

通過MATLAB建立圖3模型來驗(yàn)證ip－iq檢測(cè)法的準(zhǔn)確性。

圖2　檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖Fig．2　Structure of detection

圖3　仿真模型圖Fig．3 MATLAB/SIMULINK model

圖4　A相電流及頻譜圖Fig．4 A phase current and the spectrum(a)電源　(b)基波　(c)諧波

采用電壓為220 V，頻率為50 Hz的三相交流電源，對(duì)1個(gè)三相整流裝置進(jìn)行供電，采集A相電源電流作為圖2指令運(yùn)算電路的輸入信號(hào)。采用ip－iq檢測(cè)法提取A相電流的基波分量和諧波分量并對(duì)其進(jìn)行頻譜分析如圖4(b)和4(c)所示，從圖4(b)得到該波的基波電流波形呈正弦波，從其頻譜圖來看只含有50 Hz的工頻。實(shí)驗(yàn)證明ip－iq法提取諧波電流的準(zhǔn)確性和有效性。

圖5　滯環(huán)比較法的電流跟蹤控制Fig．5 Current tracking control based on hysteresis comparison method

1. 2. 2滯環(huán)比較法

該方法的跟蹤控制過程如圖5所示，以補(bǔ)償電流參考值為基準(zhǔn)設(shè)計(jì)1個(gè)±λ的滯環(huán)帶，將指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流的差值Δic作為滯環(huán)比較器的輸入與λ進(jìn)行比較，其輸出為矩形波的PWM信號(hào)，用此信號(hào)去控制逆變器，仿真模型如圖6所示。

從圖7中可以看出，跟蹤波與原始波的吻合度很高，λ越小跟蹤效果越好。為了檢驗(yàn)跟蹤效果，調(diào)用Matlab中的相關(guān)函數(shù)R = corrcoef(x，y)，輸出矩陣R是1個(gè)二維矩陣，對(duì)角元素為自相關(guān)系數(shù)恒為1，非對(duì)角元素表示x和y的相關(guān)系數(shù)，其值在［－1，1］之間，越接近于1表示相關(guān)度越高。經(jīng)過計(jì)算所得

圖6　仿真模型圖Fig．6 MATLAB / SIMULINK model

圖7　跟蹤基波和總諧波效果Fig．7 Tracking the fundamental and harmonics wave(a)λ=5　(b)λ=1

圖8　仿真模型Fig．8 MATLAB / SIMULINK model

此時(shí)所得結(jié)果為0. 996 7，0. 860 9，0. 999 9，0. 915 2，說明跟蹤的波形與原始波形相關(guān)度非常高，跟蹤效果很好。

2　仿真結(jié)果

設(shè)置三相電源電壓為220 V，頻率為50 Hz，滯環(huán)比較器的環(huán)帶寬λ=5．整體仿真模型如圖8所示。選取A相電流來觀察補(bǔ)償前后的效果。分別對(duì)(a)電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱; (b)電網(wǎng)不對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱; (c)電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載不對(duì)稱; (d)電網(wǎng)負(fù)載均不對(duì)稱4種情況進(jìn)行仿真研究。

從圖9中可以看出，補(bǔ)償之前的電流波形發(fā)生畸變，經(jīng)過補(bǔ)償后電流波形呈正弦波。

為了研究其電流的基波分量和諧波分量，對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉分析以及電流畸變率計(jì)算，在進(jìn)行補(bǔ)償之前電源電流中含有大量諧波電流如圖10所示，其電流畸變率達(dá)到了56. 98%，28. 40%，9. 41%，17. 40%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過公用電網(wǎng)諧波電流允許值。經(jīng)過補(bǔ)償，能看出電流中諧波電流大大減少并且電流畸變率也下降到0. 85%，0. 73%，3. 17%，3. 19%．

圖10，圖11分析及計(jì)算結(jié)果見表1，表1顯示了4種情況補(bǔ)償前后各次諧波含量和電流諧波總畸變率的對(duì)比結(jié)果。由表1可得，補(bǔ)償后各次諧波含量明顯降低，電流諧波總畸變率也明顯下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明有源電力濾波器對(duì)消除電流諧波具有明顯的效果。

表1　各次諧波含量對(duì)比結(jié)果和電流畸變率Tab．1 Comparison results of the harmonic content and total harmonic distortion

圖9　補(bǔ)償前后電流波形對(duì)比Fig．9 Current waveform comparison before and after compensation(a)電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱　(b)電網(wǎng)不對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱　(c)電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載不對(duì)稱　(d)電網(wǎng)負(fù)載均不對(duì)稱

圖10　補(bǔ)償前的A相電流FFT分析及THDFig．10 FFT and THD of A phase current before compensation

圖11　補(bǔ)償后的A相電流FFT分析及THDFig．11 FFT and THD of A phase current after compensation

3　結(jié)論

1)提出了ip－iq法融合PWM控制方法實(shí)現(xiàn)電流的精確跟蹤模型，ip－iq法能夠快速準(zhǔn)確提取諧波電流和基波電流，運(yùn)用滯環(huán)比較法即PWM控制方法實(shí)現(xiàn)了諧波電流的精確跟蹤。

2)搭建了有源電力濾波器的MATLAB/SIMULINK系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱、電網(wǎng)不對(duì)稱負(fù)載對(duì)稱、電網(wǎng)對(duì)稱負(fù)載不對(duì)稱、電網(wǎng)負(fù)載均不對(duì)稱4種情況進(jìn)行仿真對(duì)比試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明有源電力濾波器能夠準(zhǔn)確的提取諧波電流并對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而降低諧波含量，有效地抑制了電網(wǎng)諧波電流，驗(yàn)證了提出算法的有效性和和準(zhǔn)確性。

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Active power filter for eliminating harmonic current

QIN Xue-bin，ZHANG Yi-zhe，WANG Mei
(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract:The widespread application of non-linear loads especially power electronic devices generate a large number of harmonics in the power grid．These harmonics cause serious pollution for the power system，so that the power quality is affected seriously．Active Power Filter(APF) as the power electronic devices to manage harmonics effectively has been a hot topic．The design of active power filter detects the harmonic current by using ip－iqmethod based on instantaneous reactive power theory，and tracks the current instruction by using hysteresis comparative method．The simulation results based on MATLAB / SIMULINK show that the APF can eliminate the current harmonics．Harmonics in the current are reduced by 75% and the Total Harmonic Distortion(THD) is reduced greatly．Active power filter has significance and practical value compared to the traditional passive LC filters．

Key words:active power filter; instantaneous reactive power theory; ip－iqmethod

通訊作者:秦學(xué)斌(1983－)，男，陜西漢中人，講師，E-mail: qinxb@ xust．edu．cn

基金項(xiàng)目:陜西省工業(yè)科技公共項(xiàng)目(2015GY020)

*收稿日期:2015－11－20責(zé)任編輯:高佳

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0220

文章編號(hào):1672－9315(2016) 02－0275－07

中圖分類號(hào):TM 935

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A