基于i_p一i_q法和滯環(huán)控制的新型有源濾波器設(shè)計(jì)研究

摘要：由于電網(wǎng)非線性負(fù)荷及各種時(shí)變電力電子裝置的大規(guī)模應(yīng)用，解決由此引起的諧波電流注入電網(wǎng)的問題已成為電力系統(tǒng)研究中的熱點(diǎn)問題。該文分析有源濾波器的基本原理，基于ip—iq檢測(cè)法和滯環(huán)控制，用PSCAD仿真軟件建立一種新型有源濾波器模型，并應(yīng)用該濾波器對(duì)諧波源所產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行濾除仿真及實(shí)驗(yàn)分析。仿真及實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：該有源濾波器對(duì)諧波電流有較為理想的濾除作用。

關(guān)鍵詞：ip一iq檢測(cè)法；滯環(huán)控制；有源濾波；諧波電流

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（ 2015） 02-0054-06

引 言

非線性負(fù)荷和各種時(shí)變電力電子裝置在電網(wǎng)中被大規(guī)模應(yīng)用，應(yīng)用過程中產(chǎn)生了大量的諧波電流，導(dǎo)致正常的電流波形發(fā)生畸變，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。因此抑制諧波電流，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境迫在眉睫。目前，解決這種問題主要有無源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）和混合型有源濾波器3種方法。PF采用的是LC無源濾波器，這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，僅由電感和電容組成，在技術(shù)方面相當(dāng)成熟；缺點(diǎn)是體積較大，無法實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償特性受限于電網(wǎng)的阻抗，并且可能導(dǎo)致濾波器和電網(wǎng)發(fā)生諧振，從而使諧波電流增加。APF遵循“抵消”原理，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，響應(yīng)速度快，補(bǔ)償性能在跟蹤電網(wǎng)頻率變化時(shí)不受其影響，受電網(wǎng)阻抗影響小，從而不容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧振；其缺點(diǎn)是受限于功率元件的容量，使其在中高壓的系統(tǒng)中存在應(yīng)用困難。因此，混合型有源濾波器逐漸成為了研究的熱點(diǎn)。

本文提出了一種新型混合型有源濾波器，對(duì)該濾波器模型的拓?fù)浜驮磉M(jìn)行了分析，并基于ip-iq檢測(cè)法和滯環(huán)控制，用PSCAD仿真軟件建立了該模型。

1.新型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本原理

I.I 新型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖l所示。

模型的PF部分由Ls和C5構(gòu)成的5次PF，L7和C7構(gòu)成的7次PF以及L11和C11構(gòu)成的II次PF組成。APF部分采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，由7次單調(diào)諧無源濾波支路接入電網(wǎng)。諧波電流由PF部分和APF部分共同進(jìn)行抑制。APF部分的逆變器采用三相四開關(guān)逆變器，這種逆變器將原三相六開關(guān)的一相橋臂改變?yōu)殡娙輼虮?，使得絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和二極管的需求數(shù)量減少，從而減少相對(duì)應(yīng)的控制執(zhí)行電路和功率散熱單元，令整體制造和運(yùn)行成本大幅降低，而且這種三相四開關(guān)逆變器還能作為傳統(tǒng)三相六開關(guān)逆變器的容錯(cuò)拓?fù)?。此模型選擇7次單調(diào)諧無源濾波支路作為APF部分的注入支路，即令A(yù)PF部分與PF部分的7次PF串聯(lián)，起到分壓的效果，使APF部分所承受的基波電壓降低，減少了逆變器的容量。附加電感L與耦合變壓器的二次側(cè)并聯(lián)，起到防止電壓突變，減少APF部分所受沖擊，使得補(bǔ)償裝置能可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。Lo為濾波電感，APF部分的輸出經(jīng)過此電感后，與附加電感L并接在耦合變壓器的二次側(cè)，使APF部分的基波阻抗得到了大幅的降低。

1.2 新型APF的基本原理分析

對(duì)新型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，得到新型APF諧波域單相電氣模型，如圖2所示。

圖中將逆變器看成電壓源uF，設(shè)耦合變壓器的變比為k：l，ZLD為耦合變壓器阻抗，Z1為附加電感的阻抗，Z7h為7次PF阻抗，Zph為5次和II次PF阻抗并聯(lián)后的等效阻抗，Zsh為電網(wǎng)阻抗，將非線性負(fù)載看成諧波電流源ILh，圖中的Ish、Iph、I7、I10、I1分別為對(duì)應(yīng)支路的電流。

根據(jù)基爾霍夫的KVL和KCL定理，可得下式：

由式（3）可知，在其余量都保持不變的情況下，通過控制逆變器電壓UF的大小，可以有效減少電網(wǎng)中諧波電流的含量。

1.3 注入支路分析

本文所提出的新型有源濾波器的APF部分，選擇7次單調(diào)諧PF支路接入電網(wǎng)。APF部分分別選擇5次、7次、11次單調(diào)諧PF支路接入電網(wǎng)，對(duì)3種單調(diào)諧PF支路濾波效果進(jìn)行仿真對(duì)比，以此來說明原因。圖3～圖5分別為選擇5次、7次、11次單調(diào)諧PF支路接入電網(wǎng)并濾波后的電流波形。

由圖3～圖5的對(duì)比可以得出，當(dāng)APF部分選擇7次單調(diào)諧PF支路接入電網(wǎng)時(shí)，得到的電流波形基本接近正弦波，諧波的濾除抑制效果優(yōu)于5次和11次，為了能使設(shè)計(jì)的有源濾波器達(dá)到較好的濾波效果，APF部分選擇7次單調(diào)諧PF支路接入電網(wǎng)。

2 ip-iq諧波電流檢測(cè)法

ip-iq檢測(cè)法原理如圖6所示。Ia、Ib、Ic分別為三相電路各相的瞬時(shí)電流；va為a相的瞬時(shí)電壓；PLL為鎖相環(huán)，信號(hào)發(fā)生器為正、余弦信號(hào)發(fā)生電路。在ip一iq檢測(cè)法中設(shè)置鎖相環(huán)PLL和正、余弦發(fā)生電路的原因是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)頻率和相位的自動(dòng)跟蹤，獲取與a相電壓相同相位的正弦信號(hào)sin（wt）和余弦信號(hào)一cos（wt），從而得到Cah矩陣。Ia、lB為Ia、Ib，Ic經(jīng)過C32矩陣變換所得。C32和Cah基于a-B變換和功率守恒定理推導(dǎo)得出。

LPF為低通濾波器，lp、Iq經(jīng)過LPF濾波后，生成直流分量Ip、IQ，再經(jīng)過計(jì)算：

其中C23、Cb分別為C32、Cab的逆矩陣。

Iaf、Ibf、Icf為基波電流，用三相電路各相的瞬時(shí)電流Ia、Ib、Ic分別減去三相基波電流，就得到了諧波電流Iah、Ibh、Ich，即：

3.滯環(huán)控制

本文采用PSCAD中的interpolated firing pulses（插值點(diǎn)的觸發(fā)脈沖）組件做為滯環(huán)控制核心部分。這一組件返回一個(gè)二元數(shù)組，第1個(gè)元素信號(hào)表示門極控制信號(hào)，0為關(guān)斷，1為導(dǎo)通。第2個(gè)元素為插值時(shí)刻。組件的輸出由H和L的比較得出。H來自于ON和OFF信號(hào)，即開啟和關(guān)斷信號(hào)，L為觸發(fā)角定值，將H和L進(jìn)行比較，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)前進(jìn)到t與t+Δt（Δt為仿真時(shí)的時(shí)間步長(zhǎng)）之間有器件動(dòng)作，即觸發(fā)角定值位于這兩點(diǎn)之間時(shí)，就運(yùn)用插值算法進(jìn)行計(jì)算，并輸出觸發(fā)信號(hào)。

電流IT為主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電路，諧波電流Iah、Ibh、Ich與IT的各相電流ITa、ITb、ITc相減后得到差值分別為CHa、CHb、CHc，用這些差值來控制Inlerpo-alated Firing Pulses的ON和OFF信號(hào)，從而來控制APF系統(tǒng)模型中9i～g6動(dòng)作，達(dá)到控制IGBT開啟和啟動(dòng)產(chǎn)生補(bǔ)償電流IT的目的，以此形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。CHa、-CHa和interpolated firing pulses中ON部分的L信號(hào)比較后的結(jié)果分別控制開啟l號(hào)和4號(hào)IGBT，L信號(hào)的輸入為提前設(shè)定好的滯環(huán)寬度，當(dāng)CHa、-CHa數(shù)值比L信號(hào)的滯環(huán)寬度大時(shí)，gi和g4就獲得觸發(fā)信號(hào)而開啟，產(chǎn)生補(bǔ)償電流；CHb、-CHb和L信號(hào)比較后的結(jié)果分別控制開避3號(hào)和6號(hào)IGBT。由于是三相四開關(guān)逆變器，一相已為電容所替代，所以CHa、-CHc和L信號(hào)比較后的結(jié)果不控制IGBT的開啟。OFF信號(hào)和interpolated firingpulses中OFF部分的L信號(hào)比較，控制的是IGBT的關(guān)閉，控制原理與ON信號(hào)相同。滯環(huán)控制模型如圖7所示。

滯環(huán)控制中，滯環(huán)的寬度是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。滯環(huán)寬度決定了器件的開關(guān)頻率和補(bǔ)償電流的跟隨特性以及最后的濾波效果。滯環(huán)寬度越大，器件的開關(guān)頻率越低，雖然器件的損耗減少，但電流的跟蹤特性變差，濾波效果不好；滯環(huán)寬度越小，電流的跟蹤特性得到提高，濾波效果增強(qiáng)，但器件頻繁的開斷，會(huì)使器件損耗增大。所以選擇適當(dāng)?shù)臏h(huán)寬度尤為重要。

設(shè)滯環(huán)寬度為0.0025，濾波后的電流波形如圖8所示。增大滯環(huán)寬度為0.025，濾波后的電流波形如圖9所示。減小滯環(huán)寬度為0.00025，濾波后的電流波形如圖10所示。

對(duì)比圖8和圖9可以看出，增大滯環(huán)寬度為0.025后，濾波后電流波形的光滑度下降，濾波的效果變差，可知滯環(huán)寬度為0.025時(shí)，濾波后所含諧波量較滯環(huán)寬度0.0025時(shí)大；從圖8和圖10的對(duì)比可以看出，減小滯環(huán)寬度為0.00025后，濾波的效果與滯環(huán)寬度為0.0025時(shí)基本相同，可知濾波后諧波含量沒有明顯變化，但增大滯環(huán)寬度會(huì)使電流的跟蹤特性變差。所以綜合此分析可知，選擇滯環(huán)寬度為0.0025較為適合。

4.新型混合型APF系統(tǒng)的仿真及分析

新型混合型有源濾波器用PSCAD所建模型如圖11所示。圖中的非線性負(fù)載即為諧波源，本文所建模型采用三相橋式全控整流電路作為諧波源，作為電流源型的諧波源。用6-Pulse Bridge（6脈波橋）組件作為核心部分。AO變化器輸入觸發(fā)角，角度取為30°；KB為控制信號(hào)，取值為1，即為解鎖；直流側(cè)的電阻為4Ω，電感為350mH；變壓器為整流變壓器，變比設(shè)為0.38：1，采用Y-Y接法，容量為0.05MVA。

新型混合型有源濾波器同時(shí)采用了APF和PF。PF部分各次PF的電容和電感值如表1所示。

對(duì)于電流源型的諧波源需要采用并聯(lián)型的有源濾波器，對(duì)于電壓源型的諧波源需要采用串聯(lián)型的有源濾波器，只有嚴(yán)格按照此原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，才能達(dá)到濾除諧波的目的。由于本文諧波源采用了三相橋式全控整流電路，而此種諧波源為典型的電流源型諧波源，所以APF部分從7次單調(diào)諧無源濾波支路并聯(lián)接入電網(wǎng)。圖中的變壓器為并聯(lián)耦合變壓器，變比為1.2：1，采用Y-Y接法，容量為0.05MVA；濾波電感設(shè)為0.9mH，電阻設(shè)為0.003Q，電容設(shè)為0.1 pLF，附加電感設(shè)為0.1H，IGBT的動(dòng)作信號(hào)g1、g3、g4、g6，來自滯環(huán)控制部分。三相四開關(guān)逆變器中的一相IGBT被兩個(gè)電容所代替，電容設(shè)為0.1μF。APF部分電源為電壓源，內(nèi)阻為0.005Ω。由于仿真時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生延遲，這將造成IGBT輸出不精確，從而導(dǎo)致補(bǔ)償效果不佳，經(jīng)調(diào)試后將時(shí)間步長(zhǎng)取為10μs。系統(tǒng)電源采用三相對(duì)稱電壓源，容量為0.05MVA，頻率為50Hz，內(nèi)阻值為0.001Ω，電壓為0.5kV。

系統(tǒng)電源為三相對(duì)稱電壓源，所以取a相進(jìn)行分析。圖12為示波器測(cè)量后得到的各電流波形。

比較圖12的（b）圖和（c）圖可得，檢測(cè)出的諧波與濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流基本一樣。從圖12的（d）圖和（e）圖對(duì)比可知，此濾波器濾波后的波形與基波波形形狀基本相似，雖然還有一些微小的毛刺，但濾波效果還是較為理想的。

總諧波畸變率可以通過下式計(jì)算：式中：THD——總諧波畸變率；

Gn——各次諧波分量有效值；

Gi-基波分量有效值。

表2為諧波源觸發(fā)角度分別取30°、30°、15°、45°時(shí)的THD。從濾波前后的THD對(duì)比可以看H{，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的新型有源濾波器濾波后，THD的數(shù)值都大幅減小，濾波后的THD均符合國家規(guī)定。

綜合分析仿真結(jié)果可以得出，本文所建立的新型有源濾波器能有效檢測(cè)出諧波電流，并能較為理想地對(duì)諧波電流進(jìn)行濾除。5結(jié)束語

本文提出了一種新型有源濾波器，此濾波器同時(shí)結(jié)合了兩種濾波方式（PF和APF）。在模型的APF部分采用了三相四開關(guān)型逆變器，并選擇7次單調(diào)諧無源濾波支路作為APF部分的注入支路。結(jié)果表明，此濾波器降低了成本和APF部分的容量。基于ip-iq檢測(cè)法和滯環(huán)控制，在PSCAD上建立了此濾波器模型。對(duì)此新型的有源濾波器進(jìn)行了濾除諧波電流的仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該有源濾波器對(duì)諧波有較為理想的濾除諧波作用。