選擇性有源濾波器治理12脈波整流器的諧波

姚自立，夏 華，，陸紅學，李 晟

（1.中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山243005 2.中冶華天馬鞍山電力濾波有限公司，安徽 馬鞍山243005 3.安徽省電能質量治理省級實驗室，安徽 馬鞍山243005）

0 引 言

近年來，電力電子裝置的廣泛應用使電網系統的諧波污染和低功率因數問題日益嚴重，極大地影響了供電質量。因此，對電網諧波采取有效抑制并對無功功率進行補償已經成為電力系統中一個重要課題。并聯型有源濾波器（APF）作為電能質量治理的一個分支，它不僅能抑制諧波，還可實現無功補償，因此并聯型APF得到了高度重視和日益廣泛的應用。APF的濾波性能不受系統阻抗的影響，不會與系統阻抗發生串聯或并聯諧振，系統結構的變化不會影響治理效果。APF根據需求的不同，設計不同的諧波補償功能，在某些情況下，APF需要濾除特定次的諧波分量或特定組的諧波分量。APF通過恰當的控制，可以選擇性的濾除特定次或特定組的諧波電流，稱為選擇性APF。用戶對負荷的諧波治理，就是使公共連接點處的總諧波畸變率滿足標準規定的限值要求，各單次諧波占有率也不超過允許的最大限值，而不需要濾除負荷的全部諧波。用戶在進行諧波治理時可首先分析負荷的諧波，根據負荷的諧波特性和標準規定的限值，綜合考慮，確定負荷的哪些次數諧波需要濾除，最后采用選擇性APF濾除這些次數的諧波。本文主要研究的是選擇性APF對負荷為12脈波整流器的電能質量治理，選擇性APF對其它類型負荷的電能質量治理與之類似。

1 12脈波整流器及其電能質量治理簡介

12脈波整流器由一個整流變壓器和兩個三相橋式電路構成，整流變壓器為三繞組變壓器，兩個三相橋式電路對稱，并分別與整流變壓器的兩個低壓繞組連接。12脈波整流器通過兩個6脈波三相橋式電路的組合，可以實現12脈動的效果。12脈波整流器可采用在整流變壓器低壓側或高壓側并聯APF進行電能質量治理。目前常見的APF是低壓APF，低壓側電能質量治理可直接連接低壓APF在12脈波整流器的低壓側，高壓側電能質量治理要通過變壓器將低壓APF連接在12脈波整流器的高壓側。低壓側電能質量治理直接在低壓側抑制諧波電流和補償無功功率，可減小整流變壓器的損耗，增大整流變壓器的輸出效率。而高壓側電能質量治理不僅對整流變壓器沒有改善，還需要變壓器，所以就經濟成本而言，低壓側電能質量治理較為合理。

本文采用低壓側電能質量治理，其結構圖如圖1所示，12脈波整流器的兩個三相橋式電路各對稱并聯一個APF。為了降低成本，提高APF的性價比，每個APF還并聯一組投切電容器，補償負荷的無功功率。如圖2所示，APF采用三單相橋結構。

圖1 12脈波整流器電能質量冶理的結構示意圖

圖2 三單相橋型有源濾波器的主電路結構圖

APF對12脈波整流器的電能質量治理，主要是對12脈波整流器進行無功補償和諧波治理。其無功補償比較容易實現，而諧波治理比較復雜，本文著重研究負荷的諧波治理。12脈波整流器的低壓側為兩個對稱三相橋式整流電路，其低壓側諧波主要為5次、7次、11次、13次、17次和19次等，其中5次、7次、11次和13次諧波較大。兩個對稱三相橋式整流電路產生的5次、7次諧波電流在整流變壓器一次繞組內迭加，使5次、7次諧波電流相互抵消，故高壓側諧波主要為11次、13次、17次和19次等，其中11次與13次諧波較大。基于12脈波整流器的這種諧波特性，選擇性APF對12脈波整流器在低壓側的諧波治理采用濾除負荷較大的諧波，又因為5次和7次諧波在高壓側相互抵消，所以低壓側只需要濾除11次和13次諧波，而不需濾除5次和7次諧波。采用這種選擇性APF治理12脈波整流器的諧波，可使所需的APF容量最小，成本最低，并且治理后公共連接點處的總諧波畸變率和各次諧波占有率滿足標準規定的限值。同時，選擇性APF還進行無功功率的動態補償。

2 有源濾波器諧波及無功電流的檢測方法

APF需要對諧波和無功進行快速的跟蹤補償，為保證APF補償電流的準確、實時跟蹤，諧波和無功電流的瞬時檢測技術是一個關鍵環節。為了更加準確、迅速地檢測出電網中瞬時變化的諧波和無功電流，人們提出了各種檢測方法。本文采用基于瞬時功率理論的諧波電流檢測方法，這種檢測方法具有受電源頻率變化的影響最小、檢測精度高和實時性強等特點。

2.1 APF的基波和諧波電流正序分量檢測

2.1.1 基波電流正序分量檢測

（1）基波電流正序分量的par k變換

如圖3所示，將三相電壓ua、ub和uc通過鎖相環（PLL），得到與電壓同步的信號ωt，從而得到sinωt和cosωt，基波正序分量的par k變換矩陣T1＋為：

其中

如圖3所示，三相負荷電流為iLa、iLb和iLc，對三相負荷電流進行基波電流正序分量的par k變換得到：

設置低通濾波器（LPF）對iq＋進行低通濾波，提取iq＋的直流量為。

圖3 基波、11次和13次諧波電源正序分量檢測原理圖

（2）基波正序有功電流

APF必須從電力系統中連續地汲取少量的有功功率，來供給APF的開關損耗和阻性損耗。否則，這個能量將會由直流電容器來提供，使其連續地放電。為了保持直流電壓恒定，增加一個直流電壓調節器，使APF的損耗所需能量從電力系統中汲取。如圖3所示，在直流電壓調節器中，設u＊d為直流電壓的給定值，udi為某一個H橋的直流側電容電壓，將直流電壓的給定值u＊d與APF三相直流側電容電壓之和的平均值相減，其差值進行PID調節控制，輸出量△id作為APF從電網吸收的基波正序有功電流，維持各電容電壓之和為定值。

（3）基波正序分量的par k反變換

2.1.2 11次諧波電流正序分量檢測

11次諧波電流正序分量的par k變換，如圖3所示，對三相負荷電流進行11次諧波電流正序分量的par k變換得到：

如圖3所示，LPF對id11＋和iq11＋進行低通濾波，對濾波后得到的進行11次諧波電流正序分量的park反變換可得：

2.1.3 13次諧波電流正序分量檢測

13次諧波電流正序分量檢測與11次諧波正序分量檢測類似，如圖3所示。13次諧波電流正序分量的par k變換得到：

13次諧波電流正序分量的par k反變換得到：

2.2 有源濾波器的諧波電流負序分量檢測

為了完全補償，還必須測量正序分量對應頻率的負序分量，這樣就完成了各個不合需要的諧波分量的計算，即基波與諧波的正序分量和負序分量的計算，為選擇性APF的實現作好了準備。

2.2.1 基波電流負序分量檢測

基波電流負序分量的park變換，如圖4所示。

圖4 基波、11次和13次諧波電源負序分量檢測原理圖

對三相負荷電流進行基波電流負序分量的par k變換得到：

LPF對id1－和iq1－進行低通濾波，對濾波后得到的和進行基波電流負序分量的par k反變換得到：

2.2.2 11次諧波電流負序分量檢測

11次諧波電流負序分量檢測與基波負序分量檢測類似，如圖4所示，11次諧波電流負序分量的par k變換得到：

11次諧波電流負序分量的par k反變換得到：

2.2.3 13次諧波電流負序分量檢測

13次諧波電流負序分量檢測與11次諧波電流負序分量檢測類似，如圖4所示。13次諧波電流負序分量的par k變換得到：

13次諧波電流負序分量的par k反變換得到：

2.3 有源濾波器的參考電流計算

設ic＊a、ic＊b和ic＊c為有源濾波器的參考電流，根據圖3和圖4所示，參考電流計算得到：

3 有源濾波器的控制

3.1 H橋單元電容電壓的均衡控制

APF各H橋的開關損耗、參數的分散性和開關器件的觸發脈沖延遲等的不同會引起電容電壓的不均衡，這些不均衡電容電壓會導致H橋功率開關承受的電壓不一致，威脅APF的安全運行。本文采用調節各H橋單元等效損耗的方法對電容電壓進行均衡控制，具體方法是在直流支撐電容兩端并聯一個由放電功率開關和放電電阻串聯組成的電路，電路結構圖如圖2所示，通過PWM調制策略控制放電功率開關的導通和關斷，調節并聯于電容兩端的等效電阻值，實現各H橋單元電容電壓的均衡控制。這種方法等效于調節該H橋的并聯損耗，實現過程簡單。

3.2 有源濾波器的電流跟蹤控制

APF的控制策略，可歸結為在參考電流己知的情況下，如何控制主電路逆變器橋臂的狀態，使APF的電流能跟隨參考電流的變化。控制策略可分為滯環比較控制、三角波比較控制、無差拍控制等。APF電流跟蹤控制的原理圖如圖5所示，以APF的A相為例，采用滯環比較的控制方式。在該方式中，參考的補償電流i＊ca與實際的補償電流ica進行比較，兩者之差△ica作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生PWM信號。該PWM信號經驅動電路來控制開關的通斷，從而控制補償電流ica的變化。電流滯環比較調制法是目前應用得非常廣泛的一種電流控制方法。該方法的硬件電路簡單、易實現，動態響應快，控制精度高；但開關頻率、響應速度及電流的跟蹤精度易受滯環帶寬的影響，帶寬固定時又易引發較大的脈動電流和開關噪聲。

圖5 有源濾波器的滯環比較控制原理圖

4 仿真與分析

APF對12脈波整流器進行電能質量治理，兩個相同的APF對稱連接在整流變壓器的兩個低壓側，采用Si mulink軟件進行仿真。12脈波整流器的低壓側負荷電流圖如圖6所示。由低壓側負荷電流FFT分析圖（圖6（b））可知，負荷電流的諧波總畸變率為23.40%，其中5次、7次、11次和13次的諧波含有率大，需要進行諧波治理。

圖6 12脈波整流器的低壓側負荷電流圖

APF對負荷進行選擇性濾波，在低壓側選擇性濾除11次和13次諧波并補償無功，低壓側治理后的電流圖如圖7所示。根據低壓側治理后的電流FFT分析圖（圖7（b））可知，11次和13次被抑制，它們的諧波含有率不超過0.5%，而5次和7次的諧波含有率與治理前的基本相同。

圖7 12脈波整流器低壓側治理后的電流圖

APF對12脈波整流器的電能質量治理后，整流變壓器高壓側電流如圖8所示。根據治理后高壓側電流FFT分析圖（圖8（b））可知，電流的總諧波畸變率為1.38%，11次和13次的諧波含有率不超過0.54%，23次和25次的諧波含有率不超過0.74%，5次和7次諧波含有率不超過0.4%。電流的總諧波畸變率滿足標準規定，各次諧波含有率也不超過限值。

圖8 12脈波整流器治理后高壓側電流圖

治理后整流變壓器的高壓側電壓如圖9所示。根據治理后高壓側的電壓FFT分析圖（圖9（b））可知，電壓的總諧波畸變率為0.94%，11次和13次的諧波含有率大約為0.05%，23次和25次的諧波含有率大約為0.13%，5次和7次諧波含有率不超過0.02%。電壓的總諧波畸變率滿足標準規定，各次諧波含有率也不超過限值。

APF選擇性濾除12脈波整流器的11次和13次諧波并補償無功，根據上面仿真結果的分析可知，治理后的諧波電壓和諧波電流在PCC處滿足標準規定的限值，選擇性APF可對12脈波整流器能進行有效的電能質量治理。

圖9 12脈波整流器治理后的高壓側電壓圖

5 總 結

選擇性APF對12脈波整流器進行電能質量治理，采用瞬時功率理論檢測無功和諧波電流，補償負荷無功并有選擇濾除負荷11次和13次諧波電流。APF的控制策略采用滯環比較的電流跟蹤控制，H橋電容電壓的均衡控制采用調節各H橋單元等效損耗的方法來實現。為了給APF自身的損耗提供能量，采用PID控制電容電壓。根據APF對負荷的電能質量治理仿真結果分析可知，APF治理后負荷的諧波和無功滿足標準規定的限值。這種有選擇濾除諧波電流和補償無功的控制方法，減小了APF的容量，降低了濾波裝置的成本，提高了APF的性價比。

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