一種新型有源濾波器的設(shè)計與仿真

修銘 金濤

收稿日期：2014－05－15

基金項目：國家自然科學(xué)基金(50907011);福建省杰出青年科學(xué)基金(2012J06012);福建省高校杰出青年人才培育基金(JA1108);福州大學(xué)人才基金(XRC-0910）。

作者簡介：修銘(1989-),男,山東青島人,碩士研究生,主要研究方向: 電機(jī)電器、測試計量技術(shù);

金濤(1976-),男,湖北宜昌人,博士,研究員,博士生導(dǎo)師,主要研究方向：在線測量理論與方法、電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測、智能電網(wǎng)。

摘要：電力系統(tǒng)中諧波電流已經(jīng)成為研究的重點問題，究其原因則是各類時變裝置和非線性負(fù)荷在電網(wǎng)中被大量的使用。本文分析了諧波電流檢測方法和三角波比較法電流控制技術(shù)。在基于理論分析的前提下，使用MATLAB/SIMULINK仿真平臺建立了該濾波器的模型并進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，該模型對諧波電流有較好的濾除作用。

關(guān)鍵詞：有源濾波器； 諧波電流檢測； 三角波比較

中圖分類號：TM743文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2014）03-0086-04

Design and Simulation of A New Active Power Filter

XIU Ming, JIN Tao

(School of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract：Because of non-linear load of the power network and various time-varying power electronic devices for large-scale applications, how to solve the harmonic current injected into the power system has become a hot issue in the research of electric power system. Ip-Iq detecting method and the triangular wave comparison control technology of active power filter are emphatically analyzed. On the basis of theoretical analysis, the model of parallel active power filter based on MATLAB/SIMULINK is built and the simulation of the active power filter is also studied. The simulation results shows the proposed method has a better filtering effect for the harmonic current.

Key words：Active Power Filter; Harmonic Current Detection; Triangular Wave Comparison

0引言

電力系統(tǒng)中的諧波問題逐漸受到人們的重視是從交流電作為一種電能傳輸?shù)姆绞介_始的。近些年非線性設(shè)備大量應(yīng)用，導(dǎo)致諧波的危害日趨嚴(yán)重。故此，無論是從理論研究的層面還是實際應(yīng)用的角度來講，研究如何治理諧波這一問題，都具有相當(dāng)重要的意義［1］。通過外加濾波器既可以阻止系統(tǒng)側(cè)的諧波流入負(fù)載側(cè)，也可以阻止諧波源產(chǎn)生的諧波流入電網(wǎng)側(cè)，所以外加濾波器是目前治理諧波的主要方法。當(dāng)前主要是通過外加有源濾波器（Active Power Filter——APF）來抑制諧波。有源濾波器于1919年被提出，采用的是一種補(bǔ)償?shù)乃枷?，其工作原理是先檢測出諧波電流，然后在負(fù)載電流上疊加一個與檢測出來的諧波電流大小相同而極性相反的電流進(jìn)行補(bǔ)償，最終使補(bǔ)償對象的電流與基波電流一致。同無源濾波器相比，由于APF補(bǔ)償特性受電網(wǎng)參數(shù)影響較小，而且可以動態(tài)地補(bǔ)償諧波電流，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

本文提出了一種新型的有源濾波器，對有源濾波器模型的拓?fù)浜驮磉M(jìn)行了分析。在諧波電流檢測模塊，該濾波器采用了基于瞬時無功功率理論的ip-iq法［2］，在電流跟蹤控制模塊采用的則是三角波比較法，并使用MATLAB仿真軟件建立了該模型。本文對此新型有源濾波器進(jìn)行了濾除諧波電流的仿真實驗研究，而且在對所得結(jié)果進(jìn)行分析后，驗證了該有源濾波器對諧波電流實現(xiàn)了較為理想的濾除作用。

1有源濾波器的工作原理

有源電力濾波器通用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要是由諧波電流檢測模塊和補(bǔ)償電流發(fā)生模塊兩部分組成［3］。

圖1APF的通用結(jié)構(gòu)圖

Fig.1The general structure of the APF有源濾波器正常工作時，先從補(bǔ)償對象負(fù)載電流iL中檢測到其諧波分量iLh，通過反極性變換后得到補(bǔ)償模塊的指令電流i*c，再由補(bǔ)償模塊產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic，基于ic與iLh大小相等且極性相反，因此ic與iLh相互抵消。經(jīng)過有源濾波器補(bǔ)償之后，電網(wǎng)電流is就變成了不含諧波電流iLh而只含有基波分量iLf的基波電流，使諧波電流得到抑制［4］。上述原理可以用式（1）來描述。

is=iL+ic

iL=iLf+iLh

ic=-iLh

is=iL+ic=iLf（1）

2ip-iq諧波電流檢測法

ip-iq諧波電流檢測法的原理［5］如圖2所示。

圖2 Ip-Iq檢測法原理圖

Fig.2Ip-Iq harmonic current detection methodia、ib、ic分別為各相的瞬時電流，ea為A相電網(wǎng)電壓。設(shè)置鎖相環(huán)和正、余弦發(fā)生電路的原因是為了實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的跟蹤，獲取與A相電網(wǎng)電壓ea同相位的正弦信號sinωt和余弦信號瞔osωt。根據(jù)式（2）可以計算出ip、iq，經(jīng)過低通濾波器后得到ip、iq的直流分量ip、iq。

第3期修銘，等：一種新型有源濾波器的設(shè)計與仿真智能計算機(jī)與應(yīng)用第4卷 ip

iq=CC32ia

ib

ic（2）

式中：C=sinωt-cosωt

-cosωt-sinωt，

C32=231-12-12

032-32

ip、iq是由iaf、ibf、icf產(chǎn)生的，因此根據(jù)式（3）可以計算出iaf、ibf、icf，再由式（4）計算得出iah、ibh、ich。

iaf

ibf

icf=C23Cip

iq（3）

iah

ibh

ich

=ia

ib

ic

-iaf

ibf

icf

（4）

式中：C=sinωt-cosωt

-cosωt-sinωt，

C32=2310

1232

-12-32

3三角波比較法

三角波比較法的原理如圖3所示。從圖3可以看出，三角波比較法首先通過指令電流i*c和補(bǔ)償電流ic做差得到Δic，經(jīng)過放大器放大后再與載波進(jìn)行比較。在交點處的時刻控制開關(guān)管的通斷，從而生成需要的補(bǔ)償電流［6］。圖3中使用比例積分（PI）控制器作為放大器。而通過調(diào)節(jié)PI控制器的參數(shù)，可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的跟蹤性能［7］。

圖3 三角波比較法的原理圖

Fig.3The schematic diagram of triangular wave

comparing method三角波比較的電流跟蹤控制方法是目前有源濾波器所廣泛采用的方法，與其他控制方法相比，該方法原理較為簡單可靠，且易于從硬件方面實現(xiàn)，通過使用簡單的軟件編程替代復(fù)雜的硬件部分；并且，與其他方法相比后還可知道，其在開關(guān)器件的保護(hù)方面做得更好，因為開關(guān)頻率與三角載波的頻率相同，所以能夠預(yù)先將三角波的頻率設(shè)定在一個安全工作的范圍內(nèi)，對開關(guān)器件實現(xiàn)較好的保護(hù)。但是該方法也有其不足之處，比如響應(yīng)速度較慢，跟隨誤差偏大等。日后隨著DSP技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，高性能電子開關(guān)器件的研發(fā)，響應(yīng)速度慢的問題將會得到解決。此外，從改進(jìn)軟件編程的角度也可以將誤差控制在合理的范圍內(nèi)［8］。

4仿真及分析

基于以上的理論分析，建立了如圖4所示的基于MATLAB/SIMULINK平臺的仿真模型［9］。

圖4APF系統(tǒng)仿真模型

Fig.4System simulation model of the APF圖4中，非線性負(fù)載即為諧波源，本文所建立的模型采用的是三相不控整流橋帶阻感性負(fù)載作為諧波源，阻感性負(fù)載參數(shù)分別設(shè)為15Ω和48mH。系統(tǒng)電源采用三相對稱電壓源，線電壓為190V，電網(wǎng)頻率取為工頻50Hz，APF主電路等效電阻值設(shè)為1Ω、平波電抗器設(shè)為50mH。為了保證較好的仿真效果，系統(tǒng)的采樣時間設(shè)定為0.05ms，仿真算法選取SIMULINK默認(rèn)的ode45仿真算法。

圖4中的ip-iq法的諧波電流檢測模塊如圖5所示。

圖5 諧波電流檢測模塊

Fig.5Harmonic current detection module圖4中的ip-iq三角波比較跟蹤控制模塊如圖6所示。

圖6 電流跟蹤控制模塊

Fig.6The current tracking control module

系統(tǒng)電源為三相對稱電壓源。因此本文取A相電流進(jìn)行研究。A相電流的補(bǔ)償結(jié)果如圖7所示。圖7 A相電流補(bǔ)償結(jié)果

Fig.7 A phase current compensation results圖7中，圖（a）和圖（b）分別是補(bǔ)償前的A相負(fù)載電流波形和經(jīng)過補(bǔ)償?shù)腁相的系統(tǒng)電流波形，圖（c）是A相的基波電流波形。圖（d）是A相的諧波電流波形，也就是指令電流波形。圖（e）是經(jīng)過APF主電路得到的補(bǔ)償電流波形。對比（a）（b）（c）三圖，可以看出負(fù)載電流經(jīng)過APF補(bǔ)償后，波形已經(jīng)接近基波電流。對比（d）和（e）兩圖，說明補(bǔ)償電流對指令電流的跟蹤性能良好。

圖8是對負(fù)載電流和補(bǔ)償后的系統(tǒng)電流進(jìn)行FFT分解的結(jié)果。

圖8A相電流FFT分析結(jié)果

Fig.8 A phase current FFT analysis results諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比可稱為總諧波畸變率（用百分?jǐn)?shù)表示），即THD（total harmonic distortion）。在這里需要討論的是電流的總諧波畸變率，可以由公式（5）計算得出。

THD=IHI1×100(%)(5)

式中，IH和I1分別表示電流中諧波分量和基波分量的方均根值。

對比補(bǔ)償前后的FFT分析結(jié)果可以看出，系統(tǒng)電流的THD由補(bǔ)償前的13.11%下降到補(bǔ)償后的 3.74%?？梢酝ㄟ^進(jìn)一步的計算得出補(bǔ)償前后各次諧波電流含有率HRIn來更加直觀地對比濾波效果。第n次諧波電流含有率可以由式（6）計算得到。

HRIn=InI1×100(%)(6)

式中，In和I1分別表示的第n次諧波電流和基波電流的方均根值。

經(jīng)過計算獲得的20次以內(nèi)的各次諧波含有率，如表1所示。從濾波前后的THD和HRIn對比可以看出，經(jīng)過本文設(shè)計的濾波器后，各次諧波的含量都有所減小，濾波后的THD值均符合國家規(guī)定值［10］。

表1補(bǔ)償前后各次諧波電流含有率HRIn(%)

Tab.1Harmonic Ratio In(%) before and after

compensation諧

波

次

數(shù)補(bǔ)

償

前

HRIn

(%)補(bǔ)

償

后

HRIn

(%)諧

波

次

數(shù)補(bǔ)

償

前

HRIn

(%)補(bǔ)

償

后

HRIn

(%)1100100111.981.75200.021200.1730.010.03131.391.07400.021400.24511.852.12150.010.01600.071600.0974.911.26170.740.68800.131800.0490.010.06191.10.661000.272000.03綜合以上的仿真結(jié)果可以得出，本文所建立的有源濾波器模型能有效地檢測并濾除系統(tǒng)的諧波電流。

5結(jié)束語

本文提出了一種新型有源濾波器，該濾波器采用基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測方法，而且又采用了三角波比較法作為補(bǔ)償電流的跟蹤控制方法。使用MATLAB/SIMULINK仿真平臺建立了該濾波器的模型并進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果驗證了該濾波器可以準(zhǔn)確地檢測出諧波電流，并且對諧波電流有較為理想的濾除作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］謝川. 數(shù)字控制大容量并聯(lián)型APF關(guān)鍵技術(shù)研究［D］. 杭州:浙江大學(xué), 2012.

［2］孟蘋蘋, 王洪誠, 趙波, 等. 并網(wǎng)變流器三相諧波檢測方法的研究［J］. 中國測試, 2012, 38(3):46-48.

［3］王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

［4］何英杰, 劉進(jìn)軍, 王兆安, 等. 一種基于瞬時無功功率理論的數(shù)字諧波檢測［J］. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010, 25(8):185-192.

［5］AKAGI H, KANAZAWA Y, NABAE A. Generalized theory of the instantaneous reactive power and its application［C］// Transactions of the IEE-Japan, Part B, 1983, 103(7):483-490.

［6］李達(dá)義, 陳喬夫. 三角波比較電流控制研究［J］. 通信電源技術(shù), 2006, 23(4):1-4.

［7］王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)［M］. 第5版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

［8］劉劍, 譚甜源, 樂健. 三角波比較法的幅值和相位補(bǔ)償原理［J］. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 34(16):69-72.

［9］杜太行, 胡相彬, 趙川,等. 有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制與主電路參數(shù)設(shè)計［J］. 低壓電器, 2010(6):51-55.

［10］GB/T 14549-1993, 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波［S］.修銘等：基于ip-iq法和三角波比較法的新型有源濾波器的設(shè)計與仿真