基于鑒相原理的單相有源濾波器仿真研究＊

李興邦，孫良武

（青海大學(xué)水利電力學(xué)院，青海西寧810016）

1 引言

隨著人民生活質(zhì)量的不斷提高，越來越多的非線性單相負(fù)載和設(shè)備投入應(yīng)用，由此產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。有源濾波器是治理諧波最有效的設(shè)備之一，但其性能在很大程度上受到諧波檢測環(huán)節(jié)的影響。目前，諧波檢測方法多種多樣，主要有自適應(yīng)諧波檢測法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法［1～3］等等。本文以鑒相原理為基礎(chǔ)，通過一定的算法控制，分離出負(fù)載電流中除基波分量以外的總畸變電流，再通過PWM逆變控制模塊采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ鼓孀冎麟娐樊a(chǎn)生大小相等、方向相反的諧波分量注入到電網(wǎng)中，用以消除負(fù)載電流中的諧波分量的方法達(dá)到了補償諧波的目的［4，5］。

2 帶感性負(fù)載的不可控橋式電路的諧波分析

帶感性負(fù)載的單相橋式不可控二極管整流電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶感性負(fù)載的單相橋式不可控二極管整流電路

設(shè)置電源為 US＝220V，fS＝50Hz的交流電，負(fù)載R＝10Ω，電感值分別取L＝100mH和L＝10mH。通過MATLAB仿真觀察電網(wǎng)波形的變化，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，電感值為L＝100mH時，電流波形近似為方波，波形畸變明顯，波形畸變率達(dá)到了46.59%；電感值調(diào)小到L＝10mH時，波形同樣也有畸變，但相比電感值為100mH時的波形畸變程度有所減小，波形畸變率為14.31%，但仍未達(dá)到波形畸變率THD≤5%的要求。

圖2 電網(wǎng)電流的總畸變率（100mH）

圖3 電網(wǎng)電流的總畸變率（10mH）

在實際應(yīng)用中，絕大多數(shù)負(fù)載均為感性負(fù)載，電網(wǎng)波形發(fā)生畸變是必然的。因此，如何分離出注入電網(wǎng)的諧波分量并加以濾除是保證電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵。本文采用鑒相原理的瞬時電流檢測方法，分離出除基頻分量外的總畸變波形，再通過PWM逆變控制電路并采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ鼓孀冎麟娐樊a(chǎn)生大小相等、方向相反的諧波分量注入到電網(wǎng)中，用以補償負(fù)載電流中的諧波分量，從而抑制直流負(fù)載產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)電流波形的影響。

3 基于鑒相原理的瞬時電流檢測方法

鑒相是指將兩個信號利用乘法器運算，再經(jīng)低通濾波器濾波后得到這兩個信號相位差的過程。

圖1中具有畸變的負(fù)載電流iL為基波分量iL1與諧波分量iLh之和，即

式中:φ-基頻分量的初相位，IL1-負(fù)載電流基頻分量有效值，ILhm-負(fù)載電流諧波分量最大值。

在式（1）兩邊同乘以 sinωt，得

同理，在式（1）兩邊同乘以 cosωt，得

由式（2）和（3）可以看出，只要將通過上述算法得到的iL2和iL3信號經(jīng)過兩個參數(shù)完全相同的低通濾波器濾波后，高頻分量將限制通過，從而只得到直流分量。即

在式（4）兩邊乘 sinωt，在式（5）兩邊乘以 cosωt得到

將式（6）和（7）相加得

式（8）表明，將電流信號iL8通過放大器放大2倍便可得到畸變的負(fù)載電流的基波分量iLh。

因此，將實際檢測得到的畸變負(fù)載電流iL與通過上述算法得到的電流信號相減，便可分離出負(fù)載電流的諧波分量 i＊C，即

再通過PWM逆變控制模塊采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ鼓孀冎麟娐樊a(chǎn)生大小相等、方向相反的諧波分量iC注入到電網(wǎng)中，用以消除負(fù)載電流iL中的諧波分量i＊C，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加入并聯(lián)型單相有源濾波器的電路結(jié)構(gòu)

4 基于鑒相檢波的單相有源濾波器仿真分析

4.1 基于鑒相檢波的單相有源濾波器系統(tǒng)仿真模型

本文采用MATLAB中Simulink的PowerSystems工具箱建立了非線性負(fù)載模型、諧波檢測模型、控制算法模塊和主電路模塊，仿真電路建立在圖4電路基礎(chǔ)上，如圖5所示。

圖5 單相有源濾波器系統(tǒng)仿真模型

仿真中選取直流側(cè)電容容量為470μF，電容電壓為450V，交流側(cè)電感設(shè)置為LS＝15mH，負(fù)載電阻R＝10Ω，電感L＝100mH為例，低通濾波器的截止頻率為30Hz。并聯(lián)型有源濾波器的電流控制采用三角波比較控制的跟蹤型PWM控制方式，在該方式中把補償電流的指令信號i＊C與實際補償電流信號iC進(jìn)行比較，兩者的偏差△iC作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生主電路開關(guān)通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(guān)的通斷，從而控制補償電流iC的變化，仿真中設(shè)PWM模塊中產(chǎn)生的鋸齒波頻率為8MHz。

4.2 基于鑒相檢波的單相有源濾波器仿真結(jié)果分析

仿真中分別提取電源電流、負(fù)載電流以及負(fù)載電流的諧波分量，如圖6、7所示。

圖6 基于鑒相原理的單相有源濾波器仿真電流波形

圖7 加入有源濾波器后負(fù)載電流的波形

從仿真結(jié)果可以看出，電網(wǎng)接入負(fù)載電阻R＝10Ω，電感L＝100mH的單相橋式二極管整流電路時，電流波形失真非常厲害，電流的總畸變率達(dá)到了46.59%；而加入具有鑒相檢波的單相有源濾波器后，電流的總畸變率已經(jīng)下降到4.55%，完全滿足了THD≤5%要求，達(dá)到了很好的濾波效果，滿足了動態(tài)跟蹤諧波補償?shù)囊蟆?/p>

5 結(jié)論與討論

通過采用鑒相原理的瞬時諧波電流檢測方法，并采用一定的算法控制，將負(fù)載電流中除基波分量以外的總畸變電流分離出來，再通過適當(dāng)?shù)目刂品椒óa(chǎn)生與總畸變電流大小相等、方向相反的諧波分量補償?shù)诫娋W(wǎng)，從而達(dá)到了改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。這種方法有如下幾個特點:

（1）不需要分離出各次諧波分量，只需檢測出負(fù)載電流中除基波分量以外的總畸變電流即可；

（2）電網(wǎng)電壓不直接參加運算，即使電網(wǎng)電壓存在畸變，仍可得到較為準(zhǔn)確的諧波電流；

（3）電路實現(xiàn)相對簡單，檢測結(jié)果實時性好、動態(tài)響應(yīng)速度快。