有源電力濾波器對消除諧波電流的研究*

秦學斌，張一哲，汪　梅(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

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有源電力濾波器對消除諧波電流的研究*

秦學斌，張一哲，汪梅
(西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安710054)

摘要:非線性負載尤其是電力電子裝置的廣泛應用，導致了電網中含有大量諧波，這些諧波給電力系統帶來了嚴重的污染，從而使電能質量受到嚴重的影響。有源電力濾波器(APF)作為一種高效治理諧波的電力電子裝置得到越來越廣泛的關注。文中構造了有源電力濾波器采用基于瞬時無功理論的ip－iq檢測法來檢測諧波電流，采用滯環比較法來跟蹤指令電流。通過MATLAB/ SIMULINK搭建仿真模型，對電力系統中存在的負載是否平衡和電網是否平衡4種情況進行仿真研究。仿真實驗表明: APF針對于這4種狀況能夠消除電流諧波，使電流中的諧波含量減少了75%以上，使得電流總畸變率大大降低，與傳統的LC無源濾器相比，有源電力濾波器具有深入的研究意義和廣泛的實用價值。

關鍵詞:有源濾波器;瞬時無功理論; ip－iq諧波檢測法

0　引言

當正弦波電壓施加在非線性電路上時，會使電流的波形變成非正弦波。對于周期為T =2π/ω的非正弦電流i(ωt)，一般滿足狄里赫利條件，可分解為傅里葉級數。其中頻率與工頻相同的分量稱為基波，頻率為基波頻率的整數倍分量稱為諧波［1］。

理想的供電系統應該保持三相平衡對稱，電壓電流波形頻率恒定且為正弦波，電能質量不受負載變化的影響。然而在實際的電力系統中，電力電子裝置、電弧爐、變壓器等非線性負載的大量使用使電網電流波形變成非正弦，引起諧波污染和電流畸變，使電能質量嚴重下降［2－3］。為提高電能質量，必須首先準確檢測出各種情況下的諧波分量，才有可能補償這些諧波分量，國內外專家學者對電網諧波進行了深入的研究［4］，提出了不同的檢測方法，按照提取諧波原理的不同，可分為頻率特征檢測法、時域特征檢測法和自適應檢測3類諧波［5］。頻率特征檢測法包括模擬濾波器或陷波器法、傅里葉變換法［6－7］、小波變換法［8－11］、卡爾曼濾波器法，但這些方法的算法本身構造復雜，硬件電路難以實現。自適應檢測法包括自適應干擾消除技術、人工神經網絡法［12－13］、自適應基波提取與頻率跟蹤算法，這些方法需要大量訓練樣本，同樣硬件電路難以實現，適用于理論研究。時域特征檢測法包括Fryze功率理論、瞬時無功功率理論、加強鎖相環法、正弦信號合成技術等。文中采用基于瞬時無功功率理論的ip－iq法［14］，該算法簡單而且硬件電路易搭建，已經成功運用到實際的應用之中。

有源電力濾波器(APF)［15］作為一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能抑制大小和頻率同時變化的諧波電流。它主要由指令運算電流電路和補償電流發生電路組成。指令運算電流電路采用基于瞬時無功功率理論的ipiq法來提取諧波并產生相對應的電流指令，補償電流發生電路采用滯環比較法PWM［16］控制方式接收電流指令并產生補償電流。APF可克服傳統LC濾波器的缺點，適用于諧波階次較高且變化速率快的負載。

文中首先闡述了APF的工作原理以及檢測電流的相關方法，進而在MATLAB平臺上搭建系統仿真模型［17］。對負載平衡、不平衡和電網平衡、不平衡4種狀況進行仿真實驗，提取其電網電流進行諧波分析。通過APF電流補償前后的情況來驗證其對消除諧波的作用。

1　相關內容

1. 1工作原理

如圖1所示為基本的有源電力濾波器系統原理圖。有源電力濾波器有2大部分組成及指令運算電流電路和補償電流發生電路。其中，指令運算電路主要是檢測諧波和無功電流電路，補償電路由電流跟蹤電路、驅動電路、主

電路組成。指令運算電路檢測諧波和無功電流并產生指令信號控制電流跟蹤電路，由跟蹤電路產生PWM信號，此信號經過驅動器控制主電路的變流器，產生補償電流。

有源電力濾波器由式(1)描述

其中is為電源電流; ic為補償電流; il為負載電流。

圖1　有源電力濾波器結構Fig．1　Structure of active power filter

其中ilh為諧波電流; ilf為基波電流，主電路產生與諧波電流大小相等且極性相反的電流。則得到的電源電流只含有基波分量

1. 2采用方法

指令運算電路和電流跟蹤控制電路是有源電力濾波器中最重要的2個環節。該系統采用瞬時無功理論p，q的基礎上改進ip－iq法檢測諧波和無功電流。在電流跟蹤電路中采用滯環比較法控制方式。

1. 2. 1ip－iq檢測法

ip－iq法檢測結構如圖2所示，取A相電網電壓同相位的正弦信號和對應的余弦信號。然后將它們加入系統中，由式(4)獲得諧波電流。

通過MATLAB建立圖3模型來驗證ip－iq檢測法的準確性。

圖2　檢測結構圖Fig．2　Structure of detection

圖3　仿真模型圖Fig．3 MATLAB/SIMULINK model

圖4　A相電流及頻譜圖Fig．4 A phase current and the spectrum(a)電源　(b)基波　(c)諧波

采用電壓為220 V，頻率為50 Hz的三相交流電源，對1個三相整流裝置進行供電，采集A相電源電流作為圖2指令運算電路的輸入信號。采用ip－iq檢測法提取A相電流的基波分量和諧波分量并對其進行頻譜分析如圖4(b)和4(c)所示，從圖4(b)得到該波的基波電流波形呈正弦波，從其頻譜圖來看只含有50 Hz的工頻。實驗證明ip－iq法提取諧波電流的準確性和有效性。

圖5　滯環比較法的電流跟蹤控制Fig．5 Current tracking control based on hysteresis comparison method

1. 2. 2滯環比較法

該方法的跟蹤控制過程如圖5所示，以補償電流參考值為基準設計1個±λ的滯環帶，將指令信號與實際補償電流的差值Δic作為滯環比較器的輸入與λ進行比較，其輸出為矩形波的PWM信號，用此信號去控制逆變器，仿真模型如圖6所示。

從圖7中可以看出，跟蹤波與原始波的吻合度很高，λ越小跟蹤效果越好。為了檢驗跟蹤效果，調用Matlab中的相關函數R = corrcoef(x，y)，輸出矩陣R是1個二維矩陣，對角元素為自相關系數恒為1，非對角元素表示x和y的相關系數，其值在［－1，1］之間，越接近于1表示相關度越高。經過計算所得

圖6　仿真模型圖Fig．6 MATLAB / SIMULINK model

圖7　跟蹤基波和總諧波效果Fig．7 Tracking the fundamental and harmonics wave(a)λ=5　(b)λ=1

圖8　仿真模型Fig．8 MATLAB / SIMULINK model

此時所得結果為0. 996 7，0. 860 9，0. 999 9，0. 915 2，說明跟蹤的波形與原始波形相關度非常高，跟蹤效果很好。

2　仿真結果

設置三相電源電壓為220 V，頻率為50 Hz，滯環比較器的環帶寬λ=5．整體仿真模型如圖8所示。選取A相電流來觀察補償前后的效果。分別對(a)電網對稱負載對稱; (b)電網不對稱負載對稱; (c)電網對稱負載不對稱; (d)電網負載均不對稱4種情況進行仿真研究。

從圖9中可以看出，補償之前的電流波形發生畸變，經過補償后電流波形呈正弦波。

為了研究其電流的基波分量和諧波分量，對其進行快速傅里葉分析以及電流畸變率計算，在進行補償之前電源電流中含有大量諧波電流如圖10所示，其電流畸變率達到了56. 98%，28. 40%，9. 41%，17. 40%，已經遠遠超過公用電網諧波電流允許值。經過補償，能看出電流中諧波電流大大減少并且電流畸變率也下降到0. 85%，0. 73%，3. 17%，3. 19%．

圖10，圖11分析及計算結果見表1，表1顯示了4種情況補償前后各次諧波含量和電流諧波總畸變率的對比結果。由表1可得，補償后各次諧波含量明顯降低，電流諧波總畸變率也明顯下降。實驗結果表明有源電力濾波器對消除電流諧波具有明顯的效果。

表1　各次諧波含量對比結果和電流畸變率Tab．1 Comparison results of the harmonic content and total harmonic distortion

圖9　補償前后電流波形對比Fig．9 Current waveform comparison before and after compensation(a)電網對稱負載對稱　(b)電網不對稱負載對稱　(c)電網對稱負載不對稱　(d)電網負載均不對稱

圖10　補償前的A相電流FFT分析及THDFig．10 FFT and THD of A phase current before compensation

圖11　補償后的A相電流FFT分析及THDFig．11 FFT and THD of A phase current after compensation

3　結論

1)提出了ip－iq法融合PWM控制方法實現電流的精確跟蹤模型，ip－iq法能夠快速準確提取諧波電流和基波電流，運用滯環比較法即PWM控制方法實現了諧波電流的精確跟蹤。

2)搭建了有源電力濾波器的MATLAB/SIMULINK系統仿真模型，分別對電網對稱負載對稱、電網不對稱負載對稱、電網對稱負載不對稱、電網負載均不對稱4種情況進行仿真對比試驗研究。實驗表明有源電力濾波器能夠準確的提取諧波電流并對電網進行補償，從而降低諧波含量，有效地抑制了電網諧波電流，驗證了提出算法的有效性和和準確性。

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Active power filter for eliminating harmonic current

QIN Xue-bin，ZHANG Yi-zhe，WANG Mei
(College of Electrical and Control Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China)

Abstract:The widespread application of non-linear loads especially power electronic devices generate a large number of harmonics in the power grid．These harmonics cause serious pollution for the power system，so that the power quality is affected seriously．Active Power Filter(APF) as the power electronic devices to manage harmonics effectively has been a hot topic．The design of active power filter detects the harmonic current by using ip－iqmethod based on instantaneous reactive power theory，and tracks the current instruction by using hysteresis comparative method．The simulation results based on MATLAB / SIMULINK show that the APF can eliminate the current harmonics．Harmonics in the current are reduced by 75% and the Total Harmonic Distortion(THD) is reduced greatly．Active power filter has significance and practical value compared to the traditional passive LC filters．

Key words:active power filter; instantaneous reactive power theory; ip－iqmethod

通訊作者:秦學斌(1983－)，男，陜西漢中人，講師，E-mail: qinxb@ xust．edu．cn

基金項目:陜西省工業科技公共項目(2015GY020)

*收稿日期:2015－11－20責任編輯:高佳

DOI:10．13800/j．cnki．xakjdxxb．2016．0220

文章編號:1672－9315(2016) 02－0275－07

中圖分類號:TM 935

文獻標志碼:A