三相四线制有源电力滤波器双重化设计的研究

罗进徐笑娟李阳

（1.南京华士电子科技有限公司，南京 210000；2.安徽工业大学，安徽 马鞍山 243032）

近年来，随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，例如：整流装置、电弧炉、电力变压器和家用电器等，使得大量的无功电流和谐波电流注入电网，产生的谐波对电网的影响和危害也日益严重，若不加以控制，会严重影响整个电网经济、安全的运行，尤其是近年来因谐波引发的事故增多，迫使电力部门和用户更加重视谐波污染对现代电能质量的影响，因此对电力谐波的实时补偿变得越来越重要[1]。

有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是一种新型的谐波及无功动态补偿装置[2]，有源电力滤波技术最早于 20世纪 60年代提出，它的应用是在20世纪90年代后，从日本、美国等国开始，并主要集中在并联型APF。有源电力滤波器与传统的无源电力滤波器（PPF）相比较，具有响应速度快、补偿效果好和能够实现动态补偿的优点。在实现大功率有源电力滤波器的方法已取得了不少的研究成果[3]。

本文采用双重化技术研制了一台150kVA有源电力滤波器的工程样机，主电路由两个模块化PWM变流器单元组合实现，有效的增大了等效开关频率，获得了较好的谐波补偿效果。

1 系统的主电路拓扑结构

采用双重化主电路，可以有效的提高有源电力滤波器的总机容量，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随特性。另外，由于等效开关频率的提高，可以降低单个器件的工作频率，这样既可以降低对器件工作频率的要求，又可减少器件的开关损耗。双重化的三相四线制主电路图谱结构如图1所示。

图1 双重化的三相四线制主电路结构

2 SPWM的多重化原理

相移载波的 PWM方法，能在不改变载波频率的同时进一步降低SPWM的谐波含量，该方法原理是：采用同一个调制波，而对载波进行相移[4]，例如一个m电平的变换器，每相采用m-1个具有相同频率和相同峰值的三角载波与同一个调制波相比较；m-1个三角载波之间依次相移360o/(m-1)。由于相邻的载波之间有一个相移，这一相移使得所产生的SPWM脉冲在相位上错开，在叠加输出的SPWM波等效开关频率提高到原来的m-1倍，因此可以在不提高开关频率的条件下，大大减小了输出谐波。PWM逆变电路多重化联接方式有变压器方式和电抗器方式，由图1可知本文采用的是电抗器联接的方式实现二重 PWM逆变。电路的输出是经过两个电抗器后联结于一点，再经过LC滤波后输出。在此结构中需将载波相互错开180o，图2为双重化载波信号。

图2 双重化的载波信号

3 APF的谐波提取及其控制策略

3.1 APF的原理简介

三相四线制并联型APF系统由主电路和控制电路两大部分组成，系统原理图如图3所示，其中控制部分又由谐波电流检测部分和电流跟踪补偿部分组成。主电路采用 PWM变流器，它在产生谐波补偿电流时，主要工作于逆变状态，为了给有源电力滤波器直流侧储能元件补充能量时，它又工作在整流状态，也就是说，系统运行过程中既有逆变状态、也有整流状态。

图3 并联型APF的原理图

并联型APF的基本工作原理是通过检测电路检测负载电流，经指令运算电路计算得出补偿电流的指令信号，然后由补偿电流发生电路产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需要补偿的部分相抵消，最终得到期望的电网电流。由图3可以看出，APF承担了负载中的谐波和无功电流分量，实现了网侧电流的无功补偿和谐波滤除。

3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

本文采用基于瞬时无功功率理论的电流 ip-iq法计算谐波和无功指令电流，电流 ip-iq法的框图如图4所示。

图4 谐波指令电流提取流程图

上述基于同步旋转park变换的电流ip-iq法，该方法应用于补偿三相四线制负载的有源电力滤波器。它是从实用的角度来进行设计的，所以对于实际的产品有更为广阔的应用空间。它的优点就是通过一系列的计算就可以检测出除基波以外的任意次谐波。方便快捷，而且通过软件编程的方式也很容易实现。

3.3 直流侧电压稳压控制策略

由瞬时无功功率理论可知，以三相电网相位为参考，逆变器输出基波电流在d轴上的分量为正，则电容能量流向电网，电容电压下降；反之则电网电能流向电容，电容电压升高。这为直流侧电压控制提供了依据。另一方面，如果流出电容中性点的电流为正，电容中点电势将会下降；反之则电容中点电势将会升高，这为电容中点电压控制提供了依据。本文针对稳定直流侧电压和进行零序电流补偿，提出的控制算法如图 5所示，电网相位角θ来自电网电压锁相环输出，直流电压经过PI调节后得到一个用于补偿直流电压波动的基波电流补偿分量Ia1，Ib1，Ic1。负载补偿电流给定是来自谐波检测环节的输出，用于补偿负载侧谐波电流，本文不加赘述。中点电压波动经过一个2V宽度的滞环调节器后经P调节控制输出，得到一个抑制中点电压波动过量的零序电流补偿量。由于逆变器需要对高次谐波有较快的补偿，为此加入电流信号微分前馈以提高系统的快速反应性。由于电容电压变化速率比电感电流慢很多，为了使系统更加稳定，同时减小直流电压尖峰引起的系统性干扰，工程上直流电压环的调节速度为电流环速度的10倍[5]。

图5 直流侧电压优化控制结构图

3.4 直流侧电压的低通滤波器设计

由于并关器件固有特性，直流侧电压往往存在电压尖峰，给直流电压控制较大带来干扰，甚至带来更大的尖峰，为此参与控制的电压UPO和UOD都是来自低通滤波器的输出。本文采用巴特沃斯二阶低通滤波器，采样频率为10kHz，截止频率设为500Hz。其Z域传递函数如下

3.5 电流微分前馈

电流微分前馈以补偿输出电感势以加快系统的反应速度，简单的微分前馈有可能给系统带来潜在的振荡风险，所以考虑在微分的基础上再加上一个较大时间常数的一阶惯性环节，如果控周期为T=0.0001s，设计一阶惯性环节的时间常为100T。以a相为例。其给定电流微分前馈传递函数如下

以双线性变换方式离散化后

化为差分方程

4 控制系统的设计

本系统以DSP为控制核心，选用TI公司TMS320F2812控制芯片，实现电流与电压的采样、软件锁相、谐波指令电流的计算以及系统的过压过流保护等，程序主流程图如图6所示。

图6 APF主程序的流程图

控制系统采样频率为10kHz，由 EVA与 EVB同时实现两组PWM波的输出，EVA与EVB的三角载波相差180°，从而可以得到图2所示的双重化载波信号。

5 样机的研制

系统选择了两块三凌智能功率模块（IPM）型号为PM300PLA120，设计了一台容量150kVA的有源电力滤波器。滤波电感值0.3mH，电容参数为4700μF/450V，用6个电容采用两串三并的结构，同时给每个电容上并一个旁路电阻33K/10W，给定直流母线电压730V，输入为380V三相四线制交流电。测得三相四线制负载的THD为27%左右，总电流大小为600A。补偿前电网侧三相电流波形如图7所示，用FLUCK435测得的补偿前电网侧三相电流柱状图如图10所示。补偿后的电流波形基本上为正弦波，THD为2.8%，电网侧三相电流波形如图8所示，效果比较显著。

图7 补偿前网侧电流波形

图8 补偿后网侧电流波形

6 结论

针对大容量有源电力滤波器的实现问题，本文利用两个模块化的PWM主电路实现有源电力滤波器容量的扩充。采用了载波移相双重化技术，在不提高逆变桥的开关频率与保持主电路拓扑结构的前提下获得高的等效开关频率，以及可以减少系统输出的高次谐波含量。实验结果表明，基于 DSP的控制系统实现了对双重化有源电力滤波器的有效控制，基于该系统的有源电力滤波器具有较好的补偿效果。

[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1998.

[2]陈国柱,吕征宇,钱照明.有源电力滤波器的一般原理及应用[J].中国电机工程学报,2000,20(9):17-21

[3]李琼林,刘会金,孙建军,等.大容量有源滤波器的拓扑结构分析[J].高电压技术,2006(2):70-74.

[4]张仲超，张劲东.特大功率组合变流器的相移SPWM技术[J].电工技术学报,1997,12(2):27-31.

[5]常鹏飞,王彤,曾继伦.三相四线有源电力滤波器控制算法仿真研究[J].继电器,2005(9):43-49.