基于MATLAB的有源电力滤波器的设计

摘要

随着电力电子装置日益广泛的应用，电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统带来了严重的污染，严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。虽然传统的无源电力滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时也有一些缺点，例如只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放大。

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研究的热点。本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各自的优缺点，详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，比例控制和前馈控制两种电流环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略。介绍了电力有源滤波器的基本原理和结构，并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统。该系统包括指令电流运算、PWM控制和驱动电路模块。在MATLAB中建立了各个子模块的仿真模型和并联型有源电力滤波器的整体仿真模型。仿真结果表明,其谐波抑制和无功补偿可以达到良好的效果,在技术上是可行的。

关键词：电力有源滤波器；谐波；谐波检测；MATLAB/SIMULINK仿真

Design of Active Power Filter Based on MATLAB

Abstract

With the development of power electronic device the increasingly widespread application of power electronic device, which has resulted in a nonlinear network contains a large number of harmonics, the harmonic of power systems has brought serious pollution, serious harm to the electrical equipment and the stable running of the communication system. although the traditional passive power filter has the advantages of simple structure, low cost, mature technology, low running costs, but it also has some disadvantages, such as only the inhibition of stationary harmonics, and a harmonic under certain conditions and the grid impedance resonance instead of the harmonic amplification.

Currently, the harmonic suppression is an important trend of active power filters, active power filter is a power electronic devices, and related technologies are increasingly become a hot topic. This paper describes the topology and their advantages and disadvantages of several common APF, a detailed analysis of the harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory, and proportional control and feedforward control of two current-loop control strategy, and both SPWM and SVPWM modulation strategy. Introduced the basic principles and structure of the active power filter, and design of a shunt active power filter control system. The system consists of the command current operation, PWM control and drive circuit module. Simulation model of the various submodules and parallel active power filter simulation model in MATLAB. The simulation results show that the harmonic suppression and reactive power compensation to achieve good results, is technically feasible.

Key words:Active power filter; harmonic; harmonic detection; MATLAB / SIMULINK Simulation

目录

论文总页数：25页

1.1课题背景 (1)

1.1.1谐波基本概念 (1)

1.1.2谐波主要危害： (1)

1.2国内外研究现状 (3)

1.3本课题研究的意义 (3)

1.4本课题研究方法 (4)

1.5本文研究的内容 (4)

2.有源电力滤波器 (4)

2.1抑制谐波方法 (2)

2.2 APF的工作原理和结构 (4)

2.2.1 APF的基本原理和种类 (5)

2.3 APF的谐波检测方法 (6)

2.3.1 基于频域的检测方法 (6)

2.3.2 瞬时空间矢量法 (6)

2.3.3 有功分离法 (6)

2.3.4 自适应检测法 (7)

2.3.5 同步测定法 (7)

2.4 APF的补偿电流控制方法 (7)

2.4.1 三角载波控制 (7)

2.4.2 滞环比较控制 (7)

2.4.3 变结构控制 (7)

2.4.4 无差拍控制与差拍控制 (8)

2.4.5 单周控制（又称积分复位控制） (8)

2.4.6 空间矢量调制 (8)

3．源电力滤波器谐波检测及控制策略 (8)

3.1 瞬时无功功率理论简介及其应用 (8)

3.1.1 瞬时无功理论定义 (8)

3.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测 (10)

3.2 SVPWM调制策略 (11)

4.电力有源滤波器的仿真实现 (15)

4.1 源电力滤波器仿真模型的建立 (15)

4.1.1 APF的系统仿真模型 (15)

4.1.2 非线性负载模型 (15)

4.1.3 谐波检测模型 (16)

4.1.4 PWM信号的产生 (18)

4.2仿真结果 (19)

结论 (22)

参考文献 (22)

致谢 (23)

声明 (24)

1．引言

电能是现代社会的主要能源之一，在各行各业中有着广泛的应用，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。理想的供电系统对负荷供电时，应该保持三相平衡对称，电压电流波形皆为单频恒定正弦波，电能质量不受负载变化的影响。随着电力电子装置及非线性、冲击性设备的广泛运用，谐波和低功率因数等问题越来越严重。目前的大型企业中，几乎每家企业都或多或少有着电网污染的现象。在供电的过程中电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波。并且在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。供电系统中的谐波问题已经引起了社会各界的广泛关注，为了保证供电系统中所有的电气、电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

1.1课题相关知识介绍

1.1.1谐波基本概念

1882年，法国数学家傅里叶（J.FOURIER,1768-1830）指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，国际电工（IEC:INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION）标准（IEC555-2，1982）定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次分量。把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气和电子工程协会标准（IEEE标准519-1981）定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[9]。

1.1.2谐波主要危害

谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。

谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。

谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21

世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。

谐波治理是“绿色电流”的要求。虽然目前还没有完全证实高次谐波对人，动物以及生态环境的影响，但已有证据表明谐波对生态环境的影响确实存在，并引起了政府和各界人士的注意，开辟出了一个新的研究领域——电磁环境对生态的影响。目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识。从减少环境污染、维护绿色环境的角度出发，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。[9]

因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。

1.1.3抑制谐波方法

随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量（POWER QUALITY）受到人们的日益重视。于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为“无源滤波”（PF: PASSIVE FILTER）和“有源滤波”（APF: ACTIVE POWER FILTER）[10]。

（1）无源滤波

图1-1无源滤波器结构

无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。基本的无源滤波器的拓扑结构如上图1-1所示。（2）有源滤波

目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ACTIVE POWER FILTER-APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网中的谐波。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且在日本等国得到广泛的应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就己经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PULSE WIDTH MODULATION-PWM)控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。

1.2国内外研究现状

早在20世纪70年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念，当时由于电力电子器件制造水平的限制，这项技术没有引起广泛的关注。直到80年代，随着大中功率全控型半导体器件的成熟，脉宽调制(PWM )控制技术的进步以及赤木泰文〔AKAGI H〕瞬时无功功率理论的提出，有源电力滤波器才得到迅速发展和完善。

作为改善供电质量的一项关键技术，有源电力滤波器在日本、美国、德国等工业发达国家得到了高度的重视和日益广泛的应用，目前世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司和德国西门子公司等。我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，1989年才有这方面研究的文章出现，1993年才见到试验性的工业应用实验。但近十几年来，越来越多的研究单位对有源滤波技术开展了深入的理论研究和实验，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。当前研究工作的关键是加快有源电力滤波器在生产实际中的应用，提高实际应用水平[1]。

1.3本课题研究的意义

随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备。广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域。如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等使电网中的谐波污染状况日益严重。电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热。使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏。对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大危害。严重时会引发误动作；造成重大事故。谐波污染对通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备也有严重的干扰。因此，必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波。目前大量采用并联型无源滤波器来抑制谐波，它由电容器、电抗器、电阻器组成的单调谐滤波器和高通滤波器构成。通过对某些

次数的谐波呈现低阻来达到滤波的目的。同时还兼顾无功补偿的需要。由于并联型的无源滤波器存在不少问题，影响到实际应用。所以目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，这就是电力有源滤波器( APF)。与无源滤波器( PF)相比,电力有源滤波器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阻抗的影响. 国外电力有源滤波器的研究以日本为代表，已进入实用化阶段,随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波问题向改善整个电力系统供电质量的方向发展。在装置技术方面。主要朝提高补偿容量、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展。在应用方面，主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策，解决最优配置、有源滤波器的相互干扰及其对电网上装设的LC 滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。自1976 以来L. GYUGI 提出了并联有源滤波器方案。到目前为止已经研究出了有关有源滤波器的近十几种滤波方案，它们各有优缺点，分别应用于不同场合[2]。

1.4本课题研究方法

有源电力滤波器是当前对电网中谐波污染补偿或抵消的有效手段，本文对有源电力滤波系统的工作原理进行了理论研究和分析。MATLAB /SIMUL INK提供的SIMPOWER工具箱基本涵盖了电力系统建模和仿真的各个方面。利用SIMPOWER工具箱对有源电力滤波器装置进行了建模和仿真，能够将有源电力滤波器的工作过程及有关波形准确直观地显示出来,验证了理论分析的正确性。

1.5本文研究的内容

本文主要研究内容包括以下几个方面：

第一部分为引言，概述了课题背景、国内外研究现状、有源电力滤波器发展现状以及本课题研究方法等。

第二部分分析了有源电力滤波器的拓扑结构、工作原理和工作特性。从多个方面出发对有源电力滤波器进行了分类和介绍，并分析了各自的优缺点。

第三部分分析了有源电力滤波器谐波检测方法，并分析了各种谐波检测方法的工作原理和特性，通过对比选择 P、Q 算法作为本文谐波检测方法。

第四部分在MATLAB/SIMULINK中建立三相三相制有源电力滤波器的仿真模型，并对各个模块进行仿真和详细的阐述。选择不同的整流负载，对负载电流波形和补偿后的电流波形进行对比，验证了 APF 的补偿性能。

第五部分对全文做出总结，对有源电力滤波器系统存在的一系列问题进行探讨，并提出下一步的展望。

2.有源电力滤波器

1. APF的工作原理和结构

1.1.1 APF的基本原理和种类

APF 的基本原理是检测电网中的谐波电流。通过可控功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流为0, 从而达到实时补偿谐波电流的目的。其原理框图如图2-1所示：

图2-1有源电力滤波器系统原理图

APF的结构形式很多，但其基本原理都是类似的，按电路拓朴结构可分为并联型APF、串联型APF和串--并联型APF。

（1）并联型APF

图2-2为并联型APF 基本结构。由于与系统并联, 可等效为一受控电流源。并联型APF 可产生与负荷电流大小相等、方向相反的谐波电流, 从而将电源侧电流补偿为正弦基波电流。主要适用于抵消非线性负载的谐波电流、无功补偿及平衡三相系统中的不平衡电流等。并联型APF 在技术上比较成熟。

图2-2 并联型有源滤波器结构图

（2）串联型APF

图2-3为串联型APF基本结构。通过1个匹配变压器将APF串联在电源和负载之间, 以消除电压谐波, 平衡或调整负载的端电压。与并联型APF相比, 串联型APF损耗较大, 且各种保护电路也较复杂。因此, 很少单独使用串联型APF, 大多将其作为混合型APF 的一部分。

图2-3 串联型有源滤波器结构图

（3）串—并联APF

图2-4为串--并联型APF 基本结构。具有串联APF 和并联APF 的优点, 能解决电气系统发生的电能质量问题, 又称为万能APF或统一电能质量调节器。串

联型APF将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。这种方案兼有串、并联APF的功能，可以抑制闪变、补偿谐波、消除共同耦合点处的三相电压不平衡，具有较高的性价比。该类APF的主要问题是控制复杂、造价较高。

图2-4 串联—并联型有源滤波器结构

2.3 APF的谐波检测方法

文字说明

1．基于频域的检测方法

这是最早应用于指令电流运算的一类方法。其基本思想是利用模拟带(或陷波)滤波器进行谐波检测时他的缺点是:当电网频率波动时,所设计的滤波器中心频率会发生偏移,加上该中心频率易受器件参数及温度影响,会使检测出的谐波信号中含有大量基波分量，增加了APF的设计容量和有功损耗，因此，已基本不用。

2.3.2 瞬时空间矢量法

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。最早是由日本学者 H·AKAGI 于1984 年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断地改进，现已包括 P-Q 法、IP-IQ法以及D-P 法等。P-Q 法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网；IP-IQ 法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转 PARK 变换的 D-Q法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网[6]。

2.3.3 有功分离法

该方法将被检测量分解为理想传输量(即从公共供电点上看去，负荷是三相对称且纯阻性的,该负荷只消耗有功能量)和另一分量之和,简单明了、易于实现。但该方法以平均有功功率理论为基础，至少存在一个工频周期的延时，实时性较