混合电力滤波器

混合电力滤波器（精选9篇）

混合电力滤波器 第1篇

电力谐波是工业现代化的主要副产品之一,日益严重的谐波污染对配电系统造成了严重危害。为保证电能质量,我国已相继出台了适用于不同场合的谐波标准[1]。

目前,为达到谐波及无功标准,很多工厂已经装设了无源电力滤波器(PPF),结构简单,技术成熟,但滤波效果差且易受电网参数影响。为了在原有滤波系统上解决PPF的固有问题并改善滤波效果,混合型有源电力滤波器(hybrid active power filter,HAPF)应运而生[2]。文献[3]提出将APF与PPF串联后接入电网,此时APF需要流过所有基波及无功电流,容量较大;文献[4]提出APF与PPF并联接入电网,APF需要承受电网电压,不适合高压系统;文献[5-6]提出外加谐振注入式HAPF,利用LC谐振特性将基波成分剔除,但注入支路仍设计在5、7次附近,且系统结构较复杂,所需电感、电容较大。

本研究提出一种高频并联混合型有源电力滤波器(high frequency-HAPF,HF-HAPF),在原有PPF基础上另加一条混合支路,通过对混合支路的单调谐滤波器设计以及控制参数设计,在不影响低频谐波补偿效果的条件下,可提高谐波补偿带宽,显著改善高频谐波电流补偿效果,同时抑制PPF谐振,高频混合支路结构简单,有源部分容量小。

1系统结构与原理分析

1.1主电路拓扑

HF-HAPF由高频混合支路和PPF并联组成。 PPF包含5、7次两组LC单调谐滤波器;高频混合支路由单调谐滤波器与APF直接串联后并入电网,无需耦合变压器隔离,主要滤除11次及以上次高频谐波电流,改善滤波效果。系统结构框图如图1所示。APF不承受基波电压且主要补偿高次谐波,容量小,故功率开关器件可采用功率MOSFET。

u S —电网电压;L S ,L F ,C F —电网等效电感、混合支路电、电容,负载为二极管不控整流电路

1.2HF-HAPF工作原理

本研究将APF控制为受控电压源uc,其输出电压参考为电网谐波电流iSh的K倍,即uc*= KiSh。忽略电网谐波电压,可得系统谐波等效电路如图2(a)所示, 分析可得:

式中:ZSh,ZFh,ZPh—电网、混合支路单调谐滤波器及PPF的谐波阻抗,ZCh= ZPhZFh/(ZPh+ ZFh) ;iLh—负载谐波电流。

APF相当于在电网上串联一个大阻抗,强迫谐波电流流入滤波支路,对iSh等效电路如图2(b)所示。 研究表明,只要有源增益K足够大,就能够降低系统参数变化对HF-HAPF滤波效果的影响[7]。

2混合支路单调谐滤波器参数选择

考虑在高频混合支路补偿范围内,11、13次谐波电流占主要部分,调谐频率应选在13次基波频率附近,保证在相同的有源增益K下,可以兼顾更多高频分量。

参数具体设计还应满足以下原则:

(1)尽量降低单调谐支路阻抗,提高滤波效果;

(2)为了减小有源滤波容量,应尽量减小基波电流,降低对直流母线电压的需求。

3HF-HAPF控制分析与设计

根据图1拓扑和HF-HAPF工作原理可得系统整体控制框图如图3所示。当系统参数一定时,系统补偿效果取决于K值和APF输出电压环的设计。

3.1滤波特性分析

根据图2谐波等效电路,分别推导出网侧谐波电流增益GSL_H(s) 和高频混合支路谐波电流增益GAL_H(s) :

APF增益K对滤波特性的影响如图4所示。 K取不同值时,对网侧谐波电流在5、7次基波频率处的电流增益影响较小,对高频混合支路13次附近的高频电流增益影响也较小,但对高频混合支路的5、7次谐波电流增益有较大影响,即对低频谐波在有源支路和纯无源支路的分流有重要影响,K越小,高频混合支路低次谐波电流越小。因此,适当减小K的值,可以在保证总体滤波效果不改变的情况下,减小高频混合支路的容量,提高系统稳定性,有针对性地对11次及以上的高次谐波进行滤除。

HF-HAPF滤波系统与纯无源滤波系统的谐波抑制特性比较如图5所示。可见,HF-HAPF系统在保证对5、7次谐波电流抑制效果的同时,抑制了无源滤波器与电网的谐振,并且极大改善了对11次及以上的高次谐波电流抑制效果。

3.2控制器设计

本研究采用的控制策略原理框图如图6所示。电网电流经基波旋转坐标变换得到瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq,将它们同时通过低通滤波器(low pass filter,LPF),就可分离基波分量和谐波分量。

主控制采用双闭环结构,APF输出电压环和DC电压环。由于变换器无输出滤波器,采样得到APF输出电压uc为开关次高频量,需要在控制网络中加入LPF对其进行开关周期平均处理,滤除开关次及其边频带谐波,从而方便控制器的设计[8]。APF输出低频成分与参考值的差值经过补偿环节G2(s) ,再利用SP-WM技术得到开关信号,控制APF进行谐波补偿。 APF直流母线电压的控制通过对直流电容充放电调节[9]。当udc低于其参考量时,由于有源混合支路在基波频率下呈容性,电流超前电网电压约π/2,故APF输出超前电压π/2基频量即可从电网吸收能量,从而使电压升高,反之亦然。所以直流电压反馈环的控制量为iq而不是id。

实验中取直流电压参考值150 V,APF增益K为10,控制器参数为:

4仿真与实验

为验证以上分析,本研究对HF-HAPF系统进行了Matlab闭环仿真和样机实验。系统部分参数为:不控整流负载10 k W;电网电压220 V;电网分布电感0.15 m H;混合支路电感0.86 m H、电容70 μF;5次滤波支路电感4.1 m H,电容100 μF,Q=25;7次滤波支路电感2 m H、电容100 μF,Q=25;开关频率20 k。

PPF补偿时电网电流如图7所示。

其他条件不变,不同K值下,电网及高频混合支路电流如图8所示。

图7和图8中各电流的总谐波畸变率(total har-monic distortion,THD)和各次谐波含量如表1所示。 由表1可知,加入高频混合支路后,补偿效果明显改善, 补偿频带较宽;不同的K值下,网侧电流谐波含量变化很小,对整体滤波效果的影响较小,但高频混合支路的5、7次分量在K值增大时增大很多,有源容量增加。因此,合理选择K值可以不改变滤波效果而减小有源容量。

负载电流iLa、PPF滤波时网侧电流iSppf、HF-HAPF滤波时网侧电流iShf的实验波形如图9所示。 PPF滤波时,网侧电流THD为14.2%,加入高频混合支路后电网电流正弦度较好,网侧电流THD为5.5%,滤波效果明显改善,与理论分析和仿真结果相符,验证了HF-HAPF系统的有效性。

5结束语

本研究提出的高频并联混合型有源电力滤波器, 有源模块无输出滤波器,容量小,可采用功率MOS-FET,从而提高开关频率,减小损耗。

本研究利用Matlab仿真和实验对该方案的有效性进行了验证。实验结果表明,该方案能够有效滤除11次及以上的高次电流谐波,进一步增强5、7次谐波滤除效果,同时抑制无源滤波支路与电网的谐振。网侧电流THD得到了很大改善,具有很高的工程实用性。

在接下来的研究中,可能需要对单调谐滤波器进行优化设计,以进一步优化系统容量,提升功率密度。

摘要：针对无源电力滤波器滤波效果差、易与其他无源设备或电网发生谐振等问题,提出了一种可采用功率MOSFET的高频混合型有源电力滤波解决方案。在现有的无源滤波系统基础上,另加入一条单调谐并联混合型有源电力滤波器支路,使其有针对性的滤除11次基波频率及以上的高频谐波电流分量。根据滤波系统的基本工作原理,推导出电网和混合支路的谐波电流增益,详细分析了有源滤波器的谐波电流增益对谐波分流和抑制效果的影响,并对控制系统进行了分析设计。对所提出的方案进行了仿真研究,并进行了样机实验。研究结果表明,该方案可以明显改善整个系统的滤波效果,滤波频带宽、谐振抑制效果好,并且系统有源部分容量小。

关键词：无源滤波器,高频,有源电力滤波器,混合滤波,有源增益

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混合电力滤波器 第2篇

关键词： 农业图像；自适应维纳滤波算法；中值滤波算法；非局部均值滤波算法；噪声；清晰度

中图分类号：S126；TP391 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0424-02

随着农业智能化水平的快速发展，各类农业图像提供的大量信息已经成为农产品果实自动采摘 [1]、农作物长势、病害分析 [2]、农作物产量估算 [3]的重要依据，因此农业图像的处理和分析已经成为农业智能化发展的一个重要研究方向。近年来，小波变换 [4-5]、轮廓波变换 [6]、中值滤波 [7]、自适应维纳滤波 [8]、非局部均值滤波 [9-10]等算法相继被用于图像去噪处理，并取得了较好的效果；但对于细节信息复杂的农业图像而言，去噪效果往往不尽如人意。笔者在对该领域已有成果充分分析的基础上提出了一种农业图像自适应混合滤波算法，该算法对质量不高的农业图像采用改进型中值滤波算法和自适应维纳滤波算法进行处理，充分发挥2类算法的滤波优势，从而获得高质量的农业图像。

1 改进型中值滤波算法

中值滤波算法在对图像进行处理时，通过预先设定一定大小的窗口，这样的窗口尺寸可以是3×3或者5×5，将该类窗口在图像上按照一定的顺序进行滑动，当窗口中心点处于图像中某一像素点时，如果窗口尺寸为3×3，那么该像素点的滤波值可以表示成：

f=Median{f1，f2，f3，…，f8}。 （1）

其中：f为窗口中心点像素滤波后的灰度值；f1～f8为窗口中除中心点外的其余8个像素点的灰度值；Median{}为取中间值计算方式。大量试验结果表明，该算法对于普通的数字图像滤波效果较好；但一般来说农业图像细节信息比较多，因此为了将该算法应用于处理农业图像，有必要对其进行适当改进。其步骤如下：步骤1，统计（1）式中的最大值fmax和最小值 fmin；步骤2，在尺寸为3×3窗口中提出fmax和fmin，组成集合Q= {f1，f2，f3，…，f6}；步骤3，求取集合Q={f1，f2，f3，…，f6}的平均值faverage；步骤4，将fmax、fmin以及faverage组成一新的集合Q′={fmax，fmin，faverage}；步骤5，求取集合Q′的中间值f′=Median{Q′}，从而获得窗口中心点滤波后的灰度值。

2 自适应维纳滤波算法

3 试验仿真与结果分析

本研究算法基本思路是：（1）采用“1”节中提出的改进中值滤波算法对含有噪声的农业图像进行预处理；（2）采用“2”节所描述的自适应维纳滤波算法对经过改进中值滤波算法处理后的图像进一步进行噪声抑制。

对本研究算法采用Matlab软件进行编程，试验数据为一幅处于成熟期的桃子图像。为了对该算法的性能进行全面了解：一方面引入中值滤波算法、自适应维纳滤波算法、非局部均值滤波算法与本研究算法进行试验对比；另一方面对上述几类算法的试验结果采用峰值信噪比（peak signal noise to ratio，PSNR）进行定量分析与评估。相关试验结果分别如图1至图6所示，PSNR评价结果如表1所示。

由图1至图6可知，对于受到方差为15%的高斯噪声污染的农业图像（图2）而言，采用中值滤波去噪后，结果如图3所示，由此可以看出，图中的果实边缘基本能辨认出来，但桃子果实表面噪声依然较大，这说明单纯采用该算法无法有效去除图像中的噪声。中值滤波算法处理后结果见图4，图中噪声被抑制的程度要高于图3，总体而言图4的清晰度与图5比较接近，这说明非局部均值滤波算对于受到高强度噪声污染的图像而言去噪效果并不理想，不适合处理农业图像。本研究算法处理结果如图6所示，图中的噪声基本得到消除，果实、叶片边缘基本从噪声中恢复出来，果实表面残留的噪声比较少，视觉效果整体上与图1最接近。由表1可知，4种算法对农业图像的去噪效果随着噪声强度的提高而降低，并且当噪声方差为15%时，本研究算法的PSNR值明显高于其余3种算法，这说明本研究算法对农业图像的处理是有效的。

4 结语

为了实现对农业图像的有效滤波，将改进中值滤波与自适应维纳滤波这2类算法有机结合提出了一种针对该类图像的自适应混合滤波算法。仿真试验结果表明，本研究提出的滤波算法基本适合于处理农业图像，其效果稍稍优于已有的同类型图像，对农业图像的处理具有一定的参考价值。

参考文献：

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混合电力滤波器 第3篇

随着电网中各种各样的非线性设备, 如工业用电弧炉, 变压器, 旋转电机, 现代电力电子设备等的大量使用, 谐波问题日益突出。大量的谐波会使电网中电气设备产生附加的谐波损耗, 影响设备的正常工作, 甚至损坏电气设备造成事故。随着电力电子技术的飞速发展, 利用有源电力滤波器解决电力系统中的谐波问题已经成为一种重要手段。有源电力滤波器受电网阻抗的影响比较小, 不容易和电网阻抗发生谐振, 可以实现对电网谐波和无功的实时动态补偿, 将网侧电流补偿成为正弦波。本文利用MATLAB中的Simulink对并联混合型有源电力滤波器进行建模与仿真, 通过仿真结果来说明并联混合型有源电力滤波器的补偿效果。

1 并联混合型有源电力滤波器的原理

并联混合型有源电力滤波器的单相拓扑结构如图1所示。

混合型有源电力滤波器包括无源滤波器和有源滤波器两部分, 有源电力滤波器系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路组成。谐波和无功主要由无源滤波器补偿, 有源部分承受电压很低, 因而有源滤波器容量可以做得很小。图1中以单相系统为例 (可推广到三相系统) , 无源滤波器设置了3次和5次纯调谐支路, 根据需要还可设置7次, 9次或者高通滤波器。有源滤波器 (APF) 可以改善无源滤波器的补偿效果, 防止电网和无源滤波器之间可能发生的谐振。耦合变压器起到隔离、匹配变流器电压与电流容量的作用。

2 谐波电流的实时检测

谐波电流的实时检测是有源电力滤波器正常工作中的一个重要环节, 谐波电流实时检测的精度将直接影响到有源滤波器的补偿性能。目前广泛采用基于瞬时无功理论的ip和iq运算方式, 电路原理框图如图2所示, 设三相电路的电压和电流瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic。

图2中将三相电流瞬时值ia、ib、ic变换到α-β两相正交坐标系上得到iα、iβ, 根据定义计算出三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq, 经过低通滤波器LPF得出ip、iq的直流分量 即可算出被检测电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf, 进而计算出谐波分量iah、ibh、ich。图2中,

C-1为C的逆矩阵。该谐波电流检测方法中由锁相环 (PLL) 和正、余弦发生电路产生与a相电压ea同相位的正、余弦信号sinωt和-cosωt。

本文中用MATLAB所搭建的仿真模型中的谐波实时检测模块是同时检测电网侧的电流与负载侧的电流, 这种控制方式中, 指令电流信号主要来自负载电流, 在其作用下, 可对负载电流中的谐波电流进行很好的补偿。而检测电源电流的作用主要是抑制有源滤波器和电网阻抗之间的谐振, 是一种比较理想的控制方式。

3 电流跟踪控制电路

在有源滤波器中, 由谐波检测环节得到补偿电流的指令信号, 补偿电流发生电路根据此指令信号产生补偿电流。电流跟踪控制电路根据实际补偿电流与指令信号之间的关系得到控制主电路各个开关器件通断的PWM信号。

目前电流跟踪控制方法主要有周期采样控制、滞环比较控制、三角波比较控制。本文对并联混合型有源电力滤波器的仿真中采用电流滞环比较的控制方式。

将实际补偿电流信号ic与产生补偿电流的指令信号ic*的差值Δic作为滞环比较器的输入, 从而产生控制有源滤波器主电路中开关器件通断的PWM信号, 控制补偿电流ic的变化。

4 仿真模型

利用MATLAB中的Simulink模块、Sim PowerSystems工具箱等建立并联混合型有源电力滤波器的仿真模型。电网电压为35k V, 非线性负载采用三相桥式不可控整流器。各部分如下:

4.1 无源滤波器

无源滤波器采用LC串联调谐滤波器, 由电容器和电抗器串联而成。本文仿真模型中设置了调谐于5次、7次谐波及高通滤波器三个部分, 具体参数如表1所示。

4.2 有源滤波器

主电路采用3个“H桥”共用1个电容的形式, 在每相的“H桥”前端设置了耦合变压器, 使有源部分的电压电流等级与无源部分相匹配。

直流侧电容电压Uc按照公式 (4) 设计

式 (4) 中, Em为交流电源相电压的峰值。

本文仿真模型中选取Uc为100k V。

4.3 谐波检测

谐波检测仿真模型如图3所示, 主要由零序电流运算模块、三相锁相环 (3-Phase PLL) 、三相/两相变换模块、低通滤波器 (LPF) 以及有源滤波器直流侧电容电压PI调节模块构成。本文仿真中对并联混合型有源滤波器采取的是复合控制方式, 即同时检测电源谐波电流和负载谐波电流, 对各次谐波的滤除作用比较明显。

4.4 滞环比较

滞环比较仿真模型如图4所示。将实际补偿电流与产生补偿电流的指令信号通过滞环比较器从而产生控制有源滤波器主电路开关器件通断的PWM信号。仿真中滞环比较器的环宽设置为10。

5 仿真结果

通过MATLAB搭建并联混合型有源电力滤波器的仿真模型进行仿真, 得到未经过混合型有源电力滤波器补偿的负载电流波形及频谱和补偿后的电源电流, 分别如图5-6所示。

从图5中可以看出负载电流中存在大量的5次、7次谐波。谐波的总畸变THD=110%。

从图6中可以看出经过混合型有源电力滤波器补偿后的电流中已经基本不含有谐波成分, 谐波的总畸变THD=1.25%。

通过对并联混合型有源电力滤波器的仿真研究, 仿真结果验证了并联混合型有源电力滤波器在电力系统中治理谐波的良好性能, 为以后并联混合型有源电力滤波器的广泛生产和应用提供了理论基础。

摘要：并联混合型有源电力滤波器能很好地补偿谐波源产生的谐波。文中有源滤波器主电路采用3“H桥”共用一个电容的形式。利用MATLAB中的Simulink模块对并联混合型有源电力滤波器进行建模仿真, 并对仿真结果进行分析。

关键词：有源电力滤波器,并联混合型,3“H桥”,谐波,MATLAB仿真

参考文献

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混合电力滤波器 第4篇

关键词：有源电力滤波器；谐波治理；应用

中图分类号： TM7 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）10-145-2

0 引言

在欧美工业和电力技术发达的的国家，电网中对有源电力滤波器的应用极其广泛，这让电网的整体供电质量得到有效提升，其中就包含对谐波的治理。随着我国工业化进程的不断推进，谐波成为影响工业用电的主要问题，对我国的工业发展带来严重的阻碍。目前有源电力滤波器在我国电网中的应用取得了一定的成果，但从整体上来看谐波仍然严重影响着我国电网的正常运行，所以对于我国的工业发展而言，加强对有源电力滤波器在谐波治理中的应用研究有着重要意义。

1 谐波产生的原因及其危害

1.1 谐波产生的原因

1.1.1 因发电源质量问题产生的谐波。

在发电机发电的过程中，由于发电机内部三项绕组的制作不能达到绝对意义上的对称，所以在发电机的实际运行中会产生谐波。同时，发电机内部铁芯也不能达到绝对意义上的均匀一致，所以也会导致发电机工作时谐波的出现。

1.1.2 配电网问题引起的谐波。

在配电网和输电网中会有电力变压器的存在，而电力变压器在运行的过程中会不可避免的产生谐波，导致配电网和输电网在正常运行的时候受到谐波的影响。

1.1.3 用电设备产生的谐波。

由于用电设备中存在非线性负载，其在运行的过程中就会产生谐波，导致正常用电受到影响。

1.2 谐波的危害

1.2.1 导致输电和用电效率下降。

在电网运行的过程中，部分原件受到谐波的影响会有附加损耗的产生，这样就导致用电和输电的效率不断下降。

1.2.2 干扰和误动。

由于谐波的影响，电网中的自动控制装置和继电保护装置等会在运行的过程中受到干扰，有时甚至会出现误动的情况，严重影响电网的正常运行。

1.2.3 影响电气设备的安全。

在电网运行的过程中，当局部存在并联谐振或串联谐振的时候，谐波的性能会受到影响，其中最明显的是谐波电流被严重放大，导致电网中的电气设备不能安全运行，情况严重的时候还会诱发安全事故。

1.2.4 导致电气测量的计量误差。

在存在谐波的情况下，电器测量仪表会因为谐波的存在而不能正常工作，导致计量数据存在误差，从而给相关的用电户和供电企业造成经济损失。

2 有源电力滤波器的应用

2.1 有源电力滤波器的特点

①动态的补偿。当电网中存在谐波的时候，有源电力滤波器的应用，能让变化的无功功率和大小、频率都发生的谐波得到功率的补偿，并且能根据补偿对象的实时情况在极短的时间内完成补偿。

②不会对系统阻抗产生影响。从实际情况来看，高阻抗电流源是有源滤波装置的本質，所以系统阻抗不会因为它的接入而受到影响。所以对于有源滤波装置而言，其能够实现规模化和系列化的生产。

③有源滤波装置不会因为电网结构的变化而受到较大影响，不会与电网阻抗作用而产生谐波，并且还能有效抑制谐振的出现。

④能在没有储能元件的情况下完成对无功功率的补偿，并且在对谐波进行补偿的时候也不需要大的储能元件。

⑤当电网运行过程中线路上的谐波电流急剧上升时，有源滤波器不会出现过载的现象，其正常功能将不会受到影响，所以不必将其与系统断开。

⑥有源滤波装置能够有选择性地进行输出，其中可以在不输出基波无功功率的情况下完成对高次谐波电流的功率补偿输出。

2.2 有源电力滤波器的原理

有源电力滤波系统主要是由两个部分组成，分别是补偿电流发生电路和指令电流检测电路，其组成如图1所示。

对于指令电流检测电路，其主要是将基波无功电流和谐波电流分量从负载电流中分离出来，通过对其进行反极性处理之后发出补偿电流指令信号。根据主电路产生的补偿电流，电流跟踪控制电路能够通过计算得到主电路各开关器件的触发脉冲。触发脉冲在通过驱动电路之后到达主电路并对其产生作用。电源电流中在这样的情况下会只存在基波的有功分量，从而完成无功补偿并消除谐波。其工作原理如图2所示。

在有源电力滤波器中，PWM逆变器是主电路的主要组成。由于逆变器直流侧的储能元件有所不同，所以将有源滤波器分为电压型和电流型，其中电压型以电容作为储能元件，而电流型以电感作为储能元件。在使用电压型有源滤波器的时候，为了让直流侧的电压保持稳定不变，会采取一定的电容电压控制措施，所以PWM电压波是逆变器交流测的主要输出电波。而在使用电流型有源滤波器的时候，则需要通过对直流侧电感电流的控制，让直流侧的电流值保持固定，所以PWM电流波是逆变器交流测的主要输出电波。对于电压型有源滤波器而言，其在实际的应用中效率较高并且不会造成大量的损耗，所以在国内外得到了广泛的应用。对于电流型有源滤波器而言，其在实际使用的过程中始终会有电流流过电流测的电感，而在流经电感的时候会有大量的损耗，所以其在实际应用中较少出现。其中电压型有源滤波器和电流型有源滤波器的结构如图3和图4所示。

3 总结

随着我国工业的不断发展，谐波对电网的污染将会越来越严重，这对我国工业用电设备带来严重损害，从而影响电网的安全运行。同时，随着人们对环保的重视程度不断加深，绿色电网的概念也得到社会的广泛认同，谐波的治理将会成为提升电网绿色环保运行质量的必然手段。

参 考 文 献

[1] 王少杰.高压混合型有源电力滤波器关键技术在工业中的应用研究[D].湖南大学，2012.

[2] 李刚.新型并联混合型有源电力滤波器关键技术的研究[D].中南大学，2014.

[3] 刘聪.并联型有源电力滤波器谐波抑制性能优化技术研究[D].华中科技大学，2014.

[4] 杨灵芝.基于有源电力滤波器在变频调速系统中的谐波治理与应用研究[D].西南交通大学，2015.

混合电力滤波器 第5篇

关键词：混合有源电力滤波器,双谐振注入支路,广义积分预处理

0 引言

注入式混合有源电力滤波器(IHAPF)兼谐波抑制和大功率容性无功静态补偿能力于一身,兼顾了无源滤波器和有源滤波器的长处,性价比高,是目前工程应用中主要采用的形式[1,2]。其核心在于采用特定注入支路[2,3,4,5,6]实现基波电压有效分压、基波电流有效分流,使有源滤波器基本不承受基波电压和基波电流,从而达到降低有源滤波器容量的目的。

但是随着节能降耗工作的深入开展,目前大部分大型企业就近配备了无功补偿设备[7],却未配备滤波设备。因此,出现了电网无功需求不太大,但谐波多次严重超标的情况,严重威胁电网安全运行,在电源侧进行有效的谐波治理势在必行。然而由于注入支路对IHAPF注入能力的影响,为获得理想的注入能力,降低容量,就要选用较大的电容。在高电压等级应用时,IHAPF注入支路将产生大量容性无功,远超电网需求。另一方面,实际工程应用对控制方法有简洁性、精确性的要求。现有混合有源电力滤波器(HAPF)控制方法,如变结构控制[8]、分频控制方法[9,10],为达到精度要求,采用了大量繁琐计算,难以满足简洁性要求;而另一些控制方法,如滞环电流控制[11],虽然运算简洁,但精度不高。

针对以上情况,本文在研究现有典型IHAPF注入支路的基础上,提出了一种新型注入支路拓扑结构——双谐振注入支路,吸纳了串联谐振注入支路和并联谐振注入支路的优点,在保证注入能力的同时,可满足任意容量的无功补偿要求。同时,建立了适用于高压IHAPF的通用电气模型,以此为基础分析了注入式有源滤波器滤波原理及注入支路对滤波能力的影响,提供了注入支路参数设计依据;提出了一种以负载侧电流和有源电力滤波器(APF)交流侧电压为检测信号的闭环控制方法,以及基于d-q变换和广义积分的APF交流侧参考电压获取方法,实现了参考信号按频率调幅及调相,在简化计算的同时,提高了系统的滤波性能。

1 IHAPF的结构和基本原理

IHAPF采用基波分压或旁路电流的方式使串联在注入支路上的APF基本不承受基波电压和基波电流,从而达到降低APF容量的目的[2]。文献[3]提出了2种单谐振型APF,有源部分分别与基波谐振支路串联或者并联。本文提出的双谐振有源电力滤波器(DIHAPF)结构如图1所示。图中,L2,C2并联谐振于基波附近的某一频率,使并联支路基波阻抗为一极大值;L1,C1串联谐振于基波,旁路基波电流。即使发生较大的基波频偏,仍可保证并联谐振支路承受几乎所有基波电压;串联谐振支路仍发挥旁路基波电流的作用,从而在更大范围内保证APF不承受基波电压和电流。同时,通过调节L2,C2并联谐振频率,可以实现任意容量的容性或感性无功的补偿。

2 IHAPF注入支路参数对滤波效果的影响

当不考虑背景谐波电压时,IHAPF接入点n次谐波电压$\dot{U}{}_{\text{S}n}$由流过系统侧电网的n次谐波电流$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}$产生,仅与系统侧电网n次谐波阻抗ZSn及流过系统电网的n次谐波电流有关,且满足以下关系式:

$\dot{U}{}_{\text{S}n}=0-\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}{\rm Z}{}_{\text{S}n}(1)$

由于系统电网短路阻抗主要呈阻感性,在谐波域电阻在总阻抗中所占的比重很小。为便于分析,本文在频域模型中忽略电阻的影响,假定电网谐波阻抗为纯感性,即

${\rm Z}{}_{\text{S}n}=\text{j}n\omega L{}_{\text{S}}(2)$

式中:LS为系统电网电感值。

得电网电压为:

$\dot{U}{}_{\text{S}n}=-\text{j}n\omega L{}_{\text{S}}\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}(3)$

电压滞后电流90°。

IHAPF中的APF支路串联在注入支路上,串联型APF的一个主要特点就是作为受控电压源工作[2],本文将APF等效为一个受控电压源$\dot{U}{}_{\text{C}n}$。建立频域通用电气模型如图2所示。图中,$\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}$为负荷子网等效的电流源;$\dot{{\rm I}}{}_{2n}$为IHAPF向电网注入的电流。由图2列出HAPF注入点节点电流方程如下:

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}=\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}-\dot{{\rm I}}{}_{2n}(4)$

由式(4)可知,当注入电流与负荷电流同相时,HAPF滤波效果最好,此时系统谐波电流有效值为负荷电流有效值与注入电流有效值之差。由图4列出回路电压方程如下:

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}{\rm Z}{}_{\text{S}n}-\dot{{\rm I}}{}_{2n}{\rm Z}{}_{2n}+\dot{U}{}_{\text{C}n}=0(5)$

联合式(4)、式(5)化简可得注入电流与APF交流侧电压关系如下:

$\dot{U}{}_{\text{C}n}=\dot{{\rm I}}{}_{2n}({\rm Z}{}_{2n}+{\rm Z}{}_{\text{S}n})-\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}{\rm Z}{}_{\text{S}n}(6)$

当APF交流侧电压$\dot{U}{}_{\text{C}n}$满足式(6)要求时,网侧谐波电流将被完全滤除。由于ZSn呈感性,为在保证滤波效果的同时,降低APF容量,则需注入支路和系统电网串联所得阻抗Z2n+ZSn在主要次谐波呈感性,若注入支路在谐波域呈容性时,要使注入支路阻抗Z2n尽量小。

3 基于广义积分预处理的PI控制方法

由式(6)化简可得系统电源侧电流与负荷侧电流、APF交流侧电压关系如下:

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}({\rm Z}{}_{\text{S}n}+{\rm Z}{}_{2n})=\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}{\rm Z}{}_{2n}-\dot{U}{}_{\text{C}n}(7)$

由式(7)可知,$\dot{U}{}_{\text{C}n}$与$\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}{\rm Z}{}_{2n}$同相时,电源侧谐波电流滤除效果最好,且$|\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}|$与$|\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}{\rm Z}{}_{2n}-\dot{U}{}_{\text{C}n}|$成正比,即电源侧电流与注入支路电压成正比。当$|\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}{\rm Z}{}_{2n}-\dot{U}{}_{\text{C}n}|=0$时,流过电源侧的n次谐波电流也为0。因此,可通过对负荷电流与APF交流侧电压进行闭环控制来达到电流跟踪的目的。

由于在谐波域DIHAPF注入支路阻抗主要由电容决定,电感所起作用可忽略,为控制方法的通用性,本文仍以单谐振注入式有源电力滤波器(SIHAPF)作为控制参数计算的电气模型,可得注入支路阻抗:

${\rm Z}{}_{2n}=\frac{1}{\text{j}n\omega C{}_2}(8)$

代入式(7)可得:

$\dot{{\rm I}}{}_{\text{S}n}({\rm Z}{}_{\text{S}n}+{\rm Z}{}_{2n})=-\text{j}\frac{1}{n\omega C{}_2}\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}-\dot{U}{}_{\text{C}n}(9)$

由式(9),取APF交流侧参考信号为:

$\dot{U}{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}=-\text{j}\frac{1}{n\omega C{}_2}\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}(10)$

式中:$\dot{{\rm I}}{}_{\text{L}n}$为负载侧谐波电流,其系数为复数。

为获得参考信号,需对测量信号进行幅值和相位2方面的预处理,调幅系数为:

$k{}_n=\frac{1}{n\omega C{}_2}=\frac{1}{C{}_2}\frac{1}{n\omega }(11)$

相位偏移90°。

可知调幅系数及相位偏移均与谐波次数相关,为避免分频控制带来的繁琐处理,本文利用广义积分的性质进行调幅及调相。对n次谐波进行广义积分:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \int {\rm I}}{}_{\text{L}n}\cos n\omega t\text{d}t=\frac{1}{n\omega }{\rm I}{}_{\text{L}n}\sin n\omega t=\\ \frac{1}{n\omega }{\rm I}{}_{\text{L}n}\cos (n\omega t-90°)(12)\end{array}$

对于n次谐波,广义积分相当于对被积分谐波调幅1/(nω),并移相90°。因此,仅需对积分后信号乘以调幅系数1/C2,就可获得所需APF交流侧电压参考信号。由此,本文提出基于广义积分预处理的PI控制方法,仅通过对混合信号进行一次广义积分预处理,即可获得与分频控制同样的理性控制效果,大大简化了原有精确控制方法的繁琐计算,其系统框图如图3所示。

4 仿真及实验结果

针对广西某变电所35 kV侧主要为重工业负荷,电压等级高,各主要负荷都进行了一定容量的无功补偿,需集中补偿容性无功相对电压等级不大,5次、7次、11次和13次谐波均严重超标的具体工况,本文利用PSIM软件搭建了仿真模型,在单独注入式APF的基础上并联2组单调谐滤波器,分别调谐在250 Hz和350 Hz以滤除5次、7次谐波,并抑制11次、13次谐波,有源部分用来动态治理电网中的11次、13次剩余谐波;并联谐振支路谐振于47.6 Hz,补偿部分容性无功,与2组无源滤波器共同构成3级无功补偿系统,目标是使功率因数稳定在0.95附近。通过对注入支路的调整,使其分别工作在SIHAPF和DIHAPF这2种模式,并对治理效果进行对比分析。表1为SIHAPF和DIHAPF电气参数。

图4为采用2种APF治理前后系统35 kV侧电流波形,均采用基于广义积分预处理的PI控制方法,治理后功率因数均达到0.95以上。由图4(b)可以看出,采用SIHAPF治理后波形仍为锯齿状,谐波含量依然较大,谐波抑制效果不理想;由图4(c)可以看出,采用DIHAPF治理后电流波形基本呈正弦波,效果理想。采用DIHAPF,注入支路阻抗合理,在理想抑制谐波的同时,所需容性无功也得到较适宜的补偿。

在仿真的基础上,本文在实验室研制了一套DIHAPF,电感、电容参数如表1所示,逆变器选用三菱公司的智能功率模块PM450CLA120,开关频率为6.4 kHz,直流侧电容取值为10 000 μF/1 000 V,采用本文提出的基于广义积分预处理的PI控制方法,控制算法利用TMS320F28335实现。试验线电压380 V,负载为大功率整流装置加阻感负载。测量结果由Fluke 430系列电能质量分析仪测得,为反映预期治理情况,测量时对实验波形及数据进行放大,电压放大100倍,电流放大10倍。

图5为治理前后的电网电流波形,可以看出,DIHAPF投入前,电源侧电流因谐波存在,畸变严重;DIHAPF投入后,电源侧电流基本呈光滑的正弦波。同时,电源侧电流也有较大下降,电源侧无功获得有效补偿。表2为DIHAPF投入前后电源侧A相谐波电流,可知,治理后各次谐波电流均得到了有效抑制。同时测得有源部分交流侧基波线电压为66.60 V,可见有源部分基本不承受基波电压。

5 结语

本文提出了一种适用于高压系统的新型APF,解决了原有SIHAPF无功过补的问题,从电压等级和无功补偿适用范围2个方面拓宽了IHAPF的适用范围;建立了适用于中高压系统的注入式有源滤波器通用电气模型,并在此基础上提出了基于广义积分预处理的PI控制方法,采用d-q变换和广义积分的方法对负载侧电流进行预处理,实现了参考信号按频率调幅及调相,有效简化了现有精确控制方法的繁琐计算和处理。仿真及实验证明了本文提出的拓扑结构和控制方法的有效性和实用性。

参考文献

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混合电力滤波器 第6篇

电流跟踪控制方法的最终目的是要使APF输出来的补偿电流必须精确地跟踪其检测装置检测出来的谐波电流, 但是, 谐波电流的变化是实时的、动态的, 因此, 电流跟踪控制方法的好坏主要取决于该系统的3个方面, 即动态性、实时性和控制精度。到目前为止, APF的电流跟踪控制方法主要分为2大类:一种是滞环电流控制, 另一种是线性电流控制[2]。滞环电流控制的主要缺点是:开关频率、开关损耗和控制精度跟滞环宽度有很大的关系, 即滞环宽度整定的越小, 整个控制系统的精度就越高, 但是, 带来的问题是开关频率变得很大, 由此增加了开关损耗;线性电流控制的主要缺点是:电流响应速度比滞环控制要慢。另外, 还有其他的一些电流跟踪控制方法, 比如:神经网络控制、自适应控制和预测控制等, 这些控制方法都有各自的优缺点。

1 混合型有源电力滤波器的结构及工作原理

混合型有源电力滤波器的结构原理图如图1所示, 由原理图可以看出, 该结构由有源和无源2部分组成, 其中有源部分采用的是三相电压型逆变器装置, 无源部分采用了2组无源滤波器装置, 这2条无源支路的作用是用来抑制非线性负载产生的5次和7次谐波。另外电感L1、电容C1和CG组成了系统的注入支路, 其中电感L1、电容C1组成了基波频率串联谐振电路, 同时L1、C1和CG还可以作为单调谐滤波器使用, 其整体又组成了1条无源滤波支路。

2 电流跟踪控制算法分析

一般的PI控制算法针对的是变化缓慢的量或者是直流量, 对上述被控量可以达到无差控制, 但是如果被控量变为速度变化很快的周期量时, 会产生比较大的稳态误差[3], 因此不能再采用传统的PI控制算法。

递推积分PI算法的原理是分别对每个周期内的误差e (t) 各个采样点进行积分, 也就相当于有N个PI控制器同时工作[4][假定误差量e (t) 在每个周期有N个采样点]。

通过文献[5]可知递推积分PI控制算法可以保证随着时间的推移, 闭环控制系统的输出电流可以零误差的跟踪参考电流。并且递推积分PI控制算法不但可以使系统取得稳态无静差的理想效果, 而且还能够实现无差控制, 但是它还有和传统PI控制同样的缺点, 即响应速度比较慢。

为了解决系统响应速度慢的问题, 本文采用了一种模糊控制算法在线调整递推积分PI的系数[6], 图2为基于递推积分模糊PI控制系统结构原理图。

该控制算法的原理是:当系统电流跟踪误差比较大时, 主要采用比例控制, 此时, 误差有较快的减小速度, 当误差减小到一定范围内时, 改为积分控制, 以此来实现稳态无静差的效果, 所以该算法具有较快的响应速度和较高的控制精度。

3 仿真结果分析

根据以上对基于递推积分模糊PI控制器的研究, 通过Matlab软件里的模糊工具箱对模糊PI控制器进行设计, 并且在simulink下创建出整个基于递推积分模糊PI控制器仿真模型, 仿真结果如下:

图3和图4分别是基于递推积分PI控制器和基于递推积分模糊PI控制器APF补偿后三相系统电流波形。

通过Matlab软件测得图3和图4中系统动态响应时间分别为0.03s和0.015s, 即后者的动态响应比前者快了3/4个周波时间, 另外, 通过波形对比可以看出, 补偿后的系统电流波形图4比图3的正弦度要好, 说明模糊控制器提高了系统的稳态性能。

4 结论

以上仿真分析, 表明采用模糊算法在线调整递推积分PI的系数, 可以提高系统的响应速度, 验证了基于递推积分模糊PI控制器能有效改善系统的动态性能和稳态性能。

参考文献

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混合电力滤波器 第7篇

随着电力电子器件在工业中的广泛应用, 电网的谐波污染日益严重。谐波不仅影响电气设备的正常工作, 还给电网的安全运行带来了隐患。目前消除谐波的方法主要有无源滤波器 (Passive Filter, PF) 、有源电力滤波器 (Active Power Filter, APF) 和混合型有源电力滤波器 (Hybrid Active Power Filter, HAPF) [1]。由于HAPF集中了PF和APF的优点, 有助于减少系统的初期投资, 提高性价比, 越来越受到关注。其中, 1988年由F.Z.Peng等人提出的串联型混合有源电力滤波器[2] (Series Hybrid Active Power Filter, SHAPF) 是在并联PF的基础上, 由耦合变压器将APF串联入电网, 来改善PF的滤波性能。结构中, APF相当于受控的谐波电压源, 产生与流过它的谐波电流成倍 (即为控制放大倍数) 的谐波电压, 即相当于在电网中增加了一个阻抗值为的谐波阻抗, 从而增大了电网支路的谐波阻抗, 但同时对基波呈现0阻抗, 迫使更多的谐波流入无源滤波器中, 减少了电网中谐波含量, 从而改善了滤波性能。与单独的APF相比, 由于无源滤波器承担了大部分的滤波任务, SHAPF中的有源部分的容量大为下降, 从而具有良好的性价比, 但与传统的PF相比, 技术复杂, 且此时的有源部分仍然承担基波分量, 有源部分的容量和价格都居高不下。目前对APF及HAPF的研究热点和难点都集中在如何兼顾滤波性能的同时, 降低有源部分的容量。文献[3]提出了在传统的SHAPF的基础上, 在变压器的逆变器侧增设了谐振于电网基波频率的LC支路 (称为基波旁路型) , 给电网电流中的基波成分提供一条低阻抗的通道, 减轻逆变器的负担, 但是理论分析表面它对谐波的抑制效果也相应有所下降。文献[4]在文献[3]的基础上, 将原来并联在逆变器的交流输出端的基波串联谐振电路串联在逆变器的交流输出回路中 (称为串入式) , 并证明了其滤波特性更优。本文即是在此种结构的基础上进一步分析和讨论采用不同的控制策略时, 电网参数波动、谐波放大倍数、谐波次数等对滤波性能的影响, 为在不同的工况下采用何种控制策略以及控制算法提供了有效的指导。

2 串入式串联混合有源电力滤波器结构与工作原理

系统结构如图1所示, 主要由无源滤波器组、耦合变压器、电压源型逆变器、基波串联谐振电路组成。其中有源部分可近似等效为一谐波电阻K, 同时L1、C1基波串联谐振电路的阻抗为Z1, 则此时串联在电网中的部分的阻抗为Z=K+Z1, 所以等效阻抗Z的模长一定大于K。传统SHAPF的等效阻抗为K, 基波旁路型SHAPF的等效阻抗为K//Z1, 所以比较可得, 串入式SHAPF的滤波性能最好, 且阻抗随着频率的升高, 的模长也就越大, 所以有源部分只需对电网中的低频谐波成分进行部分补偿, 从而使逆变器的容量大为下降。

假设Ush、UCh、ILh分别为电源谐波电压、电压型逆变器等效成的电压源、负载谐波电流源;ZS、Z1、ZF分别为电网阻抗、L1、C1基波串联谐振阻抗、无源滤波器阻抗, 串入式SHAPF的单相等效电路如图2所示。

由图2, 根据基尔霍夫定律, 可得:

3 控制策略原理分析

控制策略1:

根据电源谐波电流来控制, 即UCh=K·ISh。得:

采用控制策略1时, 根据电网谐波电流的公式, 可推出此控制策略下的单相等效电路, 如图3所示。这种控制策略相当于在电网上增加了一个可调的谐波阻抗, 可通过控制APF来增大电网谐波阻抗, 从而使大部分的负载谐波电流能进入无源滤波支路而不是注入电网造成谐波污染, 同时对电网侧的谐波电压引起的谐波电流也有明显的抑制作用。但是由于K值不可能无限大, 所以, 不能完全消除电网中存在的谐波电流。

控制策略2:

根据负载谐波电流来控制, 即UCh=K·ILh。得:

采用控制策略2时, 根据电网谐波电流的公式, 可推出此控制策略下的单相等效电路, 如图4所示。这种控制策略实质上是等效于通过控制APF, 在改善无源滤波器的谐波阻抗的同时, 又增大了电网谐波阻抗, 从而可极大的提高滤波效果。对于某次谐波, 选择合适的滤波器参数, 当ZF=K时, 可完全消除负载中该次谐波污染。但是, 该控制策略不能改变电网谐波电压引起的谐波电流。该控制策略适合于电网侧无谐波电压、负载电流仅某次谐波较大、其他次谐波电流均很小的情况。

控制策略3:

根据电源谐波电压来控制, 即UCh=K·USh。得:

采用控制策略3时, 根据电网谐波电流的公式, 可推出此控制策略下的单相等效电路, 如图5所示。这种控制策略可有效的减小电网谐波电压产生的谐波电流, 当满足K=1时, 可完全消除电网谐波电压的影响。但该控制策略对负载谐波电流的抑制效果较差, 不能通过调节K值来减小负载谐波电流污染。

控制策略4:

根据负载谐波电压来控制, 即

采用控制策略4时, 根据电网谐波电流的公式, 可推出此控制策略下的单相等效电路, 如图6所示。这种控制策略相当于通过控制有源电力滤波器来改善无源支路的谐波特性。理论上可以实现电网中负载谐波电流的完全消除, 但当电网谐波电压含量也较高时, 系统对上述两类谐波电流的治理无法兼顾。

4 各种控制策略下滤波性能分析

通过分析系统结构, 各种控制策略的工作原理可知, 串入式SHAPF的性能主要受到负载谐波电流ILh的波动、电源谐波电压USh的波动、电网阻抗ZS的波动、电网频率f波动的影响, 下面就这些影响因素对上面的各种控制策略进行定量分析, 研究在这些因素的影响下, 何种控制策略的性能最优, 进行定量分析。

负载谐波电流IL的波动的影响:

定义有源电力滤波器的负载谐波电流波动影响系数为:

由以上可知, η1不仅与谐波频率有关, 还与放大倍数K有关。η1关于频率和K的图像如图7所示。

上图是不同控制策略下, η1与K及频率的关系图。由图可以看出, 控制策略4的效果最差, 纵轴的数量级和其他3个相差很大, 表示稍微的波动都会使系统的性能发生巨大的影响。控制策略2的η1值随着频率的增大先减小后增大, 在ZF=n KK2时, 达到最优的效果, 可完全消除负载该次谐波污染。控制策略1和控制策略3滤波效果相似, 但是控制策略1更好, 因为控制策略1的滤波性能随着K值的增大而更好, 但是控制策略3的性能确不受K值的影响。

电源谐波电压US波动的影响:

定义有源电力滤波器的电源谐波电压波动影响系数为:

由以上可知, η2不仅与谐波频率有关, 还与放大倍数K有关。η2关于频率和K的图像如图8所示。

由图可以看出, 控制策略1对电网谐波电压的抑制作用随着K值的增加而减弱。控制策略2对电网谐波电压对电流的影响不随K值的变化而改变, 且不能完全抑制电网谐波电压。在控制策略3下, 当K=1时, 滤波特性最好, n次谐波可以完全消除。控制策略4随着K值增加先减小后增大。

电网阻抗ZS波动的影响:

电网阻抗波动会影响有源电力滤波器输出电流的大小, 也会影响由谐波源电压在电网阻抗上产生的电流大小。由于除了有源电力滤波器之外, 整个系统还包括两个电源, 即电源谐波电压源和负载谐波电流源, 因此, 电网阻抗波动对混合型有源电力滤波器工作特性的影响也可以分为两个部分, 一部分是仅仅考虑负载谐波电流存在的情况下产生的影响, 另一部分为仅仅考虑电源谐波电压存在的情况下产生的影响。将这两部分的影响系数分别定义为:

由以上可知, η3和η4不仅与谐波频率有关, 还与放大倍数K有关, 如图9。由图9所示, 控制策略2和3较好。可以消除谐波放大现象。当K较小时, 控制策略2和3适合实用。

5结论

从以上分析可知, 这些控制策略都有各自的优势。对于HAPF的作用, 滤除负载谐波, 检测电源电流特性, 检测负载电流效果较好。通过检测负载电流不能抑制电源谐波电压。且通过检测电源电流, 特性易受波动影响。通过检测负载电流可以消除波动的影响。所以, 对于不同的谐波对象, 通过比较选择合适的控制策略, 使HAPF更加有效和稳定地运行。

参考文献

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混合电力滤波器 第8篇

在科学技术与工业生产飞速发展的今天，社会生产力高度集中，电能已经成为了无可替代的主力能源，无论是在工业生产还是日常生活中，人类都根本无法离开电能的使用。然而正是因为电能所应用的范围越来越广泛，电网中出现的问题也越来越多样化，各种线性负载出现在电网中，电力污染愈发严重。为了提高电能质量，促进电力能源的使用效率，滤波装置的研究逐步引起了人们的重视。有源电力滤波器因为各种强大的补偿功能、能适应各类情况的组合方式使其成为了现今应用最为广泛的滤波装置和研究对象。

1 有源电力滤波器的研究与发展现状

有源滤波器是相对LC这些无源滤波装置来说的，它实质上是一种大功率信号发生器。有源滤波器把谐波经过采样、180°移相后,再完整的复制出来,送到谐波源的入网点;复制出来的谐波与原谐波幅值相等,方向相反,并且实时跟随原谐波的变化而变化,因此,原谐波就被抵消了。同时，有源滤波器还可以根据客户的实际需要补偿无功功率，提高功率因数。

有源滤波器的理论雏形最早出现于上世纪的六十年代末期，1969年B.M.Bird和J.F.Marsh在论文中提出向电网中注入三次谐波电流来减少电网中的谐波，这一描述被认为是有源滤波器思想的萌芽;1971年，日本H.Sasaki和T.Machida完整描述了APF的基本原理;1976年美国西屋电气公司的LGyugyi和E.e.stryeula提出利用大功率晶体管组成的PWM逆变器来构成APF，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，奠定了APF的基础。在70年代初期，因为电力电子技术发展水平的相对落后，大部分电力滤波器的研究都只是在实验室里进行。

2 串联—并联混合型有源电力滤波器(UPQC)的工作原理

在实际应用中，我们既要补偿电网电压，又要抑制负载的电流谐波。统一电能质量调节器就是这样一种能够同时满足二者要求的混合型有源电力滤波器，图一为UPQC的结构拓扑图。

统一电能质量调节器(UPQC)由串联APF和并联APF以及一些必要的无源滤波元件组成，其研究思路与混合型APF是一致的。串联侧和并联侧的变流器都是双向的，既可以整流又可以逆变，当变流器处于整流状态时就是对直流侧电容充电，逆变状态时就是对电网进行谐波和无功电流补偿。

从图一我们可以看到UPQC主电路主要由串联侧、并联侧、直流侧、LC滤网组成。串联侧主要由PWM变流器和变压器组成。串联有源滤波器通过耦合变压器连接在电网与负载之间,按受控电压源方式工作,主要用来调节负载电压幅值和补偿电源电压谐波，给负载提供稳定的电能。并联有源滤波器并联连接在负载上,按受控电流源方式工作,主要作用是补偿负载谐波、基波无功和负序电流,并调节两个有源滤波器间的直流母线电压。它的作用是保证负载产生的谐波、无功功率流入电网。直流侧使用共同的母线电容，母线电容为并联、串联PWM变流器提供能量。另外LC滤网的作用是滤除PWM变流器在不断的开关过程中自身产生的高次谐波。

UPQC有三相三线制和三相四线制两种形式，三相三线制系统由于缺少了中线，串联变压器的二次侧不论是采取三角形还是星形连接，都无法实现对电网输入电压不对称或者是负载不平衡的补偿。若二次侧采取的是三角形连接，那么二次侧没有中线，所以二次侧三相电压和为0，这样也就迫使一次侧三相电压和为0。如果电网输入电压不对称，那么负载端的三相电压也就不可能补偿为相互对称平衡。

如果二次侧采取的是星形连接，那么二次侧没有中线，所以二次侧三相电流和为0，这样也就迫使一次侧三相电流和为0。如果负载不对称，那么负载电流虽然是平衡的，但是负载端的三相电压却肯定是不对称的。三相四线制将串联侧二次侧中点、电网中点、负载中点，以及直流电容重点接在一起，形成系统中线，这样就为不平衡电流提供了一个通道，从而实现电网输入电压不对称或者是负载不平衡的补偿。本文中采用的就是三相四线制，二次侧是星形连接。

3 结束语

工业发展离不开电能，而且，也是随着工业的发展，电网中的污染也越来越严重，所以UPQC的前景是十分广阔的。本文从原理阐述到模型仿真过程中虽然做了一点工作，但是还有很多不足，比如没有进行软件的设计，更没有进行样机实验。所以在今后的学习或工作中，还要继续对本论文中涉及的知识进行更深入的研究，尤其是将理论知识转化成实际生产这个方面。

UPQC从理论上来说能够满足一般工业生产中的要求，但是在实际应用中，却依然有很多不尽如意的地方，例如谐波和无功电流(电压)的检测不够快速和准确，应用还不够广泛，价格相对较高等。经过对UPQC的研究，笔者认为UPQC的研究以后可以集中在以下几个方面：

(1)提高谐波和无功电流(电压)的检测速度与准确性，如果这个补偿的前提做不好，那后续的研究也将没有意义。

(2)将UPQC的产品多元化，一方面朝低压大容量发展，这种UPQC用来补偿集中居住的用户。同时，也要发展低压小容量的UPQC，主要用来满足单个用户或单个精密、重要的设备。

(3)降低UPQC的经济成本，这也是制约UPQC推广的一个重要原因。降低经济成本就要求更好的理论支持，包括检测方法、控制策略以及产品电路结构和制造产品的材料等。

(4)以UPQC为主要原型，开发补偿高电压、大面积用户的UPQC群组，实现各个UPQC之间的通讯，实现群组联动补偿。

摘要：本文针对影响电能质量的各种因素进行了初步的研究,对如何将电能的质量提高进行了简要的分析,对目前电力系统研究的重点——有源电力滤波器的发展历程及研究现状进行了简单的探讨。混合型有源电力滤波器是统一电能质量调节器(UPQC)的一种应用功能,本文重点对它的拓扑结构和补偿特性展开了详细的分析,对UPQC补偿系统中电压及负载电流的过程进行了研究。以主电路拓扑结构为依据,对UPQC的串、并联部分进行了功能分解,建立了各自相应的数学模型。经过研究发现,对电力系统进行准确补偿的前提条件是:将电力系统中的谐波及无功电流精确的检测出来。因此,本文对如何精确检测谐波及无功电流进行了重点介绍。

关键词：有源电力滤波器,UPQC,检测,仿真

参考文献

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[3]胡俊达,张著彬.电力系统中谐波的产生、危害和抑制[J].电气时代2003(,12):86-87.

混合电力滤波器 第9篇

电力电子器件在工业中的广泛应用使电网的谐波污染问题日趋严重[1,2]。为了消除谐波对电网和设备的危害,目前,主要采用无源滤波器(PPF)、有源滤波器 (APF)和混合型滤波器[3,4,5,6] (HAPF)。以降低装置有源部分基波分压,减少有源部分容量为目的的注入式混合型有源滤波器[8,9],由于有效克服了开关器件容量和成本等方面的限制,能够满足高压大功率系统谐波治理和无功补偿的要求,具有较高的性价比,正日益成为目前工程应用中主要采用的形式。混合型有源电力滤波器常用的控制策略有两种形式[7],控制负载谐波电流型和控制APF接入点谐波电压型,两种基本控制策略各有长短。

文章在分析单独注入式有源电力滤波器常用控制策略的基础上,提出了基于检测负载谐波电流和APF接入点谐波电压的复合控制策略。同时提出了递推积分PI 控制算法,并且采用模糊推理在线整定算法的参数来增强系统的自适应能力。

1单独注入式混合型有源电力滤波器的电气模型

单独注入式混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter with Single Injection Branch,SIBAPF),是一种大容量无功补偿谐波动态治理的新型滤波器结构[1]。SIBAPF的单相电气模型如图1所示。其中,电源谐波电压为USh,电网阻抗为ZSh,将负载看成谐波电流源ILh,而将电压型逆变器看成电压源UFh,变压器变比为n∶1,Z1为网侧等效输出滤波电容Co与基波串联谐振电路的并联等效阻抗,Z2为注入电容等效阻抗,ZLo为输出滤波器电感等效阻抗。

由图1,根据基尔霍夫电流和电压定理,有:

$\{\begin{array}{l}\mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}=\mathit{U}{}_{\text{L}\text{h}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}\times \mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}\\ \mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}=\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{F}\text{h}}\\ \mathit{U}{}_{\text{L}\text{h}}=n\mathit{U}{}_{\text{F}\text{h}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{o}}\times n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}\text{o}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{F}\text{h}}\times \mathit{{\rm Z}}{}_2(1)\\ \mathit{{\rm I}}{}_{\text{F}\text{h}}=\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{o}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{c}}\\ \mathit{{\rm I}}{}_{\text{c}}\times \mathit{{\rm Z}}{}_1=n\mathit{U}{}_{\text{F}\text{h}}+\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{o}}\times n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}\text{o}}\end{array}$

化简方程组(1)得:

$\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}=\frac{(\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_2)\times \mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}+\mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}-\mathit{{\rm K}}{}_1\times n\mathit{U}{}_{\text{F}\text{h}}}{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}(2)$

式中:$\mathit{{\rm K}}{}_1=\frac{\mathit{{\rm Z}}{}_1}{n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}\text{o}}+\mathit{{\rm Z}}{}_1},\mathit{{\rm K}}{}_2=\frac{n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}\text{o}}\mathit{{\rm Z}}{}_1}{n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}\text{o}}+\mathit{{\rm Z}}{}_1}$。

2 注入式有源电力滤波器复合控制必要性分析

2.1 HAPF控制策略研究

本文中的研究对象是采用电压型逆变器的有源滤波器,工程中常用的控制策略有两种。

策略一:根据负载谐波电流来控制,即控制UFh=K×ILh。代入式(2)可得:

$\begin{array}{l}\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}=\frac{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_2-n\mathit{{\rm K}}\mathit{{\rm K}}{}_1}{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}+\\ \frac{1}{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}(3)\end{array}$

这种控制方式实质上等效于通过控制有源电力滤波器在改善无源滤波器的谐波阻抗特性的同时又增大了电网阻抗,从而极大提高了滤波效果。但该控制策略无法抑制混合有源滤波系统与电网阻抗之间产生谐振。

策略二:根据负载谐波电压来控制,即控制UFh=K×ULh。结合式(1)可得:

$\begin{array}{l}\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}=\frac{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_2}{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}-n\mathit{{\rm K}}\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}\\ +\frac{1-n\mathit{{\rm K}}\mathit{{\rm K}}{}_1}{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}-n\mathit{{\rm K}}\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}(4)\end{array}$

这种控制方式与控制策略一是一样的,但是这种阻抗跟电网阻抗呈线性关系,能够自动跟随系统阻抗的变化,比较适用于抑制电网阻抗与混合滤波装置之间的谐振,而不用于抑制负载谐波电流。

通过以上分析可知,并联混合型有源滤波器的两种基本控制策略各有长短。为了能够使混合有源电力滤波器发出的谐波电压UFh快速地跟踪负载谐波电流的变化,同时有效地抑制电网频率、电网阻抗以及电源谐波电压的影响,提出了有源电力滤波器复合控制策略。该策略综合考虑了负载谐波电流和APF接入点谐波电压,其控制律可以表示为:

$\mathit{U}{}_{\text{F}\text{h}}=\mathit{{\rm K}}{}_3\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}+\mathit{{\rm K}}{}_4\mathit{U}{}_{\text{L}\text{h}}(5)$

结合式(1)可得:

$\begin{array}{l}\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}=\frac{\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_2-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_3}{\mathit{{\rm K}}{}_2+(1-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4)\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}\\ +\frac{1-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4}{\mathit{{\rm K}}{}_2+(1+n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4)\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2}\times \mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}(6)\end{array}$

式(5)中K3ILh用以抑制负载谐波电流的影响,K4ULh用以抑制电网谐波电压的影响。

2.2 采用复合控制时SIBAPF的特性分析

(1) 谐波电流补偿性能

定义有源电力滤波器负载谐波电流补偿系数和电网谐波电压抑制系数分别为:

$\begin{array}{l}\eta {}_1|{}_{\mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}=0}=\frac{|\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}|}{|\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}|}\times 100\%‚\\ \text{η}{}_2|{}_{\mathit{{\rm I}}{}_{\text{L}\text{h}}=0}=\frac{|\mathit{{\rm I}}{}_{\text{S}\text{h}}|}{|\mathit{U}{}_{\text{S}\text{h}}|}\times 100\%。\end{array}$

由式(6)得:

$\begin{array}{l}\eta {}_1=\frac{|\mathit{{\rm K}}{}_2+\mathit{{\rm Z}}{}_2-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_3|}{|\mathit{{\rm K}}{}_2+(1-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4)\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2|}(7)\\ \text{η}{}_2=\frac{|1-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4|}{|\mathit{{\rm K}}{}_2+(1-n\mathit{{\rm K}}{}_1\mathit{{\rm K}}{}_4)\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{S}\text{h}}+\mathit{{\rm Z}}{}_2|}(8)\end{array}$

式(7)和式(8)反映了分别由USh和ILh谐波源单独作用时,经过整个滤波装置补偿后,电源中的谐波电流相对于其谐波源的大小。由式(7)可知,η1不仅仅与谐波频率有关,还与有源电力滤波器的负载谐波电流放大系数K3和接入点谐波电压放大倍数K4有关。而ULh闭环并不承担补偿谐波电流的主要任务,本文中K4取值为1(下文有公式说明)。

图2为对5次谐波进行治理时利用Matlab仿真软件得到的η1与负载谐波电流控制系数K3的关系图,图2(a),(b),(c)分别为采用谐波电压控制,谐波电流控制,复合控制时的波形,其中对K3的调整分为幅值和相角两部分。

从图2中可以看出,就抑制负载谐波电流ILh的影响而言,单独控制接入点谐波电压时,曲面上具有极点,可能出现谐波电流急剧放大的情况;单独控制负载谐波电流时,曲面上虽然没有极点但曲面不是十分平缓;复合控制时,曲面平缓并且没有极点出现,从而保证系统的稳定性。

类似于分析负载谐波电流影响,同样可以得到不同控制策略下η2的波形图,如图3。

由图3可知,在第一种控制策略下,SIBAPF所受USh波动的影响与其工作点无关,η2虽然很小但始终不为零,即SIBAPF的工作性能无法完全摆脱USh波动的影响。比较而言,在第二种控制策略下USh波动的影响更为明显,并且K4的最优控制参数点与η2的极点很接近,K4值稍有偏差即有可能反而引起谐波放大的现象。而采用复合控制策略时,SIBAPF的工作性能可以完全不受USh的影响,极点处的放大倍数很低,系统能够安全稳定运行。

(2) 抑制电网频率及系统阻抗变化的影响

电网阻抗以及系统频率的变化对有源电力滤波器的工作性能有着极其显著的影响。本节重点讨论复合控制策略下SIBAPF对电网阻抗以及系统频率的变化所引起的谐振的抑制性能。我们利用(7)式所表示的谐波源谐波抑制函数,在三维空间中作出它的幅频特性,并由此来讨论SIBAPF抑制谐波谐振的性能。只投注入支路部分时,谐波源谐波抑制函数的幅频特性如图4(a)所示,图4(b)给出的是投入有源部分后的幅频特性。

由图4可以看出,当K3,K4的取值均为0时,即只有注入支路投入运行,随着电网阻抗及频率的变化系统会发生谐振现象。当投入有源部分后,并控制K3=10、K4=1电网谐波电流被有效地治理,并且系统发生谐振的可能性极大地降低。

3 基于递推积分PI算法的复合控制

3.1 控制系数K4的求取

复合控制策略综合考虑了负载谐波电流和APF接入点谐波电压的影响。由式(6)可知,只需控制|1-nK1K4|=0就可以消除电网谐波电压的影响,代入K1可得:

$\mathit{{\rm K}}{}_4=\frac{n{}^2\mathit{{\rm Z}}{}_{\text{L}0}+\mathit{{\rm Z}}{}_1}{n\mathit{{\rm Z}}{}_1}\approx \frac{1}{n}(9)$

与基波谐振支路谐波等效阻抗相比,输出滤波器电感等效阻抗较小,故K4的取值近似等于1/n。本文耦合变压器变比为n取值为1,因此K4=1。

同时由式(6)可以看出采用复合控制方法时,两个控制系数K3和K4是解耦的。同时,针对传统对被控量为正弦量进行控制时存在稳态误差,提出了递推积分PI算法,实现了对系统的无静差控制,并且利用模糊推理在线整定控制器参数提高系统的动态性能。

3.2 基于递推积分PI算法的复合控制

本文提出的复合控制系统结构图如图5所示。图中,iLh,iSh,iC,uLh分别为负载谐波电流、电网谐波电流、APF输出谐波电流以及APF接入点谐波电压。负载谐波电流的检测用来改善电网波形,谐波电压的检测用来抑制电网与注入支路可能存在的谐振。控制器采用递推积分PI控制,并且由模糊推理在线整定比例系数和积分系数,其结构图如下:

3.2.1 递推积分PI 算法

算法分别对e(iLh减去iC)每个周期内相应的各采样点进行积分,相当于N有个PI并行工作(假设e每个周期内的采样点数为N)实现对系统PI控制。算法为:

$u({\rm K})={\rm K}{}_{{\rm P}{}_{{\rm K}}}\times e({\rm K})+{\displaystyle \sum _{i=0}^c{\rm K}}{}_{{\rm I}{}_{{\rm K}-\text{i}{\rm N}}}e({\rm K}-\text{i}{\rm N})(10)$

式中u(K)为K时刻的控制量, e(K)为K时刻的误差采样值, N为一个周期内的采样数,KPK,KIK为控制器的参数, c为K/N取整。为简化计算, 可利用u(K)的增量形式进行计算,其控制律为:

$\begin{array}{l}u({\rm K})=u({\rm K}-{\rm N})+\text{Δ}u({\rm K})\\ =u({\rm K}-{\rm N})+{\rm K}{}_{{\rm P}{}_{{\rm K}}}\times e({\rm K})-\\ {\rm K}{}_{{\rm P}{}_{{\rm K}-{\rm N}}}\times e({\rm K}-{\rm N})+{\rm K}{}_{{\rm I}{}_{{\rm K}}}\times e({\rm K})(11)\end{array}$

3.2.2 模糊自调整机构

为了提高系统的动态性能和自适应能力本文采用模糊自调整机构应用于递推积分PI算法。模糊自调整机构根据e的大小、方向以及变化趋势等特征, 通过模糊推理作出相应决策, 在线调整算法的KP,KI参数,从而使得系统同时具有较好的动态、稳态性能和自适应能力[6]。

KP和KI的调节规则如下:

①当偏差|e|较大时,为提高响应速度,KP取大值;

②当偏差较小时,防止超调过大产生振荡,KP减小;

③当偏差很小时,KP应继续减小;

④当ec和e同号时,输出向偏离稳定值的方向变化,适当增大KP;反之,适当减小KP;

⑤当误差|e|较大时,为避免系统超调,KI取零值;

⑥当|e|较小时,积分环节有效,随|e|的减小而增大,以消除系统的稳态误差,提高控制精度。

4 实验结果

采用本文中提出的控制算法,研制了一台SIBAPF实验样机,并用它进行谐波滤除研究。负载由非线性负荷柜及可调电感负荷柜构成,采用380V电压供电。控制器部分以TI公司的2407为核心芯片。图6为实验波形。

由图6可以看出,滤波装置投运前,电网电流畸变严重, 5次、7次、11次、13次谐波的畸变率分别为34.3%、19.2%、9.4%和7.5%;SIBAPF投运后电流畸变率下降为2.85%, 1.22%, 2.72% 和1.55%,滤波效果显著。

5 结论

从单纯补偿负载谐波电流来看,采用根据负载谐波电流来控制的基本策略效果较好,但对装置相关参数的设计要求比较高,否则容易引起谐振,且增大电网参数波动对控制性能的影响;而根据负载谐波电压来进行控制的基本策略可以有效地避免装置与电网阻抗之间产生的谐振并消除电网谐波电压的影响,但在此情况下无法实现对负载谐波电流的治理,同时易受电网参数波动的影响。本文提出的综合考虑负载谐波电流和APF接入点谐波电压的混合有源电力滤波器复合控制新方法,提高了混合有源电力滤波器的滤波效果,仿真及实验结果表明这种控制方法的有效性和优越性。

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