基于自适应算法的APF滤除电子镇流器谐波

金运策，张立臣

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 210098;2.常州工学院 电子信息与电气工程学院，江苏 常州 213002)

0 引言

随着电力电子技术的发展和应用，各种新型的用电设备不断出现，大大方便了人们的生活，但也带来谐波对电网引起的污染，影响电力系统的运行效率和可靠性。特别是一些民用产品，使用量大，品种多，分散面广不易集中治理，这就对我们提出单元电路的谐波治理问题。

目前许多节能灯、日光灯都使用电子镇流器，用量大，分散面广，其谐波对电网的影响是不可忽略的。作为新型电源节能配件，与电感式镇流器比较它具有节能效果明显、无频闪、无工频噪声等优点[1]，但是由于应用电子开关电路，工作中将产生许多高次谐波，减少和降低谐波含量一直是我们关心的问题。有源电力滤波器能有效的解决这些问题，APF不仅能满足功率因素的要求，还可以有效的滤除谐波。相比其它检测算法，自适应检测算法检测精度高，检测系统闭环，且具有自适应调节能力。随着电力电子器件的发展，APF的实现效果越来越好，提出一种基于自适应算法的APF实现方法，详细分析了其实现过程，并通过仿真验证了分析的正确性和合理性。

1 电子镇流器电路谐波分析

1.1 电子镇流器工作原理

电子镇流器电路如图1所示:

图1 电子镇流器电路原理图

电子镇流器主要由整流电路、逆变电路、高频谐振谐振电路组成。其电路如图1所示。通电后经过RP整流后得到311 V，对C2充电使得VD2导通，从而使VT1和VT2轮流导通，流过C5的电流方向不断改变。由C5、L1及灯丝组成的LC网络发生串联谐振。C5两端产生高压脉冲，施加到灯管上，使灯点燃[2]。

1.2 电流谐波分析

电子镇流器运行原理是整流电路提供工作电源，经LC滤波，脉动直流进入振荡器，进而产生高频率的振荡电源。一般情况下，振荡频率控制在20～30 kHz之间。因此电子镇流器会产生大量的奇次谐波同时在运行中会产生较大的高次谐波，其谐波含量用以下公式计算可求出:

U1为基频下的电压，Uk为谐波电压，THD表示谐波畸变率。电路中整流电路会产生奇次谐波。通过对接有电子镇流器电源端电流FFT分析，如图2所示，其含有大量的奇次谐波，THD含量接近 40%[3－4]。

图2 电子镇流器源端电流谐波分析

2 滤波电路选择

2.1 PFC 的应用

无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，只是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。功率因数可以达到0.92～0.94，但是三次电流谐波达到12%，五次谐波约18%，总谐波失真THD约为28% ～30%。其具有低成本的优点，但是电路的DC输出电压纹波较大，质量较差，电流谐波成份并不能完全达到低畸变要求。当其应用于电子镇流器时，DC输出电压脉动系数偏大，灯电流波峰比达到2以上，超出1.7的限制要求。一般用于低功率电源。

有源PFC随着PFC控制IC价格不断降低，业内更青睐于有源PFC(APFC)。APFC需使用晶体管和控制IC，成本比PPFC高得多，其AC输入电流谐振波含量完全符合IEC1000－3－2等标准限制要求，并且可以基本实现功率因数为1。但是其含有高频感应线圈，电磁干扰大，有时甚至会发生高频噪音，同时不含隔离电路[5]。

2.2 APF 的应用

APF系统由两部分组成，即谐波电流检测电路和补偿电流控制电路(补偿电流控制电路、驱动电路隔离电路和主电路三部分组成)[6]。如图3所示，经谐波电流检测电路检测出补偿电流的指令电流信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电流。

APF只处理负载谐波电流和无功电流，而PFC则处理负载所有电流和功率，因此APF的功率容量比PFC小，其效率比PFC高，同时其含有隔离电路，安全可靠[7]。

3 自适应谐波检测算法

3.1 自适应谐波及仿真模型

图3 APF原理方框图

谐波电流的检测算法有很多，目前主要采用的有带阻选频法、Fryze时域分析法、基于快速傅里叶分析法、基于瞬时无功理论方法、基于小波理论方法等。它们各有特点，但同时又存在着一些很难克服的缺点，例如检测系统开环，频率固定，对元件参数和电网频率的变化敏感，检测精度不高，特别是没有自适应能力，不能较好地跟踪检测。针对这些问题，提出自适应检测算法，它能很好的解决这些问题。该算法检测系统闭环，检测精度较高，并且有很好的自适应能力。在MATLAB仿真软件上搭建自适应算法电路仿真模型，如图4所示。文献[9]中具体介绍了自适应算法的原理，其主要含有积分模块、锁相环模块，通过锁相环产生频率为基频的正弦和余弦函数。该算法的原理是通过对基频函数cos、sin和谐波电流乘积的积分为零来实现滤波。

图4 自适应检测算法仿真模块

3.2 仿真结果分析

在仿真软件上搭建谐波源，如图5，幅值 D=1，基频 f=50 Hz，被检测电流是仿真电子镇流器模型建立电路所产生的电流，如图5所示，其明显不是正弦波，含奇次谐波和高次谐波[8－9]。

图5 谐波电流波形

综合考虑动态响应和检测精度要求经过试验选取k=200，达到响应速度和滤波效果的要求，滤波后电路如图6所示，经过几个短暂的周期达到稳定，电流波形为光滑正弦波，谐波滤除效果明显。

4 基于PSIM的APF仿真实现

4.1 并联型APF模型搭建

图6 仿真滤波结果

通过仿真参考电子镇流器正常运行下源端的电流波形，在软件上搭建串联电压型有源电力滤波器模型，使其符合实际运行下的要求。同时为了研究自适应算法的自适应能力，在负载端加入突加负载，观察其自适应能力。电源端U=220 V频率f=50 Hz，谐波检测算法选取自适应算法，主电路中电容选取根据公式[10]:

以上公式中 Uc经过整流后得到 Ugmax为311 V，C=12 uf，APF主电路中直流侧电压Uc=500 V，根据上文，自适应检测算法中K取常数200，直流侧电压控制采用系统在进入稳态后无稳态误差的PI控制，电流跟踪算法采用滞环比较法，主电路为电压型接法，谐波电流检测为采用自适应算法电路，同时采用软启动方式对电路启动。

仿真模型如图7所示。

图7 基于PSIM的仿真模型

4.2 结果分析

以上搭建的模型运行后得到图8所示波形图，经过短暂几周期后电流变为正弦波，电流中谐波含量得到降低。当在T=1.0 s时电路中突加负载后，经过一个周期后就恢复稳定，说明该APF具有很好的自适应能力，能够满足电网突变的要求，降低其对电网的冲击。

图8 仿真运行结果

5 结束语

针对电子镇流器所带来的功率因数和谐波问题，分析讨论了采用PFC和APF的优缺点，采用APF不但能满足功率因数、谐波含量的要求，而且能解决PFC所带来的谐波滤出效果差、电磁干扰大等问题。通过仿真验证自适应检测算法能较好地跟踪检测谐波电流，且有很好的自适应能力，当突加负载时经过1个周期的调整就达到稳定。最后在PSIM搭建并联型APF模型，仿真验证了该方案在改善电子镇流器问题上有显著效果。

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