混合有源电力滤波器的仿真研究

1 引言
    电力电子产品广泛应用于工业控制领域，并且用户对电能质量要求越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波问题。因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。低成本的无源滤波器PF(Passive Filter)是目前普遍采用的补偿方法，但其滤波效果与系统运行参数密切相关，在特定情况下无源滤波器还可能与系统发生谐振。80年代以来，利用功率开关的有源电力滤波器APF(Active Power Filter)的研究越来越引起人们关注。APF是一种用于动态谐波抑制、无功补偿的新型电力电子装置，但是由于电源电压直接加在逆变桥上，其对开关器件电压等级要求较高；当负载谐波电流大时，有源滤波装置的容量也相应较大；对于高于有源滤波器开关频率的谐波也无法通过有源滤波器滤除，因此同时具有较大的补偿容量和较宽的补偿频带较为困难。
    将APF与PF相结合，合理分担补偿需求，可使APF容量减小。混合型补偿方案的基本原理就是将常规型APF上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而可显著降低有源装置的容量，充分发挥PF的高耐压、大容量、易实现等特点以及APF所具有的宽谐波抑制范围和自动跟踪等优势。

2 无源滤波器
    用于谐波治理的传统方式为并联无源LC滤波器，选定R、L、C的参数，使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振，从而达到抑制谐波的目的。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器实际应用较多的是单调谐滤波器，它是利用电感、电容的串联谐振原理构成的。

3 有源滤波器
    有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波分量，达到实时补偿电流的目的。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，还补偿负载的无功，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流无功分量反极性的成分即可。这种滤波器可对频率和大小都随时间变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速动态跟踪补偿。
    (1)谐波检测谐波的测量方法包括采用模拟带通(或带阻)滤波器、基于傅里叶变换的谐波检测分析、基于瞬时无功功率的谐波检测等。在谐波和无功电流的实时检测中运用最多的是基于瞬时无功功率的谐波检测方法。这里采用以瞬时无功理论为基础的p-q运算法来实时检测谐波。p-g运算法的原理框图如图1所示。

    图1中，C23=C32T，该方法将三相电路各相电压和电流的瞬时值变换到α-β两相正交的坐标系上，根据定义算出瞬时实功率p、瞬时虚功率q，经低通滤波器LPF得p、q的直流分量。电网电压波形无畸变时，p为基波有功电流与电压作用所产生，q为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由p、q即可计算出被检测电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。将iaf、ibf、icf与ia、ib、ic相减，即可得出谐波分量iah、ibh、 ich。
    (2)电流跟踪控制模块的建立由于有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，即具有很好的动态响应特性，因此其控制大多采用跟踪型控制技术。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过比较两者的瞬时值决定逆变电路各器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号发生变化。目前主要采用滞环比较器的瞬时值比较方式(hysteresis control)和三角波线性比较方式(tri-angle wave linear control)，这里采用后者。

4 混合型有源电力滤波器电路的建立
    混合型有源电力滤波器电路结构如图2所示。

    由无源和有源滤波器构成的混合滤波器有两种基本连接方式：串联型(SHAPF)和并联型(PHAPF)，这里采用后者。其中，特定次谐波主要由无源滤波器补偿，采用多个单调谐滤波器组成，单调谐滤波器的调谐频率根据被补偿对象的谐波成分确定，无源滤波器可由5次、7次和11次单调谐滤波器构成。有源滤波器采用电压型逆变器，输出各次谐波电压的叠加，用以滤除电网的部分谐波并抑制电网阻抗与无源滤波器之间的谐振。输出滤波器采用LC低通滤波器，用以滤除电压型逆变器开关器件产生的高频毛刺。

5 仿真分析
    有源电力滤波器采用PSIM进行仿真计算，其参数设置为：有源电力滤波器电网电压为线电压 380 V，频率为50 Hz。谐波源为常见的晶闸管三相桥式整流电路带感性负载，主要谐波含量为5次，7次谐波。有源滤波器作用下的仿真结果如图3所示，图4为其仿真结果的傅里叶分析。

    由仿真结果可看出，未投入有源电力滤波器前的负载电流谐波很大，投入有源电力滤波器可抵消严重畸变的电网谐波电压，使负载谐波电流相对基波总畸变率THD 由30．44％下降为5.3％(其中5次、7次、11次谐波分别下降了25．12％、5．56％、4．74％)，对于高次谐波也有良好的滤波特性。电网电流的波形在经过补偿后接近为正弦波，有源电力滤波器具有良好的滤波效果。但仅在有源滤波器的控制作用下，补偿电流约为70 A，有源滤波器承担的补偿容量较大。因此，可以将补偿含量较大的低次谐波任务由无源滤波网络承担。对图2所示的混合有源电力滤波器进行仿真实验，结果如图 5所示。

    对混合有源电力滤波器中，无源滤波器与有源滤波器各自输出的补偿电流进行傅里叶分析，结果如图6所示。

    由图6a、b可看出，含量较大的5次、7次谐波主要通过无源滤波器滤除；输出电网电流中基本不含5次、7次谐波成分。有源滤波器对5次、7次谐波有一定的补偿作用，但补偿值大大降低，如图6c所示．因而其容量相对于单独使用有源电力滤波器情况下大为减少。

6 结束语
    理论分析和仿真结果表明，混合型APF的电路结构充分发挥无源滤波器和有源滤波器各自优点，并减小了有源滤波器的容量，改善了无源滤波器的性能，达到了所设计的目标。特别适用于高压大容量场合下进行谐波和无功功率的综合治理。