摘要：電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用使電力系統產生了大量的諧波。電力系統諧波已經成為電力系統的一大公害，也是近10年來國內外專家和學者普遍關注的問題。文獻提出了一種基于變壓器基波磁通補償(FMFC）的串聯混合型有源電力濾波器，通過檢測變壓器一次側的基波電流，并采用電壓型PWM逆變器產生一個基波補償電流、將此補償基波電流注入串聯變壓器的二次側，當二次側注入基波電流和電網電流中的基波成分滿足基波補償條件時，串聯變壓器對基波呈現變壓器一次側漏阻抗，而對諧波呈現勵磁阻抗。這種有源濾波器僅僅提高了系統對諧波的阻抗，從而迫使諧波電流流入無源濾波器支路、真正起到了諧波隔離作用。

關鍵詞：基波磁通補償 三相有源電力濾波器

1 引言 電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用使電力系統產生了大量的諧波。電力系統諧波已經成為電力系統的一大公害，也是近10年來國內外專家和學者普遍關注的問題。文獻提出了一種基于變壓器基波磁通補償(FMFC）的串聯混合型有源電力濾波器，通過檢測變壓器一次側的基波電流，并采用電壓型PWM逆變器產生一個基波補償電流、將此補償基波電流注入串聯變壓器的二次側，當二次側注入基波電流和電網電流中的基波成分滿足基波補償條件時，串聯變壓器對基波呈現變壓器一次側漏阻抗，而對諧波呈現勵磁阻抗。這種有源濾波器僅僅提高了系統對諧波的阻抗，從而迫使諧波電流流入無源濾波器支路、真正起到了諧波隔離作用。但文獻僅僅是為了驗證原理而設計的濾波裝置，其容量設計得很小；同時，該文僅就單相系統進行了分析，但是在實際中的諧波源大多為三相結構。因此，文獻的濾波裝置無法滿足實際工程的需要。 本文在單相有源電力濾波器基礎上研制出一套基于基波磁通補償的三相濾波系統、分析了其主電路結構、設計了串聯變壓器及無源濾波器參數，對電流控制的參數進行了分析計算，現場運行及在武漢高壓研究所試驗結果表明該三相有源濾波器具有優良的濾波效果，而且在無源到有源之間可平穩過渡。 2 三相有源濾波器原理結構 圖1 為基于基波磁通補償的三相有源電力濾波器原理結構圖。

圖1 基于基波磁通補償的三相有源電力濾波器原理圖 圖1中μa，μb，μc為380V系統電壓；Zas，Zbs，Zcs為系統阻抗；T1，T2，T3為3個獨立的單相串聯變壓器，其一次側串聯在電網和諧波源之間，二次次側均與3個獨立的電壓型逆變器接在一起，3個逆變器共用一個直流電源Ud（來源于120V三相交流電整流）；三相系統中主要是5，7，11等次諧波，因此無源濾波器只設立了采用星形接法的5次和7次支路；濾波源為三相不控整流裝置；負載電阻為湖北追日電氣設備有限公司專門提供的液態電阻；Ld和Cd用于抑制逆變器產生的高頻諧波。整個電流控制電路和逆變器電路用于產生基波補償電流。當逆變器出現故障時，為了不影響負載正常運行，可將變壓器的二次側短路，因此圖1中加入一個接觸器用于短路變壓器二次測，以保護逆變器裝置。 本文的三相電路結構不同于文獻中的結構，逆變器和串聯變壓器完全獨立，每相單獨成果控制，主要考慮實際的三相系統中可能有一定的不對稱性，3個獨立的串聯變壓器之間沒有耦臺，控制簡單方便，在實際中可將每相設計成完全一樣的模塊。

3 系統參數設計與仿真 根據基波磁通補償的有源電力濾波器的新原理，考慮圖1三根系統中的一相，變壓器一次側對基波呈現很小以致可以忽略的一次側漏抗，而對諧波呈現一次側勵磁阻抗。在低壓380V三相系統中、系統等效內阻抗可以忽略不計。設串聯變壓器基波勵磁阻抗為Zp，當控制系統滿足基波磁通補償條件時，串聯變壓器基本不增加系統的基波阻抗，而對n次諧波的阻抗nZp。為了改善系統的濾波效果，串聯變壓器的勵磁阻抗不能太小。而在圖3所示的諧波源中，功率因數一般都很高，因此不需補充無功，故濾波電容器可以設計得小一些。綜合考慮串聯變壓器的勵磁阻抗和無源支路，并運用MATLAB進行仿真，當串聯變壓器的基波勵磁阻抗Zp取為6.28Ω，無源支路C5=30μF，L5=13.5mH，C7=20μF，L7=10.35mH時，加濾波器之前的系統電流和電流波形如圖2所示，而加濾波器之后的系統電壓和電流波形如圖3所示。整個系統的濾波效果非常理想，其功率因數接近于1。

串聯變壓器串聯在系統中，若變比為k=W1 /W2，一次側基波電流為I1，則二次側壓降為一次側的1／k倍。注入變壓器二次側的基波電流為ki1。為了減少逆變器的輸出電流，需減小k。考慮各種短路現象，二次側壓降可能會達220／k，這個交流電壓會通過逆變器的4個續流二極管構成的整流橋給電容器充電，導致直流母線電壓過高，所以1/k不能太大。綜合考慮，取k=W1/W2=1／2，這樣串聯變壓器二次側電壓最高可達440V，選擇1200V的IGBT便可滿足要求，二次側注入的電流只有一次側基波電流的一半，這樣就可減小逆變器的功率。

4 控制系統參數選擇 為了滿足動態響應快和魯棒性強的要求，三相系統采用滯環電流控制方式，文獻詳述了滯環電流控制的原理及開關頻率的計算。 圖4 為滯環比較器的具體電路及其傳輸特性。根據電子電路知識，滯環比較器的兩個閾值分別為：

在滯環電流控制中，逆變器的實際輸出與電流給定信號進行比較。若誤差大于滯環寬度h，則通過改變逆變器中對應的開關器件的開關狀態，使實際輸出電流減小；反之，若誤差小于-h，則通過改變逆變器中對應開關器件的開關狀態，使實際輸出電流增大。但在實際電路中，一般都將給定信號與反饋信號的誤差進行放大，然后再與滯環比較器進行比較，其結構如圖5（a）所示。根據自動控制原理可知：加入放大倍數g等效于將滯環寬度變為原來的1／g，即圖5（a）可等效為圖5（b），這樣可以達到同樣的效果，因為若取相同的輸入，則其輸出完全一樣。要減小滯環寬度，可直接增加放大倍數g。

5 現場測試結果及分析

在湖北追日電氣設備有限公司的協助下，本文設計并制作了一套全自動JCBL串聯型有源電力濾波裝置。設計容量為30kVA，串聯變壓器的變化為1:2，系統電壓為380V，開關器件為FUPEC公司BSM200GB20DN2型IGBT，無源支路僅由5次和7次調諧LC濾波器組成（C5＝30μF，L5=13.5mH，C7＝20μF，L7=10.35mH）。整個濾波置控制面板上只有兩個按鈕，一個為投入鈕，另一為切除鈕。當按下投入鈕時，首先斷開變壓器二次用于短路的接觸器KM，然后經過一個時間繼電延時500ms后再加上有源逆變器的直流電壓U有源逆變器進入工作狀態；當按下切除鈕時，有源變器退出工作狀態，并用接觸器將變壓器二次側短路，負載就可以不受影響地正常工作。將JCBL串聯型有源電力濾波裝置投入現場運行，采用link公司的DSO2100型數字示波器記錄了部分實驗波形，并進行了諧波分析。 圖6～圖8為不加任何濾波器、只加無源濾波器和同時加無源和有源濾波器等3種情況下的變壓器一次側電流波形及諧波分析圖。

武漢高壓研究所也對該裝置進行了現場測，試測試結果如表1 所示。 通過分析可知，電流畸變率只有約1.5％，該有源濾波器具有極好的濾波效果，并可在無源到有源之間進行平穩過渡。 6 結語 本文設計制作了一套全自動三相有源電力濾波裝置，當采用3個獨立的串聯變壓器和獨立的逆變器電路時，基于基波磁通補償有源電力濾波器的新原理可以成功地用于三相系統。

本文通過MATLAB的仿真確定了串聯變壓器和無源濾波器參數，推導了控制器參數的選擇原則。 將仿真和分析結果應用到JCBL串聯型有源電力濾波裝置中并投入現場運行。現場測試結果表明：該三相濾波系統可以真正解決低壓供電系統的諧波污染，而且在無源到有源之間可以平穩過渡。