基于单周控制的串联混合型APF的研究
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· ·
( 7) ( 8) ( 9)
I sn = · Z sn
U sn
( 10 )
( U /槡 3)
2
XC XC － 2 n 2 2 n U 因此: X C = 2 n － 1 Qn
XC － XL
=
U2
=
n 2 U2 n － 1 XC
2
( 1)
( 2)
式中 U—母d on One － cycle Control Research of Series Hybrid APF
LI Cheng － jun ，ZHANG Xiao ，SUN Hua ，ZHANG Ying ( Jiangsu Electrical Drive ＆ Control Engineering Technology Research Center， China University Of Mining And Technology，Xuzhou 221008 ，Jiangsu ， China) Abstract: In order to solve voltage type harmonic source which took up a high proportion of the rectifier load for，the series hybrid active power filter ( SHAPF ) can compensate the harmonic distortion caused by voltage type harmonic source． This paper established a SHAPF single － phase equivalent circuit and one － cycle controlled switching circuit model，analyzed SHAPF compensation characteristics and principles of the one － cycle control theory． On this basis， this article has analyzed the structure of series hybrid APF， modeling， neutral － point potential balance and simulation． Simulation results show that the series hybrid APF can effectively compensate the harmonic and neutral current produced by real － time non － linear load，and effectively inhibit the neutral － point potential． Key words: series hybrid active power filter， 3 － phase 4 － wire，one － cycle control，neutral － point potential balance 0 引 言
UC = 产 生 与 线 路 中 谐 波 电 流 成 正 比 的 谐 波 电 压， KT sh 。因此对谐波电流， 串联 APF 可以等效为一个电 阻， 其 阻 值即 为 放 大 倍 数 K ， 当 K 远远 大 于电网 阻 抗 和无源滤波器等效阻抗时， 线路电压和电流中 只 有 很
— 58 —
小的谐波 残 余， 对 工 频 APF 呈 极低 阻 抗， 因此 串 联 APF 相 当 于 一 个谐波 隔 离 装置。 串 联 APF 强 制 将 负 载的谐波电流流入无源滤波器， 同时也阻 止 了电 源 的 谐波电压串入负载侧， 无源滤波器是负载 谐波电流的 唯一通道。对谐振频率处的谐波， 无源滤波 器 呈 极低 阻 抗。 由 于 APF 并 不 直 接 承 受 电网电 压 和 负载 电 流， 所以其容 量 可以 较 小， 成 本 相 对 较低。 串 联 混 合 型 APF 电路模型如图 1 所示。
上述单调谐滤波器设计过程中， 有两个 关 键 的 问 : ， 题 一是补偿容 量 如 何 分 配 二 是 如 何 确 定 最 佳 的 品 质因数。 串联型 APF 的 一 个 主要 特点 是 作 为 受 控 电 压 源工作。 下 面 利 用 系统的 单 相 等 效 电 路 进行分析。
· ［3 ］
等效电路如 图 2 所 示。 图 中 U C 表 示 串 联 型 APF 的
{
u Ao1 ≈u a2 u Bo1 ≈u b2 u Co1 ≈u c2 ( 17 ) ( 16 )
对于三相电源对称系统， 有: u a2 + u b2 + u c2 = 0 于是可得: ( u AN + u BN + u CN ) u o1 N = 3
( 18 )
联立式( 12 ) ～ ( 18 ) ， 可得: 1 1 2 － － 3 3 3 d V +d V a2p dc2 a1p dc1 u a2 1 2 1 － d b1p V dc1 + d b2p V dc2 = u b2 ( 19 ) － 3 3 3 d c1p V dc1 + d c2p V dc2 u c2 1 1 2 － － 3 3 3 2 串联混合型 APF 的单周控制方程的推导 APF 在补偿系统的谐波电流和无功 电流 后， 从电
图 2 串联混合型 APF 的单相等效电路图 Fig． 2 Single － phase equivalent circuit of series hybrid APF — 59 —
那么， 当电源电压没有畸变时:
·
I sn = 0
( 11 )
即电源电流 i s 中不含有谐波成分， 从而达到谐波 补偿的目的。 对于单周控制三相四线制三桥臂有 源 滤波 器， 由 于 APF 工作时， 能 量 应该 在 交 流电 源 和 APF 直流 侧 电容之间进行 交 换， 所以 变换 器 应作用 在 四 象 限， 在 实际工作过程中由于零序电流的存在， 使 得 直流 侧 两 电容电压必有偏差， 设两电容 C1 和 C2 的电 压 分 别 为 V dc1 和 V dc2 。 其工作时: 在一 个时 钟 周 期内， 由于每个桥臂由 D6 组 四个功率开关管 S1 ～ S4 和两个箝位二极管 D5 、 S2 和 S4 分 别 互 补 开通。 假 设 S1 成。其中 S1 和 S3 、 和 S2 的开 关 占空 比 分 别 为 d a1n 和 d a1p ， 则 S3 和 S4 的 分别为 1 － d a1n 和 1 － d a1p 。设 三 个 桥 臂 的 开 关 占空 比 d a1p… d c4p 。 针对变换器， 在每个开关周期， 如图 1 所 示， 节点 A、 B、 C 相对于变换器直流侧 负 端 节 点 N 的 平均 电 压 写成开关占空比的形式为: U AN = d a1p ( V dc1 + V dc2 ) + ( d a2p － d a1p ) V dc2
( 6)
式中 Q 为滤波 器 的 品 质 因 数; X n 为 特 征 电 抗 ( X n =
槡
图 1 串联混合型 APF 结构图 Fig． 1 Configuration of series hybrid APF ub 、 uc 为三相电源， Ls 为线路的电感; 变压 图中 ua 、 ub1 、 uc1 ， ub2 、 器原边电压分别为 ua1 、 副边电压分别为 ua2 、 uc2 ， 其中变压器的变比为 1: n; 负载为电容滤波型整流 电路， 是具有电压源特性的谐波源; 有源电力滤波器的 主电路采用电压型 PWM 变流器。三次 LC 滤波器用来 滤除三相四线制系统中危害最大的三次谐波。 耦合 变 压 器 一 方面 将 APF 输 出的参考电 压 耦 合 到线 路 中 ， 另一方面满足了有源滤波器和 无 源 滤波 器 的电压匹配和电流匹配的需求， 而且可起 电 气 隔 离 作 用， 简化了逆变器的维护。 无源滤波 器 ( PF ) 是由 电 容 器 和 电 抗 器 串 联 而 成， 由于所有滤波 器 在 工 频频率 下 都 呈 现 容 性 阻 抗， 因此 LC 滤波 器 与 谐波 源 并 联， 除 起抑制 谐波 作 用 外， 还兼顾无功补偿的需要。 对调谐于 n 次谐波的滤波 器， 其容量设为 Qn ， 则 滤波器的设计步骤为: ( 1 ) 确定电容器的电抗值 X C : Qn = 3
［1 ］
单周控制
是一种新颖的大信号、 非线性控制 方
法。其特点是在 每 个时 钟 周 期内 强 迫 开 关 变 量的 平 均值与控制参考量的平均值相等或成比 例， 很好地实 现对控制参考量的动态跟踪。 串联混合型 电力滤波 器 同 时 兼 有 无 源 滤波 器 ( Passive filter， 简 称 PF ) 与 有 源 滤波 器 ( Active power filter， 简称 APF) 的优点， 可在大功率 场 合 下实 现 对谐 波和无功功率的有 效 补偿， 克服 了 LC 滤波 器易 受 电 网阻抗的影响、 与之发生谐振等缺点。 本文 串 联 型 APF 的 主 电 路 采 用 二 极 管 中 点 箝 位 PWM 逆变器 在这个系统中， 型三电平 PWM 逆变器，
· ·
U L 为负载电压， U i 为端口电 压，Z f 表 示 受控电压源， Z L 表 示 负载 阻 抗。 有 源 电 无源滤波器 的等 效 阻 抗， 力滤波器的控制目标是使电源的总负载 呈 电 阻 特性， 电源中的电流跟踪电压按正弦规律变化， 即 对于电 源 来说总的负载功率因数为 1 。 因此 电 源 电 压 U S 和电 流 I S 的关系为: US = Re is 假设: u c = － u Lh 则: u i = － u Lf 于是， 电源电流中 n 次谐波分量为:
* 基于 单周控制 的 串联混 合 型 APF 的研究
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I sn = · Z sn
U sn
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( U /槡 3)
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XC XC － 2 n 2 2 n U 因此: X C = 2 n － 1 Qn
XC － XL
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U2
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n 2 U2 n － 1 XC
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式中 U—母d on One － cycle Control Research of Series Hybrid APF
LI Cheng － jun ，ZHANG Xiao ，SUN Hua ，ZHANG Ying ( Jiangsu Electrical Drive ＆ Control Engineering Technology Research Center， China University Of Mining And Technology，Xuzhou 221008 ，Jiangsu ， China) Abstract: In order to solve voltage type harmonic source which took up a high proportion of the rectifier load for，the series hybrid active power filter ( SHAPF ) can compensate the harmonic distortion caused by voltage type harmonic source． This paper established a SHAPF single － phase equivalent circuit and one － cycle controlled switching circuit model，analyzed SHAPF compensation characteristics and principles of the one － cycle control theory． On this basis， this article has analyzed the structure of series hybrid APF， modeling， neutral － point potential balance and simulation． Simulation results show that the series hybrid APF can effectively compensate the harmonic and neutral current produced by real － time non － linear load，and effectively inhibit the neutral － point potential． Key words: series hybrid active power filter， 3 － phase 4 － wire，one － cycle control，neutral － point potential balance 0 引 言
UC = 产 生 与 线 路 中 谐 波 电 流 成 正 比 的 谐 波 电 压， KT sh 。因此对谐波电流， 串联 APF 可以等效为一个电 阻， 其 阻 值即 为 放 大 倍 数 K ， 当 K 远远 大 于电网 阻 抗 和无源滤波器等效阻抗时， 线路电压和电流中 只 有 很
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小的谐波 残 余， 对 工 频 APF 呈 极低 阻 抗， 因此 串 联 APF 相 当 于 一 个谐波 隔 离 装置。 串 联 APF 强 制 将 负 载的谐波电流流入无源滤波器， 同时也阻 止 了电 源 的 谐波电压串入负载侧， 无源滤波器是负载 谐波电流的 唯一通道。对谐振频率处的谐波， 无源滤波 器 呈 极低 阻 抗。 由 于 APF 并 不 直 接 承 受 电网电 压 和 负载 电 流， 所以其容 量 可以 较 小， 成 本 相 对 较低。 串 联 混 合 型 APF 电路模型如图 1 所示。
上述单调谐滤波器设计过程中， 有两个 关 键 的 问 : ， 题 一是补偿容 量 如 何 分 配 二 是 如 何 确 定 最 佳 的 品 质因数。 串联型 APF 的 一 个 主要 特点 是 作 为 受 控 电 压 源工作。 下 面 利 用 系统的 单 相 等 效 电 路 进行分析。
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等效电路如 图 2 所 示。 图 中 U C 表 示 串 联 型 APF 的
{
u Ao1 ≈u a2 u Bo1 ≈u b2 u Co1 ≈u c2 ( 17 ) ( 16 )
对于三相电源对称系统， 有: u a2 + u b2 + u c2 = 0 于是可得: ( u AN + u BN + u CN ) u o1 N = 3
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联立式( 12 ) ～ ( 18 ) ， 可得: 1 1 2 － － 3 3 3 d V +d V a2p dc2 a1p dc1 u a2 1 2 1 － d b1p V dc1 + d b2p V dc2 = u b2 ( 19 ) － 3 3 3 d c1p V dc1 + d c2p V dc2 u c2 1 1 2 － － 3 3 3 2 串联混合型 APF 的单周控制方程的推导 APF 在补偿系统的谐波电流和无功 电流 后， 从电
图 2 串联混合型 APF 的单相等效电路图 Fig． 2 Single － phase equivalent circuit of series hybrid APF — 59 —
那么， 当电源电压没有畸变时:
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I sn = 0
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即电源电流 i s 中不含有谐波成分， 从而达到谐波 补偿的目的。 对于单周控制三相四线制三桥臂有 源 滤波 器， 由 于 APF 工作时， 能 量 应该 在 交 流电 源 和 APF 直流 侧 电容之间进行 交 换， 所以 变换 器 应作用 在 四 象 限， 在 实际工作过程中由于零序电流的存在， 使 得 直流 侧 两 电容电压必有偏差， 设两电容 C1 和 C2 的电 压 分 别 为 V dc1 和 V dc2 。 其工作时: 在一 个时 钟 周 期内， 由于每个桥臂由 D6 组 四个功率开关管 S1 ～ S4 和两个箝位二极管 D5 、 S2 和 S4 分 别 互 补 开通。 假 设 S1 成。其中 S1 和 S3 、 和 S2 的开 关 占空 比 分 别 为 d a1n 和 d a1p ， 则 S3 和 S4 的 分别为 1 － d a1n 和 1 － d a1p 。设 三 个 桥 臂 的 开 关 占空 比 d a1p… d c4p 。 针对变换器， 在每个开关周期， 如图 1 所 示， 节点 A、 B、 C 相对于变换器直流侧 负 端 节 点 N 的 平均 电 压 写成开关占空比的形式为: U AN = d a1p ( V dc1 + V dc2 ) + ( d a2p － d a1p ) V dc2
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式中 Q 为滤波 器 的 品 质 因 数; X n 为 特 征 电 抗 ( X n =
槡
图 1 串联混合型 APF 结构图 Fig． 1 Configuration of series hybrid APF ub 、 uc 为三相电源， Ls 为线路的电感; 变压 图中 ua 、 ub1 、 uc1 ， ub2 、 器原边电压分别为 ua1 、 副边电压分别为 ua2 、 uc2 ， 其中变压器的变比为 1: n; 负载为电容滤波型整流 电路， 是具有电压源特性的谐波源; 有源电力滤波器的 主电路采用电压型 PWM 变流器。三次 LC 滤波器用来 滤除三相四线制系统中危害最大的三次谐波。 耦合 变 压 器 一 方面 将 APF 输 出的参考电 压 耦 合 到线 路 中 ， 另一方面满足了有源滤波器和 无 源 滤波 器 的电压匹配和电流匹配的需求， 而且可起 电 气 隔 离 作 用， 简化了逆变器的维护。 无源滤波 器 ( PF ) 是由 电 容 器 和 电 抗 器 串 联 而 成， 由于所有滤波 器 在 工 频频率 下 都 呈 现 容 性 阻 抗， 因此 LC 滤波 器 与 谐波 源 并 联， 除 起抑制 谐波 作 用 外， 还兼顾无功补偿的需要。 对调谐于 n 次谐波的滤波 器， 其容量设为 Qn ， 则 滤波器的设计步骤为: ( 1 ) 确定电容器的电抗值 X C : Qn = 3
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单周控制
是一种新颖的大信号、 非线性控制 方
法。其特点是在 每 个时 钟 周 期内 强 迫 开 关 变 量的 平 均值与控制参考量的平均值相等或成比 例， 很好地实 现对控制参考量的动态跟踪。 串联混合型 电力滤波 器 同 时 兼 有 无 源 滤波 器 ( Passive filter， 简 称 PF ) 与 有 源 滤波 器 ( Active power filter， 简称 APF) 的优点， 可在大功率 场 合 下实 现 对谐 波和无功功率的有 效 补偿， 克服 了 LC 滤波 器易 受 电 网阻抗的影响、 与之发生谐振等缺点。 本文 串 联 型 APF 的 主 电 路 采 用 二 极 管 中 点 箝 位 PWM 逆变器 在这个系统中， 型三电平 PWM 逆变器，
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U L 为负载电压， U i 为端口电 压，Z f 表 示 受控电压源， Z L 表 示 负载 阻 抗。 有 源 电 无源滤波器 的等 效 阻 抗， 力滤波器的控制目标是使电源的总负载 呈 电 阻 特性， 电源中的电流跟踪电压按正弦规律变化， 即 对于电 源 来说总的负载功率因数为 1 。 因此 电 源 电 压 U S 和电 流 I S 的关系为: US = Re is 假设: u c = － u Lh 则: u i = － u Lf 于是， 电源电流中 n 次谐波分量为:
* 基于 单周控制 的 串联混 合 型 APF 的研究
