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1.引言
随着电力电子技术的快速发展[1],大量的非线性负载应用于
工业生产和民用产品中,与传统的电弧炉、变压器和电焊机等设
备一起构成电力系统中最主要的谐波源,使得电力系统的谐波污
染日益严重;另一方面,精密仪器、自动控制以及测量仪表等设备
则要求在电能质量良好的状况下运行。因此,对电网谐波污染的
治理势在必行。采用有源电力滤波器(APF)抑制电网谐波,克服了
LC 无源滤波器易受电网阻抗影响、易与电网系统发生谐振等缺
点,被认为是解决电力系统谐波、无功和三相不平衡等问题最有
前途的方法之一。但是有源电力滤波器涉及到的元器件较多而
且参数不易确定,控制算法复杂,其主电路和控制电路包含开关
器件,理论分析比较困难。通过仿真研究能够验证相关算法;确定
器件参数;了解各个环节的工作特性;指导系统的设计和实验的
进行。因此,对有源电力滤波器进行仿真研究具有非常重要的现
实意义。
2.并联有源电力滤波器的工作原理
有源电力滤波分为并联有源电力滤波[2]和串联有源电力滤
波。并联有源电力滤波主要对谐波电流和无功电流进行补偿，所
以又可称作谐波电流发生器；串联型有源电力滤波主要对谐波
电压进行补偿[3]，又可称为谐波电压补偿器。本文主要介绍并联
有源电力滤波器，其系统主要由两大部分组成，即指令电流运算
电路和补偿电流发生电路。原理框图如下图1 所示。
图1 并联型有源电力滤波系统框图
其中，AC 为交流电源，非线性负载为谐波源，它产生谐波。
指令电流运算电路检测负载电流并经过运算求得所需补偿的谐
波和无功电流分量；补偿电流发生电路的作用是根据指令电路
运算出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。
并联有源电力滤波的基本原理就是，检测出非线性负载产
生的含有谐波的电流，分离出其中的谐波成分，并将其作为参考
电流指令，经补偿电流发生电路产生相应的补偿电流，补偿电流
与负载电流中谐波分量大小相等方向相反，从而补偿电流与电
网电流中的谐波分量相抵消，使电网电流成为正弦波。APF主动
补偿的工作特性,使得它能够快速补偿频率和幅值都变化的谐波
电流，还可以通过修改控制算法,对无功功率进行补偿。
下面首先给出并联有源电力滤波的系统结构图（图2），并相
应介绍其工作原理。
图2 并联有源电力滤波系统结构图
系统原理是：将检测到的负载电流经过数字低通滤波器处
理后, 即滤除与负载电流谐波分量相对应的ip 和iq 中的交流分
量, 得到与负载电流基波正序分量对应的ip 和iq 中的直流分
量。考虑系统主电路进行能量交换时所消耗掉的有功功率,再进
行坐标反变换,即可得到三相负载电流的基波分量，用负载电流
减去所得到基波电流分量即可得到需要补偿的电流的大小, 即
谐波电流[4]的大小。
此种电流检测方式方便灵活,便于对不同负载的补偿对象进
行选择性补偿。本文增加了补偿电流反馈信号和直流电压检测
信号作为对传统瞬时ip,iq 法的改进, 考虑了开关器件等的功率
损耗,提高了系统的补偿效果和精度。
3.指令电流运算
指令电流运算的作用是计算出负载电流中的谐波含量,并将
计算结果作为电流跟踪控制的输入。指令电流计算方法的好坏
在很大程度上影响着APF的滤波性能。
下面给出指令电流运算的具体计算过程：
三相负载电流经过3-2 变换，得到、。变换如下：
（1）
其中，
再经过两相静止到旋转的变换即可得到有功和无功分量
、。变换如下：
（2）
其中，
经过上述坐标变换得到有功和无功分量【5】，再通过低通滤波
器将其中的谐波成分滤掉。得到直流分量、，再经下述
坐标变换，即可计算出三相基波分量。
最后，用交流侧总的负载电流减去变换得到的基波电流即
得到谐波电流，变换中若令，则变换得到的只是基波电流
的有功分量，补偿电流包括谐波电流和无功电流。
4、直流侧电容电压的控制
在APF 的工作过程中, 功率器件的开通和关断以及导体本
身的发热等因素都会造成能量的损耗,这将导致储能电容电压下
降。为确保电流跟踪速度的实时性,主电路直流侧的电容电压需
要稳定在要求范围内。直流侧电压控制方法有两种:一种是通过
整流电路为直流侧提供单独的电源; 另外一种是通过适当控制,
使电容器从电源直接获取一部分有功功率,以弥补电容能量的损
失,将直流侧电压维持在适当范围。第一种方法增加了电路的复
杂程度故较少采用,而第二种是本文采用的方法。直流侧电压的
控制由图2 所示。
图2 中控制回路的1000V 直流电压是电容电压的给定值，
将实际整流输出的直流侧电容电压作为反馈信号，接入给定值
为1000V 的回路中进行PI 运算，得到调节信号, 该调节信号
叠加到基波有功分量之上,这样在指令电流中就包含了反映调节
信号的基波有功电流。若>0,从电网流出的有功电流经
升压斩波之后,对电容进行充电;若<0,则将电容电压进行逆
变,有功电流回馈电网,这样即可实现对电网有功电流流向进行
控制,使有源电力滤波器的直流侧电容与电网交换能量,从而起
到控制电容电压的作用。
需要说明的是，此处的逆变器直流侧电压的控制环节，相较
于传统的ip-iq 法的基础上，增加了维持逆变器直流侧电容电压
稳定的环节，为整个电路的设计的稳定运行奠定了基础。
5、PWM 工作原理
脉冲宽度调制(Pulsewidth modulati- -on PWM【6】)，是利用冲量
效应原理实现的，即大小、波形不同的窄脉冲变量作用在惯性系
统时，只要它们的冲量，即变量对时间的积分相等，其作用效果
基本相同。基于此，利用PWM脉冲控制高速电子开关IGBT通断
而实现电容电压的投切，得到一系列幅值相等、宽度不同的PWM
脉冲信号，再经过连接电抗器变换，将能量回馈给电网，就可以
达到对负载电流畸变分量的补偿。
6、MATLAB 仿真
本文在仿真软件MatLAB/Simulink 仿真平台上，采用电力系
统工具箱建立了有源电力滤波器的仿真模型。如图3 所示，非线
性负荷为三相二极管整流器带阻感负载，主电路三相变流器的
功率器件选择IGBT/Diodes。建立图3 所示的并联有源滤波器谐
波补偿仿真模型。系统仿真参数设置为: 电源为标准的三相正弦波，线电压
380V，频率50Hz。负载电阻R=10Ω，负载电感L=0.5mH，有源电
力滤波器主电路与系统的耦合电抗为0.16mH，直流侧电容
C=20mF，给定电压1000V，开关频率为10KHz，仿真时间为0.14s.
负载为整流桥带阻感性负载。指令电流计算模块包括32 变换、
数字低通滤波器设计、23 变换、负载电流减基波电流模块等，产
生指令电流参考信号。指令电流与补偿电流再相减，作为PWM
脉冲发生器的输入信号，PWM 脉冲发生器输出三相六脉冲控制
IGBT的通断实现电容电压的投切，利用冲量效应原理，经过连接
电抗器变换，达到补偿负载电流中畸变电流分量的目的，即抑制
谐波电流分量和补偿无功电流分量。
7、仿真结果
由图4 可以看出，在进行谐波电流补偿前系统电流畸变严
重，谐波含有量比较大。
图5 APF补偿的电流波形
图6 电源侧电流的波形
由图5 和6 可以看出，经过APF 电流补偿后，电源侧电流在
经过大约一个周期的调节后接近正弦波电流，且近似同相位，可
知功率因数接近于1，谐波含量明显减少.
图7 显示的是直流侧电容电压实际值与给定值的误差，从
中可以看出，幅值在短时间内迅速变为零，这说明在进行电压闭
环控制之后，直流侧电容电压的实际值很快就达到了给定值的
大小，并且一直保持不变，这表明直流侧电压的闭环控制的设计
取得了预期的效果，调节速度快，控制效果好。
图7 直流侧电容电压实际值与给定值的误差波形
8、结语
本文介绍了并联有源电力滤波器的工作原理，简述了利用
坐标变换检测谐波电流的方法，应用PWM 产生脉冲信号控制
IGBT的通断，同时，在传统的方法难以维持电容电压稳定的基础
上提出了一种新思路，即给出直流侧电容电压的闭环控制，将实
际输出的电容电压反馈信号与给定电压比较计算，从而给出维
持电容电压稳定的指令信号，这种方法相较于传统的方法有所
改进，为整个电路设计的顺利进行奠定了基础。整个过程的分析
都旨在减小非线性负载对电网电压和电流的影响，提高电网电
能质量。最后基于MATLAB，应用其中的电力系统模块，建立了
并联有源电力滤波的仿真模型，给出了实验结果。实验结果证明
了理论分析的正确性，也验证了并联有源滤波器对谐波良好的
补偿特性，对其他相关设计和实践具有一定的参考和借鉴意义。
参考文献
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(责任编辑：铅笔画圆) |
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