有源滤波器的仿真分析

2011-08-01吕青

武汉船舶职业技术学院学报 2011年5期

吕青

（武汉船舶职业技术学院机械工程，湖北武汉 430050）

传统的谐波抑制多采用无源滤波技术，该方式一方面可以抑制谐波，另一方面也有无功补偿的作用。但它存在以下缺陷：第一，只能抑制固定几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；第二，只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；第三，其滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响。因而，在电子器件、变频设备应用日益频繁的现代舰船上，谐波含量日益丰富，无源滤波器使用的效果并不理想。

有源电子滤波器（APF）是一种能够弥补无源滤波器不足的新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。它首先检测出不同频率的谐波，然后产生出相位相反的同频率谐波进行补偿，以达到消除谐波的目的。采用有源电子滤波器可以弥补无源滤波器存在的缺陷，是抑制谐波的一个发展趋势。

1 有源电力滤波器的原理分析

以并联型电力有源滤波器系统为例，见图1，IS为电源电流；IL为复载电流；IC为补偿电流；I＊C为指令电流；ILC为补偿电流与复载电流之和。并联型电力有源滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中补偿电流发生器的主电路采用了电压型PWM变流器。电阻、电感、电容组成高通滤波器与有源滤波器并联，其作用是滤除补偿电流中开关频率附近的谐波成分。通过检测补偿对象的电流，经指令电流运算，电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号补偿电流发生电路的放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流、谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。

图1 并联型有源滤波器系统

有源电力滤波器对包含谐波和无功分量的电网进行“矫正”的方式类似于自适应滤波技术中的“干扰抵消器”，因此，有源电力滤波器有很快的响应速度，对变化的任意次谐波和无功功率，都能实施动态补偿，并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

2 并联型有源电力滤波器的仿真分析

并联型有源电力滤波器系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行理论分析是比较困难的。而且新的控制算法应用于这样一个实际系统往往需要花费大量的时间和精力。仿真工作可以验证控制系统结构的正确性，加深对其控制规律的认识和理解。系统一些重要控制参数的仿真结果对实验装置参数的选择具有一定的参考作用，一些重要环节的参数需要用仿真来求取。本文基于UPF算法对并联型有源电力滤波器进行理论简述和仿真分析。

2.1 单位功率因数的控制策略（UPF）的基本原理

单位功率因数控制策略的目的是使非线性负载和并联的滤波器等效为一电阻性负载，从而使电网的负载电流为与电网电压同相的正弦波，功率电网数为1（单位功率因数）。本文提出了按此策略设计的系统结构如图2所示。图中Vsi（电网电压）为理想正弦电压而且三相平衡，可表示为

图2 有源电力滤波器实验原理图

式中：VS为电网电压有效值。

负载电流iLi可表示为

式中：In代表基波和各次谐波电流的有效值；

θn代表基波和各次谐波电流的初相值。

补偿电流iCi可表示为

式中，I1负载电流iLi的基波分量的有效值。

将式（3）代入式（4）中就可求出保证单位功率因数所需要的逆变器输出电压 Vconi（t），Vconi（t）是通过对Vdc／2进行调制得到。当正常工作时，isi应成为与Vsi同相的正弦波，可表示为

式中：Is为网侧电流有效值。

电网的负载电流是与电网电压同相的正弦波，功率因数为1（单位功率因数），式（5）中Is可从整个系统的有功功率流动中获得。检测APF直流侧电容电压，滤除纹波，得到电容平均电压，将电压设定值减去电容电压，差值送入PI控制器，PI控制器的输出就是网侧电流的幅值。该幅值与相电压同相的三相单位正弦信号相乘后，便可得到理想的参考电流信号，然后与整流侧电流相减便可得到所需的调制信号，系统控制结构如图3所示。

图3 基于UPF控制策略的系统框图

2.2 并联型有源电力滤波器的工作原理

三相有源电力滤波器的工作原理如图4所示，单相有源电力滤波器的工作原理如图5所示。

图4中，UDC为三相有源电力滤波器直流回路电压测量值，，为直流回路电压给定值，两者之差经过具有低通滤波功能的误差放大器后得到电压控制量。该电压控制量经过与各输入电压的参考信号Ua、Ub与Uc相乘后，得到各相的输入电流给定信号与，该给定信号与各相实际电流信号isa、isb和isc相比较后经过各自PI调节器，得到最终的体现有输出电压调节和输入电流调节的综合控制信号，经过电压比较器后得到6路PMW信号，经过隔离和放大后驱动对应功率器件工作。

图5所示的单相有源电力滤波器的工作原理与图4相似，区别是：电流PI调节器的结果加入了输入电压补偿量；为了构造4路PWM脉冲，增加了最终信号求反环节。显然，当有源滤波器可以作为可控整流器使用，而其基本算法可以不变。类似单相有源PFC，有源电力滤波器输出直流电压一般要大于输入交流电压幅值2－3倍，否则控制效果和经济性较差，其输入电感L同时起到储能和滤波作用。

图4 三相有源电力滤波器的工作原理

图5 单相有源电力滤波器的工作原理

2.3 并联型有源电力滤波器的仿真分析

从输入相数上来看，有源电力滤波器分为单相并联型有源电力滤波器和三相并联型有源电力滤波器，其功率电路拓扑结构分别如图6和图7所示。非线性负载一般是指输入电压与输入电流波形不一致的一类负载，如输入级为单相或三相整流器的变换器系统。这类负载向电网注入有功电流、无功电流和／或谐波电流，有源电力滤波器的作用就是向电网产生相位相反的无功电流和／或谐波电流，抵消非线性负载产生的无功电流和谐波电流，消除谐波电流污染，提高接入点附近的功率因数。

1）单相并联型有源电力滤波器（APF）的仿真分析

基于图5和图6，建立单相并联型有源电力滤波器的仿真模型，如图8所示。其模型仿真参数设置为：变步长，最大步长为1e－6s，相对精度为1e－3s，算法选择ode23tb stiff／TR－BDF2。

整个电路由单相APF和单相非线性负载组成，其中二极管D5－D8、电感RLC（10mH）、电容RLC7（1410μF）和电阻RLC8（100Ω）构成了单相非线性负载。而检测电流用电阻RLC1（0.02Ω）、滤波电感RLC2和RLC3（5mH）、二极管D1－D4、功率开关S1—S4、电解电容RLC（1410μF）和假负载电阻RLC5（10kΩ）构成了单相APF。VS1为标准单相正弦电压源，电压有效值为220V。上面部分为功率电路。

图6 单想并联型有源滤波器拓扑结构

图7 三相并联型有源滤波器拓扑结构

图8 单相有源电力滤波器的仿真电路

在控制电路部分中，Sine Wave1为参考输入电压，为单相电源完全一致，幅值为2V。Setp1为阶跃信号，阶跃时刻为0.02s，用于延时启动控制电路。Repeating Sequence为频率20kHZ、幅值0－1的锯值波发生器，也可以构造相似的三角波发生器代替锯齿波发生器。

运行图8仿真模型后对仿真结果进行分析：系统进入稳态后，图9所示给出了补偿后电源输入电压与输入电流波形，其中输入电流幅值缩减了20倍。图11所示给出了单相APF的输出直流电压波形，直流平均电压为525V，纹波电压峰峰值为4V。图12所示给出了非线性负载输入电压和输入电流波形。图10所示给出了单相APF的输入电压和输入电流波形。

图9 补偿后输入电压与电流波形

图10 单相PDF输入电压与电流波形

图11 单相APF输出直流电压波形

2）单位功率因数的三相并联型有源电力滤波器（APF）的仿真分析

基于图4和图7，建立三相有源电力滤波器的仿真模型，如图13所示。其模型仿真参数设置为：变步长，最大步长为1e－6s，相对精度为1e－3，算法选择ode23tb stiff／TR－BDF2。

整个电路由单相APF和单相非线性负载组成，其中二极管D7－D12、电感RLC9（10mH）、电容RLC10（20μF）和电阻RLC11（100Ω）构成了三相非线性负载。而检测电流用电阻RLC1－3（0.02Ω）、滤波电感RLC4－6（10mH）、二极管D1－D6、功率开关S1—S6、电解电容RLC74（2500μF）和假负载电阻RLC8（10kΩ）构成了三相APF。VS1－3为标准三相正弦电压源，相电压有效值为220Vrms。上面部分组成了三相并联型有源电力滤波器的功率电路。其控制电路和单相有源电力滤波器的类似。

图12 非线性负载输入电压与电流波形

图13 三相有源电力滤波器的仿真电路

图14 补偿后输入电压和输入电流波形

运行图13仿真模型后对仿真结果进行分析：系统进入稳态后，图14所示给出了补偿后电源输入电压与输入直流电压波形，其中输入电流幅值缩减了20倍。图16所示给出了三相APF的输出直流电压波形，直流平均电压为763V，纹波电压峰峰值为5V。图17所示给出了非线性负载输入电压和输入电流波形。图15所示给出了三相APF输入电压和输入电流波形。