并網有源電力濾波器對諧波抑制的分析

時 斌，賈傳圣，郝敏啟

（江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州221000）

0 引 言

近年來光伏發電、風力發電等新能源發電技術發展快速。將可再生能源發電應用于并網發電系統，可緩解現有電力系統在用電高峰時期承受的容量和安全壓力，并且無污染，所占空間合理。有源濾波器是一種用于動態抑制諧波、無功補償的電力電子裝置，可以克服LC濾波器等傳統的諧波抑制和無功補償的缺點。按照與補償對象的不同連接方式，可分為串聯型和并聯型。串聯型有源濾波器主要適用于消除電壓型負載所產生的諧波；并聯型有源濾波器主要適用于感性電流源負載的諧波補償。有源電力濾波器系統分為兩部分，一部分是指令電流運算電路，其核心是檢測出要補償的負載電流中的無功分量和諧波分量，經指令電流運算電路計算出要補償的電壓或電流指令信號；另一部分是補償電流發生電路，主要由驅動電路，電流跟蹤電路和主電路三部分組成。指令信號經補償電流發生電路放大，得到補償電流，補償電流與諧波電流大小相等方向相反，相互抵消，使得流入電網的電流近似于負載電流中的基波分量，這樣就起到了諧波抑制的作用。

1 有源電力濾波器原理

有源電力濾波器的電路圖如圖1所示。當需要補償負載所產生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流iL的諧波分量iLH，將其反極性后作為補償電流的指令信號＝－iLH，由補償電流發生電路產生的補償電流ic與負載電流中的諧波分量iLH大小相等方向相反，因此兩者互相抵消，使得電網電流is中只含基波分量不含諧波分量，從而達到了濾除諧波的目的。

上述原理可用一組公式描述：

式中，iLF為負載電流的基波分量。

并聯型APF的系統電路圖如圖2。圖2中負載為諧波源，采用了電力系統中一種典型的諧波源即三相橋式全控整流器，整流器的直流側為電感電阻負載。T1為整流變壓器。設置變壓器T2的主要目的為降低APF交流側電壓。

2 指令電流的運算電路

指令電流運算電路的作用是根據APF的補償目的得出補償電流的指令信號，即期望由APF產生的補償電流信號。指令電流運算電路的核心是對諧波和無功電流進行實時檢測。這里采用的是基于瞬時無功功率理論的方法，只檢測無功電流時，可以完全無延時地得出檢測結果。用于檢測諧波電流時，因被檢測對象電流中諧波的構成和采用濾波器的不同，會有不同的延時，但時間較短。

圖1 有源電力濾波器的電路圖

圖2 并聯型APF的系統電路圖

基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法如圖3所示。其工作原理為：首先要得到和a相電網電壓ea同相位的正弦信號sinωt和余弦信號－cosωt，這些是由鎖相環和一個正余弦信號發生電路產生的。由公式計算出瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，通過低通濾波器LPF得到它們的直流分量和。此時對應于三相電流的基波分量iaf、ibf、icf，于是可由p計算出iaf、ibf、icf，進一步計算出三相電流的諧波分量iah、ibh、ich。

圖3 基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法

3 電流跟蹤控制電路

由于并聯型產生的補償電流應實時跟隨其指令電流信號的變化，要求補償電流發生器有很好的實時性，因此電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。圖4所示為三角波比較方式的原理框圖。其工作原理是將i＊c與ic的偏差Δic經放大器A放大之后再與三角波比較。放大器A往往采用比例放大器或比例積分。這樣組成的一個控制系統是基于把Δic控制為最小來進行設計的。該設計方式特點如下：（1）輸出電壓中所含諧波少，主要是存在與三角載波相同頻率的諧波，便于設計高通濾波器。（2）器件的開關頻率固定，等于三角載波的頻率，便于器件的選取。（3）電流響應速度快。（4）電路較復雜。

圖4 三角波比較方式

4 直流側電壓的控制

根據圖2可知補償電流發生電路是并聯型APF中的組成部分。補償電流發生電路由電壓型PWM變流器及其相應的驅動電路、電流跟蹤控制電路組成，為保證其有良好的補償電流跟蹤性能，必須把變流器直流側電容的電壓控制為一個適當的值。

對直流側電壓Uc的控制是由圖5指令電流運算電路結合補償電流發生電路實現的。圖中Ucr是Uc的給定值，Ucf是Uc的反饋值，兩者之差經PI調節器后得到調節信號Δip，它疊加到瞬時有功電流的直流分量上，經運算在指令信號中包含一定基波有功電流，補償電流發生電路根據產生補償電流ic注入電網，使得APF的補償電流中包含一定基波有功電流分量，從而使APF的直流側與交流側交換能量，調節Uc至給定值。

圖5 對直流側電壓Uc的控制

5 結 論

采用并網有源電力濾波器能更好地抑制諧波和補償無功功率。本文在濾波器主電路中運用了三相橋式PWM逆變電路，在異步調制下能有效地跟蹤電流變化，相對于傳統的有源電力濾波器具有簡單、快速、跟蹤性能好、穩定性較強的優點。

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