摘要：為實現(xiàn)對非線性負載的諧波補償和功率因數(shù)連續(xù)調節(jié)，采用了一種無變壓器并聯(lián)混合型有源濾波器，闡述了其工作原理。綜合考慮成本與濾波效果的情況下選擇采用7次單調諧無源濾波器，針對7次單調諧無源濾波器對于5次諧波補償能力較差的狀況，采用了反饋加5次前饋的控制策略，為了進一步對系統(tǒng)的無功功率進行補償，在原有的反饋控制環(huán)節(jié)上進行了一定的改進，仿真結果證明了該并聯(lián)混合性有源濾波工作的有效性。
關鍵詞：無變壓器；混合有源濾波器；前饋加反饋補償；無功功率補償
隨著電力電子技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負載越來越多，由此帶來的諧波污染也越來越嚴重。傳統(tǒng)的LC無源電力濾波器(PPF)以其廉價、簡單、易維護等特點在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用，但無源補償裝置濾波性能受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，只能補償固定次數(shù)的諧波，易于電網(wǎng)等效阻抗發(fā)生諧振，難以對動態(tài)的無功功率和諧波進行有效補償。
和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源濾波器(APF)能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償，而且補償無功功率的大小可做到連續(xù)調節(jié)，實現(xiàn)動態(tài)補償。但其成本較高、輸出容量有限，難以應用于對大容量負載進行補償。由PF和APF構成的混合型有源濾波器(HAPF)既可克服APF成本高的缺點，又可使整個系統(tǒng)獲得良好的性能，適用于大容量負載的補償。
文中在闡述TSHAPF工作原理的基礎上，針對7次調諧的無源濾波器對5次諧波濾波能力較差的狀況，提出了反饋控制加5次前饋控制的策略，并給出了系統(tǒng)的總體控制策略。當系統(tǒng)的無功功率急劇變化時會引起母線電壓的波動，從而影響到系統(tǒng)的正常運行，因此在原有的反饋環(huán)節(jié)中加入了無功功率補償回路，通過調節(jié)補償器的無功容量，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的無功功率穩(wěn)定。
1 TSHAPF工作原理
在傳統(tǒng)的HAPF系統(tǒng)中，由于基波阻抗較低，無源部分無法承擔較多的基波電壓，且流經有源部分的基波無功電流較大，因此需要通過耦合變壓器來滿足有源和無源濾波器的電壓和電流的匹配。為了濾除高頻毛刺，還需附加輸出濾波電路。文中采用了一種無變壓器型TSHAPF，系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。
APF的有源部分與LC濾波器串聯(lián)，然后并聯(lián)接入電網(wǎng)，非線性負載為整流負載。有源濾波支路產生諧波補償電流來補償整流負載電流中的諧波電流，從而使電網(wǎng)側電流實現(xiàn)正弦化。負載交流側串接阻抗，以防止短路故障電流和降低負載電流畸變率，同時抑制公共節(jié)點電壓的開關紋波分量。
無源濾波器采用單調諧電路，在某個低次諧波附近呈現(xiàn)低阻抗，分流負載電流的該次諧波分量，而在開關頻率處呈現(xiàn)高阻抗，從而不需要額外的開關紋波濾波器，減小了系統(tǒng)的體積。此外，對于基波而言LC諧振電路相當于一個大電容，承擔了大部分的基波電壓，有源濾波器上的基波電壓非常小，降低了對開關器件的耐壓要求。因此在某些場合中可以選用低壓MOSFET，降低成本，提高系統(tǒng)效率及補償性能。
2 TSHAPF控制策略
TSHAPF中逆變器控制策略是整個濾波系統(tǒng)的核心問題，它決定著濾波的跟隨特性和整體濾波效果。文中提出了一種采用電網(wǎng)諧波電流反饋控制與負載諧波電流前饋控制的復合控制策略，這種控制方法計算量小，控制簡單，濾波效果比僅采用電網(wǎng)諧波電流作反饋控制時更好。其中前饋控制的作用是當擾動出現(xiàn)時立即根據(jù)擾動的性質和大小進行控制，以補償擾動的影響，目的是加速系統(tǒng)響應速度，改善系統(tǒng)的調節(jié)品質；反饋控制主要用來彌補前饋控制的不足，克服模型不精確以及干擾帶來的影響。TSHAPF的總體控制框圖如圖2所示。
2．1 反饋控制
反饋控制是有源濾波器中最常用的控制策略，目的在于利用有源濾波器來改善無源濾波器的整體濾波性能。
基于瞬時無功理論，文中通過abc-dq變換將三相電網(wǎng)電流is轉化為瞬時有功電流id1和瞬時無功電流iq1，其中的直流部分對應is中的基波分量，交流部分對應is中的諧波分量。使用兩個一階高通濾波器從id1，iq1中提取出交流分量idac和iqac，之后進行dq-abc變換就可以得到待補償?shù)碾娋W(wǎng)諧波電流iSH，將其放大K倍后作為有源濾波器的參考信號。同時，通過檢測逆變器直流電壓Vdc進行閉環(huán)控制可以實現(xiàn)Vdc的建立與穩(wěn)定，無需外加獨立直流電壓源。
2．2 前饋控制
并聯(lián)在電網(wǎng)上的無源濾波器僅由一組7次單調諧波器構成，針對7次調諧的無源濾波器對5次諧波能力較差的情況，采用了單獨對5次諧波進行補償?shù)姆椒ǎ谒矔r無功理論，三相負載電流iL通過abc-dq變換轉化為瞬時有功電流iLd5和iLq5，經過低通濾波后與阻抗矩陣相乘，再經dq逆變換，得到三相的前饋指令電壓。在α-β靜止坐標系下，LC濾波器的阻抗可以表達為
3 仿真結果
為了驗證系統(tǒng)的有效性，在MATLAB環(huán)境下給出了該系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示，補償對象為三相不可控橋式整流電路帶組感性負載(R0=50 Ω，L0=1 mH)，交流出線側電感L=3 mH。
圖3為補償前a相電流波形及頻譜分析，可以看出負載電流存在著很大的畸變，電流的總畸變率達到27．37％。圖4為采用該控制系統(tǒng)進行補償后的a相電流波形及頻譜分析，波形接近為正弦波，畸變率降低到了3．34％，達到了很好的補償效果。
4 結論
文中針對傳統(tǒng)混合型變壓器采用了一種不經過耦合變壓器的混合型有源濾波器，混合有源濾波器中基波電壓大部分都由單調諧支路的電容來承受，有源濾波器基本不承受基波電壓。因此，APF容量比較小，可以節(jié)省投資成本。采用了反饋加前饋的控制策略，能夠濾除系統(tǒng)的大部分諧波，并且降低了系統(tǒng)的無功功率，在穩(wěn)態(tài)情況下具有良好的補償諧波和無功功率的能力，在MATLAB中建立了并聯(lián)型有源濾波器的仿真模型，仿真結果表明該控制方案具有良好的動態(tài)補償性能。
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