徐承韜， 焦 禹， 樊立萍， 蔡勝年， 秦 然， 李 舸

(1.沈陽化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽 110142;2.東軟集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽 110012)

隨著科技的進(jìn)步及工業(yè)的發(fā)展，電氣設(shè)備數(shù)量越來越多，高新、精密用電設(shè)備不斷投入使用，對(duì)供電質(zhì)量提出了越來越高的要求.但在同時(shí)，這也意味著現(xiàn)代電力系統(tǒng)中感性負(fù)載、電力電子裝置等非線性負(fù)荷的應(yīng)用日益增多，這些負(fù)荷的非線性、沖擊性和不平衡性等固有的用電特性對(duì)供電質(zhì)量造成了嚴(yán)重影響，使電力系統(tǒng)中諧波污染、功率因數(shù)低下等問題愈發(fā)嚴(yán)重.電能使用的矛盾日益突出，使得對(duì)改善電能質(zhì)量的研究具有重要且緊迫的現(xiàn)實(shí)意義.

有源電力濾波器(APF)是一種用來動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和幅值都發(fā)生變化的諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率補(bǔ)償方法的缺陷.有源電力濾波器補(bǔ)償電流的檢測和控制是決定其工作特性的2個(gè)關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，直接影響到它的補(bǔ)償精度和補(bǔ)償速度.本文對(duì)應(yīng)用廣泛的對(duì)電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)APF進(jìn)行了研究，提出了一種不同于傳統(tǒng)方式的新型控制信號(hào)生成方式，并通過仿真證明了它的有效性和先進(jìn)性.

1 傳統(tǒng)參考信號(hào)控制方式

檢測方法決定了諧波電流的檢測精度，進(jìn)而影響APF的電流補(bǔ)償效果.諧波電流檢測方法可分為頻域和時(shí)域2大類:基于頻域的檢測方法有模擬帶通(帶阻)濾波器檢測法、快速傅立葉(FFT)變換法和小波變換法;基于時(shí)域的檢測方法有有功電流分離法、自適應(yīng)干擾消除法(ANC)和基于“瞬時(shí)無功理論”的瞬時(shí)空間矢量法.各種檢測方法傳統(tǒng)上均側(cè)重于檢測諧波電流或基波無功電流或兩者之和，用于給出參考信號(hào)控制 APF的電流補(bǔ)償［1］.

APF的控制方法主要可分為電流跟蹤控制和電壓控制2大類，分別包括三角波脈寬調(diào)制控制技術(shù)、滯環(huán)比較控制技術(shù)和電壓空間矢量控制技術(shù)等.這些控制方法從不同側(cè)面、不同角度提供APF的一般形式控制方式，本質(zhì)在于優(yōu)化開關(guān)函數(shù)，使主電路依據(jù)參考信號(hào)產(chǎn)生補(bǔ)償電流，并在同時(shí)維持直流側(cè)電容電壓恒定.

在傳統(tǒng)的APF控制中，對(duì)主電路開關(guān)器件的控制信號(hào)均由同一類方式得到，即將APF檢測到的參考(諧波)電流與實(shí)際輸出電流iC作比較，然后將它們的差值ΔiC經(jīng)某種方式處理后(如PI調(diào)節(jié))得到控制信號(hào)，這種控制方式目的是使APF的實(shí)際輸出電流跟蹤參考電流的變化來補(bǔ)償諧波，可將這種傳統(tǒng)的控制信號(hào)生成方式稱為諧波參考信號(hào)控制方式，其原理如圖1所示.

圖1 基于諧波的控制信號(hào)生成方式Fig.1 Control signal generated approach based on harmonic

APF對(duì)參考信號(hào)的時(shí)間同時(shí)性要求較高，而在諧波參考信號(hào)控制方式下，諧波電流檢測需要先檢測出非線性負(fù)載電流中的基波分量，然后將其從負(fù)載電流中減掉，從而得到諧波電流用于控制，這個(gè)過程中參考信號(hào)生成時(shí)間較長，對(duì)APF的快速性有一定的影響.

2 新型參考信號(hào)控制方式

諧波參考信號(hào)控制方式的控制對(duì)象是APF輸出的補(bǔ)償電流，其控制目標(biāo)是使參考電流與實(shí)際補(bǔ)償電流的差值ΔiC最小.當(dāng)ΔiC=0時(shí)，APF的輸出為理想的補(bǔ)償電流，電源只需提供負(fù)載電流的基波電流.根據(jù)這個(gè)基本思想，可作下面的推導(dǎo).

圖2 基于基波的控制信號(hào)生成方式Fig.2 Control signal generated appoach based on the fundamental wave

基波參考信號(hào)控制方式使電流檢測電路得到簡化，縮短電流檢測時(shí)間，有利于提高APF的快速性.而且，相對(duì)于諧波參考信號(hào)控制方式，基波參考信號(hào)控制方式思路更切合APF的補(bǔ)償原理，目的性更為直接、明確，即APF補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘狗蔷€性負(fù)載電流中的諧波電流就地得到補(bǔ)償，使電源只提供其基波分量.

3 仿真驗(yàn)證

采用基于“瞬時(shí)無功理論”的ip-iq法檢測諧波，同時(shí)采用滯環(huán)比較控制方式［2-5］，按諧波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)如圖3所示.在如下條件情況下運(yùn)行模型:系統(tǒng)電源為理想三相電壓源，相電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz;整流電路直流側(cè)負(fù)載為阻性R=20 Ω;觸發(fā)控制角為0°，得到a相負(fù)載電流、a相補(bǔ)償電流和補(bǔ)償后的a相電源電流、a相電流補(bǔ)償前后情況頻譜分析及APF主電路直流側(cè)電容電壓如圖4所示.同樣采用基于“瞬時(shí)無功理論”的ip-iq法檢測諧波及滯環(huán)比較控制方式，按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)如圖5所示，在與上相同條件下運(yùn)行模型所得仿真結(jié)果如圖6所示.

比較2組仿真結(jié)果，后者的補(bǔ)償后電源電流的總諧波畸變率THD較小，說明按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF具有更好的諧波抑制效果，并能控制保持主電路直流側(cè)電壓的穩(wěn)定.改變參數(shù)在其他條件下運(yùn)行仿真模型，按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF同樣具有良好的諧波抑制功能及控制保持主電路直流側(cè)電壓穩(wěn)定的功能.

圖3 采用ip-iq法檢測諧波及滯環(huán)比較控制方式，按諧波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)Fig.3 APF simulation system graph which formed by harmonic reference signal，adopting the ip-iqtest method and hysteresis comparison control method

圖4 按諧波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.4 The simulation results of the APF model based on harmonic reference signal

圖5 采用ip-iq法檢測諧波及滯環(huán)比較控制方式，按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)Fig.5 APF simulation system graph which formed by fundamental wave reference signal，adopting the ip-iq test method and hysteresis comparison control method

圖6 按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF仿真系統(tǒng)的仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results of the APF model based on fundamental wave reference signal

4 結(jié)論

對(duì)比2種APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，按諧波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF和按基波參考信號(hào)控制方式構(gòu)成的APF電路基本結(jié)構(gòu)相同，只是控制環(huán)節(jié)比較器的輸入不同.考慮到目前存在的諧波電流檢測方法大多是先檢測出非線性負(fù)載電流中的基波分量，然后將其從負(fù)載電流中減掉，從而得到諧波電流，如果采用基波參考信號(hào)控制方式將簡化電流檢測電路，縮短電流檢測時(shí)間.另外，APF的目的是使非線性負(fù)載電流中的諧波電流就地得到補(bǔ)償，使電源只提供其基波分量，從這個(gè)角度講，基波參考信號(hào)控制方式思路更為明確、直接，同時(shí)，加上諧波電流檢測時(shí)間的縮短，可使補(bǔ)償效果更好，實(shí)際的仿真結(jié)果證明了這一點(diǎn).

［1］ 徐政.電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:25-31.

［2］ 陳國民，郭殿林，高明全.基于無功功率理論的有源電力濾波器仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2011，3(3):10-12.

［3］ 李曉迅，莊茂東，張課.無諧波檢測環(huán)節(jié)的三電平有源電力濾波器控制系統(tǒng)［J］.低壓電器，2011，12(4):16-18.

［4］ 葛鎖良，衛(wèi)胤強(qiáng).三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器的研究與設(shè)計(jì)［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，6(1):19-23.

［5］ Mathworks.MATLAB/SIMULINK Online Help［EB/OL］.(2012-01-01)［2012-05-10］.http://www.mathworks.cn/help/toolbox/simulink/.