單相非線性負荷的諧波抑制

黃靖濤

(西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州 730030)

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍。電壓和電流波形，不僅有相同的電源頻率的正弦波(亦為基波分量)，而這種整數倍基波頻率的正弦波(高次諧波成分)分量稱為電力諧波。產生諧波的根本原因在于電力系統中存在大量非線性負荷使基波電流發生畸變。電氣化鐵道牽引供電系統自身作為一種單相非線性負荷系統，對電力公網帶來很多諧波。

1 有源電力濾波器

有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)是近幾年出現的一種較新的電力電子設備。其基本原理是產生與需要補償電流大小相同、方向相反的電流，注入到電力系統中從而達到補償電流的效果，能夠對諧波電流和無功電流進行有效的綜合補償。APF由指令電流運算電路和補償電流發生電路(電流跟蹤控制電路、驅動隔離電路、主電路)兩大部分組成。前部分的作用是檢測負載電流中的諧波電流等分量;后部分的作用則是根據檢測出的諧波電流產生相應的補償電流。

圖1 有源電力濾波器的原理圖

有源濾波器由和電網連接方式的不同分為串聯型、并聯型、串并聯型。串聯型APF補償電壓能消除負載諧波電壓;與LC濾波器混合使用的并聯型APF是以減小APF的容量為目的，利用PPF來承擔部分APF的補償任務，其特性不同，應運范圍也不同;單獨使用的并聯型APF最為靈活豐富且操作簡單易行，只需選擇恰當的方法來實現目標的各種補償。因此，本文采用單相并聯型APF進行諧波抑制。

2 諧波電流的檢測及其控制方法

2.1 諧波電流的檢測

諧波電流的檢測方法一般有基于瞬時無功功率理論、自適應原理及鑒相原理的檢測方法。由于基于瞬時無功功率理論的檢測法濾波效果取決于增益倍數，過大過小都會影響相應的反應速度;基于自適應原理的諧波檢測結構簡單、算法容易實現、有較好的自適應性，但其硬件電路復雜，軟件耗時較大，動態響應速度較慢;基于鑒相原理檢測方法中的各電流分量，分別采用與牽引母線和電網電壓同頻率的單位正余弦信號和電網電流相乘，并經過LPF，得出電網電流中瞬時基波無功電流和瞬時基波有功電流，從而得出瞬時諧波電流。因此該檢測法實時性好，動態響應較快，延遲小，且算法與實現較簡單。電力機車本身作為一個諧波源，帶動牽引負荷忽高忽低，以致變化幅度大且變化劇烈，因此選用基于鑒相原理的檢測法對單相非線性負荷的諧波電流進行檢測。

2.2 有源電力濾波器的控制

電流滯環跟蹤控制法是近些年使用很普遍的一種非線性閉環電流控制方法。其采用電流滯環比較器變成一個以0為中心上下限為-H和H的死區或滯環，根據補償電流與滯環寬度之間的差異，來控制逆變器的開關動作。這種方法具有系統魯棒特性好、電壓和電流的閉環系統控制簡單易行，響應速度快、電路簡單等顯著優點。本文將選用電流滯環跟蹤控制方法對有源電力濾波器的電流環進行有效控制。

3 系統建模及仿真分析

原系統是指沒有引入濾波裝置的系統，在不影響問題研究的前提下，為減少仿真時間，原系統簡化為從變壓器二次側開始，忽略牽引網阻抗。

從圖3的仿真波形可以看出，單相非線性負荷產生的諧波電流主要是奇次，并且總的諧波電流畸變率已大大超出了國家標準的限值，所以要對它進行諧波治理。

本文采用并聯型有源濾波器，電流環控制用電流滯環跟蹤的控制方法。整體仿真模型如圖5所示。逆變器直流側電壓取25kV，主電路交流側電感L值取0.2mH。滯環寬度設置為10，仿真過程所用的時間越長，說明測量誤差越小;開關頻率越高，設備的性能要求越能在實踐中得到良好的改善。

從圖4(a)(b)所示波形可以看出，只補償諧波電流后，電源側電流接近正弦波，且與電源電壓相位相同，說明該有源電力濾波器基本實現了消除整個系統諧波的功能，其畸變率大大降低，對諧波起到一定的抑制作用，改善了電氣化鐵道供電系統的電能質量。

從圖4(c)(d)所示波形可以看出，同時補償諧波及無功電流后，電源側電流接近正弦波，且與電源電壓相位相同，電源側電流經過一段的時間慢慢漸變為正弦波其在電源電壓階段，說明有源電力濾波器基本消除諧波和基波無功，產生波形的刺頭明顯減少，有效提高了電氣化鐵路供電系統的電能質量。

4 總結

APF能實時跟蹤負載諧波電流的變化，并能有效抑制當前電源側負載電流突變，使畸變率大大降低，從而知其具有良好的動態特性和穩定性及良好的濾波效果。對APF采用補償諧波及無功電流，可同時補償負載中的基波無功分量和諧波電流，極大的提高其利用率。通過適當調整，單相并聯有源電力濾波器可以有效抑制電氣化鐵路供電系統的無功電流和諧波。

［1］王兆安，楊君，劉進軍《諧波抑制和無功功率補償》，北京:機械工業出版社，1998

［2］李勇，《電力系統諧波抑制的方法研究與發展趨勢》，載《上海船舶運輸科學研究所學報》，2011，35(2)，119～122