LCL型APF在含非线性负荷系统中的应用_谢华北.pdf

wwwele169com|41信息工程0 前言随着现代工业技术的发展,电力系统中接入大量的非线性负荷,特别是各种电力电子装置,向供电系统中注入了大量的谐波，导致系统电压与电流正弦波畸变，电能质量下降，造成了对电网的污染12。目前，国内外比较主流的滤波装置主要包括 PPF（无源电力滤波器）、APF（有源滤波器）、UPQC(统一电能质量调节器)等3。无源滤波器是传统的抑制谐波和无功补偿设备，其结构较为简单，具有稳定性强、成本投入少、维护维修难度小等应用优势，但是在应用中无源滤波器的体积较大，常会导致电网电压波动，在技术上仍有待优化和开发45。有源滤波器则是利用较为先进的谐波电流检测技术，实现对谐波电流的实时检测，通过瞬时的电流控制，达到谐波电流的动态补偿，并且还能针对电网谐波电流的变化去自动跟踪，有较高的可控性，能够快速地做出反应67。但由于 APF 工作过程中产生的开关频率附近的谐波电流，使得有源滤波器并不能达到理想的效果。统一电能质量调节器采用了串并联型有源滤波器，其抑制谐波效果好，但是它使用的装置多，成本过高，不利于推广89。本文针对在 APF 工作过程有开关频率附近的谐波电流产生，提出一种 LCL 型 APF 混合滤波器，在降低非线性负荷谐波的同时，还能滤除开关频率附近的谐波。通过MATLAB/SIMULINK 建立混合滤波器仿真模型，经过 FFT分析，验证本模型不仅能够动态抑制谐波，而且能够很好地滤除开关谐波。1 谐波的检测非线性负荷的电流波形为非标准正弦波，数学表达为频率大于基波的整数倍，如式(1)，当 n=1 时，代表基波，当n1 时，代表谐波。012002020()(cossin)1()(),(1,2,3.);21()cos();1()sin()nnnnnutaan tbn t=+=(1)其中：2002020()(cossin)1()(),(1,2,3.);21()cos();1()sin()nnaut dtnautn tdtnbutn tdtn=传统的谐波检测方法是根据傅里叶级数，采集单个周期的电流数据进行检测，从而得到所测的谐波10。该方法计算量大，需要进行两次傅里叶变换，同时需要检测整个周期的电流值，实时性差。基于瞬时无功功率理论的 p-q 计算法打破了传统的以平均值为基础功率的定义，缩短了检测的时间，但是当电网电压发生畸变时，所检测出的谐波分量不准确11。而本文采用基于瞬时无功理论的 ip-iq检测方法，由于只取正弦量和余弦量参加运算，当电压发生畸变时，谐波成分不出现在运算过程中，因而检测结果不受电压波形畸变影响1213。图 1 为 ip-iq工作原理图。具体运算过程如下。（1）三相电压相位的提取和三相电流的引出：通过锁相环把相角提取出来，用于后面的运算；（2）三相电流 ia、ib、ic线性变换为 i、i:32111222333022aabbcciiiCiiiii =(2)LCL 型 APF 在含非线性负荷系统中的应用谢华北，高遥，王以琳，崔世庭，闫杨舒，吴红梅（西藏农牧学院西藏土木水利电力工程技术研究中心重点实验室，西藏林芝，860000）基金项目：国家自然科学基金项目（52167015）。摘要：非线性负荷和电力电子器件的广泛并入，导致电网电压与电流正弦波畸变，电能质量降低。目前国内外比较主流的滤波装置，如PPF（无源电力滤波器）、APF（有源滤波器）、UPQC(统一电能质量调节器)等，由于自身的特点和缺陷，并不能对各种谐波起到很好的抑制效果。故本文提出了一种LC L型APF混合滤波器，协调控制以降低电网谐波含量，在降低非线性负荷谐波的同时，还能滤除开关频率附近的谐波。通过MATLAB/SIMULINK建立混合滤波器仿真模型，经过FFT（快速傅里叶变换）分析，验证本模型不仅可以能够动态抑制谐波，而且能够很好地滤除开关谐波。关键词：非线性负荷；开关频率；LCL滤波；APF；FFT分析PLLsincosCPLLPLLC23C32Cuiaibiciiipiqi-pi-qiFiF-+-+-+iaFibFicFiahibhich图 1 ip-iq工作原理图DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.01942|电子制作 2023 年 1 月信息工程（3）i、i转换为 ip、iq，式中的正弦量与余弦量由（1）中的锁相环加三角函数模块引出：sincoscossinpqiiiwtwtCiiwtwti=(3)（4）利用 LPF 模块滤除高次谐波得到 i-p、i-q：（5）将 i-p、i-q转换至 iF、iF：sincoscossinpFFFFqiiiwtwtCiiwtwti=(4)（6）将 iF、iF线性变换为 iaF、ibF、icF，得到基波：23 0 13213221322aFFFbFFFcFiiiiCiii=(5)（7）由三相电流 ia、ib、ic减去基波 iaF、ibF、icF，得到谐波 iah、ibh、ich：ahaaFbhbbFchcFiiiiiiiii =(6)2 谐波的抑制谐波抑制的方法是通过 APF 产生与检测电流谐波大小相同、相位相反的补偿谐波，两者相加后，可明显削弱电网谐波14。有源滤波器可分为串、并两种类型。串联型适用于电容滤波型电路，可作为电压源。并联型适用于带阻感负载的电路，可作为电流源15。本文所用的非线性负荷由二极管连接阻感负载等效，模拟出非正弦波，非线性负荷电流的波形如图 2 所示16。因此本设计使用的是并联型有源滤波器。为了滤除开关频率附近的谐波，在系统中串联了 LCL滤波器，如图 3 所示。图中，LCL 模块用来滤除系统中由于高开关频率而产生的谐波。APF 模块中，运算电路测出电流谐波，控制电路产生触发信号经主电路IGBT器件，使主电路产生补偿电流17。最终，补偿电流与负荷电流中谐波电流相抵消，使得电网电流波形趋近于正弦波，达到抑制谐波的效果18。运算电路控制电路主电路驱动电路非线性负荷LCL滤波APF滤波电源iGiFiL图 3 LCL 型有源滤波器系统构成图在上述系统中，运算电路最重要的部分就是谐波的检测。利用 ip-iq法可以检测出电流的谐波 ih，经过一系列的运算后得到补偿电流的指令信号。为了使实际补偿电流的实时性和准确性更好，实际补偿电流应能实时跟踪指令信号的变化，两者进行比较后，才能输出给逆变电路的 PWM（脉宽调制）信号。在并联型 APF 中，常用的电流跟踪比较方法有两种，一种是三角波比较方式，由于三角波比较方式使用了积分环节，它的实时性也会变差19。另一种是瞬时值比较方式，它的实时性比三角波方式更好，本设计采用实时性更好的瞬时值比较方式，如图 4 所示，先将补偿电流与实际的补偿电流比较，然后把它们的差值经过单位延迟后作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生 PWM 信号，该信号经过驱动电路去控制主电路的开关通断，最终实现控制补偿电流随指令电流的变化而变化20。-+-+-+单位延迟滞环比较驱动电路主电路补偿电流iacomibcomiccomiahibhich图 4 电流跟踪闭环控制结构图滞环比较器的输出特性如图5所示。从该图可以看出，滞环比较器输出是一系列宽度不等，分布无规律的脉冲序列21。滞环控制具有以下优点：电路构成简单，电流响应速度快，0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10100300200-100-200-3000t/s电流幅值/A图 2 非线性负荷电流波形wwwele169com|43信息工程不需要载波比较，输出电压中不含特定频率的谐波分量，并且它是闭环控制，检测准确性极高。因此采用滞环比较的电流跟踪控制可以使补偿电流 icom具有更好的准确性和实时性22。0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1001t/s图 5 滞环比较器的输出特性3 仿真分析为了证明 LCL 型 APF 不仅可以能够动态抑制谐波，而且还能很好地滤除开关谐波，构建仿真试验模型，如图 6所示。模型电源电压采用 380V，频率为 50Hz，非线性负荷采用非正弦波形模拟。另外还有 LCL 滤波模块，APF 模块，检测电网、负荷的电压、电流波形模块。（1）当未加滤波装置时，电网电流波形如图 7 所示。对电网一相电流进行 FFT 分析，如图 8 所示，可以得到 THD（总畸变率）=30.97%，由此可见，非线性负荷的使用，向供电系统中注入了大量的谐波，极大地造成了电网的污染。总畸变率30.97%1791113171915谐波次数531520100谐波占比/（%基波）5图 8 未采用滤波装置时电网电流 FFT 分析（2）当加入 LCL 滤波器时，对系统一相电流进行 FFT分析，如图 9 所示，可以得到 THD=18.49%，有一定的滤波效果，但未达到国家规定的谐波电流THD小于5%的限定值。（3）当加入 APF 时，对系统一相电流进行 FFT 分析，如图 10 所示，可以得到 THD=15.53%。由于在加入 APF的同时，也产生了开关频率附近的谐波电流，故单靠 APF装置很难达到理想的滤波效果。（4）当采用本文所提出的LCL型APF混合滤波装置时，电网电流波形如图 11 所示。对电网一相电流进行 FFT 分析，如图 12 所示，可以得到 THD=1.81%，达到了国家标准规图 6 LCL 型 APF 仿真模型0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10100300200-100-200-3000t/s电流幅值/A图 7 电网电流波形（畸变）图44|电子制作 2023 年 1 月信息工程定的谐波电流 THD 小于 5%的限定值，其滤波效果明显。总畸变率18.49%谐波占比/（%基波）谐波次数123478910 115612 1316 17 18 1914 1500246810图 9 采用 LCL 滤波器时电网电流 FFT 分析总畸变率15.53%0123 478910 115612 1316 17 18 1914 15谐波次数15201050谐波占比/（%基波）图 10 采用 APF 时电网电流 FFT 分析总畸变率1.81%01234789 10 115612 1316 17 18 1914 15谐波次数05152025303510谐波占比/（%基波）图 12 采用 LCL 型 APF 时电网电流 FFT 分析4 结论APF 通过产生谐波电流与电网谐波电流实时抵消,能有效提高电能质量,因而得到广泛应用23。本文针对在 APF工作过程有开关频率附近的谐波电流产生，提出 LCL 型APF 混合滤波装置，在降低非线性负荷谐波的同时，还能滤除开关频率附近的谐波。通过 MATLAB/SIMULINK 建立混合滤波器仿真模型，经过 FFT 分析对比，可以得到系统电流的 THD 值从 30.97%降到 1.81%，达到了国家标准规定的谐波电流 THD 小于 5%的限定值。验证本模型不仅可以能够动态抑制谐波，而且能够很好地滤除开关谐波。参考文献 1 陈志伟.基于 IEC61850 的配网自动化通信技术研究 D.山东大学,2012.2 张宁.提高供电系统电压质量的措施 J.计算机产品与流通,2020(02):86.3 王艳军.浅谈电力系统谐波危害和治理 J.黑龙江科技信息,2011(29):62.4 何娜,黄丽娜,武健,徐殿国.基于粒子群优化算法的混合有源滤波器中无源滤波器的多目标优化设计 J.中国电机工程学报,2008(27):63-69.5 涂春鸣,罗安,刘娟.无源滤波器的多目标优化设计 J.中国电机工程学报,2002(03):18-22.6 易皓,卓放,詹文达,翟浩.用于并联型有源电力滤波器的谐振调节器选择性特性比较分析 J.中国电机工程学报,2014,34(30):5320-5328.7 周柯,王凯,刘路,覃奇,楚红波.一种改进型并联混合有源电力滤波器及其控制 J.中国电机工程学报,2012,32(30):67-72+12.8 童力,邹旭东,张允,康勇.基于自适