混合滤波器时延对谐波补偿的影响及改进措施

赵玉林，李鹤，隋涛

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省饶河县晨光热电有限公司，黑龙江饶河 155700）

混合滤波器时延对谐波补偿的影响及改进措施

赵玉林1，李鹤1，隋涛2

（1.东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省饶河县晨光热电有限公司，黑龙江饶河 155700）

有源滤波器具有动态跟踪补偿、滤除任意次谐波特点，是治理谐波有效手段。但能否实时补偿谐波，是有源滤波装置的关键。现有的有源滤波器通常忽略本身的延迟，影响谐波补偿效果。文章在分析影响有源滤波器时延因素基础上，经过对现有时延补偿方法对比分析，提出对现有谐波检测算法改进方法。改进后的谐波检测算法通过仿真验证，证明该方法具有计算简单，可补偿因有源滤波器本身时延对电网谐波补偿的不良影响。

混合滤波器；时延影响分析；改进型ip-iq算法；Matlab仿真

谐波是影响电能质量的重要因素[1-2]，目前治理谐波采用无源滤波器PF（Power filter）和有源滤波器APF（Active power filter），其中PF成本低，但滤波效果一般、只能消除固定次谐波且易于系统产生谐振。而有源滤波器可自动跟踪补偿变化谐波，但受开关器件容量限制。为减小有源滤波器容量，将有源与无源滤波器结合成混合滤波器HAPF（Hybrid active power filte）是当前发展方向[3]。有源滤波器研究主要集中在拓扑及更先进控制算法上，但对HAPF运行时自身时延研究较少。当系统运行时，由于负载电流的变化，必然导致系统谐波变化，所以HAPF时延会使谐波补偿效果下降。本文介绍一种HAPF时延的校正方法，并通过仿真对比验证其功能。

1 混合滤波器的原理及结构

混合滤波器采用APF和PF相并联的方式，如图1所示。该结构具有把无源滤波器补偿容量大的特点和有源滤波器补偿灵活的特点结合起来的优点。PF为二阶高通滤波器，为谐波电流提供低阻通道。APF部分主要由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和APF主电路构成。其基本工作原理是由电流互感器检测系统的电流，并经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，发送给电流跟踪控制电路，滞环比较得出PWM信号，通过驱动电路放大，发送给主电路控制IGBT通断，产生与谐波电流大小相等相位相反的谐波补偿电流，使谐波污染得到改善。

图1 混合滤波器结构Fig.1 HAPF structure diagram

2 有源滤波器时延分析

有源滤波器在补偿谐波过程中由数字信号处理器控制逆变器产生补偿谐波，但数字化控制器在滤波的每一个环节均不可避免地带来时延[4]。引入时延的环节包括电流互感器时延、A/D采样的时延、基波电流iaf，ibf，icf计算的时延、逆变器的开关时延等。

由于电流互感器的材料与结构原因，一次侧与二次侧电流的相位角度有一定误差，一般不加误差补偿时相角误差的平均值约为1°，对应基波电流时延为:

DSP内置A/D采样模块，如TI公司的TMS320F-2812芯片其理论最高转换速率为80 ns（12.5MSPS），但由于启动频率的影响，实际转换速率为最高速的625分之1[5]，所以A/D环节的实际时延约为18μs。

数字信号处理阶段引起的时延主要指DSP完成计算任务需要的时间，如2812芯片主频率为150 MHz，时钟周期为6.67 ns，每秒可执行150 M条指令。计算谐波分量iah，ibh，ich的时间约10μs，通讯时间约为5μs。通常考虑到50 kVA容量下IGBT器件的开关损耗，一般开关频率取10～14 kHz。如三菱公司的PM300CLA120 IGBT模块，其最大导通时间为2.5μs，最大关断时间为3.5μs，其使用手册明确规定死区时间必须大于3.5μs，在实际使用中为保险起见一般设为5μs，其时延约为11μs。从检测到电流通过算法得出补偿信号到发出PWM脉冲提供到驱动，再加上IGBT发出补偿电流，约需要140～170μs的时间，这样使得有源滤波器达不到真正意义上的实施补偿，虽然时延仅为工频周期（20 ms）的0.85%，造成约3.06°的相位延迟角。但是这段时延对于7次（350 Hz）、15次（750 Hz）谐波相位延迟角分别为21.42°，45.9°。目前市场上进口的有源滤波器最高补偿次数可达到50次谐波。随着补偿次数的升高，时延引起的补偿干扰将越来越大。

3 有源滤波器时延的校正

3.1 各种时延校正方法的比较

时延问题已经引起学者关注，并提出各自的解决方法。文献[6]采用FIR自适应滤波器预测算法来预测输出信号，该方法基于ARMA（p，q）预测和LMS算法优化来实现，经ARMA（p，q）预测得到的基波波形通过自适应滤波器进行处理，经过可以接受的反应时间后得到的波形作为实际基波波形，并参与补偿电流的计算，以减少时延计算。但该方法算法复杂且计算量比较大。

文献[7]在谐波检测中采用数字和模拟混合控制技术及相移控制的补偿策略。其电流跟踪控制由模拟电路实现，并用下一采样时刻的参考电流信号与当前的反馈电流的差经过调节器后作为电压参考，从而实现无差控制。这种控制方法在利用模拟电路无延时特性的同时也兼有模拟电路的一些缺点，如无法灵活通过指令实时改变谐波补偿比例等。

文献[8]中提出在电流检测环节对C矩阵求逆矩阵时通过对矩阵C进行ωkTd的相移进行相位补偿，其中C矩阵为正余弦函数矩阵，但这种方法需要多次坐标变换，运算量较大，计算量的增加又会导致新的时延，因此这种方法在要求补偿谐波次数较多时仍有一定的局限性。

本文采用改进型ip-iq算法，将APF自身的时延等效为相位角Δθ，作为对C矩阵求逆矩阵时的正余弦函数计算中补偿相位。该方法无需预测算法和非线性模型，不需多次坐标变换，因此没有复杂、费时的计算。

3.2 改进型ip-iq算法

首先，设有源滤波器在n次谐波下各环节产生的时延总和为td，则产生的相位角度为Δθ=nωtd= 2πfntd[9-10]。该次谐波的电流表达式为：in（t）=sin（nωt）=sin（2πfnt）。

则在理想状态下有源滤波器的补偿电流应为：ia（t）=-in（t）=-sin（2πfnt）。

而在实际情形下由于时延，导致补偿电流为：iad（t）=-sin（2πfnt+nωtd）。

在谐波补偿开始前，现场多次实验测量得到整个系统的实际时延td，从而计算出相位角Δθ。补偿时采用改进型ip-iq算法，在锁相环（PLL）通过正弦信号发生电路发出与A相电压同相位的正弦函数进行Cn-1变换时减去时延相位角Δθ，从而得到经相位补偿后的控制信号。

由三相电流通过计算得到瞬时有功电流和瞬时无功电流ip，iq。

其中，

ip，iq再通过低通滤波器（LPF）得到瞬时有功电流直流分量ip和瞬时无功电流直流分量iq。再与增加相位补偿角后的逆矩阵CΔθ-1和C23-1相乘，得到基波电流iaf，ibf，icf。

为C23的广义逆矩阵

三相电流减去基波电流得到三相电流的谐波分量iah，ibh，ich。

图2 混合有源滤波器整体仿真模型Fig.2 System simulation model of paralleled HAPF

4 MATLAB仿真结果与分析

为验证改进型算法的补偿效果，本设计采用MatlabR2012b/Simulink模块中的SimPowersystem工具箱建立混合有源滤波器的模型。分为谐波源与补偿电路两部分。电源相电压220 V；电源频率：50 Hz；非线形负载类型：三相整流桥电路。补偿部分由谐波检测模块、PWM脉冲发生模块、IGBT模块等组成。

构建并联型混合滤波器的整体仿真模型如图2所示，非线性负载为三相不可控整流桥。由System模块检测负载基波，由System1模块计算发出PWM脉冲电流控制IGBT产生补偿电流，经由断路器brk1注入电网。由于Matlab系统的模块运算时延极小，所以人为添加delay模块，设置时延参数为170μs。

图3 原系统所含谐波电流波形Fig.3 Harmonic current wave of system

为观察系统时延对滤波效果的影响，及对比分析解决时延前后滤波结果的变化，分别进行未处理时延滤波，与已处理时延滤波两次仿真实验，观察结果并进行比较。

首先打开断路器Bk1，使有源滤波部分退出，通过电流检测模块Scope可检测到负载电流波形如图3所示。有图可见，补偿前负载波形发生严重畸变，含有大量谐波。此时闭合断路器Bk1，使有源滤波部分接入主电路。由于仿真模块默认时延无限趋近于0，于是添加时延模块delay，通过电流检测模块Scope检测补偿后的主电路电流，得出结果如图4所示。由图4可见，APF滤波后电流波形得到明显改善，但仍然在基波基础上叠加有一定的谐波。对该波形进行傅里叶分析，结果见图5。

图4 含时延系统混合滤波后电源电流波形Fig.4 Harmonic current wave of time delay system

图5 含时延波形傅里叶分析Fig.5 Contain time delay processing harmonic current wave

由图5可见补偿后的波形依然包含5，7，11，13次等谐波且在10%左右，总谐波失真THD= 26.57%，APF的时延影响有源滤波的效果。为了解决此问题，采用改进型ip-iq算法，在发出正弦函数过程中减去预先估算的APF延迟时间对应的工频的补偿角Δθ，再次进行滤波，算法仿真模型见图6。通过电流检测模块Scope检测补偿后的主电路电流，结果见图7。对其进行傅里叶分析，结果见图8。

图6 改进型ip-iq算法仿真模型Fig.6Improvement current module of harmonic algorithm

图7 时延补偿后HAPF滤波波形Fig.7 Time delay compensation by HAPF filter wave

图8 时延补偿后波形傅里叶分析Fig.8 Fourier analysis of time delay compensation harmonic current wave

由图8可见，补偿后5，7，11，13次等谐波基本减少到0.01%以下，THD=0.06%。由此可见，采用改进后的谐波电流检测方法，可以有效提高APF的滤波效果。

5 结论

a.APF可有效进行谐波补偿，改善因非线性负载引起的波形畸变；

b.APF本身时延降低谐波补偿效果，应进行时延补偿；

c.采用3.2中改进型ip-iq算法，可有效提高APF滤波效果。

d.改进型ip-iq算法效果关键取决于APF时延的确定，该时延与APF结构，元件有关，一般可取170μs。

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Research of hybrid active filter time delay compensation method and improvement measures

ZHAO Yulin1,LI He1,SUI Tao2(1.School of Electrical and Information,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China;2.Heilongjiang Chenguang Thermoelectricity Limited Company,Raohe Heilongjiang,155700)

The characteristics of active power filter with dynamic track compensation and remove any times harmonic.It is an effective method for harmonic control.But can compensate harmonic in real time,is the key to active power filter.First analysis of active power filter compensate the delay caused by the factors,and the improved detection algorithm to solve the time delay problem of harmonics in theory,and use Matllab simulation to test its feasibility.

hybrid filter;time delay effect analysis;improvedip-iqalgorithm;Matlab simulation

TN713.8

A

1005-9369（2014）05-0116-05

2013-12-03

黑龙江省教育厅科学技术项目（12511038）

赵玉林（1956-），男，教授，研究方向为电力系统自动化技术。E-mail:zyl5631@163.com

时间2014-5-19 11:26:39[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140519.1126.013.html

赵玉林,李鹤,隋涛.混合滤波器时延对谐波补偿的影响及改进措施[J].东北农业大学学报,2014,45(5):116-121.

Zhao Yulin,Li He,Sui Tao.Research of hybrid active filter time delay compensation method and improvement measures[J]. Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(5):116-121.(in Chinese with English abstract)