第２０卷第１期 哈尔滨理工大学学报 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖ０１．２０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１５ ２０１５年２月 有源电力滤波器谐波检测仿真设计 荣盘祥， 刘兆宇， 杨常伟 （哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江哈尔滨１５００８０） 摘要：随着电力系统规模与日俱增以及大量的非线性电力电子设备的广泛应用，使电网受到 了日益严重的“谐波污染”，因此对于谐波的治理已刻不容缓．有源电力滤波器是连接在电网中驱 除电网谐波，并改进电网电能质量的一种新式电力电子装配．针对传统谐波检测算法产生的延迟问 题，重点剖析了有源电力滤波器的工作原理和结构，提出一种基于瞬时无功功率理论的谐波电流检 测算法，并建立了ＭＡＴＬＡＢ仿真模型，仿真结果表明，该方法可以有效消除检测过程中产生的延 迟，具有良好的补偿效果． 关键词：有源电力滤波器；谐波；仿真；ＭＡＴＬＡＢ ＤＯＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｊｈｕｓｔ．２０１５．Ｏ１．０１３ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—２６８３（２０１５）Ｏ１—００６６—０５ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ＲＯＮＧ Ｐａｎ—ｘｉａｎｇ，ＬＩＵ Ｚｈａｏ—ｙｕ， ＹＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｕｓｅ ｏｆ ｍａｎｙ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ， ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｓｅｒｉｏｕｓ，ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ｕｒｇｅｎｔ．Ｔｈｅ ａｃ— ｔｉｒｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ａ ｎｅｗ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｄ ｔｏ ｒｅｍｏｖｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｇｒｉｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｌａｙｓ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ，ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｏｎ ａ ｎｅｗ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ ｃａｒｒｉｅｓ ｏｕｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＭＡＴＬＡＢ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｗｈｉｃｈ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｓ ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｃｏｍｐｅｎｓａ・ ｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ，ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＭＡＴＬＡＢ 着密不可分的联系，它对电网造成了额外的负担，导 ０ 引 言 近年来，随着电子技术的飞速发展，各种功率开 关器件、变频器，整流器等装置得到了广泛的应用． 致供给效率大幅下降；电网电压发生畸变，其主要原 因是谐波电流能与电网的内阻抗耦合，已经给电网 与电气设备安全以及正常使用带来了极大的威胁， 电力污染治理在现代电力系统安全中的作用已愈发 突出．另外，谐波问题己成为阻挡电力电子技术进一 这固然使电网的经济效益得到了显著地进步，但同 时也致使大量的谐波和无功功率注入电网，即电力 步飞跃的重大障碍 Ｊ．结构单一，使用方便，技术 成熟，成本低廉是无源滤波器的优点．然而，它的缺 污染 ．电力系统的功率因数下降与无功功率有 收稿日期：２０１４—０９一Ｏｌ 作者简介：荣盘祥（１９６５一），男，教授，博士研究生导师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｏｎｇｐｘ＠ｈｒｂｕｓｔ．ｅｄｕ．ｃｎ； 刘兆宇（１９９０一），男，硕士研究生； 杨常伟（１９８６一），男，硕士研究生． 第１期 荣盘祥等：有源电力滤波器谐波检测仿真设计 ６７ 点同样显而易见 Ｊ：①电网及负载对它的补偿特性 有着较大的影响，其滤波效果严重依赖于电网和负 载的参数，滤波性能较差；②电网与滤波器可能与 它产生串、并联谐振，给电网的安全性带来一定的隐 患；③所需储能元件的体积较大． 而有源电力滤波器的优点在于：①补偿特性与 电网及负载几乎没有关联，这不但防止了与电网发 生串、并联谐振的危险，同时还可抑制串并联谐振的 发生；②能够对频率和大小都变化的谐波以及变化 的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿；③不需储能 元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大，也是有源 滤波器补偿无功功率的一大特点 ．因此，治理 电网谐波及无功污染、提高电能质量最有效的手段 时有源电力滤波器¨ ． 而谐波电流检 ４方法是影响有源滤波器性能的 重要因素，经过数十年的研究，谐波电流检测的方法 主要有模拟滤波器检测法、傅里叶变换检测法、小波 分析法、神经网络法、自适应检测法等．这些传统的 方法虽然都有各自的优点，但是缺点也过于明显，如 实时性差，稳定性低，对样本的依赖性过强等．因此 本文将重点对谐波检测方法进行深入研究，使有源 滤波器的性能更加稳定、可靠． １ 有源电力滤波器的分类及工作原理 １．１有源电力滤波器的分类 目前，随着学技术的进步与发展，投入使用的有 源电力滤波器的种类纷繁复杂，其分类方法也多种 多样．如下图１所示，从不同的角度出发，对有源电 力滤波器进行了分类＿１ ． 首先，将有源电力滤波器分为有源直流滤波器 和有源交流滤波器两大类，这是依据应用场合的不 同．前者以驱除高压直流系统中换流器直流测的谐 波电压为重点，后者则集中在交流电力系统． 其次，将有源滤波器分为电流源型和电压源型 两种，这是根据逆变电路储能元件的不同．效率高、 早期投资小、可任意并联扩容，易于单机小型化，性 价比高是电压源型滤波装置的特点．结构相对单一、 性能可靠，较大损耗则是电流型滤波装置的特点．因 此，基于装置的实用性，大多数选择电压源型． 再次，将有源滤波器分为并联型和串联型，这是 依照与电网的连接方法的差别．能够驱除负载引起 的谐波电流，同时可以对无功进行补偿这是并联型 有源电力滤波器的重要性能，它实质上等效于一个 受控的电流源．另外，并联型有源电力滤波可以并联 连接，从而获得更大的电流．然而，由于有源电力滤 波器补偿的谐波负载是并联在电网，所以需要承担 基波电压，使容量增加，致使开关损耗率增大．通过 变压器串联在电网和负载之间是串联型有源电力滤 波器，它本质上与一个受控电压源等效．能够对电网 谐波电压和三相不平衡电压进行补偿，主要应用与电 压敏感性负载，是串联型有源电力滤波器的重要特 点．然而，通过与并联有源滤波器相对比，可以很清楚 的知道串联型有源电力滤波器的主要缺点是会电流 产生很高的负荷，致使变压器的体积增加，消耗增大． 有源电力滤波器 并联型ｌ ｆ并联型 单独使用方式 单独使用方式 与ＬＣ滤波器 与ＬＣ滤波器 混合使用方式 混合使用方式 Ｈ与ＬＣ滤波器并联 Ｌ 匿 酥 Ｌｃ串联谐振方式 ＬＣ串联谐振方式 图１有源电力滤波器的分类 １．２有源电力滤波器的工作原理 无论对有源电力滤波器进行怎样的分类，它都 是串联或并联接在电网中，消除电网谐波并改善电 网电能质量的一种新型电力电子装置．有源滤波器 的原理图如图２所示． ‘ …主电路；二≠耄 ：＝一。錾箱星蠢： 图２有源电力滤波器工作原理图 图中，交流电源用ｅ 表示，负载为谐波源，它产 生负载并且损耗无功．有源电力滤波器工作的基本 前提是得到电压或电流的信息参数，这些参数主要 ６８ 哈尔滨理工大学学报 第２０卷 是通过电流检测采样电路获取，然后将它们送到指 令电流产生单元，根据一些相关的检测算法，并利用 ＣＰＵ指令电流运算，最终得到的逆变器输出电流参 数．指令电流对逆变器主电路的开关状态进行控制． 微处理器输出满足要求的信号给驱动电路，最后由 驱动电路实现对逆变器开关管的开通关断控制．因 此，通过直流侧电容上的电压转变为电流耦合到电 网上是主电路中电能质量优化的主要内容，从而达 到提高供电质量的目的． 例如，对负载所产生的谐波电流通过有源电力滤 波器进行补偿时，负载电流：ｉ ，负载电流的谐波分量： ｉ…反极ｌ生后作为补偿电流的指令信号： ，，负载电流 的基波分类：０该原理可用如下一组公式来表示． ｔｓ＝ ￡＋ｔＦ Ｌ ＩＬｒ＋Ｉ肼 Ｆ＝一ｌ＇Ｌｈ ＩＳ＝‘Ｌ＋ ，＝ ２ ＭＡＴＬＡＢ仿真模型设计 ２．１仿真模型的建立 通过前面对有源电力滤波器的分析，设计出仿 真模型，如图３所示． ＡＰＦ舯１ａｌｌＩｇ一 图３仿真模块 ２．２仿真结果及分析 首先，将三相电源的初始相位设置为０，频率设 置为５ｏ Ｈｚ．得到三相电压的三个输出端以及三相输 出端电流的波形图，如下图４、５所示． １５０ １ｏ０ ５０ －５０ — －１５０ —２ｏｏ Ｏ ０．Ｏ５ ０．１０ Ｏ．１５ Ｏ．２０ ｔ／ｓ 图４电压波形图 ，ｓ 图５电流波形图 同时得到频率曲线图和相位曲线图，如图６、７ 所示． ５０ ４５ ４０ ３５ ３０ 罡２５ ２０ ｌ５ １Ｏ ５ ０ ｔ 图６频率曲线图 第１期 荣盘祥等：有源电力滤波器谐波检测仿真设计 ４０ ２Ｏ Ｏ ｆ Ｏ．Ｏ５ Ｏ．１ Ｏ．１５ Ｏ．２ ｔ／ｓ 图７相位曲线图 从图６、７可以看出，频率最终稳定在５０ Ｈｚ，相 ∞ Ｏ ∞ 一∞ ∞ 位稳定在０．因此，可以说明生成的信号正确．其次， 通过测试变压器ａ端口的电流来计算和检测谐波分 量，选取的一路电流如图８所示． ０｛ ｛ ｘ ｒ ｛ １ ＾ ＿ ｝ ， ｌ＼ 、 ｛ ｊ ｉ、 ｊ ｝ ｊ ，： ｌ ｃ ≤ １０ｏ Ｊ ０ —１００ Ｏ Ｏ．Ｏ５ Ｏ．１Ｏ Ｏ．１５ ０．２Ｏ Ｉ，ｓ 图８端口的电流 检测谐波分量的子系统中，电流输入，可以分为 两个支路，一个支路采用ＣＯＳ函数调解信号，另一个 支路采用ｓｉｎ函数调解信号，解调后的信号相加，然 后在与原始的信号相减，就得到了谐波分量．然后， 我们计算按照５０ Ｈｚ正弦信号生成的谐波分量．最 后，分别得出检测谐波分量和计算生成的谐波分量 的波形图，如图９所示． ０ ０．０５ ０．１０ ０．１５ ０．２０ ｔｌｓ ３０ｏ ２ｏ０ ≤１００ ０ —１５０ —２００ ０ ０．０５ ０．１０ Ｏ．１５ Ｏ．２Ｏ ｔ／ｓ 图９谐波图 图９中，上方的是通过计算生成的标准谐波，下 方的是检测出的谐波． ３ 结 语 本文针对有源电力滤波器中谐波检测方法存在 的问题，提出基于瞬时无功功率理论的谐波检测方 法，通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｉｌｉｎｋ仿真，表明了该方法可以实 时准确的检测出谐波电流，证明了其有效性和可行 性，基本达到了预期的效果． 参考文献： ［１］ＳＩＮＧＨ Ｇ Ｋ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ：ａ Ｓｕｒｖｅｙ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｐｏｗｅｒ。２００９，１９（２）：１５１ —１７２． ［２］ 郑鹏飞，刘献成．电能质标准体系简述［Ｊ］．电测与仪表， ２０１０，４７（ｓ１）：１２３—１２７． ［３］ 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