并聯(lián)有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

王健+于瀟

摘 要：為保證供電質(zhì)量，防止諧波對(duì)電網(wǎng)及電力設(shè)備的危害，除對(duì)電力系統(tǒng)加強(qiáng)管理外，還必須采取必要的措施來(lái)抑制諧波。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）被公認(rèn)為是治理諧波、改善電能質(zhì)量最有效的手段之一，已成為電力電子技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是目前有源電力濾波器的采樣頻率較低，而且多路采樣結(jié)果之間有延時(shí)，因此設(shè)計(jì)一套并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)于提高電能質(zhì)量以及系統(tǒng)的安全使用有著十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)；有源電力濾波器；設(shè)計(jì)

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子裝置廣泛的應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，給工業(yè)帶來(lái)了翻天覆地的變化，但大量電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也給電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的“污染”，其根本原因就是電力電子裝置是非線性負(fù)荷，在系統(tǒng)中運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生諧波，造成十分嚴(yán)重的危害。治理諧波污染已成為當(dāng)今電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)和研制高性能的諧波抑制裝置迫在眉睫。改善電網(wǎng)質(zhì)量，必須要控制電網(wǎng)中的無(wú)功與諧波，因此提高功率因數(shù)與抑制諧波就推動(dòng)了各種諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的大力發(fā)展。針對(duì)諧波抑制，目前國(guó)際上有兩個(gè)方面，一是從諧波源出發(fā)，對(duì)非線性負(fù)載使用合理的電路結(jié)構(gòu)，使負(fù)載產(chǎn)生較少的諧波，甚至不產(chǎn)生諧波。二是增加外部電力電子設(shè)備來(lái)補(bǔ)償諧波，這種方案適用于所有的諧波源。有源濾波器就是一種能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波進(jìn)行抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備[1]。文以并聯(lián)型APF來(lái)介紹濾波器的原理。

2.并聯(lián)型有源濾波器

并聯(lián)型APF與非線性負(fù)載在電網(wǎng)中是以并聯(lián)電路接入的，并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路由變流器，電感以及直流側(cè)儲(chǔ)能元件所構(gòu)成，并聯(lián)型有源濾波器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，主要用于補(bǔ)償電流型的諧波和無(wú)功電流，能夠?qū)χC波與無(wú)功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償也能夠單獨(dú)補(bǔ)償。并聯(lián)型APF安裝方便，損耗較小，成本相對(duì)較低，而且補(bǔ)償性能好，所以目前是應(yīng)用最為廣泛的一類(lèi)濾波器[2]。

2.1并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)原理

本系統(tǒng)是基于三相三線制的并聯(lián)型有源電力濾波器（簡(jiǎn)稱(chēng)APF），交流電網(wǎng)對(duì)各種負(fù)載供電，負(fù)載中存在非線性負(fù)載諧波源，產(chǎn)生諧波、消耗無(wú)功。APF由四部分組成：主電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)字控制電路和諧波電流檢測(cè)電路。本系統(tǒng)原理是根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq算法原理，首先由DSP、FPGA等數(shù)字控制器計(jì)算出三相電流中的諧波分量，再利用不同的方法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的PWM指令，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)電路變成驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，進(jìn)而產(chǎn)生與非線性負(fù)載電流相位相反，幅值為負(fù)載電流中的諧波分量幅值的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到濾波目的。

2.2 滑窗FFT遞推算法

DFT及其快速算法FFT是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的核心組成部分。FFT算法多種多樣，按數(shù)據(jù)組合方式不同一般分時(shí)域法和頻域法，按數(shù)據(jù)抽取方式的不同又可分為基2和基4等。各算法的優(yōu)缺點(diǎn)視不同的制約因素而不同。FFT的實(shí)現(xiàn)方法也多種多樣，可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，經(jīng)常用到信號(hào)譜線技術(shù)，這種技術(shù)利用離散傅里葉變換將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，達(dá)到信號(hào)檢測(cè)、信道估值、同步和調(diào)解的目的。

3.電流控制策略

對(duì)電流的控制是有源濾波器中另一關(guān)鍵因素，存在于APF中的電流跟蹤控制部分，控制主電路中的變流器產(chǎn)生與諧波大小相等，方向相反的電流。

3.1 無(wú)差拍控制

無(wú)差拍控制電流是采樣控制系統(tǒng)中一種特有的控制方式，在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)計(jì)算變流器在下一個(gè)開(kāi)關(guān)內(nèi)的占空比，其原理是利用下一個(gè)采樣時(shí)刻指令電流的預(yù)測(cè)值和當(dāng)前時(shí)刻采樣電壓和電流值，計(jì)算當(dāng)前指令電壓或指令電流，以達(dá)到電流跟蹤誤差為零的目的，如圖2所示。

無(wú)差拍控制屬于開(kāi)環(huán)控制，存在穩(wěn)態(tài)誤差，對(duì)于環(huán)境及參數(shù)依賴(lài)較強(qiáng)而產(chǎn)生誤差。其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預(yù)測(cè)方案來(lái)保證，而這種不進(jìn)行預(yù)測(cè)的無(wú)差拍控制實(shí)為差一拍或差幾拍控制，由頻譜分析可知，補(bǔ)償之后電源電流的低次諧波含量較高。

3.2 重復(fù)控制

重復(fù)控制策略是基于內(nèi)模原理的，在一個(gè)周期性的信號(hào)中，它能將每個(gè)周期中的誤差存儲(chǔ)下來(lái)，并且進(jìn)行逐周期累加，是一種有效的波形校正技術(shù)，能夠消除周期性擾動(dòng)的影響。

3.3 重復(fù)控制的無(wú)差拍控制電流

由于無(wú)差拍控制對(duì)參數(shù)依賴(lài)性較強(qiáng)，其濾波效果受預(yù)測(cè)方案影響較大，而重復(fù)控制最大的缺點(diǎn)即是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度過(guò)慢，因此可以將二者結(jié)合起來(lái)對(duì)電流進(jìn)行控制。在電網(wǎng)中，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波無(wú)功電流各不相同，但是由于諧波電流的出現(xiàn)具有重復(fù)性和周期性，平推算法的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差也將以固定的波形重復(fù)出現(xiàn)[3]。采用重復(fù)控制結(jié)合無(wú)差拍控制電流的方法，利用重復(fù)控制對(duì)電網(wǎng)電流進(jìn)行超前一拍的預(yù)測(cè)，由于無(wú)差拍控制對(duì)于電流預(yù)測(cè)值總是會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，因此將二者結(jié)合在一起，可以改善無(wú)差拍控制電流的性能。將重復(fù)控制器置于無(wú)差拍控制之前，通過(guò)對(duì)上一開(kāi)關(guān)周期誤差信息的收集，能夠在下一周期到來(lái)時(shí)，給予正確的幅度，相位補(bǔ)償值，然后迅速的消除該周期的誤差。重復(fù)控制減小諧波失真，改善系統(tǒng)誤差，無(wú)差拍控制提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。將兩者結(jié)合在一起能夠?qū)ψ兓碾娏饔泻芎玫倪m應(yīng)能力，當(dāng)電網(wǎng)中的參數(shù)變化，兩種控制方法能夠很好地對(duì)變化的電流進(jìn)行跟蹤，從而準(zhǔn)確得出控制主電路的開(kāi)斷信號(hào)。

4、結(jié)語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種非線性功率器件的廣泛應(yīng)用，大量諧波和無(wú)功功率注入電網(wǎng)，造成系統(tǒng)效率降低，功率因素變差，嚴(yán)重影響電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全運(yùn)行。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）通過(guò)向電網(wǎng)注入與原有諧波和無(wú)功電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，可以補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波和無(wú)功功率、提高電能質(zhì)量、增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，其良好的濾波性能在國(guó)內(nèi)外引起了廣泛關(guān)注。但是目前有源電力濾波器的采樣頻率較低，而且多路采樣結(jié)果之間有延時(shí)，因此設(shè)計(jì)一套并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)于提高電能質(zhì)量以及系統(tǒng)的安全使用有著十分重要的意義。本文設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)有源電力濾波器，詳細(xì)介紹了并聯(lián)有源電力濾波器的原理、算法以及電流控制策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]李戰(zhàn)鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應(yīng)用研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）：40-43.

[2]顧建軍，徐殿國(guó)，劉漢奎，公茂忠.有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（2）：126-132.

[3]武健，何娜，徐殿國(guó). 重復(fù)控制在并聯(lián)有源濾波器中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（18）： 66-72.