基于MATLAB的广义有源电力滤波器的仿真

1、基于MATLAB的并联型有源电力滤波器的仿真黄飚（湖南新邵电力局, 新邵422900）摘要：有源电力滤波器是当前对电网中谐波污染补偿或抵消的有效手段, 文中对有源电力滤波系统的工作原理进行了理论研究和分析。MATLAB/SIMULINK提供的SimPower工具箱基本涵盖了电力系统建模和仿真的各个方面。该文利用SimPower工具箱对有源电力滤波器装置进行了建模和仿真，使用该方法能够将有源电力滤波器的工作过程及有关波形准确直观地显示出来,验证了理论分析的正确性。关键词：有源电力滤波器 谐波 仿真Simulation on shunt active power filter based on M

2、ATLABHuang Biao（Xinshao Electric Power Supply Bureau, Xinshao 422900)Abstract: Active Power Filter (APF) technology is one of the important ways to realize harmonic wave compensation of electrical network and improve the quality of power supply.The SimPower Blocket of SIMULINK includes all aspects o

3、f modeling and simulation in power system. In this paper, the equipment on APF is built into models and simulated by the SimPower Blockset. With this method, the working process of APF and the correlative wave forms can be displayed exactly and in intuition, and it proves these theories successfully

4、.Key words: active power filter, harmonics, simulation1、 引言解决电力系统谐波干扰的一个有效方法是使用有源电力滤波器。其中有源电力滤波器(APF) 是应用较广的一种主动式谐波电流补偿装置。本文重点研究三相四线制并联电压型有源电力滤波器。有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制。实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提。补偿电流的控制方法是实现有源电力滤波器功能的核心环节，它负责控制有源电力滤波器产生预期的补偿电流。本文简要介绍了有源电力滤波器的工作原理。文中用基于瞬时无功功

5、率理论的、适用于电网电压有畸变的ip-iq法对谐波电流进行检测，用滞环电流控制方法控制补偿电流的产生。最后，为了验证检测和控制方法的正确性，本文用MATLAB/SIMULINK下的电力系统模块SimPowerSystems Blockset对整个三相四线制并联型有源电力滤波器系统进行了仿真研究。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2,3。图1所示为并联型有源电力滤波器的原理图。1图1、并联型有源电力滤波器原理图有源电力滤波器的工作原理是

6、，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。2.1 APF的谐波检测方法准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是APF进行精确补偿的关键。谐波电流检2测方法主要有以下几种:模拟带通滤波器( 或陷波器) 检测法、基于频域分析的快速傅里叶变换FFT( Fast Fourier Transformation) 检测法、基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法。其中,基于瞬时无功功率理论的ip-iq法不仅适用于

7、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,1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。2.2 APF补偿电流控制方法滞环电流控制方法(Hysteresis Current Control, 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。3、APF 仿真研究APF 系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统,对它进行精确的理论分析是比较困难的, 而且新的控制算法应用于这

8、样一个实际系统往往需要花费大量的时间和精力。仿真可以验证控制系统结构的正确性,加深对控制规律的认识和理解。仿真中, 系统的一些重要电路参数和控制参数的值对实验装置的参数设计具有一定的参考价值。因此, 在实际装置设计制 作之前有必要对整个系统检测、控制算法的有效性进行仿真研究。3.1 负载电流发生模块非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性负载种类较多,如三相二极管整流桥、三相可控硅整流桥、电弧炉、空调、电视机、变压器等,其中最具有代表性的谐波源是直流侧带感性负载的二极管整流桥和三相可控硅整流桥,这类负载在电网中应用较为广泛,而且产生的谐波含量也较大,典型整流负载电流总畸变率THD( Total

9、Harmonic Distortion) 约为30 %。二极管可控整流桥是三相可控硅整流桥在触发角为零度时工作的一个特例,因此,仿真模型采用三相可控硅整流桥作为谐波源进行建模,具有代表性。仿真模型如图1所示。4,5图1 负载电流发生模块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sint和cost信号，它与电流信号分别经abc/ipiq变换和低通滤波器LPF(Lower Pass Filter)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

10、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2所示。图2 指令电流发生模块3.3 补偿电流控制模块补偿电流控制模块如图3所示。该模块输入量为指令电流Riabc,逆变器输出电流Liabc。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3 基于滞环电流控制法的补偿电流模块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。4、仿真结果图4和图5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。从图中可以看出, 投

11、入APF后,有效的滤除了电网中的谐波电流。图4 补偿前的波形图5 补偿后的波形5、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。1 刘春花,周腊吾. 基于ip-iq法的混合有源滤波器谐波电流检测方法J. 继电器，2005.3,33(5):24-26.2 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社，1998.3 刘凤君. Delta逆变技术及其在交流电源中的应用M . 北京:机械工业出版社, 2003.4 薛定宇, 陈阳泉. 基于Matlab/Simulink 的系统仿真技术与应用M . 北京