有源濾波器的仿真分析

2011-08-01 03:00:20呂青

武漢船舶職業技術學院學報 2011年5期

呂青

（武漢船舶職業技術學院機械工程，湖北武漢 430050）

傳統的諧波抑制多采用無源濾波技術，該方式一方面可以抑制諧波，另一方面也有無功補償的作用。但它存在以下缺陷：第一，只能抑制固定幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會產生諧振而使諧波放大；第二，只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；第三，其濾波效果依賴于系統阻抗特性，并容易受溫度漂移、網絡上諧波污染程度、濾波電容老化及非線性負荷變化的影響。因而，在電子器件、變頻設備應用日益頻繁的現代艦船上，諧波含量日益豐富，無源濾波器使用的效果并不理想。

有源電子濾波器（APF）是一種能夠彌補無源濾波器不足的新型諧波抑制設備，是一種用于動態抑制諧波，補償無功功率的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功功率進行補償。它首先檢測出不同頻率的諧波，然后產生出相位相反的同頻率諧波進行補償，以達到消除諧波的目的。采用有源電子濾波器可以彌補無源濾波器存在的缺陷，是抑制諧波的一個發展趨勢。

1 有源電力濾波器的原理分析

以并聯型電力有源濾波器系統為例，見圖1，IS為電源電流；IL為復載電流；IC為補償電流；I＊C為指令電流；ILC為補償電流與復載電流之和。并聯型電力有源濾波器由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中補償電流發生器的主電路采用了電壓型PWM變流器。電阻、電感、電容組成高通濾波器與有源濾波器并聯，其作用是濾除補償電流中開關頻率附近的諧波成分。通過檢測補償對象的電流，經指令電流運算，電路計算得出補償電流的指令信號，該信號補償電流發生電路的放大，得出補償電流，補償電流與負載電流、諧波及無功電流抵消，最終得到期望的電源電流。

圖1 并聯型有源濾波器系統

有源電力濾波器對包含諧波和無功分量的電網進行“矯正”的方式類似于自適應濾波技術中的“干擾抵消器”，因此，有源電力濾波器有很快的響應速度，對變化的任意次諧波和無功功率，都能實施動態補償，并且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。

2 并聯型有源電力濾波器的仿真分析

并聯型有源電力濾波器系統是一個復雜的非線性、強耦合控制系統，對它進行理論分析是比較困難的。而且新的控制算法應用于這樣一個實際系統往往需要花費大量的時間和精力。仿真工作可以驗證控制系統結構的正確性，加深對其控制規律的認識和理解。系統一些重要控制參數的仿真結果對實驗裝置參數的選擇具有一定的參考作用，一些重要環節的參數需要用仿真來求取。本文基于UPF算法對并聯型有源電力濾波器進行理論簡述和仿真分析。

2.1 單位功率因數的控制策略（UPF）的基本原理

單位功率因數控制策略的目的是使非線性負載和并聯的濾波器等效為一電阻性負載，從而使電網的負載電流為與電網電壓同相的正弦波，功率電網數為1（單位功率因數）。本文提出了按此策略設計的系統結構如圖2所示。圖中Vsi（電網電壓）為理想正弦電壓而且三相平衡，可表示為

圖2 有源電力濾波器實驗原理圖

式中：VS為電網電壓有效值。

負載電流iLi可表示為

式中：In代表基波和各次諧波電流的有效值；

θn代表基波和各次諧波電流的初相值。

補償電流iCi可表示為

式中，I1負載電流iLi的基波分量的有效值。

將式（3）代入式（4）中就可求出保證單位功率因數所需要的逆變器輸出電壓 Vconi（t），Vconi（t）是通過對Vdc／2進行調制得到。當正常工作時，isi應成為與Vsi同相的正弦波，可表示為

式中：Is為網側電流有效值。

電網的負載電流是與電網電壓同相的正弦波，功率因數為1（單位功率因數），式（5）中Is可從整個系統的有功功率流動中獲得。檢測APF直流側電容電壓，濾除紋波，得到電容平均電壓，將電壓設定值減去電容電壓，差值送入PI控制器，PI控制器的輸出就是網側電流的幅值。該幅值與相電壓同相的三相單位正弦信號相乘后，便可得到理想的參考電流信號，然后與整流側電流相減便可得到所需的調制信號，系統控制結構如圖3所示。

圖3 基于UPF控制策略的系統框圖

2.2 并聯型有源電力濾波器的工作原理

三相有源電力濾波器的工作原理如圖4所示，單相有源電力濾波器的工作原理如圖5所示。

圖4中，UDC為三相有源電力濾波器直流回路電壓測量值，，為直流回路電壓給定值，兩者之差經過具有低通濾波功能的誤差放大器后得到電壓控制量。該電壓控制量經過與各輸入電壓的參考信號Ua、Ub與Uc相乘后，得到各相的輸入電流給定信號與，該給定信號與各相實際電流信號isa、isb和isc相比較后經過各自PI調節器，得到最終的體現有輸出電壓調節和輸入電流調節的綜合控制信號，經過電壓比較器后得到6路PMW信號，經過隔離和放大后驅動對應功率器件工作。

圖5所示的單相有源電力濾波器的工作原理與圖4相似，區別是：電流PI調節器的結果加入了輸入電壓補償量；為了構造4路PWM脈沖，增加了最終信號求反環節。顯然，當有源濾波器可以作為可控整流器使用，而其基本算法可以不變。類似單相有源PFC，有源電力濾波器輸出直流電壓一般要大于輸入交流電壓幅值2－3倍，否則控制效果和經濟性較差，其輸入電感L同時起到儲能和濾波作用。

圖4 三相有源電力濾波器的工作原理

圖5 單相有源電力濾波器的工作原理

2.3 并聯型有源電力濾波器的仿真分析

從輸入相數上來看，有源電力濾波器分為單相并聯型有源電力濾波器和三相并聯型有源電力濾波器，其功率電路拓撲結構分別如圖6和圖7所示。非線性負載一般是指輸入電壓與輸入電流波形不一致的一類負載，如輸入級為單相或三相整流器的變換器系統。這類負載向電網注入有功電流、無功電流和／或諧波電流，有源電力濾波器的作用就是向電網產生相位相反的無功電流和／或諧波電流，抵消非線性負載產生的無功電流和諧波電流，消除諧波電流污染，提高接入點附近的功率因數。

1）單相并聯型有源電力濾波器（APF）的仿真分析

基于圖5和圖6，建立單相并聯型有源電力濾波器的仿真模型，如圖8所示。其模型仿真參數設置為：變步長，最大步長為1e－6s，相對精度為1e－3s，算法選擇ode23tb stiff／TR－BDF2。

整個電路由單相APF和單相非線性負載組成，其中二極管D5－D8、電感RLC（10mH）、電容RLC7（1410μF）和電阻RLC8（100Ω）構成了單相非線性負載。而檢測電流用電阻RLC1（0.02Ω）、濾波電感RLC2和RLC3（5mH）、二極管D1－D4、功率開關S1—S4、電解電容RLC（1410μF）和假負載電阻RLC5（10kΩ）構成了單相APF。VS1為標準單相正弦電壓源，電壓有效值為220V。上面部分為功率電路。

圖6 單想并聯型有源濾波器拓撲結構

圖7 三相并聯型有源濾波器拓撲結構

圖8 單相有源電力濾波器的仿真電路

在控制電路部分中，Sine Wave1為參考輸入電壓，為單相電源完全一致，幅值為2V。Setp1為階躍信號，階躍時刻為0.02s，用于延時啟動控制電路。Repeating Sequence為頻率20kHZ、幅值0－1的鋸值波發生器，也可以構造相似的三角波發生器代替鋸齒波發生器。

運行圖8仿真模型后對仿真結果進行分析：系統進入穩態后，圖9所示給出了補償后電源輸入電壓與輸入電流波形，其中輸入電流幅值縮減了20倍。圖11所示給出了單相APF的輸出直流電壓波形，直流平均電壓為525V，紋波電壓峰峰值為4V。圖12所示給出了非線性負載輸入電壓和輸入電流波形。圖10所示給出了單相APF的輸入電壓和輸入電流波形。

圖9 補償后輸入電壓與電流波形

圖10 單相PDF輸入電壓與電流波形

圖11 單相APF輸出直流電壓波形

2）單位功率因數的三相并聯型有源電力濾波器（APF）的仿真分析

基于圖4和圖7，建立三相有源電力濾波器的仿真模型，如圖13所示。其模型仿真參數設置為：變步長，最大步長為1e－6s，相對精度為1e－3，算法選擇ode23tb stiff／TR－BDF2。

整個電路由單相APF和單相非線性負載組成，其中二極管D7－D12、電感RLC9（10mH）、電容RLC10（20μF）和電阻RLC11（100Ω）構成了三相非線性負載。而檢測電流用電阻RLC1－3（0.02Ω）、濾波電感RLC4－6（10mH）、二極管D1－D6、功率開關S1—S6、電解電容RLC74（2500μF）和假負載電阻RLC8（10kΩ）構成了三相APF。VS1－3為標準三相正弦電壓源，相電壓有效值為220Vrms。上面部分組成了三相并聯型有源電力濾波器的功率電路。其控制電路和單相有源電力濾波器的類似。

圖12 非線性負載輸入電壓與電流波形

圖13 三相有源電力濾波器的仿真電路

圖14 補償后輸入電壓和輸入電流波形

運行圖13仿真模型后對仿真結果進行分析：系統進入穩態后，圖14所示給出了補償后電源輸入電壓與輸入直流電壓波形，其中輸入電流幅值縮減了20倍。圖16所示給出了三相APF的輸出直流電壓波形，直流平均電壓為763V，紋波電壓峰峰值為5V。圖17所示給出了非線性負載輸入電壓和輸入電流波形。圖15所示給出了三相APF輸入電壓和輸入電流波形。