三相三線制三電平APF仿真

萬卓

摘要：非線性負載裝置的大量使用造成電網中出現大量的諧波污染，應用無源濾波器補償諧波已經不能滿足，而有源濾波器可以動態實時補償諧波。再次，應用并闡述了并聯型三電平APF的主電路、基于瞬時無功功率的諧波電流檢測方法。控制系統運用電流內環控制，電壓外環控制，在PSIM軟件中搭建仿真，通過在C-BLOCK模塊進行鎖相環設計與諧波算法設計，實驗結果表明，并聯型三電平APF動態補償諧波得到了不錯的效果。

關鍵詞：無源濾波器；有源濾波器；瞬時無功功率；諧波電流檢測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0212-04

Three-phase Three-wire System Three-level APF Simulation

WAN Zhuo

（Xi‘an Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The application of passive filter to compensate harmonics is not enough， and active filter can compensate harmonics dynamically and in real time.Secondly， the main circuit of parallel three-level APF and the harmonic current detection method based on instantaneous reactive power are introduced.The control system USES current internal loop control and voltage external loop control to build simulation in PSIM software. The PLL design and harmonic algorithm design are carried out in the c-block module. The experimental results show that the parallel three-level APF dynamic harmonic compensation has achieved good results.

Key words： passive filter， active filter， instantaneous reactive power， harmonic current detection

電力電子技術的飛速發展，非線性的電力電子裝置的大量使用給電力系統帶來了大量的諧波，這使得諧波治理已經刻不容緩。無源濾波器利用諧振原理來消除掉電網中特定煩人諧波頻率，靈活性比較差。[1]工業應用的基于LC與RC無源濾波器的諧波補償需要大量的電容元件，而電容的補償效果隨著時間的增加而減小，已經不能滿足工業設備的應用，我們需要對諧波進行實時有效的動態補償。PWM技術的出現以及多電平技術的提出，才使得逆變器的主電路性能得以提升，有開關管的耐壓降低，輸出電壓、電流波形更好。[2]現如今，國內對并聯型APF研究已經比較成熟。利用PSIM進行仿真，經過實驗驗證后，可以直接生成固定的程序，方便對硬件的軟件控制設計。

1 并聯型APF的介紹

根據實驗設計的要求，我們選擇并聯型三電平APF可以靈活的補償系統的諧波[3]，并且應用三電平控制技術，使得開關器件可以承擔網側的高電壓，降低了開關管的耐壓，輸出損耗減小，使用壽命增加，改善了整個逆變電路輸出電流波形。

1.1 工作原理

圖1為APF的工作原理圖，包括三相交流負載、并聯APF電流補償模塊、整流負載。其電路中系統電流為Is、負載電流IL、諧波電流Im*、補償電流Im。APF主要分為控制模塊和主電路模塊，主要工作是逆變和諧波檢測。通過硬件DSP與FPGA的搭建，使得諧波電流檢測的處理速度更加快，提升了系統的吞吐量。采集負載電流，基于瞬時無功功率算法計算出諧波電流。通過FPGA發出脈沖，控制IGBT的通斷，在逆變電路中產生補償電流，這些補償電流在大小上等于網側中的諧波電流，但相位上剛好相反，電網就得到了很好的諧波補償效果[4]。APF的動態實時補償，最終網側的電流可以基本接近正弦波。

1）當T1、T2導通，T3、T4關斷，電容CI通過開關管T1、T2對網側諧波電流進行補償，輸出a相電壓為Ud/2；同時，電流也可以通過續流二極管Ta1、Ta2對電容進行充電。

2）當T2、T3導通，T1、T3關斷，電流流過鉗位二極管D1、T2，輸出的a相電壓為零；同時，電流也可以流入T3、鉗位二極管D2，a相電壓仍為零。

3）當T3、T4導通，T1、T2關斷，電容C2通過續流二極管Ta3、Ta4對網側諧波電流進行補償，輸出a相電壓為-Ud/2；同時，電流也可以通過開關管T3、T4對電容C2進行充電。

2 諧波電流檢測

諧波電流檢測的精確度影響著APF對網側諧波補償的穩定性、準確性、實時性[5]，是整個設計的重點。1983年赤木泰文提出了瞬時無功功率理論PQ理論[6]，此后瞬時無功功率功率理論被多次采納應用于諧波檢測。以三相電路瞬時無功功率理論為基礎，計算從p、q與ip、iq為出發點，分別得到了p、q運算方式與ip、iq運算方式。兩種檢測方法在電網電壓波形畸變與無畸變時的結果比較顯示，ip、iq運算方式所得到的基波電流分量iLf和諧波電流分量iLh不受電壓波形畸變的影響[7]。我們制作的三電平APF應用于三相三線制系統，得益于此種運算方法的成熟的與優點，本文采用的ip、iq運算方式。

2.1 ip、iq算法

下面建立瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq的模型，通過設定三相系統的各相瞬時電流為ia、ib、ic與各相瞬時電壓為ea、eb、ec。將它們轉換到α、β兩者相交的坐標系下[8]，如圖4，通過以下的公式可以計算得到瞬時電壓eα、eβ與瞬時電流iα、i.β。

2.2 低通濾波器的選擇

在matble編輯環境下輸入需要的設計的參數，可以得到需要設計的2階低通濾波器的參數，然后在psim的math-function模塊中輸入參數。

3 調制策略

NPC三電平變換器采用的調制方法與傳統的兩電平不同，其廣泛使用有載波層疊調制法、空間矢量調制方法、特定諧波消去法。[10]載波層疊調制法輸出電壓波形好，控制簡單，并且易于DSP上實現。借助DSP實現PWM輸出時，一般采用對稱規則采樣法，將調制波信號與載波比較后得出PWM信號，如圖6所示。

4 仿真設計與分析

根據以上主電路的設計與分析參數的設計，搭建仿真圖，如圖7，來實現具體的功能，其中要控制的有電流內環回路的PI調節設計、電壓外環的回路PI調節設計、中點電壓回路PI調節設計。這里只給出電流內環回路的Kp、Ki分別為100、0。

4.1鎖相環的軟件編程

應用PSIM中的c-block模塊進行數據端口的定義，通過鎖相環設計可以得到一系列的鋸齒波脈沖，具體的編程如下：

4.2諧波算法的模塊

根據算法的基本框架模塊進行搭建如圖8，可以得到檢測的諧波電流波形圖。

5 結論

三電平的應用越來越普遍，對于改善裝置的耐壓起到了不錯的效果。通過應用NPC三電平拓撲主電路，諧波電流檢測算法的設計基于瞬時無功功率，采用載波層疊調制法。此次對系統投入APF的仿真試驗得到的仿真效果還是很不錯，但具體的補償性能還有待改進。后續將在硬件FPGA與DSP上進行軟件控制，并投入實際應用當中，完善它的實時補償的及時性與準確性。

參考文獻：

[1] 王曉杰.三相四線制三電平有源電力濾波器研究[D].中國礦業大學，2017.

[2] 邱照陽.三相三線制三電平APF的控制算法研究[D].電子科技大學，2014.

[3]李昱.三電平有源電力濾波器關鍵技術的研究[D].西安交通大學，2013.5.

[4]王粟，朱飛.三相三線并聯型有源濾波器的仿真[J].電子制作，2017.

[5]邵竹星.基于DSP+FPGA的三相四線制AP仿真及關鍵技術[D].合肥工業大學，2012.

[6] Akagi H，Kanazawa Y，Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive.

power in three-phase circuit[J]. IEEE&JIEE，Proceedings IPEC Tokyo IEEE. 1983，1357-1386.

[7-9] 王兆安.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業出版社，2016.1.

[10] 李昱.三電平有源電力濾波器關鍵技術的研究[D].西安交通大學，2013.5.

【通聯編輯：梁書】