有源電力濾波器在配網電能質量控制中的應用

倪 堃 魏智慧 吳升濤 周文海 翟文化

（國網嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

智能家電中使用的軟啟動器、電力電子調速變頻裝置和不間斷電源等接入配網后都會使配網產生高次諧波。APF是一種有效的諧波治理裝置，其按連接方式可以分為串聯型、并聯型和混聯型3種。混聯型APF控制復雜，成本高，而串聯型APF在市場上并不多見，這是因為串聯型APF不能直接接入系統（電源）中，需要在系統與APF之間接入一個耦合變壓器[1-5]，所以工程中運用最多的是并聯型APF。并聯型APF存在諧波電流檢測時間長，補償有一定波動的問題，文獻[6]針對并聯APF直流側功率波動的周期性設計了直流側間接控制方法。文獻[7]通過瞬時功率流分析的方法研究了單相APF直流側電容與電壓波動的關系，推導出在電容電壓幅值波動條件下電容容量的數值。文獻[8]分別計算并比較了三角波電流比較控制方式和空間矢量脈寬調制控制方式下直流側電壓利用率。

已有文獻更多偏向于理論方法的研究和對比，缺乏應用于實例化場景的設計，且研究單相APF的文獻相對較少[9-13]。未來，隨著主動型配電網的構建，源—網—荷互動更加頻繁，單相負載比重將進一步上升，用戶端就地治理諧波，改善電能質量的重要性不言而喻。因此，本文以采用了大量智能家電的智慧家庭為研究對象，抽象出等效負載模型，設計了一種安裝于智能家庭進戶相線上的單相并聯型APF，并提出了一種基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法，電流跟蹤控制上則采用了較為成熟的滯環控制法。最后，通過仿真的實驗結果，對比安裝APF前后的電流波形和畸變率，來驗證本文所設計的APF能有效改善電能質量，降低電源電流的畸變率。

1 單相并聯型APF的原理

1.1 諧波的定義和測量標準

在非線性負載電路中，系統電氣量（電壓或電流）的波形產生了畸變，不再是標準的正弦波。一般條件下，非正弦波形都滿足狄利克雷條件，能分解成傅里葉（Fourier）級數的形式。以非正弦波形的電流為例，傅里葉級數的形式可表示為：

其中，n=1表示基波分量。n＞1且取整數表示諧波分量，頻率，當n取奇數時，表示奇次諧波；當n取偶數時，表示偶次諧波。

總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）由諧波總量的有效值之比得到，用百分數表示，其數值大小能反映電源電流的諧波含量。電流總諧波畸變率（THDI）表示如下：

IH表示諧波含有總量，公式如下：

本文采用THDI來反映電源電流的畸變程度，當并聯APF補償后的電源電流THD比沒有使用APF的電源電流THD小，且波形得到大幅度改善，就認為所設計的APF對電源電流的補償有效。

1.2 單相并聯型APF的電流補償原理

單相并聯型APF的結構及原理示意圖如圖1所示。諧波電流檢測電路檢測出負載電流的諧波分量，通過控制電路產生PWM或控制驅動信號來控制主電路開關器件的開斷，產生一個與負載電流的諧波分量大小相等、相位相反的補償電流，消除電源側的諧波分量，主電路采用的開關器件一般是MOSFET、IGBT。

圖1 單相并聯型APF構成示意圖

2 單相并聯型APF的設計

2.1 基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法

并聯型APF的變換器直流側都有一個大電容，用于儲存電能，其大小影響補償效果。基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法的思路是，將電容電壓與設定的參考電壓相比較，得到含有擾動量的信號，將該信號饋送到一個PI控制器中，該控制器能調整輸入信號得到無擾動的輸出信號，該輸出信號就是負載電流基波分量的幅值。電壓源的單位矢量是從系統（電源）得到的，負載電流基波分量的幅值乘以電壓源單位矢量得到負載電流基波的參考信號，將該參考信號與負載檢測電流相比較即可獲得補償電流。這種方法的優點在于通過適當調整PI控制器參數直接生成負載電流基波分量的幅值，如圖2所示。

圖2 基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法原理圖

2.2 滯環控制法

滯環控制法（Hysteresis band control technique）是滯環比較跟蹤控制技術的簡稱，也叫作bang-bang控制或紋波調節器控制，該方法把輸出電氣量（電壓或電流）維持在內部參考電氣量為中心的滯環公差h內，其原理圖如圖3所示，波形圖如圖4所示。

圖3 滯環控制法原理圖

圖4 滯環控制法波形圖

APF中滯環控制法工作原理是：先對實際補償電流信號與參考電流信號進行實時的比較，之后再根據產生的偏差進行判斷；偏差值為正時，補償電流減少；偏差值為負時，補償電流增加；進而產生PWM信號，控制開關器件的關斷。這種方式下，改變PWM的占空比，就可以改變輸出的補償電流的幅值大小。

3 仿真與分析

3.1 負載等效模型構建

整流電路在各類家用電器電路中最常見，其產生的波形含有高次諧波，可以代表智慧家庭中開關器件的動作特性；部分家用電器中會有電動機、繼電器等器件，在啟動過程中會有反電動勢，因此負載等效模型構建時應該考慮反電動勢的影響；大部分負載呈感性，都可以等效為阻感負載。在綜合考慮以上因素的前提下，構建出如圖5所示虛線方框中的負載等效模型。為驗證本文設計的APF性能，等效參數選擇上要比實際情況裕度大一些，如表1所示，以期適應各種極端惡劣工況。負載在沒有并入APF的條件下，電流波形嚴重畸變，含有大量高次諧波，直接接入配網，會導致配網的電流也含有大量高次諧波，如圖6所示。

圖5 系統仿真圖

圖6 補償前電壓源電流仿真波形分析

表1 等效負載參數表

3.2 系統仿真模型搭建

采用MATLAB/Simulink來搭建仿真模型，諧波電流檢測方法采用了基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法，控制方法采用了滯環控制法，二者的集成子系統模型命名為G，如圖7所示。配網等效為電壓源，工頻50 Hz，系統模型搭建中考慮了配網網損，APF通過濾波電感連接到家庭進戶相線上，并聯在等效負載兩端，整體系統仿真圖如圖5所示。具體系統參數如表2所示。

圖7 G子系統

表2 系統參數表

3.3 仿真結果分析

等效負載電流的波形與等效電壓源電流的波形相似，在不考慮配網線損的情況下，二者波形一樣。它們的諧波含量也相似，沒有使用有源濾波器的電壓源電流的波形和FFT分析圖如圖6所示，使用了APF的負載電流波形和FFT分析圖如圖8所示，補償后電壓源電流波形和FFT分析圖如圖9所示。

圖8 補償后負載電流仿真波形分析

圖9 補償后電壓源電流仿真波形分析

從圖6可以看出，沒有使用APF的電壓源電流總諧波畸變率（THD）為20.39%，波形畸變嚴重；從圖9可以看出，使用APF后電壓源電流的THD降低到了4.12%，符合國家標準，其幅值為38.87 A。APF補償后電壓源電流的幅值與負載電流的幅值只相差了0.19 A，說明本設計中的APF不僅補償效果好且損耗小，能為負載提供所需的諧波電流。圖8所示補償后負載電流仿真波形帶有毛刺，這是開關器件頻繁動作以及存在諧波電流檢測的固有時間間隔導致的，對負載來說會增加些許損耗，實際工作影響不大。

4 結論

隨著智能電器的普及，電力電子設備在配網中的接入數量不斷增加，諧波問題也急劇加重。在此背景下，本文提出在智慧家庭入戶進線相線上安裝APF的方法，來降低接入配網的高次諧波含量，抑制諧波，減輕對配網的危害。首先，提出了一種基于變換器直流側電壓的諧波電流檢測法，該方法不用計算有功功率，易于實施。之后，對應用單相并聯型APF的實際場景進行了仿真模型搭建。基于模型仿真結果，對APF的性能進行了分析，發現安裝APF后電源側諧波總畸變率明顯降低，高次諧波含量明顯減少。由此可知，所設計的APF能為負載提供所需的諧波電流。