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并聯(lián)型有源電力濾波器新型諧波檢
李廣兵1 ，蒲玉興2
(1.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410124 ； 2.湖南大學(xué)，長沙 410124)
摘 要：由于分布式電網(wǎng)中的非線性 、不平衡負(fù)載和無功負(fù)載的增加，造成了諧波電流、負(fù)載不平 衡電流、中性線電流和低功率因數(shù)等影響電能質(zhì)量的問題，通常使用并聯(lián)型有源電力濾波器來實(shí)現(xiàn)諧波消除、無功補(bǔ)償、負(fù)載不平衡電流和中性線電流消除。在有源電力濾波器的諧波檢測方面，分析了傳統(tǒng)基于瞬時(shí)無功功率理論方法的不足，提出了新的諧波檢測方法，采用滑動平均濾波器 (moving average filter, MAF)代替低通濾波器（low pass filter, LPF)進(jìn)行直流分量的提取，克服了低通濾波器導(dǎo)致的傳統(tǒng)檢測方法實(shí)時(shí)性和動態(tài)性不強(qiáng)的缺陷，同時(shí)簡化了模型結(jié)構(gòu)：搭建了仿真與實(shí)驗(yàn)平臺，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新的諧波檢測方法具有良好的檢測效果和優(yōu)越性：關(guān)鍵詞：并聯(lián)型有源電力濾波器 ；非線性負(fù)載；屯能質(zhì)量；滑動平均濾波器(MAF)
0 引言 在分布式電網(wǎng)中 ，非線性負(fù)載，如變壓器、飽和線圈、復(fù)雜電力電子設(shè)備等容易造成電網(wǎng)效率低、 功率因數(shù)低等問題，影響到其他用電設(shè)備正常運(yùn) 行，因此，分布式電網(wǎng)的諧波抑制和功率因數(shù)矯正 成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。并聯(lián)型無源濾波器，如調(diào)諧LC濾波器和高通濾波器等，可以用來抑制電網(wǎng)的諧 波，進(jìn)行功率因數(shù)矯正，但是，無源濾波器補(bǔ)償效果有限 ，濾波器體積大 ，容易產(chǎn)生諧振現(xiàn)象3近年來的研究表明 ，有源濾波器可以代替無源濾波器 ，有 效補(bǔ)償非線性負(fù)載帶來的諧波和無功功率。
根據(jù)應(yīng)用需求來分 ，有源電力濾波器可以分
為：串聯(lián)型、并聯(lián)型 、串并聯(lián)相結(jié)合3種類型 ，也可 以和無源濾波器結(jié)合形成混合型濾波器 。其中 ，并 聯(lián)型有源電力濾波器類似于配電網(wǎng)無功補(bǔ)償器 (STATC0M)，當(dāng)作電流源使用 ，向電網(wǎng)中注人與負(fù) 載諧波電流幅值相同、相位相差180°的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到消除電網(wǎng)諧波電流的目的。
有源電力濾波器的工作原理是:利用濾波算法檢測負(fù)載電流或者電網(wǎng)電流 ，獲得需要補(bǔ)償?shù)碾娏鲄⒖贾担缓蟛捎靡欢ǖ碾娏骺刂撇呗陨煽刂菩盘柨刂谱儞Q器進(jìn)行諧波補(bǔ)償。在諧波檢測方面，文中分析了基于瞬時(shí)無功功率原理的檢測法，該檢測法簡單易實(shí)現(xiàn)，但是，低通濾波器的存在，導(dǎo)致諧波補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性、動態(tài)性不強(qiáng)，諧波檢測與補(bǔ)償精度不夠，電網(wǎng)電流的總諧波畸變率(THD)較大 ?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；诖?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">，本文提出了一種新的諧波實(shí)時(shí)檢測方法，該方法采用滑動平均濾波器代替了低通濾波器進(jìn)行直流分量的提取 ，克服了ip-iq檢測法因低通濾波器導(dǎo)致的實(shí)時(shí)動態(tài)性不強(qiáng)的缺陷，同時(shí)簡化了模型結(jié)構(gòu) ，具有良好的檢測效果及優(yōu)越性 。
1 并聯(lián)型APF基本原理 本文研究的有源電力濾波器采用電壓型逆變器 ，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示 。
圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
當(dāng)電網(wǎng)帶非線性負(fù)載時(shí) ，負(fù)載電流會出現(xiàn)畸變 ，其包含基波和諧波成分，諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍 ，負(fù)載電流為
電網(wǎng)電壓可以表示為
那么，負(fù)載的瞬時(shí)功率可以寫為
將式（1）—（2）帶人式（3）可得
式（4）中：Pa（t）為基波有功功率; Pr（t）為無功功率 ，Ph(t)為諧波功率 。
在有源電力濾波器對電網(wǎng)諧波進(jìn)行完全補(bǔ)償后
式(5)中
式(6)中，Im=I1cosφ
所以
從式（7）可知，要補(bǔ)償諧波功率關(guān)鍵就是要求需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流isn*(t)
2 傳統(tǒng)諧波檢測方法
近年來
圖2 ip-iq諧波檢測算法
圖2的諧波檢測方法中用到了低通濾波器，低通濾波器決定了該諧波檢測方法的動態(tài)性能和檢測精度
3 新型諧波檢測方法
基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測方法不能兼顧動態(tài)性能和檢測精度，實(shí)際上
圖3 改進(jìn)的ip-iq諧波檢測算法
滑動平均濾波器離散表達(dá)式為
有源電力濾波器采樣頻率設(shè)定為5 kHz，那么每個(gè)基波周期要采樣N=100個(gè)數(shù)據(jù)
圖4 滑動平均濾波器采樣原理圖
令輸入x(n)=ejwn,則由x(n)=ejwn引起的輸出
定義H(ejw)為系統(tǒng)的頻率響應(yīng)
式中：ω = 2πfTs = 2πf/fs；fs = 1/Ts
DN(ejw
其中fs = 5kHz
設(shè)計(jì)截至頻率為22.59 Hz的二階IIR型 Butterworth低通濾波器與滑動平均濾波器對比
式(11)-(12)表示的滑動平均濾波器和低通濾波器的幅頻特性對比如圖5所示。
圖5 滑動平均濾波器和低通濾波器幅頻響應(yīng)
從圖5可以看出滑動平均濾波本質(zhì)上為一個(gè)低通濾波器
4 實(shí)驗(yàn)研究
有源電力濾波器的控制方案如圖6所示
本實(shí)驗(yàn)在一臺功率為5 kW有源電力濾波器上進(jìn)行的，采樣頻率5 kHz
圖8為采用傳統(tǒng)諧波檢測方法的實(shí)驗(yàn)波形
圖6 有源電力濾波器控制框圖
圖7 有源電力濾波器試驗(yàn)平臺
表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
圖8 采用傳統(tǒng)方法的實(shí)驗(yàn)波形
圖9為采用新型諧波檢測方法的實(shí)驗(yàn)波形，自上而下分別為電網(wǎng)電流波形
對a相負(fù)載電流
圖9 采用新型方法的實(shí)驗(yàn)波形
表2 負(fù)載電流
5 結(jié)束語
針對瞬時(shí)無功理論進(jìn)行有源電力濾波器諧波檢測動態(tài)響應(yīng)慢和精度差的問題，提出了基于滑動平均濾波器的改進(jìn)諧波檢測方法 |
、
經(jīng)過變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下瞬時(shí)有功分量isp、無功分量isq
sp
、
)為滑動平均濾波器振幅函數(shù)
、
，然后與有源電力濾波器實(shí)際輸出電流
、
相比較，經(jīng)過
