三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器對次諧波補(bǔ)償作用研究

楊 文，馬 媛，許曉康，王小航，張 瑜

（1.中國航油 寧夏分公司，寧夏 銀川 750000；2.陽江核電有限責(zé)任公司，廣東 陽江 529500）

0 引言

隨著人民群眾生活質(zhì)量的提高，各類電子產(chǎn)品層出不窮，而這些電子產(chǎn)品在使用過程中，會向電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的諧波，最終造成電網(wǎng)中交流電電型圖失真，從而影響傳統(tǒng)磁制材料標(biāo)壓的正常工作，最終成為主要的諧波源。尤其是工業(yè)用電在電能市場占比逐漸下降的今天，諧波源產(chǎn)生會更加嚴(yán)重，會大大降低人民群眾的生活質(zhì)量［1-2］。

法國數(shù)學(xué)家傅里葉在1802年曾研究出，一個(gè)任意函數(shù)都可以轉(zhuǎn)變成多個(gè)不同頻率正弦信號之和［3］。以此為基礎(chǔ)，國際電工委員會定義諧波為：在傅里葉級數(shù)中周期量大于1的諧波頻率與基波頻率之比為整數(shù)的波為諧波分量。電氣工程協(xié)會定義諧波為一個(gè)周期波，其頻率與幾波頻率之比為整數(shù)［4］。結(jié)合二者定義，國內(nèi)外認(rèn)為諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量且其頻率與基波相比為整數(shù)。

1 有源電力濾波器控制方法

1.1 并聯(lián)有源電力濾波器

在電力系統(tǒng)中，有源濾波器可以對電網(wǎng)中波形進(jìn)行頻率和峰值補(bǔ)償，且補(bǔ)償效果不會因?yàn)殡娋W(wǎng)中的電阻阻礙而產(chǎn)生衰減。有源電力濾波器在電網(wǎng)諧波抑制上相比傳統(tǒng)無源電力濾波器處理效果好［5］。

1.2 有源電力濾波器的基本原理

有源電力濾波器并列結(jié)構(gòu)主要由電流運(yùn)算電路與補(bǔ)償電流發(fā)生電流兩部分組成。指令運(yùn)算電路率先進(jìn)行電路檢測，即對補(bǔ)償對象電流中所有諧波進(jìn)行檢查［6-7］。經(jīng)過指令運(yùn)算電路的檢測和補(bǔ)償電流的信號，得出實(shí)際的補(bǔ)償電流，負(fù)載電流中要補(bǔ)償電流進(jìn)行補(bǔ)償后才能得到最終的電源電流。而有源電力濾波器是電流運(yùn)算電路在電路檢測后，把電流信號轉(zhuǎn)變成變流器信號，并通過電流跟蹤控制電路形成觸發(fā)［8］。

2 并聯(lián)有源電力濾波器仿真分析

本研究主要采用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行建模。在明確了有源濾波器工作原理的基礎(chǔ)上，本節(jié)通過使用MATLAB/SIMULINK中的電力系統(tǒng)仿真模塊Sim?PowerSystems進(jìn)行仿真模擬，該模塊主要用于電路系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電能傳輸過程中的仿真模擬，并且該模塊采用變步長積分?jǐn)M合精度高。因此本節(jié)選用Sim?PowerSystems及逆行模型建立及擬合。

2.1 有源電力濾波器系統(tǒng)模型建立

對有源濾波器系統(tǒng)進(jìn)行模型建立主要是通過非線性負(fù)載模塊和有源濾波器兩部分進(jìn)行建模。其中非線性負(fù)載模塊是通過構(gòu)建二極管整流電路模塊進(jìn)行構(gòu)建，有源濾波器是采用PWM信號產(chǎn)生模塊、諧波檢測模塊和電路模塊。

2.1.1 非線性負(fù)載模塊

三相電網(wǎng)電壓可以用星形連接的三相可編程電壓源模塊（Three-Phase Programmable Voltage Source）來組建，其中單相電壓幅值為220 V，單相電流頻率為50 Hz，非線性負(fù)載采用二極管整流電路模塊。

通過仿真模擬，可以得到含有諧波的負(fù)載電壓和負(fù)載電流波形，如圖1所示。

圖1 三相負(fù)載的電壓、電流波形（上為電壓波形，下為電流波形）

2.1.2 諧波電流檢測與計(jì)算

本研究通過無功功率理論的電流檢測方法對諧波進(jìn)行檢測，即用ip－iq算法進(jìn)行諧波檢測。ip－iq算法是根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論不斷發(fā)展而來，其基本原理前面詳細(xì)介紹過，即通過計(jì)算方法將各相電流瞬時(shí)值執(zhí)行三相到兩相坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，最后在三相坐標(biāo)系中進(jìn)行計(jì)算分離。

通過仿真可以得到，如圖2所示，單相負(fù)載電流的參考基波分量與參考諧波分量。

圖2 單相負(fù)載電流的基波分量和諧波分量

2.1.3 補(bǔ)償電流發(fā)生模塊

通過以上得到參考的諧波電流，這時(shí)就可以進(jìn)行構(gòu)造實(shí)際補(bǔ)償電流模塊。此部分是將諧波檢測模塊計(jì)算出的參考諧波電流與實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流信號相加起來送入到控制逆變器開關(guān)狀態(tài)的控制信號產(chǎn)生器中（即電流的跟蹤控制）［6］，并且通過驅(qū)動電路來控制逆變器進(jìn)而產(chǎn)生補(bǔ)償電流信號。前文提到，電流跟蹤控制方法是滯環(huán)比較控制方法。

滯環(huán)比較器通過參考諧波電流和諧波電流的差值，即得到補(bǔ)償電流，由此產(chǎn)生的控制觸發(fā)信號由g端發(fā)出，通過連線送入到有源電力濾波器的逆變器當(dāng)中控制其修正是即補(bǔ)償電流的輸出。仿真得出的a相參考電流信號ia_rdf與實(shí)際補(bǔ)償電流信號ia_real對比如圖3所示。

圖3 a相參考諧波電流ia_ref與實(shí)際補(bǔ)償電流ia_real

把控制信號產(chǎn)生部分封裝為一個(gè)子系統(tǒng)，通過傳出模塊（Goto）進(jìn)行連接，檢測到的實(shí)際補(bǔ)償電流信號也是通過Goto模塊連接，從而形成一個(gè)閉環(huán)，那么有源電力濾波器的補(bǔ)償電流發(fā)生部分就完成了。

2.2 完整系統(tǒng)仿真與波形

為達(dá)到有效的抑制諧波，這里采用混合型濾波器，也就是說，除了有源電力濾波器抑制諧波外，再疊加一個(gè)無源部分，其中有源部分交流側(cè)電感取L=1 mH，而直流側(cè)電容電壓取值為UDC=600V，直流側(cè)電容容量取值C=5 100mF，當(dāng)然電流跟蹤速度就取決于這些參數(shù)。而無源部分有單調(diào)諧濾波器與二階高通濾波器，參數(shù)分別設(shè)為5次、7次單調(diào)諧濾波器與二階高通濾波器各一組，其中截止頻率在10次諧波處。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn) 以 及 實(shí) 際 實(shí) 驗(yàn) 經(jīng) 驗(yàn)［10，11，6］，其 參 數(shù) 設(shè) 置 為L5=7.53mH，C5=57.2μF，Q5=60；L7=9.1mH，C7=22.6μF，Q7=42；LH=3.35mH，CH=60.39μF，RH=5.27，m=2。

通過以上的仿真圖，得到負(fù)載電流補(bǔ)償前后的波形，如圖4所示。

圖4 三相補(bǔ)償電流、負(fù)載電流、電源電流仿真波形

仿真模塊中加入了斷路器，并設(shè)置了一定時(shí)間的延時(shí)后投入系統(tǒng)，從上述波形可以看出，有源電力濾波器沒有投入時(shí)，由諧波源產(chǎn)生的諧波電流，一直存在于系統(tǒng)中，系統(tǒng)電流受到諧波的影響從而發(fā)生了嚴(yán)重的波形失真，已經(jīng)不再是完整的正弦波了。但是當(dāng)斷路器模塊經(jīng)過設(shè)定延時(shí)，并且將有源電力濾波器投入到系統(tǒng)后，電力補(bǔ)償后電流波形呈三相正弦波形，表明補(bǔ)償后電源電流更加優(yōu)質(zhì)，在很大程度上實(shí)現(xiàn)了濾波器濾波效果的要求。不過，從圖中可以看出波形含有很多高頻的毛刺，這說明在負(fù)載電流快速變化的時(shí)候，有源電力濾波器的跟蹤速度還達(dá)不到負(fù)載電流的要求。

3 總結(jié)

本研究主要針對有源電力濾波器通過三臺并聯(lián)的方式對電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，并采用滯環(huán)控制驗(yàn)證了多臺有源濾波器并聯(lián)的控制效果。最終發(fā)現(xiàn)采用MATLAB軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證后，明確了濾波器的參數(shù)設(shè)置，證明了該種方式的控制效果較好，驗(yàn)證了三聯(lián)濾波器可以對電流進(jìn)行較好的補(bǔ)償。