并联混合型有源电力滤波器仿真研究

曹勇敢 李苗苗

摘要：随着非线性电力电子设备的广泛应用，电网谐波污染日趋严重，因此抑制谐波已成为电力系统中一项重要的工作。有源电力滤波器具有补偿性能好的优点，但是价格昂贵。无源滤波器具有易于实现、结构简单且成本低廉的优点，但容易与电网发生谐振。将两者结合构成的混合型有源电力滤波器是目前抑制谐波电流最好的一种方法，即可使谐波系统获得良好的补偿性能，又可克服有源电力滤波器成本高、容量大的缺点，具有广阔的发展前景。

关键词：并联混合型有源电力滤波器;谐波检测;畸变;MATLAB/Simulink

中图分类号：TM477 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）33-0207-02

电力系统谐波是由非线性设备产生的，而非线性设备在电力系统中无处不在，大量谐波电流注入电网，使电网电压、电流发生了畸变，导致用电设备使用寿命减少，效率降低，损耗增多，给安全用电造成了严重的隐患。[1]

一、混合型有源电力滤波器

无源滤波器（PF：Passive Filter）的设计方法简单可靠。优点为结构简单、容易设计。[2]缺点是：滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受到网络上谐波污染程度、温度漂移、滤波电容老化以及非线性负荷的影响。

有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）是与无源滤波器相对应的滤波装置。优点是灵活，补偿性能好，但其容量小，造价高的缺点仍不可改变。

混合型有源电力滤波器主要应用于大容量负载的补偿，其基本思想是用无源滤波器分担有源电力滤波器部分补偿任务，将无源滤波器与有源电力滤波器的优点相结合，既能使整个系统获得很好的补偿性能，又可克服单独使用有源电力滤波器成本高、容量大的缺点。

二、有源电力滤波器谐波检测方法

1.谐波电流检测方法和原理

谐波检测原理：由补偿对象的电流中提取出所需要补偿的谐波电流参考值，控制系统根据此参考值产生相应的脉冲，控制有源电力滤波器逆变器主电路产生补偿电流跟踪参考值，起到补偿效果。[3]

目前应用最广泛的一种谐波检测方法是基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。该方法经过不斷的研究，现包括dq0变换法、p-q法和法。其中dq0变换法适用于非对称、非正弦三相电路检测;p-q法适用于电源电压无畸变时的检测;的检测结果不受电网电压畸变的影响。[4]

2.改进的谐波检测方法

本文在基于传统的瞬时无功功率检测算法上，利用三角函数的有关特性，对畸变电流中的无功电流和有功电流分别进行计算，然后通过低通滤波器把它们分离出来，从而得到无功和有功电流分量，这种谐波检测方法称为基波幅值分离法。[5]

谐波电流补偿检测原理如图1所示。

Us为电源电压，通过正弦信号发生电路得到。通过锁相环（PLL），正弦波发生器即可产生与电压同频率同相位的正弦波。再通过低通滤波器（LPF）滤掉除基波外的其它高次谐波。

三、有源电力滤波器控制方法

1.有源电力滤波器的控制原理及方式

有源电力滤波器的工作原理为：由检测电路检测出负载的谐波电流分量，再由补偿装置产生一个与大小相等但方向相反的补偿电流ic，则负载谐波源所产生的谐波被完全抵消。补偿装置由控制电路通过控制主电路的开关元件进行谐波补偿，有源电力滤波器的补偿性能很大程度上取决于电流跟踪控制电路的控制方法。

2.改进的控制方法

目前国内外应用最广泛的一种非线性电流控制方法是滞环比较控制方法。滞环比较控制方法动态响应快，补偿精度高，跟踪误差小，开关频率小且简单易行。但滞环比较控制方法存在开关频率不固定，当滞环宽度过大时，跟踪误差大;当滞环宽度过小时，开关动作频率高，甚至可能超过可关断器件允许的工作频率范围，导致电路无法正常工作[6]等缺点。

针对滞环控制方法的缺点，本文将滞环比较器的宽度设计成随的ic大小变化而变化。[7]该方法可以减少谐波电流含量。

设需补偿的电流中含有5、7、11次谐波，m1%、m2%和m3%分别为各次谐波电流占总谐波电流的百分比。

把滞环宽度设成一个变化量：

（1）

其原理与传统滞环比较方法一致，由此可推出滞环上限为：

（2）

滞环下限为：

（3）

此方法把实际补偿电流控制在iup>ic>idown中，由于滞环宽度是一个变化的量，所以实际补偿电流ic可以实时并且准确的跟踪实际检测出的谐波参考电流。

四、仿真研究

1.并联混合型有源电力滤波器结构

并联混合型有源电力滤波器主要由有源电力滤波器和无源滤波器组成。其中，谐波源为三相桥式不控整流器，5、7、11次谐波含量较为突出，无源滤波器选择由5、7、11次单调谐滤波器构成，起到主要的补偿作用。有源电力滤波器由直流电压源、输出侧电感L以及三相六脉冲逆变器构成，可有效抑制无源滤波器与电网间可能产生的串、并联谐振，同时提高无源滤波器的滤波效果。[8]并联混合型有源电力滤波器结构电路如图2所示。

2.并联混合型有源电力滤波器仿真系统参数选取

仿真系统各模块的参数选取是影响系统仿真结果的重要因素，各子系统需按参数选取原则并经大量的仿真实验，最终得出最理想的参数值。经仿真实验，模型中各子系统的参数选取如表1所示。

系统的电压波动受直流侧电容值大小的影响，电容越大，补偿效果越好，但对器件耐压能力的要求越大，导致成本增加;反之，电容值越小，系统电压波动越大。因此直流侧电容应选择一合适的值。[8]经多次仿真试验，直流侧电容用理想直流电压源代替，参考电压为：udc=500v。

逆变器主电路交流侧电感L的选取和非线性负载、电网电压和开关频率等密切相关。电感L值越小，补偿電流的变化率越高，电流跟踪能力越强，滤波器的响应速度越快，但容易产生系统振荡冲击;反之，L值越大，补偿电流变化率越低，电流跟踪能力越差，滤波器的响应速度变慢，电流中会出现很多毛刺。[8]由多次仿真试验，选取电感L的值为：L=（1e-3）H。

3.并联混合型有源电力滤波器仿真

（1）仿真模型。本文采用 MATLAB/Simulink软件平台下自带元件库建立并联混合型有源电力滤波器系统仿真模型。

根据并联混合型有源电力滤波器的工作原理，把该系统分为五个部分：电网电源、谐波负载、并联混合型有源电力滤波器谐波检测系统、并联混合型有源电力滤波器控制系统及主电路和无源滤波器。根据每个部分的等效电路，把几个部分组合在一起，对系统进行总体仿真。

仿真模型如图3所示。

（2）仿真结果。本文中所搭建的系统采用三相对称负载，A、B、C三相除相位相差120°以外，波形基本相同。首先建立电网负载模型，该模型由非线性负载组成。在未投入任何滤波器装置时，负载电流波形发生了严重的失真，其电流畸变率THD=30.53%。利用MATLAB仿真中powergui模块对负载产生的电流进行FFT频谱分析，分析表明：负载电流存在5、7、11次等6n+1次谐波（其中n取自然数）。

当电力系统中的电流波形严重畸变时，只投入无源滤波器虽然可以有效抑制谐波含量，使得谐波电流的畸变率降低。但是，无源滤波器可能会与系统阻抗发生谐振，从而导致某些次谐波电流被放大，使得补偿后的系统电流波形仍然存在着较大的畸变。若只投入有源电力滤波器，则谐波的含量会大大的减小，系统中总谐波畸变率只有6.22%，如图4所示。

从图中看出：投入有源电力滤波器后，系统谐波性能较好，谐波畸变率下降。但有源电力滤波器直接与负载并联，要承受很大的基波电压和电流，需要用造价成本更高的有源电力滤波器。

采用有源电力滤波器与无源滤波器组合成的并联混合型有源电力滤波器，仿真结果如图5所示。从图中看出：系统的电流波形得到明显的改善，谐波含量减小，总谐波畸变率也得到了降低，THD=5.21%。

补偿后的系统三相电流波形十分接近于正弦波，如图6所示，各次的谐波含量都得到了一定的补偿，较好地抑制了谐波。

仿真结果表明：在使用基波幅值分离法检测出谐波电流后，采用改进的控制方法对该谐波电流进行补偿，使并联混合型有源电力滤波器系统具有比较理想的滤波特性，能够实现对系统谐波电流的有效治理。

五、结语

利用MATLAB/Simulink软件对并联混合型有源电力滤波器中的谐波检测、控制以及无源滤波器等部分进行了建模与仿真研究。从仿真结果波形图可看出，采用有源电力滤波器与无源滤波器结合所构成的混合型有源电力滤波器能更有效的对失真系统的谐波电流进行补偿，使总谐波畸变率明显改善，验证了并联混合型有源电力滤波器的有效性。

参考文献：

[1]王兆安，杨君，等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]姜齐荣，赵东元，等.有源电力滤波器-结构、原理、控制[M].北京：科学出版社，2005.

[3]吕振梅.并联混合型有源电力滤波器的研究[D].湖南：长沙理工大学，2009：1-21.

[4]戴朝波，林海雪，雷林绪.两种谐波电流检测方法的比较研究[J].中国电机工程学报，2002，22（1）：80-84.

[5]Fujita H，A kagi H.A Practical Approach to Harmonic Compensation in Power Systems-Series Connection of Passive and Active Filters[J].IEEE T rans on Ind App，1991，27（5）：1020-1025.

[6]张兴，张崇巍.PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J].中国电机工程学报，2001，21（10）：102-105.

[7]Gary W.Chang.A New Approach for Optimal Shunt Active Power Filter Control Considering Alternative Performance Indices[J].IEEE transactions on power delivery，2006，21（1）：405-413.

[8]范瑞祥，罗安，李欣然.并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究[J].中国电机工程学报，2006，32（26）：106-110.

（责任编辑：王意琴）