基于d-q檢測法的并聯有源電力濾波器研究

高 昉 魏 昕 楊小磊 宋琳琳

(西南交通大學電氣工程學院,四川 成都 610031)

引言

電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。有源電力濾波器(APF)作為改善電能質量的一項關鍵技術，在日本、美國、德國等發達工業國家已得到了高度重視和日益廣泛的應用[8]。能有效的控制電力電子裝置的諧波。并聯型APF的研究主要以理論和實驗為主，涉及到了功率理論的定義、各種諧波電流的檢測方法、APF的穩態和動態特性分析等。但由于多方面條件的限制，至今未有并聯型APF的正式產品用于實際。目前，以高速數字信號處理器為基礎的實時數字信號處理技術的迅速發展使得采用模擬量控制的電能質量調節裝置正被采用數字量控制的電能質量調節裝置所取代。隨著DSP性價比的不斷提高，用DSP控制APF已成為當今和未來技術發展的一個新熱點。此外，大功率電力電子技術、控制技術的不斷發展使APF的成本也將不斷降低，加之其卓越的濾波性能，在我國必將有廣闊的應用前景。

1 有源濾波基本原理

APF的構成與基本工作原理如圖1所示。APF由諧波與無功電流檢測電路及補償電流發生電路(包括補償電流控制電路、驅動隔離電路和主電路)。前者用來檢測出負載電流中的諧波與無功電流等分量；后者根據檢測出來的諧波與無功電流等產生相應的補償電流。其中補償電流控制電路是補償電流發生電路的核心環節，負責根據補償電流指令信號，由控制算法計算得到主電路每相橋臂各功率開關器件的觸發脈沖；隔離與驅動電路負責驅動主電路IGBT開關；主電路用來產生補償電流。

圖1 并聯型APF基本工作原理

2 有源電力濾波器的主電路

根據APF直流側儲能元件不同，單個APF主電路分為電壓型和電流型[8]：本文的研究對象就是單獨使用的三相并聯電壓型APF，既用于補償諧波也用于補償無功功率。

圖2 電壓型APF主電路

圖2所示的電壓型APF直流側接有大電容，正常工作時其電壓基本不變，可看作電壓源，但為保持直流側電壓不變，需對該電壓進行控制；電壓型APF交流側輸出電壓為PWM方波。電壓型APF效率高，初期投資少，可任意并聯擴容，易于單機小型化，適用于電網級諧波補償。

3 諧波電流檢測原理

APF進行精確補償的關鍵在于準確地、實時地檢測出電網中瞬態變化的畸變電流，為了消除負載產生的諧波及補償消耗的無功，需要對負載中的諧波成分進行實時檢測。d-q法是目前實時檢測諧波和無功的主要方法，簡化了對稱無畸變情況下的電流增量檢測，并且適用于不對稱有畸變情況下的電流增量檢測[2]。瞬時三相電流或電壓變換到d-q坐標上為：

d-q檢測法的原理如圖3所示，d軸電流直流分量 與負載基波有功功率相對應，q軸電流直流分量 與負載基波相位移的無功功率相對應，d軸電流交流分量 和q軸電流交流分量 分別與高次諧波的有功功率和無功功率相對應，故 id和iq經LPF后即得到與基波對應的有功分量和無功分量。o軸分量與負載基波不對稱相對應。d-q變換計算諧波的原理如下圖所示：

基于d-q坐標系下的檢測方法消除電壓諧波和不對稱電壓的影響能力強，檢測實時性好，與ip-iq法相比，其優點在于檢測電路比較簡單，利于數字化電路的實現，是普遍采用的一種方法[15]。

4 諧波檢測電路及濾波器仿真

圖3 d-q檢測法原理

4.1 畸變電壓波形d-q檢測法仿真

圖4 含諧波的電源電壓

圖5 電源含諧波情況下三種檢測方法分離出到的基波電流

由仿真結果可知，當電源電壓有畸變時，ip-iq法和d-q法的檢測結果不受電壓波形畸變的影響。

4.2 滯環電流控制方法的仿真

三角波比較控制方法跟蹤誤差大、補償響應速度也較慢，控制效果不理想，本文采用滯環電流控制方法，模型如圖6所示。滯環的寬度H設置為-1和1。另外，延遲單元是為了消除仿真過程中可能出現的代數環問題而設置的[30]，其延遲時間只需設置為一很小的值。

圖6 滯環比較控制模塊子系統仿真框圖

仿真算法選取ode23tb，時間設定為0.1s時，仿真結果如圖7所示：

圖7 滯環電流控制方法仿真輸出波形

從圖中可以看出，滯環電流控制方法控制的APF補償效果良好，具有較小的跟蹤誤差且補償量響應速度也較快。

4.3 有源電力濾波器系統的仿真

對整個有源電力濾波器系統進行仿真，建立系統模型如圖6。諧波源的觸發角設為60度，采用如前所述的d-q檢測法和滯環比較控制，仿真參數不變，進行仿真，最后使用FFT進行諧波含量分析。仿真結果如圖9與圖10。

從圖中可看出，在本文所設計的有源濾波器的補償作用下，電源電流的THD值由14.88%下降到0.71%，很好的實現了濾波效果。

圖9 補償前，電源電流的頻率分析圖

圖10 補償后，電源電流的頻率分析圖

結論。通過仿真研究，p-q檢測法能夠準確地、實時地檢測出三相電網中瞬態變化的諧波，適應三相對稱無畸變電網和三相對稱有畸變電網等不同場合。滯環電流控制其方法簡單，控制速度快，都能夠控制APF實現對諧波動態補償。通過仿真前后諧波頻譜分析，驗證了本文提出的諧波補償方法具有很好性能。

[1]王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,1998.

[2]劉鳳君.Delta逆變技術及其在交流電源中的應用[M].北京:機械工業出版社,2003.

[3]羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備[M].北京:中國電力出版社,2006.

[4]楊君,王兆安.并聯型電力有源濾波器控制方式的研究[J].西安交通大學報,1995,3（29）

[5]王廣柱.有源電力濾波器兩種補償目標的分析和比較[J].中國電機工程學報，2007，21（19）

[6]萬蘊杰,周林等.基于數字信號處理器的有源電力濾波器控制方案綜述[J].電網技術,2005,29(15).

[7]周雒維.有源電力濾波器諧波電流檢測和控制新方法的研究[D].重慶大學博士學位論文,2001.

[8]Akagi.H.New trends in active filters for power conditioning[J].IEEETrans.on Industry Application,Vol.32,No,6,1996:PP.1312～1322

[9]郭秀洪.基于電流跟蹤控制的有源電力濾波器的研究[D].華北電力大學碩士論文.

[10]黃濤.基于DSP的并聯型有源電力濾波器的研究[D].清華大學工程碩士專業學位論文,2004.