三相三线制三电平APF仿真

万卓

摘要：非线性负载装置的大量使用造成电网中出现大量的谐波污染，应用无源滤波器补偿谐波已经不能满足，而有源滤波器可以动态实时补偿谐波。再次，应用并阐述了并联型三电平APF的主电路、基于瞬时无功功率的谐波电流检测方法。控制系统运用电流内环控制，电压外环控制，在PSIM软件中搭建仿真，通过在C-BLOCK模块进行锁相環设计与谐波算法设计，实验结果表明，并联型三电平APF动态补偿谐波得到了不错的效果。

关键词：无源滤波器；有源滤波器；瞬时无功功率；谐波电流检测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0212-04

Three-phase Three-wire System Three-level APF Simulation

WAN Zhuo

（Xi‘an Polytechnic University， Xian 710048， China）

Abstract： The application of passive filter to compensate harmonics is not enough， and active filter can compensate harmonics dynamically and in real time.Secondly， the main circuit of parallel three-level APF and the harmonic current detection method based on instantaneous reactive power are introduced.The control system USES current internal loop control and voltage external loop control to build simulation in PSIM software. The PLL design and harmonic algorithm design are carried out in the c-block module. The experimental results show that the parallel three-level APF dynamic harmonic compensation has achieved good results.

Key words： passive filter， active filter， instantaneous reactive power， harmonic current detection

电力电子技术的飞速发展，非线性的电力电子装置的大量使用给电力系统带来了大量的谐波，这使得谐波治理已经刻不容缓。无源滤波器利用谐振原理来消除掉电网中特定烦人谐波频率，灵活性比较差。[1]工业应用的基于LC与RC无源滤波器的谐波补偿需要大量的电容元件，而电容的补偿效果随着时间的增加而减小，已经不能满足工业设备的应用，我们需要对谐波进行实时有效的动态补偿。PWM技术的出现以及多电平技术的提出，才使得逆变器的主电路性能得以提升，有开关管的耐压降低，输出电压、电流波形更好。[2]现如今，国内对并联型APF研究已经比较成熟。利用PSIM进行仿真，经过实验验证后，可以直接生成固定的程序，方便对硬件的软件控制设计。

1 并联型APF的介绍

根据实验设计的要求，我们选择并联型三电平APF可以灵活的补偿系统的谐波[3]，并且应用三电平控制技术，使得开关器件可以承担网侧的高电压，降低了开关管的耐压，输出损耗减小，使用寿命增加，改善了整个逆变电路输出电流波形。

1.1 工作原理

图1为APF的工作原理图，包括三相交流负载、并联APF电流补偿模块、整流负载。其电路中系统电流为Is、负载电流IL、谐波电流Im*、补偿电流Im。APF主要分为控制模块和主电路模块，主要工作是逆变和谐波检测。通过硬件DSP与FPGA的搭建，使得谐波电流检测的处理速度更加快，提升了系统的吞吐量。采集负载电流，基于瞬时无功功率算法计算出谐波电流。通过FPGA发出脉冲，控制IGBT的通断，在逆变电路中产生补偿电流，这些补偿电流在大小上等于网侧中的谐波电流，但相位上刚好相反，电网就得到了很好的谐波补偿效果[4]。APF的动态实时补偿，最终网侧的电流可以基本接近正弦波。

1）当T1、T2导通，T3、T4关断，电容CI通过开关管T1、T2对网侧谐波电流进行补偿，输出a相电压为Ud/2；同时，电流也可以通过续流二极管Ta1、Ta2对电容进行充电。

2）当T2、T3导通，T1、T3关断，电流流过钳位二极管D1、T2，输出的a相电压为零；同时，电流也可以流入T3、钳位二极管D2，a相电压仍为零。

3）当T3、T4导通，T1、T2关断，电容C2通过续流二极管Ta3、Ta4对网侧谐波电流进行补偿，输出a相电压为-Ud/2；同时，电流也可以通过开关管T3、T4对电容C2进行充电。

2 谐波电流检测

谐波电流检测的精确度影响着APF对网侧谐波补偿的稳定性、准确性、实时性[5]，是整个设计的重点。1983年赤木泰文提出了瞬时无功功率理论PQ理论[6]，此后瞬时无功功率功率理论被多次采纳应用于谐波检测。以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算从p、q与ip、iq为出发点，分别得到了p、q运算方式与ip、iq运算方式。两种检测方法在电网电压波形畸变与无畸变时的结果比较显示，ip、iq运算方式所得到的基波电流分量iLf和谐波电流分量iLh不受电压波形畸变的影响[7]。我们制作的三电平APF应用于三相三线制系统，得益于此种运算方法的成熟的与优点，本文采用的ip、iq运算方式。

2.1 ip、iq算法

下面建立瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的模型，通过设定三相系统的各相瞬时电流为ia、ib、ic与各相瞬时电压为ea、eb、ec。将它们转换到α、β两者相交的坐标系下[8]，如图4，通过以下的公式可以计算得到瞬时电压eα、eβ与瞬时电流iα、i.β。

2.2 低通滤波器的选择

在matble编辑环境下输入需要的设计的参数，可以得到需要设计的2阶低通滤波器的参数，然后在psim的math-function模块中输入参数。

3 调制策略

NPC三电平变换器采用的调制方法与传统的两电平不同，其广泛使用有载波层叠调制法、空间矢量调制方法、特定谐波消去法。[10]载波层叠调制法输出电压波形好，控制简单，并且易于DSP上实现。借助DSP实现PWM输出时，一般采用对称规则采样法，将调制波信号与载波比较后得出PWM信号，如图6所示。

4 仿真设计与分析

根据以上主电路的设计与分析参数的设计，搭建仿真图，如图7，来实现具体的功能，其中要控制的有电流内环回路的PI调节设计、电压外环的回路PI调节设计、中点电压回路PI调节设计。这里只给出电流内环回路的Kp、Ki分别为100、0。

4.1锁相环的软件编程

应用PSIM中的c-block模块进行数据端口的定义，通过锁相环设计可以得到一系列的锯齿波脉冲，具体的编程如下：

4.2谐波算法的模块

根据算法的基本框架模块进行搭建如图8，可以得到检测的谐波电流波形图。

5 结论

三电平的应用越来越普遍，对于改善装置的耐压起到了不错的效果。通过应用NPC三电平拓扑主电路，谐波电流检测算法的设计基于瞬时无功功率，采用载波层叠调制法。此次对系统投入APF的仿真试验得到的仿真效果还是很不错，但具体的补偿性能还有待改进。后续将在硬件FPGA与DSP上进行软件控制，并投入实际应用当中，完善它的实时补偿的及时性与准确性。

参考文献：

[1] 王晓杰.三相四线制三电平有源电力滤波器研究[D].中国矿业大学，2017.

[2] 邱照阳.三相三线制三电平APF的控制算法研究[D].电子科技大学，2014.

[3]李昱.三电平有源电力滤波器关键技术的研究[D].西安交通大学，2013.5.

[4]王粟，朱飞.三相三线并联型有源滤波器的仿真[J].电子制作，2017.

[5]邵竹星.基于DSP+FPGA的三相四线制AP仿真及关键技术[D].合肥工业大学，2012.

[6] Akagi H，Kanazawa Y，Nabae A. Generalized theory of the instantaneous reactive.

power in three-phase circuit[J]. IEEE&JIEE，Proceedings IPEC Tokyo IEEE. 1983，1357-1386.

[7-9] 王兆安.諧波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，2016.1.

[10] 李昱.三电平有源电力滤波器关键技术的研究[D].西安交通大学，2013.5.

【通联编辑：梁书】