一種電力系統有源自動化濾波裝置及其特性研究

吳玉林

(閩南理工學院電子與電氣工程學院， 福建　石獅　362700)

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一種電力系統有源自動化濾波裝置及其特性研究

吳玉林

(閩南理工學院電子與電氣工程學院， 福建石獅362700)

[摘要]在分析抑制諧波方法的基礎上，提出用于大容量諧波抑制和無功補償的并聯混合型有源電力濾波器結構，并采用Matlab軟件中的電力系統工具箱對算法完成仿真分析.結果表明，該方法可以實現高效的高次諧波檢測，消除諧波分量，并進行無功功率補償.

[關鍵詞]諧波；并聯混合型；Matlab

電力電子設備的廣泛應用改變著人們的日常生活，同時產生的諧波和無功問題嚴重影響電氣設備的正常工作，并對安全運行造成威脅[1].由于電力有源自動化濾波器裝置能夠補償無功和消除諧波電流，所以通過設計有源自動化濾波裝置來抑制諧波并提高供電質量成為研究的熱點問題.濾波是消除諧波的有效方法.濾波器分為無源濾波器和有源濾波器.傳統的LC無源濾波器無法滿足電力系統中諧波次數和大小隨系統負荷的變化特點，難以對動態的無功功率和諧波進行有效補償.有源電力濾波器是新型的動態補償電網諧波和無功功率的電力電子設備，能跟蹤電網頻率的變化，很好地克服無源濾波的缺點，但其輸出容量有限，制作成本較高，難以補償大容量負載.因此，并聯混合型有源電力濾波器成為研究熱點.

1并聯混合型有源電力濾波器的工作原理

并聯混合型有源電力濾波器主要由有源濾波器和無源濾波器組成[2].有源濾波器由電流運算電路和補償電流發生電路兩部分組成.有源濾波器中諧波檢測電路從非線性負載產生的負載電流中檢測出諧波電流，指令電流運算電路根據諧波電流與補償電流的差值，計算出需要補償的電流指令信號.該信號作為驅動信號送入驅動電路，控制主電路中開關器件的動作，使變流器產生補償電流.補償電流注入到電網中抵消非線性負載的諧波電流，消除了電網電流中的諧波成分.本文建立的并聯混合型有源電力濾波器的模型如圖1所示，主要由三相三線制系統、諧波源(非線性負載)、無源濾波器和有源濾波器組成.無源濾波器承受諧波電壓，消除主要次數諧波和補償無功，有源濾波器承擔無源濾波器未能補償的諧波分量.由于有源部分承受的電壓很低，大大降低了補償容量和成本.本文采用三相橋式整流器來模擬電力系統中非線性電氣設備產生的諧波和無功電流[3].典型的諧波表達式為6k±1(k=1,2…)次.無源濾波器主要諧波由5、7和11次單調諧濾波器濾除.有源電力濾波器通過電壓型逆變器輸出各次諧波疊加的電壓，濾除無源濾波器未能濾除的諧波[4]，并抑制無源濾波器與電網間可能產生的串、并聯諧振.

圖1　并聯混合型有源電力濾波器結構

2諧波檢測原理

本文采用基于瞬時無功功率理論的補償電流檢測方法，即Ip-Iq諧波檢測算法[5].該檢測算法的本質是一個坐標系和另一坐標系的相互轉換，也稱作park變換.但檢測的有功電流Ip和無功電流Iq本質沒有發生變化.其原理圖如圖2所示.

(1)

圖2　Ip-Iq諧波檢測法原理

3仿真結果

3.1并聯混合型有源電力濾波器的仿真模型

本文采用目前很成熟的Ip-Iq諧波檢測算法，利用Matlab中的Simulink模塊和SimPowerSystems工具箱建立由有源濾波器和無源濾波器并聯的混合型有源電力濾波器的數學模型[6]，對補償性能進行仿真分析.模型主要由4個部分組成：三相三線制系統、無源濾波器、有源濾波器和主電路.并聯混合型有源電力濾波器的仿真模型圖如圖3所示.

圖3　并聯混合型有源電力濾波器的仿真模型

3.2仿真參數設置

模型中參數設置如下：(1)三相電源電壓大小是220V，頻率是50Hz，電源內阻Rs=1Ω，電感內阻Ls=1mH;(2)非線性負載采用三相橋式整流器，連接電阻R=10Ω，電感L=0.1mH，電容C=1F；(3)主電路選取Matlab/Simulink中IGBT模塊作為三相PWM變流器；(4)變流器直流側直流電容電壓參考值取600V，直流側電容為2 100μF，交流側電感為4mH；(5)LC無源濾波器中5次、7次和11次單調諧濾波器的參數分別設置為：5次單調諧電感L5=4.5 mH，電容C5=200 μF，7次單調諧電感L7=4.5 mH.電容C7=100 μF，11次單調諧電感L11=3.5 mH，電容C11=20μF.考慮在實際應用中電感含有一定的電阻，本文用電感L和R模擬電力系統中變流器輸出端的電感.

3.3仿真結果及分析

圖4　補償前a相電源電流波形和頻譜圖

圖5　補償后a相電源電流波形和頻譜圖

圖4是補償前a相電源電流波形圖和頻譜圖.可以看出，補償前電源電流波形畸變較大，且從頻譜圖中可以看出補償前電源電流總的畸變率為36.99﹪.圖5是加入并聯混合型有源電力濾波器補償后的電源電流波形圖和頻譜圖，已近似接近正弦波.可以看出，補償后電源電流總的畸變率為18.92﹪，較好地補償了諧波.

4結語

本文闡述了一種電力系統有源自動化濾波裝置，并針對諧波抑制問題提出并聯混合型有源電力濾波器方案，并通過Matlab/Simulink建立模型.仿真結果表明，本文提出的方案可以對系統中的諧波進行較好的補償.

[參考文獻]

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[2]智康, 羅安, 祝文姬, 等. 并聯型有源電力濾波器容量和最優安裝位置的選擇方法[J]．中國電機工程學報，2009，29(13)：92-98．

[3]朱家富, 高令, 劉玖紅. 整流電路的功率問題研究[J]. 重慶文理學院學報(自然科學版)，2007(6):47-50.

[4]劉靜, 李芳平. 一種基于固態繼電器的基波無功補償控制方法[J]. 重慶文理學院學報(自然科學版),2010(5):51-53.

[5]趙曉, 付青. 基于瞬時無功理論諧波檢測方法研究[J]. 現代電子技術,2006(6):131-133.

[6]王金星，王慶平，賈長朱．Matlab在有源濾波器仿真設計中的應用[J]. 電力系統自動化，2001(4):43-46．

(責任編輯吳強)

Study on the characteristics of the active filter equipment and electric power system automation

WU Yulin

(College of Electronic and Electrical Engineering, Minnan University of Science and Technology, Shishi Fujian 362700, China)

Abstract：This paper proposed a set of large capacity for harmonic suppression and reactive power compensation of parallel hybrid active power filter structure. This method utilized reactive power simulation theory active filter, and completed the simulation analysis by Matlab/Simulink software. The results showed that this method could not only achieve efficient high harmonic detection, but also eliminated the harmonic components, compensating reactive power.

Key words：harmonics; parallel; Matlab

[中圖分類號]TP23

[文獻標志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0065-03

[作者簡介]吳玉林(1988—)，女，湖北天門人，講師，碩士，主要從事電力系統諧波抑制方面的研究.

[基金項目]福建省中青年教師教育科研資助項目(JB13238).

[收稿日期]2015-08-11