近些年来, 随着在工业生产中越来越多的电力电子器件被应用, 这些电力电子器件给我国工业生产带来了巨大的贡献, 但是由此而带来的谐波污染也越来越严重。相关资料表明[2], 电网会由于电力电子器件的大量投放产生严重的谐波。现在影响电能质量的主要因素谐波已经成为可以排在首位了, 而对于谐波的治理最有效的手段就是有源滤波器, 本文对单相有源电力滤波器的仿真进行了研究, 通过matalb仿真, 分析该滤波器的工作特性, 进而找到控制谐波污染的手段。
随着DSP技术和电力电子技术的不断发展, 采用单相有源电力滤波器是谐波抑制的一个重要措施就是。单相有源电力滤波器的基本原理是从补偿对象中对谐波与无功电流进行检测。在一定控制指令作用下由IPM组成的系统产生一个与无功电流大小相等的谐波, 在系统中注入极性相反的电流, 这样电网电流就只含有基波电流, 达到实时补偿谐波电流的目的。单相有源电力滤波器能跟踪补偿幅值和频率都变化的谐波, 因而受到广泛的重视。
这里将单相并联有源滤波器的谐波和无功电流检测及电流跟踪控制综合起来, 搭建单相并联有源滤波器的完整电路并对其补偿特性做一下研究。主要谐波含量分析:电网电流的畸变几乎全部来源于奇次谐波。其中三次谐波含量h3=16.74%, 五次谐波含量h5=10.69%, 七次谐波含量h7=6.01%, 九次谐波含量h9=3.1 8%, 十一次谐波含量h11=1.11%。
单相电压源模块产生相电压为670V的单相交流电压, 模拟实际电网电压。非线性负载由可控整流桥和电阻负载构成, 模拟电网实际负载。电压测量模块测量电网电压, 电流测量模块测量电网电流, 背景为黄色的模块是基于瞬时无功理论的谐波和无功电流检测模块子系统, 背景为红色的是电压, 电流互感器, 采集电网中的电流和电网电压。
电流内环控制采用滞环电流控制。交流侧电感L1=6 m H, L2=7 m H。直流电压为8 0 0 V。负载电阻选R=1 0Ω。则负载电流I=Us/R=67A。若选环宽为补偿指令电流信号的±5%则应该为±3A。则给滞环比较器送入初始值。仿真时间定为4 s, 步长定为50e-6。启动仿真。经仿真分析计算得到开关管的平均频率f=6kHz。
其他参数不变, 将环宽变小, 研究一下所选的环宽的变化对检测结果的影响。选择环宽为补偿指令电流信号的±2%则应该为±1.5A。开始进行仿真得到如下仿真结果:其中0次谐波 (直流分量) 含量为6.35%, 其中三次谐波含量h3=1.92%, 五次谐波含量h5=0.56%, 七次谐波含量h7=0.25%, 九次谐波含量h9=0.1 7%。十一次谐波含量h11=0.1%。计算开关管的工作频率。得到在一周期内, 环宽为±1.5A时, 开关管的平均频率为±25kHz。再将环宽进一步减小, 取1A, 同时保持其他参数不变。得到如下仿真结果:
其中0次谐波 (直流分量) 含量为6.35%, 其中三次谐波含量h3=1.92%, 五次谐波含量h5=0.56%, 七次谐波含量h7=0.25%, 九次谐波含量h9=0.1 7%, 十一次谐波含量h11=0.1%。计算开关管的平均频率f=30kHz。
从滤波效果来看, 环宽的大小对补偿效果几乎没有影响。但环宽的大小对开关管的频率却有很大的影响, 选的环越小, 开关管频率越大, 这一点也很好理解。在一个周期内, 实际补偿电流ci跟踪补偿电流指令ci*变化的情况只受环宽的限制。当环宽较小时, 势必增加开关管的工作频率。
在仿真中发现, 当所选的环的宽度降低时会明显增加仿真时间, 初步分析, 是因为环宽度的减小带来开关频率的升高, 带来处理速度的降低。
另外一方面从补偿效果来看。补偿后的谐波总含量从21.24%降到7.18%。并且对比一下补偿前后主要谐波的含量变化。
通过分析相关仿真结果发现:加入有源滤波器后, 电网电流中的主要谐波 (奇次谐波) 都有明显的下降。但同时0次谐波 (直流量) 含量却很高, 有6.35%。另外分析, 补偿后的谐波来源, 即7%的谐波来自于检测环节。综合考虑后, 我选取的是一般情况下的LPF的参数, 检测出的基波电流有一些畸变, 对补偿效果有一些影响。但已经补偿大部分的谐波, 并且大幅度降低了奇次谐波含量。对于直流分量, 我们尝试通过改变APF的输出滤波电感来降低其含量。
在本章里, 我们在matlab里搭建了单相有源滤波器的仿真模型, 分析了有源滤波器投入前和投入后的电网电流变化情况。将其对比后发现有源滤波器能大幅度减小电网电流中奇次谐波含量, 但同时会少量增加电网的偶次谐波含有量。并且分析了原因。分析了环宽大小变化对检测结果和系统的影响, 即在滞环控制里环宽的大小会对补偿的精度有影响, 但不会对补偿效果影响太大。但会大大影响开关管的工作频率。并且会带来仿真时间的延长, 从这里可以看出精度和处理速度是一对矛盾体。在实际应用中应该综合考虑确定参数。总体来说电流滞环跟踪控制使补偿电流能够迅速跟踪指令电流。得到比较理想的补偿特性。
摘要：相关资料表明, 电网会由于电力电子器件的大量投放产生严重的谐波。现在影响电能质量的主要因素谐波已经成为可以排在首位了[1], 而对于谐波的治理最有效的手段就是有源滤波器。本文最后在MATLAB里搭建了应用于单相整流电路带电阻负载时的仿真模型。并且对补偿特性做了深入的研究和分析。
关键词：滤波器,仿真,单相
[1] 凌季平, 高沁翔.并联型电力有源滤波器的仿真研究[D].北京交通大学电气学院, 2010.
[2] 赵成勇, 李庚银, 李广凯, 等.电力牵引系统的预测型谐波电流检测方法研究.2011.
[3] 赵巍.基于DPS的混合有源电力滤波系统的研制[D].中南大学硕士学位论文, 2010.
推荐阅读：
单相短路电流计算在工程设计中的应用06-16
