基于并联混合型APF的三相四线制电网谐波治理

【摘 要】我国低压配电系统主要采用三相四线制方式，广泛应用于工业、办公及民用供电。近年来，在低压系统中的用电负荷使用大量增加，并且其中大多数为单相非线性负荷，由此带来的谐波及不平衡问题日益得到关注。本文以三相四线制为背景，研究了基于四桥臂结构的并联混合型有源电力滤波器。在分析了谐波治理的常用方法基础上，结合空间矢量调制方法提出了基于空间三维SVPWM方法的并联混合型APF谐波治理方法。并对该方法进行了准确的仿真研究，通过对仿真结果的分析，能够非常直观的得出此方法能有效降低三相四线制系统中的谐波含量的结论。同时该混合型APF系统具有良好的动态性能。

【关键词】三相四线制 四桥臂 混合型有源电力滤波器 三维空间矢量调制

一、前言

在低压电力系统中是采取三相四线制的供电模式在我国现有电网系统中应用的最为广泛，考虑到低压系统中存在数量巨大的如：计算机（PC）、电视机（TV）、照明设备以及加热设备等用电装置，上述设备虽然个体功率很小，但是由于数量庞大，其中单相非线性负荷占据了主要部分，此时上述负荷对电网造成的谐波污染以及三相不平衡状态的影响愈发凸显。日本电气学会（Nec society）曾经发表了一份关于日版电力系统中各类谐波源的统计分析报告，并在其中指出公司办公设备、日常家用电器所造成的电力谐波污染占据了整个大系统谐波污染源的25%以上，上述谐波源正在日益成为谐波干扰的主要来源。统计报告中还指出：对于低压系统而言，其每天19点-22点时间段内的整个电力系统电网中电流波的形畸情况变得最为严重，此时abc三相之间存在着极为严重的不平衡现象，相应的上述时段为居民小功率用电最高的时段。所以研究三相四线制系统中谐波和三相不平衡问题有着重要意义[1-2]。

二、谐波治理的常用方法

目前对于电力谐波的治理大体上有两个方向：主动治理及被动治理。主动治理方式作为一种积极主动的谐波治理方法，是从谐波源的本体出发，直接从根源上使谐波源不产生谐波输出；被动治理即外加装置来抑制谐波。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行的装置只能通过加装滤波器来实现。目前应用最多的是被动治理，主要有无源滤波和有源滤波两种方法[5-6]。

无源滤波技术是一种传统的抑制谐波的方法，采取LC调谐的方式进行谐波滤除。LC滤波器在结构上包括电抗器、电容器等，其利用电路的谐振原理来实现滤波功能。该方法的缺点在于其补偿特性受运行状态以及电网阻抗的影响，此外其极易与系统发生并联谐振抖动，甚至使得LC 滤波器过载甚至烧毁。此外，其仅能补偿固定频率的谐波，且补偿的效果也不是很理想。为了解决无源滤波器的局限性，有源滤波技术作为一种新型的滤波技术逐渐发展起来。有源滤波技术即采用有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）来进行谐波抑制，APF作为一种动态谐波补偿的新型电力电子设备，其可以对幅值和频率均发生变化的无功和谐波进行补偿，上述特性有效地弥补了无源滤波器的诸多缺点，从而获得比无源滤波器更加优异的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。混合滤波技术（HPF）是一种综合了有源滤波技术（APF）和无源滤波技术（PF）的新型电网滤波技术，该技术充分发挥了两种滤波技术的补偿优势，其中无源滤波器（PF）主要功能为滤除谐波源中的某些含量较高的特征次谐波（5次、7次等），而有源滤波器（APF）主要用来提高整个电力系统的总体补偿的效果，其可以对各个谐波次数的谐波分量进行滤除与补偿。混合型有源电力滤波技术（HPF）作为一种优秀的谐波滤波方式，该技术可以降低电力系统对于有源滤波装置的容量需求，有效地降低了有源滤波器的投入成本与系统复杂程度，同时混合型有源电力滤波技术（HPF）可以补偿无源滤波系统（PF）存在的随温度变化的参数漂移问题以及避免电网发生谐振危害等。

三、 三维空间矢量基本原理

本文所采用的并联混合型有源电力滤波器结构如图1所示，其中有源电力滤波器的主电路采取四桥臂拓扑结构。

图1并联混合型有源电力滤波器结构图

空间矢量脉宽调制（Space vector pulse width modulation，SVPWM）策略与传统的SPWM（正弦波脉宽调制）相比，具有直流电压利用率高、电流畸变率小等优点，并且非常适合数字化实现和实时控制。目前SVPWM已经广泛的应用于交流传动领域，并逐步扩展到其他电力电子领域。通常所说的SVPWM是一种在二维平面（2D）上的电压调制技术，即传统的电压空间矢量调制。二维空间矢量（2D）调制来源于交流电机调速领域中的圆形磁通的基本概念之中，其控制目标位为得到一个圆形的电机旋转磁链。SVPWM采取的是基于空间旋转矢量的等效原理，将所需要的三相交流量转换成空间旋转的矢量，再用有限的几个静止矢量去合成所需的空间旋转矢量。

图2 三维空间矢量分布图

传统的二维空间矢量调制只适用于三桥臂结构的变流器，对于四桥臂结构的变流器并不能直接使用。在四桥臂变流器中，因为带了不平衡负载，所以四桥臂变流器的空间矢量轨迹运行于一个三维空间（3D）之内，上述特性使得系统可以模仿二维空间矢量（2D）的调制原理，即在三维空间（3D）内采用几个静止的电压矢量来合成出所期望的指令电压。指令电压也从二维空间变到了三维空间的轨迹。三维SVPWM中包含有16种状态不同的开关状态，上述开关状态所对应的电压矢量被描述为uα、uβ及u0，可以被确定为16个静止电压矢量在α-β-0坐标系内的相应位置，即可以得到四桥臂三维空间矢量分布图及其在α-β坐标系下的投影，如图2所示，其中x为1或0。

由图2可以看出，16个开关状态对应16个静止电压矢量，其中两个零矢量（1111、0000），其它的为非零矢量。这些电压矢量是分布在三维空间里的，构成一个六棱柱。根据电压矢量在0轴分量u0的大小可以将它们分为7层，u0=0这一层对应矢量1111和0000；u0= udc/1.732这一层对应矢量1000、0100和0010等。三维空间矢量（3D）在两相静止的α-β坐标系下的投影和二维空间矢量（2D）一样，不同点在于其多出了一个桥臂的开关状态，因此为了有效地实现三维电压空间矢量（3D）调制要求，通常需要依次执行以下几个步骤：1）判断参考电压矢量Uref所在的棱柱对应位置；2）判断Uref所在的四面体对应位置；3）计算Uref相邻矢量的相关作用时间；4）相邻矢量的依次作用顺序。

四、仿真结果与分析

据上述对三维空间矢量调制的分析，按照三维SVPWM的具体实现步骤，通过MATLAB建立其仿真模型。仿真模型中主要由以下几个基本模块组成：1）判断参考电压矢量位置模块；2）相邻电压矢量的作用时间计算模块；3）矢量切换点时间模块；4）触发脉冲发生模块。

使用可编程三相电源，使输出的参考电压为基波电压和一个幅值为基波电压0.4倍的三次谐波分量。得出负载的三相电流波形及其中性点波形分别为图3（a）和（b）所示。由图3可以看出，调制前三相输出电压的基波分量分别是309.4V、309.7V和309.7V，电压畸变率分别是40.29%、40.20%和40.20%，畸变很严重，并且伴有三相不平衡现象；由图3（b） 可以看出中性线电流也很大。可见通过四桥臂的电流谐波含量都很大，可以作为模拟谐波治理的治理对象。

参照图1的结构，利用基于三维SVPWM算法的并联APF来补偿此电网络，试图达到谐波治理的目的。将此并联混合型APF投切到电网中，其负载电流波形及中性线电流波形如图4所示。由图4（a）中可以看出负载电流的畸变得到了明显的改善，没有不平衡现象。由图4（b） 可以看出中性线电流在0上下小幅波动，与三相电流相比可以忽略不计。根据上述结果分析，基于三相SVPWM调制的并联APF有着良好的动态补偿性能，对于谐波和不平衡电流都有很好的补偿效果。

五、结论

本文把注重点放在低压用电中大量小功率设备用电造成的谐波污染的治理上。分析了基于四桥臂结构的有源电力滤波器的空间矢量调制算法――三维空间矢量调制及其调制流程。并使用MATLAB仿真了被治理对象在装置投切前后的电流谐波的变化状况，验证了三维SVPWM调制算法对于四桥臂结构谐波治理的准确性和有效性。

图3负载电流波形及中性线电流波形

图4 投入APF后三相电流波形和中

参考文献：

[1]John Stone， Alan Collinson. Power quality[J]. Power Engineering Journal， 2001， （4）：58-64.

[2]卓放.三相四线制有源电力滤波器的研究[D].西安：西安交通大学，2001.

[3]王兆安，杨君等. 谐波抑制与无功补偿[M]. 北京：中国电力出版社，1998.

[4]顾建军，徐殿国，刘汉奎等有源滤波技术现状及其发展[J].电与控制学报， 2003， 7（2）： 126-132.

[5]陈仲.并联型有源电力滤波器实用关键技术的研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[6]Key T S， etal. Comparison of Standards and Power Supply Options for Limiting Harmonic Distortion in PowerSystem. IEEE-IA，1993，29（4）

作者简介：李珉，男，1968.09出生，陕西汉中人，陕西工学院电气技术专业，大唐苏州热电有限责任公司，主要从事电气技术管理工作