基于單位功率因數(shù)控制策略的有源電力濾波器

1、基于單位功率因數(shù)控制策略的有源電力濾波器 李建林1，支勇2，劉兆1，張仲超1 (1浙江大學，浙江 杭州 310027） (2山西省黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030002） 1 引言 隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置得到了廣泛應用，然而這些裝置自身功率因數(shù)很低，不僅給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染，也給電網(wǎng)帶來額外負擔并影響供電質量。為此，電力有源濾波器已經(jīng)成為電力電子技術應用的重要發(fā)展方向。HAkagi等人提出的瞬時無功理論1，為有源濾波器的研究奠定了理論基礎；Depenbrock等則將單位功率因數(shù)控制策略應用到有源濾波器中2。本文針對三相系統(tǒng)分析了單位功率因數(shù)控制策略

2、的基本思想及其相應的控制方法，實驗結果表明：按此策略設計的實驗系統(tǒng)可以抑制整流器產(chǎn)生的諧波，消除了整流器負載對電網(wǎng)的諧波污染。 2 基本原理34 單位功率因數(shù)控制策略的目的是使非線性負載和并聯(lián)的濾波器等效為一電阻性負載，從而使電網(wǎng)的負載電流為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率電網(wǎng)數(shù)為1（單位功率因數(shù)）。本文提出了按此策略設計的系統(tǒng)結構如圖1所示。圖中Vsi（電網(wǎng)電壓）為理想正弦電壓而且三相平衡，可表示為 Vsi(t)=Vssint(i1) i=1,2,3 （1） 圖1 有源電力濾波器實驗原理圖 式中：Vs為電網(wǎng)電壓有效值。 負載電流iLi可表示為 iLi=Insinnt(i1)n i=1,2,3 （

3、2） 式中：In代表基波和各次諧波電流的有效值； n代表基波和各次諧波電流的初相角。 補償電流ici可表示為 ici=I1cos1sint(i1)iLi(t) i=1,2,3 （3） 式中：I1為負載電流iLi的基波分量的有效值。 Lf=VsiVconi （4） 將式（3）代入式（4）中就可求出保證單位功率因數(shù)所需要的逆變器輸出電壓Vconi(t)，Vconi(t)是通過對Vdc/2進行調制得到。當正常工作時，isi應成為與Vsi同相的正弦波，可表示為 isi(t)=Issint(i1) i=1,2,3 （5） 式中：Is為網(wǎng)側電流有效值。 電網(wǎng)的負載電流是與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率因數(shù)為1

4、（單位功率因數(shù)），式（5）中Is可從整個系統(tǒng)的有功功率流動中獲得。檢測APF直流側電容電壓，濾除紋波，得到電容平均電壓，將電壓設定值減去電容電壓，差值送入PI控制器，PI控制器的輸出就是網(wǎng)側電流的幅值。該幅值與相電壓同相的三相單位正弦信號相乘后，便可得到理想的參考電流信號，然后與整流側電流相減便可得到所需的調制信號，系統(tǒng)控制結構如圖2所示。 圖2 基于UPF控制策略的系統(tǒng)框圖 3 實驗研究 針對圖1所示系統(tǒng)進行實驗驗證，逆變器的功率器件選用西門子的IGBT模塊BSM50GB12DN，每個模塊中有兩個額定電壓1200V，額定電流50A的IGBT管。系統(tǒng)基本參數(shù)： 輸入電壓80V； 直流側電壓15

5、0V； 逆變器輸出濾波電感Lf=3mH； 整流器負載RL=25； L=0.3mH。 實驗波形如圖3圖6所示。 圖3 未補償時A相電源電壓與負載電流波形 圖中：1電源電壓80V/div 2負載電流4A/div 圖4 并有源濾波器后A相指令電流與負載電流波形 圖中：1A相指令電流2A/div 2負載電流4A/div 圖5 并有源濾波器后A相補償電流與電源電流波形 圖中：1補償電流4A/div 2電源電流5A/div 圖6 并有源濾波器后A相負載電流與電源電流波形 圖中：1負載電流5A/div 2電源電流5A/div 圖3所示為未補償時A相電源電壓和A相負載電流波形，由波形可以看出負載電流中含有嚴重

6、的諧波分量。圖3中僅給出一相的波形，其它兩相的波形相同，相位依次相差120。圖4為并有源濾波器后A相負載電流和有源電力濾波器的指令電流波形。圖5為A相有源濾波器實際產(chǎn)生的補償電流和補償后的電源電流；圖6為A相負載電流和補償后的電源電流波形,由圖5，圖6可以看出補償后的電源電流基本上為一正弦波，實現(xiàn)了有效補償諧波及無功電流的目的。 4 結語 實驗結果表明本文所研究的裝置可以補償和抑制整流器帶感性負載對電網(wǎng)的諧波污染，從而驗證了理論分析的正確性和實驗系統(tǒng)的可行性。 作者簡介 李建林(1976),男，浙江大學博士研究生。從事有源電力濾波器，開關電源等方面的研究。 支勇（1976），男，山西省黃河萬家寨水利樞紐有限公司助理工程師，從事電站建設等方面的研究； 劉兆燊（197