并联型有源滤波器原理及MATLAB仿真

吴彬 邓晓红

【摘要】 有源电力滤波器（Active Power Filter，缩写为APF）是近年来治理电力系统谐波污染非常有效的装置。阐述了有源电力滤波器的基本原理，分析了并联型三相三线制APF结构，对APF系统的谐波检测和PWM控制方法进行了仿真，验证了APF的有效性。

【关键词】 有源电力滤波器 电流检测 PWM控制

一、介绍

随着电力电子技术的发展，电网的谐波污染日益严重，电能质量严重下降。由于电力电子装置的功率因数很低，无功功率增大，造成设备容量增加、设备及线损增大，而谐波可降低设备寿命、对设备的工作造成严重的干扰、在电网中引起局部的谐振，造成继电器保护和自动装置误动作等[1]。进而也大大降低了电网的效率。有源电力滤波器因具有良好的谐波补偿效果而越来越受到人们的重视。APF与传统的无源滤波器相比，具有响应速度快、能够实现动态连续补偿的特点。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流不含谐波分量[2]。本文将首先建立有源滤波器的等效模型，重点介绍谐波电流提取和PWM脉冲产生的过程并以此为基础建立MATLAB仿真，验证试验效果。

二、有源滤波器的结构和等效模型

本文主要针对并联型有源滤波器， 其单相等效电路图可表示如下：

其中，il=is+ic，Zs为电源内部等效阻抗，有源滤波器等效为一个谐波电流源。如从控制系统的角度讲，APF又可以大致分为谐波检测模块，PWM控制模块以及主逆变器模块。 谐波电流检测模块用来检主电路测瞬时无功电流和谐波电流并提取谐波电流，将其检测信号作为有源滤波器的控制信号，去驱动PWM控制模块产生驱动脉冲去驱动主逆变器，当主回路有谐波电流时，主逆变器产生和谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流，从而抵消谐波电流。因此从本质上说，传统的滤波技术都是防范性的，被动性的，有什么干扰源尽量去滤除干扰，而有源滤波技术则是主动性的，针对各种干扰信号，设法产生与之相反的信号，达到恢复信号本来面目的目的，这正是有源滤波器技术优越性的体现。本文仿真的电流检测部分使用ip-iq法，而PWM控制模块使用三角载波控制方法，因此下面将重点介绍三角载波控制方法的原理。

三、有源电力滤波器的模块设计

3.1 三角载波控制原理及脉冲发生模块设计

有源滤波器输出的补偿电流与参考电流的误差经过比例积分处理后与三角载波进行比较，产生相应的PWM脉冲。比例积分的系数kp与ki决定了三角载波控制方法的暂态与相应稳态误差[5]。根据经验确定比例积分系数的公式如下：

K■■=■ （1）

k■■=w■k■■ （2）

其中，L+L0为有源滤波器逆变侧往系统侧看到的等效电感，w■为三角载波的频率，而三角载波的峰值为1V，U■为逆变器直流侧电压。

3.2 系统仿真模型的设计

利用设计好的各个模块及MATLAB其他功能模块，选择典型的三相三线制接线方法，建立系统总体仿真图如图2所示，APF主电路和负载并联接入电网。其中subsystem为ip-iq检测法的封装，而subsystem1为三角载波控制的封装。

四、仿真结果

相负载电流如图3，补偿后的电流波形如图4所示。

五、结论

通过对有源滤波器仿真模型的建立，对网侧电流进行了补偿，综合结果，达到了较好的效果。值得注意的是，对于ip-iq检测方法，由于没有使用含有谐波成分的三相电压ea，eb，ec参与计算，而是引用sinwt，-coswt进行计算，当电网电压不平衡时，检测结果不会受到电压的影响，实际APF的研制中，可以此作借鉴。