有源电力滤波器的应用及效果.

有源电力滤波器的应用

所在学院：信息科学与工程学院

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有源电力滤波器的应用

上学期我们学习了《电力电子技术》这门课，通过这门课的学习我了解到：以非线性负载为主产生的谐波会对电力系统形成很大的危害，而传统的电力电子装置本身就是产生谐波的主要污染源。要想抑制电力电子装置和其它谐波源造成的电力系统谐波，基本思路有两条：一是装设补偿装置，设法补偿其产生的谐波；而是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，同时也不消耗无功功率，或者根据需要能对其功率因数进行控制，即采用高功率因数变流器。

装设LC 调谐滤波器是传统的补偿谐波的主要手段。LC 调谐滤波器虽然存在很多缺陷，但其结构简单，既可补偿谐波，又可补偿无功，一直被广泛应用与电力系统中谐波和无功功率补偿。目前的趋势是采用先进的电力电子装置进行谐波补偿，这就是有源电力滤波器（APF ）。与LC 无源滤波器相比，有源滤波器具有明显的优越性能，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电网频率和阻抗的影响。有源电力滤波器的变流电路可以分为电压型和电流型。从与补偿对象的连接方式看，有源电力滤波器又可分为并联型和串联型。电压型和并联型在实际中应用较广。

本学期做了一个谐波的产生和抑制的实验，其中谐波是由三相桥式整流电路这一非线性负载产生的，在实验中采用了两种抑制谐波的方法，一种是并联无功补偿电容器和LC 滤波器，另一种是并联一个有源电力滤波器。目标是经过这两次滤波，使谐波电流的畸变率降到5%左右。

有源电力滤波器基本原理如下图1所示。设负载电流为l i ，谐波检测器从负载电流中检测出谐波电流h i ，令指令电流*c h i i =-，补偿电流控制算法控制逆变

器产生补偿电流*c c i i =，注入母线，抵消负载电流中的谐波，达到抑制谐波电流流向电源的目的。系统由四个主要部分组成有源滤波主电路、外围驱动板、谐波检测器 、DSP 器件。

电源逆变器

非线性负载

PWM 控制 DSP 控制器k

i *c c i i =l f k

i i i =+

ANN 谐波

检测*c k

i i =-电流互感器 图1 谐波检测由电流传感器测量出负载电流，然后利用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术检测谐波，计算出电网的谐波分量，并根据相应的控制算法计算出适当的补偿量，有源电力滤波器的补偿电流由单相电压型变流器产生，功率

开关元件采用IGBT 管,谐波电流检测器检测出负载电流的谐波信号c

i '，将c i '反相后作为指令信号*c i ，*c i 的值送入控制器，控制DSP 中的PWM 模块输出脉宽可调的PWM 信号，经整形、隔离、放大后，用于驱动各个功率开关的导通和关断。变流器的交流侧出现逆变电压，此电压和电源电压之差由电感L 负担，于是在回路中产生补偿电流，补偿电网谐波。有源滤波器的优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，缺点是价格高，容量小。

我们做的这个实验是演示性试验，利用Matlab/Simulink 平台进行并联型有源滤波器仿真。观察投入APF 前后，电路中的电压和电流波形，掌握对谐波电流进行补偿的原理。

实验原理如图2所示：

图2

我们首先研究一下这个实验原理图的原理。首先，由于阻感负载的三相桥式整流电路主要产生五次谐波和七次谐波，为了模拟谐波的产生以及掌握对谐波电流的补偿原理，在低压端增加了三次谐波发生器。三次谐波发生器的结构如图

3所示。

图3

带有很高谐波分量的电流首先通过变压器，进行第一次滤波；然后通过一组

并联的RLC无源滤波器进行第二次滤波，这次滤波主要是滤掉三次和五次的谐

波，其结构如图4所示：

图4

根据所学的知识，这种无源滤波器是三阶的滤波器。三阶滤波器与二阶滤波器相比电感多串联了一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减小基波损耗，这是三阶滤波器的主要优点。我们可以通过设置电感、电阻以及电容的参数达到滤除三次谐波和五次谐波的目的。

下面介绍有源电力滤波器的模块。有源电力滤波器的模块如图5所示。

图5

根据图5可知，这个模块的输入有三相的电压、三相电流还有滞环信号。下面继续分解这个模块，如图6所示。

图6

通过图6可以看出，有源电力滤波器的核心环节主要有两个，一个是谐波电流的检测环节，还有一个是谐波控制环节。再根据所学的有源电力滤波器结构的知识，谐波控制环节包括电流跟踪和主电路。下面先看谐波电流检测环节，其具体结构如图7所示（以A相为例）。

图7

图7的左上角是一个锁相环电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出

电压与输入电压的相位被锁住，这样就保持了频率和相位的稳定。中间部分是谐波电流的检测方法。在这个实验中，有源电力滤波器的目的只是补偿谐波，则利用ip、iq方式，可以检测出负载电流i L中的谐波分量i Lh，补偿电流的指令信号ic’应与谐波分量i Lh极性相反。若补偿电流ic和ic’完全一致，则补偿后的电源电流与负载电流的基波分量完全相同。

谐波控制环节的电路结构如图8所示。

图8

图8的左下方是电流跟踪控制电路。由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式，目前主要的方法有两种，即瞬时值比较方式和三角波比较方式。本实验采用的是瞬时值比较方式。在该方式中，把补偿电流的指令信号ic’与实际补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差Δc作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。滞环比较器的电路结构如图9所示。

图9

图8的左上方是主电路。补偿电流ic是主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路的6组开关器件的通断组合决定的。将特定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式。通常情况下，同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件是导通的。

以上就是有源电力滤波器的结构和原理。下面介绍这个仿真实验中滤波的效果。这次实验，我选取了四个节点B3、B2、B1、B7来说明滤波的效果。

节点B3的电压和电流波形及傅里叶分析如下：

（注：上面为电压波形，下面为电流波形，下同）

图11

通过图10和图11可以看出，电网接入非线性负载和三次谐波发生器后，电

流波形失真非常厉害，电流的畸变率达到了36.41%。主要的谐波为三次、五次

和七次。

节点B2：

图12

图13

经过一次变压器的滤波后，电流的畸变率大幅下降到14.8%，而且波形也有

了很大的改善。

节点B1：

图14

图15

由此可见，经过了一次三次、五次谐波的无源滤波后，三、五次谐波已大幅减少，电流波形进一步完善。同时，电流的畸变率继续下降。

节点B7：

图16

图17

通过图17可知，经过有源电力滤波后，电流的畸变率已经下降到2.82%。完全符合电网的要求，达到了很好的滤波效果。

参考文献：

[1] 王兆安、刘进军. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009

[2] 王兆安、杨君等. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2013