并聯型混合有源濾波器與SVC的綜合Simulink仿真

李文娣

摘 要：提出1種TCR型SVC與并聯型混合電力濾波器綜合補償系統，該系統能夠有效補償無功功率和抑制諧波。簡要敘述了與該系統有關的內容，以期為其今后的使用提供參考和借鑒。

關鍵詞：APF；無功補償；諧波檢測；濾波器

中圖分類號：TN713+.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.007

隨著現代工業的發展，大量的非線性負載被使用在電網中，尤其是將電力電子設備應用在發電、輸電、配電和用電的過程中，對電網的污染也日漸嚴重。在此過程中，其污染主要來自無功功率和諧波兩個方面。本文將并聯混合電力濾波器和SVC并聯使用，這樣既可以補償無功功率，也可以有效抑制諧波電流。

1 系統拓撲結構

無功諧波綜合補償系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1 綜合系統拓撲結構

該系統主要是由并聯型混合濾波器、TCR 型SVC和負載等部分構成的。并聯型混合電力濾波器是由有源電力濾波器（APF）和無源電力濾波器（PPF）組成的。其中，APF 的作用是改善PPF的濾波特性，避免無源濾波器易與電網阻抗發生諧振的情況發生，進而改善補償效果。

2 有源電力濾波器電流檢測方法瞬時無功功率運算

并聯有源濾波器技術現已經成熟，主要適用于非線性負載的電流源、無功功率補償和消除三相系統中的不平衡電流的諧波電流等，是目前使用最廣泛的APF拓撲。

與p-q檢測法相比，ip-iq檢測法用鎖相技術提取A相基波電壓的相位，以此代替系統相電壓，所以，這種算法的檢測結果不受電壓波形畸變的影響。將基波分量變換到零頻率處，用數字低通濾波器提取基波信號，可以消除模擬低通濾波器的相位問題，并且不會造成有些頻率分量的增大或衰減。

該方法的原理如圖2所示。圖2中：

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與p、q運算方式相似，如果要檢測諧波和無功電流之和時，只需斷開圖2中計算iq的通道即可；如果只需檢測無功電流，則只要反變換iq即可。

3 有源電力濾波器控制策略

滯環比較方式的原理是將指令電流與補償電流的偏差作為滯環控制器的輸入，輸出則為PWM脈沖信號，這些半導體開關器件的開關頻率是隨著滯環控制器的輸入，即電流偏差信號變化而變化的。針對傳統滯環固定環寬控制器開關器件開關頻率高并且范圍廣的問題，建立如下數學模型。根據基爾霍夫電壓定律，由圖1可得：

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式（2）中：Vsa為A相電源側電壓；L為電感系數；ica為A相電源測電流；Va為a點電壓，當a橋臂上半部導通時，Vs等于0.5 Vdc，反之，當a橋臂下半部導通時，Vs等于-0.5 Vdc。

此時，當逆變器實際輸出電流等于指令電流時，可得：

式（3）中：i*ca為指令電流；v*a為a點參考電壓，當a點實際電壓等于參考電壓時，逆變器主電路輸出電流等于指令電流。

將式（3）減去式（2）得：

式（7）中：HB為滯環寬度；Vdc為直流側電壓；fc為開關管開關頻率；Vsa為電源側電壓；L為電感系數。

由式（7）可知，在傳統滯環電流控制中，HB是固定不變的，因此，開關頻率是隨著直流側電壓、電源側電壓和指令電流的斜率變化而變化的。所以，只要環寬HB能夠隨著直流側電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而調整，那么，就能保持開關管的開關頻率不變?；诖?，本文設計了隨著直流側電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而變化的可變環寬滯環電流控制器。將指令電流與補償電流之間的偏差信號送入滯環比較器后，輸出PWM脈沖信號，以此來驅動主電路產生所需的補償電流。其中，滯環比較器的滯環寬度是由滯環寬度計算器得到的，只需在滯環寬度計算器中分別輸入電源電壓、直流側電壓和指令電流偏差。

4 TCR的控制策略

當電網中的負載發生擾動時，無功補償控制系統能夠控制電網電壓，將其設為給定值，并且在保證電網電壓為給定值的同時，能夠進一步提高系統的功率因數。

根據控制的要求，要想得到恒定的電壓，就需要引入電壓閉環控制。電壓環內為導納補償環，其設置的目的就是當系統應對負載擾動時，響應速度能夠更快。當負載發生擾動，瞬時檢測到負載的無功導納變化量時，TCR可根據檢測到的無功導納的變化計算出觸發角α，從而改變TCR的輸出瞬時抵消負載無功導納的變化。同時，由于負載有功導納也會發生變化，所以，用電壓調節器輸出改變導納的給定值，以此保證系統電壓的不變。此時，由于調節器輸出的給定值發生了變化，系統的功率因數也會隨之發生變化，所以，在設計時，要保證其功率因數在相應的范圍內變化。 5 綜合系統仿真及其分析

采用MATLAB6.5仿真軟件進行仿真和分析。在 MATLAB/ Simulink中，對綜合系統低壓配電系統（380 V，50 Hz）補償諧

波電流和無功功率的情況進行仿真和分析。在仿真模型中，采用ode45算法，而配電系統的電源為我國常用的三相對稱電壓源。為了科學地分析系統的補償效果，非線性負載采用三相不控整流帶阻感對稱負載，并且R=20 Ω，L=0.1 mH，此時，非線性負載三相對稱。模型由兩部分組成，一部分為并聯型混合有源濾波器模塊，另一部分為SVC模塊。下面簡要介紹模型和仿真情況。

觀察A相補償前電網電流的波形及其頻譜，發現未進行補償時，A相總諧波畸變率THD=30.24%，此時的功率因數為0.707 2；而補償后，觀察A相電網電流波形及其頻譜圖，PWM的開關頻率為10 kHz。當諧波電流被補償后，A相電網電流的總畸變率THD=3.56%，此時，功率因數為0.918 8，如圖3所示。

采用建模仿真和實驗調試相結合的方法檢驗綜合系統的參數和補償效果，給出了仿真和實驗波形，并分析了仿真結果。仿真結果表明，該系統能有效抑制諧波，補償無功功率。

6 結論

目前，在無功補償裝置中進行諧波治理的一個重要趨勢是采用有源濾波器APF。此方案就是在原來FC+TCR的基礎上，增加了1個有源濾波器。該裝置不僅能補償無功和各次諧波，還可抑制閃變，具有高度可控性和快速響應性。它是無功補償和諧波治理領域研究的主要發展方向。

參考文獻

[1]中國電力科學研究院.電力系統分析綜合程序用戶手冊[M].北京：中國電力科學研究院，2001.

[2]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，2006.

〔編輯：白潔〕