基于Matlab的并聯(lián)混合型有源濾波器的研究

孫國凱　張麗春　孫金平

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補償?shù)幕靖拍罴把a償技術和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設計并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進行無功補償。

關鍵詞：無功補償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網的危害是很大的，不僅會降低輸電網絡的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進行無功補償。無功補償技術主要有并聯(lián)電容器補償、同步調相機補償、靜止無功發(fā)生器補償、靜止無功補償器補償?shù)取?/p>

1 無功補償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分數(shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產生主要是由非線性負載所導致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構成，不但可以進行無功功率補償，還可以構成LC諧振回路，吸收諧波電流。當諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網中。PPF具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點；但也存在一些缺點，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網電流只含有基波分量，從而達到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點：快速響應性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；能補償各次諧波，抑制閃變、補償無功，一機多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應的功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點構成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進行抑制，以及進行無功補償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設置，可以構造出三相三線制的電網電壓，并可以帶有負載，有需要的話還可構造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進行補償。

3.2 HAPF的參數(shù)設計與原理分析

2） 有源部分的設計。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結果為例，其他兩相類似。補償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設計的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運行更加有效。在Matlab/simulink中運用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運行，同時提高電能質量，需要對諧波進行抑制并對無功進行補償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進行仿真試驗，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進行無功補償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應用。

參考文獻

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補償與諧波抑制技術研究進展[J].陜西理工學院學報：自然科學報，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設計[J].計算機仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補償?shù)幕靖拍罴把a償技術和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設計并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進行無功補償。

關鍵詞：無功補償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網的危害是很大的，不僅會降低輸電網絡的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進行無功補償。無功補償技術主要有并聯(lián)電容器補償、同步調相機補償、靜止無功發(fā)生器補償、靜止無功補償器補償?shù)取?/p>

1 無功補償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分數(shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產生主要是由非線性負載所導致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構成，不但可以進行無功功率補償，還可以構成LC諧振回路，吸收諧波電流。當諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網中。PPF具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點；但也存在一些缺點，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網電流只含有基波分量，從而達到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點：快速響應性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；能補償各次諧波，抑制閃變、補償無功，一機多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應的功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點構成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進行抑制，以及進行無功補償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設置，可以構造出三相三線制的電網電壓，并可以帶有負載，有需要的話還可構造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進行補償。

3.2 HAPF的參數(shù)設計與原理分析

2） 有源部分的設計。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結果為例，其他兩相類似。補償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設計的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運行更加有效。在Matlab/simulink中運用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運行，同時提高電能質量，需要對諧波進行抑制并對無功進行補償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進行仿真試驗，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進行無功補償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應用。

參考文獻

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補償與諧波抑制技術研究進展[J].陜西理工學院學報：自然科學報，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設計[J].計算機仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab

摘要：介紹電力系統(tǒng)中無功補償?shù)幕靖拍罴把a償技術和諧波的基本概念、主要來源及抑制手段。設計并聯(lián)混合型有源電力濾波器，基于Matlab/simulink進行仿真分析，證明并聯(lián)混合型有源濾波器可有效抑制諧波和進行無功補償。

關鍵詞：無功補償；諧波抑制；有源濾波器；Matlab

中圖分類號：TM743 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）04-0040-03

無功功率對電網的危害是很大的，不僅會降低輸電網絡的傳輸能力，還會引起用戶端電壓的變化等。因此需要進行無功補償。無功補償技術主要有并聯(lián)電容器補償、同步調相機補償、靜止無功發(fā)生器補償、靜止無功補償器補償?shù)取?/p>

1 無功補償原理

2 諧波抑制

諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率是基波頻率的整數(shù)倍。諧波有分數(shù)諧波、間諧波、次諧波等，奇次諧波對系統(tǒng)的危害極大。在電力系統(tǒng)中，諧波產生主要是由非線性負載所導致的。

目前，電力系統(tǒng)諧波抑制主要采用無源濾波器和有源濾波器。1） 無源濾波器（PPF）由電感L、電容C和電阻R元件構成，不但可以進行無功功率補償，還可以構成LC諧振回路，吸收諧波電流。當諧振回路的諧振頻率和想要消除的某高次諧波的電流頻率相同時，即可起到抑制諧波的作用，阻止該次諧波流入到電網中。PPF具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點；但也存在一些缺點，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能，耗費多、體積大等。2） 有源濾波器（AFP）的基本原理是：先從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生與該諧波電流幅值大小相等且極性相反的電流，最大程度地減少諧波，使低壓網電流只含有基波分量，從而達到對諧波抑制的作用。與PPF相比，APF具有以下特點：快速響應性和高度可控性；系統(tǒng)阻抗不會影響濾波特性，而且濾波特性可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；能補償各次諧波，抑制閃變、補償無功，一機多能；可以集中治理多個諧波源；具有自適應的功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。但AFP也存在電流中有高次諧波、單臺容量低、價格昂貴等問題。因此，可利用PPF和AFP各自的優(yōu)點構成混合型有源濾波器（HAPF）對諧波進行抑制，以及進行無功補償。

3 混合型有源濾波器（HAPF）的仿真試驗

3.1 HAPF的仿真模型

基于MATLAB的HAPF仿真模型如圖1所示。

利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，通過參數(shù)設置，可以構造出三相三線制的電網電壓，并可以帶有負載，有需要的話還可構造出畸變的電壓（或電流）模型，通過HAFP對諧波抑制并對無功進行補償。

3.2 HAPF的參數(shù)設計與原理分析

2） 有源部分的設計。耦合變壓器連接在注入支路和輸出濾波器之間，既可用來與有源部分電壓及電流相匹配，又可起到電氣隔離的作用，易于維護和絕緣逆變器。因流入耦合變壓器的基波電流偏小，變壓器容量S主要由HAPFIC產生的諧波功率決定，即：S=K×3UI，其中，U為APF輸出的諧波相電壓，I為APF輸出的諧波相電流，K為系數(shù)（一般取K=2～3）。

3.3 HAPF的仿真結果及分析

三相系統(tǒng)對稱，以C相仿真結果為例，其他兩相類似。補償前后電流波形和電壓波形及其頻譜分析對比如圖2—7所示。

由圖6和圖7可見，通過仿真波形，可以得到補償前、后電壓畸變率分別為16.5%和2.6%；300 Hz（5次諧波）的頻率由11.0%減少到0.8%，420 Hz（7次諧波）的頻率由4.2%減少到0.9%等。因此，設計的并聯(lián)混合型APF有很好的抑制諧波的性能。

補償前、后有功功率和無功功率如圖8—9所示。

由圖8和圖9可見，補償后的無功功率明顯減少，在0附近，顯然得到補償后的功率因數(shù)大大提高了，從而使電力系統(tǒng)的運行更加有效。在Matlab/simulink中運用聯(lián)混合型有源濾波器，使諧波抑制和無功補償?shù)玫搅擞行幚怼?/p>

4 結語

為了使電力系統(tǒng)更加有效地運行，同時提高電能質量，需要對諧波進行抑制并對無功進行補償。通過Matlab/simulink，利用并聯(lián)混合型有源濾波器進行仿真試驗，證明并聯(lián)混合型有源濾波器能有效抑制諧波和進行無功補償，適宜在電力系統(tǒng)中廣泛應用。

參考文獻

[1] 李穎峰，馬永祥.無功補償與諧波抑制技術研究進展[J].陜西理工學院學報：自然科學報，2009，25（1）：17-21.

[2] 李穎峰，馬永翔.電力系統(tǒng)諧波治理研究[J].電氣開關，2008（11）：27-28.

[3] 商紅桃.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究與參數(shù)設計[J].計算機仿真，2012（11）：327-330.

Abstract： This paper explains the basic concepts of reactive compensation technology and compensation technology and the basic concept of harmonic wave and its main sources and inhibition instruments.A arallel hybrid active power filter was designed. Simulation analysis was conducted based on Matlab/simulink， which proved that the parallel hybrid active power filter can effectively suppress the harmonic and achieve reactive power compensation.

Key words： reactive compensation； harmonic suppression； active power filter； Matlab