基于空間矢量的單相有源電力濾波器研究

辛占強, 席自強， 謝 晟，張 佳， 何 明

(1 廣東電網公司云浮供電局, 廣東 云浮 527300； 2 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068；3 湖南株洲南車機電科技有限公司, 湖南 株洲 412001； 4 廣東電網公司佛山供電局， 廣東 佛山 528000)

隨著電力變換裝置在電網中的應用越來越廣泛，大量的諧波電流被注入電網，嚴重污染了電網，給電網中其它設備的運行帶來不利影響．因此，抑制電網諧波迫在眉睫．為了消除電網中的諧波，目前的趨勢及研究熱點是使用電力電子裝置進行諧波補償，這就是有源電力濾波器(APF，Active Power Filter)．有源電力濾波器是由全控器件組成的一種既可以補償無功，又可以抑制諧波的濾波裝置．與無源濾波器相比，補償的實時性和準確性要好，使其得到了越來越廣泛的應用[1-2]．

單相空間矢量電壓控制法是參照三相有源電力濾波器中的空間矢量電壓控制法提出來的，并且是應用于單相有源電力濾波器的一種新的控制方法．從參考文獻[3-5]中可以看出，這種方法早已被提出并且應用于逆變電源中．本文對基于這種控制方法和鑒相原理的瞬時檢測法的單相有源電力濾波器進行了分析和仿真．

1 有源電力濾波器主電路

如圖1所示為單相并聯型有源電力濾波器的主電路．從圖1中可以看出，單相并聯型有源電力濾波器的主電路是一個PWM變流器，這種變流器既可以工作在逆變狀態(補償電流時)，也可以工作在整流狀態(電網向儲能元件充電時)．

圖 1 單相并聯型有源電力濾波器主電路

2 基于鑒相原理的瞬時檢測方法

基于鑒相原理的瞬時檢測方法主要是通過算法得到基波有功電流iLfa和基波無功電流iLfr，其次得到負載的基波電流iLf，最后得到負載電流諧波成分的一種方法[6]．

整個檢測算法的運算框圖如圖2所示．若要同時檢測諧波和無功電流時，只需斷開無功電流iLfr通道即可．

圖 2 基于鑒相原理的瞬時檢測算法框圖

3 單相空間矢量電壓控制方法及實現

三相電源是電壓相位互差2π/3的三相正弦波，與三相電源類似可定義單相電源線電壓

(1)

取t為參考變量，當t∈(0,+)時，單相空間電壓矢量u是以，為基底的二維平面坐標系中形成的平面電壓矢量，并且它全落在平面直線x+y=0上，如圖3所示．

圖 3 xy坐標下單相電壓空間矢量坐標圖

與三相系統的坐標變換類似，將單相電源的線電壓矢量由二維平面坐標系變換到圖4中以α、β軸為坐標系的矢量．變換后新的基底為以α、β軸為正方向的單位矢量．變換過程可表示為

(2)

式中，C為過渡矩陣，

．

選擇Sa、Sb為開關狀態，并且規定Sa=1時，上橋臂導通，下橋臂關斷，Sa=0時，上橋臂關斷，下橋臂導通，Sb的開關狀態與Sa相同．當兩種開關狀態取四種不同的組合時，則會各自輸出四種離散的線電壓矢量(表1)．

表1 有源電力濾波器主電路的四種開關狀態

把電壓空間矢量v用矩陣表示為

(3)

電壓矢量v在空間形成四個離散的電壓矢量如圖6所示．同時，再次利用過渡矩陣C對式(3)做坐標變換，可得

(4)

與三相系統類似，也可以定義有源電力濾波器主電路的電壓調制比m如

(5)

通過選擇式(4)合適的工作電壓矢量的組合，能夠產生一個平均電壓空間矢量，并且與式(2)期望輸出的電壓相等．這就是單相空間矢量電壓控制的基本思想．設Ts為系統中載波的周期，T1為當前有效電壓矢量作用時間，T為零矢量作用時間．根據伏秒平衡原理可得

(6)

式中，vx為有源電力濾波器主電路輸出的兩個非零矢量v1或者v2．

圖4給出了式(6)對期望輸出的電壓矢量的線性擬合．

圖 4 期望輸出電壓矢量的線性擬合圖

(7)

(8)

式中的m為電壓調制比，如式(5)所示．

從以上推導可以看出，Udc的大小制約了有源電力濾波器輸出的最大線電壓峰值．按照圖5所示分配矢量即可實現單相空間矢量電壓控制法．

圖 5 單相空間矢量電壓控制法的實現

4 仿真分析

為了驗證理論分析的正確性，用MATLAB仿真軟件建立單相并聯型有源電力濾波器的模型，設定輸入電壓的幅值為220V，負載為單相二極管整流橋(感性負載，R=10 Ω，L=10 mH)，開關頻率設為7.5 kHz．負載發生變化時(0.1 s時突然并聯一個相同的負載)的仿真波形如圖6所示．補償前后電網電流的FFT分析結果分別如圖7和圖8所示．

圖 6 非線性負載變化時的仿真結果

圖 7 補償前電網電流的FFT分析結果

圖 8 補償前電網電流的FFT分析結果

在圖6中，從上到下依次是電網的電壓波形，補償后的電網電流波形，檢測出來的諧波電流波形，補償電流波形，主電路直流側電容兩端的電壓波形以及非線性負載產生的負載電流．從圖7和圖8的仿真分析結果可以看出，當負載發生變化時，利用文中設計的有源電力濾波器進行諧波補償，使電網電流的總的諧波畸變率由補償前的28.11%下降為5.63%，說明文中提出的基于單相空間矢量電壓控制方法的有源電力濾波器能夠很好地補償諧波，到達了抑制電網諧波的目的．

5 結束語

本文針對目前有源電力濾波器控制方式中電流跟蹤控制法的不足，提出了一種單相空間矢量電壓控制方法，通過對這種方法的理論分析，進而建立了基于這種方法的單相并聯型有源電力濾波器的模型，通過仿真分析驗證了這種方法的正確性，當負載發生變化時，這種方法也具有良好的補償性能．

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