LCL型APF在含非线性负荷系统中的应用

谢华北，高遥，王以琳，崔世庭，闫杨舒，吴红梅

（西藏农牧学院西藏土木水利电力工程技术研究中心重点实验室，西藏林芝，860000）

0 前言

随着现代工业技术的发展,电力系统中接入大量的非线性负荷,特别是各种电力电子装置,向供电系统中注入了大量的谐波，导致系统电压与电流正弦波畸变，电能质量下降，造成了对电网的污染[1~2]。

目前，国内外比较主流的滤波装置主要包括PPF（无源电力滤波器）、APF（有源滤波器）、UPQC(统一电能质量调节器)等[3]。无源滤波器是传统的抑制谐波和无功补偿设备，其结构较为简单，具有稳定性强、成本投入少、维护维修难度小等应用优势，但是在应用中无源滤波器的体积较大，常会导致电网电压波动，在技术上仍有待优化和开发[4~5]。有源滤波器则是利用较为先进的谐波电流检测技术，实现对谐波电流的实时检测，通过瞬时的电流控制，达到谐波电流的动态补偿，并且还能针对电网谐波电流的变化去自动跟踪，有较高的可控性，能够快速地做出反应[6~7]。但由于APF工作过程中产生的开关频率附近的谐波电流，使得有源滤波器并不能达到理想的效果。统一电能质量调节器采用了串并联型有源滤波器，其抑制谐波效果好，但是它使用的装置多，成本过高，不利于推广[8~9]。

本文针对在APF工作过程有开关频率附近的谐波电流产生，提出一种LCL型APF混合滤波器，在降低非线性负荷谐波的同时，还能滤除开关频率附近的谐波。通过MATLAB/SIMULINK建立混合滤波器仿真模型，经过FFT分析，验证本模型不仅能够动态抑制谐波，而且能够很好地滤除开关谐波。

1 谐波的检测

非线性负荷的电流波形为非标准正弦波，数学表达为频率大于基波的整数倍，如式(1)，当n=1时，代表基波，当n>1时，代表谐波。

其中：

传统的谐波检测方法是根据傅里叶级数，采集单个周期的电流数据进行检测，从而得到所测的谐波[10]。该方法计算量大，需要进行两次傅里叶变换，同时需要检测整个周期的电流值，实时性差。基于瞬时无功功率理论的p-q计算法打破了传统的以平均值为基础功率的定义，缩短了检测的时间，但是当电网电压发生畸变时，所检测出的谐波分量不准确[11]。而本文采用基于瞬时无功理论的ip-iq检测方法，由于只取正弦量和余弦量参加运算，当电压发生畸变时，谐波成分不出现在运算过程中，因而检测结果不受电压波形畸变影响[12~13]。

图1为ip-iq工作原理图。具体运算过程如下。

图1 ip-iq工作原理图

（1）三相电压相位的提取和三相电流的引出：

通过锁相环把相角提取出来，用于后面的运算；

（2）三相电流ia、ib、ic线性变换为iα、iβ:

（3）iα、iβ转换为ip、iq，式中的正弦量与余弦量由（1）中的锁相环加三角函数模块引出：

（4）利用LPF模块滤除高次谐波得到i-p、i-q：

（5）将i-p、i-q转换至iαF、iβF：

（6）将iαF、iβF线性变换为iaF、ibF、icF，得到基波：

（7）由三相电流ia、ib、ic减去基波iaF、ibF、icF，得到谐波iah、ibh、ich：

2 谐波的抑制

谐波抑制的方法是通过APF产生与检测电流谐波大小相同、相位相反的补偿谐波，两者相加后，可明显削弱电网谐波[14]。有源滤波器可分为串、并两种类型。串联型适用于电容滤波型电路，可作为电压源。并联型适用于带阻感负载的电路，可作为电流源[15]。本文所用的非线性负荷由二极管连接阻感负载等效，模拟出非正弦波，非线性负荷电流的波形如图2所示[16]。因此本设计使用的是并联型有源滤波器。为了滤除开关频率附近的谐波，在系统中串联了LCL滤波器，如图3所示。

图2 非线性负荷电流波形

图3 LCL型有源滤波器系统构成图

图中，LCL模块用来滤除系统中由于高开关频率而产生的谐波。APF模块中，运算电路测出电流谐波，控制电路产生触发信号经主电路IGBT器件，使主电路产生补偿电流[17]。最终，补偿电流与负荷电流中谐波电流相抵消，使得电网电流波形趋近于正弦波，达到抑制谐波的效果[18]。

在上述系统中，运算电路最重要的部分就是谐波的检测。利用ip-iq法可以检测出电流的谐波ih，经过一系列的运算后得到补偿电流的指令信号。为了使实际补偿电流的实时性和准确性更好，实际补偿电流应能实时跟踪指令信号的变化，两者进行比较后，才能输出给逆变电路的PWM（脉宽调制）信号。

在并联型APF中，常用的电流跟踪比较方法有两种，一种是三角波比较方式，由于三角波比较方式使用了积分环节，它的实时性也会变差[19]。另一种是瞬时值比较方式，它的实时性比三角波方式更好，本设计采用实时性更好的瞬时值比较方式，如图4所示，先将补偿电流与实际的补偿电流比较，然后把它们的差值经过单位延迟后作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生PWM信号，该信号经过驱动电路去控制主电路的开关通断，最终实现控制补偿电流随指令电流的变化而变化[20]。

图4 电流跟踪闭环控制结构图

滞环比较器的输出特性如图5所示。从该图可以看出，滞环比较器输出是一系列宽度不等，分布无规律的脉冲序列[21]。

图5 滞环比较器的输出特性

滞环控制具有以下优点：电路构成简单，电流响应速度快，不需要载波比较，输出电压中不含特定频率的谐波分量，并且它是闭环控制，检测准确性极高。因此采用滞环比较的电流跟踪控制可以使补偿电流icom具有更好的准确性和实时性[22]。

3 仿真分析

为了证明LCL型APF不仅可以能够动态抑制谐波，而且还能很好地滤除开关谐波，构建仿真试验模型，如图6所示。

图6 LCL型APF仿真模型

模型电源电压采用380V，频率为50Hz，非线性负荷采用非正弦波形模拟。另外还有LCL滤波模块，APF模块，检测电网、负荷的电压、电流波形模块。

（1）当未加滤波装置时，电网电流波形如图7所示。对电网一相电流进行FFT分析，如图8所示，可以得到THD（总畸变率）=30 97%，由此可见，非线性负荷的使用，向供电系统中注入了大量的谐波，极大地造成了电网的污染。

图7 电网电流波形（畸变）图

图8 未采用滤波装置时电网电流FFT分析

（2）当加入LCL滤波器时，对系统一相电流进行FFT分析，如图9所示，可以得到THD=18 49%，有一定的滤波效果，但未达到国家规定的谐波电流THD小于5%的限定值。

图9 采用LCL滤波器时电网电流FFT分析

（3）当加入APF时，对系统一相电流进行FFT分析，如图10所示，可以得到THD=15 53%。由于在加入APF的同时，也产生了开关频率附近的谐波电流，故单靠APF装置很难达到理想的滤波效果。

图10 采用APF时电网电流FFT分析

（4）当采用本文所提出的LCL型APF混合滤波装置时，电网电流波形如图11所示。对电网一相电流进行FFT分析，如图12所示，可以得到THD=1 81%，达到了国家标准规定的谐波电流THD小于5%的限定值，其滤波效果明显。

图12 采用LCL型APF时电网电流FFT分析

4 结论

APF通过产生谐波电流与电网谐波电流实时抵消,能有效提高电能质量,因而得到广泛应用[23]。本文针对在APF工作过程有开关频率附近的谐波电流产生，提出LCL型APF混合滤波装置，在降低非线性负荷谐波的同时，还能滤除开关频率附近的谐波。通过MATLAB/SIMULINK建立混合滤波器仿真模型，经过FFT分析对比，可以得到系统电流的THD值从30 97%降到1 81%，达到了国家标准规定的谐波电流THD小于5%的限定值。验证本模型不仅可以能够动态抑制谐波，而且能够很好地滤除开关谐波。