并聯(lián)型有源濾波器原理及MATLAB仿真

吳彬 鄧曉紅

【摘要】 有源電力濾波器（Active Power Filter，縮寫為APF）是近年來治理電力系統(tǒng)諧波污染非常有效的裝置。闡述了有源電力濾波器的基本原理，分析了并聯(lián)型三相三線制APF結(jié)構(gòu)，對APF系統(tǒng)的諧波檢測和PWM控制方法進行了仿真，驗證了APF的有效性。

【關(guān)鍵詞】 有源電力濾波器 電流檢測 PWM控制

一、介紹

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)的諧波污染日益嚴重，電能質(zhì)量嚴重下降。由于電力電子裝置的功率因數(shù)很低，無功功率增大，造成設(shè)備容量增加、設(shè)備及線損增大，而諧波可降低設(shè)備壽命、對設(shè)備的工作造成嚴重的干擾、在電網(wǎng)中引起局部的諧振，造成繼電器保護和自動裝置誤動作等[1]。進而也大大降低了電網(wǎng)的效率。有源電力濾波器因具有良好的諧波補償效果而越來越受到人們的重視。APF與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，具有響應(yīng)速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)連續(xù)補償?shù)奶攸c。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流不含諧波分量[2]。本文將首先建立有源濾波器的等效模型，重點介紹諧波電流提取和PWM脈沖產(chǎn)生的過程并以此為基礎(chǔ)建立MATLAB仿真，驗證試驗效果。

二、有源濾波器的結(jié)構(gòu)和等效模型

本文主要針對并聯(lián)型有源濾波器， 其單相等效電路圖可表示如下：

其中，il=is+ic，Zs為電源內(nèi)部等效阻抗，有源濾波器等效為一個諧波電流源。如從控制系統(tǒng)的角度講，APF又可以大致分為諧波檢測模塊，PWM控制模塊以及主逆變器模塊。 諧波電流檢測模塊用來檢主電路測瞬時無功電流和諧波電流并提取諧波電流，將其檢測信號作為有源濾波器的控制信號，去驅(qū)動PWM控制模塊產(chǎn)生驅(qū)動脈沖去驅(qū)動主逆變器，當主回路有諧波電流時，主逆變器產(chǎn)生和諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，從而抵消諧波電流。因此從本質(zhì)上說，傳統(tǒng)的濾波技術(shù)都是防范性的，被動性的，有什么干擾源盡量去濾除干擾，而有源濾波技術(shù)則是主動性的，針對各種干擾信號，設(shè)法產(chǎn)生與之相反的信號，達到恢復(fù)信號本來面目的目的，這正是有源濾波器技術(shù)優(yōu)越性的體現(xiàn)。本文仿真的電流檢測部分使用ip-iq法，而PWM控制模塊使用三角載波控制方法，因此下面將重點介紹三角載波控制方法的原理。

三、有源電力濾波器的模塊設(shè)計

3.1 三角載波控制原理及脈沖發(fā)生模塊設(shè)計

有源濾波器輸出的補償電流與參考電流的誤差經(jīng)過比例積分處理后與三角載波進行比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖。比例積分的系數(shù)kp與ki決定了三角載波控制方法的暫態(tài)與相應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差[5]。根據(jù)經(jīng)驗確定比例積分系數(shù)的公式如下：

K■■=■ （1）

k■■=w■k■■ （2）

其中，L+L0為有源濾波器逆變側(cè)往系統(tǒng)側(cè)看到的等效電感，w■為三角載波的頻率，而三角載波的峰值為1V，U■為逆變器直流側(cè)電壓。

3.2 系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計

利用設(shè)計好的各個模塊及MATLAB其他功能模塊，選擇典型的三相三線制接線方法，建立系統(tǒng)總體仿真圖如圖2所示，APF主電路和負載并聯(lián)接入電網(wǎng)。其中subsystem為ip-iq檢測法的封裝，而subsystem1為三角載波控制的封裝。

四、仿真結(jié)果

相負載電流如圖3，補償后的電流波形如圖4所示。

五、結(jié)論

通過對有源濾波器仿真模型的建立，對網(wǎng)側(cè)電流進行了補償，綜合結(jié)果，達到了較好的效果。值得注意的是，對于ip-iq檢測方法，由于沒有使用含有諧波成分的三相電壓ea，eb，ec參與計算，而是引用sinwt，-coswt進行計算，當電網(wǎng)電壓不平衡時，檢測結(jié)果不會受到電壓的影響，實際APF的研制中，可以此作借鑒。