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(shè)備的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)諧波污染日趨嚴(yán)重，因此抑制諧波已成為電力系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的工作。有源電力濾波器具有補(bǔ)償性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴。無(wú)源濾波器具有易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，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(bǔ)償性能，又可克服有源電力濾波器成本高、容量大的缺點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

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

中圖分類號(hào)：TM477 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）33-0207-02

電力系統(tǒng)諧波是由非線性設(shè)備產(chǎn)生的，而非線性設(shè)備在電力系統(tǒng)中無(wú)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(dǎo)致用電設(shè)備使用壽命減少，效率降低，損耗增多，給安全用電造成了嚴(yán)重的隱患。[1]

一、混合型有源電力濾波器

無(wú)源濾波器（PF：Passive Filter）的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單可靠。優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易設(shè)計(jì)。[2]缺點(diǎn)是：濾波效果依賴于系統(tǒng)阻抗特性，并容易受到網(wǎng)絡(luò)上諧波污染程度、溫度漂移、濾波電容老化以及非線性負(fù)荷的影響。

有源電力濾波器（APF：Active Power Filter）是與無(wú)源濾波器相對(duì)應(yīng)的濾波裝置。優(yōu)點(diǎn)是靈活，補(bǔ)償性能好，但其容量小，造價(jià)高的缺點(diǎn)仍不可改變。

混合型有源電力濾波器主要應(yīng)用于大容量負(fù)載的補(bǔ)償，其基本思想是用無(wú)源濾波器分擔(dān)有源電力濾波器部分補(bǔ)償任務(wù)，將無(wú)源濾波器與有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，既能使整個(gè)系統(tǒng)獲得很好的補(bǔ)償性能，又可克服單獨(dú)使用有源電力濾波器成本高、容量大的缺點(diǎn)。

二、有源電力濾波器諧波檢測(cè)方法

1.諧波電流檢測(cè)方法和原理

諧波檢測(cè)原理：由補(bǔ)償對(duì)象的電流中提取出所需要補(bǔ)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(yīng)的脈沖，控制有源電力濾波器逆變器主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流跟蹤參考值，起到補(bǔ)償效果。[3]

目前應(yīng)用最廣泛的一種諧波檢測(cè)方法是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法。該方法經(jīng)過(guò)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(duì)稱、非正弦三相電路檢測(cè);p-q法適用于電源電壓無(wú)畸變時(shí)的檢測(cè);的檢測(cè)結(jié)果不受電網(wǎng)電壓畸變的影響。[4]

2.改進(jìn)的諧波檢測(cè)方法

本文在基于傳統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)算法上，利用三角函數(shù)的有關(guān)特性，對(duì)畸變電流中的無(wú)功電流和有功電流分別進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)低通濾波器把它們分離出來(lái)，從而得到無(wú)功和有功電流分量，這種諧波檢測(cè)方法稱為基波幅值分離法。[5]

諧波電流補(bǔ)償檢測(cè)原理如圖1所示。

Us為電源電壓，通過(guò)正弦信號(hào)發(fā)生電路得到。通過(guò)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(guò)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(cè)電路檢測(cè)出負(fù)載的諧波電流分量，再由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與大小相等但方向相反的補(bǔ)償電流ic，則負(fù)載諧波源所產(chǎn)生的諧波被完全抵消。補(bǔ)償裝置由控制電路通過(guò)控制主電路的開關(guān)元件進(jìn)行諧波補(bǔ)償，有源電力濾波器的補(bǔ)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(jìn)的控制方法

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)快，補(bǔ)償精度高，跟蹤誤差小，開關(guān)頻率小且簡(jiǎn)單易行。但滯環(huán)比較控制方法存在開關(guān)頻率不固定，當(dāng)滯環(huán)寬度過(guò)大時(shí)，跟蹤誤差大;當(dāng)滯環(huán)寬度過(guò)小時(shí)，開關(guān)動(dòng)作頻率高，甚至可能超過(guò)可關(guān)斷器件允許的工作頻率范圍，導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作[6]等缺點(diǎn)。

針對(duì)滯環(huán)控制方法的缺點(diǎn)，本文將滯環(huán)比較器的寬度設(shè)計(jì)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(shè)需補(bǔ)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(shè)成一個(gè)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(shí)際補(bǔ)償電流控制在iup>ic>idown中，由于滯環(huán)寬度是一個(gè)變化的量，所以實(shí)際補(bǔ)償電流ic可以實(shí)時(shí)并且準(zhǔn)確的跟蹤實(shí)際檢測(cè)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(wú)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(wú)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(bǔ)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(wú)源濾波器與電網(wǎng)間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振，同時(shí)提高無(wú)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(shí)驗(yàn)，最終得出最理想的參數(shù)值。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)，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(dòng)受直流側(cè)電容值大小的影響，電容越大，補(bǔ)償效果越好，但對(duì)器件耐壓能力的要求越大，導(dǎo)致成本增加;反之，電容值越小，系統(tǒng)電壓波動(dòng)越大。因此直流側(cè)電容應(yīng)選擇一合適的值。[8]經(jīng)多次仿真試驗(yàn)，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(fù)載、電網(wǎng)電壓和開關(guān)頻率等密切相關(guān)。電感L值越小，補(bǔ)償電流的變化率越高，電流跟蹤能力越強(qiáng)，濾波器的響應(yīng)速度越快，但容易產(chǎn)生系統(tǒng)振蕩沖擊;反之，L值越大，補(bǔ)償電流變化率越低，電流跟蹤能力越差，濾波器的響應(yīng)速度變慢，電流中會(huì)出現(xiàn)很多毛刺。[8]由多次仿真試驗(yàn)，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(tái)下自帶元件庫(kù)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(gè)部分：電網(wǎng)電源、諧波負(fù)載、并聯(lián)混合型有源電力濾波器諧波檢測(cè)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(wú)源濾波器。根據(jù)每個(gè)部分的等效電路，把幾個(gè)部分組合在一起，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(duì)稱負(fù)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(fù)載模型，該模型由非線性負(fù)載組成。在未投入任何濾波器裝置時(shí)，負(fù)載電流波形發(fā)生了嚴(yán)重的失真，其電流畸變率THD=30.53%。利用MATLAB仿真中powergui模塊對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的電流進(jìn)行FFT頻譜分析，分析表明：負(fù)載電流存在5、7、11次等6n+1次諧波（其中n取自然數(shù)）。

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電流波形嚴(yán)重畸變時(shí)，只投入無(wú)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(wú)源濾波器可能會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，從而導(dǎo)致某些次諧波電流被放大，使得補(bǔ)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(huì)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(fù)載并聯(lián)，要承受很大的基波電壓和電流，需要用造價(jià)成本更高的有源電力濾波器。

采用有源電力濾波器與無(wú)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(bǔ)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(bǔ)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(cè)出諧波電流后，采用改進(jìn)的控制方法對(duì)該諧波電流進(jìn)行補(bǔ)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(duì)系統(tǒng)諧波電流的有效治理。

五、結(jié)語(yǔ)

利用MATLAB/Simulink軟件對(duì)并聯(lián)混合型有源電力濾波器中的諧波檢測(cè)、控制以及無(wú)源濾波器等部分進(jìn)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(wú)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(duì)失真系統(tǒng)的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，使總諧波畸變率明顯改善，驗(yàn)證了并聯(lián)混合型有源電力濾波器的有效性。

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（責(zé)任編輯：王意琴）