第２５卷第１期 ２０１２年２月 常９＇Ｊ１工学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＯｌ＿２５ Ｎｏ．１ Ｆ【ｅｂ．２０１２ 基于自适应算法的电子镇流器谐波滤除 金运策 张立臣 耿书超 亢朋朋 （１．河海大学能源与电气学院，江苏南京２１００９８；２．常州工学院电子信息与电气工程学院，江苏常州２１３００２） 摘要 电子镇流器具有节能、无频闪、起辉电压低等显著优势，但是它同时会给电网带来大量 谐波。通过试验分析电子镇流器对电网电流的影响，研究讨论几种能够降低谐波含量的方法并进 行理论分析，提出采用基于自适应谐波检测算法的有源滤波技术，通过在ＰＳＩＭ仿真软件上搭建单 相并联有源电力滤波器模型，仿真验证采用自适应谐波检测算法的ＡＰＦ对电子镇流器谐波有很好 的滤除效果。 关键词 电子镇流器；谐波；自适应算法；有源滤波；功率因数 中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—０４３６（２０１２）０１—００４７—０４ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂａｌｌａｓｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ＪＩＮ Ｙｕｎ．ｃｅ ＺＨＡＮＧ Ｌｉ ｃｈｅｎ ＧＥＮＧ Ｓｈｕ．ｃｈａｏ ＫＡＮＧ Ｐｅｎｇ－ｐｅｎｇ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｎｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３００２） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂａｌｌａｓｔ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ，ｚｅｒｏ—ｓｔｒｏｂｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｄ ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ—ｕｐ，ｂｕｔ ｉｔ ａｌｓｏ ｂｒｉｎｇｓ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｓｅｖｅｒａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａ－ ｎａｌｙｓｉｓ ｔｏ ｔｈｅｍ．Ａｔ ｌａｓｔ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ａｃｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ｐａｒ－ ａｌｌｅｌ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｍｒ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｉｎ ＰＳＩＭ；Ｔｈｅ ｂａｌｌａｓｔ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂａｌｌａｓｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃ；ａｄａｐｔｉｖｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＡＰＦ；ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｅｆｆｅｃｔ ｕｐｏｎ ｒｅｍｏｖａｌ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ０ 引言 电子镇流器是一种新型电光源节能配件，与 电感式镇流器比较具有节能效果明显、无频闪、无 工频噪声、体积小、重量轻，可节省大量的铜材和 钢材，在较低的交流电源电压下可以使灯可靠地 启动及易于实现遥控和调光等优势。同时由于我 范围内，可以将影响最小化，从而保证电力设备的 正常运行。有源滤波技术相对无源滤波有很多显 著的优点，随着电力电子器件的飞速发展，有源滤 波技术的成熟，采用有源滤波可以替代无源滤波 并达到更好的效果。自适应谐波电流检测法是利 用自适应干扰对消原理，从负载电流中消去基波 电流分量，从而得到所需的指令电流信号，它通过 不断地自我调整使系统处于最佳状态。该检测法 的优点是抗干扰能力强，当电网电压畸变或基频 国电子镇流器技术尚不完善，其中谐波含量较高 和功率因数低是困扰电子镇流器推广应用的主要 问题。…降低电子镇流器谐波，将其限定在一定的 收稿日期：２０１２一Ｏ１—１１ 作者简介：金运策（１９８８一），男，硕士研究生。 扰动时，检测系统仍能正常工作，运行特性基本不 ４８ 常州工学院学报 ２０１２ 受电路元件参数影响。 １ 电子镇流器原理、谐波分析 １．１电子镇流器电路 电子镇流器主要由整流电路、逆变电路、高频 谐振电路组成。其传统电路如图ｌ所示。 、 Ｒｌｒ — 卜 Ｔ， ＝ ＝ 。 ｛ 一 ｃｌ ＝ ｅＴ 。 图１电子镇流器电路图 １．２电子镇流器原理 通过对市电２２０ Ｖ交流整流滤波后，再通过 逆变电路产生高频谐振电路，使 中发生高压脉 冲点燃日光灯。 电子镇流器通电后，经ＲＰ整流Ｃ滤波后，得 到约３００ Ｖ的直流电压，Ｄ 击穿，在Ｑ 导通期间 半桥上的电流路径为：＋ 一 一灯丝一ｃ 一 灯丝一振荡流圈Ｌ＿Ｔ 初级线圈Ｔ 一Ｑ 一地。 Ｑ 导通后， 将通过Ｄ 和Ｑ：放电。Ｔ 。、Ｔ 的感 应电势逐渐减小至０。Ｑ 基极电位呈下降趋势， ｆ 减小，Ｔ 中的感应电势将阻止ｉ ｃ１减少，极性是 同名端为正。于是Ｑ 基极电位下降，Ｑ 基极电位 升高，这种连续的正反馈使Ｑ 迅速由饱和变到截 止。而Ｑ 则由截止跃变到饱和导通，半桥上的电 流路径为：＋ 一Ｑ 一Ｔ ＋灯丝一ｃ５一灯 丝一 一地。与Ｑ 情况相同，正反馈又使得Ｑ 迅速退出饱和变为截止状态，Ｑ 由截止跃变为饱 和导通状态。如此周而复始，Ｑ 和Ｑ 轮流导通， 流过ｃ 的电流方向不断改变。由Ｃ５、￡及灯丝 组成的ＬＣ网络发生串联谐振。Ｃ 两端产生高 压脉冲，施加到灯管上，使灯点燃。 １．３谐波分析 电子镇流器是由滤波电路、整流电路、振荡电 路及灯管共同组成。其运行原理是整流电流来提 供工作电源，经ＬＣ滤波，脉动直流进入振荡器， 进而产生高频率的振荡电源。一般情况下，振荡 频率控制在２０～３０ ｋＨｚ。【２ 因此电子镇流器会产 生大量的奇次谐波，同时在运行中会产生较大的 高次谐波，其谐波含量用以下公式计算求出： ＴＨＤ＝ＵＫ／Ｕ１×１００％ （１） ｒ —一 ＵＫ＝√５ ｕ２ｎ （２） 为基频下的电压，己厂Ｋ为谐波电压，ＴＨＤ表 示谐波畸变率。 ２ 电子镇流器滤波方法 ２．１ ＥＭＩ电路滤波法 电子镇流器电路中有整流电路、高频振荡电 路、日光灯等可产生谐波的元件负载，其滤波方法 有在电源端加上ＥＭＩ电路和使用ＡＰＦ。ＥＭＩ滤 波器由ＬＣ电路组成，用来抑制因辐射和传导所 引起的ＥＭＩ和来自镇流器内部的高频信号。对 于电子镇流器，电磁兼容问题主要是防止其高频 信号通过电源线传导出去，干扰其他电气设备的 正常工作，而其他电气设备一般不会对电子镇流 器的正常工作造成干扰。另外ＬＣ电路会产生高 频谐振影响电路效果，理想的滤波器应只允许 ４００ Ｈｚ以下的低频信号通过，对于１ ｋＨｚ～２Ｏ ＭＨｚ之间的高频信号具有４０～１００ ｄＢ的衰减 量。此外由于电子镇流器的功率因数较低，通常 电路中还需加入功率因数校正电路。 ２．２ 采用ＡＰＦ ＡＰＦ系统由两部分组成，即谐波电流检测电 路和补偿电流发生电路（补偿电流控制电路、驱 动电路隔离电路和主电路３部分组成）。 如图２ 所示。 图２ ＡＰＦ工作原理图 检测补偿对象的电压和电流，经谐波电流检 测出电路补偿电流的指令电流信号，该信号经补 第ｌ期 金运策，张立臣，耿书超，等：基于自适应算法的电子镇流器谐波滤除 ４９ 偿电流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流 与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消， 最终得到期望的电源电流。当需要补偿负载所产 生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对 象负载电流ｆ 的谐波分量ｉ肪，将其反极性后作为 补偿电流信号ｆ；，由补偿电流发生电路产生的补 偿电流ｉ 即与负载电流中的谐波成分ｆ 大小相 等、方向相反，因而相互抵消，从而使电源获得期 望基波电流ｉ ，也就是只含负载电流的基波分量 ｆ∽也可以表达为 ： ｉ ＝吐＋ｉｃ （３） ｉ￡＝ｉ ＋ｉ （４） ｉｃ＝一ｉ （５） ｉ ＝ｉＬ＋ｆｃ＝ （６） ３ 自适应检测算法 ３．１ 自适应谐波及仿真模型 现有的谐波电流检测方法主要有带阻选频 法、Ｆｒｙｚｅ时域分析法、基于快速傅里叶分析法、基 于瞬时无功理论方法、基于小波理论方法等。虽 然这些方法各有特点，但都存在着难以克服的问 题：检测系统是开环的，且是固定频率的，所以对 元件参数变化和电网频率变化比较敏感。检测精 度不高，特别是没有自适应能力，不能较好地跟踪 检测。而基于自适应干扰对消原理的自适应谐波 检测方法能够克服这些缺点，是一种性能较好、检 测精度较高的检测方法。［６ 在Ｍａｆｌａｂ中搭建自适 应算法电路仿真模型（如图３所示），主要含有积 分模块、锁相环模块，通过锁相环产生频率为基频 的正弦和余弦波。该算法通过对基频电流和谐波 电流的积分为零来实现滤波。 图３ 自适应谐波检测模块 ３．２ 自适应检测算法仿真结果分析 参考输人选用Ｓｏｕｒｃｅ模块中提供的标准正 弦和余弦波，幅值Ｄ＝１，频率厂＝５０ Ｈｚ，被检测电 流是仿真电子镇流器模型建立的电路所产生的电 流（如图４所示），其明显不为正弦波，含奇次谐 波和高次谐波。 图４滤波前电流波形 综合考虑动态响应和检测精度要求，经过试 验选取ｋ＝１００，在Ｍａｔｌａｂ的Ｓｃｏｐｅ中可看到图５ 波形，发现其经过短暂的几个周期后变成正弦波， 滤波效果明显为正弦波。 ∥ 图５滤波后结果 ４并联型ＡＰＦ仿真实现 ４．１仿真模型建立 根据电子镇流器在正常运行下电源端的电流 波形，在ＰＳＩＭ仿真软件上搭建模型，使得其形成 的电流与实际符合。采用串联电压型有源电力滤 波器滤除谐波，其中电源取２２０ Ｖ，频率ｆ＝ ５０ Ｈｚ，谐波检测采用自适应算法，主电路中电容 选取根据公式 ： Ｕｃ＞（１．１～１．３） （７） Ｃ＞ｐ／２ｆ（ 一 ｍｉ ） （８） Ｕｇ ＝３１１ Ｖ，Ｃ：１２ ｐｏｆ，直流侧电压Ｕｃ＝ ４００ Ｖ，自适应检测算法ｋ＝１００，直流侧电压采用 ＰＩ控制，电流跟踪电路采用滞环比较法，主电路 采用电压型，谐波电流检测电路采用自适应算法 电路。 常州工学院学报 ２０１２正 ４．２仿真结果分析 根据以上模型运行后得到的电流波形如图６ 所示，发现在经过数个周期后电源端电流变为正 弦波，其谐波含量得到很大的抑制，对ｉ 进行ＦＦＴ 分析，如图７所示，其中ＴＨＤ降为３．９６％，很好地 满足了电网的要求。 图６有源电力滤波器滤波后电流波形 ４．Ｏ Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０Ｈｚ）＝１．２７３，ＴＨＤ＝－３．９６％ ＿＼。３．５ ３ ｚ．： １ Ｉ ． Ｏ．５ 。 一 ０ Ｉ…． ，Ｉ．Ｉ Ｉ ｌ ｌ Ｉ １－ｌ－ｆ．Ｉ． ０ ２ ４ ６ ８ Ｊ０ ｌ２ ｌ４ ｌ６ １８ ２Ｏ 谐波次数 图７电流波形ＦＦＴ分析 ５ 结论 针对电子镇流器所带来的谐波问题，分析了 电子镇流器工作原理，得出其产生谐波特征，采用 有源电力滤波器滤波。自适应检测算法能较好地 跟踪检测谐波电流，且有很好的自适应能力，通过 在ＰＳＩＭ搭建并联型ＡＰＦ仿真验证了有源电力滤 波器在改善电子镇流器谐波问题上的作用效果， 为其提供了一种行而有效的解决方法。 ［参考文献］ ［１］王强．多频率高效率电子镇流器控制芯片［Ｄ］．西安：西安电 子科技大学，２０１Ｉ． ［２］朱青，电子镇流器谐波测试及降低谐波含量方法的分析［Ｊ］． 技术应用，２０１１（１２）：１５５． ［３］李桂臣．高功率因数高低压钠灯电子镇流器的研制［Ｄ］．合 肥：合肥工业大学，２００６． ［４］刘凤君．市电能质量补偿技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５： ２３～２６． ［５］黄佐林．并联混合型有源电力滤波器的仿真研究［Ｄ］．北京： 北京交通大学，２０１１． ［６］李乔，吴捷．自适应谐波电流检测方法用于有源电力滤波器的 仿真研究［Ｊ］．电工技术学报，２００４，１９（１２）：８７—８９． ［７］杜雄，周雒维，谢品芳．直流侧ＡＰＦ主电路参数与补偿性能的 关系［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，１１（１１）：４０－４２． 责任编辑：唐海燕
