基于单周期复位积分谐波检测法的三相并联APF研究

黄建娜 苏君

(河南工业职业技术学院 机械工程系，河南 南阳 473009)

0 引言

随着现代工业的发展，电力负载变得越来越多样化，使得电力系统中的谐波污染日益严重，传统的无源电力滤波器(PF)不能满足电力系统的需要。有源滤波器以其良好的性能，成为滤除谐波的重要手段。它先检测出由于非线性负载引起的电网中的谐波电流，然后通过电力变换器向系统注入一定量的补偿电流，来抵消系统中的谐波电流。因此谐波电流的检测变得尤为重要，要求检测方法快速、准确。

谐波电流检测方法主要有以下几种:离散傅里叶变换法、瞬时无功功率理论检测法以及自适应检测法［1－5］。其中前两者应用最为广泛，尤其瞬时无功理论以其非常好的实时性被广泛应用，但也都存在缺点:离散傅里叶变换法虽然具有很高的检测精度，但其需要一个工频周期才能得到补偿指令信号，因而动态性能受到很大影响。瞬时无功理论检测法计算过程复杂、且需要用低通滤波器，而低通滤波器的使用使得系统检测精度和响应速度成为一对矛盾指标，为了获得好的检测精度，响应速度就会变差，而为了获得好的动态性能，检测精度必然降低［6－7］。

周期复位积分法是一种新的谐波电流检测法，方法简单、实时性强。有学者对其在单相系统中的应用做了研究［8－9］，取得了很好的效果。本文将单周期复位积分谐波电流检测法用于三相系统。该方法通过对瞬时电压与瞬时电流乘积的周期复位积分得到基波有功电流，然后用负载电流与基波有功电流相减来计算出无功电流与谐波电流之和。省去了复杂的计算和低通滤波器的使用。当这种方法应用于APF存在难以实现直流侧平衡控制问题，本文提出一种新方法，即将直流侧PI调节器输出三等分后再与各相基波有功电流相加作为有功电流的参考信号，这样能实现在提供抵消谐波所需的有功的同时，系统各相均能提供一定的有功电流来维持直流侧电压稳定。

最后，利用EMTP对系统进行了仿真的基础上，用TI公司的DSP为开发平台进行了实验验证。

1 有源滤波器的整体控制策略

基于单周期复位积分的三相并联型APF的整体结构与控制策略如图1示。其中电压源逆变器通过交流侧输出滤波器并入三相电网，输出滤波器可将逆变器输出电压转化为补偿电流，从而抵消由非线性负载引起的谐波电流，避免了谐波电流流入电网造成危害。输出采用滤波效果好的LC滤波器。谐波电流的检测方法采用简单的单周期复位积分法。为了使逆变器稳定高效工作，需调节逆变器直流侧电压使其稳定在给定量。补偿电流跟踪控制环节采用PI电流控制器。

图1 APF整体控制框图

2 单周期复位积分谐波、无功电流检测

对三相系统，电源电压可设为

式中Us为电压幅值;ω1为系统基波频率。

负荷电流设为

式中I0为直流分量;I1为基波幅值;In为各次谐波的幅值;θ1为基波分量的初相角;θn为各次谐波的初相角。

对电源电压和负荷电流的乘积进行单周期积分便可得到负荷电流基波有功分量的幅值，如下式

负荷电流基波有功分量的相位与电源电压相位一致，于是得到负荷电流的基波有功分量为

负荷电流减去基波有功分量便可得到负荷电流的无功与谐波分量，如(5)式

所得到的无功电流及谐波电流之和既是补偿电流的指令信号。得到补偿电流指令信号后，跟踪指令电流采用滞环比较方式。相比PI控制或重复控制［10］，本文选择滞环比较控制能获得更快的电流跟踪效果。

3 直流侧电压控制

对一个理想的APF而言，只有无功功率通过逆变器与直流侧储能电容进行能量交换，对直流侧电容电压引起一定的波动，但直流侧电容电压在一个工频周期内积分为零，所以直流侧电压的平均值仍然是一个定值。但实际的补偿装置存在开关损耗等有功损耗，从而引起直流侧电容电压的变化，也可以说直流侧电容因提供少量有功功率而引起直流侧电压下降。为了保持APF的稳定工作，必须对直流电压进行控制。本文提出的方法是先将直流侧电压的给定与实际的差值经PI调节器输出得到I*PA，然后将其乘以1/3加到每相基波有功电流幅值信号上。以A相为例，则得到新有功电流幅值信号I'Pa，再与A相锁相后的正弦信号相乘，得到有功电流i'Pa，这样使得APF的补偿电流中包含一定的基波有功分量，可以使逆变器由交流侧向直流侧传递一定的能量，从而使直流侧电压稳定在给定值。这种控制思想是让各相系统平均提供一定有功能量由交流侧传递向直流侧去实现直流侧稳定。图2为所提出直流侧控制框图。

图2 单相有功电流计算及直流侧控制图

从单周期复位积分控制的原理看，检测信号要延时一个周期，所以对负荷突变的响应会不够灵敏。实际上有了直流侧电压控制，负荷突变时，由于该方法是通过求得基波有功分量，然后从负荷电流中减去基波有功分量而获得谐波与无功电流的。当负荷电流变化的一个周期中，iL－不但包含无功和谐波电流，还包含部分有功分量，直流侧电压控制，使得直流侧电容提供这部分的有功能量［8］，谐波仍然能被滤除，所以该方法在负荷变化时的动态响应性能仍然较好。

4 EMTP仿真

采用EMTP对三相不可控整流谐波负载的APF进行了仿真分析。仿真电路参数如表1所示。图3为仿真波形，其中图3(a)是谐波负载电流及补偿电流的仿真波形，图3(b)是补偿后的系统电流波形。

表1 仿真模型参数

5 实验结果

图3 仿真结果图

为了验证该方法的有效性，研制了一台5kVA APF实验样机，整个实验系统的具体参数为Us=110V，Udc=320V，Cdc=1880μF，交流侧输出滤波器参数为L=3mH，C=10μF。控制系统使用TMS320F2812为核心的DSP控制平台。

图4 实验波形

图4为实验波形，其中图4(a)所示为未投入APF时的系统电压和谐波负载电流，图4(b)为系统运行时APF的补偿电流，可以看出电流跟踪速度快。图4(c)显示了滤波后系统电压电流波形和直流电压波形，可以看出系统电流谐波明显降低，总谐波畸变率(THD)达到4.8%，同时直流侧控制方法使得直流电压稳定在给定值。实验结果和仿真结果基本一致，达到了良好的滤波效果。

6 结论

本文将单周期复位积分用于三相并联有源电力滤波器的谐波和无功电流的检测，相对离散傅里叶变换法、瞬时无功理论、自适应等谐波检测法，这种方法简单，精度高，容易数字实现。并提出以各相系统平均提供一定有功能量由交流侧传递向直流侧为控制思想去实现其直流侧平衡，保持直流侧稳定能提高系统的滤波能力。仿真和实验结果验证了这种方法良好的滤波效果，滤波的同时能补偿无功功率，提高功率因数。这种方法在APF的应用中具有一定的推广价值。

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