小功率模塊APF設(shè)計

孫啟洋

摘 要：有源電力濾波器（APF）就是一種諧波、無功綜合補償系統(tǒng)。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后由逆變器產(chǎn)生一個與諧波電流相同的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只有與電網(wǎng)電壓同相位的基波正序分量。它具有動態(tài)補償、不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振、所需貯能元件容量很小及補償無功的大小可連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；瞬時無功功率理論；諧波抑制；無功補償

1 緒論

1.1 項目背景和意義

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中應(yīng)用日益廣泛，電力電子裝置產(chǎn)生的諧波、無功對電網(wǎng)的污染日趨嚴重，對電力系統(tǒng)和用戶造成了一系列危害。

諧波和無功電流，從物理本質(zhì)上看，都可以歸結(jié)為波形的問題。諧波是工頻正弦波畸變，無功是電壓電流波形相位不同，由于物理本質(zhì)的統(tǒng)一性，可以對電力系統(tǒng)中的諧波和無功進行綜合補償。

有源電力濾波器（APF）就是一種諧波、無功綜合補償系統(tǒng)。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，然后由逆變器產(chǎn)生一個與諧波電流相同的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只有與電網(wǎng)電壓同相位的基波正序分量。它具有動態(tài)補償、不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振、所需貯能元件容量很小及補償無功的大小可連續(xù)調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

1.1.1 諧波的產(chǎn)生及其危害

電力系統(tǒng)中的各種非線性元件是產(chǎn)生高次諧波的主要原因。按照非線性元件的類習(xí)慣，電力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類。

一是含有半導(dǎo)體非線性元件的電力電子裝置諧波源。

二是含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源。

理想的公共用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該具有單一固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公共用電網(wǎng)絡(luò)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公用用電網(wǎng)絡(luò)以外的設(shè)備帶來危害。

1.1.2 諧波抑制

諧波抑制是提高電能質(zhì)量，保證供用電設(shè)備安全可靠運行的重要手段之一，基本思路主要有兩條：一是安裝濾波裝置來補償諧波，這適用于各種諧波源；二是對電力電子裝置進行改造，使其功率因數(shù)為1并減少諧波的產(chǎn)生。

裝設(shè)濾波裝置的傳統(tǒng)方法是采用無源濾波器，也稱為LC濾波器。這種方法既可以補償諧波，又可補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行特性影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振。且只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

采用有源電力濾波器是目前諧波抑制的一個重要趨勢，有源電力濾波器也是一種電力電子裝置，其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，與補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。

1.1.3 無功補償

無功補償包括對基波無功功率的補償和對諧波無功功率的補償。對諧波無功功率的補償實際上即是前面所述的諧波補償。對基波無功功率的補償可以采用并聯(lián)電容器，具有成本低的優(yōu)點，但只能補償固定的無功功率。靜止無功補償裝置（SVC）近年來獲得了較大的發(fā)展，其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器（FC+TCR），晶閘管投切電容器（TSC）也獲得廣泛的應(yīng)用。SVC的重要特性是能對補償?shù)臒o功功率連續(xù)調(diào)節(jié)。

1.2 項目技術(shù)要求

1.2.1 項目功能要求

本項目主要需要實現(xiàn)以下功能：

（1）單一指定次諧波補償

（2）2至25次諧波全補償

（3）無功補償

（4）無功、諧波全補償

1.2.2 項目技術(shù)指標（見下表）

2 系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計主電路時，首先應(yīng)確定主電路的形式。目前有源電力濾波器的主電路絕大多數(shù)采用電壓型，采用電流型的極少。這里選擇電壓型、單個變流器的方式是具有代表性的。

2.1 并聯(lián)有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

APF的系統(tǒng)框圖如圖1所示。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。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流，它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變流器。

2.2 指令電流運算電路

指令電流運算電路的作用是根據(jù)有源電力濾波器的補償目的得出補償電流的指令信號，即期望由有源電力濾波器產(chǎn)生的補償電流信號。指令電流運算電路的核心是諧波和無功電流實時檢測方法。

若有源電力濾波器的補償目的只是補償諧波，則補償電流信號應(yīng)與檢測的負載諧波極性相反。

當有源電力濾波器的補償目的是同時補償諧波和無功功率，補償電流的指令信號應(yīng)與負載電流的諧波及基波無功分量之和的大小相等、極性相反，此時補償后的電源電流與負載電流的基波有功分量完全相同。

當有源電力濾波器只補償無功功率時，補償電流指令信號應(yīng)與負載電流的瞬時無功分量大小相等、極性相反。

2.3 電流跟蹤控制電路

本項目所采用的電流跟蹤控制電路原理如圖2所示。電流跟蹤控制電路正式補償電流發(fā)生電路中的第1個環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個開關(guān)器件通斷的PWM信號，控制的結(jié)果應(yīng)保證補償電流跟蹤其指令信號的變化。由于并聯(lián)型有源電力濾波器產(chǎn)生的補償電流應(yīng)實時跟隨其指令電流信號的變化，要求補償電流發(fā)生器有很好的實時性，因此電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。

3 主電路設(shè)計

3.1 主電路直流側(cè)電容和電壓等級

電壓的選擇按照經(jīng)驗選擇應(yīng)在相電壓3倍以上，我們選則參考電壓Ud=770V。

電容量的選擇可按照如下經(jīng)驗公式計算

其中：I0-APF額定工作電流；w1-APF輸出的電壓基波的角頻率；Udc-額定狀態(tài)下直流側(cè)電壓；K-系統(tǒng)允許的直流電壓波動系數(shù)，取值范圍0.01～0.1；Cd-直流側(cè)電容容量之和。

所以

此條件下求得Cd=4150μF，考慮到電容容量適度增大利于系統(tǒng)穩(wěn)定，可取Cd=4550μF。

即每個電容容量C1=C2=9100μF。

3.2 LCL濾波工作原理與參數(shù)設(shè)計

為了濾除開關(guān)諧波，通常將L或LC濾波器引入APF中。其位置如圖3所示。

由LCL參數(shù)計算：

系統(tǒng)的額定功率P=35kW；電網(wǎng)基波頻率f=50Hz；電網(wǎng)線電壓有效值U=220V

主電路直流側(cè)電容電壓Udc=770V；額定輸出電流I=100A；主電路開關(guān)管的開關(guān)頻率fsw=15KHz

（1）設(shè)計輸出總電感值

根據(jù)補償電流最大允許紋波條件決定逆變器總電感的取值為：

其中，imax為開關(guān)頻率處諧波電流允許的最大脈動，一般取20%的額定輸出電流i。

（2）確定逆變器側(cè)電感L1和網(wǎng)側(cè)電感L2的電感量

綜合考慮濾波效果和紋波電流影響，我們?nèi)1和L2的電感量分別為：

（3）確定濾波電容Cf和阻尼電阻Rd

我們選擇諧振頻率為7KHz，所以Rd×Cf=22.7，一般情況下Rd在5Ω左右，所以經(jīng)過測驗Rd=4.27Ω，Cf=5.31μF較為合適。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計僅建立了PSIM仿真模型，實際中的控制系統(tǒng)可以由FPGA+DSP作為控制器進行全數(shù)字控制器設(shè)計。因此，本章主要討論APF的控制算法與軟件設(shè)計，所涉及的控制算法均可由控制器編程實現(xiàn)。

4.2 無功檢測算法設(shè)計

瞬時無功功率理論于1983年由赤木泰文首先提出，此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸完善。該理論亦稱pq理論，以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎(chǔ)。

設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。將它們，變換到α-β兩相正交坐標系上。根據(jù)瞬時功率理論可以將負載電流解耦成各個分量，本文采用如圖所示的算法，可以對基波無功電流進行檢測。對圖示方法中，將ip支路斷開，并去掉電流前饋環(huán)節(jié)，即可獲得三相基波無功。

將圖中ip的通道斷開，只需對iq所在的通道進行反變換，得

即為基波無功電流。這種控制方法適用于中小功率場合應(yīng)用?；谒矔r無功功率理論的方法具有較好的實時性，在之檢測無功電流時，可以完全無延時地得出檢測結(jié)果。

4.3 諧波檢測算法設(shè)計

常規(guī)p q法計算的時電流矢量i在三相電網(wǎng)基波正序電壓合成矢量及其法線上的投影。在阿爾法-貝塔坐標系中，只有基波電流分量和基波電壓分量合成矢量是同步旋轉(zhuǎn)的，處于相對靜止的狀態(tài)，而其他所有的電流分量相對于基波正序電壓合成矢量均是動態(tài)的。因此，只有基波正序電流分量在基波正序電壓合成矢量及其法線上的投影才是常量，其他分量在基波正序電壓合成矢量及其法線上的投影均是交變的。提取其中的直流分量，經(jīng)反變換，即可求得電網(wǎng)基波正序電流分量。根據(jù)上述原則，若欲檢測某次（如k次）諧波電流分量，參考電壓矢量選為k次諧波正序電壓合成矢量即可。

5 仿真結(jié)果

整體原理如圖所示。

5.1 全諧波補償

（補償率88.2%）

5.2 無功補償

5.3 全諧波與無功補償

（補償率78%）

6 結(jié)論與總結(jié)

本項目設(shè)計了一套基于瞬時無功功率法與指定次諧波提取的APF模塊，并進行了PSIM仿真，在直流側(cè)電壓穩(wěn)定的前提下其無功與諧波補償均取得了良好效果。在僅采用電壓閉環(huán)控制直流側(cè)母線電壓時也取得了良好效果。然而由于時間緊迫，加之前期與老師的溝通出現(xiàn)一些問題，進度略顯遲緩，在進行電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的聯(lián)合控制時不能取得良好效果。幸好最后時刻獲得老師指點，獲得了較為理想的補償效果。

參考文獻

[1]郭偉峰.三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系，2006：1-7.

[2]程漢湘.無功補償理論及其應(yīng)用[M]北京：機械工業(yè)出版社，2016：248-281.

[3]吉正華.基于dq換的三相軟件鎖相環(huán)設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2011，31（4）：105-106.

[4]龔錦霞.三相數(shù)字鎖相環(huán)的原理及性能[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（10）：95-97.