三相四線制有源電力濾波器雙重化設計的研究

羅進徐笑娟李陽

（1.南京華士電子科技有限公司，南京 210000；2.安徽工業(yè)大學，安徽 馬鞍山 243032）

近年來，隨著電力電子技術的迅速發(fā)展，越來越多的電力電子裝置被應用到各個領域，例如：整流裝置、電弧爐、電力變壓器和家用電器等，使得大量的無功電流和諧波電流注入電網(wǎng)，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的影響和危害也日益嚴重，若不加以控制，會嚴重影響整個電網(wǎng)經(jīng)濟、安全的運行，尤其是近年來因諧波引發(fā)的事故增多，迫使電力部門和用戶更加重視諧波污染對現(xiàn)代電能質(zhì)量的影響，因此對電力諧波的實時補償變得越來越重要[1]。

有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）是一種新型的諧波及無功動態(tài)補償裝置[2]，有源電力濾波技術最早于 20世紀 60年代提出，它的應用是在20世紀90年代后，從日本、美國等國開始，并主要集中在并聯(lián)型APF。有源電力濾波器與傳統(tǒng)的無源電力濾波器（PPF）相比較，具有響應速度快、補償效果好和能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)補償?shù)膬?yōu)點。在實現(xiàn)大功率有源電力濾波器的方法已取得了不少的研究成果[3]。

本文采用雙重化技術研制了一臺150kVA有源電力濾波器的工程樣機，主電路由兩個模塊化PWM變流器單元組合實現(xiàn)，有效的增大了等效開關頻率，獲得了較好的諧波補償效果。

1 系統(tǒng)的主電路拓撲結(jié)構(gòu)

采用雙重化主電路，可以有效的提高有源電力濾波器的總機容量，還可以提高有源電力濾波器的等效開關頻率，從而改善補償電流的跟隨特性。另外，由于等效開關頻率的提高，可以降低單個器件的工作頻率，這樣既可以降低對器件工作頻率的要求，又可減少器件的開關損耗。雙重化的三相四線制主電路圖譜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙重化的三相四線制主電路結(jié)構(gòu)

2 SPWM的多重化原理

相移載波的 PWM方法，能在不改變載波頻率的同時進一步降低SPWM的諧波含量，該方法原理是：采用同一個調(diào)制波，而對載波進行相移[4]，例如一個m電平的變換器，每相采用m-1個具有相同頻率和相同峰值的三角載波與同一個調(diào)制波相比較；m-1個三角載波之間依次相移360o/(m-1)。由于相鄰的載波之間有一個相移，這一相移使得所產(chǎn)生的SPWM脈沖在相位上錯開，在疊加輸出的SPWM波等效開關頻率提高到原來的m-1倍，因此可以在不提高開關頻率的條件下，大大減小了輸出諧波。PWM逆變電路多重化聯(lián)接方式有變壓器方式和電抗器方式，由圖1可知本文采用的是電抗器聯(lián)接的方式實現(xiàn)二重 PWM逆變。電路的輸出是經(jīng)過兩個電抗器后聯(lián)結(jié)于一點，再經(jīng)過LC濾波后輸出。在此結(jié)構(gòu)中需將載波相互錯開180o，圖2為雙重化載波信號。

圖2 雙重化的載波信號

3 APF的諧波提取及其控制策略

3.1 APF的原理簡介

三相四線制并聯(lián)型APF系統(tǒng)由主電路和控制電路兩大部分組成，系統(tǒng)原理圖如圖3所示，其中控制部分又由諧波電流檢測部分和電流跟蹤補償部分組成。主電路采用 PWM變流器，它在產(chǎn)生諧波補償電流時，主要工作于逆變狀態(tài)，為了給有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件補充能量時，它又工作在整流狀態(tài)，也就是說，系統(tǒng)運行過程中既有逆變狀態(tài)、也有整流狀態(tài)。

圖3 并聯(lián)型APF的原理圖

并聯(lián)型APF的基本工作原理是通過檢測電路檢測負載電流，經(jīng)指令運算電路計算得出補償電流的指令信號，然后由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流，補償電流與負載電流中需要補償?shù)牟糠窒嗟窒?，最終得到期望的電網(wǎng)電流。由圖3可以看出，APF承擔了負載中的諧波和無功電流分量，實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流的無功補償和諧波濾除。

3.2 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法

本文采用基于瞬時無功功率理論的電流 ip-iq法計算諧波和無功指令電流，電流 ip-iq法的框圖如圖4所示。

圖4 諧波指令電流提取流程圖

上述基于同步旋轉(zhuǎn)park變換的電流ip-iq法，該方法應用于補償三相四線制負載的有源電力濾波器。它是從實用的角度來進行設計的，所以對于實際的產(chǎn)品有更為廣闊的應用空間。它的優(yōu)點就是通過一系列的計算就可以檢測出除基波以外的任意次諧波。方便快捷，而且通過軟件編程的方式也很容易實現(xiàn)。

3.3 直流側(cè)電壓穩(wěn)壓控制策略

由瞬時無功功率理論可知，以三相電網(wǎng)相位為參考，逆變器輸出基波電流在d軸上的分量為正，則電容能量流向電網(wǎng)，電容電壓下降；反之則電網(wǎng)電能流向電容，電容電壓升高。這為直流側(cè)電壓控制提供了依據(jù)。另一方面，如果流出電容中性點的電流為正，電容中點電勢將會下降；反之則電容中點電勢將會升高，這為電容中點電壓控制提供了依據(jù)。本文針對穩(wěn)定直流側(cè)電壓和進行零序電流補償，提出的控制算法如圖 5所示，電網(wǎng)相位角θ來自電網(wǎng)電壓鎖相環(huán)輸出，直流電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到一個用于補償直流電壓波動的基波電流補償分量Ia1，Ib1，Ic1。負載補償電流給定是來自諧波檢測環(huán)節(jié)的輸出，用于補償負載側(cè)諧波電流，本文不加贅述。中點電壓波動經(jīng)過一個2V寬度的滯環(huán)調(diào)節(jié)器后經(jīng)P調(diào)節(jié)控制輸出，得到一個抑制中點電壓波動過量的零序電流補償量。由于逆變器需要對高次諧波有較快的補償，為此加入電流信號微分前饋以提高系統(tǒng)的快速反應性。由于電容電壓變化速率比電感電流慢很多，為了使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，同時減小直流電壓尖峰引起的系統(tǒng)性干擾，工程上直流電壓環(huán)的調(diào)節(jié)速度為電流環(huán)速度的10倍[5]。

圖5 直流側(cè)電壓優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)圖

3.4 直流側(cè)電壓的低通濾波器設計

由于并關器件固有特性，直流側(cè)電壓往往存在電壓尖峰，給直流電壓控制較大帶來干擾，甚至帶來更大的尖峰，為此參與控制的電壓UPO和UOD都是來自低通濾波器的輸出。本文采用巴特沃斯二階低通濾波器，采樣頻率為10kHz，截止頻率設為500Hz。其Z域傳遞函數(shù)如下

3.5 電流微分前饋

電流微分前饋以補償輸出電感勢以加快系統(tǒng)的反應速度，簡單的微分前饋有可能給系統(tǒng)帶來潛在的振蕩風險，所以考慮在微分的基礎上再加上一個較大時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)，如果控周期為T=0.0001s，設計一階慣性環(huán)節(jié)的時間常為100T。以a相為例。其給定電流微分前饋傳遞函數(shù)如下

以雙線性變換方式離散化后

化為差分方程

4 控制系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)以DSP為控制核心，選用TI公司TMS320F2812控制芯片，實現(xiàn)電流與電壓的采樣、軟件鎖相、諧波指令電流的計算以及系統(tǒng)的過壓過流保護等，程序主流程圖如圖6所示。

圖6 APF主程序的流程圖

控制系統(tǒng)采樣頻率為10kHz，由 EVA與 EVB同時實現(xiàn)兩組PWM波的輸出，EVA與EVB的三角載波相差180°，從而可以得到圖2所示的雙重化載波信號。

5 樣機的研制

系統(tǒng)選擇了兩塊三凌智能功率模塊（IPM）型號為PM300PLA120，設計了一臺容量150kVA的有源電力濾波器。濾波電感值0.3mH，電容參數(shù)為4700μF/450V，用6個電容采用兩串三并的結(jié)構(gòu)，同時給每個電容上并一個旁路電阻33K/10W，給定直流母線電壓730V，輸入為380V三相四線制交流電。測得三相四線制負載的THD為27%左右，總電流大小為600A。補償前電網(wǎng)側(cè)三相電流波形如圖7所示，用FLUCK435測得的補償前電網(wǎng)側(cè)三相電流柱狀圖如圖10所示。補償后的電流波形基本上為正弦波，THD為2.8%，電網(wǎng)側(cè)三相電流波形如圖8所示，效果比較顯著。

圖7 補償前網(wǎng)側(cè)電流波形

圖8 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形

6 結(jié)論

針對大容量有源電力濾波器的實現(xiàn)問題，本文利用兩個模塊化的PWM主電路實現(xiàn)有源電力濾波器容量的擴充。采用了載波移相雙重化技術，在不提高逆變橋的開關頻率與保持主電路拓撲結(jié)構(gòu)的前提下獲得高的等效開關頻率，以及可以減少系統(tǒng)輸出的高次諧波含量。實驗結(jié)果表明，基于 DSP的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對雙重化有源電力濾波器的有效控制，基于該系統(tǒng)的有源電力濾波器具有較好的補償效果。

[1]王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制與無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[2]陳國柱,呂征宇,錢照明.有源電力濾波器的一般原理及應用[J].中國電機工程學報,2000,20(9):17-21

[3]李瓊林,劉會金,孫建軍,等.大容量有源濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)分析[J].高電壓技術,2006(2):70-74.

[4]張仲超，張勁東.特大功率組合變流器的相移SPWM技術[J].電工技術學報,1997,12(2):27-31.

[5]常鵬飛,王彤,曾繼倫.三相四線有源電力濾波器控制算法仿真研究[J].繼電器,2005(9):43-49.