第 40 卷 第 7 期
2020 年 7 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.40 No.7
Jul. 2020
三相四线制有源电力滤波器均压环优化设计
黄海宏,郑小朋,王海欣
(合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009)
摘要:在三相四线制电容分裂式有源电力滤波器应用中,受限于硬件参数以及控制策略的影响,电容中点电
位易发生偏移,使得上、下电容电压失衡,严重影响系统运行的安全性以及有源电力滤波器的补偿性能。为
改善传统均压环设计的不足,基于 Butterworth 二阶陷波器对均压环输出值进行陷波,通过输出反馈提高系统
动态响应能力的方式对传统均压环设计进行改进,从而降低传统均压环输出电压脉动对滤波器补偿性能的
影响,并在保证直流侧电容电压稳态精度的同时加快均压响应速度。在 MATLAB 仿真中验证了改进型均压
环设计的有效性,并搭建以 DSP 为控制芯片的实验平台验证了改进型均压环设计的可行性。
关键词:有源电力滤波器;陷波器;均压环;输出反馈;动态响应
中图分类号:TN 713 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.202007021
0 引言
随着社会的发展,大量使用电力电子装置造成
的电网谐波污染严重威胁电网和电气设备的安全运
行与正常使用
[1⁃2]
,有源电力滤波器(APF)得到了广
泛应用。三相四线制 APF 具备补偿任意不平衡无功
与负载谐波的特性,加之我国输电线路普遍采用三
相四线制,使其逐渐成为广大学者研究的热点
[3]
。
在网侧三相电流平衡补偿下,面对不平衡负载时,三
相补偿电流中含有有功分量,易使得直流侧上、下电
容电压失去平衡,电压严重波动时会对电容等器件
造成损害,导致 APF 无法工作。因此直流侧上、下电
容的均压效果将直接影响 APF 的补偿性能。文献
[4]基于模糊控制策略,具有较好的稳态性能,但系
统动态性能较弱。文献[5]基于重复控制与比例积
分(PI)控制并联,使得系统参数整定复杂,较难达到
工程实践效果。文献[6]在有效滤除高频分量的同
时使得系统延时加剧,动态响应能力不足,且未针对
高频分量对网侧电流的影响进行后续分析。本文基
于三相四线制电容分裂式 APF 对不平衡负载
[7]
进行
补偿时,在平衡三相网侧电流、优化网侧中线电流的
前提下,分析均压环输出对网侧三相电流平衡造成
的影响,采用 Butterworth 二阶陷波器对电压脉动影
响进行抑制,利用均压环输出反馈控制,使得其在动
态响应、稳态精度以及工程实践可行性上得到兼容。
仿真与实验验证了优化设计的有效性。
1 均压环输出成分分析及优化设计
1.1 补偿电流与直流侧电压二次脉动的关系分析
图 1 为三相四线制 APF 拓扑。图中,e
m
(m= a,b,
c)为三相电网电压;i
m
为网侧三相电流;L 为桥侧滤
波电感;i
mf
为三相补偿电流,以流入桥侧为正方向;
i
Lm
为三相负载电流;R
Lm
为三相负载电阻;C
Lm
为三相
负载电容;C
1
、C
2
分别为直流侧上、下电容,上、下电
容值理论上应保持相等;U
dc1
、U
dc2
分别为直流侧上、
下电容电压;n 为中性点;i
C1
、i
C2
分别为流经上、下电
容的电流。设 e
a
的离散形式为 U
1
sin
(ωkT + θ
1
)
,其中
ω 为电网电压角频率,U
1
为电压幅值,θ
1
为初相角。
由于负载的不平衡性,正序、负序、零序电流均
有可能存在,APF 对不同电流的补偿将会产生不同
的影响。系统设计中由于 APF 补偿谐波与无功并进
行有功均流,因而网侧三相电流平衡、中线电流为 0
是不平衡补偿后的最佳效果,下面先对补偿电流与
直流侧电压的脉动关系进行分析
[8⁃9]
。
在对负载 进 行谐 波 补偿 时 ,直流侧 电 压脉 动
分量会对补偿效果造成影响,其中二次脉动含量最
丰富,由文献[10⁃11]可知,在补偿基波负序电流与 3
次谐波电流正序分量时会产生二次脉动。设基波负
序 电 流 分 别 为
i
-
a
= I
1N
sin
(
ωt + θ
)
、
i
-
b
= I
1N
sin
(
ωt + θ +
2π/3
)
、
i
-
c
= I
1N
sin
(
ωt + θ - 2π/3
)
,其 中 I
1N
、θ 分别为基
波负序电流幅值、初相角。由能量双向流动关系对
上电容电压脉动情况进行分析
[12]
。
图 1 三桥臂三相四线 APF 拓扑
Fig.1 Topology of three- leg three-p hase four-wire APF
收稿日期:2020-01-08;修回日期:2020-05-26