【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 在MATLAB/SIMULINK的仿真平臺(tái)下搭建無(wú)差拍與SVPWM相結(jié)合的仿真模型，驗(yàn)證主電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法是合理的，分析交流側(cè)電感值、直流側(cè)電壓值對(duì) APF 性能的影響。仿真結(jié)果表明采用無(wú)差拍與SVPWM相結(jié)合的控制方法能快速的跟蹤補(bǔ)償電力系統(tǒng)中的諧波電流，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。2有源電力濾波器結(jié)構(gòu)及諧波電流檢測(cè)方法 有源電力濾波器原理圖如21所示，圖中是交流電源，非線性負(fù)載相當(dāng)于諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功功率。概括的說(shuō)APF是由：指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩大部分構(gòu)成。補(bǔ)償電流發(fā)生電路又包括電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及主電路三部分，指令電流運(yùn)算電路的功能是檢測(cè)出非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流及無(wú)功電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路是根據(jù)電壓和電流互感器檢測(cè)的非線性負(fù)載產(chǎn)生的電壓和電流，經(jīng)指令運(yùn)算電路計(jì)算得出諧波電流指令信號(hào)，該信號(hào)在補(bǔ)償電流跟蹤控制電路經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)變流器的開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到補(bǔ)償?shù)闹C波電流，由此產(chǎn)生的諧波電流與負(fù)載電流中的諧波電流分量抵消，得到期望的正弦電源電流。主電路采用PWM變流器，當(dāng)產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，PWM變流器作為逆變器產(chǎn)生正弦電流；當(dāng)電網(wǎng)向APF直流側(cè)電容充電時(shí)，作為整流器工作，它既工作于逆變又工作于整流狀態(tài)，因此稱之為變流器。圖21有源濾波器原理圖APF工作的基本原理:檢測(cè)非線性負(fù)載中諧波電壓或諧波電流的瞬時(shí)值，將得到的瞬時(shí)值經(jīng)指令電流運(yùn)算電路的運(yùn)算得出需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘?hào)，然后通過(guò)補(bǔ)償電流發(fā)生電路的控制策略和PWM技術(shù)，產(chǎn)生與系統(tǒng)中的諧波幅值大小相等、極性相反的實(shí)際補(bǔ)償電流，經(jīng)交流側(cè)電感注入電網(wǎng)中，與諧波相抵消，最后得到期望的標(biāo)準(zhǔn)正弦波波形。 當(dāng)補(bǔ)償諧波電流時(shí)，APF檢測(cè)出負(fù)載電流中諧波電流為，將其反極性后，作為補(bǔ)償電流指令信號(hào)，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的與幅值大小相等、方向相反的實(shí)際補(bǔ)償電流，因此，電源電流中只含有基波成分。此種方式達(dá)到抑制電源電流中諧波的效果，具體公式如式（21）所示， （21）式中，為負(fù)載電流的基波分量當(dāng)APF在補(bǔ)償諧波的同時(shí)要求補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功功率，則需要在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加取與的基波無(wú)功分量幅值相等、極性相反的成分。這樣電源電流與的基波有功分量相。由APF的基本工作原理可知，APF包括兩大部分，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。有源濾波器主要包括諧波檢測(cè)和無(wú)功電流檢測(cè)，有源濾波器性能的好壞取決于是否能精確的檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量，并能動(dòng)態(tài)跟蹤。諧波檢測(cè)不是將各次諧波分量分解出來(lái)，而是檢測(cè)諧波電流或基波無(wú)功電流。當(dāng)三相電流不對(duì)稱時(shí)，需要檢測(cè)出除基波正序有功分量之外的諧波電流。為了防止電網(wǎng)中的諧波污染，各國(guó)紛紛頒布了限制電力系統(tǒng)無(wú)功和諧波的法規(guī)。因此，電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功進(jìn)行檢測(cè)、抑制及補(bǔ)償是治理電網(wǎng)中諧波污染的途徑。 諧波電流的檢測(cè)有多種方法，下面對(duì)目前常用的諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述。(1)基于頻域分析的傅立葉變換（FFT）檢測(cè)法。用傅立葉變換檢測(cè)法檢測(cè)諧波和無(wú)功分量是幾個(gè)常用的方法之一。通過(guò)電網(wǎng)系統(tǒng)中負(fù)載電流信號(hào)的FFT分析，得到負(fù)載電流中各次諧波分量。隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片的運(yùn)算速度不斷提高，用FFT分析檢測(cè)諧波用時(shí)越來(lái)越短，提高了實(shí)時(shí)性。FFT檢測(cè)方法的不足可以概括為，當(dāng)信號(hào)不是周期性信號(hào)時(shí)，用FFT分析就會(huì)帶來(lái)較大誤差；需要進(jìn)行FFT變換及反變換兩次變換，計(jì)算量大；當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變或者頻率波動(dòng)時(shí)，非同步采樣誤差變大，從而產(chǎn)生柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏效應(yīng)，降低檢測(cè)精度。（2）模擬帶通或帶阻濾波器檢測(cè)法。大多數(shù)情況用50Hz的帶通或帶阻濾波器濾除負(fù)載電流中的50Hz基波分量，獲得諧波電流分量。該檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、易于調(diào)整。缺點(diǎn):濾波器可能相移致使輸出信號(hào)畸變，出現(xiàn)檢測(cè)誤差；元件參數(shù)影響濾波器的中心頻率，很難獲得理想的幅頻、相頻特性；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，過(guò)多的基波分量會(huì)在檢測(cè)的諧波電流中，影響檢測(cè)精度，相應(yīng)的需要增加APF的補(bǔ)償容量；不能單獨(dú)分離基波有功和無(wú)功電流。(3)基于Fryze功率定義檢測(cè)法。這種方法是將負(fù)載電流分解為與電網(wǎng)電壓波形一致的有功電流分量和垂直于電壓波形的無(wú)功電流分量?jī)蓚€(gè)正交分量。該方法的缺點(diǎn)是得計(jì)算出負(fù)載的有功功率和電網(wǎng)電壓的有效值，并且有一個(gè)工頻周期以上的時(shí)間延遲，不適用于負(fù)載頻繁變化的電力系統(tǒng)；無(wú)法分離基波無(wú)功和諧波電流，因此該方法不適合僅補(bǔ)償基波無(wú)功電流或者諧波電流的電力系統(tǒng)。(4)基于三相瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)方法。1984年，日本學(xué)者首先提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，隨后研究者們分別提出了兩種諧波電流檢測(cè)方法:法和法。這兩種方法都能準(zhǔn)確地檢測(cè)出三相三線制對(duì)稱電路中的諧波電流。這兩種方法的區(qū)別是：當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱無(wú)畸變、負(fù)載電流對(duì)稱時(shí)，都能準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波電流分量、基波電流的有功分量、無(wú)功分量；當(dāng)電源電壓和負(fù)載電流均對(duì)稱畸變時(shí)，運(yùn)算方法仍能準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波電流，而運(yùn)算方法就存在誤差。當(dāng)三相電壓或三相電流畸變時(shí)，方法或運(yùn)算方法都存在檢測(cè)誤差，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功分量和諧波電流的完全補(bǔ)償。瞬時(shí)無(wú)功功率理論的提出以及法和法的出現(xiàn)，極大的推動(dòng)了APF的發(fā)展。這種方法的缺點(diǎn)是需要用到很多模擬乘法器，計(jì)算量大，對(duì)參數(shù)依賴性大，調(diào)整困難，易產(chǎn)生誤差。這種檢測(cè)方法當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，檢測(cè)精度不理想，因此多用于三相平衡電路系統(tǒng)。(5)自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法。該方法利用的是自適應(yīng)噪聲對(duì)消原理，原始輸入是負(fù)載電流，參考輸入為電網(wǎng)電壓，將負(fù)載電流中與參考輸入的電網(wǎng)電壓波形相同的有功分量消去，剩下的就是所有諧波與無(wú)功電流的和。此檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其運(yùn)行特性幾乎不受元件參數(shù)的影響，對(duì)器件特性依賴不大；因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生頻率波動(dòng)和波形畸變時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)仍能正常工作，具有比較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，能較好地跟蹤信號(hào)，但需要得到電網(wǎng)電壓的相位，因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，實(shí)時(shí)跟蹤檢測(cè)信號(hào)的變化，具有自適應(yīng)性，然而該算法是在知道電網(wǎng)電壓的相位信息的前提下。這種算法的局限性：它需要選擇合適的步長(zhǎng)，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間進(jìn)行折衷選擇。下圖是檢測(cè)原理圖，用到了由一個(gè)鎖相環(huán)PLL和一個(gè)正余弦信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。由瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算出瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流，經(jīng)過(guò)低通濾波器得到直流分量、后，再經(jīng)反變換得出基波有功分量、與負(fù)載電流相減得出諧波分量、。圖22是檢測(cè)方法的原理圖。 圖22 法的檢測(cè)過(guò)程框圖諧波檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)：由上分析可得，諧波檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1） 諧波檢測(cè)算法向智能化、實(shí)用化發(fā)展，求解方法也將從函數(shù)解析向信號(hào)處理過(guò)渡；（2）隨著硬件的精度、速度和可靠性的不斷提高，高性能檢測(cè)算法將會(huì)應(yīng)用到檢測(cè)方法中；（3）諧波檢測(cè)效果主要體現(xiàn)在精度、速度和實(shí)時(shí)性。改善現(xiàn)有方法中檢測(cè)精度高則速度慢，檢測(cè)速度快則精度低的弊端。研究新的諧波特性辨識(shí)方法，提高檢測(cè)精度；（4）諧波檢測(cè)、分析與控制集成在一起，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、分析與控制一體化；（5）完善現(xiàn)有的諧波檢測(cè)理論體系，提出新的更過(guò)高效諧波檢測(cè)方法。本章小結(jié)：本章介紹了有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析幾種常用的檢測(cè)方法，給出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)法的原理圖。最后通過(guò)對(duì)常用的諧波檢測(cè)技術(shù)的分析，給出了諧波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。3 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法主電路參數(shù)對(duì)有源電力濾波器的補(bǔ)償效果有重要影響。元器件的參數(shù)的合適與否不僅關(guān)系到有源濾波系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，而且還會(huì)影響有源濾波器的補(bǔ)償性能指標(biāo)以及濾波器的成本因素。APF主電路參數(shù)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定直流側(cè)電容和電壓、交流側(cè)電感、計(jì)算主電路開(kāi)關(guān)器件的額定參數(shù)等。有源電力濾波器容量與補(bǔ)償對(duì)象容量大小和補(bǔ)償目的有關(guān)。APF的容量為： （31） 式（31）中，U為APF在電力系統(tǒng)中接入點(diǎn)相電壓的有效值；為APF產(chǎn)生的最大補(bǔ)償電流有效值。由上式可得，與的大小和U有關(guān)。采用APF補(bǔ)償諧波時(shí)，補(bǔ)償電流為負(fù)載電流中諧波成分。當(dāng)有源電力濾波器只補(bǔ)償諧波時(shí)，有。由于電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載為三相橋式全控整流器，其。當(dāng)系統(tǒng)中負(fù)載電阻為10Ω時(shí)，不接入有源電力濾波裝置時(shí)測(cè)得系統(tǒng)中負(fù)載電流約為55A。，通過(guò)式（31）得需要采用的有源電力濾波器的容量為10KVA。直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的條件之一，如果直流母線電壓不穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流和諧波電流不準(zhǔn)確，還有可能造成電壓過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件擊穿。因此直流母線的控制至關(guān)重要。當(dāng)APF正常工作時(shí)，實(shí)際補(bǔ)償電流跟隨指令電流 的呈鋸齒波形狀變化，相對(duì)于原理圖，以A相為例則： （32）式中，Ka是開(kāi)關(guān)系數(shù)，表31中是主電路中各個(gè)工作模式相應(yīng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)，1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止；0”表示上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。表31主電路工作模式下對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)的值工作模式主電路各相的工作狀態(tài)開(kāi)關(guān)系數(shù) 1 1 0 0 0 1 12/31/31/3 2 0 1 0 1 0 11/32/31/3 3 1 1 0 0 0 11/31/32/3 4 0 0 1 1 1 01/31/32/3 5 1 0 1 0 1 01/32/31/3 6 0 1 1 1 0 02/31/31/3當(dāng)時(shí)，需要使得補(bǔ)償電流增大，APF中A相橋壁上橋壁應(yīng)導(dǎo)通，下橋臂應(yīng)關(guān)斷，由表51得，為2/3或1/3，如果取為1/3，則， （33）要使跟蹤，應(yīng)使得增大，要求 （34）根據(jù)上式得 （35）其中為電網(wǎng)相電壓的峰值。由上式得出，直流側(cè)電容電壓的取值應(yīng)該是電網(wǎng)系統(tǒng)相電壓峰值的3倍。在保證3倍的情況下，電壓值越大，補(bǔ)償性能越好。但是相應(yīng)的對(duì)開(kāi)關(guān)耐壓的要求越高，成本也將增加，因此在選擇直流側(cè)電壓時(shí)要綜合考慮。直流側(cè)電壓取900V時(shí)，APF的補(bǔ)償效果最好。在有源電力濾波器的主電路中，功率開(kāi)關(guān)器件的選擇要求決定了有源濾波器諧波補(bǔ)償電流的跟蹤能力，功率開(kāi)關(guān)器件的選擇需要綜合考慮直流側(cè)電壓以及補(bǔ)償電流等相關(guān)參數(shù)。在選擇功率開(kāi)關(guān)器件之前應(yīng)當(dāng)先考慮到其容量以及工作頻率。參考有源濾波器容量以及逆變器直流側(cè)電壓來(lái)決定IGBT的型號(hào)。其次，根據(jù)補(bǔ)償諧波頻率的高低來(lái)選擇器件的工作頻率。器件工作頻率的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際要濾除負(fù)荷電流最高次諧波的次數(shù)來(lái)確定，根據(jù)采樣定理，開(kāi)關(guān)頻率必須為最高次諧波頻率的 2 倍以上。但實(shí)際上，當(dāng)頻率調(diào)制比（器件的開(kāi)關(guān)頻率與最高次諧波頻率之比）低（比如低于 7 ~11）時(shí)，會(huì)造成鄰近譜瓣互相重疊，發(fā)生所謂混疊，使得波形出現(xiàn)明顯失真。 理論上，器件的開(kāi)關(guān)頻率越高，有源濾波器對(duì)諧波的補(bǔ)償能力越強(qiáng)，補(bǔ)償諧波的效果越好， 但隨著開(kāi)關(guān)器件開(kāi)關(guān)頻率的增高，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增加，器件工作時(shí)對(duì)散熱的要求也越高，同時(shí)器件的價(jià)格也會(huì)越高。最后，應(yīng)根據(jù)器件的耐壓水平、電流水平、開(kāi)關(guān)頻率及散熱要求，綜合考慮主電路的成本，選擇合適的開(kāi)關(guān)器件。目前普遍應(yīng)用的電力電子開(kāi)關(guān)器件主要有三 類 ：MOSFET 器件、IGBT 器件和 GTO/IGCT 器件，MOSFET 器件具有很高的開(kāi)關(guān)頻率，且容量較小，而 IGBT 器件具有較高的開(kāi)關(guān)頻率， 且容量也較大，而 GTO/I GCT 器件工作頻率在 1000Hz 以下，在有源電力濾波器中不適用。因此在有源電力濾波器中主要采用的開(kāi)關(guān)器件為 MOSFET 和 IGBT。IGBT是一種N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)控(電壓)復(fù)合器件，兼有功率MOSFET和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)：電壓驅(qū)動(dòng)、輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低、耐壓高、電流大。對(duì)于中小容量的有源濾波器， 變流器可以選用 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件，采用較高的開(kāi)關(guān)頻率；對(duì)于較大容量的有源電力濾波器， 可以選用 I GBT 作為開(kāi)關(guān)器件。目前，IGBT最大容量可達(dá)6500V/600A，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)2KHz。根據(jù)上面的分析，本文的10kVA并聯(lián)型有源電力濾波器選擇IGBT作為主電路開(kāi)關(guān)器件，其參數(shù)設(shè)計(jì)主要是器件的電壓等級(jí)和電流等級(jí)的選擇。器件電壓的選擇決定于APF直流母線電壓，一般取IGBT耐壓為的2倍左右即可以滿足要求。器件的電流決定于APF最大補(bǔ)償電流有效值，考慮一定的安全裕度，通常取IGBT的額定電流為的2倍左右。開(kāi)關(guān)頻率取決于所要補(bǔ)償?shù)淖罡叽沃C波的頻率。本文需要補(bǔ)償?shù)闹C波的最高次諧波是50次，對(duì)應(yīng)的頻率為50 50Hz=2500Hz。有源電力濾波器要對(duì)50 次諧波有較好的補(bǔ)償效果，開(kāi)關(guān)器件的工作頻率最好在 7 2500Hz = 17 500Hz 以上。本文的APF系統(tǒng)容量定為10KVA，可得出的電流，由式（31）得： (36)因此選擇電壓值為1800V最大可關(guān)斷電流約為30~5 0A，的IGBT。主電路直流側(cè)電容的作用是來(lái)維持的穩(wěn)定，維持變流器直流側(cè)和交流側(cè)的能量互相變換。但是在實(shí)際中，不會(huì)是一個(gè)恒定值。如果選擇的電容值大，那么電容的重量和體積就會(huì)增大，成本也相應(yīng)的增加；如果選擇的