0 引言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的非線性負(fù)載以及電力電子裝置的廣泛應(yīng)用(如變頻電器,、大型整流裝置等),，隨之而來的諧波問題也日益嚴(yán)重,。這些非線性負(fù)載不僅引起電網(wǎng)波形畸變,，影響供電質(zhì)量，同時(shí)也對各種電氣設(shè)備以及通信系統(tǒng)均產(chǎn)生不利的影響,。因此,，抑制電力系統(tǒng)諧波的技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外電力電子和電工領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

　　當(dāng)前抑制電網(wǎng)諧波的手段有無源濾波和有源濾波兩種,。與無源電力濾波器相比,，有源電力濾波器(APF)具有明顯的優(yōu)越性。它具有對變化的各次諧波和無功電流同時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小等特點(diǎn),，因而受到了更多的關(guān)注。

　　l APF工作原理和結(jié)構(gòu)模型

　　有源電力濾波器工作時(shí)，向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等但方向相反的補(bǔ)償電流,，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零,，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。APF按補(bǔ)償對像的連接方式分為并聯(lián)型和串聯(lián)型,。按補(bǔ)償方式的不同,，分為電壓型和電流型。本文研究的是一種并聯(lián)型電壓型有源電力濾波器及控制策略,，其控制框圖如圖1所示,。

　　框圖中isa，isb,，isc為電網(wǎng)電流,；非線性負(fù)載為諧波源；iLa,，iLb,，iLc為負(fù)載側(cè)電流(含諧波和無功分量)；檢測模塊的作用是實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流中的諧波及無功電流,，并與有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電流isR相減后得到指令電流i*af,，i8bf，i8cf,，通過電流控制器轉(zhuǎn)化為電壓,，經(jīng)過空間電壓矢量控制，輸出相應(yīng)的PWM波形,，最終由逆變器輸出APF的網(wǎng)側(cè)電流iaf,，icf，icf,，從而補(bǔ)償電網(wǎng)電流中的諧波及無功功率,。

　　2 APF諧波電流檢測和電壓補(bǔ)償技術(shù)

　　1)諧波電流檢測的改進(jìn)算法

　　諧波電流檢測方法主要有：模擬帶通濾波器檢測法、快速傅立葉變換FFT檢測法,、基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測法等,。基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測方法是當(dāng)前最常用的,。瞬時(shí)無功功率理論的檢測算法有p—q法和ip一iq法,。本文將在分析這些方法的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)算法,。

　　電網(wǎng)運(yùn)行時(shí),，三相電壓由于外界因素通常會(huì)不對稱且有畸變，因此用p—q法檢測諧波電流有誤差存在,。ip一iq法則對硬件要求較高,，要求鎖相環(huán)產(chǎn)生的正弦和余弦信號(hào)準(zhǔn)確無誤,，鎖相環(huán)的鎖相結(jié)果受到負(fù)序分量的影響而與正序分量之間存在相差而使檢測結(jié)果存在著系統(tǒng)誤差，不對稱越嚴(yán)重,、誤差越大,。分析p—q法與ip一iq法后不難發(fā)現(xiàn)，p—q法是通過同時(shí)對電壓和電流進(jìn)行變換,，低通濾波后反變換得到的諧波和無功電流分量,；而ip一iq法則是通過提取電壓基波分量的頻率和相位信息對電流進(jìn)行運(yùn)算變換和低通濾波得到諧波和無功電流分量的。由于電網(wǎng)中電壓和電流頻率為50Hz且波動(dòng)非常小,，在變換中如果將頻率固定并將電壓和電流的相位差提取出來,，將仍然能夠得到相同的效果。

　　根據(jù)文獻(xiàn)推導(dǎo)可知,，在經(jīng)過3—2變換運(yùn)算后得到在α-β坐標(biāo)系下的電流電壓信息：

　　通過下面的反變換計(jì)算可以得到被檢測電流的基波有功分量：

　　綜合檢測原理如圖2所示,。當(dāng)只檢測基波和諧波電流，而不需要檢測有功功率和無功功率時(shí),，把與電壓e相關(guān)聯(lián)的支路去掉即可,。

　　由以上分析看出，由于該方法沒有直接使用系統(tǒng)電壓信息,，因此檢測結(jié)果的精度不受系統(tǒng)電壓波形畸變的影響。與ip-iq相比,，該方法也沒有用到鎖相環(huán),，因此在不對稱系統(tǒng)中能夠更加精確地檢測出基波電流和基波有功電流，進(jìn)而計(jì)算出諧波和無功電流,。而在數(shù)字控制電路中通過編寫程序就能實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)算,。諧波檢測中使用的低通濾波器的數(shù)字設(shè)計(jì)將在下文進(jìn)行討論。

　　2)電壓補(bǔ)償控制的設(shè)計(jì)

　　APF的核心之一是補(bǔ)償控制電路,，它通過產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖控制開關(guān)器件IGBT,，實(shí)現(xiàn)對諧波與無功電流的補(bǔ)償。目前主要采用的控制方法有：滯環(huán)電流控制方法,、電流跟蹤控制方法,、空間電壓矢量PWM控制、無差拍控制及預(yù)測控制等,，本文將采用空間電壓矢量PWM技術(shù)的APF補(bǔ)償方法,。詳細(xì)設(shè)計(jì)可參考文獻(xiàn)。

　　3 數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)

　　從上文可知,，低通濾波環(huán)節(jié)在諧波檢測中是非常重要的一環(huán),，濾波器的效果直接影響到諧波檢測的精度。根據(jù)文獻(xiàn),，在諧波電流的檢測電路中,，一般采用二階或三階Butterworth低通濾波器,，此時(shí)LPF的濾波效果和濾波時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)配置。在傳統(tǒng)的瞬時(shí)無功功率中,，低通濾波器采用硬件電路模擬,，但模擬濾波器的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy,，同時(shí)在以數(shù)字處理為核心的控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)不方便,，故本文設(shè)計(jì)了一個(gè)無限沖擊響應(yīng)(IIR)型二階低通數(shù)字濾波器，達(dá)到有源電力濾波器的數(shù)字控制需求,。其傳遞函數(shù)表達(dá)式為

　　式中,，wn=2πfc，fc是濾波器的截止頻率,，阻尼系數(shù)ζ通常取0．4～0．8,。

　　根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理IIR雙線性變換法則，通過采用(13)式將LPF傳遞函數(shù)從S域轉(zhuǎn)換到實(shí)域

　　式中T是采樣間隔,，取由此可以推導(dǎo)出低通濾波器的實(shí)域表達(dá)式

　　圖3是二階Butterworth低通數(shù)字濾波器的單位階躍響應(yīng)曲線,。取濾波器截止頻率fc=20Hz時(shí)，LPF的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間Tf約為30ms,，其穩(wěn)態(tài)誤差較小,，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

　　4 APF的仿真及結(jié)果

　　在上述理論分析研究的基礎(chǔ)上,，本文采用Psim電力系統(tǒng)仿真軟件對諧波治理裝置進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),。在仿真結(jié)構(gòu)中自行設(shè)計(jì)了瞬時(shí)無功功率計(jì)算模塊和數(shù)字低通濾波模塊。

　　圖4是諧波治理裝置的硬件仿真結(jié)構(gòu)圖,，其仿真參數(shù)設(shè)置如下：系統(tǒng)電源電壓非線性負(fù)載采用三相全控整流橋(產(chǎn)生5次,、7次諧波)，電感L=1mH,，電阻R=5Ω,，交流側(cè)電感L=1mH，直流側(cè)電容C=3300μF,，電容電壓初始值Udc=400V,。另在APF補(bǔ)償側(cè)設(shè)計(jì)了一個(gè)LC濾波器，電容C=1μF,，電阻R=0．1Ω,。圖5是經(jīng)過變換計(jì)算后得到有功電流和無功電流，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的數(shù)字低通濾波器得到圖6中有功和無功電流直流分量的波形,，從波形看數(shù)字低通濾波器濾除高次含量的諧波作用明顯,。圖7是有源濾波器的仿真結(jié)果，從圖中可以看出,，瞬時(shí)無功功率的改進(jìn)型算法可以準(zhǔn)確的計(jì)算出系統(tǒng)中含有的諧波電流ic,，補(bǔ)償輸出電流i*c和諧波檢測電流的波形基本一致,，說明有源濾狀器補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，補(bǔ)償電路的直流側(cè)電壓環(huán)節(jié)在系統(tǒng)穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)處于平衡狀態(tài),，從電網(wǎng)電流波形isa看出,，補(bǔ)償后波形接近正弦波，補(bǔ)償效果理想,。

　　5 結(jié)束語

　　本文敘述了有源電力濾波器的工作原理,，提出了諧波電流檢測的新方法，并將該方法進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)論證,。根據(jù)該方法搭建APF模型,，針對三相三線制電力系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,，電流檢測環(huán)節(jié)能準(zhǔn)確及時(shí)地檢測出非線性負(fù)載引起的畸變電流,；同時(shí)三維空間矢量法可以通過精確計(jì)算，有效地對諧波電流和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,，該方法可以為將來的工程實(shí)際應(yīng)用提供參考設(shè)計(jì),。