采用滞环电流控制的三相并联型有源电力滤波器

核心提示：　　1前言随着电力电子装置的广泛应用，各类非线性负载产生的谐波和无功电流对电网的影响日益严重。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能对变化的负载电流进行动态谐波和无功补偿。在各类有源电力滤波器中，并联

　　1前言随着电力电子装置的广泛应用，各类非线性负载产生的谐波和无功电流对电网的影响日益严重。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器能对变化的负载电流进行动态谐波和无功补偿。在各类有源电力滤波器中，并联型有源电力滤波器能够有效地补偿谐波电流源型非线性负载产生的无功和谐波电流它己被广泛研究并有实际产品问世而并联型有源电力滤波器的性能在很大程度上取决于有源电力滤波器电流指令信号获取的速度和精度以及逆变器输出电流的控制策略到目前为止，应用于并联型有源电力滤波器电流指令信号的获取方法主要是基于瞬时无功功率理论的方法，采用电流采样保持的检测方法和基于电流信号频谱正交性的正弦波调制检测方法第1种方法需要的乘法器多，成本较高，实现电路复杂；第2种方法对电路元器件精度要求较高，调整困难；第3种方法需要模拟乘法器，成本也较高另外，并联型有源电力滤波器可以采用基于非线性的滞环电流控制器，结构简单，鲁棒性好但普通的滞环电流控制器的开关频率在很大程度上依赖逆变器输出电流和交流侧电压的变化，滞环宽度设置困难，逆变器的保护实现困难基于以上分析，本文提出一种采用指定谐波消除脉宽调制技术的指令信号获取方法和最高开关频率受限的滞环电流控制器的三相并联型有源电力滤波器下面具体分析系统的工作原理和设计方法2系统的工作原理三相并联型有源电力滤波器的基本结构如所示图中，有源滤波器与负载并联联接，逆变器采用三相桥式电压源逆变器其输出侧接滤波电感，滤除逆变器功率开关元件开关动作引起的谐波电流三相交流电源电压、三相电源进线电流、三相有源电力滤波器输出电流和三相负载电流分别如所示。

　　设三相交流电源电压为对称正弦波，三相非线性负载电流对称。有源滤波器的逆变器采用输出电流闭环控制，可以将有源滤波器看作电流源设三相电源电压为Us电压幅值而三相非线性负载电流可以表示为可见，负载电流可以分为3部分。

　　为下面分析方便，画出N为5时，双极性指定谐波消谐PWM波形如a所示采用幅值为1的指定谐波消除PWM波形调制幅值为/Lp的直流信号时，输出信号的波形与指定谐波消除PWM波形形状相同，只是信号的幅值变为/Lp它们的频谱分布必然相同，幅值不为零的第一个谐波位于（2N+1）处假设负载电流信号基波的频率和指定谐波消除PWM波形基波的频率相同，指定谐波消除PWM波形的基波与a相电压同相，幅值为1a相电流iaL波形如b所示，其可以按照式（2）分为3部分指定谐波消除PWM波形对负载电流调制后的信号为iaLM，其波形如c所示iaLM可以表示为若保证负载电流中不含2N次以下低次谐波，上的交流信号的最低频率为2倍电源电压基波频率，而直流量只有3.2检测电路设计通过以上分析，采用指定谐波消除PWM波形对各相负载电流进行调制、滤波，可以得到基波有功电流幅值，采用指定谐波消除PWM波形对基波有功电流幅值进行调制、滤波，可以得到各相负载有功电流的瞬时值，从而可以得到逆变器输出电流的信号。

　　所需的各路指定谐波消除PWM波形的发生电路如所示指定谐波消除PWM波形的发生电路结构图中，检测电源a相电压，通过滤波电路得到电压基波成分，通过过零比较将正弦波转化为占空比5（%的方波信号这样做主要为消除电源电压畸变的影响。经过锁相电路21倍频，得到高频脉冲信号，方波信号的上升沿和某个脉冲信号的上升沿重合对脉冲信号计数，得到EPROM的M位地址，并按照电源a相电压周期对计数器进行复位通过查表读出预存在EPROM中的3路指定谐波消除PWM波形EPROM的字节为8位，可以同时存放8路不同相位的脉宽调制波形。设计时，取调制系数为1，开关角数为20，按照表1确定各脉冲的相位，可以保证指定谐波消除PWM波形在理论上不含41次以下的低次谐波，有利于设计相关的低通滤波电路。各路PWM信号的基波相位取决于电源a相基波电压相位，基波幅值与交流电源电压的幅值无关可以通过改变EPROM数据方便地改变各路PWM信号的基波相位，电路滤波器ArE的结构和参数相同。滤波器AB和C为保证调制前负载电流不含37次以上的高次谐波电流3路指定谐波消除PWM信号通过模拟开关S1S2S对负载三相电流调制，3个模拟开关输出求和、滤波得到负载基波有功电流的峰值。该直流信号再经模拟开关S4S调制后生成2个双极性指定谐波消除PWM信号PWM信号经过低通滤波器DE后即为负载的ab相基波有功电流ab相补偿反获得。采用特定消谐PWM技术可以拓宽低通滤波器A~E的通频带信号在处理过程的幅值变化，全部通过滤波器的放大倍数平衡PWM信号SW1SW2SW3的基波相位在电源a相电压的基础上还要考虑滤波器ABC的相移。该电路没有模拟乘法器，成本低。

　　采用上述检测电路能够保证无论负载对称与否，电源输入电流为三相对称采用指定谐波消除PWM技术的检测电路3.3逆变器直流侧电压的控制方法三相并联有源电力滤波器的主电路消耗有功功率，造成直流侧电压的平均值变化直流电压是波动的通过直流侧电压局部闭环调节并联电力有源滤波器输入或输出的基波有功电流，保证直流侧电压的平均值恒定。直流电压的稳定度直接与基波有功功率变化和直流滤波电容的取值相关。

　　采用电压源逆变器的并联型有源电力滤波定频脉冲发牛器滞环比较器器，通过合理选择和控制直流侧电压，能够保证逆变器的输出电流是完全可控的这里，直流电压控制采用传统PI调节器，如虚线部分所示直流电压给定值为600V3.4逆变器输出电流的控制方法并联型三相有源电力滤波器的指令电流（包括负载谐波无功电流和有源滤波器自身消耗的有功电流）的发生采用滞环电流控制方式滞环电流控制是电压源逆变器输出电流的一种有效的非线性控制方法为克服普通滞环控制的缺点，这里采用最高开关频率受限的滞环电流控制器。其中一相的电路结构如所示。

　　逆输出电流并联有源滤波器的控制电路结构图逆变器实际输出电流与其指令信号的差经过滞环比较器形成方波脉冲信号经过D触发器在一定频率下采样后，得到三相PWM信号。在采样周期内，逆变器的开关状态保持不变，限制了逆变器的最大开关频率。这种PWM控制器结构简单，对电路参数不敏感。

　　4系统实际生成一路PW/M信号波形及其步页谱Y轴：谐波含量；X轴：谐波次数采用上述方法发生的一路指定谐波消除PWM波形及其频谱如所示其基本不含39次以下谐波略含低次谐波的原因主要由于同步信号生成电路的高频脉冲频率不是无穷大，实际生成PWM波形的开关角与理论计算值间存在误差；另外，模拟开关也不可能是理想开关所以，实际电路中低通滤波器A~E的截止频率比理论计算值略低为负载相电流波形及其频谱，为有源滤波器稳定工作后电源相电流波形及其频谱。并联有源滤波器工作后，电源相电流的谐波含量大大降低，其波形接近正弦。并联有源滤波器的补偿效果是十分明显的Y轴：谐波含量；X轴：谐波次数（4丫轴：1，15八胳；轴：/，5瓜8胳（b）Y轴：谐波含量；X轴：谐波次数本文对提出的三相并联型有源电力滤波器的基本工作原理检测电路和控制电路的设计进行了深入的分析和研究将指定谐波消除PWM技术用于检测电路，省去模拟乘法器，电路成本低。采用开关频率受限的滞环电流控制器控制逆变器输出电流，控制电路结构简单，可靠性高实验结果表明，本文设计的系统能有效地实时补偿非线性负载产生的谐波和无功电流