应用PSCAD软件对有源电力滤波器进行设计与仿真

李飞过，解彦强，王丽静，邱 欢

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安，710065）

应用PSCAD软件对有源电力滤波器进行设计与仿真

李飞过，解彦强，王丽静，邱 欢

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安，710065）

有源电力滤波器功能强大，作为电力电子设备中重要的组成部分，可以较好的实现谐波的滤除，实现无功的补偿。并且其补偿特性优于无源滤波器。本文用PSCAD对投入有源电力滤波器的电力系统的运行过程进行仿真，控制系统基于瞬时无功功率理论设计，给出负荷电流发生突变时的动态响应曲线。通过仿真得出：APF在电网的谐波抑制以及无功补偿方面特性优良、模型正确、控制系统可行。

有源电力滤波器（APF）； 建模仿真；电磁暂态； PSCAD/EMTDC

0 引言

电力电子装置负载具有明显的非线性、冲击性、不平衡等特征，导致高次谐波的产生从而降低电能质量[1]。可以考虑应用APF实现谐波的抑制改善供电质量。有源电力滤波器（Active PowerFilter）能实时响应系统中时变的谐波和无功分量，补偿效果佳[2-3]。对APF 运行时的电磁暂态过程进行分析可优化设计、帮助选型、配合评估，这在APF投入时保证电网安全运行十分关键[4]。

1 治理分析

采用并联型谐波补偿的方式治理非线性负载产生的谐波电流，非线性负载所产生的谐波电流可以通过APF补偿达到滤波效果。ip-iq算法中锁相环（PLL）内部结构复杂，处理时间长且易受信号干扰，应用无 PLL 电路设计，无锁相环电路结构简单，能更准确的检测并大大提高信号处理的速率。为保证在没有补偿电流输出时APF各桥臂的二极管反向偏置须控制直流侧电容两端的电压稳定的维持在足够高得值。如果需要实时补偿，则应该采用控制系统达到补偿电流输出的目的。在控制信号的作用下，补偿电路会产生相应的补偿电流，而该过程有大量的通断产生，这就要 PWM信号比较电流指令信号与实际补偿电流之间的差别来计算获得 。这能确保补偿信号能跟踪指令信号的变化。常用方法是：空间矢量法、三角波比较法以及无差拍控制法等。这里应用空间矢量脉宽调制法（SVPWM），即基于电压矢量合成的电压矢量法建立功率器件的开关状态。

2 主电路配置

串联型APF对电压型负载产生的谐波补偿效果良好。滤波器补偿效果受自身性能、安放位置、变压器参数、电压和电流传感器位置等因素的限制。

2.1 关键器件位置

串联型APF逆变器输出电压中的高次谐波可通过增加输出滤波器（Output Filter，OF）滤除[5]。为降低串联变压器的设计容量，可把输出滤波器安装在逆变器侧。这样输出滤波器在滤除逆变器输出补偿电压中的高次谐波的去除效果较为理想。负面影响是导致相移以及幅度的衰减，需进一步优化。符合要求的电压和电流传感器都是基于霍尔效应的电压、电流测量模块。根据实际情况选择接在电网侧的电压或电流传感器的安装位置，他们被用于检测系统谐波。安放总原则是谐波检测传感器安装在谐波源侧。

2.2 串联变压器设计

APF可通过电抗或电容接入常态下的电力系统，但当电压高于10kV（含10Kv）时须通过耦合变压器接入。设计选择耦合变压器时需考虑铁芯材料、绕组接法、结构、漏抗的选择等因素。串联型APF的主电路结构，以及相关器件的摆放位置、整个系统设定的参数等因素，都对变压器参数产生影响。逆变器结构变化可能会导致输出电压改变继而导致变压器变比改变，故求取最优变比时必须综合考虑逆变器结构、装置性能和成本各种条件限制。

2.3 参数的内部优化

图1 主电路模块

图2 仿真结果

选定直流侧电容值时必须要使直流侧电容上的电压波动处于可接受的范围内。当负载发生变化时直流侧电容电压值的变化必须被严格的限制。本文直流侧电容的容量经过测定可知是3200 μF，电压为 1.8KV。必须用输出滤波器滤除逆变器引发的高频毛刺。电感与电容间的分压问题要特别注意并妥善解决。在PWM 频率附近，电感和电容需满足如下要求： （1）电容值相对很小而电感值又相对很大；（2）要有相对较小的电容值和相对很小的电感值。滤波器的截止频率需设计在远小于逆变器的开关频率处。这就要计算输出电压跟反馈电压的比值，然后进一步求得β值，获得PI调节器的系数KV。

表1 串联型APF系统参数

3 建模及仿真结果

主电路模块由有源电力滤波器、负载、负载电压检测部分以及电源构成，详细可见下图图1。仿真结果可以看图2，在图2中6幅子图分别代表了输出电流波形、负载电流波形、滤波前后电压波形、SVPWM调制波形、滤波前电流波形、滤波后电流波形。

4 仿真结果分析与总结

控制器能在谐波分量发生突变或有源电力滤波器投入时快速响应，系统迅速有效抑制谐波至稳态。必须设计性能良好的控制器并选用恰当的控制策略，才能保证控制器正常发挥作用。本文对串联型APF的补偿原理进行了分析研究，在控制方式使用了空间矢量控制的策略；在装置实现及参数选择方面进行了有益的探索；串联型有源电力滤波器的滤波效果在仿真中得到了充分的验证。仿真表明采用复合检测和SVPWM控制的滤波器加入后，系统谐波含量明显减少。特别是优化以后，滤波器响应速度、动态性能、负载适应性进一步提高。

[1]贾君霞，田暕．电力系统的谐波电流及有源滤波器[J]．工业加热，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]魏艳迪.有源电力滤波器建模与复合控制策略研究[D].济南大学,2010.

[4]王建元，张国富．有源电力滤波器的控制策略综述[J]．2007，37（6）:6-11．

[5]李圣清，刘耦耕，周有庆.单相单位功率因数开关变流器谐波电流的分析与补偿．湖南师范大学学报，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