the 100kva parallel active power filter with main circuit of multiple performance
lei wanjun, li hongyu, zhuo fang, wang zhaoan (xi’an jiaotong university 710049)
email:zffz@mail.xjtu.edu.cn
abstract: in this paper, a system of a three-phase parallel active power filter with main circuit of multiple performances is introduced. first, the configuration and basic operation principle of the parallel active filter is presented. then, propose the main circuit of multiple performances. third, accord to the control purpose, design the control method and the hardware circuit. at last, some experimental results are obtained. it shows that the control system meets the requires and the compensation property of the active power filter is very good.
keywords: active power filter multiple use control system.
1 引 言
近年来随着电力电子设备的大量应用，各种非线性负载引起的电网电流波形畸变和功率因数降低形成了对电网的污染。为解决这个问题，电力滤波器技术被广泛应用。
现在被普遍应用的抑制谐波、补偿无功的方法是加入无源lc滤波器。这种滤波装置结构简单，成本比较低，容易实现，具有既可补偿谐波，又可补偿无功的特点。但是，lc滤波器是针对特定谐波进行补偿的，因此对电网阻抗和频率的变化十分敏感，滤波效果不易保证；而且，lc滤波器可能会跟电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致系统不能正常工作，甚至会烧坏滤波器。正是由于这些固有的缺陷，限制了无源滤波器的发展。[1]
目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(active power filter-apf) 。有源电力滤波器是一种电力电子装置。其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、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因此受到广泛的重视，并且已经在日本等国受到广泛应用。[1] 在我国，有源电力滤波器也正被越来越多的应用于工业现场。
2 系统构成及工作原理
2.1 并联型有源电力滤波器工作原理
并联型有源电力滤波器是将滤波器与负载谐波源并联接入电网。以a相为例，并联型有源电力滤波器补偿电流型谐波源时的等效电路图如图1所示。图中各下标的含义是，s表示电网，l表示负载，c表示有源滤波器，下标f和h分别表示基波与谐波。
图1 并联型apf补偿谐波电流时的等效电路图
从图中可以得到，n次谐波电流：
（1）
若电源电压没有畸变，即ush=0，只要ich=ilh，则ish=0。这说明并联型有源电力滤波器可以补偿负载产生的谐波电流，从而使流入电网侧的谐波电流为零。[2]
同理可得并联型有源电力滤波器用来补偿无功时的单相等效电路图如图2所示。下标p和q分别表示有功成分与无功成分。
图2 并联型apf补偿无功功率时
的等效电路图
从图中可以得到，无功电流：
（2）
只要ilq-icq=0，则isq=0。这说明并联型有源电力滤波器可以补偿负载产生的无功功率，从而达到提高功率因数的目的。
这样，若令ic=ilh+ilq，有源电力滤波器既可以补偿负载产生的谐波电流，又可以对无功进行补偿，从而达到抑制谐波、补偿无功目的。
2.2 主电路结构
有源电力滤波器的主电路及控制电路结构图如图3所示。
其中，主电路由两组三相电压型pwm 变流器构成，容量分别是50kva，这两个功率模块公用一组直流电容器；交流侧与负载谐波源并联连接。工作时，各组pwm变流模块根据电流跟随控制电路所发出的指令信号独立工作，产生各自的谐波补偿电流，相加后以抑制谐波源负载注入电网侧电流
图3 并联型有源电力滤波器系统构成
中的谐波成分[3]。在有源电力滤波器的出线端还可加入小容量的无源lc滤波器，以滤除补偿电流中的高次开关纹波。
电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率越来越低，所以在将apf用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。采用多重化主电路实现大容量apf是一个较好的解决方案。采用这个方案可以在增大容量的同时，提高电路等效开关频率，并且只需要一套控制电路，在经济上更加合理。[4]
2.3 控制电路工作原理
由于并联型apf需要补偿电网中实时改变的
谐波电流与无功电流，所以对于控制系统的实时性有很高的要求，因此早期的apf都采用模拟控制方法。随着微电子技术的迅速发展，apf控制系统正逐渐从模拟向数模混合方向发展。采用数字电路实现指令运算等功能可以免受温飘及元件老化的影响，提高系统的稳定性；便于系统升级，有利于采用一些复杂控制方法；可以方便的实现对指定次谐波和给定无功功率的补偿。
图4 给出了控制方法的框图。指令运算
图 4 控制方法框图
电路从同步电路处得到与电网电压同步的正弦信号，由采样得到的负载电流信号经过离散傅立叶变换计算出电流中的各次谐波大小，处理后再经过反傅立叶变换生成补偿指令波形，应用这样方法可对指定次谐波电流及给定无功功率进行补偿。生成的补偿指令信号，经过均流处理，即对各pwm变流器输入的补偿电流指令为总指令的一半，再经过电流跟随控制电路生成pwm驱动信号分别送给并联的两个pwm变流器，控制主电路产生所需的补偿电流。
变流器工作的时候，其自身的能量损耗会引起直流侧电容电压的降低，为了保证变流器的正常工作，直流侧电压需保持恒定。为此，引入了直流电压反馈控制。uc的给定值ucr与反馈值ucf比较之后的偏差，经过pi调节器，给补偿电压的指令信号中加入一定的基波成分，使得变流器在生成所需要的谐波电压的同时，产生一定的基波电压。该基波电压与流经apf电流中的基波成分相互作用，提供变流器工作时所消耗的能量，以维持直流电压uc的恒定。
电流跟踪控制电路采用跟踪型pwm控制，使用的是三角波比较方式。这种方式与其他用三角波作为载波的pwm控制方式不同，它不直接将指令信号ic*与三角波比较，而是将ic*与ic的偏差δic经放大器a调理后再与三角波比较。a往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把δic控制为最小来进行设计的。器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率，这样有利于无源滤波器的设计，可以很好的滤除开关谐波。
多重化主电路等效开关频率的提高是通过错开每个pwm变流器开通时刻的方法来实现的，也就是将每个功率模块的导通时刻在相位上错开180o。这样，每个变流器中的电力电子器件的开关频率不变，而系统的开关频率是由这两组变流器的开关频率迭加而成的，因此，系统总的开关频率就是各pwm变流器开关频率的2倍。具体实现的时候，就是使第二组电流跟随控制电路中的三角波信号与第一组电路中的三角波信号反向。
图4 中的计算与控制功能比较复杂，要得到好的补偿效果，控制系统就应该尽可能快的检测并分析、计算出电流中的谐波分量，然后据次产生补偿电压的指令信号，从而达到实时控制apf的主电路使其输出所需波形的目的。这一方面要求控制系统具有快速的数字信号处理能力，另一方面也要求系统具有丰富的i/o接口并适合于控制电力电子器件。为了达到这些要求，本系统采用了以双dsp为核心的数模混合式控制方法。[5]
控制电路结构框图如图5所示。其中选用tms320c32芯片完成负载电流分析、补偿电流指令计算，同时还要实现与上位机的通讯功能。tms320f240芯片主要完成数据采集
图 5 控制电路结构框图
和进线电压同步的功能。c32与f240芯片通过一片双口ram实现数据的共享，c32与f240的地址译码工作是由一片cpld完成的。这片cpld还作为f240与a/d接口所需的等待状态发生器，同时还要完成缺相、相序检测和故障报警、封锁脉冲的功能。i/o接口、保护电路、控制脉冲的生成和电流跟踪控制则由系统中的模拟电路部分实现。
3 实验结果
利用所研制的有源电力滤波器对图1中所示的谐波源进行补偿试验。谐波源由一个带电阻性负载的三相整流桥构成。图6~8给出了试验结果。记录仪器采用的是hioki公司生产的3193功率分析仪。图6为有源电力滤波器投入前电源电压电流波形以及电流波形的频谱分析。
(a) 电流电压波形图
(b) 频谱分析
图6 补偿前的电源电流电压波形及频谱分析
由图6可以看出，电源电流波形畸变严重，含有大量的5次、7次、11次、13次、17次等高次谐波。此时电流波形的总谐波畸变率（thd）为20.15%，功率因数为0.9125。
图7给出的波形是有源电力滤波器中一组pwm变流器工作时的补偿情况，从频谱分析图中可以看出电流波形中的谐波分量
(a) 电流电压波形图
(b) 频谱分析
图7 单组功率模块工作时的电流电压波形
及频谱分析图
仅有一半得到了补偿，还含有不少谐波成分，此时电流波形的thd值为11.84%。说明系统各组功率单元可以独立工作，不受另一组运行状态的影响。
图8是有源电力滤波器全部投入后的补偿情况，这时电源电流中谐波成分基本消
(a) 电流电压波形图
(b) 频谱分析
图8 两组功率模块工作时的电流电压波形
及频谱分析图
除，电源电流中的5次、7次、11次谐波含量分别从18.84%、5.13%、2.95%降为0.87%、0.91%、0.48%，thd值降为2.02%，功率因数为0.9983。说明有源电力滤波器补偿效果良好。
4 结 论
本文介绍了100kva二重化并联型有源电力滤波器的研制情况。该系统的主电路采用两重化功率单元并联的结构，使有源电力滤波器的等效开关频率成倍的提高，有利于扩大装置的补偿容量。控制电路采用以双dsp为核心的模数混合控制结构，根据要求选用了相应的控制策略、控制算法和控制系统结构，达到了根据需要补偿指定次谐波电流与给定无功功率的要求。实验结果表明，该二重化并联型有源电力滤波器具有很好的补偿效果。
参考文献：
[1] 王兆安，杨君，刘进军，等。谐波抑制与无功补偿。北京：机械工业出版社，1998。
[2] 姚为正，王群，刘进军，王兆安。有源电力滤波器对不同类型谐波源的补偿特性。电工技术学报，2000，（12）；40-44
[3] 杨君，王兆安。三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究。电工技术学报，1995，（2）；43-48
[4] 卓放，胡军飞，王兆安。采用多重化主电路实现的大功率有源电力滤波器。电网技术，2000，（8）；5-7。
[5] 王跃，杨君，王兆安，等。单相并联型有源电力滤波器的数字控制系统。2002台大电力电子新技术研讨会论文集，66-70
