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(guān)資料表明，電網(wǎng)會(huì)由于電力電子器件的大量投放產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波。現(xiàn)在影響電能質(zhì)量的主要因素諧波已經(jīng)成為可以排在首位了[1]，而對(duì)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(yīng)用于單相整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的仿真模型。并且對(duì)補(bǔ)償特性做了深入的研究和分析。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN713.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2012)04(a)-0000-00

近些年來(lái),隨著在工業(yè)生產(chǎn)中越來(lái)越多的電力電子器件被應(yīng)用，這些電力電子器件給我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的貢獻(xiàn)，但是由此而帶來(lái)的諧波污染也越來(lái)越嚴(yán)重。相關(guān)資料表明[2]，電網(wǎng)會(huì)由于電力電子器件的大量投放產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波。現(xiàn)在影響電能質(zhì)量的主要因素諧波已經(jīng)成為可以排在首位了，而對(duì)于諧波的治理最有效的手段就是有源濾波器，本文對(duì)單相有源電力濾波器的仿真進(jìn)行了研究，通過(guò)matalb仿真，分析該濾波器的工作特性，進(jìn)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(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，采用單相有源電力濾波器是諧波抑制的一個(gè)重要措施就是。單相有源電力濾波器的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中對(duì)諧波與無(wú)功電流進(jìn)行檢測(cè)。在一定控制指令作用下由IPM組成的系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)與無(wú)功電流大小相等的諧波，在系統(tǒng)中注入極性相反的電流，這樣電網(wǎng)電流就只含有基波電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。單相有源電力濾波器能跟蹤補(bǔ)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(lián)有源濾波器的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)及電流跟蹤控制綜合起來(lái)，搭建單相并聯(lián)有源濾波器的完整電路并對(duì)其補(bǔ)償特性做一下研究。主要諧波含量分析：電網(wǎng)電流的畸變幾乎全部來(lái)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(lián)有源濾波器的建模與仿真

單相電壓源模塊產(chǎn)生相電壓為670V的單相交流電壓，模擬實(shí)際電網(wǎng)電壓。非線(xiàn)性負(fù)載由可控整流橋和電阻負(fù)載構(gòu)成，模擬電網(wǎng)實(shí)際負(fù)載。電壓測(cè)量模塊測(cè)量電網(wǎng)電壓，電流測(cè)量模塊測(cè)量電網(wǎng)電流，背景為黃色的模塊是基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)模塊子系統(tǒng)，背景為紅色的是電壓，電流互感器，采集電網(wǎng)中的電流和電網(wǎng)電壓。

電流內(nèi)環(huán)控制采用滯環(huán)電流控制。交流側(cè)電感 =6mH, =7mH。直流電壓為800V。負(fù)載電阻選R=10Ω。則負(fù)載電流I= /R=67A。若選環(huán)寬為補(bǔ)償指令電流信號(hào)的 則應(yīng)該為 3A。則給滯環(huán)比較器送入初始值。仿真時(shí)間定為4s，步長(zhǎng)定為50e-6。啟動(dòng)仿真。經(jīng)仿真分析計(jì)算得到開(kāi)關(guān)管的平均頻率f=6KHz。

其他參數(shù)不變,將環(huán)寬變小，研究一下所選的環(huán)寬的變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。選擇環(huán)寬為補(bǔ)償指令電流信號(hào)的 則應(yīng)該為 1.5A。開(kāi)始進(jìn)行仿真得到如下仿真結(jié)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(jì)算開(kāi)關(guān)管的工作頻率。得到在一周期內(nèi)，環(huán)寬為 1.5A時(shí)，開(kāi)關(guān)管的平均頻率為25KHz。再將環(huán)寬進(jìn)一步減小，取 1A，同時(shí)保持其他參數(shù)不變。得到如下仿真結(jié)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(jì)算開(kāi)關(guān)管的平均頻率f=30KHz。

從濾波效果來(lái)看，環(huán)寬的大小對(duì)補(bǔ)償效果幾乎沒(méi)有影響。但環(huán)寬的大小對(duì)開(kāi)關(guān)管的頻率卻有很大的影響，選的環(huán)越小，開(kāi)關(guān)管頻率越大，這一點(diǎn)也很好理解。在一個(gè)周期內(nèi)，實(shí)際補(bǔ)償電流 跟蹤補(bǔ)償電流指令 變化的情況只受環(huán)寬的限制。當(dāng)環(huán)寬較小時(shí)，勢(shì)必增加開(kāi)關(guān)管的工作頻率。

在仿真中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所選的環(huán)的寬度降低時(shí)會(huì)明顯增加仿真時(shí)間，初步分析，是因?yàn)榄h(huán)寬度的減小帶來(lái)開(kāi)關(guān)頻率的升高，帶來(lái)處理速度的降低。

另外一方面從補(bǔ)償效果來(lái)看。補(bǔ)償后的諧波總含量從21.24%降到7.18%。并且對(duì)比一下補(bǔ)償前后主要諧波的含量變化。

通過(guò)分析相關(guān)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：加入有源濾波器后，電網(wǎng)電流中的主要諧波（奇次諧波）都有明顯的下降。但同時(shí)0次諧波（直流量）含量卻很高，有6.35%。另外分析，補(bǔ)償后的諧波來(lái)源，即7%的諧波來(lái)自于檢測(cè)環(huán)節(jié)。綜合考慮后，我選取的是一般情況下的LPF的參數(shù)，檢測(cè)出的基波電流有一些畸變，對(duì)補(bǔ)償效果有一些影響。但已經(jīng)補(bǔ)償大部分的諧波，并且大幅度降低了奇次諧波含量。對(duì)于直流分量，我們嘗試通過(guò)改變APF的輸出濾波電感來(lái)降低其含量。

4結(jié)論

在本章里，我們?cè)趍atlab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(wǎng)電流變化情況。將其對(duì)比后發(fā)現(xiàn)有源濾波器能大幅度減小電網(wǎng)電流中奇次諧波含量，但同時(shí)會(huì)少量增加電網(wǎng)的偶次諧波含有量。并且分析了原因。分析了環(huán)寬大小變化對(duì)檢測(cè)結(jié)果和系統(tǒng)的影響，即在滯環(huán)控制里環(huán)寬的大小會(huì)對(duì)補(bǔ)償?shù)木扔杏绊懀粫?huì)對(duì)補(bǔ)償效果影響太大。但會(huì)大大影響開(kāi)關(guān)管的工作頻率。并且會(huì)帶來(lái)仿真時(shí)間的延長(zhǎng)，從這里可以看出精度和處理速度是一對(duì)矛盾體。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該綜合考慮確定參數(shù)。總體來(lái)說(shuō)電流滯環(huán)跟蹤控制使補(bǔ)償電流能夠迅速跟蹤指令電流。得到比較理想的補(bǔ)償特性。

參考文獻(xiàn)

[1] 凌季平，高沁翔.并聯(lián)型電力有源濾波器的仿真研究.北京交通大學(xué)電氣學(xué)院.2010.

[2] 趙成勇，李庚銀，李廣凱，陳志業(yè).電力牽引系統(tǒng)的預(yù)測(cè)型諧波電流檢測(cè)方法研究.2011.

[3] 趙巍.基于DPS的混合有源電力濾波系統(tǒng)的研制.中南大學(xué)碩士學(xué)位論文. 2010.