基于PSCAD的并聯型有源電力濾波器系統的仿真研究

戴小祥，高振宇

（1.泰州機電高等職業技術學校，江蘇泰州225300；2.南京水務集團有限公司，江蘇南京210000）

1 引言

隨著電力電子技術的迅速發展和電力電子器件廣泛應用在電力系統中，其中相當一部分非線性負荷使電網中的諧波污染問題越來越嚴重。電網中的諧波既影響電力系統的安全性和可靠性，又縮短用電設備的使用壽命。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）作為一種動態抑制諧波的電力電子裝置得到了很大發展[1]。在設備研制過程中由于并聯型有源電力濾波器系統結構復雜、控制參數不確定等原因，仿真研究尤為必要，它對理論分析發揮著越來越大的作用。本文采用PSCAD仿真軟件進行建模，基于瞬時無功功率理論諧波檢測方法對并聯型APF的運行在仿真軟件上進行了仿真研究，并對仿真結果進行了分析。

2 有源電力濾波器的工作原理

APF的基本原理是通過外部電流互感器采集負載電流，基于諧波電流檢測方法檢測出諧波電流，通過可控功率半導體器件向電網注入與系統的諧波電流大小相等、相位相反的補償電流，實現濾除諧波的功能，從而達到實時補償諧波電流的目的，電網側電流為正弦波[2]。圖1是APF的原理框圖。它主要由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩大部分構成。指令電流運算電路的核心是檢測出負載中的諧波電流量，作為補償依據。補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流[3，4]，它由主電路、驅動電路和電流跟蹤控制電路3個組成部分。

圖1 APF的原理框圖

圖中eS為交流電源，iS為電源電流，iL為負載電流，iC為諧波補償電流。

3 建立系統仿真模型

3.1 指令電流運算電路的仿真模型

諧波電流的檢測引起了廣泛的關注，不少算法已經在實踐中得到應用。諧波電流的檢測方法一般有自適應諧波電流檢測法、基于人工神經網絡的自適應電流檢測法、基于小波變換理論的檢測法、基于三相瞬時無功功率理論的檢測法以及基于 Fryze 時域分析的有功電流檢測法等等[5，6]。其中基于瞬時無功功率理論的檢測方法是目前有源電力濾波器應用最廣泛最成熟的一種諧波電流方法，本文所用的諧波電流檢測正是采用的該方法。該方法的原理如圖2所示[7]。

圖2 諧波電流檢測電路的原理圖

圖中，電網A相電壓經過鎖相環PLL和正、余弦信號發生電路后，得到與ea同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號－cosωt，這兩個信號與ia，ib，ic經 C32變換后得到的 iα，iβ一起計算，得出 ip和 iq，即：

ip和iq經LPF濾波得出其直流分量。再通過反變換求得基波分量 iaf、ibf、icf為：

將 iaf、ibf、icf與 ia、ib、ic相減，可得出 ia、ib、ic的諧波分量iah、ibh、ich[6]。

3.2 補償電流發生電路模型

為了保證補償電流有很好的實時性，電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。目前應用較為廣泛的跟蹤型PWM控制方式有滯環比較方式、三角載波比較方式和定周期瞬時值比較方式這三種[8]。其中，相比其它兩種控制方式而言，三角載波比較方式是最簡單、最常用的一種比較方式。該比較方式具有開關頻率固定，響應速度快等優點。本文選擇三角載波比較方式作為補償電流控制的方法，其控制系統的仿真實現如圖3年示。該模型是將電流跟蹤控制電路實際產生的電流信號iC與參考值iC＊之間的偏差與高頻三角載波比較，得出控制電力電子器件導通和關斷的邏輯信號。

圖3 三角載波控制仿真系統

4 仿真分析

為驗證APF控制算法的正確性和有效性，在仿真軟件PSCAD/EMTDC環境下進行仿真研究。仿真模型由三相電源、非線性負載（諧波源）和APF三部分組成。系統的仿真參數為：輸入電壓Us＝380V，負載為阻性負荷R＝10Ω的三相整流橋，濾波器直流側電容 C＝1000μF，APF 交流側濾波電感 L＝4mH，有源電力濾波器功率開關器件開關頻率f＝10kHz。

由于整個系統的對稱性，僅給出A相的仿真結果波形，其中圖4所示為電網A相的負載電流和APF補償后的電源電流。因為非線性負載的影響，電網A相負載電流波形出現嚴重畸變。補償后電流從波形可以看出正弦波。圖5所示為A相諧波檢測電流和實際補償電流，補償電流幾乎可以實時跟蹤諧波電流。圖6中給出了直流側電容電壓的波形，可以看出電壓很快達到設定值800V并穩定在約800V。

圖4 A相負載電流和補償后A相電流

圖5 A相諧波檢測電流和實際補償電流

圖6 直流側電壓的波形

5 結束語

本文簡要敘述了有源電力濾波器的系統結構及基本原理，重點對三相并聯型有源電力濾波器系統中諧波電流檢測控制采用瞬時無功功率理論和補償電流跟蹤控制采用的三角波比較控制進行了建模。借助PSCAD/EMTDC仿真軟件，建立系統仿真模型。良好的仿真結果表明，采用這兩種控制，可以對非線性負載系統中的諧波進行有效補償，具有良好的動態補償效果，從而證明了控制的正確性和可行性。