甘 輝 方 潔 云蘇樂 董銀輝 劉雪琴

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210000）

并聯(lián)型有源濾波器的設(shè)計(jì)與仿真

甘 輝 方 潔 云蘇樂 董銀輝 劉雪琴

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 210000）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力設(shè)備在為人們提供高速，高效的便捷的生活的同時(shí)，也產(chǎn)生各種電網(wǎng)污染問題。該文以并聯(lián)型有源濾波器作為研究對象，分析其工作原理，利用改進(jìn)的瞬時(shí)功率理論檢測諧波電流及劃窗遞推方法，并且運(yùn)用重復(fù)控制與無差拍控制相結(jié)合的方法來進(jìn)行電流跟蹤并且實(shí)現(xiàn)諧波電流的補(bǔ)償，凈化電網(wǎng)。

有源濾波器；并聯(lián)型；瞬時(shí)功率檢測；重復(fù)控制；無差拍控制

0.引言

改善電網(wǎng)質(zhì)量，必須要控制電網(wǎng)中的無功與諧波，因此提高功率因數(shù)與抑制諧波就推動(dòng)了各種諧波抑制與無功補(bǔ)償技術(shù)的大力發(fā)展。針對諧波抑制，目前國際上有兩個(gè)方面，一是從諧波源出發(fā)，對非線性負(fù)載使用合理的電路結(jié)構(gòu)，使負(fù)載產(chǎn)生較少的諧波，甚至不產(chǎn)生諧波。二是增加外部電力電子設(shè)備來補(bǔ)償諧波，這種方案適用于所有的諧波源。有源濾波器就是一種能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波進(jìn)行抑制與無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備。文以并聯(lián)型APF來介紹濾波器的原理。

1.并聯(lián)型有源濾波器

并聯(lián)型APF與非線性負(fù)載在電網(wǎng)中是以并聯(lián)電路接入的，并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路由變流器，電感以及直流側(cè)儲能元件所構(gòu)成，并聯(lián)型有源濾波器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，主要用于補(bǔ)償電流型的諧波和無功電流，能夠?qū)χC波與無功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償也能夠單獨(dú)補(bǔ)償。并聯(lián)型APF安裝方便，損耗較小，成本相對較低，而且補(bǔ)償性能好，所以目前是應(yīng)用最為廣泛的一類濾波器。

1.1并聯(lián)有源濾波器原理

有源濾波器主要由指令電流運(yùn)算部分，電流跟蹤控制部分，驅(qū)動(dòng)電路，主電路及必要的保護(hù)及輔助電路構(gòu)成。指令電流運(yùn)算部分即諧波與無功電流檢測電路，將負(fù)載電流中的諧波電流及無功電流分離出來，將兩者經(jīng)過一定計(jì)算得出需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘杋c*。電流跟蹤控制部分電路即補(bǔ)償電流控制電路，根據(jù)指令信號，得出控制主電路各器件通斷的PWM信號，對補(bǔ)償電流進(jìn)行PWM信號調(diào)制。通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率變換電路中的開關(guān)，使主電路輸出實(shí)際補(bǔ)償電流ic。由基爾霍夫定律可得，ic是用來補(bǔ)償負(fù)載電流中的諧波與無功電流，因此，可以將負(fù)載電流看作是基波電流與諧波及無功電流構(gòu)成，達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

1.2算法

以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)延伸出不同的一類算法，算法，只取正弦，余弦參與計(jì)算，并不依賴于系統(tǒng)的電壓信息，因此檢測結(jié)果并無誤差。本文中我們主要是運(yùn)用基于算法的檢測，如圖1所示。

PLL鎖相環(huán)：檢測得到與電壓ea同步旋轉(zhuǎn)的角速度θ。

iaL，ibL，icL：三相負(fù)載電流。

iα，iβ：將三相負(fù)載電流從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相靜止α—β坐標(biāo)系得到。

ip，iq：ip為瞬時(shí)有功電流分量，iq為瞬時(shí)無功電流分量，包含所有基波與諧波電流，將iα，iβ從兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)cpq坐標(biāo)得到。

LPF：低通濾波器

基波電流產(chǎn)生的有功直流分量與無功直流分量，ip，iq經(jīng)過LPF得到。

iαf，iβf：兩相基波電流，將有功與無功直流分量從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止的α—β坐標(biāo)系中。

iaf，ibf，icf：三相基波電流，有功與無功直流分量從兩相α—β坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到三相靜止坐標(biāo)系。

iah，ibh，ich：三相諧波電流，由負(fù)載電流與基波電流相減所得。

1.3滑窗FFT遞推算法

DFT及其快速算法FFT是數(shù)字信號處理領(lǐng)域的核心組成部分。FFT算法多種多樣，按數(shù)據(jù)組合方式不同一般分時(shí)域法和頻域法，按數(shù)據(jù)抽取方式的不同又可分為基2和基4等。各算法的優(yōu)缺點(diǎn)視不同的制約因素而不同。FFT的實(shí)現(xiàn)方法也多種多樣，可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，經(jīng)常用到信號譜線技術(shù)，這種技術(shù)利用離散傅里葉變換將信號從時(shí)域變換到頻域，達(dá)到信號檢測、信道估值、同步和調(diào)解的目的。

2.電流控制策略

對電流的控制是有源濾波器中另一關(guān)鍵因素，存在于APF中的電流跟蹤控制部分，控制主電路中的變流器產(chǎn)生與諧波大小相等，方向相反的電流。

2.1無差拍控制

無差拍控制電流是采樣控制系統(tǒng)中一種特有的控制方式，在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)計(jì)算變流器在下一個(gè)開關(guān)內(nèi)的占空比，其原理是利用下一個(gè)采樣時(shí)刻指令電流的預(yù)測值和當(dāng)前時(shí)刻采樣電壓和電流值，計(jì)算當(dāng)前指令電壓或指令電流，以達(dá)到電流跟蹤誤差為零的目的，如圖2所示。

無差拍控制屬于開環(huán)控制，存在穩(wěn)態(tài)誤差，對于環(huán)境及參數(shù)依賴較強(qiáng)而產(chǎn)生誤差。其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預(yù)測方案來保證，而這種不進(jìn)行預(yù)測的無差拍控制實(shí)為差一拍或差幾拍控制，由頻譜分析可知，補(bǔ)償之后電源電流的低次諧波含量較高。

2.2重復(fù)控制

重復(fù)控制策略是基于內(nèi)模原理的，在一個(gè)周期性的信號中，它能將每個(gè)周期中的誤差存儲下來，并且進(jìn)行逐周期累加，是一種有效的波形校正技術(shù)，能夠消除周期性擾動(dòng)的影響。

2.3重復(fù)控制的無差拍控制電流

由于無差拍控制對參數(shù)依賴性較強(qiáng)，其濾波效果受預(yù)測方案影響較大，而重復(fù)控制最大的缺點(diǎn)即是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度過慢，因此可以將二者結(jié)合起來對電流進(jìn)行控制。

在電網(wǎng)中，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波無功電流各不相同，但是由于諧波電流的出現(xiàn)具有重復(fù)性和周期性，平推算法的預(yù)測值與實(shí)際值之間的誤差也將以固定的波形重復(fù)出現(xiàn)。采用重復(fù)控制結(jié)合無差拍控制電流的方法，利用重復(fù)控制對電網(wǎng)電流進(jìn)行超前一拍的預(yù)測，由于無差拍控制對于電流預(yù)測值總是會產(chǎn)生延時(shí)，因此將二者結(jié)合在一起，可以改善無差拍控制電流的性能。

將重復(fù)控制器置于無差拍控制之前，通過對上一開關(guān)周期誤差信息的收集，能夠在下一周期到來時(shí)，給予正確的幅度，相位補(bǔ)償值，然后迅速的消除該周期的誤差。重復(fù)控制減小諧波失真，改善系統(tǒng)誤差，無差拍控制提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。將兩者結(jié)合在一起能夠?qū)ψ兓碾娏饔泻芎玫倪m應(yīng)能力，當(dāng)電網(wǎng)中的參數(shù)變化，兩種控制方法能夠很好地對變化的電流進(jìn)行跟蹤，從而準(zhǔn)確得出控制主電路的開斷信號。

3.仿真

利用MATLAB對并聯(lián)型有源濾波器利用瞬時(shí)功率檢測方法并將無差拍與重復(fù)控制運(yùn)算結(jié)合在一起的算法方式進(jìn)行諧波補(bǔ)償，可以看到含有諧波的電流經(jīng)補(bǔ)償已經(jīng)接近于正弦波圖形如圖3和圖4所示。

結(jié)論

為達(dá)到補(bǔ)償諧波電流，使電網(wǎng)電流為正弦波電流的目的，在無差拍控制電流的基礎(chǔ)上對其缺點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)，采用無差拍控制與重復(fù)控制相結(jié)合的控制策略，能更好地控制諧波電流。通過實(shí)驗(yàn)仿真我們可以看到電網(wǎng)電流經(jīng)兩種控制算法的結(jié)合，諧波電流大大減少，達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的，證明了該方法的正確性與可行性。

［1］王兆安，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］胡偉.基于技術(shù)的混合有源濾波器仿真研究與設(shè)計(jì)［D］.長沙：湖南師范大學(xué)，2008.

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