0引言

　　傳統(tǒng)的有源電力濾波器（APF）補償原理是，檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流。補償電流與諧波電流大小相等、方向相反，以防止諧波電流流入電網(wǎng)，最終得到期望的電源電流。由于這種諧波檢測方法在一個采樣周期需要進行正反兩次變換，計算量較大，以致存在一定的延時，對畸變電流實時性的跟蹤補償能力不強，達不到較好的補償效果。

　　本文針對非線性負載提出直接功率控制（DPC）方法，該方法是基于瞬時無功功率理論諧波檢測的改進。在檢測環(huán)節(jié)中不需將諧波功率轉(zhuǎn)換為諧波參考電流，而直接將諧波功率作為參考功率信號，控制APF發(fā)出與參考諧波功率大小相等、方向相反的諧波有功功率和無功功率的PWM脈沖，抵消諧波功率，簡化了數(shù)據(jù)計算量，更好地提高補償系統(tǒng)對井場電網(wǎng)諧波抑制和無功補償?shù)膭討B(tài)性能。

1 諧波產(chǎn)生及其危害

　　諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。公用電網(wǎng)中的諧波源主要是各種電力電子裝置、變壓器、發(fā)電機、電弧爐等。

　　產(chǎn)生的諧波可使電機負荷加重,產(chǎn)生振蕩轉(zhuǎn)矩; 變壓器鐵芯磁滯伸縮產(chǎn)生震動噪聲；通信設(shè)備造成干擾；繼電保護造成錯誤動作等不利影響，危及工作人員的安全和設(shè)備的工作壽命，故對電網(wǎng)的諧波治理十分必要。

2 DPC控制系統(tǒng)設(shè)計

　　針對用電設(shè)備中主要諧波源對母線造成的諧波污染問題，設(shè)計的DPC控制系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)將實時檢測母線三相電壓。與電流數(shù)據(jù)進行分析計算，得到瞬間有功功率 和瞬間無功功率，并通過旋轉(zhuǎn)坐標變換得到和，且得出電壓矢量 所處扇區(qū)的信號。和與參考有功功率給定值 和參考無功功率給定值 比較后輸入到功率滯環(huán)比較器，由直流電壓外環(huán)設(shè)定， 設(shè)為0實現(xiàn)單位功率因數(shù)校正。功率滯環(huán)比較器輸出的功率偏離信號 和 通過開關(guān)表的電壓空間矢量控制（SV PWM）驅(qū)動 ，的開通與關(guān)斷。

圖1  DPC控制系統(tǒng)

2.1DPC諧波檢測方法

　　DPC控制系統(tǒng)采用瞬時無功理論的 法檢測諧波。該系統(tǒng)諧波檢測方法如圖2所示。三相電壓、電流型號經(jīng) 坐標變換，實時計算瞬時有功功率 和無功功率 。該方法在計算 和 過程中，需用到與a相電網(wǎng)電壓 同相位的正弦型號 和對應(yīng)的余弦信號 ，它們由鎖相環(huán)（PLL）可得到，經(jīng)過高通濾波器（HPF）之后將瞬時功率的直流分量 和 濾除，剩余量為基波電壓和諧波電流產(chǎn)生成的諧波有功功率 和無功功率 。其中 和  分為坐標軸變換和旋轉(zhuǎn)變換，即

和 由公式（1），（2）求得：

2.2功率滯環(huán)比較器

　　基于坐標變換，瞬間有功功率 和瞬間無功 為正時向電網(wǎng)吸收能量，為負時向電網(wǎng)反饋能量。功率滯環(huán)比較器的輸入信號為 和 ，輸出開關(guān)信號為 和 。滯環(huán)比較器帶寬圖如3 所示，帶寬 和 的選取直接影響平均開關(guān)頻率和瞬時功率的跟蹤能力，即當和增大時，變流器的開關(guān)頻率降低，諧波含量（THD）增加，功率跟蹤能力下降。反之，當 和 減小時，變流器的開關(guān)頻率加大，開關(guān)器件損耗增加，諧波含量（THD）同時也增加。故需折中考慮工況，帶寬一般為功率的5%。

圖3  滯環(huán)比較器帶寬圖

2.3 直流側(cè)電壓信號

　　在圖1中，為直流側(cè)電壓 的反饋值，兩者之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到 。它將疊加到瞬時有功功率直流分量上。APF變流器輸出的三相瞬時功率包含一部分基波有功電流分量，產(chǎn)生的補償電流注入電網(wǎng)，從而使直流側(cè)與交流側(cè)之間的進行能量交換，并將 調(diào)節(jié)至給定值。

3 DPC電壓空間矢量控制策略

3.1、工作狀態(tài)確定

　　在DPC控制系統(tǒng)中，是通過對APF變流器輸出有功和無功與給定值比較后得到 和 ，選擇適當?shù)目臻g電壓矢量實現(xiàn)對功率的直接控制。如表一所示， 和 通過磁滯環(huán)比較器利用兩個與非門輸出4種不同電平狀態(tài)信號，確定工作狀態(tài)。

表1   狀態(tài)

3.2 電壓空間矢量扇區(qū)劃分及開關(guān)表

　　系統(tǒng)空間電壓矢量由6個非零矢量（ ～ ）和2個零矢量（ 、 ）組成，它們在空間上相位 弧度，形成首尾銜接的正六邊形，為六拍階梯波逆變器。若再把每個區(qū)域平分，得到12個扇區(qū)，為十二拍階梯波逆變器，每個扇區(qū)為 弧度，較前者更接近圓，輸出控制波形更平滑。公式（4）、（5）劃分扇區(qū)號 ，由 和 確定。扇區(qū)確定后，方可通過表2的狀態(tài)開關(guān)表控制變流器動作。

　　由表2所知，變流器的開關(guān)狀態(tài)為100，110，111,000,011,010,101,001共8種。在實際系統(tǒng)中，為了提高運算速度，可預先把開關(guān)表程序儲存在控制系統(tǒng)(如數(shù)據(jù)處理能力強的DSP)的Flash中，同時在每次切換開關(guān)狀態(tài)時，只切換一個功率開關(guān)器件，以滿足最小的開關(guān)損耗。通過控制變流器IGBT的開關(guān)與關(guān)斷，實現(xiàn)對電網(wǎng)系統(tǒng)實時的諧波抑制和功率補償。

4.仿真實驗

　　按照圖1的控制系統(tǒng)框圖，在PSCAD搭建仿真模型，搭建仿真模型對不同電感值時的補償電流跟蹤情況進行仿真驗證。連接電抗L=2mH時，補償效果最佳。系統(tǒng)參數(shù)為：電源線電壓35kV/50Hz,非線性負載為三相不可控整流橋帶純阻性負載，R=100Ω，整流橋進線電感L=1mH；直流側(cè)電壓Ud=1000V。

4.1負載諧波檢測

圖4-1為未投入DPF時負載諧波電流波形。

圖4-1 未投入DPF的諧波電流波形

4.2系統(tǒng)諧波檢測

圖4.2投入DPF前的35kV系統(tǒng)電流波形

圖4.3投入DPF后的35kV系統(tǒng)電流波形

4.3補償前后35kV側(cè)系統(tǒng)諧波分析

圖4.4補償前后的35kV系統(tǒng)電流諧波分析

5. 結(jié)論

　　本文提出的基于直接功率控制的有源電力濾波系統(tǒng)方法,能有效抑制非線性負載諧波，提高母線功率因數(shù)。其利用參考瞬時功率檢測方法，比利用參考諧波電流檢測方法簡單、快捷，利于硬件電路實現(xiàn)。而且系統(tǒng)響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好，具有較好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 粟時平 劉桂英等 靜止無功功率補償技術(shù) 北京 中國電力出版社 2006

[2] 王兆安 楊軍 劉進軍等 諧波抑制和無功功率補償 北京 機械工業(yè)出版社 2010