基于瞬時無功功率理論的改進型有源電力濾波器的數(shù)

摘要：介紹了一種基于瞬時無功功率理論的改進型諧波電流檢測方法和電壓補償控制方法，設(shè)計了數(shù)字低通濾波器，并將此方法運用到有源電力濾波器數(shù)字化設(shè)計中，實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波電流的檢測和補償。通過PowerSim軟件對三相電源有源電力濾波器進行仿真，證明該設(shè)計具有良好的檢測和補償控制效果。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波檢測；補償電流控制；數(shù)字低通濾波器

0 引言
隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的非線性負載以及電力電子裝置的廣泛應(yīng)用(如變頻電器、大型整流裝置等)，隨之而來的諧波問題也日益嚴重。這些非線性負載不僅引起電網(wǎng)波形畸變，影響供電質(zhì)量，同時也對各種電氣設(shè)備以及通信系統(tǒng)均產(chǎn)生不利的影響。因此，抑制電力系統(tǒng)諧波的技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外電力電子和電工領(lǐng)域研究熱點之一。
當前抑制電網(wǎng)諧波的手段有無源濾波和有源濾波兩種。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器(APF)具有明顯的優(yōu)越性。它具有對變化的各次諧波和無功電流同時進行跟蹤補償，補償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小等特點，因而受到了更多的關(guān)注。

l APF工作原理和結(jié)構(gòu)模型
有源電力濾波器工作時，向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等但方向相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。APF按補償對像的連接方式分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。按補償方式的不同，分為電壓型和電流型。本文研究的是一種并聯(lián)型電壓型有源電力濾波器及控制策略，其控制框圖如圖1所示。

框圖中isa，isb，isc為電網(wǎng)電流；非線性負載為諧波源；iLa，iLb，iLc為負載側(cè)電流(含諧波和無功分量)；檢測模塊的作用是實時檢測負載電流中的諧波及無功電流，并與有源電力濾波器輸出補償電流isR相減后得到指令電流i*af，i8bf，i8cf，通過電流控制器轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)過空間電壓矢量控制，輸出相應(yīng)的PWM波形，最終由逆變器輸出APF的網(wǎng)側(cè)電流iaf，icf，icf，從而補償電網(wǎng)電流中的諧波及無功功率。

2 APF諧波電流檢測和電壓補償技術(shù)
1)諧波電流檢測的改進算法
諧波電流檢測方法主要有：模擬帶通濾波器檢測法、快速傅立葉變換FFT檢測法、基于瞬時無功功率理論的檢測法等。基于瞬時無功功率理論的檢測方法是當前最常用的。瞬時無功功率理論的檢測算法有p―q法和ip一iq法。本文將在分析這些方法的基礎(chǔ)上，提出一種改進算法。
電網(wǎng)運行時，三相電壓由于外界因素通常會不對稱且有畸變，因此用p―q法檢測諧波電流有誤差存在。ip一iq法則對硬件要求較高，要求鎖相環(huán)產(chǎn)生的正弦和余弦信號準確無誤，鎖相環(huán)的鎖相結(jié)果受到負序分量的影響而與正序分量之間存在相差而使檢測結(jié)果存在著系統(tǒng)誤差，不對稱越嚴重、誤差越大。分析p―q法與ip一iq法后不難發(fā)現(xiàn)，p―q法是通過同時對電壓和電流進行變換，低通濾波后反變換得到的諧波和無功電流分量；而ip一iq法則是通過提取電壓基波分量的頻率和相位信息對電流進行運算變換和低通濾波得到諧波和無功電流分量的。由于電網(wǎng)中電壓和電流頻率為50Hz且波動非常小，在變換中如果將頻率固定并將電壓和電流的相位差提取出來，將仍然能夠得到相同的效果。
根據(jù)文獻推導可知，在經(jīng)過3―2變換運算后得到在α-β坐標系下的電流電壓信息：