[b]1　引言 [/b]　　近十幾年來，有源電力濾波器（APF）作為治理電網(wǎng)諧波的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展。APF較無源濾波器（PPF）有更好的適應(yīng)能力，通過改變其控制策略，能滿足不同諧波源的治理要求。 　　有關(guān)APF的研究，人們著重并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，而對串聯(lián)有源濾波器（SAPF）的混合型濾波系統(tǒng)研究較少，尤其是實(shí)驗(yàn)研究更顯不足。在該混合型濾波系統(tǒng)中，SAPF可以改善PPF的濾波特性，并能在系統(tǒng)與PPF之間起諧波隔離作用，抑制兩者之間可能發(fā)生的諧振。本文在分析該混合型濾波系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，針對單相非線性負(fù)載（如電力牽引機(jī)車）的諧波治理問題，研究了單相系統(tǒng)諧波電流的分解技術(shù)，通過對三相逆變器空間矢量方法的研究，提出了單相系統(tǒng)APF的波形控制新方法，該方法有效地提高了逆變器的開關(guān)效率，并具有更高的控制精度。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，對SAPF作用前后的濾波效果進(jìn)行了詳細(xì)的對比研究，結(jié)果表明，在混合濾波系統(tǒng)中，SAPF能顯著地改善PPF的濾波特性。 2　帶有SAPF的單相混合濾波系統(tǒng)原理 　　帶有SAPF的單相混合濾波系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。 　　該系統(tǒng)運(yùn)行原理為：SAPF的控制電路經(jīng)變換計算分離出系統(tǒng)電源電流中的諧波分量ish，通過控制APF的輸出，使串聯(lián)變壓器一次側(cè)輸出控制電壓Vc＝K·ish。由于Vc＝K·ish，即對流過系統(tǒng)的諧波電流SAPF表現(xiàn)為純電阻K；對流過系統(tǒng)的基波電流，SAPF表現(xiàn)為零阻抗。圖2和圖3分別為混合濾波系統(tǒng)對基波和諧波的等值電路。 　　圖2表明，SAPF對基波沒有任何壓降和損耗，從圖3的等值電路可看出，SAPF提供的電阻K在一定程度上將電源與諧波源及PPF隔離開，使PPF的濾波效果幾乎不受系統(tǒng)阻抗的影響，當(dāng)然也不可能出現(xiàn)并聯(lián)諧振導(dǎo)致諧波放大的現(xiàn)象。同時，系統(tǒng)中的其它諧波電流也不會注入PPF，使其過載，從而有效地改善了PPF的濾波特性。 3　單相電路諧波電流檢測原理 　　考察基于瞬時無功功率理論的三相電路諧波電流檢測方法［1，4］，發(fā)現(xiàn)總是先將檢測到的三相信號變?yōu)橄嗷ゴ怪钡摩粒伦鴺?biāo)系中的兩相信號，然后再進(jìn)一步計算。對于單相電路，將上述方法簡化，只需再構(gòu)造一相電流與實(shí)際的電流滯后T／4（T為工頻周期），直接形成假設(shè)的兩相坐標(biāo)系信號即可。 　　設(shè)單相電路電流瞬時值為 　　由瞬時無功功率理論可得 　　以上各式中sinωt和cosωt是電壓信號經(jīng)過同步和鎖相環(huán)得到的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號。變量上面的“－”表示直流分量，“～”表示交流分量，ip和iq分別表示電流的有功和無功直流分量。對ip和iq作與式（3）對應(yīng)的反變換即可得到基波電流iαf和iβf。 　　基于上述方法的單相電路諧波電流檢測原理如圖4所示。其中，e－st是使信號滯后T／4的環(huán)節(jié)，C22、C－122含義見式（8）。 4　單相APF的波形控制方法 　　目前常用的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)有：①基于正弦波對三角波調(diào)制的PWM技術(shù)；②基于消除指定諧波的HEPWM技術(shù)；③基于電流滯環(huán)跟蹤控制的PWM技術(shù)（也稱自適應(yīng)PWM技術(shù)）。 　　第一種方法適用于模擬系統(tǒng)，微機(jī)控制系統(tǒng)中很少采用；第二種方法需要預(yù)先計算要消除的若干次指定的諧波，在負(fù)載經(jīng)常變化的情況下，跟隨特性難以保證；第三種方法比較適合于微機(jī)控制，其原理為實(shí)時檢測逆變器的輸出，并與跟蹤目標(biāo)進(jìn)行比較，當(dāng)偏差超出允許的邊帶時控制器動作，使偏差減小。由此可見，該方法使逆變器輸出和理想波形之間總存在一個時滯，且減少偏差的邊帶就必須提高逆變器工作的頻率。本文首次將空間矢量方法（SVPWM）應(yīng)用于APF的波形控制，在每個控制周期均使逆變器輸出2個“精確”的矢量，有效地提高了逆變器的開關(guān)效率，并使控制精度大大提高。 　　單相逆變器的等值電路如圖5所示。 　　圖5中開關(guān)A、B共有4種狀態(tài)組合，可表示為矢量V0至V3，其中V1＝Vdc、V2＝－Vdc，V0、V3為零矢量，零矢量發(fā)生作用時，逆變器的直流電壓不輸出任何能量，但使輸出電流構(gòu)成回路并調(diào)節(jié)矢量V1和V2的作用時間，因而在控制中是不可缺少的。當(dāng)逆變器需輸出電壓Va時，可表示如下 　　TSVa＝T1Vy＋T0Vx （9） 　　式中　Vy代表矢量V1或V2；Vx代表零矢量V0或V3；T1為矢量Vy的作用時間；T0為Vx的作用時間；Ts為控制周期，且必須： 　　T0＝Ts－T1 （10） 　　當(dāng)T0≥0時，式（9）完全成立，逆變器在1個控制周期Ts內(nèi)開關(guān)A、B均動作一次，可輸出“精確的”矢量Va。 　　當(dāng)T0＜0時，式（9）不能成立，逆變器的輸出不能跟蹤Va的變化，因此式（10）中T0≥0表示了單相逆變器是否完全可控的條件。 　　在自適應(yīng)控制PWM技術(shù)中，代替式（9）的逆變器輸出矢量為TS Vy和Ts Vx兩者之一，零矢量的作用時間要么為0，要么為Ts，因此逆變器的輸出只能使偏差減少，不能做到精確控制。 5　SAPF的單相濾波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　為分析SAPF對PPF的濾波特性的影響，設(shè)計并制作了含SAPF的混合補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。SAPF系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)的一次電路主要由3部分組成：單相整流器負(fù)載、PPF和逆變器。逆變器的開關(guān)器件采用德國SEMIKON的IGBT模塊；該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由高性能的數(shù)字信號處理器TMS320C50及高速外圍芯片組成，完成諧波電流的分解，控制矢量和相應(yīng)矢量作用時間的計算；PWM的驅(qū)動由SEMIKON配套的驅(qū)動電路完成，該電路同時具備橋臂短路等故障的保護(hù)功能。 　　5．1　無源濾波器組 　　在混合補(bǔ)償系統(tǒng)中，PPF提供諧波電流的通路。實(shí)驗(yàn)中采用的PPF參數(shù)如表1所示。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，高通濾波器沒有制作，僅制作了3次和5次單調(diào)諧濾波器，其參數(shù)如表1所示。 　　5．2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果 　　表2為PPF和SAPF投入前后系統(tǒng)電流諧波含量比較。在PPF和SAPF投切前后，系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流的波形如圖6、圖7所示。實(shí)驗(yàn)中測量和記錄所用儀器是美國FLUKE公司的電力質(zhì)量分析儀F43。 　　從表2可見，由于有3次單調(diào)諧濾波器和5次單調(diào)諧濾波器分別提供3次和5次諧波通道，當(dāng)SAPF發(fā)生作用時，使3次諧波電流和5次諧波電流更多地流過PPF，使系統(tǒng)電流諧波含量明顯減少。對7次和9次諧波電流，由于沒有相應(yīng)的諧波通道，SAPF作用前后諧波含量沒有明顯變化。系統(tǒng)諧波電流的總畸變率變化明顯，SAPF投入前后總畸變電流從14．6％下降到8．0％，這些結(jié)論驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果。上述結(jié)果是電源電壓諧波含有率達(dá)5．8％時得到的，對系統(tǒng)電源電壓的諧波含量不同時和在無源濾波器失諧的情況下也分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，同樣驗(yàn)證了SAPF對PPF特性的改善作用，并使系統(tǒng)諧波電流的總畸變率大大降低。 [b]6　結(jié)論 [/b]　　理論分析和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，基于空間矢量方法的SVPWM技術(shù)，使單相系統(tǒng)的波形控制比自適應(yīng)PWM技術(shù)具有更高的控制精度。小容量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SAPF的作用與并聯(lián)的PPF有關(guān)，在存在相應(yīng)諧波通道的情況下，SAPF可大大改善PPF的濾波效果。對電力機(jī)車等大容量的單相負(fù)載，SAPF是一種有效的諧波治理裝置。