一种三相并联有源滤波器的仿真研究

摘要：分析了并联型有源电力滤波器的基本工作原理，采用基于瞬时无功功率理论的改进型ip—iq电流检测算法，建立了基于电流滞环控制策略的仿真模型，并进行了仿真研究，结果证实了所提方案的正确性和可行性。
关键词：并联型有源电力滤波器；瞬时无功功率；改进型ip—iq法

0 引言
    随着电力电子技术的发展，有源电力滤波器(APF)已成为解决电网谐波问题最有前景的手段。有源电力滤波器主要由三部分组成：谐波及无功电流检测电路、产生补偿电流的逆变器和逆变器的控制电路。在APF中，谐波及无功电流的检测非常重要，其检测结果直接关系到整个APF系统的补偿特性；逆变器的控制电路使逆变器能够输出与指令值相等的补偿电流，其控制效果直接影响到APF补偿性能的好坏。
    常用的模拟带通(或带阻)滤波器检测高次电流的方法有许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，要获得理想的幅频特性和相频特性非常困难，对电网电压畸变不敏感，当电网频率发生波动时，不仅检测精度受影响，而且使检测出的谐波电流中含大量的基波分量，大大增加了有源补偿器的容量和运行损耗。此外，这种方法不能同时分离出无功电流。
    基于瞬时无功功率理论的改进型ip—iq电流检测算法，突破了传统的以平均值为基础的功率定义，适用于非正弦波和任何过渡过程，对电网电压畸变不敏感；通过a—b—c坐标系下的电流滞环控制策略，建立了基于统一拓扑结构并联型有源电力滤波器的仿真模型，并进行了仿真研究。

1 有源电力滤波器的基本工作原理
    图1为最基本的有源电力滤波器的基本结构原理图。图中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。主电路目前均采用PWM变换器。
    有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，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等电流抵消，最终得到期望的电源电流。

2 并联型有源电力滤波器的统一拓扑结构
    三相四线并联APF的统一拓扑结构如图2所示。统一拓扑结构的直流电容分为四个。变换器的A、B、C三个桥臂连接到直流端就象常规的三相电压源交换器，N桥臂连接到直流电容器的J点和K点，J点和K点之间的两个电容器有相同的电容值Cb，直流端的另外两个电容器有相同的电容值Ca。

    参数m定义如下：

   
    其中0≤m≤1。如果Ca》Cb，即m=l，此时的拓扑结构就变成四桥臂的三相四线变换器，如果Cb》Ca，即m=0，此时的拓扑结构就变成三桥臂中分变换器。
    因此，三桥臂中分电容拓扑和四桥臂中分拓扑都是所提到的统一拓扑结构的一个特例。两种拓扑结构差别的实质就是电容比值不同。

3 谐波和无功电流的实时检测方法一瞬时无功功率法
    采用一种改进的ip—iq运算方式，如图3所示。这种运算方式对电网电压畸变不敏感。

    图中C、C32、C23分别由式(2)、式(3)、式(4)表示：

   
    根据上面的定义可以计算出ip、iq。经低通滤波器得到ip、iq的直流分量ip、iq。这里ip、iq是由iaf、icf产生的，因此，ip、iq可以计算出三相电流的基波分量，进而计算出谐波分量iab、iah、iah。

4 a-b-c坐标系下的电流滞环控制策略
    1)中端电流补偿
    采用三相四线并联APF的统一拓扑结构时，N桥臂的控制方案如式(5)所示．

   
    式中hn是滞环死区，irefn和iFn分别是式中N桥臂的参考电流和输出电流。
    应用式(5)的控制方案，式中端电流补偿效果比较好。为了说明预想的可能性，使用了一种计算模型如图4所示。

    根据计算，采样频率是10kHz，死区为1A。0．1秒时接入并联APF装置，单相整流负载在0．03秒时接入。整个系统负载和APF的参数见表1。

    2)相电流补偿
    中端电流的补偿可以表示为：

   
    其中εi是ABC桥臂的电流补偿。由式(6)知，中端电流补偿实际上减小了ABC桥臂电流补偿缺陷的总和。
    忽略系统的零序电压，若c相的系统电压是一个非常大的正值，并要求输出电流变换率是正的，N桥臂的开关状态为

   
    当c相电压在正的最大值附近时，输出电流波动最大，当m=1时选择统一拓扑结构，当m=0，c相电压在负的最大值附近时，可以得到相似的结果。当m较大时，A、B、C桥臂的输出能力就比较大，但是输出电流波动大，电流的跟踪能力弱。这是因为N桥臂的开关状态是由式(5)选择的，并且没有考虑相电压。如果选择一个比较小的m值，当相应的相电压在它们正、负最大值附近时，电流跟踪效果会比较好。

4 并联型APF基于MATLAB的仿真及仿真结果分析
    1)并联型APF的仿真图及模块分析
    本文选用MATLAB 7．0．4／Simulink来进行建模。按照前面所述的并联型有源滤波器(APF)的原理，用Simulink中的模块搭建了系统的仿真模型(图5)。其中电压源、电感、电容、负载、IGBT、PWM发生器都是Simulink中的固有模块。而ip—iq运算方式的谐波检测环节(图5中的jiarICC—lvchul模块)运用Simulink中的加法器、乘法器、低通滤波器等控制模块搭建。跟踪驱动环节(图5中的PWM模块)是运用Simulink中的减法器、滞环比较器等模块搭建。

    2)并联型APF的仿真波形
    电网三相电流经谐波检测环节后，由示波器测得的波形如图6，由图可以看出电网电流明显发生畸变。
    实际的补偿电流是由主电路产生的，其大小与检测到的谐波电流相等，方向则与其相反，如图7所示。

    由图8可以看出通过有源滤波器后得到的电流基本为正弦波，这就证明了文中所介绍的有源滤波器模型抑制谐波和补偿无功的效果比较理想。

5 结束语
    本文通过对并联型有源电力滤波器(APF)的分析，提出并建立了利用基于改进的瞬时ip—iq法和电流滞环控制策略的APF的仿真模型，通过仿真结果，验证了所提出的谐波电流检测算法和控制方案的正确性，可以作为相关设计的参考。