并聯型有源濾波器原理及MATLAB仿真

吳彬 鄧曉紅

【摘要】 有源電力濾波器（Active Power Filter，縮寫為APF）是近年來治理電力系統諧波污染非常有效的裝置。闡述了有源電力濾波器的基本原理，分析了并聯型三相三線制APF結構，對APF系統的諧波檢測和PWM控制方法進行了仿真，驗證了APF的有效性。

【關鍵詞】 有源電力濾波器 電流檢測 PWM控制

一、介紹

隨著電力電子技術的發展，電網的諧波污染日益嚴重，電能質量嚴重下降。由于電力電子裝置的功率因數很低，無功功率增大，造成設備容量增加、設備及線損增大，而諧波可降低設備壽命、對設備的工作造成嚴重的干擾、在電網中引起局部的諧振，造成繼電器保護和自動裝置誤動作等[1]。進而也大大降低了電網的效率。有源電力濾波器因具有良好的諧波補償效果而越來越受到人們的重視。APF與傳統的無源濾波器相比，具有響應速度快、能夠實現動態連續補償的特點。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等、極性相反的補償電流，從而使電網電流不含諧波分量[2]。本文將首先建立有源濾波器的等效模型，重點介紹諧波電流提取和PWM脈沖產生的過程并以此為基礎建立MATLAB仿真，驗證試驗效果。

二、有源濾波器的結構和等效模型

本文主要針對并聯型有源濾波器， 其單相等效電路圖可表示如下：

其中，il=is+ic，Zs為電源內部等效阻抗，有源濾波器等效為一個諧波電流源。如從控制系統的角度講，APF又可以大致分為諧波檢測模塊，PWM控制模塊以及主逆變器模塊。 諧波電流檢測模塊用來檢主電路測瞬時無功電流和諧波電流并提取諧波電流，將其檢測信號作為有源濾波器的控制信號，去驅動PWM控制模塊產生驅動脈沖去驅動主逆變器，當主回路有諧波電流時，主逆變器產生和諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，從而抵消諧波電流。因此從本質上說，傳統的濾波技術都是防范性的，被動性的，有什么干擾源盡量去濾除干擾，而有源濾波技術則是主動性的，針對各種干擾信號，設法產生與之相反的信號，達到恢復信號本來面目的目的，這正是有源濾波器技術優越性的體現。本文仿真的電流檢測部分使用ip-iq法，而PWM控制模塊使用三角載波控制方法，因此下面將重點介紹三角載波控制方法的原理。

三、有源電力濾波器的模塊設計

3.1 三角載波控制原理及脈沖發生模塊設計

有源濾波器輸出的補償電流與參考電流的誤差經過比例積分處理后與三角載波進行比較，產生相應的PWM脈沖。比例積分的系數kp與ki決定了三角載波控制方法的暫態與相應穩態誤差[5]。根據經驗確定比例積分系數的公式如下：

K■■=■ （1）

k■■=w■k■■ （2）

其中，L+L0為有源濾波器逆變側往系統側看到的等效電感，w■為三角載波的頻率，而三角載波的峰值為1V，U■為逆變器直流側電壓。

3.2 系統仿真模型的設計

利用設計好的各個模塊及MATLAB其他功能模塊，選擇典型的三相三線制接線方法，建立系統總體仿真圖如圖2所示，APF主電路和負載并聯接入電網。其中subsystem為ip-iq檢測法的封裝，而subsystem1為三角載波控制的封裝。

四、仿真結果

相負載電流如圖3，補償后的電流波形如圖4所示。

五、結論

通過對有源濾波器仿真模型的建立，對網側電流進行了補償，綜合結果，達到了較好的效果。值得注意的是，對于ip-iq檢測方法，由于沒有使用含有諧波成分的三相電壓ea，eb，ec參與計算，而是引用sinwt，-coswt進行計算，當電網電壓不平衡時，檢測結果不會受到電壓的影響，實際APF的研制中，可以此作借鑒。