方波有源濾波器諧波電流檢測的一種新方法

1引言

隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置的應用日益廣泛，引起的電網諧波污染也日趨嚴重[1][2]。因此，對電網諧波采取有效的抑制并對無功功率進行動態補償已成為重要的研究方向。

采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施。傳統的方法是采用LC無源濾波器，其優點是成本低、效率高，但其補償特性易受電網阻抗和運行狀態的影響，易和系統發生諧振造成諧波放大，且只能補償固定頻率的諧波[2][3]。

基于電力電子技術發展而出現的有源電力濾波器(ActivePowerFilterAPF)，為消除電力系統諧波開辟了新途徑，同時也解決了無功功率補償的問題。APF基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器具有LC濾波器無可比擬的優點：優良的動、靜態補償性能，且其補償特性不受電網阻抗的影響，可實現多功能的集成化，一機多用。

從不同的觀點出發，APF具有不同的分類標準[3][4][5]。單獨使用的串聯或并聯APF對小功率系統具有良好的補償特性，但不宜用于大功率系統[1]，因為此類APF是用一個逆變器產生要補償的所有諧波信號。這種方式對逆變器PWM調制的帶寬要求較高，只能用于中等容量的系統(500kW～10MW)。將APF與無源濾波器串聯使用，使APF只承受諧波電壓，因而容量大大減小，可用于功率10MW以上的系統[1][6][7]，文獻[8][9]提出一種方波有源濾波器(HybridParallelActivePowerFilterAPAPF)，其采用多個小容量(約為非線性負載容量的1％～2％)的逆變器對主要的諧波分別進行補償，使逆變器只承受某次諧波電壓，如圖1所示。

本文針對此新型方波APF，基于瞬時無功功率理論，提出一種檢測指定諧波次數電流的方法，理論和仿真證明了此方法的有效性。

2瞬時無功功率理論

1983年，日本學者赤木泰文提出的“瞬時無功功率理論”使得20世紀70年代提出的有源電力濾波器

圖1方波有源濾波器系統

圖2αβ坐標系中的電壓、電流矢量

圖3pq運算方式的原理圖

走出了實驗室。此后，這一理論被不斷完善[10]。

設三相電路為三相三線制，其各相電壓、電流的瞬時值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic。把它們分別變換到兩相正交的αβ坐標系，如圖2所示。(1)(2)

在圖2所示的αβ平面上，矢量eα、eβ和iα、iβ分別合成電壓矢量e和電流矢量i，三相電路瞬時無功功率q(瞬時有功功率p)為電壓矢量e的模與三相電路瞬時無功電流iq(瞬時有功電流ip)的乘積。(3)

由圖2并進行坐標變換可得：(4)