董世釗，張湘，馬春華，張淇銘

（1.西南交通大學磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，四川成都610031；2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031；3.邵陽醫(yī)學高等專科學校，湖南邵陽422000）

隨著配電網(wǎng)中非線性負載，整流器，開關電源設備的大量增加，由此產(chǎn)生的諧波污染問題日益嚴重，電能質(zhì)量成為了一個熱門話題。諧波污染會導致電網(wǎng)電壓畸變；電器過熱和額外損耗；干擾通信系統(tǒng)；使測量裝置不準確，引起繼電保護和自動裝置的誤動作［1-2］。

并聯(lián)型有源電力濾波器APF（active power filters）因為能夠?qū)崟r抑制諧波電流并可實現(xiàn)無功功率補償，自1976 年提出后，便受到廣泛關注。其原理是控制開關管產(chǎn)生一個和負載諧波等大反相的補償電流注入電網(wǎng)，抵消掉負載電流中的諧波，從而使網(wǎng)側(cè)電流正弦無畸變［2］。

然而APF 的補償性能并非總是可觀的。因為影響APF補償性能的因素有很多，其中諧波檢測的準確性對補償性能影響最直接。目前研究較成熟的諧波檢測方法主要有瞬時無功功率理論（P-Q），同步旋轉(zhuǎn)坐標理論（d-q）［3］，它們的共同點是需要低通濾波和檢測網(wǎng)側(cè)電壓。以往的研究往往假定電網(wǎng)電壓正弦無畸變，三相負載平衡。然而隨著電網(wǎng)負載的變化，電網(wǎng)電壓常會發(fā)生畸變。本文研究了它們在平衡無畸變（理想電壓）和不平衡畸變電壓下的諧波檢測性能，發(fā)現(xiàn)在理想電壓下二者性能相當，都能準確檢測出諧波分量。但在不平衡畸變電壓下，兩者諧波檢測準確度都明顯下降，而采用d-q 理論檢測出的值較P-Q 方法準確，這是因為采用鎖相環(huán)PLL的結(jié)果［4］。如果不對電壓畸變的情況進行充分考慮，APF的補償性能可能會受到不利影響。為了克服以上問題，本文考慮在傳統(tǒng)P-Q 方法上進行改進，同時采用網(wǎng)側(cè)電流反饋控制策略，減少電流中的開關頻率分量［5］。

1 諧波檢測策略

本文采用濾波性能優(yōu)良的自調(diào)諧濾波器STF，并對傳統(tǒng)的P-Q 方法進行改進，推導出了基于STF的改進諧波檢測新方法。

1.1 STF濾波器

自調(diào)諧濾波器STF 是韓國學者H.S.Song 于2000年在其博士論文中為估計PWM變換器輸出的相位角而首次提出，后來這一方法被應用到解決畸變電壓下APF的控制中去［5］。

其傳遞函數(shù)為

式中：ω 為截止頻率。

STF有一個類似于一般帶通濾波器的頻率響應，在特定頻率（基頻）上相移可為零，使得輸入輸出同相位。在諧波檢測中，STF 可用來實現(xiàn)從畸變的電壓輸入信號中對基波信號的完整提取。為使基頻分量無衰減，即，在式（1）中加入1個常數(shù)K 即：

在不同的K 值下，STF 對基頻50 Hz 的頻率響應如圖1所示。

圖1 STF在不同K 值下的伯德圖Fig.1 Bode diagram for the STF under different values of the parameter K

由圖1 可知，STF 在基頻處提供單位增益和零相移，而包括直流在內(nèi)的其他頻率在幅值上則快速衰減，相移大概-90o。K 值越小幅值衰減越快，有利于目標頻率的選擇。文獻［6］研究了STF在不平衡且畸變?nèi)嚯妷合碌膭討B(tài)響應表明：1）STF 只允許信號中的基波正序分量通過，濾除信號中諧波正序和負序分量；2）K越大，暫態(tài)時間越短，但無論K 取何值，STF 輸出都將達到穩(wěn)態(tài)。K值的大小影響輸出精度和動態(tài)調(diào)整時間，選擇K值時需要折中考慮補償精度和瞬態(tài)特性。

1.2 STF在諧波檢測中的實現(xiàn)

在非平衡畸變電網(wǎng)電壓和不平衡負載下，采集到的電網(wǎng)電壓信號含有較多的諧波成分。如果不對其進行處理，會造成諧波檢測的不準。本文采用STF濾波，把其基頻分量完整無延時地從畸變信號中直接提取出來，供諧波檢測處理，從而消除畸變電壓對諧波提取方法的不利影響。

三相信號經(jīng)過Clark 變換，在兩相靜止坐標系下表示為

將其帶入式（2）整理可得到STF輸出為

具體構(gòu)成如下：

此處X代表電壓或電流。STF處理模塊框圖見圖2。

圖2 STF模塊框圖Fig.2 Block diagram of STF

經(jīng)過圖2處理即可提取出畸變信號在兩相靜止坐標系下的基波成分。

1.3 改進的P-Q理論

對式（6）采用Clark 逆變換，得到abc 坐標系下網(wǎng)側(cè)電流參考值。為使APF裝置正常工作，電網(wǎng)還需提供少量有功功率Pc，從而維持APF 電容電壓穩(wěn)定。

為了有效減少電流中的開關頻率和THD［5］，本文采用對網(wǎng)側(cè)電流進行控制使其正弦化的反饋控制策略，同時基于STF 對傳統(tǒng)P-Q 進行了改進，推導出了網(wǎng)側(cè)電流參考值的計算公式。整個諧波檢測控制策略如圖3所示。

此諧波檢測策略的改進點如下：1）對電壓、電流信號進行STF濾波，從而得到平衡無畸變的網(wǎng)側(cè)電壓和負載電流信號，提高了諧波檢測的精度；2）檢測過程無需使用低通濾波器；3）直接對網(wǎng)側(cè)電流進行反饋控制，并在畸變不平衡電壓下測試APF的補償性能。

2 仿真與實驗

2.1 仿真分析

在Matlab/Simulink 環(huán)境下，對提出的諧波檢測方法進行了仿真驗證。本文采用2組三相不控整流器用來模擬APF在0.1 s時負載加倍，以此觀測APF的瞬態(tài)補償?shù)男阅?；一組單相不控整流，用來模擬三相不平衡負載。各個模型參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of the analyzed system

本文所模擬的畸變不平衡電網(wǎng)電壓、負載電流見圖4，電網(wǎng)電壓各相的有效值和THD分別為：221.5 V，251.4 V，210.9 V和11.8%，10.6%，9.2%。

圖4 畸變電網(wǎng)電壓和負載電流的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of distorted grid voltage and load current

為了檢驗改進方法的有效性，本文在理想和畸變電壓情況下，分別對傳統(tǒng)P-Q，d-q 和改進方法的諧波補償性能進行了仿真，結(jié)果如圖5、圖6所示，其負載電流和電網(wǎng)電流的諧波含量如表2所示。

圖5a 和圖5c表明：在理想電壓下d-q，P-Q方法都能實現(xiàn)對網(wǎng)側(cè)電流的充分補償，使網(wǎng)側(cè)電流諧波含量從20%降到2%，滿足補償要求。但在非理想電壓下，它們的補償效果卻大大下降（見圖5b和圖5d），同時由于d-q方法采用了鎖相環(huán)算法，一定程度上比P-Q 方法具有較好的補償效果。從以上仿真中可明顯看出畸變的電網(wǎng)電壓會對APF的補償性能帶來不利影響。

表2 各方法的補償性能Tab.2 Compensation results with all control method

圖5 P-Q 和d-q方法的仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results using P-Q and d-q method

圖6 基于STF方法的仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results using STF method

圖6 是采用改進方法的諧波補償效果。因為采用了STF濾波器，與傳統(tǒng)d-q，P-Q 方法相比，無論電網(wǎng)電壓如何，網(wǎng)側(cè)電流均能得到充分補償，THD均為2%，始終滿足IEEE 519—1992所推薦的THD<5%的標準。

2.2 實驗研究

為驗證改進諧波檢測方法的有效性，本文根據(jù)仿真模型搭建了小容量的實驗樣機?？刂葡到y(tǒng)采用TMS320F2812 芯片，負責數(shù)據(jù)采樣、諧波檢測、PWM 輸出和保護功能。驅(qū)動模塊選用CONCEPT公司的2SD315-AI。開關管選擇英飛凌公司的IGBT模塊BSM50GB120DN2。逆變器交流測電感取0.9 mH，直流側(cè)電容由2個1 000 μF/600 V 的電解電容并聯(lián)組成，電容電壓參考值為600 V。實驗波形采用Tek 示波器TDS2012B 截圖得到。

圖7為電網(wǎng)電壓畸變和經(jīng)STF濾波后的效果圖，從圖7 中可以看出，盡管電網(wǎng)電壓畸變嚴重，但經(jīng)過STF 濾波，仍可準確得到其基波信號，同時驗證了STF濾波器優(yōu)良的濾波性能。

圖7 電網(wǎng)電壓Fig.7 Grid voltage

圖8 為投入非線性負載后負載電流波形以及進行補償后的網(wǎng)側(cè)電流波形。

圖8 網(wǎng)側(cè)電流和負載電流Fig.8 Source current and load current

從圖8 看出，在采用本文改進的諧波檢測方法后，網(wǎng)側(cè)諧波含量明顯降低。用Fluke 電能質(zhì)量分析儀43B 測得其THD 從25%降低至4%，符合國際標準。諧波分布如圖9所示。

3 結(jié)論

為提高畸變電壓下APF的性能，本文引入了濾波性能優(yōu)良的自調(diào)諧濾波器（STF），以此為基礎并通過對傳統(tǒng)P-Q 理論的改進，推出了基于STF的網(wǎng)側(cè)電流參考公式。本文所提諧波檢測策略的特點在于：無需使用低通濾波器處理；精確的網(wǎng)側(cè)電流計算式；前饋控制；檢測性能不受網(wǎng)側(cè)電壓畸變的影響。實驗結(jié)果和仿真均驗證了此方法的有效性。無論網(wǎng)側(cè)電壓如何，采用本文提出的改進方法均具有較高的補償精度（滿足THD<5%的國際標準），達到很好的補償效果，為諧波的檢測提供了一種新的思路。但實驗中還發(fā)現(xiàn)濾波效果及動態(tài)性能跟參數(shù)K的選取有很大關系，后續(xù)還要進一步研究。

［1］ 王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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