一种新型并联混合型有源滤波器的研究

摘要：为实现对非线性负载的谐波补偿和功率因数连续调节，采用了一种无变压器并联混合型有源滤波器，阐述了其工作原理。综合考虑成本与滤波效果的情况下选择采用7次单调谐无源滤波器，针对7次单调谐无源滤波器对于5次谐波补偿能力较差的状况，采用了反馈加5次前馈的控制策略，为了进一步对系统的无功功率进行补偿，在原有的反馈控制环节上进行了一定的改进，仿真结果证明了该并联混合性有源滤波工作的有效性。
关键词：无变压器；混合有源滤波器；前馈加反馈补偿；无功功率补偿

    随着电力电子技术的发展，电力系统中的非线性负载越来越多，由此带来的谐波污染也越来越严重。传统的LC无源电力滤波器(PPF)以其廉价、简单、易维护等特点在电力系统中获得了广泛的应用，但无源补偿装置滤波性能受系统参数影响较大，只能补偿固定次数的谐波，易于电网等效阻抗发生谐振，难以对动态的无功功率和谐波进行有效补偿。
    和传统的无源滤波器相比，有源滤波器(APF)能跟踪电网频率的变化，既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，而且补偿无功功率的大小可做到连续调节，实现动态补偿。但其成本较高、输出容量有限，难以应用于对大容量负载进行补偿。由PF和APF构成的混合型有源滤波器(HAPF)既可克服APF成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能，适用于大容量负载的补偿。
    文中在阐述TSHAPF工作原理的基础上，针对7次调谐的无源滤波器对5次谐波滤波能力较差的状况，提出了反馈控制加5次前馈控制的策略，并给出了系统的总体控制策略。当系统的无功功率急剧变化时会引起母线电压的波动，从而影响到系统的正常运行，因此在原有的反馈环节中加入了无功功率补偿回路，通过调节补偿器的无功容量，从而实现了系统的无功功率稳定。

1 TSHAPF工作原理
    在传统的HAPF系统中，由于基波阻抗较低，无源部分无法承担较多的基波电压，且流经有源部分的基波无功电流较大，因此需要通过耦合变压器来满足有源和无源滤波器的电压和电流的匹配。为了滤除高频毛刺，还需附加输出滤波电路。文中采用了一种无变压器型TSHAPF，系统的结构图如图1所示。

    APF的有源部分与LC滤波器串联，然后并联接入电网，非线性负载为整流负载。有源滤波支路产生谐波补偿电流来补偿整流负载电流中的谐波电流，从而使电网侧电流实现正弦化。负载交流侧串接阻抗，以防止短路故障电流和降低负载电流畸变率，同时抑制公共节点电压的开关纹波分量。
    无源滤波器采用单调谐电路，在某个低次谐波附近呈现低阻抗，分流负载电流的该次谐波分量，而在开关频率处呈现高阻抗，从而不需要额外的开关纹波滤波器，减小了系统的体积。此外，对于基波而言LC谐振电路相当于一个大电容，承担了大部分的基波电压，有源滤波器上的基波电压非常小，降低了对开关器件的耐压要求。因此在某些场合中可以选用低压MOSFET，降低成本，提高系统效率及补偿性能。

2 TSHAPF控制策略
    TSHAPF中逆变器控制策略是整个滤波系统的核心问题，它决定着滤波的跟随特性和整体滤波效果。文中提出了一种采用电网谐波电流反馈控制与负载谐波电流前馈控制的复合控制策略，这种控制方法计算量小，控制简单，滤波效果比仅采用电网谐波电流作反馈控制时更好。其中前馈控制的作用是当扰动出现时立即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿扰动的影响，目的是加速系统响应速度，改善系统的调节品质；反馈控制主要用来弥补前馈控制的不足，克服模型不精确以及干扰带来的影响。TSHAPF的总体控制框图如图2所示。

2．1 反馈控制
    反馈控制是有源滤波器中最常用的控制策略，目的在于利用有源滤波器来改善无源滤波器的整体滤波性能。
    基于瞬时无功理论，文中通过abc-dq变换将三相电网电流is转化为瞬时有功电流id1和瞬时无功电流iq1，其中的直流部分对应is中的基波分量，交流部分对应is中的谐波分量。使用两个一阶高通滤波器从id1，iq1中提取出交流分量idac和iqac，之后进行dq-abc变换就可以得到待补偿的电网谐波电流iSH，将其放大K倍后作为有源滤波器的参考信号。同时，通过检测逆变器直流电压Vdc进行闭环控制可以实现Vdc的建立与稳定，无需外加独立直流电压源。
2．2 前馈控制
    并联在电网上的无源滤波器仅由一组7次单调谐波器构成，针对7次调谐的无源滤波器对5次谐波能力较差的情况，采用了单独对5次谐波进行补偿的方法，基于瞬时无功理论，三相负载电流iL通过abc-dq变换转化为瞬时有功电流iLd5和iLq5，经过低通滤波后与阻抗矩阵相乘，再经dq逆变换，得到三相的前馈指令电压。在α-β静止坐标系下，LC滤波器的阻抗可以表达为


3 仿真结果
    为了验证系统的有效性，在MATLAB环境下给出了该系统的仿真模型，系统的主要参数如表1所示，补偿对象为三相不可控桥式整流电路带组感性负载(R0=50 Ω，L0=1 mH)，交流出线侧电感L=3 mH。

    图3为补偿前a相电流波形及频谱分析，可以看出负载电流存在着很大的畸变，电流的总畸变率达到27．37％。图4为采用该控制系统进行补偿后的a相电流波形及频谱分析，波形接近为正弦波，畸变率降低到了3．34％，达到了很好的补偿效果。

4 结论
    文中针对传统混合型变压器采用了一种不经过耦合变压器的混合型有源滤波器，混合有源滤波器中基波电压大部分都由单调谐支路的电容来承受，有源滤波器基本不承受基波电压。因此，APF容量比较小，可以节省投资成本。采用了反馈加前馈的控制策略，能够滤除系统的大部分谐波，并且降低了系统的无功功率，在稳态情况下具有良好的补偿谐波和无功功率的能力，在MATLAB中建立了并联型有源滤波器的仿真模型，仿真结果表明该控制方案具有良好的动态补偿性能。