基于PSCAD／EMTDC的混合電力有源濾波器建模與仿真分析

易桂平，胡仁杰

（東南大學電氣工程學院，南京210096）

0 引言

對于嚴峻的諧波污染問題，有源濾波器（APF，Active Power Filter）是提高電能質量的有效工具之一［1－2］。對有源濾波器可以有不同的分類方法，從與負載聯結形式的角度可以分為并聯型有源電力濾波器和串聯型有源電力濾波器兩類。并聯型有源電力濾波器應用較為廣泛，主要用于補償可以看作電流源的諧波源；串聯型有源電力濾波器主要用于補償可以看作電壓型的諧波源。

小容量有源濾波器與大容量無源濾波器相結合的混合型電力有源濾波器，集中了有源濾波器不易發生諧振、跟蹤性能良好但成本高以及無源濾波器易發生諧振、成本低的特點，已成為當今實際應用的熱點，也是未來有源濾波技術的發展方向。本文利用PSCAD／EMTDC對混合型電力有源電力濾波系統進行了建模與仿真分析。

1 有源濾波器的工作原理

圖1為最基本的有源電力濾波器原理圖。圖1中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩部分組成。補償電流發生電路主要由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分組成。其中，指令電流運算電路的作用是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量；補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路所得到的補償電流指令信號，產生實際的補償電流。目前主電路均采用脈沖寬度調制（PWM）變流器。

APF的基本工作原理是：檢測補償對象的電壓與電流，經指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號。該信號經補償電流發生電路放大產生補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波和無功等電流抵消，最終得到期望的電網電流。在圖1中，設負載的電流為iL，指令電流運算電路檢測出的諧波iLh作為APF的指令電流i＊c，補償電流發生電路輸出補償電流ic跟隨指令電流i＊c的變化，ic與iLh抵消，于是電網電流is＝iL－ic＝iLf，即等于負載的基波電流，使電源電流成為正弦波。若要同時補償負載的無功電流，則只要在補償電流指令信號中增加與負載電流基波無功分量反極性的分量即可。這樣，補償電流與負載電流中的諧波及無功分量相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量。同理，有源電力濾波器還可以對不對稱三相電路的負序電流等進行補償［4，5］。

圖1 有源濾波器構成原理圖

2 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法

基于瞬時無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測法［6－7］的原理如圖2所示。在圖2中，a相電網電壓ea經過一個鎖相環PLL和一個正、余弦信號發生電路后，得到與ea同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號－cosωt，這兩個信號與ia、ib、ic經c32變換后得到的eα、eβ和iα、iβ，再經過計算得出ip－iq，即：

ip和iq經LPF濾波得出其直流分量和。再通過反變換即可求得基波分量iaf、ibf、icf為：

圖2 i p－i q諧波電流檢測法

3 有源濾波器的控制策略

補償電流控制電路的作用是根據補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關系，得出控制補償電流發生電路中主電路各個器件通斷的PWM信號，控制的結果應實時跟隨指令信號的變化。為了保證補償電流具有良好的實時性，電流控制應采用跟蹤型PWM控制方式。目前跟蹤型PWM控制的方法主要為滯環比較方式、三角波比較方式和無差拍控制方式3種［8，9］。

3.1 滯環比較方式

采用滯環比較方式控制的電路原理圖如圖3所示。在該方式中，把補償電流的指令信號i＊c與逆變器實際發出的補償電流信號ic進行比較，兩者的偏差為Δic。將Δic作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路中開關器件通斷的PWM信號，該PWM信號經驅動電路放大后控制主電路功率器件的通斷，從而控制補償電流ic的變化。滯環比較器輸出的是一系列寬度相差較大、分布無規律的脈沖序列，而且脈沖寬度受滯環寬度影響較大［10］。

圖3 滯環比較器的瞬時值比較方式

由于滯環控制具有反應速度快，容易實現和不需要了解負載性質（感性負載或容性負載）等優點，在有源電力濾波器中采用該控制方法是有利的。滯環控制方式開關頻率變化范圍大，尤其是ic變化的范圍較大時，一方面，在ic值較小時，固定的滯環寬度可能使補償電流的相對跟隨誤差過大；另一方面，在ic值較大時，固定的滯環寬度又可能使器件的開關頻率過高，甚至可能超出器件允許的最高工作頻率而導致器件損壞。開關頻率變化范圍大說明滯環控制不僅具有脈沖寬度調制的特點，而且也含有頻率調制的成分，是兩種調制的混合體。但對于電力變換器控制，一般不希望有頻率調制。

在滯環瞬時比較控制方式中，滯環比較器的滯環寬度對補償電流的跟隨性能有較大的影響。當滯環寬度較大時，電力半導體開關器件的開關頻率較低，故對開關器件的要求不高，但是跟隨誤差較大，補償電流中高次諧波較大。反之，當滯環寬度較小時，雖然跟隨誤差較小，但是開關頻率較高。因此，在采用滯環比較的控制方式時，需要設置恰當的滯環寬度，必要時采取變滯環寬度的方法，才能達到較好的跟蹤效果。

該控制方法的特點是硬件電路比較簡單，通常用模擬電路搭建。因該方法屬于實時控制方式，因此電流響應快。由于不需要載波，輸出電壓中不含有特定頻率的諧波分量。

3.2 三角波比較方式

三角載波調制控制方式原理圖如圖4所示。這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同。它不直接將指令信號i＊c與三角波比較，而是將i＊c與ic的偏差Δic經放大器A之后再與三角波進行比較。放大器A常采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統是基于把Δic控制為最小來進行設計。同瞬時值比較方式相比，三角載波調制控制方式具有如下特點：硬件比較復雜，目前通常采用基于數字信號處理（DSP）為核心的數字控制方式實現；但與滯環比較方式相比其跟蹤誤差較大；器件的開關頻率固定，等于三角載波的頻率；電流響應比瞬時值比較方式慢［11］。

圖4 三角載波調制方式原理圖

3.3 無差拍控制方式

無差拍控制（Deadbeat Control）利用前一時刻的補償電流參考值和實際值，計算出下一時刻的電流參考值及各種開關狀態下逆變器電流輸出值，選擇某種開關模式作為下一時刻的開關狀態，從而達到電流誤差等于零的目標。該方法的優點是能夠快速響應電流的突然變化，缺點是計算量大，而且對系統參數依賴性較大。

3.4 應用狀況

通過比較發現，三角波控制方式和滯環比較控制方式是目前APF中普遍采用的方法，可通過多重化技術、自適應滯環帶寬等改進措施來克服其固有的缺陷，提高使用效率。相對而言，無差拍控制方式的應用較少，但隨著微機控制技術的不斷發展以及數字信號處理器運算速度的不斷提高，將會得到進一步的應用［12－13］。

4 仿真驗證

直流電磁暫態計算程序EMTDC是一個新型電磁暫態計算程序，具有精確的元件模型、方便的數據輸入方式及強大的分析功能，是系統分析和工程研究的有力工具。電磁暫態仿真軟件PSCAD是圖形用戶界面（GUI，Graphical User Interface）的成功開發，使得用戶可通過圖形添加的方式來解決一些復雜的電路功能，從而能方便地使用EMTDC進行大型電力系統及電力電子電路的仿真計算。瞬時無功功率法檢測諧波電流仿真結果如圖5、圖6和圖7所示。可以看出，補償電流IFa與指令電流iaRef幾乎同步，基波電流iaf，ibf，icf接近正弦，補償后系統電流較補償前有明顯改善，而且也接近正弦波。

圖5 補償前后a相電流波形

圖6 a相補償電流與指令電流

濾波前后的電流頻譜圖如圖8和圖9所示。補償前，系統a相T HD為20.25%，而且含有5、7、11、13次等高次諧波。補償后系統a相THD為2.65%，高次諧波含量大大減少，補償效果明顯，達到86.91%。從頻譜圖中可以看出，系統電流基波含量沒有較大變化，說明混合電力有源濾波器沒有過補或欠補。

圖7 a相諧波電流基波分量

圖8 補償前a相電流頻譜圖

圖9 補償后a相電流頻譜圖

5 結語

本文介紹了混合電力有源濾波器的結構和工作原理，給出了利用混合電力有源濾波器補償系統諧波的一個基于PSCAD／EMTDC的仿真模型，并進行了仿真實驗。結果顯示，搭建的混合電力有源濾波器的仿真模型有很好的濾波效果，可以為實際的研制和試驗工作提供參考和依據，具有一定的指導意義。

［1］ 胡銘，陳珩.有源濾波技術及其應用［J］.電力系統自動化，2000，12（3）：66-70.

［2］ 謝運祥，唐中琦.電力有源濾波器及其應用技術的發展［J］.電工技術，2000，（4）：1-3.

［3］ 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業出版社，1998.

［4］ 粟時平，劉桂英.靜止無功功率補償技術［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［5］ H.Akagi.Trends in Active Power Line Conditioners［J］.IEEE Trans.on P.E.1994，9（3）：263-268.

［6］ 周林，甘元興，雷鵬，等.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測新方法［J］.高電壓技術，2005，31（10）：67-70.

［7］ 關彬，崔玉龍，王圓月.基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法研究［J］.電測與儀表，2007，（10）：1-4.

［8］ M.EI-Habrouk，M.K.Darwish，P.Mehta.Active Power Filter：a Review.IEEE Proc.Electr.Power.Appl.2000，147（5）：403-413.

［9］ 羅安.電網諧波治理和無功補償技術及裝備［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［10］劉漢奎.采用滯環電流控制的三相并聯型有源電力濾波器［J］.電氣傳動，2001，（5）：34-37.

［11］M.EI-Habrouk，M.K.Darwish，P.Mehta.A Survey of Active Filters and Reactive Power Compensation Techniques.Power Electr.And V.S.D.Conference Publication.September 2000：712.

［12］姜齊榮，趙東元，陳建業.有源電力濾波器—結構·原理·控制［M］.北京：科學出版社，2005.

［13］Peng Fang Zheng.Application issues of Active Power Filters［J］.IEEE Industry Application Magazine（S1077-2618），1998，4（5）：21-30.