倪 堃 魏智慧 吳升濤 周文海 翟文化

（國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

0 引言

智能家電中使用的軟啟動(dòng)器、電力電子調(diào)速變頻裝置和不間斷電源等接入配網(wǎng)后都會(huì)使配網(wǎng)產(chǎn)生高次諧波。APF是一種有效的諧波治理裝置，其按連接方式可以分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混聯(lián)型3種?；炻?lián)型APF控制復(fù)雜，成本高，而串聯(lián)型APF在市場上并不多見，這是因?yàn)榇?lián)型APF不能直接接入系統(tǒng)（電源）中，需要在系統(tǒng)與APF之間接入一個(gè)耦合變壓器[1-5]，所以工程中運(yùn)用最多的是并聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF存在諧波電流檢測時(shí)間長，補(bǔ)償有一定波動(dòng)的問題，文獻(xiàn)[6]針對并聯(lián)APF直流側(cè)功率波動(dòng)的周期性設(shè)計(jì)了直流側(cè)間接控制方法。文獻(xiàn)[7]通過瞬時(shí)功率流分析的方法研究了單相APF直流側(cè)電容與電壓波動(dòng)的關(guān)系，推導(dǎo)出在電容電壓幅值波動(dòng)條件下電容容量的數(shù)值。文獻(xiàn)[8]分別計(jì)算并比較了三角波電流比較控制方式和空間矢量脈寬調(diào)制控制方式下直流側(cè)電壓利用率。

已有文獻(xiàn)更多偏向于理論方法的研究和對比，缺乏應(yīng)用于實(shí)例化場景的設(shè)計(jì)，且研究單相APF的文獻(xiàn)相對較少[9-13]。未來，隨著主動(dòng)型配電網(wǎng)的構(gòu)建，源—網(wǎng)—荷互動(dòng)更加頻繁，單相負(fù)載比重將進(jìn)一步上升，用戶端就地治理諧波，改善電能質(zhì)量的重要性不言而喻。因此，本文以采用了大量智能家電的智慧家庭為研究對象，抽象出等效負(fù)載模型，設(shè)計(jì)了一種安裝于智能家庭進(jìn)戶相線上的單相并聯(lián)型APF，并提出了一種基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法，電流跟蹤控制上則采用了較為成熟的滯環(huán)控制法。最后，通過仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對比安裝APF前后的電流波形和畸變率，來驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的APF能有效改善電能質(zhì)量，降低電源電流的畸變率。

1 單相并聯(lián)型APF的原理

1.1 諧波的定義和測量標(biāo)準(zhǔn)

在非線性負(fù)載電路中，系統(tǒng)電氣量（電壓或電流）的波形產(chǎn)生了畸變，不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。一般條件下，非正弦波形都滿足狄利克雷條件，能分解成傅里葉（Fourier）級數(shù)的形式。以非正弦波形的電流為例，傅里葉級數(shù)的形式可表示為：

其中，n=1表示基波分量。n＞1且取整數(shù)表示諧波分量，頻率，當(dāng)n取奇數(shù)時(shí)，表示奇次諧波；當(dāng)n取偶數(shù)時(shí)，表示偶次諧波。

總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）由諧波總量的有效值之比得到，用百分?jǐn)?shù)表示，其數(shù)值大小能反映電源電流的諧波含量。電流總諧波畸變率（THDI）表示如下：

IH表示諧波含有總量，公式如下：

本文采用THDI來反映電源電流的畸變程度，當(dāng)并聯(lián)APF補(bǔ)償后的電源電流THD比沒有使用APF的電源電流THD小，且波形得到大幅度改善，就認(rèn)為所設(shè)計(jì)的APF對電源電流的補(bǔ)償有效。

1.2 單相并聯(lián)型APF的電流補(bǔ)償原理

單相并聯(lián)型APF的結(jié)構(gòu)及原理示意圖如圖1所示。諧波電流檢測電路檢測出負(fù)載電流的諧波分量，通過控制電路產(chǎn)生PWM或控制驅(qū)動(dòng)信號來控制主電路開關(guān)器件的開斷，產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載電流的諧波分量大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流，消除電源側(cè)的諧波分量，主電路采用的開關(guān)器件一般是MOSFET、IGBT。

圖1 單相并聯(lián)型APF構(gòu)成示意圖

2 單相并聯(lián)型APF的設(shè)計(jì)

2.1 基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法

并聯(lián)型APF的變換器直流側(cè)都有一個(gè)大電容，用于儲(chǔ)存電能，其大小影響補(bǔ)償效果?；谧儞Q器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法的思路是，將電容電壓與設(shè)定的參考電壓相比較，得到含有擾動(dòng)量的信號，將該信號饋送到一個(gè)PI控制器中，該控制器能調(diào)整輸入信號得到無擾動(dòng)的輸出信號，該輸出信號就是負(fù)載電流基波分量的幅值。電壓源的單位矢量是從系統(tǒng)（電源）得到的，負(fù)載電流基波分量的幅值乘以電壓源單位矢量得到負(fù)載電流基波的參考信號，將該參考信號與負(fù)載檢測電流相比較即可獲得補(bǔ)償電流。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于通過適當(dāng)調(diào)整PI控制器參數(shù)直接生成負(fù)載電流基波分量的幅值，如圖2所示。

圖2 基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法原理圖

2.2 滯環(huán)控制法

滯環(huán)控制法（Hysteresis band control technique）是滯環(huán)比較跟蹤控制技術(shù)的簡稱，也叫作bang-bang控制或紋波調(diào)節(jié)器控制，該方法把輸出電氣量（電壓或電流）維持在內(nèi)部參考電氣量為中心的滯環(huán)公差h內(nèi)，其原理圖如圖3所示，波形圖如圖4所示。

圖3 滯環(huán)控制法原理圖

圖4 滯環(huán)控制法波形圖

APF中滯環(huán)控制法工作原理是：先對實(shí)際補(bǔ)償電流信號與參考電流信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的比較，之后再根據(jù)產(chǎn)生的偏差進(jìn)行判斷；偏差值為正時(shí)，補(bǔ)償電流減少；偏差值為負(fù)時(shí)，補(bǔ)償電流增加；進(jìn)而產(chǎn)生PWM信號，控制開關(guān)器件的關(guān)斷。這種方式下，改變PWM的占空比，就可以改變輸出的補(bǔ)償電流的幅值大小。

3 仿真與分析

3.1 負(fù)載等效模型構(gòu)建

整流電路在各類家用電器電路中最常見，其產(chǎn)生的波形含有高次諧波，可以代表智慧家庭中開關(guān)器件的動(dòng)作特性；部分家用電器中會(huì)有電動(dòng)機(jī)、繼電器等器件，在啟動(dòng)過程中會(huì)有反電動(dòng)勢，因此負(fù)載等效模型構(gòu)建時(shí)應(yīng)該考慮反電動(dòng)勢的影響；大部分負(fù)載呈感性，都可以等效為阻感負(fù)載。在綜合考慮以上因素的前提下，構(gòu)建出如圖5所示虛線方框中的負(fù)載等效模型。為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的APF性能，等效參數(shù)選擇上要比實(shí)際情況裕度大一些，如表1所示，以期適應(yīng)各種極端惡劣工況。負(fù)載在沒有并入APF的條件下，電流波形嚴(yán)重畸變，含有大量高次諧波，直接接入配網(wǎng)，會(huì)導(dǎo)致配網(wǎng)的電流也含有大量高次諧波，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)仿真圖

圖6 補(bǔ)償前電壓源電流仿真波形分析

表1 等效負(fù)載參數(shù)表

3.2 系統(tǒng)仿真模型搭建

采用MATLAB/Simulink來搭建仿真模型，諧波電流檢測方法采用了基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法，控制方法采用了滯環(huán)控制法，二者的集成子系統(tǒng)模型命名為G，如圖7所示。配網(wǎng)等效為電壓源，工頻50 Hz，系統(tǒng)模型搭建中考慮了配網(wǎng)網(wǎng)損，APF通過濾波電感連接到家庭進(jìn)戶相線上，并聯(lián)在等效負(fù)載兩端，整體系統(tǒng)仿真圖如圖5所示。具體系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖7 G子系統(tǒng)

表2 系統(tǒng)參數(shù)表

3.3 仿真結(jié)果分析

等效負(fù)載電流的波形與等效電壓源電流的波形相似，在不考慮配網(wǎng)線損的情況下，二者波形一樣。它們的諧波含量也相似，沒有使用有源濾波器的電壓源電流的波形和FFT分析圖如圖6所示，使用了APF的負(fù)載電流波形和FFT分析圖如圖8所示，補(bǔ)償后電壓源電流波形和FFT分析圖如圖9所示。

圖8 補(bǔ)償后負(fù)載電流仿真波形分析

圖9 補(bǔ)償后電壓源電流仿真波形分析

從圖6可以看出，沒有使用APF的電壓源電流總諧波畸變率（THD）為20.39%，波形畸變嚴(yán)重；從圖9可以看出，使用APF后電壓源電流的THD降低到了4.12%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，其幅值為38.87 A。APF補(bǔ)償后電壓源電流的幅值與負(fù)載電流的幅值只相差了0.19 A，說明本設(shè)計(jì)中的APF不僅補(bǔ)償效果好且損耗小，能為負(fù)載提供所需的諧波電流。圖8所示補(bǔ)償后負(fù)載電流仿真波形帶有毛刺，這是開關(guān)器件頻繁動(dòng)作以及存在諧波電流檢測的固有時(shí)間間隔導(dǎo)致的，對負(fù)載來說會(huì)增加些許損耗，實(shí)際工作影響不大。

4 結(jié)論

隨著智能電器的普及，電力電子設(shè)備在配網(wǎng)中的接入數(shù)量不斷增加，諧波問題也急劇加重。在此背景下，本文提出在智慧家庭入戶進(jìn)線相線上安裝APF的方法，來降低接入配網(wǎng)的高次諧波含量，抑制諧波，減輕對配網(wǎng)的危害。首先，提出了一種基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測法，該方法不用計(jì)算有功功率，易于實(shí)施。之后，對應(yīng)用單相并聯(lián)型APF的實(shí)際場景進(jìn)行了仿真模型搭建。基于模型仿真結(jié)果，對APF的性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)安裝APF后電源側(cè)諧波總畸變率明顯降低，高次諧波含量明顯減少。由此可知，所設(shè)計(jì)的APF能為負(fù)載提供所需的諧波電流。