[b]1　引言 [/b]　　近十幾年來，有源電力濾波器（APF）作為治理電網諧波的新型電力電子裝置得到了迅速發展。APF較無源濾波器（PPF）有更好的適應能力，通過改變其控制策略，能滿足不同諧波源的治理要求。 　　有關APF的研究，人們著重并聯型結構，而對串聯有源濾波器（SAPF）的混合型濾波系統研究較少，尤其是實驗研究更顯不足。在該混合型濾波系統中，SAPF可以改善PPF的濾波特性，并能在系統與PPF之間起諧波隔離作用，抑制兩者之間可能發生的諧振。本文在分析該混合型濾波系統原理的基礎上，針對單相非線性負載（如電力牽引機車）的諧波治理問題，研究了單相系統諧波電流的分解技術，通過對三相逆變器空間矢量方法的研究，提出了單相系統APF的波形控制新方法，該方法有效地提高了逆變器的開關效率，并具有更高的控制精度。在現有實驗條件下，對SAPF作用前后的濾波效果進行了詳細的對比研究，結果表明，在混合濾波系統中，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原理 　　帶有SAPF的單相混合濾波系統原理示意圖如圖1所示。 　　該系統運行原理為：SAPF的控制電路經變換計算分離出系統電源電流中的諧波分量ish，通過控制APF的輸出，使串聯變壓器一次側輸出控制電壓Vc＝K·ish。由于Vc＝K·ish，即對流過系統的諧波電流SAPF表現為純電阻K；對流過系統的基波電流，SAPF表現為零阻抗。圖2和圖3分別為混合濾波系統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阻抗的影響，當然也不可能出現并聯諧振導致諧波放大的現象。同時，系統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］，發現總是先將檢測到的三相信號變為相互垂直的α－β坐標系中的兩相信號，然后再進一步計算。對于單相電路，將上述方法簡化，只需再構造一相電流與實際的電流滯后T／4（T為工頻周期），直接形成假設的兩相坐標系信號即可。 　　設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是電壓信號經過同步和鎖相環得到的標準正弦信號。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的環節，C22、C－122含義見式（8）。 4　單相APF的波形控制方法 　　目前常用的脈寬調制（PWM）技術有：①基于正弦波對三角波調制的PWM技術；②基于消除指定諧波的HEPWM技術；③基于電流滯環跟蹤控制的PWM技術（也稱自適應PWM技術）。 　　第一種方法適用于模擬系統，微機控制系統中很少采用；第二種方法需要預先計算要消除的若干次指定的諧波，在負載經常變化的情況下，跟隨特性難以保證；第三種方法比較適合于微機控制，其原理為實時檢測逆變器的輸出，并與跟蹤目標進行比較，當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A、B共有4種狀態組合，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，但使輸出電流構成回路并調節矢量V1和V2的作用時間，因而在控制中是不可缺少的。當逆變器需輸出電壓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T0≥0時，式（9）完全成立，逆變器在1個控制周期Ts內開關A、B均動作一次，可輸出“精確的”矢量Va。 　　當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。 　　在自適應控制PWM技術中，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的單相濾波系統實驗結果 　　為分析SAPF對PPF的濾波特性的影響，設計并制作了含SAPF的混合補償系統實驗裝置。SAPF系統原理結構如圖1所示，該系統的一次電路主要由3部分組成：單相整流器負載、PPF和逆變器。逆變器的開關器件采用德國SEMIKON的IGBT模塊；該系統的控制系統由高性能的數字信號處理器TMS320C50及高速外圍芯片組成，完成諧波電流的分解，控制矢量和相應矢量作用時間的計算；PWM的驅動由SEMIKON配套的驅動電路完成，該電路同時具備橋臂短路等故障的保護功能。 　　5．1　無源濾波器組 　　在混合補償系統中，PPF提供諧波電流的通路。實驗中采用的PPF參數如表1所示。由于實驗條件所限，高通濾波器沒有制作，僅制作了3次和5次單調諧濾波器，其參數如表1所示。 　　5．2　實驗結果 　　表2為PPF和SAPF投入前后系統電流諧波含量比較。在PPF和SAPF投切前后，系統電壓和系統電流的波形如圖6、圖7所示。實驗中測量和記錄所用儀器是美國FLUKE公司的電力質量分析儀F43。 　　從表2可見，由于有3次單調諧濾波器和5次單調諧濾波器分別提供3次和5次諧波通道，當SAPF發生作用時，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，由于沒有相應的諧波通道，SAPF作用前后諧波含量沒有明顯變化。系統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％，這些結論驗證了理論分析的結果。上述結果是電源電壓諧波含有率達5．8％時得到的，對系統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行了實驗研究，同樣驗證了SAPF對PPF特性的改善作用，并使系統諧波電流的總畸變率大大降低。 [b]6　結論 [/b]　　理論分析和實驗研究結果表明，基于空間矢量方法的SVPWM技術，使單相系統的波形控制比自適應PWM技術具有更高的控制精度。小容量的實驗結果表明：SAPF的作用與并聯的PPF有關，在存在相應諧波通道的情況下，SAPF可大大改善PPF的濾波效果。對電力機車等大容量的單相負載，SAPF是一種有效的諧波治理裝置。