并网有源电力滤波器对谐波抑制的分析

2014-05-11贾传圣郝敏啟

通信电源技术 2014年2期

时斌，贾传圣，郝敏啟

（江苏师范大学科文学院，江苏徐州221000）

0 引言

近年来光伏发电、风力发电等新能源发电技术发展快速。将可再生能源发电应用于并网发电系统，可缓解现有电力系统在用电高峰时期承受的容量和安全压力，并且无污染，所占空间合理。有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、无功补偿的电力电子装置，可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿的缺点。按照与补偿对象的不同连接方式，可分为串联型和并联型。串联型有源滤波器主要适用于消除电压型负载所产生的谐波；并联型有源滤波器主要适用于感性电流源负载的谐波补偿。有源电力滤波器系统分为两部分，一部分是指令电流运算电路，其核心是检测出要补偿的负载电流中的无功分量和谐波分量，经指令电流运算电路计算出要补偿的电压或电流指令信号；另一部分是补偿电流发生电路，主要由驱动电路，电流跟踪电路和主电路三部分组成。指令信号经补偿电流发生电路放大，得到补偿电流，补偿电流与谐波电流大小相等方向相反，相互抵消，使得流入电网的电流近似于负载电流中的基波分量，这样就起到了谐波抑制的作用。

1 有源电力滤波器原理

有源电力滤波器的电路图如图1所示。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流iL的谐波分量iLH，将其反极性后作为补偿电流的指令信号＝－iLH，由补偿电流发生电路产生的补偿电流ic与负载电流中的谐波分量iLH大小相等方向相反，因此两者互相抵消，使得电网电流is中只含基波分量不含谐波分量，从而达到了滤除谐波的目的。

上述原理可用一组公式描述：

式中，iLF为负载电流的基波分量。

并联型APF的系统电路图如图2。图2中负载为谐波源，采用了电力系统中一种典型的谐波源即三相桥式全控整流器，整流器的直流侧为电感电阻负载。T1为整流变压器。设置变压器T2的主要目的为降低APF交流侧电压。

2 指令电流的运算电路

指令电流运算电路的作用是根据APF的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由APF产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是对谐波和无功电流进行实时检测。这里采用的是基于瞬时无功功率理论的方法，只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。用于检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但时间较短。

图1 有源电力滤波器的电路图

图2 并联型APF的系统电路图

基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法如图3所示。其工作原理为：首先要得到和a相电网电压ea同相位的正弦信号sinωt和余弦信号－cosωt，这些是由锁相环和一个正余弦信号发生电路产生的。由公式计算出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，通过低通滤波器LPF得到它们的直流分量和。此时对应于三相电流的基波分量iaf、ibf、icf，于是可由p计算出iaf、ibf、icf，进一步计算出三相电流的谐波分量iah、ibh、ich。

图3 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法

3 电流跟踪控制电路

由于并联型产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。图4所示为三角波比较方式的原理框图。其工作原理是将i＊c与ic的偏差Δic经放大器A放大之后再与三角波比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分。这样组成的一个控制系统是基于把Δic控制为最小来进行设计的。该设计方式特点如下：（1）输出电压中所含谐波少，主要是存在与三角载波相同频率的谐波，便于设计高通滤波器。（2）器件的开关频率固定，等于三角载波的频率，便于器件的选取。（3）电流响应速度快。（4）电路较复杂。

图4 三角波比较方式

4 直流侧电压的控制

根据图2可知补偿电流发生电路是并联型APF中的组成部分。补偿电流发生电路由电压型PWM变流器及其相应的驱动电路、电流跟踪控制电路组成，为保证其有良好的补偿电流跟踪性能，必须把变流器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。

对直流侧电压Uc的控制是由图5指令电流运算电路结合补偿电流发生电路实现的。图中Ucr是Uc的给定值，Ucf是Uc的反馈值，两者之差经PI调节器后得到调节信号Δip，它叠加到瞬时有功电流的直流分量上，经运算在指令信号中包含一定基波有功电流，补偿电流发生电路根据产生补偿电流ic注入电网，使得APF的补偿电流中包含一定基波有功电流分量，从而使APF的直流侧与交流侧交换能量，调节Uc至给定值。