基于瞬时无功功率理论的改进型有源电力滤波器的数

摘要：介绍了一种基于瞬时无功功率理论的改进型谐波电流检测方法和电压补偿控制方法，设计了数字低通滤波器，并将此方法运用到有源电力滤波器数字化设计中，实现对电网谐波电流的检测和补偿。通过PowerSim软件对三相电源有源电力滤波器进行仿真，证明该设计具有良好的检测和补偿控制效果。
关键词：有源电力滤波器；谐波检测；补偿电流控制；数字低通滤波器

0 引言
随着现代工业生产和日常生活中的非线性负载以及电力电子装置的广泛应用(如变频电器、大型整流装置等)，随之而来的谐波问题也日益严重。这些非线性负载不仅引起电网波形畸变，影响供电质量，同时也对各种电气设备以及通信系统均产生不利的影响。因此，抑制电力系统谐波的技术已经成为国内外电力电子和电工领域研究热点之一。
当前抑制电网谐波的手段有无源滤波和有源滤波两种。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器(APF)具有明显的优越性。它具有对变化的各次谐波和无功电流同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小等特点，因而受到了更多的关注。

l APF工作原理和结构模型
有源电力滤波器工作时，向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等但方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的。APF按补偿对像的连接方式分为并联型和串联型。按补偿方式的不同，分为电压型和电流型。本文研究的是一种并联型电压型有源电力滤波器及控制策略，其控制框图如图1所示。

框图中isa，isb，isc为电网电流；非线性负载为谐波源；iLa，iLb，iLc为负载侧电流(含谐波和无功分量)；检测模块的作用是实时检测负载电流中的谐波及无功电流，并与有源电力滤波器输出补偿电流isR相减后得到指令电流i*af，i8bf，i8cf，通过电流控制器转化为电压，经过空间电压矢量控制，输出相应的PWM波形，最终由逆变器输出APF的网侧电流iaf，icf，icf，从而补偿电网电流中的谐波及无功功率。

2 APF谐波电流检测和电压补偿技术
1)谐波电流检测的改进算法
谐波电流检测方法主要有：模拟带通滤波器检测法、快速傅立叶变换FFT检测法、基于瞬时无功功率理论的检测法等。基于瞬时无功功率理论的检测方法是当前最常用的。瞬时无功功率理论的检测算法有p―q法和ip一iq法。本文将在分析这些方法的基础上，提出一种改进算法。
电网运行时，三相电压由于外界因素通常会不对称且有畸变，因此用p―q法检测谐波电流有误差存在。ip一iq法则对硬件要求较高，要求锁相环产生的正弦和余弦信号准确无误，锁相环的锁相结果受到负序分量的影响而与正序分量之间存在相差而使检测结果存在着系统误差，不对称越严重、误差越大。分析p―q法与ip一iq法后不难发现，p―q法是通过同时对电压和电流进行变换，低通滤波后反变换得到的谐波和无功电流分量；而ip一iq法则是通过提取电压基波分量的频率和相位信息对电流进行运算变换和低通滤波得到谐波和无功电流分量的。由于电网中电压和电流频率为50Hz且波动非常小，在变换中如果将频率固定并将电压和电流的相位差提取出来，将仍然能够得到相同的效果。
根据文献推导可知，在经过3―2变换运算后得到在α-β坐标系下的电流电压信息：