单相混合有源滤波器的研究

单相混合有源滤波器的研究

佛山职业技术学院 宋文广 李程文 杨 念

本文给出了一种新型单相混合有源滤波器的拓扑结构，利电路结构的特点，在实现对电网进行无功补偿的同时抑制特定次谐波。在对该滤波器拓扑结构分析的基础上，建立了系统数学模型，给出系统的具体控制策略，完成了控制系统的设计。最后通过仿真分析验证了这种混合有源滤波器拓扑结构及其控制策略的合理性和有效性。1.引言

大量非线性负载的应用把大量的电力谐波以及无功分量注入电力系统，造成了电能质量下降，谐波污染严重（林建钦，杜永宏，电力系统谐波危害及防止对策：电网与清洁能源，2009）。常用于治理谐波污染的有源滤波器(APF)（Kanjiya P,Khadkikar VIEEE Std.519 Current Harmonic Constraints Under Nonideal Supply ,Zeineldin H H.Optimal Control of Shunt Active Power Filter to Meet Condition:Industrial Electronics IEEE Transactions on,2015）和无源滤波器(PPF)（肖遥，尚春，林志波，等.低损耗多调谐无源滤波器：电力系统自动化，2006）在性能方面各有不足。而由二者构成的混合有源滤波器(HAPF)（Kim S,Enjeti P N.A New Hybrid Active Power Filter(APF)Topology:IEEE Transactions on Power Electronics,2002Wang L,Lam C S,Wong M C.An Unbalanced Control Strategy for a ；Thyristor Controlled LC-Coupling Hybrid Active Power Filter(TCLC-HAPF)in Three-phase Three-wire Systems:IEEE Transactions on Power Electronics,2016）具有无源方案低成本和有源方案快速补偿无功和抑制谐波的优点，同时可以降低有源滤波器的容量。因此，对HAPF拓扑结构以及控制策略的研究具有十分重要的意义。

本文提出了一种新型拓扑结构的单相HAPF。通过对该拓扑结构的分析，对运行机理和控制方案进行研究，并给出MALAB仿真结果。2.主电路建模

2.1 系统拓扑结构

如图1所示为新型单相HAPF系统拓扑结构。该拓扑结构无源部分包括并联电容C1，无源滤波器组C2和L2等，C2和L2对要补偿的某特定次谐波产生谐振，无源部分可以降低有源电力滤波器的容量。有源部分包括滤波电感L1，变流器，直流侧电容C。

图1 系统拓扑结构

2.2 系统建模

由图1可得等式：

(1)

式中的io、iC1和iL1分别为流过L2与C2串联回路的电流、并联电容C1的电流和电感L1的电流；us、uc2、uL2、uc1、uL1和ur分别为单相等效电路的电源、电容C2、电感L2、电容C1、电感L1和变流器交流侧输出端电压。由(1)式可得iL1满足(2)式：

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3.控制系统设计

3.1 谐波检测

本文首先通过延时构造特定次谐波的两相正交信号。然后通过多同步旋转坐标变换提取出目标谐波信号。

设单相负载电流为：

(3)

其中，In为单相负载电流的有效值，ω为单相负载电流的角频率，ϕin为单相负载电流的初相角，n为单相负载电流中的谐波频次。当需构造k次谐波的正交信号时，则延时π/2ωs，即：

(4)

之后引入同步旋转坐标系（坐标系d-q）和k次同步旋转坐标系（坐标系dk-qk）。

如图2所示，iα 和 iβ 为两相静止坐标系中的负载电流、idk 和 iqk 为k次同步旋转坐标系负载电流值、为经低通滤波器后的电流值；Ck为两相静止坐标系到k次同步旋转坐标系的变换矩阵，LPF为低通滤波器。图2 特定次谐波提取

3.2 电流控制

由上文可知，系统谐波电流检测和控制的前提是构造满足同步坐标变换条件的两相正交信号。设新的变量io’、us’、ur’分中的n次谐波量分别与变量io、us、ur中的n次谐波量幅值、频率相同，相位滞后90°。io’、us’、ur’中的基波和其它次谐波分量分别与变量io、us、ur中对应的基波和其它次谐波分量幅值、频率、相位相同，则新变量满足下列等式：

(5)

由式(2)、(5)式构造成两组正交变量的方程组，忽略电网扰动交叉耦合，对方程组在多同步旋转坐标系dnqn中进行坐标变换，其中坐标系dnqn以电网电压的角频率ω的n倍速度ωn旋转，变换后可得(6)式： (6)

其中(6)式中：

4.仿真分析

本文利用matlab/simulink建立了HAPF的仿真模型，电路主要电

ELECTRONICS WORLD・探索与观察气及元器件参数如表1所示。

表1 电网及元器件参数

参数

无源支路电容C2/μF无源支路电感L2/mH并联电容C1/F变流器交流侧电感L1/mH

电网电压/V电网频率/Hz

数值3951.0519000.522050

表2 负载电流各次谐波含量

负载电流主要次谐波/次

1（基波）

571113

数值/A49.0911.379.095.964.5

此外，C2和L2组成的无源支路内阻为0.3Ω。线路等效电感取0.15mH。

图3为负载电流和电源电压波形，由图3可知负载除了含有功电流外，还含大量谐波和有基波无功电流。表2为负载电流中包含的各次谐波含量。

图4为补偿后电流和电源电压。表3为补偿后电网电流各次谐波含量，对比图3和表2可知，滤波器在不增加其它次谐波含量前提下几乎全补偿了5次谐波，同时还补偿了基波无功。

表3 补偿后电网电流主要次谐波含量

补偿后电网电流主要谐波/次

1（基波）

571113

峰值/A26.440.089.035.94.5

图3 负载电流iL和电源电压us

5.结论

本文通过对新型HAPF的分析，建立了系统的数学模型。研究了该系统的谐波电流控制策略。最后通过仿真验证了该系统的可行性和有效性。

作者简介：宋文广（1987—），男，硕士，主要研究领域为电力电子与运动控制技术等。

图4 补偿后电网电流is和电源电压us

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