论文部分内容阅读
摘 要：有源电力滤波器（APF）就是一种谐波、无功综合补偿系统。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后由逆变器产生一个与谐波电流相同的补偿电流，从而使电网电流只有与电网电压同相位的基波正序分量。它具有动态补偿、不易与电网阻抗发生谐振、所需贮能元件容量很小及补偿无功的大小可连续调节等优点。
关键词：有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；谐波抑制；无功补偿
1 绪论
1.1 项目背景和意义
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中应用日益广泛，电力电子装置产生的谐波、无功对电网的污染日趋严重，对电力系统和用户造成了一系列危害。
谐波和无功电流，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同，由于物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿。
有源电力滤波器（APF）就是一种谐波、无功综合补偿系统。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后由逆变器产生一个与谐波电流相同的补偿电流，从而使电网电流只有与电网电压同相位的基波正序分量。它具有动态补偿、不易与电网阻抗发生谐振、所需贮能元件容量很小及补偿无功的大小可连续调节等优点。
1.1.1 谐波的产生及其危害
电力系统中的各种非线性元件是產生高次谐波的主要原因。按照非线性元件的类习惯，电力系统谐波源可以分为两大类。
一是含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源。
二是含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
理想的公共用电网所提供的电压应该具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公共用电网络是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用用电网络以外的设备带来危害。
1.1.2 谐波抑制
谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一，基本思路主要有两条：一是安装滤波装置来补偿谐波，这适用于各种谐波源；二是对电力电子装置进行改造，使其功率因数为1并减少谐波的产生。
装设滤波装置的传统方法是采用无源滤波器，也称为LC滤波器。这种方法既可以补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行特性影响，易和系统发生并联谐振。且只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
采用有源电力滤波器是目前谐波抑制的一个重要趋势，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，与补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。
1.1.3 无功补偿
无功补偿包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。对谐波无功功率的补偿实际上即是前面所述的谐波补偿。对基波无功功率的补偿可以采用并联电容器，具有成本低的优点，但只能补偿固定的无功功率。静止无功补偿装置（SVC）近年来获得了较大的发展，其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（FC+TCR），晶闸管投切电容器（TSC）也获得广泛的应用。SVC的重要特性是能对补偿的无功功率连续调节。
1.2 项目技术要求
1.2.1 项目功能要求
本项目主要需要实现以下功能：
（1）单一指定次谐波补偿
（2）2至25次谐波全补偿
（3）无功补偿
（4）无功、谐波全补偿
1.2.2 项目技术指标（见下表）
2 系统设计
在设计主电路时，首先应确定主电路的形式。目前有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，采用电流型的极少。这里选择电压型、单个变流器的方式是具有代表性的。
2.1 并联有源电力滤波器的系统结构和工作原理
APF的系统框图如图1所示。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。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它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变流器。
2.2 指令电流运算电路
指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是谐波和无功电流实时检测方法。
若有源电力滤波器的补偿目的只是补偿谐波，则补偿电流信号应与检测的负载谐波极性相反。
当有源电力滤波器的补偿目的是同时补偿谐波和无功功率，补偿电流的指令信号应与负载电流的谐波及基波无功分量之和的大小相等、极性相反，此时补偿后的电源电流与负载电流的基波有功分量完全相同。
当有源电力滤波器只补偿无功功率时，补偿电流指令信号应与负载电流的瞬时无功分量大小相等、极性相反。
2.3 电流跟踪控制电路
本项目所采用的电流跟踪控制电路原理如图2所示。电流跟踪控制电路正式补偿电流发生电路中的第1个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个开关器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于并联型有源电力滤波器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。
3 主电路设计
3.1 主电路直流侧电容和电压等级 电压的选择按照经验选择应在相电压3倍以上，我们选则参考电压Ud=770V。
电容量的选择可按照如下经验公式计算
其中：I0-APF额定工作电流；w1-APF输出的电压基波的角频率；Udc-额定状态下直流侧电压；K-系统允许的直流电压波动系数，取值范围0.01～0.1；Cd-直流侧电容容量之和。
所以
此条件下求得Cd=4150μF，考虑到电容容量适度增大利于系统稳定，可取Cd=4550μF。
即每个电容容量C1=C2=9100μF。
3.2 LCL滤波工作原理与参数设计
为了滤除开关谐波，通常将L或LC滤波器引入APF中。其位置如图3所示。
由LCL参数计算：
系统的额定功率P=35kW；电网基波频率f=50Hz；电网线电压有效值U=220V
主电路直流侧电容电压Udc=770V；额定输出电流I=100A；主电路开关管的开关频率fsw=15KHz
（1）设计输出总电感值
根据补偿电流最大允许纹波条件决定逆变器总电感的取值为：
其中，imax为开关频率处谐波电流允许的最大脉动，一般取20%的额定输出电流i。
（2）确定逆变器侧电感L1和网侧电感L2的电感量
综合考虑滤波效果和纹波电流影响，我们取L1和L2的电感量分别为：
（3）确定滤波电容Cf和阻尼电阻Rd
我们选择谐振频率为7KHz，所以Rd×Cf=22.7，一般情况下Rd在5Ω左右，所以经过测验Rd=4.27Ω，Cf=5.31μF较为合适。
4 控制系统设计
4.1 控制系统总体设计
本设计仅建立了PSIM仿真模型，实际中的控制系统可以由FPGA+DSP作为控制器进行全数字控制器设计。因此，本章主要讨论APF的控制算法与软件设计，所涉及的控制算法均可由控制器编程实现。
4.2 无功检测算法设计
瞬时无功功率理论于1983年由赤木泰文首先提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。该理论亦称pq理论，以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础。
设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。将它们，变换到α-β两相正交坐标系上。根据瞬时功率理论可以将负载电流解耦成各个分量，本文采用如图所示的算法，可以对基波无功电流进行检测。对图示方法中，将ip支路断开，并去掉电流前馈环节，即可获得三相基波无功。
将图中ip的通道断开，只需对iq所在的通道进行反变换，得
即为基波无功电流。这种控制方法适用于中小功率场合应用。基于瞬时无功功率理论的方法具有较好的实时性，在之检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。
4.3 谐波检测算法设计
常规p q法计算的时电流矢量i在三相电网基波正序电压合成矢量及其法线上的投影。在阿尔法-贝塔坐标系中，只有基波电流分量和基波电压分量合成矢量是同步旋转的，处于相对静止的状态，而其他所有的电流分量相对于基波正序电压合成矢量均是动态的。因此，只有基波正序电流分量在基波正序电压合成矢量及其法线上的投影才是常量，其他分量在基波正序电压合成矢量及其法线上的投影均是交变的。提取其中的直流分量，经反变换，即可求得电网基波正序电流分量。根据上述原则，若欲检测某次（如k次）谐波电流分量，参考电压矢量选为k次谐波正序电压合成矢量即可。
5 仿真结果
整体原理如图所示。
5.1 全谐波补偿
（补偿率88.2%）
5.2 无功补偿
5.3 全谐波与无功补偿
（补偿率78%）
6 结论与总结
本项目设计了一套基于瞬时无功功率法与指定次谐波提取的APF模块，并进行了PSIM仿真，在直流侧电压稳定的前提下其无功与谐波补偿均取得了良好效果。在仅采用电压闭环控制直流侧母线电压时也取得了良好效果。然而由于时间紧迫，加之前期与老师的沟通出现一些问题，进度略显迟缓，在进行电压外环与电流内环的联合控制时不能取得良好效果。幸好最后时刻获得老师指点，获得了较为理想的补偿效果。
參考文献
[1]郭伟峰.三相四线制并联有源电力滤波器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系，2006：1-7.
[2]程汉湘.无功补偿理论及其应用[M]北京：机械工业出版社，2016：248-281.
[3]吉正华.基于dq换的三相软件锁相环设计[J].电力自动化设备，2011，31（4）：105-106.
[4]龚锦霞.三相数字锁相环的原理及性能[J].电工技术学报，2009，24（10）：95-97.
关键词：有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；谐波抑制；无功补偿
1 绪论
1.1 项目背景和意义
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中应用日益广泛，电力电子装置产生的谐波、无功对电网的污染日趋严重，对电力系统和用户造成了一系列危害。
谐波和无功电流，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同，由于物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿。
有源电力滤波器（APF）就是一种谐波、无功综合补偿系统。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后由逆变器产生一个与谐波电流相同的补偿电流，从而使电网电流只有与电网电压同相位的基波正序分量。它具有动态补偿、不易与电网阻抗发生谐振、所需贮能元件容量很小及补偿无功的大小可连续调节等优点。
1.1.1 谐波的产生及其危害
电力系统中的各种非线性元件是產生高次谐波的主要原因。按照非线性元件的类习惯，电力系统谐波源可以分为两大类。
一是含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源。
二是含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
理想的公共用电网所提供的电压应该具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公共用电网络是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用用电网络以外的设备带来危害。
1.1.2 谐波抑制
谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一，基本思路主要有两条：一是安装滤波装置来补偿谐波，这适用于各种谐波源；二是对电力电子装置进行改造，使其功率因数为1并减少谐波的产生。
装设滤波装置的传统方法是采用无源滤波器，也称为LC滤波器。这种方法既可以补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行特性影响，易和系统发生并联谐振。且只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。
采用有源电力滤波器是目前谐波抑制的一个重要趋势，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，与补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。
1.1.3 无功补偿
无功补偿包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。对谐波无功功率的补偿实际上即是前面所述的谐波补偿。对基波无功功率的补偿可以采用并联电容器，具有成本低的优点，但只能补偿固定的无功功率。静止无功补偿装置（SVC）近年来获得了较大的发展，其典型代表是固定电容器+晶闸管控制电抗器（FC+TCR），晶闸管投切电容器（TSC）也获得广泛的应用。SVC的重要特性是能对补偿的无功功率连续调节。
1.2 项目技术要求
1.2.1 项目功能要求
本项目主要需要实现以下功能：
（1）单一指定次谐波补偿
（2）2至25次谐波全补偿
（3）无功补偿
（4）无功、谐波全补偿
1.2.2 项目技术指标（见下表）
2 系统设计
在设计主电路时，首先应确定主电路的形式。目前有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，采用电流型的极少。这里选择电压型、单个变流器的方式是具有代表性的。
2.1 并联有源电力滤波器的系统结构和工作原理
APF的系统框图如图1所示。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。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它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变流器。
2.2 指令电流运算电路
指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是谐波和无功电流实时检测方法。
若有源电力滤波器的补偿目的只是补偿谐波，则补偿电流信号应与检测的负载谐波极性相反。
当有源电力滤波器的补偿目的是同时补偿谐波和无功功率，补偿电流的指令信号应与负载电流的谐波及基波无功分量之和的大小相等、极性相反，此时补偿后的电源电流与负载电流的基波有功分量完全相同。
当有源电力滤波器只补偿无功功率时，补偿电流指令信号应与负载电流的瞬时无功分量大小相等、极性相反。
2.3 电流跟踪控制电路
本项目所采用的电流跟踪控制电路原理如图2所示。电流跟踪控制电路正式补偿电流发生电路中的第1个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个开关器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于并联型有源电力滤波器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。
3 主电路设计
3.1 主电路直流侧电容和电压等级 电压的选择按照经验选择应在相电压3倍以上，我们选则参考电压Ud=770V。
电容量的选择可按照如下经验公式计算
其中：I0-APF额定工作电流；w1-APF输出的电压基波的角频率；Udc-额定状态下直流侧电压；K-系统允许的直流电压波动系数，取值范围0.01～0.1；Cd-直流侧电容容量之和。
所以
此条件下求得Cd=4150μF，考虑到电容容量适度增大利于系统稳定，可取Cd=4550μF。
即每个电容容量C1=C2=9100μF。
3.2 LCL滤波工作原理与参数设计
为了滤除开关谐波，通常将L或LC滤波器引入APF中。其位置如图3所示。
由LCL参数计算：
系统的额定功率P=35kW；电网基波频率f=50Hz；电网线电压有效值U=220V
主电路直流侧电容电压Udc=770V；额定输出电流I=100A；主电路开关管的开关频率fsw=15KHz
（1）设计输出总电感值
根据补偿电流最大允许纹波条件决定逆变器总电感的取值为：
其中，imax为开关频率处谐波电流允许的最大脉动，一般取20%的额定输出电流i。
（2）确定逆变器侧电感L1和网侧电感L2的电感量
综合考虑滤波效果和纹波电流影响，我们取L1和L2的电感量分别为：
（3）确定滤波电容Cf和阻尼电阻Rd
我们选择谐振频率为7KHz，所以Rd×Cf=22.7，一般情况下Rd在5Ω左右，所以经过测验Rd=4.27Ω，Cf=5.31μF较为合适。
4 控制系统设计
4.1 控制系统总体设计
本设计仅建立了PSIM仿真模型，实际中的控制系统可以由FPGA+DSP作为控制器进行全数字控制器设计。因此，本章主要讨论APF的控制算法与软件设计，所涉及的控制算法均可由控制器编程实现。
4.2 无功检测算法设计
瞬时无功功率理论于1983年由赤木泰文首先提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。该理论亦称pq理论，以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础。
设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。将它们，变换到α-β两相正交坐标系上。根据瞬时功率理论可以将负载电流解耦成各个分量，本文采用如图所示的算法，可以对基波无功电流进行检测。对图示方法中，将ip支路断开，并去掉电流前馈环节，即可获得三相基波无功。
将图中ip的通道断开，只需对iq所在的通道进行反变换，得
即为基波无功电流。这种控制方法适用于中小功率场合应用。基于瞬时无功功率理论的方法具有较好的实时性，在之检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。
4.3 谐波检测算法设计
常规p q法计算的时电流矢量i在三相电网基波正序电压合成矢量及其法线上的投影。在阿尔法-贝塔坐标系中，只有基波电流分量和基波电压分量合成矢量是同步旋转的，处于相对静止的状态，而其他所有的电流分量相对于基波正序电压合成矢量均是动态的。因此，只有基波正序电流分量在基波正序电压合成矢量及其法线上的投影才是常量，其他分量在基波正序电压合成矢量及其法线上的投影均是交变的。提取其中的直流分量，经反变换，即可求得电网基波正序电流分量。根据上述原则，若欲检测某次（如k次）谐波电流分量，参考电压矢量选为k次谐波正序电压合成矢量即可。
5 仿真结果
整体原理如图所示。
5.1 全谐波补偿
（补偿率88.2%）
5.2 无功补偿
5.3 全谐波与无功补偿
（补偿率78%）
6 结论与总结
本项目设计了一套基于瞬时无功功率法与指定次谐波提取的APF模块，并进行了PSIM仿真，在直流侧电压稳定的前提下其无功与谐波补偿均取得了良好效果。在仅采用电压闭环控制直流侧母线电压时也取得了良好效果。然而由于时间紧迫，加之前期与老师的沟通出现一些问题，进度略显迟缓，在进行电压外环与电流内环的联合控制时不能取得良好效果。幸好最后时刻获得老师指点，获得了较为理想的补偿效果。
參考文献
[1]郭伟峰.三相四线制并联有源电力滤波器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学电气工程系，2006：1-7.
[2]程汉湘.无功补偿理论及其应用[M]北京：机械工业出版社，2016：248-281.
[3]吉正华.基于dq换的三相软件锁相环设计[J].电力自动化设备，2011，31（4）：105-106.
[4]龚锦霞.三相数字锁相环的原理及性能[J].电工技术学报，2009，24（10）：95-97.