基于PSCAD的并联型有源电力滤波器系统的仿真研究

戴小祥，高振宇

（1.泰州机电高等职业技术学校，江苏泰州225300；2.南京水务集团有限公司，江苏南京210000）

1 引言

随着电力电子技术的迅速发展和电力电子器件广泛应用在电力系统中，其中相当一部分非线性负荷使电网中的谐波污染问题越来越严重。电网中的谐波既影响电力系统的安全性和可靠性，又缩短用电设备的使用寿命。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）作为一种动态抑制谐波的电力电子装置得到了很大发展[1]。在设备研制过程中由于并联型有源电力滤波器系统结构复杂、控制参数不确定等原因，仿真研究尤为必要，它对理论分析发挥着越来越大的作用。本文采用PSCAD仿真软件进行建模，基于瞬时无功功率理论谐波检测方法对并联型APF的运行在仿真软件上进行了仿真研究，并对仿真结果进行了分析。

2 有源电力滤波器的工作原理

APF的基本原理是通过外部电流互感器采集负载电流，基于谐波电流检测方法检测出谐波电流，通过可控功率半导体器件向电网注入与系统的谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能，从而达到实时补偿谐波电流的目的，电网侧电流为正弦波[2]。图1是APF的原理框图。它主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分构成。指令电流运算电路的核心是检测出负载中的谐波电流量，作为补偿依据。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流[3，4]，它由主电路、驱动电路和电流跟踪控制电路3个组成部分。

图1 APF的原理框图

图中eS为交流电源，iS为电源电流，iL为负载电流，iC为谐波补偿电流。

3 建立系统仿真模型

3.1 指令电流运算电路的仿真模型

谐波电流的检测引起了广泛的关注，不少算法已经在实践中得到应用。谐波电流的检测方法一般有自适应谐波电流检测法、基于人工神经网络的自适应电流检测法、基于小波变换理论的检测法、基于三相瞬时无功功率理论的检测法以及基于 Fryze 时域分析的有功电流检测法等等[5，6]。其中基于瞬时无功功率理论的检测方法是目前有源电力滤波器应用最广泛最成熟的一种谐波电流方法，本文所用的谐波电流检测正是采用的该方法。该方法的原理如图2所示[7]。

图2 谐波电流检测电路的原理图

图中，电网A相电压经过锁相环PLL和正、余弦信号发生电路后，得到与ea同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号－cosωt，这两个信号与ia，ib，ic经 C32变换后得到的 iα，iβ一起计算，得出 ip和 iq，即：

ip和iq经LPF滤波得出其直流分量。再通过反变换求得基波分量 iaf、ibf、icf为：

将 iaf、ibf、icf与 ia、ib、ic相减，可得出 ia、ib、ic的谐波分量iah、ibh、ich[6]。

3.2 补偿电流发生电路模型

为了保证补偿电流有很好的实时性，电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前应用较为广泛的跟踪型PWM控制方式有滞环比较方式、三角载波比较方式和定周期瞬时值比较方式这三种[8]。其中，相比其它两种控制方式而言，三角载波比较方式是最简单、最常用的一种比较方式。该比较方式具有开关频率固定，响应速度快等优点。本文选择三角载波比较方式作为补偿电流控制的方法，其控制系统的仿真实现如图3年示。该模型是将电流跟踪控制电路实际产生的电流信号iC与参考值iC＊之间的偏差与高频三角载波比较，得出控制电力电子器件导通和关断的逻辑信号。

图3 三角载波控制仿真系统

4 仿真分析

为验证APF控制算法的正确性和有效性，在仿真软件PSCAD/EMTDC环境下进行仿真研究。仿真模型由三相电源、非线性负载（谐波源）和APF三部分组成。系统的仿真参数为：输入电压Us＝380V，负载为阻性负荷R＝10Ω的三相整流桥，滤波器直流侧电容 C＝1000μF，APF 交流侧滤波电感 L＝4mH，有源电力滤波器功率开关器件开关频率f＝10kHz。

由于整个系统的对称性，仅给出A相的仿真结果波形，其中图4所示为电网A相的负载电流和APF补偿后的电源电流。因为非线性负载的影响，电网A相负载电流波形出现严重畸变。补偿后电流从波形可以看出正弦波。图5所示为A相谐波检测电流和实际补偿电流，补偿电流几乎可以实时跟踪谐波电流。图6中给出了直流侧电容电压的波形，可以看出电压很快达到设定值800V并稳定在约800V。

图4 A相负载电流和补偿后A相电流

图5 A相谐波检测电流和实际补偿电流

图6 直流侧电压的波形

5 结束语

本文简要叙述了有源电力滤波器的系统结构及基本原理，重点对三相并联型有源电力滤波器系统中谐波电流检测控制采用瞬时无功功率理论和补偿电流跟踪控制采用的三角波比较控制进行了建模。借助PSCAD/EMTDC仿真软件，建立系统仿真模型。良好的仿真结果表明，采用这两种控制，可以对非线性负载系统中的谐波进行有效补偿，具有良好的动态补偿效果，从而证明了控制的正确性和可行性。