并联型有源电力滤波器单次谐波补偿策略研究

The Study of Single Order Harmonic Compensation Strategy of Active Power Filter
ZHANG Guo － rong， LIU Yuan － gang， CHEN Lin， SHAO Zhu － xing ( Research Center for Photovoltaic System Engineering Ministry of Education，Hefei University of Technology， Hefei 230009 ，China) Abstract: In this paper，a new harmonic detection method based on the specified band － pass filter is presented． The whole method is based on instantaneous power theory． On the basis of established active power filter topological structure in paper proposed and its mathematical model in the grid，this article studies on single frequency harmonics and inter － harmonics compensation method． The approach is novel，clear physical meaning and any harmonic can be compensated by it，and it is convenient for circuit parameters design． Aiming at the negative sequence APF harmonic a kind of 8 order IIR digital filter is designed out，and the filter is simulated，and then a kind of digital filter scheme is put out． The simulation results of APF confirm the validity of this method． Key words: active power filter( APF) ，single order harmonic compensation，band pass digital filter 0 引 言 较大， 目前在有源电力滤波器的实际应用 中主 要 以电 压型为主
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随着电力电 子 设 备 及 其 他 非 线 性负载的大量 使 用， 电力系统情况愈加复杂化。而由于这 些 非 线 性负 载产生的 谐波 而 导致 的 局 部 电力不稳 定 情况 近 年 来 ［1 ］ 时有发生 。上个世纪 70 年代有关学者提出采 用并 联有源电力 滤 波 器 解决 电力系统 谐波问题 ， 近年 ， 来 随着电力电 子 技术的发展 和 相 关 理 论 的 完 善， 有 源电力滤波器得以迅速发展
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下文为 建 模 分 析 方 便， 将 LCL 滤 波 模 块 用 电 感 L 代替。 1． 2 并联型有源电力滤波器的数学建模分析 并联型有源电力 滤 波 器本 质就 是 一 个 PWM 变 ［3 ， 4， 17 ］ 。 对于 有源电 流器， 它有 很 多种 数学 建 模 方法
结合谐波控制算法， 对于 A 相， 有: 力滤波器， di a L + Ri a = e a － ( v aN + v N0 ) dt 对于三相有如下模型: C dv dc = 3 ( i qn s qn + i dn s dn ) － i L 2 dt di qn + nωLi dn + Ri qn = e qn － v dc s qn L dt di dn L dt － nωLi qn + Ri dn = e dn － v dc s dn 其中:

s qn 为谐波同步旋转坐标系下的开关函数; s a 、 式中 s dn 、 sb 、 s c 为静止坐标系下的开关函数; C abc － dqn 为谐波 同 步 坐标变换矩阵。 2 并联型有源电力滤波器单次谐波检测方法 2． 1 方法 基于同步旋转坐标的单次谐波电流检测
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[X
dn
( 1)
( 2)
， X qn ] T = ·
2π 2π cosnωt cos( nωt － ) cos( nωt + ) 3 3 2 3 － sinn t － sin( n t － 2 π ) － sin( n t + 2 π ) ω ω ω 3 3 Xa X ， X = i， e， s b Xc 上式中: C abc －dqn = 2π 2π cosnωt cos( nωt － ) cos( nωt + ) 3 3 2 3 － sinn t － sin( n t － 2 π ) － sin( n t + 2 π ) ω ω ω 3 3
如图 2 所示， 基于同步旋转坐标的 单 次 谐波 电流 检测是把三相电流 向 量 按照 谐波 的 次数 n 做 旋 转 变 换， 谐波电流通 过 谐波 旋 转 坐 标变 换转换 成 直 流量， 利用低通滤波器提取直流量， 该直流量即 为 相 应 次 谐 图 1 并联型有源电力滤波器的拓扑结构 Fig． 1 Parallel active power filter topological structure 波的坐标变换后的电流值， 该 值 经过 dq 反 变 换 后 即 为谐波电流值。将该值取反， 然后采用相 应 的发 波 策 略发出与该谐波幅值相等方向相反的电流， 即 实现 对 指定次谐波电流的补偿。 — 39 —
∞
[i ]
id
q
∑ I n sin [ ( 1 n ) ωt φ n ] n =1 = 槡 3 ∞ பைடு நூலகம் ∑ ± I n sin [ ( 1 － n ) ωt － φ n ]
n =1
( 7)
图 2 同步旋转坐标的单次谐波电流检测 Fig． 2 Single harmonic current detection at synchronization coordinates 2． 2 基于傅里叶分析单次谐波电流检测方法 电流信号 f( t) 可以分解 为 基 波 分 量 和一 连 串 的 谐波分量， 假设 f h ( t) 是 我们 将 要检测 的 h 阶 单 次 谐 波量， 将基波相 位 作为 基础相 位， 那 么 电流 信号可 以 描述为: f ( t ) = f1 ( t ) + f n ( t) ∑ n≠ h + f h ( t) + ( 3)
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式中 i d 为有功电流; i q 为 无 功 电流; n 为 根据 需要 补 偿的谐波次数。设计相应的带通滤波器， 检测 出 相 应 次谐波电流， 然后控制有源电力滤波器发出 需要 补 偿 电流的大小相 等 方 向 相 反 的 波 形。 从 而 达到 了 补 偿 相应次谐波 的 目 的。 在 通 带 范围 内 的 任 意 次 谐波 都 会被补偿。 3． 2 数字带通滤波器设计分析 带通滤 波 器， 通 带 中 心 频 率 为 100Hz 在 ± 15Hz 115Hz ) 衰 减 3dB ， 处 ( 85Hz， 在 ± 35Hz 处 ( 65Hz， 135Hz) 衰减 25dB 。采样频率为 20kHz。 根据公式 ω = 2 πf / f s 设计出 数 字 带 通 滤 波 器 的 数字技术指标， 通带上截止频率 ω u ， 通带下截 止 频 率 ωl ， 阻带上截止频 率 ω s2 ， 阻 带 下 截 止 频 率 ω s1 ， 分别 0 ． 0085 π ， 0 ． 0135 π ， 0 ． 00725 π 。 通 带 为 0 ． 0115 π ， 内最大衰减 α p = 3dB ， 阻带内最小衰减 α s = 25dB 。 1 B = Ωu － Ωl ， 由 公式 Ω = 2tan ω ， Ω0 = 槡 Ωu Ωl ， 2 根据模拟 滤 波 器 的 参 数 求 出 响 应 数 字 滤 波 器 参 数 Ω u ，Ω l ，Ω s2 ，Ω s1 ，Ω0 ，B 分 别 为 0． 0361rad / s， 0． 0267rad / s， 0． 0424rad / s， 0． 0228rad / s， 0． 031 rad / s， ( 5) 0． 0094rad / s。数字滤波器的阶数: N = － lg
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。然而， 由 于 开 关 器 件 等 因 素 的 制 约， 电
［5 ］
压型有源电力滤波器的容量难以做大， 对于 大 容 量的 场合 ， 通常采用多重化主电路的方案 。指定次 谐波 补 偿 方法， 是 APF 进行谐波 补 偿 经 常 采 用 的方 法。 di / dt 相 对 较小; 对于低次谐波， 通 常 谐波 容 量 较 大， d i / d t 相 对 较 大。 而 电 压 而对于高 次 谐波 容 量 较小， 型有源电力 滤 波 器输 出电 感 值的大 小 与 di / dt 成反 比， 与直流侧电容电压成正比。所以指定 次 谐波 的 补 偿可以针对各 次 谐波 的设计 输 出电 感 的参 数 和 直 流 侧电容的参 数
并联型 有 源电 力滤波器单次谐波补偿策略 研究
张国荣， 刘元岗， 陈林， 邵竹星
( 合肥工业大学 教育部光伏系统工程研究中心， 合肥 230009 )
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摘要: 在瞬时功率理论的基础上提出了 一 种 基 于 带 通 滤 波 器 的 指 定 次 谐波检测 方法。 文 章 建 立 在 所 提 出有源 电力滤波器的拓扑结构及其数学模 型 基础上， 对 电网 中 的 单 次 谐波和间 次 谐波 补 偿 方法 进行 研究。 该 方法新 颖， 物理意义明确， 可以针对任意次谐波进行补偿， 进而 为 电 路 参 数 的设计 提 供 了方 便。 针 对 APF 的负 序 谐波 设计了一种 8 阶 IIR 数字滤波器， 并对该滤波器进行了仿真分析， 提出了 一 种 数 字滤 波 的实现方 案。 对 APF 的 仿真和实验结果证实了该方法的正确性。 关键词: 有源电力滤波器; 单次谐波补偿; 数字带通滤波器 中图分类号: TM74 文献标识码: A 文章编号: 1001 － 1390 ( 2011 ) 03 － 0038 － 06