并联型有源电力滤波器的Matlab仿真.doc

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并联型有源电力滤波器的Matlab仿真

摘要：

并联混合型有源电力滤波器能够很好地实现谐波抑制和无功补偿。

给出了有源电力滤波器系统结构，建立了数学模型，

还给出了主电路直流侧电容电压值和交流侧电感值的选取方法，利用Matlab＼simulink＼PsB构建了仿真模型，得到了仿真结果。

关键词：

有源电力滤波器；直流侧电容电压；交流测电感：

Matlab／simulink

Abstract：

Shunthybridactivepowerfiltercancommendablyachievehannonicsuppressionandreactivepowercompensation．Inthispaper,itshowstheAPF’sarchitectureandsetsupamathematicalmodel．Andthewayofchoosingthevalueofthemaincircuit’svoltagerippleofDCsidecapacitorandtheACsideinductanceisproposed．MATLAB＼Simulink＼PSBisusedtobuildsimulationmodelandthengetthesimulationresults．

Keywords：

APF；VoltageofDCsidecapacitor；ACsideinductance；Matlab／Simulink

引言：

在谐波含量较高的配电网中，对无功功率补偿有着严格的要求。

目前电力系统中无功补偿大都是采用机械开关控制的电容器投切，谐波补偿大多采用无源滤波装置，负序治理的工作尚未大范围开展。

另外，无功补偿、负序电流补偿、谐波抑制是分别单独地进行的。

由于不是按统一的数学模型综合地进行治理，常出现顾此失彼的情况，且响应速度慢、经济性差、安装维护工作量大，妨碍了电网污染治理工作的顺利进行。

1.有源滤波器的发展历史

有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。

文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。

文中所述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。

1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。

1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。

然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。

进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。

与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。

有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。

目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。

2、APF的基本工作原理

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。

它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，并可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

有源电力滤波器的工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到所期望的电源电流。

（图1）

并联型有源电力滤波器相当于一个受控电流源，通过和谐波源并联接入电网注入补偿电流，从而达到抵消电流谐波的目的。

并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。

与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。

但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。

3、APF的谐波检测方法

在电能质量调节器的工作过程中，检测是一个关键环节。

只有准确无误地检测出电压或电流中的畸变量，才能得到准确的参考电压值。

常见的检测算法有以下几种：

低通滤波器提取基波分量法、基于Fryze时域分析的有功电流分离法、基于频域分析的FFT法、自适应检测法等。

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前应用最广的一种检测方法，经过不断改进，它包括p-q法、Ip-Iq法，以及d-q法。

其中，p-q法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；基于瞬时无功功率理论的ip-iq法不仅适用于三相不对称公用电网,而且对电网电压畸变也有效，具有较好的实时性,在三相电路中得到了广泛的应用。

本文选用ip-iq法对系统的谐波和无功电流进行检测。

3.1、、运算方式

该方法的原理如下图所示。

图中，

（图2）、运算方式的原理图

该方法中，需要用到与相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，他们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。

据定义可以计算出、，经LPF滤波得出、的直流分量、。

这里、是由、、产生的，因此由、即可计算出、、。

当要同时检测出被补偿对象中谐波和无功电流，只需要断开图2中计算的通道即可。

这时，由即可计算被检测电流、、的基波分量、、，进而计算出、、的谐波分量和基波无功分量之和。

3.2、指令电流发生模块

指令电流发生模块如图2所示。

在该模块中完成谐波和无功电流的提取。

模块输入量分别为:

单相电源电压信号和三相负载电流信号。

其中,电压信号经过锁向环后得到和信号，它与电流信号分别经abc/ipiq变换和低通滤波器LPF（LowerPassFilter）进行信号处理后,再作ipiq/abc逆变换,得到基波有功电流。

基波有功电流与负载电流相减,便可得到期望补偿电流,即输出指令电流。

仿真模型如图所示。

（图3）

4、APF补偿电流控制方法

目前，APF常用的控制方法是各种PWM（脉宽调制）控制方法，最主要的方式为滞环比较法和三角波比较法。

图3为采用滞环控制获得开关决策的方法。

（图4）

滞环电流控制方法（HysteresisCurrentControl,HCC）是目前应用非常广泛的一种非线性闭环电流控制方法。

它利用滞环比较器形成一个以0为中心、H和一H为上下限的滞环或死区，通过把补偿电流和指令电流的差值控制到规定的滞环宽度（误差限）范围之内，来控制逆变器的开关动作。

滞环控制方式有如下特点：

（1）硬件电路简单；

（2）属实时控制方式，电流响应快；

（3）不需载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；

（4）若滞环的宽度固定，则电流跟随误差的范围固定，但电力半导体器件的开关频率是变化的。

滞环比较控制方式中，滞环比较器的滞环宽度（记作）对补偿电流的跟随性能有较大的影响，当较大时，开关通断的频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大。

反之，当较小时，虽然跟随误差较小，但开关频率较高。

在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，因此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。

尤其是的变化范围较大时，首先，在较小的时候，固定的滞环宽度可能使补偿电流的相对跟随误差过大；其次，在较大的时候，固定的滞环宽度又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。

4.1、补偿电流控制模块

补偿电流控制模块如图5所示。

该模块输入量为指令电流iah*，ibh*，ich*,逆变器输出电流iah,ibh,ich。

该模块输出PWM脉冲触发有源电力滤波器的逆变主电路，使逆变主电路产生的补偿电流能够跟踪指令电流，从而达到抑制谐波电流的目的。

（图5）

除了上述主要的仿真模块外,另外还要有有源电力滤波器的逆变主电路、三相电感L和直流侧电压,共同使用,便可得到整个有源电力滤波系统仿真模型。

（图6）

4.2、参数选取

（1）直流侧电压的选取

要使补偿电流能准确跟踪指令电流信号，必须使主电路直流侧电容电压大于供电系统电源接入点相电压峰值的3倍，且此电压越大，补偿电流的跟踪的效果越好，但同时对电容的耐压水平的要求更高。

（2）直流侧电容的选取

当主电路直流侧电容选取过小时，会使主电路直流侧电压波动过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；而取值过大时，又会使主电路直流侧电压的动态相应变慢，电容成本过高，体积庞大。

（3）交流侧电感的选取

它直接影响电感的跟踪性能及补偿电流的纹路大小。

电感取值多小时，补偿电流出现较多毛刺；当电感取值过大时，则有源电力滤波器补偿的动态性能变差，补偿电流只能跟踪指令电流中频率较高的谐波分量，而对高频分量无法跟踪。

5、仿真结果

图7和图8分别为并联型有源电力滤波器在投入前后的三相电流波形，谐波率分别为24.72%和2.60%。

从图中可以看出,投入APF后,有效的滤除了电网中的谐波电流。

（图7）

（图8）

（图9）

6、结论

本文所设计的有源电力滤波器可以有效抑制电力电子装置所产生的谐波,具有较好的补偿特性,在一些谐波成分复杂、多变的场合更具有优势。

可以为有源电力滤波器实际的研制工作提供参考和依据,具有重要的指导意义。

参考文献

[1]黄飚.基于MATLAB的并联型有源电力滤波器的仿真

[2]缑新科，牟英，汪昶江，郑伟.并联混合型有源电力滤波器仿真分析

[3]王亮，赵玲.电力有源滤波器的Matlab仿真

[4]有源电力滤波器的基本原理和分类上海以华电气技术