改進型直流側有源電力濾波器在三相系統中的應用研究

（衢州電力局，浙江衢州324000）

改進型直流側有源電力濾波器在三相系統中的應用研究

嵇麗明，徐翀，柯明生，姜淦之，周揚飛

（衢州電力局，浙江衢州324000）

針對改進型DC側APF具有負載輸出電壓可調、控制和驅動簡單、儲能電容容量小等優點，依據單相改進型拓撲，提出一種三相改進型DC側APF拓撲模型，對三相整流類負載進行諧波治理具有技術優勢。與三相PFC相比，該拓撲僅處理部分功率，主電路結構簡單；與交流側APF相比，簡化了電路結構，減少了功率開關數量。仿真結果證明了該拓撲的正確性和可靠性。

諧波治理；整流橋類負載；諧波注入；有源電力濾波器

0 引言

隨著我國工業和民用用電負荷的迅速增加，以及各種電力電子設備的廣泛應用，諧波污染隨著非線性負載數量及容量的增加而日趨嚴重，供電部門和用戶對電能質量的要求則越來越高，因此人們對電力系統的諧波問題也越來越重視[1-2]。對于整流橋輸入端進行諧波治理的有源電力濾波器研究，目前主要集中在對單相系統的研究[3-9]。

三相不可控整流橋在工業中大量應用，成為電力系統的主要諧波源，三相功率因數校正[10-11]和三相有源電力濾波器[12-13]是2種目前常用的針對三相整流橋的諧波治理措施。由于三相PFC（Power Factor Correction，功率因數校正）需要處理幾乎全部的負載功率，因此功率級電路容量大、成本高[14]，同時電路結構和控制相對復雜。

三相改進型直流（DC）側APF（Active Power Filter，有源電力濾波器）是一種新的諧波治理方案，將有源電力濾波器移到三相整流橋的直流側。相對三相PFC而言，該拓撲僅處理部分功率，主電路結構簡單。與三相交流側APF相比，該拓撲簡化了電路結構，有源開關的數量較少，降低了成本和開關損耗。仿真結果證明了這一改進型DC側APF拓撲模型的正確性和可靠性。

1 三相改進型DC側APF電路工作原理

三相改進型DC側APF拓撲模型如圖1所示，二極管導通情況如表1所示。拓撲模型包含上、下2組單相DC側APF和3個雙向開關，其中低頻雙向開關Sa，Sb，Sc工作在二倍工頻，Sp1和Sp2以及Sn1和Sn22對有源開關同時工作在高頻。根據輸入電壓的相位關系，將每個電網周期分成6個工作區間，即區間Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，在每個區間內分別使3個雙向開關中的1個導通，實現相應的解耦控制。

圖1 三相改進型DC側APF拓撲

表1 整流橋二極管導通情況

為了便于分析，假設開關Sp1和Sp2以及Sn1和Sn2的開關周期為Ts，Sp1的導通時間為dpTs，Sn1的導通時間為dnTs；三相電源是對稱且無畸變的正弦波；容性負載C1和C2很大，Uc1和Uc2在開關周期內電壓基本無變化，相當于理想電壓源。

圖2 三相改進型DC側APF分區

該拓撲的工作區間以及低頻雙向開關動作情況如圖2所示。根據開關的動作情況，得出解耦后等效電路（圖3所示）和開關等效電路（如圖4所示）。該拓撲對三相三線制整流橋負載的諧波抑制具有特定的優勢和功效。

圖3 三相改進型DC側APF拓撲等效電路

圖4 開關等效電路

2 多矢量誤差放大器在三相系統的應用

多矢量誤差放大器不僅兼顧了電路的穩態工況，而且考慮了輸出電壓突變的工作情況（輸出電壓存在一定程度的上升或下降），從而提高了整個電路在以上工況下的動態性和實時性[15]。

多矢量誤差放大器的結構如圖5所示，其中運算放大器EA實現穩態時的運算放大功能，R1和C是穩態輸出的低通濾波器；運算放大器A1是電壓跟隨器，主要起隔離作用，避免將輸出電壓反饋網絡的高阻抗導入到運算放大器A2及A3的輸入端；運算放大器A2的主要功能是在輸出電壓升高到一定程度（例如105%）時快速降低輸出電壓；運算放大器A3的主要功能是在輸出電壓降低到一定程度（例如95%）時，快速升高輸出電壓。M1和M2組成鏡像電流源。

2.1 主電路

運算放大器EA、電阻R1和電容C組成多矢量誤差運算放大器的主路徑，電壓誤差放大器輸出電壓UEA維持在允許的小波動區間內，多矢量誤差運算放大器工作于主路徑，實現穩態輸出。

圖5 多矢量誤差放大器結構

2.2 高電壓鉗位電路

當反饋信號UIN突然上升到一定程度（常用λ =（uIN-UIN）/UIN表示電壓突變程度，一般λ取值為5%～10%），高電壓鉗位環節電路馬上作用去改變跨導放大器的跨導。該部分主要是由運算放大器A2和電阻R2及R3組成的加法器電路來完成有效降低負載輸出電壓的功能。

2.3 低電壓鉗位電路

低電壓鉗位電路主要包含運算放大器A3和NMOS管，當反饋電壓信號UIN低于（1-λ）UIN時，電路啟動低電壓鉗位電路，信號通過A3組成的高帶寬通路，使鏡像電流源產生電流，從而快速提高輸出電壓UEA。

3 主電路參數設計

3.1 電感L的設計

從理論上說，電感電流的動態變化率越大，跟蹤效果就越好，在其它條件不變的情況下，L值越小，di/dt越大，同時也使系統成本降低；但如果L過小，會使電感中的紋波電流變大，也會影響補償效果，電感值的選取可參考文獻[9]。

3.2 儲能電容C的設計

（1）對儲能電容進行直接控制時，可利用脈動能量和儲能電容容量的關系法來求取儲能電容：

式中：r為穩態時電容電壓波動范圍（一般取r為2%～10%）；S為APF的容量；UC為儲能電容直流電壓。

（2）不對儲能電容進行直接控制時，設儲能電容最大波動電壓為

儲能電容C為：

將式（4）代入式（3），則儲能電容C為：

4 諧波注入式三相DC側APF拓撲

為了進一步減少有源開關數量，從而降低成本以及有源開關的耗損，文中引入了諧波注入式的思想，即用相應的阻抗代替中線的3個有源開關，并提出了一種諧波注入式結構的三相DC側APF拓撲，圖6為諧波注入式三相改進型DC側APF主電路拓撲。

圖6 諧波注入式三相改進型DC側APF

在一個電源周期內，該拓撲電路工作在6個區間，現以區間I為例對圖6的拓撲工作原理進行分析。

由于該拓撲是基于諧波注入式功率因數校正思想的三相三線制系統，則有：

由公式（6）、（7）得出：

由諧波注入式的工作原理及區間I下的電流關系式（8）可知，實現注入式的前提是保證流經阻抗的電流相等且為中線電流的1/3，該阻抗Za，Zb，Zc的設計方式有很多[16]。

5 仿真實驗

仿真電路的參數如下：交流輸入電壓220 V，頻率為50 Hz；輸入濾波電感L1為1 mH；輸出電感L2為0.25 mH；儲能電容C為2 mF；負載電阻額定值為40 Ω；電路的時鐘頻率為25 kHz。分別對輸出電壓Uc1=Uc2=150 V和Uc1=Uc2=300 V進行仿真。負載為典型的電壓型諧波源負載—電容濾波整流器。

圖7，8，9分別是補償前A相電流波形圖、Uc1=Uc2=150 V的仿真波形圖和Uc1=Uc2=300 V的仿真波形圖。從圖中可看出，三相改進型DC側APF作為一種新的諧波治理方案，在不同負載輸出電壓情況下能夠較好地抑制諧波。

圖7 補償前A相電流波形

圖8 Uc1=Uc2=150 V的仿真波形

圖9 Uc1=Uc2=300 V的仿真波形

6 結語

本文提出了一種三相改進型三相三線制DC側APF拓撲，對于三相整流類負載進行諧波治理，該拓撲具有主電路新穎、補償性能好、控制簡單等優點。應用諧波注入式理論，用相應的阻抗元件代替有源開關，進一步減少了主電路中的有源開關數量，從而降低成本，擴大了應用領域。對電路啟動或存在故障（短路、負載的突變或輸入電壓突變）等特殊情況，引入多矢量誤差放大器來解決電網的動態性和實時性。針對該拓撲的動態性能以及相應的實驗研究還有待進一步深入探討和研究，以進一步驗證該拓撲的正確性。

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（本文編輯：龔皓）

Research onApplication of Improved DC SideActive Power Filter in Three-phase System

JI Li-ming，XU Chong，KE Ming-sheng，JIANG Gan-zhi，ZHOU Yang-fei
（Quzhou Electric Power Bureau，Quzhou Zhejiang 324000，China）

As the improved DC side active power filter（APF）is characterized by adjustable load output voltage，simple control and drive，small storage capacitance etc.，this paper proposes an improved three-phase DC sideAPF topology model based on an improved single-phase topology，which has great technical advantages of harmonic elimination for three-phase rectifier load.Compared with the three-phase power factor correction（PFC），the proposed topology only processes part of power and the main circuit structure is simple; compared with theAC sideAPF，the circuit structure is simplified and the amount of the power switches is reduced.The simulation results show that this topology has high accuracy and reliability.

harmonic elimination；bridge rectifier type load；harmonic injection；active power filter

TM714

：B

：1007-1881（2012）06-0013-04

2011-11-31

嵇麗明(1982-)，男，浙江衢州人，工學碩士，助理工程師，從事高壓試驗及遠動檢修工作。