基于载波相移并联有源电力滤波器研究

1、基于载波相移并联有源电力滤波器研究    摘要：并联有源滤波器能够实时的补偿电网谐波，本文分析了其基本的工作原理，采用了基于瞬时无功功率ip、iq 谐波检测方法,将载波相移技术运用到有源电力滤波器的控制中，实现了在较低的器件开关频率下实现较高的开关频率的效果.搭建了APF 系统的仿真模型并对其仿真实验，实验证实了采用该控制策略的并联有源滤波器具有良好的补偿性能，验证了它的正确性和有效性。关键词： 并联有源电力滤波器；载波相移；谐波控制；仿真0 引言随着电力电子器件在工业中的大规模应用，电力系统的谐波污染也愈加严重,电力谐波的治理已经成为一个广泛关注的课题

2、。有源电力滤波器（APF）1具有响应速度快，能够动态补偿电网中的各次谐波，并对无功、不平衡等分量有选择地进行补偿的优势，因而受到了广泛的研究与应用。为了提高有源电力滤波器对于中高压、大容量系统谐波电流的补偿性能，各国的研究者相继提出了诸多电路拓扑结构和控制方法。目前研究最多的是二极管钳位型三电平变换器和级联H 桥型变流器拓扑结构。文献2-3分别论述了基于二极管钳位型三电平变换器的有源滤波器，不同之处在于采用的控制策略不同，前者为电流跟踪无差控制方法，后者将SVPWM控制运用到三电平APF 的控制中，并对其进行了分析研究。但是采用二极管箝位式三电平变换器，所需器件较多，并且直流侧电容之间的电压相

3、互影响，增加了控制的复杂性。相对于二极管钳位型三电平变流器，级联式多电平具有模块化、直流侧电压相互独立，适用于中高压、大容量系统等优点，现已在有源电力滤波器中得到应用4-5。本文采用载波相移SPWM（CPS-SPWM）6-9控制三相Y 连接H 桥型变流器，将其运用到三相并联型APF 系统中，提升了APF 系统的容量，并基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，实现了对有源滤波器补偿电流准确的检测、有效的电流补偿，基于MATLAB 软件平台进行了分析研究，结果表明了方案的可行性和正确性。1 并联有源电力滤波器的结构与原理本文采用级联H 桥型三电平变流器作为有源电力滤波器，如图1 所示。APF 的每相有

4、一个全桥整流模块构成，变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。网侧电流可以表示为：labc cabc i = i + i sabc （1）将负载电流表示成由基波分量Lf i 和谐波分量Lh i 组成的形式：labc lfabc lhabc i = i + i （2）并联APF 在系统中相当于一个谐波补偿电流发生器，通过检测负载谐波电流分量lhabc i ，产生与负载谐波分量大小相等、方向相反的谐波电流- lhabc i ，令:cabc lhabc i = ?i （3）从而实现线路中电流谐波分量的抵消，进而将网侧电流补偿为正弦波，即：sabc labc cabc

5、 lfabc i = i + i = i （4）此时，该系统只含有基波分量，实现了补偿谐波的目的。2 基于瞬时无功理论的 ip、iq 谐波检测有效地进行系统谐波检测是良好控制有源电力滤波器的基础，基于瞬时无功的p i 、q i 谐波检测方法是目前应用较多的方法，它容易实现，并且在电网电压正常和畸变的条件下均能够准确的检测。p i 、q i 谐波检测法的原理图10。3 载波相移 SPWM 控制策略并联有源滤波器能够有效的补偿电网谐波，随着中高压、大容量系统的广为增加，传统的小容量并联有源电力滤波器，难以满足要求，随之满足需求的大容量并联有源电力滤波器呼之欲出，但是与之而来的控制问题是传统的SPW

6、M 技术和电流滞环控制方法由于受到功率开关器件容量和开关频率的限制而难以有效的应用于大功率有源电力滤波器中。本文将采用CPS-SPWM 技术控制的级联H 桥式变流器运用到APF 系统中，电路拓扑结构并没有增加，却提升了APF 系统的容量，并且通过采用CPS-SPWM 控制方法不仅可以在较低的器件开关频率下实现较高的开关频率的效果，而且在提高变流器容量的同时，有效的减少了输出谐波，提高了信号的传输带宽，更好的实现谐波补偿。载波相移SPWM（CPS-SPWM）技术实际上是SPWM 技术与多重化技术的有机结合11，CPS-SPWM 技术的灵活运用，进而使SPWM 技术在大功率场合得以应用。其基本思想

7、是：在电压型变流器中，各个变流器单元采用共同的调制信号，各三角载波的相位相互错开，错开的相位决定于所控制的变流器的单元数和所采用的三角载波的周期。本文采用了3 个H 桥级联的形式组成所需的变流器，运用CPS-SPWM 对其进行分相控制。图3 所示为CPS-SPWM 的控制原理图，现以A 相为例详细阐述CPS-SPWM 控制的基本原理：选取变流器单元为3，采用共同的调制波M(t)，其频率为m w ，采用2 列三角载波( ) 1 M t c 、( ) 2 M t c ，二者相移 弧度，2 列载波的频率均为c w ，每个载波与共同的调制波进行比较，分别产生控制信号，使得相应的开关组合导通。图3 中所

8、示1 A 、2 A 、1 B 、2 B 分别对应A 相H 桥型变流器单位的四个功率器件。4 仿真研究为了验证所述控制策略的正确性和有效性，本文在Matlab/Simulink 软件下搭建了SAPF系统仿真模型，如图4 所示。系统模型参数为：电网线电压为380V,频率为50Hz；谐波源为三相不控整流桥施加阻感负载,R=0.1,L=1mH,直流侧Rd=10,Ld=2mH； SAPF 变流器单元直流侧电容C =1500F,直流电压设定为U =600V,输出电抗器电感值为L =0.5mH，器件开关频率为1kHz。采用瞬时无功功率的p i 、q i 谐波检测方法检测到电流谐波波形，图6 和图7 分别给出

9、了无SAPF 和加入SAPF 谐波补偿后的网侧电流波形。基于瞬时无功功率的p i 、q i 谐波检测方法，能够对谐波电流进行准确的检测，为采用CPS-SPWM 控制提供了前提保障。采用CPS-SPWM 控制策略可以有效的得到所需补偿电流，最终得到期望的电流波形，如图6、图7 所示，加入采用载波相移控制的并联APF 补偿后，网侧电流波形近似为正弦波；而补偿前，网侧电流总谐波畸变率为23.75%，加入并联型APF 补偿稳定后网侧电流总谐波畸变率为1.57 %，补偿后电网谐波总畸变率符合国标的要求，谐波补偿效果明显进而说明了采用CPS-SPWM 控制的并联型APF 能够有效的进行谐波补偿。众多时候负载不是恒定不变的，本文通过改变负载相关参数来模拟负载变化的条件，进一步验证所述控制策略的有效性。负载突变的条件下，加入SAPF 系统补偿后网侧A 相电流波形如图8 所示，网侧谐波源发生突减负载和突加负载时相电流波形，在负载变化的时候，加入SAPF 后，相电流波形为近似正弦，实现了谐波补偿。可以看出，本文采用的控制策略能够快速跟随负载变化做出补偿，具有良好的动态响应性能。5 总结本文基于瞬时无功功率理论的p i 、q i 谐波检测方法对电网电流谐波进行检测，将CPS-SPWM 控制方法和级联H 桥式三电平变流器应用到三相并联型APF 系统中，提高了有源