基于Matlab的并联混合型有源滤波器的研究

孙国凯　张丽春　孙金平

摘要：介绍电力系统中无功补偿的基本概念及补偿技术和谐波的基本概念、主要来源及抑制手段。设计并联混合型有源电力滤波器，基于Matlab/simulink进行仿真分析，证明并联混合型有源滤波器可有效抑制谐波和进行无功补偿。

关键词：无功补偿；谐波抑制；有源滤波器；Matlab

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）04-0040-03

无功功率对电网的危害是很大的，不仅会降低输电网络的传输能力，还会引起用户端电压的变化等。因此需要进行无功补偿。无功补偿技术主要有并联电容器补偿、同步调相机补偿、静止无功发生器补偿、静止无功补偿器补偿等。

1 无功补偿原理

2 谐波抑制

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。谐波有分数谐波、间谐波、次谐波等，奇次谐波对系统的危害极大。在电力系统中，谐波产生主要是由非线性负载所导致的。

目前，电力系统谐波抑制主要采用无源滤波器和有源滤波器。1） 无源滤波器（PPF）由电感L、电容C和电阻R元件构成，不但可以进行无功功率补偿，还可以构成LC谐振回路，吸收谐波电流。当谐振回路的谐振频率和想要消除的某高次谐波的电流频率相同时，即可起到抑制谐波的作用，阻止该次谐波流入到电网中。PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点；但也存在一些缺点，如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。2） 有源滤波器（AFP）的基本原理是：先从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流幅值大小相等且极性相反的电流，最大程度地减少谐波，使低压网电流只含有基波分量，从而达到对谐波抑制的作用。与PPF相比，APF具有以下特点：快速响应性和高度可控性；系统阻抗不会影响滤波特性，而且滤波特性可消除与系统阻抗发生谐振的危险；能补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功，一机多能；可以集中治理多个谐波源；具有自适应的功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。但AFP也存在电流中有高次谐波、单台容量低、价格昂贵等问题。因此，可利用PPF和AFP各自的优点构成混合型有源滤波器（HAPF）对谐波进行抑制，以及进行无功补偿。

3 混合型有源滤波器（HAPF）的仿真试验

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如图1所示。

利用电力系统工具包的交流电压源模块，通过参数设置，可以构造出三相三线制的电网电压，并可以带有负载，有需要的话还可构造出畸变的电压（或电流）模型，通过HAFP对谐波抑制并对无功进行补偿。

3.2 HAPF的参数设计与原理分析

2） 有源部分的设计。耦合变压器连接在注入支路和输出滤波器之间，既可用来与有源部分电压及电流相匹配，又可起到电气隔离的作用，易于维护和绝缘逆变器。因流入耦合变压器的基波电流偏小，变压器容量S主要由HAPFIC产生的谐波功率决定，即：S=K×3UI，其中，U为APF输出的谐波相电压，I为APF输出的谐波相电流，K为系数（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真结果及分析

三相系统对称，以C相仿真结果为例，其他两相类似。补偿前后电流波形和电压波形及其频谱分析对比如图2—7所示。

由图6和图7可见，通过仿真波形，可以得到补偿前、后电压畸变率分别为16.5%和2.6%；300 Hz（5次谐波）的频率由11.0%减少到0.8%，420 Hz（7次谐波）的频率由4.2%减少到0.9%等。因此，设计的并联混合型APF有很好的抑制谐波的性能。

补偿前、后有功功率和无功功率如图8—9所示。

由图8和图9可见，补偿后的无功功率明显减少，在0附近，显然得到补偿后的功率因数大大提高了，从而使电力系统的运行更加有效。在Matlab/simulink中运用联混合型有源滤波器，使谐波抑制和无功补偿得到了有效处理。

4 结语

为了使电力系统更加有效地运行，同时提高电能质量，需要对谐波进行抑制并对无功进行补偿。通过Matlab/simulink，利用并联混合型有源滤波器进行仿真试验，证明并联混合型有源滤波器能有效抑制谐波和进行无功补偿，适宜在电力系统中广泛应用。

参考文献

[1] 李颖峰，马永祥.无功补偿与谐波抑制技术研究进展[J].陕西理工学院学报：自然科学报，2009，25（1）：17-21.

[2] 李颖峰，马永翔.电力系统谐波治理研究[J].电气开关，2008（11）：27-28.

[3] 商红桃.并联混合型有源电力滤波器的研究与参数设计[J].计算机仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介绍电力系统中无功补偿的基本概念及补偿技术和谐波的基本概念、主要来源及抑制手段。设计并联混合型有源电力滤波器，基于Matlab/simulink进行仿真分析，证明并联混合型有源滤波器可有效抑制谐波和进行无功补偿。

关键词：无功补偿；谐波抑制；有源滤波器；Matlab

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）04-0040-03

无功功率对电网的危害是很大的，不仅会降低输电网络的传输能力，还会引起用户端电压的变化等。因此需要进行无功补偿。无功补偿技术主要有并联电容器补偿、同步调相机补偿、静止无功发生器补偿、静止无功补偿器补偿等。

1 无功补偿原理

2 谐波抑制

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。谐波有分数谐波、间谐波、次谐波等，奇次谐波对系统的危害极大。在电力系统中，谐波产生主要是由非线性负载所导致的。

目前，电力系统谐波抑制主要采用无源滤波器和有源滤波器。1） 无源滤波器（PPF）由电感L、电容C和电阻R元件构成，不但可以进行无功功率补偿，还可以构成LC谐振回路，吸收谐波电流。当谐振回路的谐振频率和想要消除的某高次谐波的电流频率相同时，即可起到抑制谐波的作用，阻止该次谐波流入到电网中。PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点；但也存在一些缺点，如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。2） 有源滤波器（AFP）的基本原理是：先从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流幅值大小相等且极性相反的电流，最大程度地减少谐波，使低压网电流只含有基波分量，从而达到对谐波抑制的作用。与PPF相比，APF具有以下特点：快速响应性和高度可控性；系统阻抗不会影响滤波特性，而且滤波特性可消除与系统阻抗发生谐振的危险；能补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功，一机多能；可以集中治理多个谐波源；具有自适应的功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。但AFP也存在电流中有高次谐波、单台容量低、价格昂贵等问题。因此，可利用PPF和AFP各自的优点构成混合型有源滤波器（HAPF）对谐波进行抑制，以及进行无功补偿。

3 混合型有源滤波器（HAPF）的仿真试验

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如图1所示。

利用电力系统工具包的交流电压源模块，通过参数设置，可以构造出三相三线制的电网电压，并可以带有负载，有需要的话还可构造出畸变的电压（或电流）模型，通过HAFP对谐波抑制并对无功进行补偿。

3.2 HAPF的参数设计与原理分析

2） 有源部分的设计。耦合变压器连接在注入支路和输出滤波器之间，既可用来与有源部分电压及电流相匹配，又可起到电气隔离的作用，易于维护和绝缘逆变器。因流入耦合变压器的基波电流偏小，变压器容量S主要由HAPFIC产生的谐波功率决定，即：S=K×3UI，其中，U为APF输出的谐波相电压，I为APF输出的谐波相电流，K为系数（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真结果及分析

三相系统对称，以C相仿真结果为例，其他两相类似。补偿前后电流波形和电压波形及其频谱分析对比如图2—7所示。

由图6和图7可见，通过仿真波形，可以得到补偿前、后电压畸变率分别为16.5%和2.6%；300 Hz（5次谐波）的频率由11.0%减少到0.8%，420 Hz（7次谐波）的频率由4.2%减少到0.9%等。因此，设计的并联混合型APF有很好的抑制谐波的性能。

补偿前、后有功功率和无功功率如图8—9所示。

由图8和图9可见，补偿后的无功功率明显减少，在0附近，显然得到补偿后的功率因数大大提高了，从而使电力系统的运行更加有效。在Matlab/simulink中运用联混合型有源滤波器，使谐波抑制和无功补偿得到了有效处理。

4 结语

为了使电力系统更加有效地运行，同时提高电能质量，需要对谐波进行抑制并对无功进行补偿。通过Matlab/simulink，利用并联混合型有源滤波器进行仿真试验，证明并联混合型有源滤波器能有效抑制谐波和进行无功补偿，适宜在电力系统中广泛应用。

参考文献

[1] 李颖峰，马永祥.无功补偿与谐波抑制技术研究进展[J].陕西理工学院学报：自然科学报，2009，25（1）：17-21.

[2] 李颖峰，马永翔.电力系统谐波治理研究[J].电气开关，2008（11）：27-28.

[3] 商红桃.并联混合型有源电力滤波器的研究与参数设计[J].计算机仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介绍电力系统中无功补偿的基本概念及补偿技术和谐波的基本概念、主要来源及抑制手段。设计并联混合型有源电力滤波器，基于Matlab/simulink进行仿真分析，证明并联混合型有源滤波器可有效抑制谐波和进行无功补偿。

关键词：无功补偿；谐波抑制；有源滤波器；Matlab

中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）04-0040-03

无功功率对电网的危害是很大的，不仅会降低输电网络的传输能力，还会引起用户端电压的变化等。因此需要进行无功补偿。无功补偿技术主要有并联电容器补偿、同步调相机补偿、静止无功发生器补偿、静止无功补偿器补偿等。

1 无功补偿原理

2 谐波抑制

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。谐波有分数谐波、间谐波、次谐波等，奇次谐波对系统的危害极大。在电力系统中，谐波产生主要是由非线性负载所导致的。

目前，电力系统谐波抑制主要采用无源滤波器和有源滤波器。1） 无源滤波器（PPF）由电感L、电容C和电阻R元件构成，不但可以进行无功功率补偿，还可以构成LC谐振回路，吸收谐波电流。当谐振回路的谐振频率和想要消除的某高次谐波的电流频率相同时，即可起到抑制谐波的作用，阻止该次谐波流入到电网中。PPF具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点；但也存在一些缺点，如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。2） 有源滤波器（AFP）的基本原理是：先从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流幅值大小相等且极性相反的电流，最大程度地减少谐波，使低压网电流只含有基波分量，从而达到对谐波抑制的作用。与PPF相比，APF具有以下特点：快速响应性和高度可控性；系统阻抗不会影响滤波特性，而且滤波特性可消除与系统阻抗发生谐振的危险；能补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功，一机多能；可以集中治理多个谐波源；具有自适应的功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。但AFP也存在电流中有高次谐波、单台容量低、价格昂贵等问题。因此，可利用PPF和AFP各自的优点构成混合型有源滤波器（HAPF）对谐波进行抑制，以及进行无功补偿。

3 混合型有源滤波器（HAPF）的仿真试验

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如图1所示。

利用电力系统工具包的交流电压源模块，通过参数设置，可以构造出三相三线制的电网电压，并可以带有负载，有需要的话还可构造出畸变的电压（或电流）模型，通过HAFP对谐波抑制并对无功进行补偿。

3.2 HAPF的参数设计与原理分析

2） 有源部分的设计。耦合变压器连接在注入支路和输出滤波器之间，既可用来与有源部分电压及电流相匹配，又可起到电气隔离的作用，易于维护和绝缘逆变器。因流入耦合变压器的基波电流偏小，变压器容量S主要由HAPFIC产生的谐波功率决定，即：S=K×3UI，其中，U为APF输出的谐波相电压，I为APF输出的谐波相电流，K为系数（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真结果及分析

三相系统对称，以C相仿真结果为例，其他两相类似。补偿前后电流波形和电压波形及其频谱分析对比如图2—7所示。

由图6和图7可见，通过仿真波形，可以得到补偿前、后电压畸变率分别为16.5%和2.6%；300 Hz（5次谐波）的频率由11.0%减少到0.8%，420 Hz（7次谐波）的频率由4.2%减少到0.9%等。因此，设计的并联混合型APF有很好的抑制谐波的性能。

补偿前、后有功功率和无功功率如图8—9所示。

由图8和图9可见，补偿后的无功功率明显减少，在0附近，显然得到补偿后的功率因数大大提高了，从而使电力系统的运行更加有效。在Matlab/simulink中运用联混合型有源滤波器，使谐波抑制和无功补偿得到了有效处理。

4 结语

为了使电力系统更加有效地运行，同时提高电能质量，需要对谐波进行抑制并对无功进行补偿。通过Matlab/simulink，利用并联混合型有源滤波器进行仿真试验，证明并联混合型有源滤波器能有效抑制谐波和进行无功补偿，适宜在电力系统中广泛应用。

参考文献

[1] 李颖峰，马永祥.无功补偿与谐波抑制技术研究进展[J].陕西理工学院学报：自然科学报，2009，25（1）：17-21.

[2] 李颖峰，马永翔.电力系统谐波治理研究[J].电气开关，2008（11）：27-28.

[3] 商红桃.并联混合型有源电力滤波器的研究与参数设计[J].计算机仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab