基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的改進(jìn)型有源電力濾波器的數(shù)

摘要：介紹了一種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的改進(jìn)型諧波電流檢測(cè)方法和電壓補(bǔ)償控制方法，設(shè)計(jì)了數(shù)字低通濾波器，并將此方法運(yùn)用到有源電力濾波器數(shù)字化設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波電流的檢測(cè)和補(bǔ)償。通過(guò)PowerSim軟件對(duì)三相電源有源電力濾波器進(jìn)行仿真，證明該設(shè)計(jì)具有良好的檢測(cè)和補(bǔ)償控制效果。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波檢測(cè)；補(bǔ)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(fù)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(lái)的諧波問(wèn)題也日益嚴(yán)重。這些非線性負(fù)載不僅引起電網(wǎng)波形畸變，影響供電質(zhì)量，同時(shí)也對(duì)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(guó)內(nèi)外電力電子和電工領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。
當(dāng)前抑制電網(wǎng)諧波的手段有無(wú)源濾波和有源濾波兩種。與無(wú)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(duì)變化的各次諧波和無(wú)功電流同時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小等特點(diǎn)，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(shí)，向電網(wǎng)注入與原有諧波和無(wú)功電流大小相等但方向相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無(wú)功電流為零，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。APF按補(bǔ)償對(duì)像的連接方式分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。按補(bǔ)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(fù)載為諧波源；iLa，iLb，iLc為負(fù)載側(cè)電流(含諧波和無(wú)功分量)；檢測(cè)模塊的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波及無(wú)功電流，并與有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電流isR相減后得到指令電流i*af，i8bf，i8cf，通過(guò)電流控制器轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)過(guò)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(bǔ)償電網(wǎng)電流中的諧波及無(wú)功功率。

2 APF諧波電流檢測(cè)和電壓補(bǔ)償技術(shù)
1)諧波電流檢測(cè)的改進(jìn)算法
諧波電流檢測(cè)方法主要有：模擬帶通濾波器檢測(cè)法、快速傅立葉變換FFT檢測(cè)法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)法等?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/瞬時(shí)無(wú)功功率">瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法是當(dāng)前最常用的。瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)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(jìn)算法。
電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，三相電壓由于外界因素通常會(huì)不對(duì)稱且有畸變，因此用p―q法檢測(cè)諧波電流有誤差存在。ip一iq法則對(duì)硬件要求較高，要求鎖相環(huán)產(chǎn)生的正弦和余弦信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，鎖相環(huán)的鎖相結(jié)果受到負(fù)序分量的影響而與正序分量之間存在相差而使檢測(cè)結(jié)果存在著系統(tǒng)誤差，不對(duì)稱越嚴(yán)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(guò)同時(shí)對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換，低通濾波后反變換得到的諧波和無(wú)功電流分量；而ip一iq法則是通過(guò)提取電壓基波分量的頻率和相位信息對(duì)電流進(jìn)行運(yùn)算變換和低通濾波得到諧波和無(wú)功電流分量的。由于電網(wǎng)中電壓和電流頻率為50Hz且波動(dòng)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(lái)，將仍然能夠得到相同的效果。
根據(jù)文獻(xiàn)推導(dǎo)可知，在經(jīng)過(guò)3―2變換運(yùn)算后得到在α-β坐標(biāo)系下的電流電壓信息：