應(yīng)用PSCAD軟件對有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真

李飛過，解彥強(qiáng)，王麗靜，邱 歡

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安，710065）

應(yīng)用PSCAD軟件對有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真

李飛過，解彥強(qiáng)，王麗靜，邱 歡

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安，710065）

有源電力濾波器功能強(qiáng)大，作為電力電子設(shè)備中重要的組成部分，可以較好的實(shí)現(xiàn)諧波的濾除，實(shí)現(xiàn)無功的補(bǔ)償。并且其補(bǔ)償特性優(yōu)于無源濾波器。本文用PSCAD對投入有源電力濾波器的電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)行仿真，控制系統(tǒng)基于瞬時(shí)無功功率理論設(shè)計(jì)，給出負(fù)荷電流發(fā)生突變時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。通過仿真得出：APF在電網(wǎng)的諧波抑制以及無功補(bǔ)償方面特性優(yōu)良、模型正確、控制系統(tǒng)可行。

有源電力濾波器（APF）； 建模仿真；電磁暫態(tài)； PSCAD/EMTDC

0 引言

電力電子裝置負(fù)載具有明顯的非線性、沖擊性、不平衡等特征，導(dǎo)致高次諧波的產(chǎn)生從而降低電能質(zhì)量[1]。可以考慮應(yīng)用APF實(shí)現(xiàn)諧波的抑制改善供電質(zhì)量。有源電力濾波器（Active PowerFilter）能實(shí)時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)中時(shí)變的諧波和無功分量，補(bǔ)償效果佳[2-3]。對APF 運(yùn)行時(shí)的電磁暫態(tài)過程進(jìn)行分析可優(yōu)化設(shè)計(jì)、幫助選型、配合評(píng)估，這在APF投入時(shí)保證電網(wǎng)安全運(yùn)行十分關(guān)鍵[4]。

1 治理分析

采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償?shù)姆绞街卫矸蔷€性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流可以通過APF補(bǔ)償達(dá)到濾波效果。ip-iq算法中鎖相環(huán)（PLL）內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，處理時(shí)間長且易受信號(hào)干擾，應(yīng)用無 PLL 電路設(shè)計(jì)，無鎖相環(huán)電路結(jié)構(gòu)簡單，能更準(zhǔn)確的檢測并大大提高信號(hào)處理的速率。為保證在沒有補(bǔ)償電流輸出時(shí)APF各橋臂的二極管反向偏置須控制直流側(cè)電容兩端的電壓穩(wěn)定的維持在足夠高得值。如果需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償，則應(yīng)該采用控制系統(tǒng)達(dá)到補(bǔ)償電流輸出的目的。在控制信號(hào)的作用下，補(bǔ)償電路會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，而該過程有大量的通斷產(chǎn)生，這就要 PWM信號(hào)比較電流指令信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流之間的差別來計(jì)算獲得 。這能確保補(bǔ)償信號(hào)能跟蹤指令信號(hào)的變化。常用方法是：空間矢量法、三角波比較法以及無差拍控制法等。這里應(yīng)用空間矢量脈寬調(diào)制法（SVPWM），即基于電壓矢量合成的電壓矢量法建立功率器件的開關(guān)狀態(tài)。

2 主電路配置

串聯(lián)型APF對電壓型負(fù)載產(chǎn)生的諧波補(bǔ)償效果良好。濾波器補(bǔ)償效果受自身性能、安放位置、變壓器參數(shù)、電壓和電流傳感器位置等因素的限制。

2.1 關(guān)鍵器件位置

串聯(lián)型APF逆變器輸出電壓中的高次諧波可通過增加輸出濾波器（Output Filter，OF）濾除[5]。為降低串聯(lián)變壓器的設(shè)計(jì)容量，可把輸出濾波器安裝在逆變器側(cè)。這樣輸出濾波器在濾除逆變器輸出補(bǔ)償電壓中的高次諧波的去除效果較為理想。負(fù)面影響是導(dǎo)致相移以及幅度的衰減，需進(jìn)一步優(yōu)化。符合要求的電壓和電流傳感器都是基于霍爾效應(yīng)的電壓、電流測量模塊。根據(jù)實(shí)際情況選擇接在電網(wǎng)側(cè)的電壓或電流傳感器的安裝位置，他們被用于檢測系統(tǒng)諧波。安放總原則是諧波檢測傳感器安裝在諧波源側(cè)。

2.2 串聯(lián)變壓器設(shè)計(jì)

APF可通過電抗或電容接入常態(tài)下的電力系統(tǒng)，但當(dāng)電壓高于10kV（含10Kv）時(shí)須通過耦合變壓器接入。設(shè)計(jì)選擇耦合變壓器時(shí)需考慮鐵芯材料、繞組接法、結(jié)構(gòu)、漏抗的選擇等因素。串聯(lián)型APF的主電路結(jié)構(gòu)，以及相關(guān)器件的擺放位置、整個(gè)系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)等因素，都對變壓器參數(shù)產(chǎn)生影響。逆變器結(jié)構(gòu)變化可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓改變繼而導(dǎo)致變壓器變比改變，故求取最優(yōu)變比時(shí)必須綜合考慮逆變器結(jié)構(gòu)、裝置性能和成本各種條件限制。

2.3 參數(shù)的內(nèi)部優(yōu)化

圖1 主電路模塊

圖2 仿真結(jié)果

選定直流側(cè)電容值時(shí)必須要使直流側(cè)電容上的電壓波動(dòng)處于可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)直流側(cè)電容電壓值的變化必須被嚴(yán)格的限制。本文直流側(cè)電容的容量經(jīng)過測定可知是3200 μF，電壓為 1.8KV。必須用輸出濾波器濾除逆變器引發(fā)的高頻毛刺。電感與電容間的分壓問題要特別注意并妥善解決。在PWM 頻率附近，電感和電容需滿足如下要求： （1）電容值相對很小而電感值又相對很大；（2）要有相對較小的電容值和相對很小的電感值。濾波器的截止頻率需設(shè)計(jì)在遠(yuǎn)小于逆變器的開關(guān)頻率處。這就要計(jì)算輸出電壓跟反饋電壓的比值，然后進(jìn)一步求得β值，獲得PI調(diào)節(jié)器的系數(shù)KV。

表1 串聯(lián)型APF系統(tǒng)參數(shù)

3 建模及仿真結(jié)果

主電路模塊由有源電力濾波器、負(fù)載、負(fù)載電壓檢測部分以及電源構(gòu)成，詳細(xì)可見下圖圖1。仿真結(jié)果可以看圖2，在圖2中6幅子圖分別代表了輸出電流波形、負(fù)載電流波形、濾波前后電壓波形、SVPWM調(diào)制波形、濾波前電流波形、濾波后電流波形。

4 仿真結(jié)果分析與總結(jié)

控制器能在諧波分量發(fā)生突變或有源電力濾波器投入時(shí)快速響應(yīng)，系統(tǒng)迅速有效抑制諧波至穩(wěn)態(tài)。必須設(shè)計(jì)性能良好的控制器并選用恰當(dāng)?shù)目刂撇呗裕拍鼙ＷC控制器正常發(fā)揮作用。本文對串聯(lián)型APF的補(bǔ)償原理進(jìn)行了分析研究，在控制方式使用了空間矢量控制的策略；在裝置實(shí)現(xiàn)及參數(shù)選擇方面進(jìn)行了有益的探索；串聯(lián)型有源電力濾波器的濾波效果在仿真中得到了充分的驗(yàn)證。仿真表明采用復(fù)合檢測和SVPWM控制的濾波器加入后，系統(tǒng)諧波含量明顯減少。特別是優(yōu)化以后，濾波器響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)性能、負(fù)載適應(yīng)性進(jìn)一步提高。

[1]賈君霞，田暕．電力系統(tǒng)的諧波電流及有源濾波器[J]．工業(yè)加熱，2005，34（1）：46-48．

[2] Yan-di Wei, Yong Zhang, Xin-gong Cheng*, Yong-feng Zhang, Xin-feng Liu. Application of Signal Detection and Processing on Active Power Filter[J]. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics. China: Shenyang, August 2009, 1732-1736.

[3]魏艷迪.有源電力濾波器建模與復(fù)合控制策略研究[D].濟(jì)南大學(xué),2010.

[4]王建元，張國富．有源電力濾波器的控制策略綜述[J]．2007，37（6）:6-11．

[5]李圣清，劉耦耕，周有慶.單相單位功率因數(shù)開關(guān)變流器諧波電流的分析與補(bǔ)償．湖南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25（2）：36～40.

Design and Simulation of Active PowerFilter by Application PSCAD Software

Li Feiguo, Xie Yanqiang, Wang Lijing, Qiu Huan
（School of Electronic Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an Shaanxi,710065）

Active PowerFilter is one of power electronic devices, which can compensation dynamically the harmonic which frequency and size change in and reactive, compensation characteristics better than the passive filter. In this paper, I simulated the operation process of the power system with Active PowerFilter by PSCAD and designed the control system ,which is followed to the instantaneous reactive power theory, given the dynamic response curve of the load current . The simulation result shows that the APF has excellent effect in harmonic suppression area,also it can do well to realize reactive power compensation. It demonstrated that the model is correct and the control system is feasible.

active power filter（APF）; modeling and simulation; electromagnetic transient; PSCAD/EMTDC