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图3-1 串联型有源电力滤波器的结构
串联型有源电力滤波器用于补偿系统电压时，其补偿电压可以将其视为一个受控电压源，在图3-2所示的串联型有源电力滤波器的等效电路图中，记为 。在图3-2中 ， ， 可以认为是串联型有源滤波器单相等效电路中的受控电压源。 为电网电流； 为电网电压； 为负载电压； ， 分别为网侧和负载侧的阻抗。
图3-2 串联型有源电力滤波器的等效电路图
当串联型有源电力滤波器补偿电网电压变化时，补偿电压 为 （3-1）
式中，K为控制环路的传输系数，K值越大，表明控制环路的灵敏度越高；G表示谐波电压检测电路的特性，若被检测的信号只有基波，则G=0；若被检测的信号中有谐波，则G=1。所以，KG表示了补偿电压控制环路的特征。这样 可表示为
在对谐波进行补偿时，G=1。当K （ ）时，谐波电流 ，从图3-2可以得出
式中 —网侧输入的谐波电压； —负载侧的谐波电压。
3.1 指令电流运算电路（谐波检测电路）
指令电流运算的作用是计算出负载电流中的谐波含量 ,并将计算结果作为电流跟踪控制的输入。指令电流计算方法的好坏在很大程度上影响着APF的滤波性能 。谐波电流检测方法主要有以下几种: 模拟带通滤波器(或陷波器)检测法、基于频域分析的快速傅里叶变换FFT( Fast Fourier Transformation) 检测法、基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法[8,9]
这里采用基于瞬时无功功率理论的以计算三相电路瞬时有功电流ip 和瞬时无功电流iq 为出发点的ip 、iq 运算方式。该方式取与A 相电压同相的正弦、余弦信号参与运算,电压经过PLL产生的余弦，正弦信号不受电源电压畸变的影响。
图3-2 ip - iq 方式谐波计算原理图
设三相三线制系统中三相瞬时电源电流分别为ia 、ib 、ic ,电流对称但含有谐波,由下式可算得瞬时有功电流ip 和瞬时无功电流iq 。
瞬时功率电流(包括有功电流和无功电流)是基波功率电流与谐波功率电流之和。基波功率在稳态时为直流量,而谐波功率则是以纹波的形式叠加到基波功率上。为了得到基波功率,就需要使用低通滤波器对瞬时功率进行滤波。将ip、iq 低通滤波之后即得到基波电流有功分量和基波电流无功分量ip、iq ,再通过反变换得到三相基波电流的瞬时值。
最后用负载电流值减去基波电流值即得到三相谐波电流,即三相指令电流：
sinωt和- cosωt都是通过锁相环和正、余弦发生电路得到的与电源电压Ua同相的信号。若设定iq为0,经过反变换之后得到的三相基波瞬时值为负载电流的基波有功分量的瞬时值,则指令电流为谐波电流与无功电流之和,此时对指令电流的补偿,就包含了对无功电流的补偿。可见该谐波检测方法非常灵活,可以根据不同的需求进行选择性补偿。
图3-3 ip - iq 方式谐波计算示意图
指令电流发生模块仿真电路如下图所示。在该模块中完成谐波和无功电流的提取。模块输入量分别为:单相电源电压信号和三相负载电流信号。其中,电压信号经过锁向环后得到sinw t和cosw t信号,它与电流信号分别经abc / ip iq变换和低通滤波器LPF (Lower Pass Filter)进行信号处理后,再作ip iq / abc逆变换,得到基波有功电流。基波有功电流与负载电流相减,便可得到期望补偿电流,即输出指令电流。
图3-4 谐波检测模块仿真电路
3.2 补偿电路发生模块之电流跟踪控制电路
电流跟踪控制的作用是根据指令电流信号ic*和实际补偿电流icf之间的关系,产生对电力电子器件通断进行控制的逻辑信号,使变流器发出的电流能够实时跟踪指令电流信号[10]流控制电路通常采用电流跟踪型PWM控制方式。PWM控制方法主要有瞬时值比较方式、滞环比较方式和三角波比较方式,这里采用滞环比较方式。滞环电流控制就是用补偿电流的指令信号减去实际补偿电流,当误差超过滞环上下限时,开关立即动作,发出脉冲信号。该脉冲信号经驱动电路放大后,成为控制功率器件开断的驱动信号,从而控制补偿电流的变化。
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