基于MATLAB的电力系统有源滤波器设计

崔凤新

(福州大学至诚学院 电气工程系，福建 福州，350002)

基于MATLAB的电力系统有源滤波器设计

崔凤新

(福州大学至诚学院 电气工程系，福建 福州，350002)

本文针对于常见的三相整流电路产生的谐波，设计一个基于三相电路的瞬时无功功率理论的并联型有源电力滤波器，检测部分是利用ip-iq法检测出谐波电流，通过电流指令计算机电路计算出需补偿的电流；运用基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术作为控制方案，最后搭建MATLAB仿真模型，仿真结果表示，该方法可以有效检测谐波并有良好的谐波抑制和无功补偿效果。

有源滤波器；瞬时无功功率理论；SVPWM；MATLAB

为了满足某些特定工业需求，各行各业的生产过程中投入电力电子元件等非线性负载，数以亿计的电力电子器件在运行时产生大量的谐波，这些谐波叠加上基波电流引起负载电压、电流波形的畸变。GB/T-14549-93《电能质量公用电网谐波》标准规定了不同电压等级允许注入的各次谐波值，电力系统的谐波治理问题已引起广泛关注。

随着电力电子技术的发展和谐波理论的完善，有源电力滤波器(Active Power Filters—APF)逐渐成为谐波抑制的热点，与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有明显的优越性。它能对变化的各次谐波和无功电流同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小，控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注[1-3]。

1 有源滤波器工作原理

图1 有源滤波器基本工作原理图Fig.1 The principle circuit of APF

1.1 谐波检测原理

本设计采用的谐波电流实时检测的实现归功于赤木泰文(Hirofumi Akagi)1983年提出的瞬时无功功率理论，也称为pq理论。ip-iq检测法如图2所示。

图2 ip-iq谐波检测法原理图Fig.2 The principle circuit of the ip-iq method

图中：

(1-1)

(1-2)

2 电流跟踪控制

空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)，是一种优化的新型PWM技术，能够显著降低交流侧电流的谐波成分，提高电压利用率(比SPWM高15%)。基本的控制思想如下：

三相压敏电阻器侧输入电压空间矢量Urf：

(2-1)

UrfTs=U1T1+U2T2

(2-2)

空间矢量分解图如图3所示：

图3 空间电压矢量分解图Fig.3 The exploded view of the space vector pulse width modulation

3 建立仿真模型

利用MATLAB仿真工具箱搭建了Simulink并联型有源电力滤波器的仿真模型。分为谐波源、谐波检测、PWM控制和主电路四部分

3.1 谐波源模块

谐波源模块如图4所示。

本设计的谐波源采用一种典型的谐波源——三相桥式全控整流器。为了以示区别，图中step模块在0.3s时将理想开关合上，再投入一个负载。系统电源为有效值Ua=220V，频率50Hz，相位互差120°的三相正弦交流电。

图4 谐波源模块Fig.4 The simulation of harmonic sources

3.2 谐波检测模块

三相电流及sinωt通过C32和C1变换后得到ip和iq，ip和iq通过设置截止频率为25Hz的低通滤波之后即可得到ip和iq的直流分量，ip和iq的直流分量再经过反变换后将会得到三相电流的直流分量iaf、ibf、icf，利用原波形与之前得到这些直流分量做减法运算，就可以得到我们需要的谐波分量iah、ibh、ich，由此，在MATLAB下搭建如图5所示谐波电流检测电路，将谐波从电流中提取出来[5,6]。

图5 ip-iq检测法仿真模块Fig.5 The simulation of the harmonic current detection used ip-iq method

3.3 PWM控制模块

控制模块是本设计的核心部分，在此，本设计采用PWM控制策略(如图6控制模块)。基本思想是将检测谐波的电流指令计算电路计算出来的指令去和等腰三角波做比较，大于等腰三角波的部分对应的时间段输出低电平，反之则输出高电平，通过此方式生成PWM序列波之后去控制半导体器件的占空比，最终把直流电压转变成电压脉冲，可以用来实现变频、变压及控制和滤除谐波为目的的技术[7-9]。

图6 控制模块Fig.6 The simulation of control module

图7 PWM信号产生模块Fig.7 The simulation of PWM signal generation module

本文采用了空间矢量脉宽调制技术产生信号来控制IGBT,PWM信号产生模块，如图7所示。通过坐标变换获得两相静止坐标系下的信号后，进行扇区判断和合成参考电压矢量的三个基本矢量。然后进行时间计算确定三个基本矢量的作用时间，即占空比。最后进行时间状态分配，确定各个基本矢量对应的开关状态及作用次序，将基本矢量对应的作用时间分配给相应的开关状态，完成对器件的控制。

3.4 主电路模块

如图8所示的是变流器模块。

图8 主电路模块Fig.8 The simulation of main circuit module

变流器模块受控于控制模块，控制信号给到变流器的控制端，控制6个桥臂的电力电子器件的通断生成补偿电流。

3.5 有源电力滤波器仿真模型

根据以上各个模块搭建了如图9的总仿真模型。

图9 并联型有源电力滤波器的仿真模型Fig.9 The integrated simulation of APF

设置电源三相电相电压幅值220V，频率为工频50Hz。谐波源为三相整流桥带电阻性负载，其中电阻R=4Ω。逆变器直流侧电容0.03F，交流侧电感L=1mH。开关频率50KHz。同时设置仿真算法ode45tb，运行时间1s。

4 系统仿真及结果分析

运用第3节所建立的APF模型，对谐波源为中频炉的电力系统进行滤波以达到验证该建模的适用性情况，中频炉产生谐波原始谐波数据如表1所示。

表1 补偿前各次谐波(I)含量

图10 A相负载电流Fig.10 The load current waveform of A phase

由于负载的非线性，造成了负载电流的畸变，不再是标准的正弦波，由于系统各相电流大小相等，只是相位不同，所以以下分析也是以A相为主，图10为A相负载电流波形图， 对应的谐波电流如图11所示。由此，我们可以看出该仿真模型能够准确实时的检测出负载谐波电流。

图11 A相检测负载谐波电流Fig.11 The Harmonic current waveform of A phase

未补偿前，对负载侧电流(电流I的A相)进行FFT分析，如图12 所示，可知该中频炉产生了5、7、11、13、17、23和25次谐波。

图12 补偿前负荷侧A相电流波形Fig.12 The current waveform of A phase on the load side before compensation

图13 未补偿前负载侧电流FFT分析Fig.13 The FFT for the current on the load side before compensation

投入APF后，再次观察A相负载电流，并进行FFT分析，如图13、图16所示。可以看出各次谐波得到有效抑制，电流畸变率降低到5.5%，基本实现了谐波抑制。从图14和图15可知，投入APF补偿后，电流波形得到明显改善，基本趋近于正弦波，由于该滤波器也进行无功补偿，所以滤波后电流相位发生了变化。

图14 补偿后的电源侧A相电流波形Fig.14 The current waveform of A phase on the power side after compensation

图15 A相系统电流波与负载电流比较图Fig.15 Comparison of current Isa and Ia

图16 补偿后电源侧A相电流FFT分析结果Fig.16 The FFT for the current on the load side after compensatio

根据补偿前后的电流频谱图分析，可以得出谐波电流参数情况和畸变率如下表2和表3所示。

表2 滤波器产生的补偿电流(IFa)含量

表3 补偿后各次谐波(Isa)含量

5 结论

通过对并联型有源滤波器系统结构和工作原理的简要分析，运用基于空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术作为控制方案，建立了基于MATLAB的仿真模型。结果表明，并联型有源电力滤波器可以有效的抑制谐波和补偿无功，使系统的电流波形始终保持正弦。

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[6]孙曙光，王景芹，杜太行,等.有源电力滤波器控制技术的研究与应用[J].电力电子技术，2014，48(3):24-27.

[7]王学振.电力系统谐波抑制及滤波器的分析.[J].电子质量.2011，(1)：11-13

[8]于群，曹娜.MATLAB/Simulinl电力系统建模与仿真[M].北京：机械工业出版社,2011．

[9]王金星，王庆平，贾长朱.MATLAB在有源滤波器仿真设计中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2001,13(4)：43-46.

Design of power filter based on MATLAB

CUI Fengxin

(Department of Electrical Engineering,Zhicheng College,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)

This paper focuses on the design of passive power filter and active power filter.A shunt active power filter based on the theory of instantaneous reactive power is designed，which is used to control the harmonics of three-phase rectifier circuit.Active Power Filter use theip-iqmethod to detect the harmonic currents，and the command calculation circuit calculates the current to be compensated.The control scheme of shunt active power filter is based on space vector pulse width modulation (SVPWM)technique.Finally，using matlab simulation toolbox simulink verifies the feasibility to the design.

Active Power Filter;instantaneous reactive power theory; SVPWM;MATLAB

1672-7010(2017)02-0032-06

2017-02-24

福建省教育厅科技项目(JAS151381)

崔凤新(1978-)，女，山东菏泽人，讲师，硕士，从事电气工程及其自动化研究

TM864

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