有源電力濾波器電容參數確定的研究

摘要：有源電力濾波器電容參數選取直接影響到補償的效果，但目前對電容參數的選取卻存在一定盲目性。本文根據有源電力濾波的原理給出了直流電容電壓的確定原則，根據瞬時無功理論分析了交直流側能量的流動關系，得出了變流器的有功損耗和瞬時有功功率交流分量是引起電壓波動的原因。最后通過仿真和實驗對直流電容參數的確定進行了驗證。

關鍵詞：有源電力濾波器 直流電容參數 能量流動 瞬時無功理論

1 概述

電力電子技術的應用改善了電力系統的性能，但是也帶來了電網中諧波的污染問題。隨著人們對電力環境優化要求的提高，對諧波進行治理的技術也成為人們研究的熱點。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。

有源電力濾波器是治理諧波的最優產品。參考文獻[1]中提出了有源電力濾波的瞬時無功理論，參考文獻[2]分析了有源電力濾波器在非理想條件下電流滯環控制，參考文獻[3]研究了新型注入式混合有源濾波器的數學模型及電流控制方法，文獻[4]分析了并聯有源濾波器的最優電壓滯環電流控制和有源濾波器滯環電流控制的矢量方法，對不同電流跟蹤方式APF連接電感選取與設計進行了研究。并且對有源電力濾波器中連接電感的特性分析及優化進行了分析。但對有源電力濾波器直流側電容的參數如何確定涉及的文獻較少。本文根據瞬時無功理論分析了用于不同補償目的時有源濾波變流器交直流側能量的流動關系，給出了變流器的有功損耗和瞬時有功功率交流分量是引起電壓波動的原因，以三相不可控負載為例給出了電容值選取的具體計算方法。

2 APF工作原理及能量流動分析

有源電力濾波器（APF）的組成分為兩部分。第一部分電路系統是指令運算，第二部分電路系統是補償電流。系統的主要電路包含PWM變流器，緩沖電路，直流側電容電路，交流側電感幾部分組合而成。控制系統組成分為三部分。第一部分為指令運算，第二部分為電流跟蹤，第三部分為驅動電路。APF的主電路是通過6組開關器件來進行控制的，通過這些開關器件的通斷組合來決定主電路的工作狀態。

如果忽略各部分的損耗其交流側的瞬時有功功率將全部傳遞到直流側。即交直流側的能量交換主要取決于瞬時有功功率P，從而引起直流電壓波動。假設電源提供的瞬時有功和瞬時無功功率為pS和qS，濾波器提供的瞬時有功和瞬時無功功率為pA和qA，負載的瞬時有功和瞬時無功功率為pL和qL。當只補諧波時負載所需的瞬時有功和無功率的交流分量由濾波器提供。此時電源只需提供負載所需的瞬時有功和無功率的直流流分量，即對應電流的基波分量。有源濾波器提供負載所需的瞬時有功和無功率的交流分量。由于瞬時無功只在交流側三相之間進行，在APF交直流側進行交換的能量只有瞬時有功交流的分量，其平均值為零。當只補無功時負載所需的瞬時無功率分量由濾波器提供，有功分量由電源提供。此時APF交直流側沒有能量交換。當同時補償諧波和無功時，負載所需的瞬時無功功率由濾波器提供，負載所需的瞬時有功功率交流分量由濾波器提供，瞬時有功功率直流分量又電源提供。在APF交直流側進行交換的能量只有瞬時有功交流的分量。

3 補償電容值的計算

電容電壓的波動主要是由能量交換引起。在忽略變流器等損耗的情況下，在只補無功時交直流側能量交換為零，電容值提供直流電壓，容值可為零；對于其他兩種情況，有源電力濾波交直流側能量交換為負載的瞬時有功的交流分量。雖然其平均值為零，但是其將會引起直流側電壓的波動。

假設電源電壓無畸變，電源電壓三相電壓，且負載電流為三相電流，由瞬時無功理論可求得負載的瞬時有功功率和瞬時無功率。電容的C值由關系式∫%pdt=0.5×C×(Udc+△Udc)2-0.5×C×Udc2確定。

4 仿真與實驗結果分析

利用Matlab/ Simulin進行仿真。直流電容電壓的仿真圖如圖所示，仿真模型負載選用相電壓220V三相不可控負載。采用ip-iq法產生指令電流，利用三角波比較法使輸出電流跟蹤指令電流，直流側電容電壓的穩定采用PI調節，KP=8，Ki=0.01。時間每格為10ms。通過具體的實驗測量，得到的電源電流的THD值也從25%下降到4.8%。實測直流電容電壓波形中，電壓每格20V（采用10:1霍爾），時間每格為4ms。從直流電容電壓波形圖分析中可以看到周期性的波動，其上下波動的變化范圍在±5V，如果直流電容電壓是900V的話，測量的紋波為0.55%。由以上的測量結果可以看出本系統對直流環節具有較好的控制效果，其直流波動指標可以滿足要求。

5 結論

對于有源電力濾波而言，要想取得良好的補償效果，除了需要先進的算法和控制策略外，其電容參數的選取同樣重要。本文根據有源電力濾波的原理與數學模型分析了直流電容電壓和電網電壓的關系，得出了直流電容電壓的確定原則；根據瞬時無功理論分析了只補諧波或者只補無功和兩者同時補償時有源濾波交直流側能量的流動關系，給出了變流器的有功損耗和瞬時有功功率交流分量是引起電壓波動的主要原因；以三相不可控負載為例給出了電容值選取的計算方法；最后通過仿真和實驗利對直流電容參數的確定進行了驗證，電容的波動小于5V，補償后電流的THD值小于5%，取得了理想的效果。

參考文獻:

[1]王兆安，楊君等.諧波抑制和無功功率補償「M].北京:機械械工業出版，1998.

[2]徐君，徐德洪.并聯有源濾波器非理想條件電流滯環控制分析[J]，電力電子技術，2007，41（1）：60~63.

[3]湯賜，羅安，趙特等，新型注入式混合有源濾波器的數學模型及電流控制方法[J]，電工技術學報，2008，23（3）：72~78.

[4]粟時平，李圣怡.并聯有源濾波器的最優電壓滯環電流控制[J]，電力自動化設備，2002，22（4）：14~17.