基于空间矢量的单相有源电力滤波器研究

辛占强, 席自强， 谢 晟，张 佳， 何 明

(1 广东电网公司云浮供电局, 广东 云浮 527300； 2 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068；3 湖南株洲南车机电科技有限公司, 湖南 株洲 412001； 4 广东电网公司佛山供电局， 广东 佛山 528000)

随着电力变换装置在电网中的应用越来越广泛，大量的谐波电流被注入电网，严重污染了电网，给电网中其它设备的运行带来不利影响．因此，抑制电网谐波迫在眉睫．为了消除电网中的谐波，目前的趋势及研究热点是使用电力电子装置进行谐波补偿，这就是有源电力滤波器(APF，Active Power Filter)．有源电力滤波器是由全控器件组成的一种既可以补偿无功，又可以抑制谐波的滤波装置．与无源滤波器相比，补偿的实时性和准确性要好，使其得到了越来越广泛的应用[1-2]．

单相空间矢量电压控制法是参照三相有源电力滤波器中的空间矢量电压控制法提出来的，并且是应用于单相有源电力滤波器的一种新的控制方法．从参考文献[3-5]中可以看出，这种方法早已被提出并且应用于逆变电源中．本文对基于这种控制方法和鉴相原理的瞬时检测法的单相有源电力滤波器进行了分析和仿真．

1 有源电力滤波器主电路

如图1所示为单相并联型有源电力滤波器的主电路．从图1中可以看出，单相并联型有源电力滤波器的主电路是一个PWM变流器，这种变流器既可以工作在逆变状态(补偿电流时)，也可以工作在整流状态(电网向储能元件充电时)．

图 1 单相并联型有源电力滤波器主电路

2 基于鉴相原理的瞬时检测方法

基于鉴相原理的瞬时检测方法主要是通过算法得到基波有功电流iLfa和基波无功电流iLfr，其次得到负载的基波电流iLf，最后得到负载电流谐波成分的一种方法[6]．

整个检测算法的运算框图如图2所示．若要同时检测谐波和无功电流时，只需断开无功电流iLfr通道即可．

图 2 基于鉴相原理的瞬时检测算法框图

3 单相空间矢量电压控制方法及实现

三相电源是电压相位互差2π/3的三相正弦波，与三相电源类似可定义单相电源线电压

(1)

取t为参考变量，当t∈(0,+)时，单相空间电压矢量u是以，为基底的二维平面坐标系中形成的平面电压矢量，并且它全落在平面直线x+y=0上，如图3所示．

图 3 xy坐标下单相电压空间矢量坐标图

与三相系统的坐标变换类似，将单相电源的线电压矢量由二维平面坐标系变换到图4中以α、β轴为坐标系的矢量．变换后新的基底为以α、β轴为正方向的单位矢量．变换过程可表示为

(2)

式中，C为过渡矩阵，

．

选择Sa、Sb为开关状态，并且规定Sa=1时，上桥臂导通，下桥臂关断，Sa=0时，上桥臂关断，下桥臂导通，Sb的开关状态与Sa相同．当两种开关状态取四种不同的组合时，则会各自输出四种离散的线电压矢量(表1)．

表1 有源电力滤波器主电路的四种开关状态

把电压空间矢量v用矩阵表示为

(3)

电压矢量v在空间形成四个离散的电压矢量如图6所示．同时，再次利用过渡矩阵C对式(3)做坐标变换，可得

(4)

与三相系统类似，也可以定义有源电力滤波器主电路的电压调制比m如

(5)

通过选择式(4)合适的工作电压矢量的组合，能够产生一个平均电压空间矢量，并且与式(2)期望输出的电压相等．这就是单相空间矢量电压控制的基本思想．设Ts为系统中载波的周期，T1为当前有效电压矢量作用时间，T为零矢量作用时间．根据伏秒平衡原理可得

(6)

式中，vx为有源电力滤波器主电路输出的两个非零矢量v1或者v2．

图4给出了式(6)对期望输出的电压矢量的线性拟合．

图 4 期望输出电压矢量的线性拟合图

(7)

(8)

式中的m为电压调制比，如式(5)所示．

从以上推导可以看出，Udc的大小制约了有源电力滤波器输出的最大线电压峰值．按照图5所示分配矢量即可实现单相空间矢量电压控制法．

图 5 单相空间矢量电压控制法的实现

4 仿真分析

为了验证理论分析的正确性，用MATLAB仿真软件建立单相并联型有源电力滤波器的模型，设定输入电压的幅值为220V，负载为单相二极管整流桥(感性负载，R=10 Ω，L=10 mH)，开关频率设为7.5 kHz．负载发生变化时(0.1 s时突然并联一个相同的负载)的仿真波形如图6所示．补偿前后电网电流的FFT分析结果分别如图7和图8所示．

图 6 非线性负载变化时的仿真结果

图 7 补偿前电网电流的FFT分析结果

图 8 补偿前电网电流的FFT分析结果

在图6中，从上到下依次是电网的电压波形，补偿后的电网电流波形，检测出来的谐波电流波形，补偿电流波形，主电路直流侧电容两端的电压波形以及非线性负载产生的负载电流．从图7和图8的仿真分析结果可以看出，当负载发生变化时，利用文中设计的有源电力滤波器进行谐波补偿，使电网电流的总的谐波畸变率由补偿前的28.11%下降为5.63%，说明文中提出的基于单相空间矢量电压控制方法的有源电力滤波器能够很好地补偿谐波，到达了抑制电网谐波的目的．

5 结束语

本文针对目前有源电力滤波器控制方式中电流跟踪控制法的不足，提出了一种单相空间矢量电压控制方法，通过对这种方法的理论分析，进而建立了基于这种方法的单相并联型有源电力滤波器的模型，通过仿真分析验证了这种方法的正确性，当负载发生变化时，这种方法也具有良好的补偿性能．

[参考文献]

[1] 夏向阳，廖晓科. 有源滤波器的研究热点和发展[J]. 变频世界, 2007(12): 23-29.

[2] 姜齐荣，谢小荣，陈建业. 电力系统并联补偿:结构、原理、控制与应用[M]. 北京:机械工业出版社,2004.

[3] 冷志伟, 齐 琛，陈希有. 单相准Z源逆变器及其SVPWM控制策略研究[J]. 电力电子技术, 2010, 44(8): 55-57.

[4] 易龙强, 戴瑜兴. SVPMW技术在单相逆变电源中的应用[J]. 电工技术学报, 2007, 22(09): 112-117.

[5] 易龙强, 郜克存.单相优化开关模式空间矢量脉宽调制技术[J]. 电力电子技术, 2008, 42(08): 50-51.

[6] 戴朝波, 林海雪, 雷林绪. 两种谐波电流检测方法的比较研究[J]. 中国电机工程学报, 2002, 12(01): 80-84.

[7] Salem Rahmani, Kamal Al-haddad, Hadi Youssef Kanaan. A Comparative study of shunt hybrid and shunt active filters for single-phase applications:simulation and experimental validation[J]. Mathematics and Computers in Simulation, 2006, 71(4-6): 345-359.