單相有源電力濾波器的仿真研究

梁福興 劉艷 鮑聰穎 武磊 張修華

摘要：相關資料表明，電網會由于電力電子器件的大量投放產生嚴重的諧波。現在影響電能質量的主要因素諧波已經成為可以排在首位了[1]，而對于諧波的治理最有效的手段就是有源濾波器。本文最后在MATLAB里搭建了應用于單相整流電路帶電阻負載時的仿真模型。并且對補償特性做了深入的研究和分析。

中圖分類號：TN713.8文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

近些年來,隨著在工業生產中越來越多的電力電子器件被應用，這些電力電子器件給我國工業生產帶來了巨大的貢獻，但是由此而帶來的諧波污染也越來越嚴重。相關資料表明[2]，電網會由于電力電子器件的大量投放產生嚴重的諧波。現在影響電能質量的主要因素諧波已經成為可以排在首位了，而對于諧波的治理最有效的手段就是有源濾波器，本文對單相有源電力濾波器的仿真進行了研究，通過matalb仿真，分析該濾波器的工作特性，進而找到控制諧波污染的手段。

1 單相有源電力濾波器概述

隨著DSP技術和電力電子技術的不斷發展，采用單相有源電力濾波器是諧波抑制的一個重要措施就是。單相有源電力濾波器的基本原理是從補償對象中對諧波與無功電流進行檢測。在一定控制指令作用下由IPM組成的系統產生一個與無功電流大小相等的諧波，在系統中注入極性相反的電流，這樣電網電流就只含有基波電流，達到實時補償諧波電流的目的。單相有源電力濾波器能跟蹤補償幅值和頻率都變化的諧波，因而受到廣泛的重視。

2 單相有源電力濾波器的matlab建模

這里將單相并聯有源濾波器的諧波和無功電流檢測及電流跟蹤控制綜合起來，搭建單相并聯有源濾波器的完整電路并對其補償特性做一下研究。主要諧波含量分析：電網電流的畸變幾乎全部來源于奇次諧波。其中三次諧波含量 =16.74%,五次諧波含量 =10.69%，七次諧波含量 =6.01%，九次諧波含量 =3.18%，十一次諧波含量 =1.11%。

3 單相并聯有源濾波器的建模與仿真

單相電壓源模塊產生相電壓為670V的單相交流電壓，模擬實際電網電壓。非線性負載由可控整流橋和電阻負載構成，模擬電網實際負載。電壓測量模塊測量電網電壓，電流測量模塊測量電網電流，背景為黃色的模塊是基于瞬時無功理論的諧波和無功電流檢測模塊子系統，背景為紅色的是電壓，電流互感器，采集電網中的電流和電網電壓。

電流內環控制采用滯環電流控制。交流側電感 =6mH, =7mH。直流電壓為800V。負載電阻選R=10Ω。則負載電流I= /R=67A。若選環寬為補償指令電流信號的 則應該為 3A。則給滯環比較器送入初始值。仿真時間定為4s，步長定為50e-6。啟動仿真。經仿真分析計算得到開關管的平均頻率f=6KHz。

其他參數不變,將環寬變小，研究一下所選的環寬的變化對檢測結果的影響。選擇環寬為補償指令電流信號的 則應該為 1.5A。開始進行仿真得到如下仿真結果：其中0次諧波（直流分量）含量為6.35%，其中三次諧波含量 =1.92%,五次諧波含量 =0.56%，七次諧波含量 =0.25%，九次諧波含量 =0.17%。十一次諧波含量 =0.1%。計算開關管的工作頻率。得到在一周期內，環寬為 1.5A時，開關管的平均頻率為25KHz。再將環寬進一步減小，取 1A，同時保持其他參數不變。得到如下仿真結果：

其中0次諧波（直流分量）含量為6.35%，其中三次諧波含量 =1.92%,五次諧波含量 =0.56%，七次諧波含量 =0.25%，九次諧波含量 =0.17%,十一次諧波含量 =0.1%。計算開關管的平均頻率f=30KHz。

從濾波效果來看，環寬的大小對補償效果幾乎沒有影響。但環寬的大小對開關管的頻率卻有很大的影響，選的環越小，開關管頻率越大，這一點也很好理解。在一個周期內，實際補償電流 跟蹤補償電流指令 變化的情況只受環寬的限制。當環寬較小時，勢必增加開關管的工作頻率。

在仿真中發現，當所選的環的寬度降低時會明顯增加仿真時間，初步分析，是因為環寬度的減小帶來開關頻率的升高，帶來處理速度的降低。

另外一方面從補償效果來看。補償后的諧波總含量從21.24%降到7.18%。并且對比一下補償前后主要諧波的含量變化。

通過分析相關仿真結果發現：加入有源濾波器后，電網電流中的主要諧波（奇次諧波）都有明顯的下降。但同時0次諧波（直流量）含量卻很高，有6.35%。另外分析，補償后的諧波來源，即7%的諧波來自于檢測環節。綜合考慮后，我選取的是一般情況下的LPF的參數，檢測出的基波電流有一些畸變，對補償效果有一些影響。但已經補償大部分的諧波，并且大幅度降低了奇次諧波含量。對于直流分量，我們嘗試通過改變APF的輸出濾波電感來降低其含量。

4結論

在本章里，我們在matlab里搭建了單相有源濾波器的仿真模型，分析了有源濾波器投入前和投入后的電網電流變化情況。將其對比后發現有源濾波器能大幅度減小電網電流中奇次諧波含量，但同時會少量增加電網的偶次諧波含有量。并且分析了原因。分析了環寬大小變化對檢測結果和系統的影響，即在滯環控制里環寬的大小會對補償的精度有影響，但不會對補償效果影響太大。但會大大影響開關管的工作頻率。并且會帶來仿真時間的延長，從這里可以看出精度和處理速度是一對矛盾體。在實際應用中應該綜合考慮確定參數。總體來說電流滯環跟蹤控制使補償電流能夠迅速跟蹤指令電流。得到比較理想的補償特性。

參考文獻

[1] 凌季平，高沁翔.并聯型電力有源濾波器的仿真研究.北京交通大學電氣學院.2010.

[2] 趙成勇，李庚銀，李廣凱，陳志業.電力牽引系統的預測型諧波電流檢測方法研究.2011.

[3] 趙巍.基于DPS的混合有源電力濾波系統的研制.中南大學碩士學位論文. 2010.