LCL型APF在含非線(xiàn)性負(fù)荷系統(tǒng)中的應(yīng)用

謝華北，高遙，王以琳，崔世庭，閆楊舒，吳紅梅

（西藏農(nóng)牧學(xué)院西藏土木水利電力工程技術(shù)研究中心重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏林芝，860000）

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)中接入大量的非線(xiàn)性負(fù)荷,特別是各種電力電子裝置,向供電系統(tǒng)中注入了大量的諧波，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓與電流正弦波畸變，電能質(zhì)量下降，造成了對(duì)電網(wǎng)的污染[1~2]。

目前，國(guó)內(nèi)外比較主流的濾波裝置主要包括PPF（無(wú)源電力濾波器）、APF（有源濾波器）、UPQC(統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器)等[3]。無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)的抑制諧波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、成本投入少、維護(hù)維修難度小等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但是在應(yīng)用中無(wú)源濾波器的體積較大，常會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)，在技術(shù)上仍有待優(yōu)化和開(kāi)發(fā)[4~5]。有源濾波器則是利用較為先進(jìn)的諧波電流檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)瞬時(shí)的電流控制，達(dá)到諧波電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且還能針對(duì)電網(wǎng)諧波電流的變化去自動(dòng)跟蹤，有較高的可控性，能夠快速地做出反應(yīng)[6~7]。但由于APF工作過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波電流，使得有源濾波器并不能達(dá)到理想的效果。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器采用了串并聯(lián)型有源濾波器，其抑制諧波效果好，但是它使用的裝置多，成本過(guò)高，不利于推廣[8~9]。

本文針對(duì)在APF工作過(guò)程有開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波電流產(chǎn)生，提出一種LCL型APF混合濾波器，在降低非線(xiàn)性負(fù)荷諧波的同時(shí)，還能濾除開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波。通過(guò)MATLAB/SIMULINK建立混合濾波器仿真模型，經(jīng)過(guò)FFT分析，驗(yàn)證本模型不僅能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波，而且能夠很好地濾除開(kāi)關(guān)諧波。

1 諧波的檢測(cè)

非線(xiàn)性負(fù)荷的電流波形為非標(biāo)準(zhǔn)正弦波，數(shù)學(xué)表達(dá)為頻率大于基波的整數(shù)倍，如式(1)，當(dāng)n=1時(shí)，代表基波，當(dāng)n>1時(shí)，代表諧波。

其中：

傳統(tǒng)的諧波檢測(cè)方法是根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)，采集單個(gè)周期的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到所測(cè)的諧波[10]。該方法計(jì)算量大，需要進(jìn)行兩次傅里葉變換，同時(shí)需要檢測(cè)整個(gè)周期的電流值，實(shí)時(shí)性差。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的p-q計(jì)算法打破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)功率的定義，縮短了檢測(cè)的時(shí)間，但是當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，所檢測(cè)出的諧波分量不準(zhǔn)確[11]。而本文采用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的ip-iq檢測(cè)方法，由于只取正弦量和余弦量參加運(yùn)算，當(dāng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，諧波成分不出現(xiàn)在運(yùn)算過(guò)程中，因而檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變影響[12~13]。

圖1為ip-iq工作原理圖。具體運(yùn)算過(guò)程如下。

圖1 ip-iq工作原理圖

（1）三相電壓相位的提取和三相電流的引出：

通過(guò)鎖相環(huán)把相角提取出來(lái)，用于后面的運(yùn)算；

（2）三相電流ia、ib、ic線(xiàn)性變換為iα、iβ:

（3）iα、iβ轉(zhuǎn)換為ip、iq，式中的正弦量與余弦量由（1）中的鎖相環(huán)加三角函數(shù)模塊引出：

（4）利用LPF模塊濾除高次諧波得到i-p、i-q：

（5）將i-p、i-q轉(zhuǎn)換至iαF、iβF：

（6）將iαF、iβF線(xiàn)性變換為iaF、ibF、icF，得到基波：

（7）由三相電流ia、ib、ic減去基波iaF、ibF、icF，得到諧波iah、ibh、ich：

2 諧波的抑制

諧波抑制的方法是通過(guò)APF產(chǎn)生與檢測(cè)電流諧波大小相同、相位相反的補(bǔ)償諧波，兩者相加后，可明顯削弱電網(wǎng)諧波[14]。有源濾波器可分為串、并兩種類(lèi)型。串聯(lián)型適用于電容濾波型電路，可作為電壓源。并聯(lián)型適用于帶阻感負(fù)載的電路，可作為電流源[15]。本文所用的非線(xiàn)性負(fù)荷由二極管連接阻感負(fù)載等效，模擬出非正弦波，非線(xiàn)性負(fù)荷電流的波形如圖2所示[16]。因此本設(shè)計(jì)使用的是并聯(lián)型有源濾波器。為了濾除開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波，在系統(tǒng)中串聯(lián)了LCL濾波器，如圖3所示。

圖2 非線(xiàn)性負(fù)荷電流波形

圖3 LCL型有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖中，LCL模塊用來(lái)濾除系統(tǒng)中由于高開(kāi)關(guān)頻率而產(chǎn)生的諧波。APF模塊中，運(yùn)算電路測(cè)出電流諧波，控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)經(jīng)主電路IGBT器件，使主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流[17]。最終，補(bǔ)償電流與負(fù)荷電流中諧波電流相抵消，使得電網(wǎng)電流波形趨近于正弦波，達(dá)到抑制諧波的效果[18]。

在上述系統(tǒng)中，運(yùn)算電路最重要的部分就是諧波的檢測(cè)。利用ip-iq法可以檢測(cè)出電流的諧波ih，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算后得到補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。為了使實(shí)際補(bǔ)償電流的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性更好，實(shí)際補(bǔ)償電流應(yīng)能實(shí)時(shí)跟蹤指令信號(hào)的變化，兩者進(jìn)行比較后，才能輸出給逆變電路的PWM（脈寬調(diào)制）信號(hào)。

在并聯(lián)型APF中，常用的電流跟蹤比較方法有兩種，一種是三角波比較方式，由于三角波比較方式使用了積分環(huán)節(jié)，它的實(shí)時(shí)性也會(huì)變差[19]。另一種是瞬時(shí)值比較方式，它的實(shí)時(shí)性比三角波方式更好，本設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)性更好的瞬時(shí)值比較方式，如圖4所示，先將補(bǔ)償電流與實(shí)際的補(bǔ)償電流比較，然后把它們的差值經(jīng)過(guò)單位延遲后作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路的開(kāi)關(guān)通斷，最終實(shí)現(xiàn)控制補(bǔ)償電流隨指令電流的變化而變化[20]。

圖4 電流跟蹤閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

滯環(huán)比較器的輸出特性如圖5所示。從該圖可以看出，滯環(huán)比較器輸出是一系列寬度不等，分布無(wú)規(guī)律的脈沖序列[21]。

圖5 滯環(huán)比較器的輸出特性

滯環(huán)控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路構(gòu)成簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)速度快，不需要載波比較，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，并且它是閉環(huán)控制，檢測(cè)準(zhǔn)確性極高。因此采用滯環(huán)比較的電流跟蹤控制可以使補(bǔ)償電流icom具有更好的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[22]。

3 仿真分析

為了證明LCL型APF不僅可以能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波，而且還能很好地濾除開(kāi)關(guān)諧波，構(gòu)建仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D6所示。

圖6 LCL型APF仿真模型

模型電源電壓采用380V，頻率為50Hz，非線(xiàn)性負(fù)荷采用非正弦波形模擬。另外還有LCL濾波模塊，APF模塊，檢測(cè)電網(wǎng)、負(fù)荷的電壓、電流波形模塊。

（1）當(dāng)未加濾波裝置時(shí)，電網(wǎng)電流波形如圖7所示。對(duì)電網(wǎng)一相電流進(jìn)行FFT分析，如圖8所示，可以得到THD（總畸變率）=30 97%，由此可見(jiàn)，非線(xiàn)性負(fù)荷的使用，向供電系統(tǒng)中注入了大量的諧波，極大地造成了電網(wǎng)的污染。

圖7 電網(wǎng)電流波形（畸變）圖

圖8 未采用濾波裝置時(shí)電網(wǎng)電流FFT分析

（2）當(dāng)加入LCL濾波器時(shí)，對(duì)系統(tǒng)一相電流進(jìn)行FFT分析，如圖9所示，可以得到THD=18 49%，有一定的濾波效果，但未達(dá)到國(guó)家規(guī)定的諧波電流THD小于5%的限定值。

圖9 采用LCL濾波器時(shí)電網(wǎng)電流FFT分析

（3）當(dāng)加入APF時(shí)，對(duì)系統(tǒng)一相電流進(jìn)行FFT分析，如圖10所示，可以得到THD=15 53%。由于在加入APF的同時(shí)，也產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波電流，故單靠APF裝置很難達(dá)到理想的濾波效果。

圖10 采用APF時(shí)電網(wǎng)電流FFT分析

（4）當(dāng)采用本文所提出的LCL型APF混合濾波裝置時(shí)，電網(wǎng)電流波形如圖11所示。對(duì)電網(wǎng)一相電流進(jìn)行FFT分析，如圖12所示，可以得到THD=1 81%，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流THD小于5%的限定值，其濾波效果明顯。

圖12 采用LCL型APF時(shí)電網(wǎng)電流FFT分析

4 結(jié)論

APF通過(guò)產(chǎn)生諧波電流與電網(wǎng)諧波電流實(shí)時(shí)抵消,能有效提高電能質(zhì)量,因而得到廣泛應(yīng)用[23]。本文針對(duì)在APF工作過(guò)程有開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波電流產(chǎn)生，提出LCL型APF混合濾波裝置，在降低非線(xiàn)性負(fù)荷諧波的同時(shí)，還能濾除開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波。通過(guò)MATLAB/SIMULINK建立混合濾波器仿真模型，經(jīng)過(guò)FFT分析對(duì)比，可以得到系統(tǒng)電流的THD值從30 97%降到1 81%，達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波電流THD小于5%的限定值。驗(yàn)證本模型不僅可以能夠動(dòng)態(tài)抑制諧波，而且能夠很好地濾除開(kāi)關(guān)諧波。