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解決諧波問題。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)的輸入測諧波抑制方法。

諧波 諧波抑制 有源濾波器

0 引言

對于三相對稱的船舶電網(wǎng)來說，非線性負(fù)載具有不對稱和波動性的特點(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)基波上后會引起電網(wǎng)電壓畸變，而且破壞了電網(wǎng)的對稱性，對電網(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解決諧波問題。通常解決方案可以分為主動型諧波抑制方法和被動型諧波抑制方法。

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型諧波抑制方案。常用的主動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。

通過外加濾波設(shè)備來達(dá)到諧波抑制的目的的諧波抑制方案被稱為被動型諧波抑制方案。常見的被動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)時斷開用電設(shè)備與電網(wǎng)的連接，只能被動地采取保護(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，能夠做到適時補(bǔ)償，且不增加電網(wǎng)的電容元件，具有比無源濾波器更好的濾波效果，但是成本較高。與無源濾波器（以下簡稱PF）相比，有源濾波器（以下簡稱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)的變化不會影響治理效果。

c）原理上比PF更為優(yōu)越，用一臺裝置就能完成各次諧波的治理。

d）實(shí)現(xiàn)了動態(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過載。

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

g）可以對多個諧波源進(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)阻為無窮大，要想對電流源型諧波進(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)。而對于用戶來說，選取哪種電力濾波器往往與諧波的來源有關(guān)。從系統(tǒng)側(cè)來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實(shí)時監(jiān)測出系統(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關(guān)器件的通斷信號，從而控制驅(qū)動電路的輸出電壓，保證有源濾波器補(bǔ)償?shù)母咝院蛯?shí)時性。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檢測出的諧波分量反極性后生成補(bǔ)償電流的指令信號，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，逆變器開關(guān)器件采用IGBT模塊，開關(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)過解耦，逆變器交流側(cè)軸和軸為兩個獨(dú)立的系統(tǒng)，使控制結(jié)構(gòu)大大簡化。

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，電力電子器件的電壓和電流等級需要根據(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關(guān)頻率和交流側(cè)進(jìn)線電抗器的大小。對開關(guān)頻率來說，開關(guān)頻率偏低會使跟蹤電流的紋波成分加大，但頻率過高會使開關(guān)損耗增大。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的開關(guān)頻率。本文中選用開關(guān)頻率為10kHz，開關(guān)器件選用IGBT。而選取交流側(cè)進(jìn)線電抗器時應(yīng)當(dāng)考慮APF對指令電流的跟蹤能力以及跟蹤指令電流紋波的要求，電抗器的電感值過大時不能快速跟蹤指令電流，電感值過小則會使濾波器的輸出電流相對于指令電流有很大的超調(diào)。所以交流側(cè)電感的選擇與開關(guān)頻率的選擇有關(guān)系，在APF補(bǔ)償對象一定的情況下，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

在三相對稱系統(tǒng)中，為分析方便，采用系統(tǒng)的單相等效電路對串聯(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，并通過變壓器串進(jìn)電網(wǎng)中，利用控制電路，產(chǎn)生與檢測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關(guān)脈動?？刂齐娐返墓δ苤饕须妷褐C波的檢測和計(jì)算、補(bǔ)償電壓指令的生成、主電路控制信號的產(chǎn)生以及開關(guān)器件的驅(qū)動。也就是說，控制電路需要實(shí)時檢測出u中的諧波電壓u，形成補(bǔ)償電壓指令u，從而驅(qū)動主電路，使逆變器實(shí)時產(chǎn)生與u成比例的諧波電壓，進(jìn)而達(dá)到實(shí)時跟蹤補(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)儲能單元以及脈沖驅(qū)動有關(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

在分析的過程可以將逆變器等效為一個增益為的線性環(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態(tài)響應(yīng)速度，簡單的控制方法，但它只在一定范圍內(nèi)滿足電壓補(bǔ)償?shù)囊蟆；陔妷悍答伩刂频妮敵鲭妷核矔r值控制可以調(diào)節(jié)參考電壓和輸出電壓的瞬時值之差，進(jìn)而大大提高了輸出電壓的響應(yīng)速度與動態(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，為電壓輸出瞬時值控制方法的系統(tǒng)框圖。

圖10 電壓瞬時值反饋控制方式系統(tǒng)框圖

4.4 輸出電路參數(shù)計(jì)算

由于電感的增加會對控制器不利于負(fù)載適應(yīng)的能力，另外，由于電感量的會減小負(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，開關(guān)器件的電流容量決定了濾波電容的大小，在保證開關(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

對于三相對稱的船舶電網(wǎng)來說，非線性負(fù)載具有不對稱和波動性的特點(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)基波上后會引起電網(wǎng)電壓畸變，而且破壞了電網(wǎng)的對稱性，對電網(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解決諧波問題。

本文對非線性負(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。

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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：船舶電氣及自動化。E-mail: 675163923@qq.com