基于有源電力濾波器的諧波抑制方法

王幫奇

應(yīng)用研究

基于有源電力濾波器的諧波抑制方法

王幫奇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 433000）

為提高船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)諧波含量，必須采取有效的措施來(lái)解決諧波問(wèn)題。本文介紹了有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)和諧波源的分類?；谥C波源的分類，將有源電力濾波器分為基于并聯(lián)型有源電力濾波器和基于串聯(lián)型有源電力濾波器，分析了兩種有源電力濾波器的諧波抑制的構(gòu)成和控制原理及主電路參數(shù)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)討論了有源電力濾波技術(shù)的輸入測(cè)諧波抑制方法。

諧波 諧波抑制 有源濾波器

0 引言

對(duì)于三相對(duì)稱的船舶電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，非線性負(fù)載具有不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，將產(chǎn)生大量的諧波電流，不僅使得電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上后會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，而且破壞了電網(wǎng)的對(duì)稱性，對(duì)電網(wǎng)自身正常運(yùn)行產(chǎn)生極大的威脅。因此有必要研究非線性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的不利影響及抑制諧波的必要措施。為提高船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)諧波含量，必須采取有效的措施來(lái)解決諧波問(wèn)題。通常解決方案可以分為主動(dòng)型諧波抑制方法和被動(dòng)型諧波抑制方法。

從接入電網(wǎng)的諧波源設(shè)備本身出發(fā)，限制其產(chǎn)生諧波的含量甚至不讓其產(chǎn)生諧波的諧波抑制方案被稱為主動(dòng)型諧波抑制方案。常用的主動(dòng)型諧波抑制方法主要包括：采用多脈沖整流器和準(zhǔn)多脈沖整流器、合理配置諧波源、采用多電平技術(shù)、采用脈寬調(diào)制技術(shù)等。其中在交流電力推進(jìn)系統(tǒng)中最廣泛使用的是采用多脈沖整流器的諧波抑制方案。

通過(guò)外加濾波設(shè)備來(lái)達(dá)到諧波抑制的目的的諧波抑制方案被稱為被動(dòng)型諧波抑制方案。常見(jiàn)的被動(dòng)型諧波抑制方案為采用電力濾波裝置和采用靈敏度較高的諧波保護(hù)裝置等。但是采用保護(hù)裝置的諧波抑制方案，只能在諧波超標(biāo)時(shí)斷開(kāi)用電設(shè)備與電網(wǎng)的連接，只能被動(dòng)地采取保護(hù)措施，不能確保設(shè)備的正常工作[1]。

1 有源電力濾波器

有源電力濾波器是一種向電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，用來(lái)抵消負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的濾波裝置，具有高可控性和快速響應(yīng)性，能夠做到適時(shí)補(bǔ)償，且不增加電網(wǎng)的電容元件，具有比無(wú)源濾波器更好的濾波效果，但是成本較高。與無(wú)源濾波器（以下簡(jiǎn)稱PF）相比，有源濾波器（以下簡(jiǎn)稱APF）具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

a）濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。

b）不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治理效果。

c）原理上比PF更為優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治理。

d）實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化。

e）由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使諧波含量增大也不會(huì)過(guò)載。

f）具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。

g）可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。

2 諧波源

根據(jù)諧波源的性質(zhì)，可將電力系統(tǒng)的諧波源分為兩類，即電流源型諧波源和電壓源型諧波源。由于理想電流源的內(nèi)阻為無(wú)窮大，要想對(duì)電流源型諧波進(jìn)行抑制，只能采用并聯(lián)型濾波裝置進(jìn)行分流；反之，想要對(duì)理想電壓源型諧波源進(jìn)行諧波補(bǔ)償只能采用串聯(lián)型濾波裝置。雖然實(shí)際系統(tǒng)中并不存在理想的諧波源，但是，濾波器的濾波效果與成本依然會(huì)因諧波源是偏于電壓源還是偏于電流源的性質(zhì)不同而有所不同。因此，要想能夠合理選擇串聯(lián)型濾波器或并聯(lián)型濾波器，我們應(yīng)當(dāng)首先研究清楚諧波源性質(zhì)。而對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，選取哪種電力濾波器往往與諧波的來(lái)源有關(guān)。從系統(tǒng)側(cè)來(lái)的諧波更多的是電壓源性質(zhì)，應(yīng)采用串聯(lián)型濾波器進(jìn)行抑制；而用戶自己產(chǎn)生的諧波，則基本上屬于電流源性質(zhì)，應(yīng)進(jìn)行并聯(lián)濾波[2]。

3 基于并聯(lián)型APF的諧波抑制方案

3.1 并聯(lián)APF的構(gòu)成和原理

并聯(lián)型APF由指令運(yùn)算電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流跟蹤控制電路和主電路四部分構(gòu)成，如圖3中所示。

指令運(yùn)算電路的作用是通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出系統(tǒng)中的諧波分量，進(jìn)而得到補(bǔ)償電流；電流跟蹤控制電路將系統(tǒng)實(shí)際補(bǔ)償電流與指令電流相比較后得到開(kāi)關(guān)器件的通斷信號(hào)，從而控制驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓，保證有源濾波器補(bǔ)償?shù)母咝院蛯?shí)時(shí)性。并聯(lián)型APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 并聯(lián)型APF電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在本文中，推進(jìn)系統(tǒng)中有非線性負(fù)載，造成電網(wǎng)電流含有大量的諧波分量，電流的諧波會(huì)傳到400V電網(wǎng)側(cè)。APF達(dá)到的目標(biāo)是使日用負(fù)載的電壓波形和電流波形接近于正弦波，因此需要補(bǔ)償推進(jìn)系統(tǒng)的諧波電流。APF檢測(cè)出的諧波分量反極性后生成補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，進(jìn)而由主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，與非線性負(fù)載的諧波電流相抵消，最終得到較為理想的電網(wǎng)電壓和電流，從而得到期望的日用負(fù)載電壓。

3.2 并聯(lián)型APF的控制原理

三相并聯(lián)型APF的原理圖如圖3?3所示。本系統(tǒng)中，并聯(lián)型有源電力濾波器主電路采用SVPWM電壓源型變換器，逆變器開(kāi)關(guān)器件采用IGBT模塊，開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz。

根據(jù)圖5的電壓電流方向，根據(jù)基爾霍夫電流定理和電壓定理，對(duì)于APF的交流側(cè)電路，可以列出：

圖5 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖

將式（3）變形為

由式（4）可知，輸出電流在軸和軸的分量間存在耦合，不利于系統(tǒng)控制。為了可以起到良好的補(bǔ)償作用，本文中對(duì)并聯(lián)APF的控制系統(tǒng)應(yīng)用了輸出電流解耦和電網(wǎng)電壓前饋的雙閉環(huán)控制策略，電流環(huán)的控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

結(jié)合式（4）和式（5）可得

經(jīng)過(guò)解耦，逆變器交流側(cè)軸和軸為兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，使控制結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化。

圖6 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

3.3 并聯(lián)型APF主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

APF主電路參數(shù)設(shè)計(jì)包括電力電子器件的選取、直流側(cè)電壓選取和交流側(cè)電感選取。在本文設(shè)計(jì)的APF中，直流側(cè)的電壓為應(yīng)大于APF與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰值的三倍。在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中，采用開(kāi)關(guān)速度較快的電力電子器件，這樣能夠使并聯(lián)APF的補(bǔ)償電流能夠快速跟蹤指令電流。同時(shí)，電力電子器件的電壓和電流等級(jí)需要根據(jù)并聯(lián)APF的容量選擇。

由并聯(lián)APF的工作原理可知，在交流側(cè)和直流側(cè)的電壓穩(wěn)定的前提下，跟蹤電流的波形主要取決于器件的開(kāi)關(guān)頻率和交流側(cè)進(jìn)線電抗器的大小。對(duì)開(kāi)關(guān)頻率來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率偏低會(huì)使跟蹤電流的紋波成分加大，但頻率過(guò)高會(huì)使開(kāi)關(guān)損耗增大。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的開(kāi)關(guān)頻率。本文中選用開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，開(kāi)關(guān)器件選用IGBT。而選取交流側(cè)進(jìn)線電抗器時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮APF對(duì)指令電流的跟蹤能力以及跟蹤指令電流紋波的要求，電抗器的電感值過(guò)大時(shí)不能快速跟蹤指令電流，電感值過(guò)小則會(huì)使濾波器的輸出電流相對(duì)于指令電流有很大的超調(diào)。所以交流側(cè)電感的選擇與開(kāi)關(guān)頻率的選擇有關(guān)系，在APF補(bǔ)償對(duì)象一定的情況下，電感應(yīng)該滿足下列要求：

4 基于串聯(lián)型APF的諧波抑制方法

4.1 串聯(lián)APF的結(jié)構(gòu)和原理

在三相對(duì)稱系統(tǒng)中，為分析方便，采用系統(tǒng)的單相等效電路對(duì)串聯(lián)型APF進(jìn)行分析。圖7是串聯(lián)APF的單相電路結(jié)構(gòu)圖，以PWM逆變器作為有源電力濾波器的主電路，并通過(guò)變壓器串進(jìn)電網(wǎng)中，利用控制電路，產(chǎn)生與檢測(cè)到的諧波電壓成反比的諧波電壓u，輸出端電感、電容和電阻組成高次諧波濾波器，可以濾除功率器件的開(kāi)關(guān)脈動(dòng)?？刂齐娐返墓δ苤饕须妷褐C波的檢測(cè)和計(jì)算、補(bǔ)償電壓指令的生成、主電路控制信號(hào)的產(chǎn)生以及開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō)，控制電路需要實(shí)時(shí)檢測(cè)出u中的諧波電壓u，形成補(bǔ)償電壓指令u，從而驅(qū)動(dòng)主電路，使逆變器實(shí)時(shí)產(chǎn)生與u成比例的諧波電壓，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波的目的[4]。

圖7 串聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)圖

4.2 串聯(lián)型APF的數(shù)學(xué)模型

串聯(lián)APF的數(shù)學(xué)模型與采用的主電路結(jié)構(gòu)、直流側(cè)儲(chǔ)能單元以及脈沖驅(qū)動(dòng)有關(guān)。本文以單相電壓型串聯(lián)APF為例分析，其等效電路如圖8所示。

圖8 單相串聯(lián)逆變器模塊

由圖8，可以寫(xiě)出系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

逆變器的輸出電壓與直流側(cè)電壓的關(guān)系如式（9）所示：

將直流側(cè)電壓的函數(shù)式與狀態(tài)電壓方程聯(lián)立可得如下公式

因此單相串聯(lián)逆變器的狀態(tài)方程為

在分析的過(guò)程可以將逆變器等效為一個(gè)增益為的線性環(huán)節(jié)。因此可以用表示逆變器的輸出與調(diào)制波的關(guān)系。可得到用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)狀態(tài)空間的模型框圖，如圖9所示。

4.3 輸出電壓反饋的控制系統(tǒng)

串聯(lián)APF的主電路控制模式主要包括前饋控制模式和和電壓反饋控制模式。雖然前饋控制具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，簡(jiǎn)單的控制方法，但它只在一定范圍內(nèi)滿足電壓補(bǔ)償?shù)囊??；陔妷悍答伩刂频妮敵鲭妷核矔r(shí)值控制可以調(diào)節(jié)參考電壓和輸出電壓的瞬時(shí)值之差，進(jìn)而大大提高了輸出電壓的響應(yīng)速度與動(dòng)態(tài)性能，因此，本文中采用此方法進(jìn)行電壓控制。如圖10所示，為電壓輸出瞬時(shí)值控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖10 電壓瞬時(shí)值反饋控制方式系統(tǒng)框圖

4.4 輸出電路參數(shù)計(jì)算

由于電感的增加會(huì)對(duì)控制器不利于負(fù)載適應(yīng)的能力，另外，由于電感量的會(huì)減小負(fù)載處的短路容量，因此也希望電感量盡量小。且在電感量減小的情況下，APF必須要增加電容的容量以達(dá)到較好的濾波效果，會(huì)導(dǎo)致APF中的高頻電流成分明顯增加，在某一頻率的電流成分可以描述為

從式（11）中可以看出，諧波電流成分隨著電容的增加而線性增加，所以，開(kāi)關(guān)器件的電流容量決定了濾波電容的大小，在保證開(kāi)關(guān)器件正常工作的前提下，選擇較大的濾波電容有利于電壓紋波的減小。

5 結(jié)論

對(duì)于三相對(duì)稱的船舶電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，非線性負(fù)載具有不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，將產(chǎn)生大量的諧波電流，不僅使得電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上后會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，而且破壞了電網(wǎng)的對(duì)稱性，對(duì)電網(wǎng)自身正常運(yùn)行產(chǎn)生極大的威脅，因此有必要研究抑制諧波的必要措施。為提高船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低電網(wǎng)諧波含量，必須采取有效的措施來(lái)解決諧波問(wèn)題。

本文對(duì)非線性負(fù)載的輸入電流諧波及輸出電壓諧波的基本特性及其抑制技術(shù)進(jìn)行了理論分析，并重點(diǎn)討論了有源電力濾波技術(shù)的輸入側(cè)諧波抑制方法。

[1] 馬洪飛, 徐殿國(guó). 消除PWM逆變器驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)線電纜影響的無(wú)源濾波技術(shù)[J]. 電工技術(shù)雜志, 2001(6): 1-3.

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Harmonic suppression method based on active power filter 14

Wang Bangqi

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TN713

A

1003-4862（2023）02-0047-05

2022-03-01

王幫奇（1989-），男，工程師。研究方向：船舶電氣及自動(dòng)化。E-mail: 675163923@qq.com