新型低通滤波器在串联注入式混合型有源滤波器的应用研究

王少杰，莫有印

(邵阳学院 信息工程学院，湖南 邵阳，422000)

新型低通滤波器在串联注入式混合型有源滤波器的应用研究

王少杰，莫有印

(邵阳学院 信息工程学院，湖南 邵阳，422000)

论文针对注入式有源电力滤波器的电路拓扑结构，概括总结了其单相电气模型，并就其谐波抑制机理进行了分析，针对ip-iq谐波检测算法中低通滤波器的问题，提出了一种新型的低通滤波器结构，将该新型结构应用到串联注入式有源电力滤波器中，对其工作原理进行了仿真，结果表明改进后低通滤波器的注入式有源电力滤波器滤波效果更好,功率因数也得到了明显改善,对于工程应用有一定的参考价值。

串联；注入式；低通滤波器；ip-iq

在输配电线路中，由于存在大量非线性负荷，这些非线性负荷一旦接入电力系统中就会产生电网电压畸变，就会导致谐波、闪变等用电不良现象发生[1-3]，随着人们生活水平的提高，对用电质量有了更高的要求，对电能质量有了新的认识和追求。新的方法、新的技术也逐渐进入改善电能质量的领域，有采取无源滤波器滤除谐波的，改善电能质量的；也有采取主动式有源电力滤波器器滤除谐波，改善电能质量的。而且，这种主动式治理谐波越来越受到人们的重视和青睐。当前，有源滤波器的结构呈现多样性，复合性[4-7]。论文将针对串联注入式混合型有源电力滤波器进行分析，认为该结构能减少基波承受的电压，满足中高电压等级的滤波要求，同时，改进了基于ip-iq谐波检测算法中低通滤波器的结构，形成了一种新型低通谐波器的检测方法，对于注入式有源电力滤波器的谐波治理有着积极的意义。

1 SIHAPF的拓扑结构

SIHAPF电路拓扑结构如图1，这个电路拓扑由逆变模块、输出滤波器、耦合变压器、无源滤波器模块构成，这种结构表现出来的最大优越性：就是有效利用一组单调谐谐振支路取代了传统注入式有源滤波器的注入电容，通过电感分压降低有源滤波器承受的电压。

图1 串联注入式混合型有源滤波器的拓扑结构Fig.1 Topology of a series injection hybrid active power filter

假设电源谐波电压为USh；电网阻抗为ZSh；将负载看成谐波电流源ILh；有源部分可以看作为一个理想的谐波电压源UF，那么，上述串联注入式混合型有源电路滤波器的单相电气模型如图2，在该图中，电网支路电流设为ISh，负载电路电流设为ILh，并联无源支路电流设为IFh，5、11次单调谐质量支路电流设为IPh，注入支路电流设为IGh，输出滤波支路电流设为ICh，分压电感电流设为IDh，电网阻抗设为ZSh，无源部分阻抗设为ZPh，有源注入支路等效阻抗设为ZGh，输出滤波阻抗设为ZL0，分压电感阻抗设为ZL1。

图2 SIHAPF网侧单相电气模型Fig.2 Single-phase electrical model of SIHAPF grid side

由图2，依照Kirchhoff laws，有

(1)

化简上述方程组有

(2)

那么K1=ZGh+n2ZL0ZL1/(ZL0+ZL1),

K2=nZL0/(ZL0+ZL1)

根据公式(2)和SIHAPF电路拓扑结构可以得出，在电压型逆变器输出谐波电压UF控制得当的前提下，就能有效降低电网谐波电流ISh的大小。基于电网谐波电流控制机理，即控制UF=K·ISh，可推导出下列算式

(3)

进一步化简为

(4)

由式(4)可知，如果只考虑谐波电流源的影响，即USh=0，依照Kirchhoff laws得出

(5)

由上述(5)可以进一步反推，即可得到相应控制策略下SIHAPF单相等效电路，见图3。

图3 SIHAPF单相等效电路Fig.3 Single-phase equivalent circuit of SIHAPF

从上述图3可知，整个电路系统的有源逆变部分可以看作一个串联在电网支路的可控谐波阻抗，当K足够大时，以负载侧流向电网侧的谐波电流逐渐趋于零。而且还可以尽量避免无源部分和电网阻抗间的并联谐振。

2 基于ip-iq的SIHAPF系统谐波检测方法

3 低通滤波器的设计

3.1 均值低通滤波器分析

(6)

图4 ip-iq运算方式的原理图Fig.4 Schematic diagram of the ip-iq operation

其差分形式为：

(7)

利用mat lab进行频域曲线仿真，见图5，仿真参数见表1。

表1 仿真参数

图5 均值滤波器的幅频特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of the mean filter

由上述频域曲线可以发现，该型低通滤波器对于偶次谐波成分衰减效果明显。

3.2 ButterWorth低通滤波器的设计

FIR滤波器和IIR滤波器是目前比较常用的，其中FIR滤波器具有恒定的群延迟、相延迟的特点，但截止频率特性差，要想达到相应的设计要求就必须有较高的阶数，而IIR不需要太高的维数，但相位控制特性缺失。在实际应用过程中，ButterWorth低通滤波具有线性相位，衰减斜率和加载特性均衡等优点，实际选用较多。

图6 巴特沃斯滤波器的幅频特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristics of the Butterworth filter

由仿真结果可以得出，巴特沃斯滤波器对最低频次150Hz的衰减程度为16dB，响应时间为7ms左右，见图6。

3.3 新型滤波器的设计

为了节约响应时间，提升响应速度，最大限度滤除谐波，论文经过反复论证和比较，采取了一种组合新型滤波器，简单地说，就是将上述两种低通滤波器进行串联，串联后的低通滤波器除具有均值滤波器的性能外，能很大程度地衰减偶次谐波，奇次谐波衰减程度达到了30dB，能衰减到最低处为150Hz，当然，随着信号频率的提升，滤波器衰减的信号也会慢慢增大，但是基波成分对应的直流分量可以顺利通过，不受半点影响，相反，有效滤除谐波的功能大大增强，图7为新型滤波器的幅频特性，由图可知上述分析是科学合理的。

图7 新型滤波器的幅频特性Fig.7 Amplitude and frequency characteristics of the new filter

4 仿真

为了进一步验证上述分析的正确性，进一步体现新型滤波器在注入式有源滤波器检测方法的有效性，在计算机仿真系统对此仿真，并与传统型没有改进的低通滤波器进行了比较，仿真波形见图8，仿真参数见表2。

表2 仿真参数

仿真波形如图8所示，其中8(a)为传统没有改进的低通滤波器波形，图8(b)为改进后的低通滤波器。A相电网电流设为i_Sa，注入电流设为i_0a，逆变器输出电流设为i_inva，负载电流设为i_La。由图8波形可以看到，5次谐波、7次谐波、11次谐波、13次谐波主要来自非线性负荷，通过新型低通滤波器后，谐波含量明显下降，电网波形也趋向于正弦波，功率因数也提高了不少，在仿真过程中，该型方法不但保证了谐波治理，还能对无功进行有效补偿，系统运行安全也得到了相应保障。

图8 (a)传统低通滤波器的波形及频谱Fig.8 (a)The waveform and spectrum of the traditional low-pass filter

图8 (b)改进后的低通滤波器Fig.8 (b)Improved low-pass filter图8 仿真波形Fig.8 Simulation results of waveforms and spectrums

5 结语

针对注入式有源电力滤波器的电路结构，总结提出了其单相电气模型，并就其谐波抑制机制机理进行了分析，针对ip-iq谐波检测算法中低通滤波器的问题，提出了一种新型的低通滤波器结构，将该新型结构应用到串联注入式有源电力滤波器中，对其工作原理进行了仿真分析和验证，结果表明改进后低通滤波器的注入式有源电力滤波器滤波效果更好,功率因数也得到明显改善,对于电能质量的提高和工程应用有一定的参考价值和借鉴意义。

[1]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]DETJEN D,JACOBS J,DE DONCKER RW,et al.A new hybrid filter to dampen resonances and compensate harmonic currents in industrial power systems with power factor correction equipment[J].IEEE Trans.On power electronics,2001,16(6):821-827.

[3]舒大松,黄挚雄,杨仁利,等.一种新型的注入式混合有源电力滤波器直接功率控制方法[J].中南大学学报(自然科学版),2015,46(4):3670-3675.

[4]帅智康，罗安，范瑞祥，等.注入式混合有源电力滤波器的注入支路设计[J].电力系统自动化，2007，31(5)：1-5

[5]范瑞祥,罗安,周柯,等.并联混合型有源电力滤波器的建模和控制策略分析[J].中国电机工程学报,2006,26(12):55-61.

[6]彭晓涛，程时杰，王少荣，等.一种新型的电流源型变流器PWM控制策略及其在超导磁储能装置中的应用[J].中国电机工程学报，2006，26(22)：60-66.

[7]沈攀，韩杨，GUERRERO Josep M.有源电力滤波器新型拓扑结构及控制策略[J].大功率变流技术，2015，04：7-13

[8]刘魏宏，朱建林，邓文浪，等.基于交-直-交型矩阵变换器的多驱动系统的控制策略[J].中国电机工程学报，2006，26(6):111-115.

[9]SCHANDER C D，MORAN S A.Multiple reference frame controller for active power filters and power line conditioners:U.S.Patent 5309353[P],l994.

[10]罗安,章兢,付青.新型注入式并联混合型有源电力滤波器.电工技术学报,2005,20(2):51-55.

[11]赵辉，吕新亚，王红君，等.基于复合控制策略的混合有源滤波器谐波治理研究[J].电力系统保护与控制，2015，21 ：60-66

[12]BOJYUP M,KARLSSON P,ALAKULA M,et a1.A Multiple rotating integrator controller for active filters[J].Proceedings of EPE Conference,l999,26(8):103-110.

Research of application on improved low pass filter in the series injection hybrid active filter

WANG Shaojie,MO Youyin

(School of Information Engineering,Shaoyang University,Shaoyang 422000,China)

The topological structure of the series injection hybrid active filter and its single-phase electric model are proposed.The suppress principle of harmonic current for the hybrid filter is shown,and a new type of low pass filter structure for improving low pass filter in the harmonic detection algorithm ofip-iqis studied in this paper,which is applied to the series active power filter.The simulation show that the improved low pass filter of active power filter’s effect is better,the power factor have been improved obviously,which have certain reference value for engineering applications.

series;injection;low pass filter

1672-7010(2017)04-0063-06

2017-03-26

邵阳市科技计划重点攻关项目(2015JH13)

王少杰(1974-)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，研究生导师，从事电气工程方面教学与科研莫有印(1989-)，男，重庆人，2015级硕士研究生，从事电气工程方面科研

TM864

A