LCL型APF在含非線性負荷系統中的應用

謝華北，高遙，王以琳，崔世庭，閆楊舒，吳紅梅

（西藏農牧學院西藏土木水利電力工程技術研究中心重點實驗室，西藏林芝，860000）

0 前言

隨著現代工業技術的發展,電力系統中接入大量的非線性負荷,特別是各種電力電子裝置,向供電系統中注入了大量的諧波，導致系統電壓與電流正弦波畸變，電能質量下降，造成了對電網的污染[1~2]。

目前，國內外比較主流的濾波裝置主要包括PPF（無源電力濾波器）、APF（有源濾波器）、UPQC(統一電能質量調節器)等[3]。無源濾波器是傳統的抑制諧波和無功補償設備，其結構較為簡單，具有穩定性強、成本投入少、維護維修難度小等應用優勢，但是在應用中無源濾波器的體積較大，常會導致電網電壓波動，在技術上仍有待優化和開發[4~5]。有源濾波器則是利用較為先進的諧波電流檢測技術，實現對諧波電流的實時檢測，通過瞬時的電流控制，達到諧波電流的動態補償，并且還能針對電網諧波電流的變化去自動跟蹤，有較高的可控性，能夠快速地做出反應[6~7]。但由于APF工作過程中產生的開關頻率附近的諧波電流，使得有源濾波器并不能達到理想的效果。統一電能質量調節器采用了串并聯型有源濾波器，其抑制諧波效果好，但是它使用的裝置多，成本過高，不利于推廣[8~9]。

本文針對在APF工作過程有開關頻率附近的諧波電流產生，提出一種LCL型APF混合濾波器，在降低非線性負荷諧波的同時，還能濾除開關頻率附近的諧波。通過MATLAB/SIMULINK建立混合濾波器仿真模型，經過FFT分析，驗證本模型不僅能夠動態抑制諧波，而且能夠很好地濾除開關諧波。

1 諧波的檢測

非線性負荷的電流波形為非標準正弦波，數學表達為頻率大于基波的整數倍，如式(1)，當n=1時，代表基波，當n>1時，代表諧波。

其中：

傳統的諧波檢測方法是根據傅里葉級數，采集單個周期的電流數據進行檢測，從而得到所測的諧波[10]。該方法計算量大，需要進行兩次傅里葉變換，同時需要檢測整個周期的電流值，實時性差。基于瞬時無功功率理論的p-q計算法打破了傳統的以平均值為基礎功率的定義，縮短了檢測的時間，但是當電網電壓發生畸變時，所檢測出的諧波分量不準確[11]。而本文采用基于瞬時無功理論的ip-iq檢測方法，由于只取正弦量和余弦量參加運算，當電壓發生畸變時，諧波成分不出現在運算過程中，因而檢測結果不受電壓波形畸變影響[12~13]。

圖1為ip-iq工作原理圖。具體運算過程如下。

圖1 ip-iq工作原理圖

（1）三相電壓相位的提取和三相電流的引出：

通過鎖相環把相角提取出來，用于后面的運算；

（2）三相電流ia、ib、ic線性變換為iα、iβ:

（3）iα、iβ轉換為ip、iq，式中的正弦量與余弦量由（1）中的鎖相環加三角函數模塊引出：

（4）利用LPF模塊濾除高次諧波得到i-p、i-q：

（5）將i-p、i-q轉換至iαF、iβF：

（6）將iαF、iβF線性變換為iaF、ibF、icF，得到基波：

（7）由三相電流ia、ib、ic減去基波iaF、ibF、icF，得到諧波iah、ibh、ich：

2 諧波的抑制

諧波抑制的方法是通過APF產生與檢測電流諧波大小相同、相位相反的補償諧波，兩者相加后，可明顯削弱電網諧波[14]。有源濾波器可分為串、并兩種類型。串聯型適用于電容濾波型電路，可作為電壓源。并聯型適用于帶阻感負載的電路，可作為電流源[15]。本文所用的非線性負荷由二極管連接阻感負載等效，模擬出非正弦波，非線性負荷電流的波形如圖2所示[16]。因此本設計使用的是并聯型有源濾波器。為了濾除開關頻率附近的諧波，在系統中串聯了LCL濾波器，如圖3所示。

圖2 非線性負荷電流波形

圖3 LCL型有源濾波器系統構成圖

圖中，LCL模塊用來濾除系統中由于高開關頻率而產生的諧波。APF模塊中，運算電路測出電流諧波，控制電路產生觸發信號經主電路IGBT器件，使主電路產生補償電流[17]。最終，補償電流與負荷電流中諧波電流相抵消，使得電網電流波形趨近于正弦波，達到抑制諧波的效果[18]。

在上述系統中，運算電路最重要的部分就是諧波的檢測。利用ip-iq法可以檢測出電流的諧波ih，經過一系列的運算后得到補償電流的指令信號。為了使實際補償電流的實時性和準確性更好，實際補償電流應能實時跟蹤指令信號的變化，兩者進行比較后，才能輸出給逆變電路的PWM（脈寬調制）信號。

在并聯型APF中，常用的電流跟蹤比較方法有兩種，一種是三角波比較方式，由于三角波比較方式使用了積分環節，它的實時性也會變差[19]。另一種是瞬時值比較方式，它的實時性比三角波方式更好，本設計采用實時性更好的瞬時值比較方式，如圖4所示，先將補償電流與實際的補償電流比較，然后把它們的差值經過單位延遲后作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生PWM信號，該信號經過驅動電路去控制主電路的開關通斷，最終實現控制補償電流隨指令電流的變化而變化[20]。

圖4 電流跟蹤閉環控制結構圖

滯環比較器的輸出特性如圖5所示。從該圖可以看出，滯環比較器輸出是一系列寬度不等，分布無規律的脈沖序列[21]。

圖5 滯環比較器的輸出特性

滯環控制具有以下優點：電路構成簡單，電流響應速度快，不需要載波比較，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，并且它是閉環控制，檢測準確性極高。因此采用滯環比較的電流跟蹤控制可以使補償電流icom具有更好的準確性和實時性[22]。

3 仿真分析

為了證明LCL型APF不僅可以能夠動態抑制諧波，而且還能很好地濾除開關諧波，構建仿真試驗模型，如圖6所示。

圖6 LCL型APF仿真模型

模型電源電壓采用380V，頻率為50Hz，非線性負荷采用非正弦波形模擬。另外還有LCL濾波模塊，APF模塊，檢測電網、負荷的電壓、電流波形模塊。

（1）當未加濾波裝置時，電網電流波形如圖7所示。對電網一相電流進行FFT分析，如圖8所示，可以得到THD（總畸變率）=30 97%，由此可見，非線性負荷的使用，向供電系統中注入了大量的諧波，極大地造成了電網的污染。

圖7 電網電流波形（畸變）圖

圖8 未采用濾波裝置時電網電流FFT分析

（2）當加入LCL濾波器時，對系統一相電流進行FFT分析，如圖9所示，可以得到THD=18 49%，有一定的濾波效果，但未達到國家規定的諧波電流THD小于5%的限定值。

圖9 采用LCL濾波器時電網電流FFT分析

（3）當加入APF時，對系統一相電流進行FFT分析，如圖10所示，可以得到THD=15 53%。由于在加入APF的同時，也產生了開關頻率附近的諧波電流，故單靠APF裝置很難達到理想的濾波效果。

圖10 采用APF時電網電流FFT分析

（4）當采用本文所提出的LCL型APF混合濾波裝置時，電網電流波形如圖11所示。對電網一相電流進行FFT分析，如圖12所示，可以得到THD=1 81%，達到了國家標準規定的諧波電流THD小于5%的限定值，其濾波效果明顯。

圖12 采用LCL型APF時電網電流FFT分析

4 結論

APF通過產生諧波電流與電網諧波電流實時抵消,能有效提高電能質量,因而得到廣泛應用[23]。本文針對在APF工作過程有開關頻率附近的諧波電流產生，提出LCL型APF混合濾波裝置，在降低非線性負荷諧波的同時，還能濾除開關頻率附近的諧波。通過MATLAB/SIMULINK建立混合濾波器仿真模型，經過FFT分析對比，可以得到系統電流的THD值從30 97%降到1 81%，達到了國家標準規定的諧波電流THD小于5%的限定值。驗證本模型不僅可以能夠動態抑制諧波，而且能夠很好地濾除開關諧波。