1、基于載波相移并聯有源電力濾波器研究    摘要：并聯有源濾波器能夠實時的補償電網諧波，本文分析了其基本的工作原理，采用了基于瞬時無功功率ip、iq 諧波檢測方法,將載波相移技術運用到有源電力濾波器的控制中，實現了在較低的器件開關頻率下實現較高的開關頻率的效果.搭建了APF 系統的仿真模型并對其仿真實驗，實驗證實了采用該控制策略的并聯有源濾波器具有良好的補償性能，驗證了它的正確性和有效性。關鍵詞： 并聯有源電力濾波器；載波相移；諧波控制；仿真0 引言隨著電力電子器件在工業中的大規模應用，電力系統的諧波污染也愈加嚴重,電力諧波的治理已經成為一個廣泛關注的課題

2、。有源電力濾波器（APF）1具有響應速度快，能夠動態補償電網中的各次諧波，并對無功、不平衡等分量有選擇地進行補償的優勢，因而受到了廣泛的研究與應用。為了提高有源電力濾波器對于中高壓、大容量系統諧波電流的補償性能，各國的研究者相繼提出了諸多電路拓撲結構和控制方法。目前研究最多的是二極管鉗位型三電平變換器和級聯H 橋型變流器拓撲結構。文獻2-3分別論述了基于二極管鉗位型三電平變換器的有源濾波器，不同之處在于采用的控制策略不同，前者為電流跟蹤無差控制方法，后者將SVPWM控制運用到三電平APF 的控制中，并對其進行了分析研究。但是采用二極管箝位式三電平變換器，所需器件較多，并且直流側電容之間的電壓相

3、互影響，增加了控制的復雜性。相對于二極管鉗位型三電平變流器，級聯式多電平具有模塊化、直流側電壓相互獨立，適用于中高壓、大容量系統等優點，現已在有源電力濾波器中得到應用4-5。本文采用載波相移SPWM（CPS-SPWM）6-9控制三相Y 連接H 橋型變流器，將其運用到三相并聯型APF 系統中，提升了APF 系統的容量，并基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，實現了對有源濾波器補償電流準確的檢測、有效的電流補償，基于MATLAB 軟件平臺進行了分析研究，結果表明了方案的可行性和正確性。1 并聯有源電力濾波器的結構與原理本文采用級聯H 橋型三電平變流器作為有源電力濾波器，如圖1 所示。APF 的每相有

4、一個全橋整流模塊構成，變流器的直流側接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源。網側電流可以表示為：labc cabc i = i + i sabc （1）將負載電流表示成由基波分量Lf i 和諧波分量Lh i 組成的形式：labc lfabc lhabc i = i + i （2）并聯APF 在系統中相當于一個諧波補償電流發生器，通過檢測負載諧波電流分量lhabc i ，產生與負載諧波分量大小相等、方向相反的諧波電流- lhabc i ，令:cabc lhabc i = ?i （3）從而實現線路中電流諧波分量的抵消，進而將網側電流補償為正弦波，即：sabc labc cabc

5、 lfabc i = i + i = i （4）此時，該系統只含有基波分量，實現了補償諧波的目的。2 基于瞬時無功理論的 ip、iq 諧波檢測有效地進行系統諧波檢測是良好控制有源電力濾波器的基礎，基于瞬時無功的p i 、q i 諧波檢測方法是目前應用較多的方法，它容易實現，并且在電網電壓正常和畸變的條件下均能夠準確的檢測。p i 、q i 諧波檢測法的原理圖10。3 載波相移 SPWM 控制策略并聯有源濾波器能夠有效的補償電網諧波，隨著中高壓、大容量系統的廣為增加，傳統的小容量并聯有源電力濾波器，難以滿足要求，隨之滿足需求的大容量并聯有源電力濾波器呼之欲出，但是與之而來的控制問題是傳統的SPW

6、M 技術和電流滯環控制方法由于受到功率開關器件容量和開關頻率的限制而難以有效的應用于大功率有源電力濾波器中。本文將采用CPS-SPWM 技術控制的級聯H 橋式變流器運用到APF 系統中，電路拓撲結構并沒有增加，卻提升了APF 系統的容量，并且通過采用CPS-SPWM 控制方法不僅可以在較低的器件開關頻率下實現較高的開關頻率的效果，而且在提高變流器容量的同時，有效的減少了輸出諧波，提高了信號的傳輸帶寬，更好的實現諧波補償。載波相移SPWM（CPS-SPWM）技術實際上是SPWM 技術與多重化技術的有機結合11，CPS-SPWM 技術的靈活運用，進而使SPWM 技術在大功率場合得以應用。其基本思想

7、是：在電壓型變流器中，各個變流器單元采用共同的調制信號，各三角載波的相位相互錯開，錯開的相位決定于所控制的變流器的單元數和所采用的三角載波的周期。本文采用了3 個H 橋級聯的形式組成所需的變流器，運用CPS-SPWM 對其進行分相控制。圖3 所示為CPS-SPWM 的控制原理圖，現以A 相為例詳細闡述CPS-SPWM 控制的基本原理：選取變流器單元為3，采用共同的調制波M(t)，其頻率為m w ，采用2 列三角載波( ) 1 M t c 、( ) 2 M t c ，二者相移 弧度，2 列載波的頻率均為c w ，每個載波與共同的調制波進行比較，分別產生控制信號，使得相應的開關組合導通。圖3 中所

8、示1 A 、2 A 、1 B 、2 B 分別對應A 相H 橋型變流器單位的四個功率器件。4 仿真研究為了驗證所述控制策略的正確性和有效性，本文在Matlab/Simulink 軟件下搭建了SAPF系統仿真模型，如圖4 所示。系統模型參數為：電網線電壓為380V,頻率為50Hz；諧波源為三相不控整流橋施加阻感負載,R=0.1,L=1mH,直流側Rd=10,Ld=2mH； SAPF 變流器單元直流側電容C =1500F,直流電壓設定為U =600V,輸出電抗器電感值為L =0.5mH，器件開關頻率為1kHz。采用瞬時無功功率的p i 、q i 諧波檢測方法檢測到電流諧波波形，圖6 和圖7 分別給出

9、了無SAPF 和加入SAPF 諧波補償后的網側電流波形。基于瞬時無功功率的p i 、q i 諧波檢測方法，能夠對諧波電流進行準確的檢測，為采用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補償電流，最終得到期望的電流波形，如圖6、圖7 所示，加入采用載波相移控制的并聯APF 補償后，網側電流波形近似為正弦波；而補償前，網側電流總諧波畸變率為23.75%，加入并聯型APF 補償穩定后網側電流總諧波畸變率為1.57 %，補償后電網諧波總畸變率符合國標的要求，諧波補償效果明顯進而說明了采用CPS-SPWM 控制的并聯型APF 能夠有效的進行諧波補償。眾多時候負載不是恒定不變的，本文通過改變負載相關參數來模擬負載變化的條件，進一步驗證所述控制策略的有效性。負載突變的條件下，加入SAPF 系統補償后網側A 相電流波形如圖8 所示，網側諧波源發生突減負載和突加負載時相電流波形，在負載變化的時候，加入SAPF 后，相電流波形為近似正弦，實現了諧波補償。可以看出，本文采用的控制策略能夠快速跟隨負載變化做出補償，具有良好的動態響應性能。5 總結本文基于瞬時無功功率理論的p i 、q i 諧波檢測方法對電網電流諧波進行檢測，將CPS-SPWM 控制方法和級聯H 橋式三電平變流器應用到三相并聯型APF 系統中，提高了有源