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(chǎng)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,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(cè)時(shí)間長(zhǎng),補(bǔ)償有一定波動(dòng)的問題,文獻(xiàn)針對(duì)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)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)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(duì)比,缺乏應(yīng)用于實(shí)例化場(chǎng)景的設(shè)計(jì),且研究單相APF的文獻(xiàn)相對(duì)較少。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(duì)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(cè)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(duì)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(cè)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(jí)數(shù)的形式。以非正弦波形的電流為例,傅里葉級(jí)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f=,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(TotalHarmonicDistortion,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:

lH表示諧波含有總量,公式如下:

本文采用THD3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(duì)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F所示。諧波電流檢測(cè)電路檢測(cè)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(hào)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。

式中:I一1為負(fù)載電流:I一1f為負(fù)載電流基波分量:I一1h為負(fù)載電流諧波分量:I一c為APF補(bǔ)償電流:I一s為電源電流。

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(cè)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(cè)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(hào),將該信號(hào)饋送到一個(gè)A3控制器中,該控制器能調(diào)整輸入信號(hào)得到無擾動(dòng)的輸出信號(hào),該輸出信號(hào)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(hào),將該參考信號(hào)與負(fù)載檢測(cè)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A3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。

2.2滯環(huán)控制法

滯環(huán)控制法(Hysteresisbandcontro1technique)是滯環(huán)比較跟蹤控制技術(shù)的簡(jiǎn)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。

APF中滯環(huán)控制法工作原理是:先對(duì)實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)與參考電流信號(hào)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(hào),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(shì),因此負(fù)載等效模型構(gòu)建時(shí)應(yīng)該考慮反電動(dòng)勢(shì)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。

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(cè)方法采用了基于變換器直流側(cè)電壓的諧波電流檢測(cè)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50Hz,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。

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。

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(guó)家標(biāo)準(zhǔn),其幅值為38.87A。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0.19A,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(cè)的固有時(shí)間間隔導(dǎo)致的,對(duì)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(duì)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(cè)法,該方法不用計(jì)算有功功率,易于實(shí)施。之后,對(duì)應(yīng)用單相并聯(lián)型APF的實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行了仿真模型搭建。基于模型仿真結(jié)果,對(duì)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。