并联有源电力滤波器两种谐波检测方法的研究

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（1.江西省电力科学研究院电网技术中心，江西南昌 330096；2.江西省电力公司运维检修部，江西南昌 330096）

在配网运行中存在诸多问题，无功、谐波、不平衡补偿问题是比较突出的一个方面。而目前的主要应对方式为安装固定式或投切式电容补偿装置，但由于负荷变化频繁且存在谐波和不平衡问题造成电容补偿装置的投切过于频繁，故障率居高不下［1-2］。而有源电力滤波器（APF）可以抑制电网谐波电流，补偿无功，净化电网，因而已经成为解决电力系统电能质量问题的一个重要工具［3］，APF具有较好的可控性和较快的响应速度，克服了传统无源滤波器谐振频率依赖于元件参数，只能对特定谐波进行滤波补偿的缺点。

目前大多有源滤波器都采用传统ip-iq瞬时谐波电流检测法，本文正是在分析传统方法的基础上提出更为简单、实用的谐波检测方式——网侧电流检测法，此种不需要检测负载侧谐波及无功电流［4-6］，硬件设计简易化，实时性提高，降低经济成本。本文通过Matlab/Simulink软件对ip-iq谐波检测和网侧电流检测两种方法进行仿真对比，通过仿真证明采用直接控制网侧电流法的有源电力滤波器，同样能达到理想的补偿效果，表明网侧电流检测法的可行性。

1 有源电力滤波器原理

图1为APF一次回路的原理图，有源电力滤波器的主回路主要由6个IGBT组成的逆变器、直流侧电容、滤波电抗器等组成。目前大多有源电力滤波器都需要单独采样负载谐波及无功电流，将检测到的结果作为补偿的依据，然后通过有源滤波器提供等幅值反相位的补偿电流ic，来消除非线性负载造成的无功和谐波电流［7-9］。

图1 APF主回路原理图Fig.1 APF main circuit principle diagram

设网侧电流为is，负载侧电流为iL，则补偿电流ic应满足：

2 ip-iq谐波电流检测法原理

图2为ip-iq无功谐波电流检测算法的原理框图，其运算方式是构造一个与a相电网电压同步的单位正弦信号sin(ωt)及对应的单位余弦信号-cos(ωt)组成变换矩阵。是由基波电流分量iaf，ibf，icf产生的，谐波电流分量iah，ibh，ich可以通过网侧电流ia，ib，ic与基波有功电流分量iaf，ibf，icf相减得到。

图2 ip-iq检测算法原理图Fig.2 The principle ofip-iqdetection algorithm

通过变换获取出有功电流ip、无功电流iq的直流分量ibf，icf，得到的三相基波有功电流分量iaf，ibf，icf，它与被检测得到的三相电流相减后即为包含谐波和基波无功的总电流iah，ibh，ich。

ip-iq瞬时无功检测法只提取了与a相电压同步的单位正弦信号sin(ωt)和与之对应的单位余弦信号-cos(ωt)参与运算，因此三相电压信号的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电网电压畸变的影响。

3 网侧电流检测法的原理

本文采用网侧电流检测法，与传统有源电力滤波器系统相比省去了3个负载侧电流互感器及其谐波和无功的检测电路，特别是省去了复杂的谐波及无功运算单元。

由图3可知，采用网侧电流检测方式的有源电力滤波器，补偿电流设定值的频率通过检测三相网侧电压得到三相同步单位正弦信号；幅值Im由直流侧电容电压设定值与瞬时值的差ΔUC，通过PI控制器调节获得，补偿电流设定值是由直流侧电容电压的波动通过PI调节输出的Im和系统电源同相位的单位正弦信号的乘积，从而计算出补偿指令电流和网侧电流的瞬时值is的差值，经过PWM调制控制后，作为IGBT的输入信号。

式中：Vsa，Vsb，Vsc为三相电网电压；Vm为网侧电压峰值。

图3 APF控制系统结构图Fig.3 APF control system structure

直接控制网侧电流方式的有源电力滤波器，不需要检测谐波及无功电流，因为在有源电力滤波器补偿谐波时，电网电流和直流侧电容电压存在基波有功能量的交换。电容电压和电容电流具有下面的关系：

式中：u(0)为初始时刻的电压；i(t)为电容电流。

式中：udc0为设定值，在仿真中udc0=630 V；udc(t)为电容电压的实际值。

根据能量守恒的原理，直流侧电容充放电都是基波有功电流引起的，假设直流侧电容的有功电流设为i(t)，通过PI调节后得到有功电流值Im为

式中：Im为有功电流的有效值。

4 结果与分析

根据上述分析，有源电力滤波器采用ip-iq谐波无功检测法、网侧电流检测法，两种方法在三相三线制平衡负载系统中，利用Matlab/Simulink软件进行了仿真，其中仿真系统的基本参数为：系统电源电压us=220 V，直流侧电容C=3 300 μF，电容电压的设定值UCref=630 V，滞环比较器的环宽0.5 A，输出电感值L=0.5 mH，负载侧Rdc=10 Ω，Ldc=10 mH。

图4，图5为投入有源电力滤波器前的波形，非线性负载造成系统电流严重畸变，由图6可以看出系统电流畸变率为25.89%，特别是5，7，11次谐波居高。

图4 APF补偿前A相电压与电流波形Fig.4 Voltage and current of A-phase before APF compensation

图5 APF补偿前三相电流波形Fig.5 Current of 3-phase before APF compensation

图6 APF补偿前电流波形频谱图Fig.6 Spectrogram plot of current waveform before APF compensation

ip-iq谐波法与网侧电流法仿真结果对比如图7～图10所示。

图7 A相电压与电流的过渡曲线Fig.7 Transition curves of A-phase voltage and current

系统在t=0.01 s时，投入有源电力滤波器，图7 a、图8 a为采用ip-iq法电流过渡曲线，可以看出此种方法能快速抑制谐波，补偿无功电流，但是补偿后的网侧电流波形顶端及底端都有毛刺。有源电力滤波器投入之后，大约一个半周波的时间系统基本达到稳定状态。图7 b，图8 b为网侧电流法电流过渡曲线，可以看出相比于ip-iq法，采用网侧电流法的有源电力滤波器在切入瞬间有冲击电流，但是滤波之后的波形比较平滑，看出谐波及无功电流迅速补偿，但是切入APF瞬间冲击电流达到60 A，大概需要一个周期的时间，系统达到稳定状态。

图8 三相电流过渡曲线Fig.8 Transition curves of three-phase current

图9 APF补偿后电流波形频谱图Fig.9 Spectrogram plot of current waveforms after APF compensation

图10 电容电压的过渡曲线Fig.10 Transition curves of capacitance-voltage

图9a为采用ip-iq法有源电力滤波器投入后网侧电流波形频谱图，由图9a可知，补偿后的电流THD减小到1.54%，而图9b采用网侧电流法的有源电力滤波器投入后，THD减小到0.87%，相比于ip-iq法有源电力滤波器补偿后的效果具有明显的优势，尤其是5次，7次谐波治理效果更佳。

图10a为采用ip-iq法电容电压PI调节，系统稳定到设定电压值630 V，大约需要两个周波的时间。图10b采用网侧电流法PI调节后，系统稳定到设定电压值630 V，大概需一个周波的时间，系统的响应速度较快，相比于ip-iq法控制的有源电力滤波器直流侧电容电压的波动量明显减小。

5 结论

针对传统有源滤波器复杂的谐波和无功检测单元，本文采用了结构简单的网侧电流检测法的有源电力滤波器，通过Matlab/Simulink仿真证明无论是在无功补偿还是在谐波抑制方面都有明显的效果，充分证明了其优越性和有效性。

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