基于Matlab的并聯(lián)混合型有源濾波器的研究

孫國凱　張麗春　孫金平

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)幕靖拍罴把a(bǔ)償技術(shù)和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設(shè)計(jì)并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進(jìn)行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網(wǎng)的危害是很大的，不僅會降低輸電網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償技術(shù)主要有并聯(lián)電容器補(bǔ)償、同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償、靜止無功發(fā)生器補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)取?/p>

1 無功補(bǔ)償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分?jǐn)?shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生主要是由非線性負(fù)載所導(dǎo)致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構(gòu)成，不但可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，還可以構(gòu)成LC諧振回路，吸收諧波電流。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網(wǎng)中。PPF具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；但也存在一些缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費(fèi)多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網(wǎng)電流只含有基波分量，從而達(dá)到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點(diǎn)：快速響應(yīng)性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；能補(bǔ)償各次諧波，抑制閃變、補(bǔ)償無功，一機(jī)多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應(yīng)的功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價(jià)格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進(jìn)行抑制，以及進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗(yàn)

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設(shè)置，可以構(gòu)造出三相三線制的電網(wǎng)電壓，并可以帶有負(fù)載，有需要的話還可構(gòu)造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 HAPF的參數(shù)設(shè)計(jì)與原理分析

2） 有源部分的設(shè)計(jì)。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護(hù)和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產(chǎn)生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結(jié)果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結(jié)果為例，其他兩相類似。補(bǔ)償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補(bǔ)償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補(bǔ)償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補(bǔ)償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補(bǔ)償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加有效。在Matlab/simulink中運(yùn)用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結(jié)語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運(yùn)行，同時提高電能質(zhì)量，需要對諧波進(jìn)行抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補(bǔ)償與諧波抑制技術(shù)研究進(jìn)展[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)報(bào)，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關(guān)，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)幕靖拍罴把a(bǔ)償技術(shù)和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設(shè)計(jì)并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進(jìn)行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網(wǎng)的危害是很大的，不僅會降低輸電網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償技術(shù)主要有并聯(lián)電容器補(bǔ)償、同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償、靜止無功發(fā)生器補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)取?/p>

1 無功補(bǔ)償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分?jǐn)?shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生主要是由非線性負(fù)載所導(dǎo)致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構(gòu)成，不但可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，還可以構(gòu)成LC諧振回路，吸收諧波電流。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網(wǎng)中。PPF具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；但也存在一些缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費(fèi)多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網(wǎng)電流只含有基波分量，從而達(dá)到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點(diǎn)：快速響應(yīng)性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；能補(bǔ)償各次諧波，抑制閃變、補(bǔ)償無功，一機(jī)多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應(yīng)的功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價(jià)格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進(jìn)行抑制，以及進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗(yàn)

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設(shè)置，可以構(gòu)造出三相三線制的電網(wǎng)電壓，并可以帶有負(fù)載，有需要的話還可構(gòu)造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 HAPF的參數(shù)設(shè)計(jì)與原理分析

2） 有源部分的設(shè)計(jì)。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護(hù)和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產(chǎn)生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結(jié)果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結(jié)果為例，其他兩相類似。補(bǔ)償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補(bǔ)償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補(bǔ)償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補(bǔ)償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補(bǔ)償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加有效。在Matlab/simulink中運(yùn)用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結(jié)語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運(yùn)行，同時提高電能質(zhì)量，需要對諧波進(jìn)行抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補(bǔ)償與諧波抑制技術(shù)研究進(jìn)展[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)報(bào)，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關(guān)，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償?shù)幕靖拍罴把a(bǔ)償技術(shù)和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設(shè)計(jì)并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進(jìn)行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償。

關(guān)鍵詞：無功補(bǔ)償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網(wǎng)的危害是很大的，不僅會降低輸電網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。無功補(bǔ)償技術(shù)主要有并聯(lián)電容器補(bǔ)償、同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償、靜止無功發(fā)生器補(bǔ)償、靜止無功補(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)取?/p>

1 無功補(bǔ)償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分?jǐn)?shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生主要是由非線性負(fù)載所導(dǎo)致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構(gòu)成，不但可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，還可以構(gòu)成LC諧振回路，吸收諧波電流。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網(wǎng)中。PPF具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；但也存在一些缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費(fèi)多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網(wǎng)電流只含有基波分量，從而達(dá)到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點(diǎn)：快速響應(yīng)性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；能補(bǔ)償各次諧波，抑制閃變、補(bǔ)償無功，一機(jī)多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應(yīng)的功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價(jià)格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進(jìn)行抑制，以及進(jìn)行無功補(bǔ)償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗(yàn)

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設(shè)置，可以構(gòu)造出三相三線制的電網(wǎng)電壓，并可以帶有負(fù)載，有需要的話還可構(gòu)造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 HAPF的參數(shù)設(shè)計(jì)與原理分析

2） 有源部分的設(shè)計(jì)。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護(hù)和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產(chǎn)生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結(jié)果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結(jié)果為例，其他兩相類似。補(bǔ)償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補(bǔ)償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設(shè)計(jì)的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補(bǔ)償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補(bǔ)償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補(bǔ)償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加有效。在Matlab/simulink中運(yùn)用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結(jié)語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運(yùn)行，同時提高電能質(zhì)量，需要對諧波進(jìn)行抑制并對無功進(jìn)行補(bǔ)償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進(jìn)行無功補(bǔ)償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補(bǔ)償與諧波抑制技術(shù)研究進(jìn)展[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)報(bào)，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關(guān)，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab