并联型有源电力滤波器的仿真分析

摘要:电网污染越来越严重，电力谐波的实时抑制变得越来越重要。有源电力滤波器(APF)是80年代以来兴起的性能较好的谐波抑制装置，是比较热门的研究领域。

本文介绍了有源电力滤波器工作原理，分析了基于瞬时无功功率理论的p-q谐波电流检测法，详细介绍了三角波比较控制方式。

为了验证各种检测方法和控制方法的正确性，本文用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块SimPowerSystems 对整个有源电力滤波器进行了仿真研究。该系统仿真模型结果准确，验证了谐波检测方法和控制方法的有效性，能实时反映系统的动态过程变化。

关键词：谐波电流；有源电力滤波器；谐波抑制

中图分类号：S477文献标识码： A

第1章 概 述

1.1 课题研究的背景

在电力系统中，由于电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使电网电压和电流波形发生畸变产生谐波[1]。谐波使得电能的产生、传输和利用效率降低，谐波对电力系统环境造成了污染，而且谐波对电网的污染也日趋严重[4]。改善电力系统的供电电能质量，减少电力部门的经济损失具有非常重要的意义，是一项相当重要的技术储备。

1.2 谐波的产生及危害

国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波倍数。电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量不高产生谐波；其二是输电网产生的谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波最多[4]。

谐波对电力系统以及电子设备产生极大的危害，主要是：

1、恶化绝缘条件，缩短设备寿命，在较高频率的谐波电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗增加，致使温升提高；当电压畸变波形出现尖顶波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。

2、使电网中的元件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热增加，过载能力、实用寿命和效率降低；另外降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火灾。

1.3 谐波的抑制方法

有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了无源电力滤波器的不足，具有比无源电力滤波器更好的补偿性能，是一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置。

1.4 本文研究的意义及主要工作

有源电力滤波器作为一种动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，能很好地克服传统LC无源滤波器的缺点。因此加强对有源滤波技术的研究，推动其在工业中的实际应用，是一个具有重要意义的课题。

本文的主要工作包括以下几个方面：

1．对基于瞬时无功功率理论的谐波检测法进行研究分析，并利用MATLAB进行仿真。

2．对有源电力滤波器的控制方法进行仿真分析，确定有源电力滤波器的控制方法。

3．利用MATALB对并联型有源电力滤波器进行总体系统仿真，来验谐波检测方法和控制方法的效果。

第2章 有源电力滤波器

2.1 有源电力滤波器的工作原理

APF由两大部分组成：指令电流运算电路及补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。指令电流运算电路的核心是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分量；补偿电流发生电路的作用是产生补偿电流使其跟随由指令电流运算电路得到的补偿电流的指令信号。驱动电路将逻辑信号变换为驱动主电路电力电子器件的驱动信号，控制其通断。主电路用来产生补偿电流。

APF的基本原理是：从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，则谐波源产生的谐波就可以抵消，即电源电流中只含有基波分量。如果要求电力有源滤波器在补偿谐波的同时，也补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的无功分量方向相反的电流成分即可，这样补偿电流与负载电流中的谐波和无功成分相抵消，电源电流就等于负载电流的基波有功分量。

第3章 谐波电流检测与控制

3.1 谐波电流检测法

准确地、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是APF进行精确补偿的关键。p-q法是基于三相电路瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法，此种方法用于系统的三相电压不含谐波的情况。p-q谐波检测方法可以迅速准确的检测负载电流的谐波分量，具有实时性好、精度高的优点。该检测方法的原理如图3-2所示。图中上标-1表示矩阵的逆。

3.2 谐波控制方法

并联型有源电力滤波器可分为两大部分：谐波电流检测模块和补偿电流发生模块。谐波电流检测模块的主要作用是检测负载电流中的谐波分量，并给补偿电流发生模块提供指令信号；而补偿电流发生模块根据这一指令产生谐波补偿电流。

有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号的变化，这就要求补偿电流发生电路要有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制的方法主要是三角波比较方式。三角波比较方式是将指令信号与补偿量信号的差值作为误差信号，经过放大器A之后再与三角波进行比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器，如图3-2所示。

三角波比较法将与的偏差经放大器A之后再与高频三角调制波比较，产生控制主电路中开关器件通断的PWM信号。这样组成的系统是基于把控制为最小来进行设计的。采用三角波比较法的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，且等于三角波的频率，有利于简化器件的选择和器件保护的设计，而且动态响应好，对高频开关频率的系统有较好的控制特性。

第4章 并联电压型有源电力滤波器的仿真

本章利用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块SimPowerSystems 对APF进行动态的仿真和分析，验证检测和控制方法的正确性和有效性，并通过仿真结果分析其动态性能。

4.1 谐波源的仿真

本文中三相谐波源（非线性负载）采用三相可控桥式整流电路。

4.2 系统仿真模型

利用Simulink，建立并联型有源电力滤波器的仿真模型，如图4-1所示。此模型有以下几部分组成：电压源、非线性负载、谐波检测电路、补偿电流发生电路，其中三相谐波源采用三相可控桥式整流电路谐波检测部分采用p-q法，控制部分采用三角波比较控制方法。

图4-1并联型有源电力滤波器系统仿真模型

三相电压源的相电压为220V的三相交流电压，非线性负载由三相可控桥整流电路组成，带电阻性负载；谐波检测模块检测负载电流，经过运算之后计算出谐波电流，再给补偿电流发生模块送入指令信号，三角波比较控制器根据指令信号产生PWM信号送给变流器，变流器便产生谐波补偿电流送入电网。并联型有源电力滤波器的仿真波形如图4-2所示，其中图a)为A相负载电流波形，从图中可以看出，该波形接近于方波，含有大量的谐波。

a相负载电流

b）三角波跟踪的a相谐波补偿电流

c）补偿后的a相电源电流波形

4-2系统仿真输出波形

从图a）a向负载电流图中可以看出，负载电流中含有大量的谐波分量，经过谐波抑制之后，电源电流波形基本接近正弦波如图c），只是当负载电流突变的时候，电源电流波形有尖峰突变，这时由于控制系统的延时造成的。三相负载电流波形如图4-3所示，经过谐波抑制之后的三相电源电流波形补偿效果明显。

a)三相负载电流波形

b)三相负载电压波形

c）补偿后三项电源电流波形

图4-3 三相电源波形

如图4-3所示三相电源电流经过谐波抑制后，波形已经接近正弦波，补偿效果明显验证了三角波比较控制谐波方法的可行性和准确性。

结 论

本文主要在MATLAB/SIMULINK环境下对三相并联电压型有源电力滤波器系统进行了仿真。仿真包含以下几个部分：谐波与无功电流检测方法的仿真、补偿电流控制方法的仿真，及整个系统的仿真。

以下是本文的一些工作总结：

1、对有源电力滤波器的谐波抑制原理进行全面阐述。

2、分析了瞬时无功功率的基本原理，详细介绍了p-q谐波检测。

3、分析了三角波比较方式的工作原理，对三角波比较方式进行了理论分析。

4、采用了p-q谐波检测法和三角波比较法对三相并联型有源电力滤波器进行了系统的仿真。

参考文献

[1]王兆安，杨军，刘进军等．谐波抑制和无功功率补偿[M]．第二版．北京：机械工业出版社，2006：220-288．

[2]陆廷信等．有源型谐波抑制无功补偿装置计算机仿真及实验研究[J]．电气传动．1989,19(6)：41-49．

[3]沈龙大等．电网高次谐波有源抑制装置的工业应用．电气传动[J]，1993, 23 (5)：39-47．

[4]卓放，王兆安．有源电力滤波器的发展与应用[J]．船电技术，2000：23-30．