基于单位功率因数控制策略的有源电力滤波器
李建林1，支勇2，刘兆1，张仲超1
(1浙江大学，浙江 杭州 310027）
(2山西省黄河万家寨水利枢纽有限公司，山西 太原 030002）
1 引言
随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置得到了广泛应用，然而这些装置自身功率因数很低，不仅给电力系统带来了严重的谐波污染，也给电网带来额外负担并影响供电质量。为此，电力有源滤波器已经成为电力电子技术应用的重要发展方向。H．Akagi等人提出的瞬时无功理论[1]，为有源滤波器的研究奠定了理论基础；Depenbrock等则将单位功率因数控制策略应用到有源滤波器中[2]。本文针对三相系统分析了单位功率因数控制策略的基本思想及其相应的控制方法，实验结果表明：按此策略设计的实验系统可以抑制整流器产生的谐波，消除了整流器负载对电网的谐波污染。
2 基本原理[3][4]
单位功率因数控制策略的目的是使非线性负载和并联的滤波器等效为一电阻性负载，从而使电网的负载电流为与电网电压同相的正弦波，功率电网数为1（单位功率因数）。本文提出了按此策略设计的系统结构如图1所示。图中Vsi（电网电压）为理想正弦电压而且三相平衡，可表示为
Vsi(t)=
Vssin[ωt－
π(i－1)]
i=1,2,3 （1）
图1 有源电力滤波器实验原理图
式中：Vs为电网电压有效值。
负载电流iLi可表示为
iLi=
Insin{n[ωt－(i－1)
π]＋θn}
i=1,2,3 （2）
式中：In代表基波和各次谐波电流的有效值；
θn代表基波和各次谐波电流的初相角。
补偿电流ici可表示为
ici=
I1cosθ1sin[ωt－(i－1)
π]－iLi(t)
i=1,2,3 （3）
式中：I1为负载电流iLi的基波分量的有效值。
Lf
=Vsi－Vconi （4）
将式（3）代入式（4）中就可求出保证单位功率因数所需要的逆变器输出电压Vconi(t)，Vconi(t)是通过对Vdc/2进行调制得到。当正常工作时，isi应成为与Vsi同相的正弦波，可表示为
isi(t)=
Issin[ωt－
π(i－1)]
i=1,2,3 （5）
式中：Is为网侧电流有效值。
电网的负载电流是与电网电压同相的正弦波，功率因数为1（单位功率因数），式（5）中Is可从整个系统的有功功率流动中获得。检测APF直流侧电容电压，滤除纹波，得到电容平均电压，将电压设定值减去电容电压，差值送入PI控制器，PI控制器的输出就是网侧电流的幅值。该幅值与相电压同相的三相单位正弦信号相乘后，便可得到理想的参考电流信号，然后与整流侧电流相减便可得到所需的调制信号，系统控制结构如图2所示。
图2 基于UPF控制策略的系统框图
3 实验研究
针对图1所示系统进行实验验证，逆变器的功率器件选用西门子的IGBT模块BSM50GB12DN，每个模块中有两个额定电压1200V，额定电流50A的IGBT管。系统基本参数：
输入电压80V；
直流侧电压150V；
逆变器输出滤波电感Lf=3mH；
整流器负载RL=25Ω；
L=0.3mH。
实验波形如图3—图6所示。
图3 未补偿时A相电源电压与负载电流波形
图中：1—电源电压80V/div 2—负载电流4A/div
图4 并有源滤波器后A相指令电流与负载电流波形
图中：1—A相指令电流2A/div 2—负载电流4A/div
图5 并有源滤波器后A相补偿电流与电源电流波形
图中：1—补偿电流4A/div 2—电源电流5A/div
图6 并有源滤波器后A相负载电流与电源电流波形
图中：1—负载电流5A/div 2—电源电流5A/div
图3所示为未补偿时A相电源电压和A相负载电流波形，由波形可以看出负载电流中含有严重的谐波分量。图3中仅给出一相的波形，其它两相的波形相同，相位依次相差120°。图4为并有源滤波器后A相负载电流和有源电力滤波器的指令电流波形。图5为A相有源滤波器实际产生的补偿电流和补偿后的电源电流；图6为A相负载电流和补偿后的电源电流波形,由图5，图6可以看出补偿后的电源电流基本上为一正弦波，实现了有效补偿谐波及无功电流的目的。
4 结语
实验结果表明本文所研究的装置可以补偿和抑制整流器带感性负载对电网的谐波污染，从而验证了理论分析的正确性和实验系统的可行性。
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