基于鑒相原理的單相有源濾波器仿真研究＊

李興邦，孫良武

（青海大學水利電力學院，青海西寧810016）

1 引言

隨著人民生活質量的不斷提高，越來越多的非線性單相負載和設備投入應用，由此產生的諧波注入電網，嚴重影響了電網的電能質量。有源濾波器是治理諧波最有效的設備之一，但其性能在很大程度上受到諧波檢測環節的影響。目前，諧波檢測方法多種多樣，主要有自適應諧波檢測法、人工神經網絡法、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，通過一定的算法控制，分離出負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的控制方法使逆變主電路產生大小相等、方向相反的諧波分量注入到電網中，用以消除負載電流中的諧波分量的方法達到了補償諧波的目的［4，5］。

2 帶感性負載的不可控橋式電路的諧波分析

帶感性負載的單相橋式不可控二極管整流電路的結構如圖1所示。

圖1 帶感性負載的單相橋式不可控二極管整流電路

設置電源為 US＝220V，fS＝50Hz的交流電，負載R＝10Ω，電感值分別取L＝100mH和L＝10mH。通過MATLAB仿真觀察電網波形的變化，仿真結果如圖2和圖3所示。

從仿真結果可以看出，電感值為L＝100mH時，電流波形近似為方波，波形畸變明顯，波形畸變率達到了46.59%；電感值調小到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%，但仍未達到波形畸變率THD≤5%的要求。

圖2 電網電流的總畸變率（100mH）

圖3 電網電流的總畸變率（10mH）

在實際應用中，絕大多數負載均為感性負載，電網波形發生畸變是必然的。因此，如何分離出注入電網的諧波分量并加以濾除是保證電網電能質量的關鍵。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的控制方法使逆變主電路產生大小相等、方向相反的諧波分量注入到電網中，用以補償負載電流中的諧波分量，從而抑制直流負載產生的諧波對電網電流波形的影響。

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-負載電流基頻分量有效值，ILhm-負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信號經過兩個參數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載電流的基波分量iLh。

因此，將實際檢測得到的畸變負載電流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的控制方法使逆變主電路產生大小相等、方向相反的諧波分量iC注入到電網中，用以消除負載電流iL中的諧波分量i＊C，電路結構如圖4所示。

圖4 加入并聯型單相有源濾波器的電路結構

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仿真模型

本文采用MATLAB中Simulink的PowerSystems工具箱建立了非線性負載模型、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電路基礎上，如圖5所示。

圖5 單相有源濾波器系統仿真模型

仿真中選取直流側電容容量為470μF，電容電壓為450V，交流側電感設置為LS＝15mH，負載電阻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進行比較，兩者的偏差△iC作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生主電路開關通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路來控制開關的通斷，從而控制補償電流iC的變化，仿真中設PWM模塊中產生的鋸齒波頻率為8MHz。

4.2 基于鑒相檢波的單相有源濾波器仿真結果分析

仿真中分別提取電源電流、負載電流以及負載電流的諧波分量，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載電流的波形

從仿真結果可以看出，電網接入負載電阻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下降到4.55%，完全滿足了THD≤5%要求，達到了很好的濾波效果，滿足了動態跟蹤諧波補償的要求。

5 結論與討論

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，再通過適當的控制方法產生與總畸變電流大小相等、方向相反的諧波分量補償到電網，從而達到了改善電網電能質量的目的。這種方法有如下幾個特點:

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

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

（3）電路實現相對簡單，檢測結果實時性好、動態響應速度快。