新型低通濾波器在串聯(lián)注入式混合型有源濾波器的應(yīng)用研究

王少杰，莫有印

(邵陽學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

新型低通濾波器在串聯(lián)注入式混合型有源濾波器的應(yīng)用研究

王少杰，莫有印

(邵陽學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

論文針對注入式有源電力濾波器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，概括總結(jié)了其單相電氣模型，并就其諧波抑制機理進(jìn)行了分析，針對ip-iq諧波檢測算法中低通濾波器的問題，提出了一種新型的低通濾波器結(jié)構(gòu)，將該新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到串聯(lián)注入式有源電力濾波器中，對其工作原理進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明改進(jìn)后低通濾波器的注入式有源電力濾波器濾波效果更好,功率因數(shù)也得到了明顯改善,對于工程應(yīng)用有一定的參考價值。

串聯(lián)；注入式；低通濾波器；ip-iq

在輸配電線路中，由于存在大量非線性負(fù)荷，這些非線性負(fù)荷一旦接入電力系統(tǒng)中就會產(chǎn)生電網(wǎng)電壓畸變，就會導(dǎo)致諧波、閃變等用電不良現(xiàn)象發(fā)生[1-3]，隨著人們生活水平的提高，對用電質(zhì)量有了更高的要求，對電能質(zhì)量有了新的認(rèn)識和追求。新的方法、新的技術(shù)也逐漸進(jìn)入改善電能質(zhì)量的領(lǐng)域，有采取無源濾波器濾除諧波的，改善電能質(zhì)量的；也有采取主動式有源電力濾波器器濾除諧波，改善電能質(zhì)量的。而且，這種主動式治理諧波越來越受到人們的重視和青睞。當(dāng)前，有源濾波器的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性，復(fù)合性[4-7]。論文將針對串聯(lián)注入式混合型有源電力濾波器進(jìn)行分析，認(rèn)為該結(jié)構(gòu)能減少基波承受的電壓，滿足中高電壓等級的濾波要求，同時，改進(jìn)了基于ip-iq諧波檢測算法中低通濾波器的結(jié)構(gòu)，形成了一種新型低通諧波器的檢測方法，對于注入式有源電力濾波器的諧波治理有著積極的意義。

1 SIHAPF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SIHAPF電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1，這個電路拓?fù)溆赡孀兡K、輸出濾波器、耦合變壓器、無源濾波器模塊構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的最大優(yōu)越性：就是有效利用一組單調(diào)諧諧振支路取代了傳統(tǒng)注入式有源濾波器的注入電容，通過電感分壓降低有源濾波器承受的電壓。

圖1 串聯(lián)注入式混合型有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of a series injection hybrid active power filter

假設(shè)電源諧波電壓為USh；電網(wǎng)阻抗為ZSh；將負(fù)載看成諧波電流源ILh；有源部分可以看作為一個理想的諧波電壓源UF，那么，上述串聯(lián)注入式混合型有源電路濾波器的單相電氣模型如圖2，在該圖中，電網(wǎng)支路電流設(shè)為ISh，負(fù)載電路電流設(shè)為ILh，并聯(lián)無源支路電流設(shè)為IFh，5、11次單調(diào)諧質(zhì)量支路電流設(shè)為IPh，注入支路電流設(shè)為IGh，輸出濾波支路電流設(shè)為ICh，分壓電感電流設(shè)為IDh，電網(wǎng)阻抗設(shè)為ZSh，無源部分阻抗設(shè)為ZPh，有源注入支路等效阻抗設(shè)為ZGh，輸出濾波阻抗設(shè)為ZL0，分壓電感阻抗設(shè)為ZL1。

圖2 SIHAPF網(wǎng)側(cè)單相電氣模型Fig.2 Single-phase electrical model of SIHAPF grid side

由圖2，依照Kirchhoff laws，有

(1)

化簡上述方程組有

(2)

那么K1=ZGh+n2ZL0ZL1/(ZL0+ZL1),

K2=nZL0/(ZL0+ZL1)

根據(jù)公式(2)和SIHAPF電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以得出，在電壓型逆變器輸出諧波電壓UF控制得當(dāng)?shù)那疤嵯?，就能有效降低電網(wǎng)諧波電流ISh的大小?；陔娋W(wǎng)諧波電流控制機理，即控制UF=K·ISh，可推導(dǎo)出下列算式

(3)

進(jìn)一步化簡為

(4)

由式(4)可知，如果只考慮諧波電流源的影響，即USh=0，依照Kirchhoff laws得出

(5)

由上述(5)可以進(jìn)一步反推，即可得到相應(yīng)控制策略下SIHAPF單相等效電路，見圖3。

圖3 SIHAPF單相等效電路Fig.3 Single-phase equivalent circuit of SIHAPF

從上述圖3可知，整個電路系統(tǒng)的有源逆變部分可以看作一個串聯(lián)在電網(wǎng)支路的可控諧波阻抗，當(dāng)K足夠大時，以負(fù)載側(cè)流向電網(wǎng)側(cè)的諧波電流逐漸趨于零。而且還可以盡量避免無源部分和電網(wǎng)阻抗間的并聯(lián)諧振。

2 基于ip-iq的SIHAPF系統(tǒng)諧波檢測方法

3 低通濾波器的設(shè)計

3.1 均值低通濾波器分析

(6)

圖4 ip-iq運算方式的原理圖Fig.4 Schematic diagram of the ip-iq operation

其差分形式為：

(7)

利用mat lab進(jìn)行頻域曲線仿真，見圖5，仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

圖5 均值濾波器的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of the mean filter

由上述頻域曲線可以發(fā)現(xiàn)，該型低通濾波器對于偶次諧波成分衰減效果明顯。

3.2 ButterWorth低通濾波器的設(shè)計

FIR濾波器和IIR濾波器是目前比較常用的，其中FIR濾波器具有恒定的群延遲、相延遲的特點，但截止頻率特性差，要想達(dá)到相應(yīng)的設(shè)計要求就必須有較高的階數(shù)，而IIR不需要太高的維數(shù)，但相位控制特性缺失。在實際應(yīng)用過程中，ButterWorth低通濾波具有線性相位，衰減斜率和加載特性均衡等優(yōu)點，實際選用較多。

圖6 巴特沃斯濾波器的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of the Butterworth filter

由仿真結(jié)果可以得出，巴特沃斯濾波器對最低頻次150Hz的衰減程度為16dB，響應(yīng)時間為7ms左右，見圖6。

3.3 新型濾波器的設(shè)計

為了節(jié)約響應(yīng)時間，提升響應(yīng)速度，最大限度濾除諧波，論文經(jīng)過反復(fù)論證和比較，采取了一種組合新型濾波器，簡單地說，就是將上述兩種低通濾波器進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)后的低通濾波器除具有均值濾波器的性能外，能很大程度地衰減偶次諧波，奇次諧波衰減程度達(dá)到了30dB，能衰減到最低處為150Hz，當(dāng)然，隨著信號頻率的提升，濾波器衰減的信號也會慢慢增大，但是基波成分對應(yīng)的直流分量可以順利通過，不受半點影響，相反，有效濾除諧波的功能大大增強，圖7為新型濾波器的幅頻特性，由圖可知上述分析是科學(xué)合理的。

圖7 新型濾波器的幅頻特性Fig.7 Amplitude and frequency characteristics of the new filter

4 仿真

為了進(jìn)一步驗證上述分析的正確性，進(jìn)一步體現(xiàn)新型濾波器在注入式有源濾波器檢測方法的有效性，在計算機仿真系統(tǒng)對此仿真，并與傳統(tǒng)型沒有改進(jìn)的低通濾波器進(jìn)行了比較，仿真波形見圖8，仿真參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)

仿真波形如圖8所示，其中8(a)為傳統(tǒng)沒有改進(jìn)的低通濾波器波形，圖8(b)為改進(jìn)后的低通濾波器。A相電網(wǎng)電流設(shè)為i_Sa，注入電流設(shè)為i_0a，逆變器輸出電流設(shè)為i_inva，負(fù)載電流設(shè)為i_La。由圖8波形可以看到，5次諧波、7次諧波、11次諧波、13次諧波主要來自非線性負(fù)荷，通過新型低通濾波器后，諧波含量明顯下降，電網(wǎng)波形也趨向于正弦波，功率因數(shù)也提高了不少，在仿真過程中，該型方法不但保證了諧波治理，還能對無功進(jìn)行有效補償，系統(tǒng)運行安全也得到了相應(yīng)保障。

圖8 (a)傳統(tǒng)低通濾波器的波形及頻譜Fig.8 (a)The waveform and spectrum of the traditional low-pass filter

圖8 (b)改進(jìn)后的低通濾波器Fig.8 (b)Improved low-pass filter圖8 仿真波形Fig.8 Simulation results of waveforms and spectrums

5 結(jié)語

針對注入式有源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)，總結(jié)提出了其單相電氣模型，并就其諧波抑制機制機理進(jìn)行了分析，針對ip-iq諧波檢測算法中低通濾波器的問題，提出了一種新型的低通濾波器結(jié)構(gòu)，將該新型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到串聯(lián)注入式有源電力濾波器中，對其工作原理進(jìn)行了仿真分析和驗證，結(jié)果表明改進(jìn)后低通濾波器的注入式有源電力濾波器濾波效果更好,功率因數(shù)也得到明顯改善,對于電能質(zhì)量的提高和工程應(yīng)用有一定的參考價值和借鑒意義。

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Research of application on improved low pass filter in the series injection hybrid active filter

WANG Shaojie,MO Youyin

(School of Information Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

The topological structure of the series injection hybrid active filter and its single-phase electric model are proposed.The suppress principle of harmonic current for the hybrid filter is shown,and a new type of low pass filter structure for improving low pass filter in the harmonic detection algorithm ofip-iqis studied in this paper,which is applied to the series active power filter.The simulation show that the improved low pass filter of active power filter’s effect is better,the power factor have been improved obviously,which have certain reference value for engineering applications.

series;injection;low pass filter

1672-7010(2017)04-0063-06

2017-03-26

邵陽市科技計劃重點攻關(guān)項目(2015JH13)

王少杰(1974-)，男，湖南邵陽人，副教授，博士，研究生導(dǎo)師，從事電氣工程方面教學(xué)與科研莫有印(1989-)，男，重慶人，2015級碩士研究生，從事電氣工程方面科研

TM864

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