三相有源电力滤波器同时补偿功率因数和负载不平衡的控制系统
作者：Juan W. Dixon, Senior Member, IEEE, Jaime J. Garcia, and Luis Moran, Senior Member, IEEE
摘要:有源电力滤波器的有效性主要取决于三个特性：(A)采用何种调制方式；(B)PWM调制器的设计特性；(C) 实现的方法用于生成参考模板。由于最后一个特点，有很多方法，它们大多复杂，难以实现和调整。本文提出了一种新的方法，即其主要特点是简单性，并给出了说明。该方法基于“采样和保持”电路，与相中性电源电压峰值同步。这种方法是实用的。适用于并联有源电力滤波器，可同时消除谐波，补偿功率因数，纠正不平衡问题。它还能减缓突然的短暂变化。文中给出了用该方法得到的参考模板的实验结果。
1引言
有源电力滤波器在降低电力线谐波污染方面发挥着重要作用。在过去的二十多年里，非线性负荷的扩散，如静态功率变换器、电弧炉等，在电力系统的运行中造成了各种不良的现象，在许多情况下，这些现象都是不可取的，不能用无源LC滤波器来拯救。LC滤波器与有源滤波器的基本区别在于有源滤波器具有补偿随机变化电流的能力。
最流行的有源电力滤波器之一是“并联有源电力滤波器”，如图1所示。控制与非线性负载并联的电流源产生所需的谐波电流。在这种形式下，电源只需提供基本电流，避免了电力线沿线的污染问题。在大多数情况下，在大多数情况下，负载也需要无功功率，而无功功率也可以由相同的电流源产生。然后，这种滤波器可以同时补偿谐波和功率因数问题[1]-[3]。在三相不平衡负载中，如果总有功功率保持不变，也可以重新分配和均衡主相电流。在这种形式下，过滤器可以同时解决三个问题：a）消除不必要的谐波；b）功率因数补偿；c）电力再分配以保持系统的平衡。
图1 并联有源滤波器的工作方式
在实际实现中，这种滤波器得到了广泛的应用，采用了电流整流、电流控制的电压源逆变器(CC-VSL).。有源电力滤波器的质量和性能主要取决于三个方面 [4]-[5]：(A)功率逆变器的设计(半导体、电感、电容器、直流电压)的设计；(B) 用于跟随当前模板的调制方法 (滞后；三角载体，周期性采样)；以及(C)生成参考模板的方法，这是本文研究的课题。在图1，已经实现了一个名为“参考电流计算器”的框图来生成参考模板。其工作原理是基于“采样和螺线管”电路，用作存储元件。用于计算负载电流的有效分量的NTS。该电路生成能够补偿谐波、功率因数和不平衡负载的模板。
提出的有源电力滤波器参考模板生成方法大多是基于瞬时无功功率理论[6-8]。这个理论给出了一个非常精确的解该参考模板，并允许获得一个明确的区分瞬时有功和无功功率。然而，这种方法有一些特殊性。首先，在许多情况下，从主电源的角度来看，在规定的周期内分离平均有功功率比瞬时有功功率更方便，因为第一个解决方案是避免闪烁，减少了电源中的瞬态问题。另一个问题是获得基准所需的复杂电子电路，包括d-q变换、除法和许多乘法规范。，使其难以实施和调整。在这项工作中，开发了一个简单得多的解决方案。这种基于采样和保持电路(Samp;H)的解决方案消除了复杂的变换。和数学运算作为乘法和除法。
2建议及方法
图2给出了该方法的控制模块，阐述了A相控制的总体过程。负载电流通过带通滤波器进行滤波以获得基础。铝相电流。该电流被校正并用作“采样和保持”电路的输入信号。“采样和保持”电路，与相到中性电压的峰值同步。产生一个直流信号，与电流的有功分量的振幅成比例。类似的情况发生在其他两个阶段，因此获得三个直流信号，如图2所示(Samp;Ha、Samp;Hb和Samp;Hc)。利用负载中总有功功率的信息，对这三个直流信号进行平均处理，实现系统的平衡。然后，将一组平衡参考波形的平均直流信号相乘(与电源电压相位差)，得到每个相位的三个同相平衡电流。最后，从实际负载电流中减去这些电流。获得所需的补偿电流：这些补偿电流可以纠正谐波失真，功率因数和负载的不平衡。在这种形式下，电源将负载视为纯平衡电阻。
图2 方法控制模块
该方法避免了乘法、分裂和变换，并基于负载中基本有功电流（同相电流）的恢复。一旦获得这些电流，就从总负载电流中减去它们，以得到所需的参考波形。
假设是一个阶段的总负载电流，这个电流基本上包含三个分量
（1）
其中、和是基波有源电流(同相分量)、正交基波(无功分量)和谐波分量(也是无功分量)。从源的角度来看，有源滤波器必须能够消除、和三个分量。这一目标可以通过两种不同的方式实现：a)通过评估和 。b)从中减去。最后一种方法是在本工作中发展起来的。
首先，对负载电流进行感知和滤波，以消除谐波（）。然后得到总基波电流(每个相位一次)。这些电流必须在它们的有功和无功分量(同相电流和同正交电流)中分开。
（2）
其中
（3）
表示所需的同相基波电流的大小。方程(3)允许，通过相角“”的知识，对每个阶段的进行评估。但是，不需要知道相角“”，因为当主电压达到最大值时，就可以从基波的时间函数中得到“”一词。
让
（4）
设为瞬时相到中性电源电压，和：
（5）
以及瞬时基本负载电流。在瞬间(相角)
（6）
和
（7）
然后，当电源电压达到最大时，就可以得到同相基波电流的瞬时值。图3以图形方式解释了这一概念。然后，按照图3所示的方法，被捕获并“存储”，直到下一个样本被获取以替换旧的样本。这个动作是在“采样和保持”(Samp;H)电路的帮助下执行的，这些电路在每半个周期中都与主电源的峰值电压同步。每半个周期的电压。触发Samp;H电路的同步脉冲是通过一组“正交电压”获得的“过零”信号产生的。这些“正交电压”是在控制块产生的，使用三相连接信号变压器，连接到电源。这个变压器也给出了“在每个阶段的“阶段”组件。此变压器的连接和“同相”和“正交”电压在相位“A”中的产生如图8所示。这么说很方便人们一直认为，该电源是一个完美平衡的三相电源。
图3 用来捕捉的方法
用上面解释的方法，每个相位以“直流信号”的形式捕获。现在，如果负载是平衡的，得到的三个值是相同的。然而，在一般情况下，它们将不一样，然后，负载的不平衡特性将被转移到源。为了避免它，可以将三个量平均化，因为总功率保持不变。同样的。设分别为A、B和C阶段的负载有功功率。那么，总有功功率将是
（8）
或
（9）
为了平衡每个阶段的功率，总有功功率可按以下方式平均：
（10）
因为电源是平衡的
（11）
将(11)改为(9)
（12）
平均功率使用(10)和(11)，它产生
（13）
只有在下列情况下才能满足均衡(13)
（14）
从(13)和(14)，可以写为
（15）
现在，从(12)和(15)
（16）
然后，从(16)我们终于得到
（17）
其中是表示平均值的当前振幅。然后，不改变有功功率的数量。如果瞬时有功功率和采用同相正弦波电流。利用瞬时有功功率和同相正弦电流，得到了相同的结果。现在，平均电流必须乘以一个单一正弦波形的相位与电源电压。与电源电压相对应的正弦波形。可以避免乘法，使用一个简单的晶体管，与直流信号，作为电源的馈电。晶体管的基极然后与电源相对应的基本波形被激活(这个波形不需要完全正弦)。晶体管的输出巧妙地是一个振幅与成正比的方波。然后用一个特殊的带通滤波器对输出进行滤波，调整后得到180°的相移，以补偿晶体管的逆变作用。通过此操作，得到了幅值与成正比的正弦同相波形。如图4所示：用于实现此“乘法器”的电路。这就是所谓的正弦发生器。
图4 正弦波发生器
图4中的电路对三个相位中的每一个进行了实现，得到了与基波有功功率成正比的三个正弦波形。这个电路唯一的问题是低通滤波器的相移调整。使用图5所示的滤波器可以避免这种调整，用一个相位比较器、一个积分器和一个压控振荡器实现，且是闭环连接。艾德-循环。积分器确保压控振荡器和输入信号始终保持一致。在零度相移时，即使主频发生变化.。如果使用此电路，则必须使用实乘法器来获得正弦有源分量。
图5 闭环滤波器保持零相移
一旦获得三个正弦同相电流波形，它们就从负载电流中减去，并生成所需的电流参考模板、和。
（18）
（19）
（20）
且
（21）
（22）
（23）
该控制电路还具有避免负载电流突然变化而产生的闪变和暂态现象的能力。为了解决这个问题控制系统使变软，但这一动作需要有源电力滤波器中的储能元件。
3仿真结果
在不同的操作条件下进行了大量的模拟。图6显示了当负载电流具有图中所示波形时，得到的相位“A”的结果参考模板。计算得到的源电流完全是正弦的。
图6 稳态运行的电流：a）总负载电流；b）参考电流；c）合成源电流
图7模拟了畸变电流中基波相角的阶跃变化。角度“”从65变到0。可以观察到电流源的振幅增加，以提供更高的有功功率所需。源电流的角度保持在。
图7 相位阶跃变化的当前波形：a）总负载电流；b）参考电流；c）合成源电流
4实验结果
为了得到实验结果，在图8中所示的电路的帮助下，实现了一个三相控制板并进行了测试。具有平衡电阻负载和电压源的单相损耗利用谐波畸变，实现了谐波畸变。图9中的示波图显示丢失阶段()、由控制块(、和)生成的三个参考模板以及结果产生的源电流。可以注意到，这些电流保持正弦和完全平衡，但它们的振幅下降缓慢。正如前面所提到的，这对源来说是很方便的，因为它避免了闪烁和瞬态现象。第二个实验是用同步电机模拟突然的相位变化，该同步电机也参与了槽谐波的产生。
图8 一个阶段损耗的实验实现
第二个实验是用同步电机模拟突然的相位变化，该同步电机也参与了槽谐波的产生。为了实现这个实验，电阻器如图8所示，改为同步电机。这台机器以恒功率运转，励磁电流突然中断。这一经验的结果如图10所示。可以指出，源电流与电压保持同步，且幅度不变。
图9 阶段损耗的一段响应：a）总负载电流；b）参考电流；c）合成源电流
图10 相位阶跃变化的趋势：a）设备电流；b）参考电流；c）源电压；d）合成源电流
5结论
实现并测试了一种简单高效的有源电力滤波器基准模板生成控制模块。该控制允许消除不需要的谐波、校正功率因数和补偿不平衡负载电流。该装置还避免了有功负载的突然变化可传送到电源。另一个有趣的地方该方法的特点是可以避免乘法、除法和变换，使控制系统更便宜、更简单、更可靠。能够接受所有的建议对于这种控制策略，需要有一个非常快的功率转换器和适当的调制方式来切换半导体。模拟滤波器相移的调整是一个缺点，可以避免使用特殊的闭环电路，如图5中所示，该方法
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