并聯(lián)混合型有源電力濾波器仿真研究

曹勇敢 李苗苗

摘要：隨著非線性電力電子設備的廣泛應用，電網(wǎng)諧波污染日趨嚴重，因此抑制諧波已成為電力系統(tǒng)中一項重要的工作。有源電力濾波器具有補償性能好的優(yōu)點，但是價格昂貴。無源濾波器具有易于實現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉的優(yōu)點，但容易與電網(wǎng)發(fā)生諧振。將兩者結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器是目前抑制諧波電流最好的一種方法，即可使諧波系統(tǒng)獲得良好的補償性能，又可克服有源電力濾波器成本高、容量大的缺點，具有廣闊的發(fā)展前景。

關鍵詞：并聯(lián)混合型有源電力濾波器;諧波檢測;畸變;MATLAB/Simulink

中圖分類號：TM477 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）33-0207-02

電力系統(tǒng)諧波是由非線性設備產(chǎn)生的，而非線性設備在電力系統(tǒng)中無處不在，大量諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓、電流發(fā)生了畸變，導致用電設備使用壽命減少，效率降低，損耗增多，給安全用電造成了嚴重的隱患。[1]

一、混合型有源電力濾波器

無源濾波器（PF：Passive Filter）的設計方法簡單可靠。優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單、容易設計。[2]缺點是：濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并容易受到網(wǎng)絡上諧波污染程度、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負荷的影響。

有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是與無源濾波器相對應的濾波裝置。優(yōu)點是靈活，補償性能好，但其容量小，造價高的缺點仍不可改變。

混合型有源電力濾波器主要應用于大容量負載的補償，其基本思想是用無源濾波器分擔有源電力濾波器部分補償任務，將無源濾波器與有源電力濾波器的優(yōu)點相結(jié)合，既能使整個系統(tǒng)獲得很好的補償性能，又可克服單獨使用有源電力濾波器成本高、容量大的缺點。

二、有源電力濾波器諧波檢測方法

1.諧波電流檢測方法和原理

諧波檢測原理：由補償對象的電流中提取出所需要補償?shù)闹C波電流參考值，控制系統(tǒng)根據(jù)此參考值產(chǎn)生相應的脈沖，控制有源電力濾波器逆變器主電路產(chǎn)生補償電流跟蹤參考值，起到補償效果。[3]

目前應用最廣泛的一種諧波檢測方法是基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法。該方法經(jīng)過不斷的研究，現(xiàn)包括dq0變換法、p-q法和法。其中dq0變換法適用于非對稱、非正弦三相電路檢測;p-q法適用于電源電壓無畸變時的檢測;的檢測結(jié)果不受電網(wǎng)電壓畸變的影響。[4]

2.改進的諧波檢測方法

本文在基于傳統(tǒng)的瞬時無功功率檢測算法上，利用三角函數(shù)的有關特性，對畸變電流中的無功電流和有功電流分別進行計算，然后通過低通濾波器把它們分離出來，從而得到無功和有功電流分量，這種諧波檢測方法稱為基波幅值分離法。[5]

諧波電流補償檢測原理如圖1所示。

Us為電源電壓，通過正弦信號發(fā)生電路得到。通過鎖相環(huán)（PLL），正弦波發(fā)生器即可產(chǎn)生與電壓同頻率同相位的正弦波。再通過低通濾波器（LPF）濾掉除基波外的其它高次諧波。

三、有源電力濾波器控制方法

1.有源電力濾波器的控制原理及方式

有源電力濾波器的工作原理為：由檢測電路檢測出負載的諧波電流分量，再由補償裝置產(chǎn)生一個與大小相等但方向相反的補償電流ic，則負載諧波源所產(chǎn)生的諧波被完全抵消。補償裝置由控制電路通過控制主電路的開關元件進行諧波補償，有源電力濾波器的補償性能很大程度上取決于電流跟蹤控制電路的控制方法。

2.改進的控制方法

目前國內(nèi)外應用最廣泛的一種非線性電流控制方法是滯環(huán)比較控制方法。滯環(huán)比較控制方法動態(tài)響應快，補償精度高，跟蹤誤差小，開關頻率小且簡單易行。但滯環(huán)比較控制方法存在開關頻率不固定，當滯環(huán)寬度過大時，跟蹤誤差大;當滯環(huán)寬度過小時，開關動作頻率高，甚至可能超過可關斷器件允許的工作頻率范圍，導致電路無法正常工作[6]等缺點。

針對滯環(huán)控制方法的缺點，本文將滯環(huán)比較器的寬度設計成隨的ic大小變化而變化。[7]該方法可以減少諧波電流含量。

設需補償?shù)碾娏髦泻?、7、11次諧波，m1%、m2%和m3%分別為各次諧波電流占總諧波電流的百分比。

把滯環(huán)寬度設成一個變化量：

（1）

其原理與傳統(tǒng)滯環(huán)比較方法一致，由此可推出滯環(huán)上限為：

（2）

滯環(huán)下限為：

（3）

此方法把實際補償電流控制在iup>ic>idown中，由于滯環(huán)寬度是一個變化的量，所以實際補償電流ic可以實時并且準確的跟蹤實際檢測出的諧波參考電流。

四、仿真研究

1.并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

并聯(lián)混合型有源電力濾波器主要由有源電力濾波器和無源濾波器組成。其中，諧波源為三相橋式不控整流器，5、7、11次諧波含量較為突出，無源濾波器選擇由5、7、11次單調(diào)諧濾波器構(gòu)成，起到主要的補償作用。有源電力濾波器由直流電壓源、輸出側(cè)電感L以及三相六脈沖逆變器構(gòu)成，可有效抑制無源濾波器與電網(wǎng)間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振，同時提高無源濾波器的濾波效果。[8]并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。

2.并聯(lián)混合型有源電力濾波器仿真系統(tǒng)參數(shù)選取

仿真系統(tǒng)各模塊的參數(shù)選取是影響系統(tǒng)仿真結(jié)果的重要因素，各子系統(tǒng)需按參數(shù)選取原則并經(jīng)大量的仿真實驗，最終得出最理想的參數(shù)值。經(jīng)仿真實驗，模型中各子系統(tǒng)的參數(shù)選取如表1所示。

系統(tǒng)的電壓波動受直流側(cè)電容值大小的影響，電容越大，補償效果越好，但對器件耐壓能力的要求越大，導致成本增加;反之，電容值越小，系統(tǒng)電壓波動越大。因此直流側(cè)電容應選擇一合適的值。[8]經(jīng)多次仿真試驗，直流側(cè)電容用理想直流電壓源代替，參考電壓為：udc=500v。

逆變器主電路交流側(cè)電感L的選取和非線性負載、電網(wǎng)電壓和開關頻率等密切相關。電感L值越小，補償電流的變化率越高，電流跟蹤能力越強，濾波器的響應速度越快，但容易產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩沖擊;反之，L值越大，補償電流變化率越低，電流跟蹤能力越差，濾波器的響應速度變慢，電流中會出現(xiàn)很多毛刺。[8]由多次仿真試驗，選取電感L的值為：L=（1e-3）H。

3.并聯(lián)混合型有源電力濾波器仿真

（1）仿真模型。本文采用 MATLAB/Simulink軟件平臺下自帶元件庫建立并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型。

根據(jù)并聯(lián)混合型有源電力濾波器的工作原理，把該系統(tǒng)分為五個部分：電網(wǎng)電源、諧波負載、并聯(lián)混合型有源電力濾波器諧波檢測系統(tǒng)、并聯(lián)混合型有源電力濾波器控制系統(tǒng)及主電路和無源濾波器。根據(jù)每個部分的等效電路，把幾個部分組合在一起，對系統(tǒng)進行總體仿真。

仿真模型如圖3所示。

（2）仿真結(jié)果。本文中所搭建的系統(tǒng)采用三相對稱負載，A、B、C三相除相位相差120°以外，波形基本相同。首先建立電網(wǎng)負載模型，該模型由非線性負載組成。在未投入任何濾波器裝置時，負載電流波形發(fā)生了嚴重的失真，其電流畸變率THD=30.53%。利用MATLAB仿真中powergui模塊對負載產(chǎn)生的電流進行FFT頻譜分析，分析表明：負載電流存在5、7、11次等6n+1次諧波（其中n取自然數(shù)）。

當電力系統(tǒng)中的電流波形嚴重畸變時，只投入無源濾波器雖然可以有效抑制諧波含量，使得諧波電流的畸變率降低。但是，無源濾波器可能會與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，從而導致某些次諧波電流被放大，使得補償后的系統(tǒng)電流波形仍然存在著較大的畸變。若只投入有源電力濾波器，則諧波的含量會大大的減小，系統(tǒng)中總諧波畸變率只有6.22%，如圖4所示。

從圖中看出：投入有源電力濾波器后，系統(tǒng)諧波性能較好，諧波畸變率下降。但有源電力濾波器直接與負載并聯(lián)，要承受很大的基波電壓和電流，需要用造價成本更高的有源電力濾波器。

采用有源電力濾波器與無源濾波器組合成的并聯(lián)混合型有源電力濾波器，仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中看出：系統(tǒng)的電流波形得到明顯的改善，諧波含量減小，總諧波畸變率也得到了降低，THD=5.21%。

補償后的系統(tǒng)三相電流波形十分接近于正弦波，如圖6所示，各次的諧波含量都得到了一定的補償，較好地抑制了諧波。

仿真結(jié)果表明：在使用基波幅值分離法檢測出諧波電流后，采用改進的控制方法對該諧波電流進行補償，使并聯(lián)混合型有源電力濾波器系統(tǒng)具有比較理想的濾波特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)諧波電流的有效治理。

五、結(jié)語

利用MATLAB/Simulink軟件對并聯(lián)混合型有源電力濾波器中的諧波檢測、控制以及無源濾波器等部分進行了建模與仿真研究。從仿真結(jié)果波形圖可看出，采用有源電力濾波器與無源濾波器結(jié)合所構(gòu)成的混合型有源電力濾波器能更有效的對失真系統(tǒng)的諧波電流進行補償，使總諧波畸變率明顯改善，驗證了并聯(lián)混合型有源電力濾波器的有效性。

參考文獻：

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[5]Fujita H，A kagi H.A Practical Approach to Harmonic Compensation in Power Systems-Series Connection of Passive and Active Filters[J].IEEE T rans on Ind App，1991，27（5）：1020-1025.

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[8]范瑞祥，羅安，李欣然.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的系統(tǒng)參數(shù)設計及應用研究[J].中國電機工程學報，2006，32（26）：106-110.

（責任編輯：王意琴）