基于MATLAB仿真的諧波濾波設(shè)計

錢歡 金玫秀 徐海博 錢偉 於勁飛

【摘 要】隨著科技的不斷進步和人們需求的不斷增長，在實際生活中的工業(yè)現(xiàn)場、電網(wǎng)傳輸、快速運輸系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域，電力電子裝置被廣泛使用，其中諧波問題被研究人員視為巨大的阻礙而得到了更多的關(guān)注。諧波產(chǎn)生的危害十分嚴重，諧波會造成電壓畸變，降低電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加損耗，大幅減少使用壽命，甚至發(fā)生不對稱故障及不可逆的毀壞。本文介紹了對諧波和電力濾波器的研究和仿真的過程，主要包括研究諧波的檢測方法、研究SVPWM控制方式，設(shè)計有源電力濾波器并進行仿真，濾波后的波形與正弦波相近，滿足電力濾波裝置的諧波抑制特性。

【關(guān)鍵詞】諧波;電力濾波器;SVPWM控制;MATALB仿真

中圖分類號： TM461;TM743 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0065-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.11.030

【Abstract】With the continuous advancement of technology and the growing demand of people， power electronic devices are widely used in many fields such as industrial sites， power grid transmission， and rapid transportation systems in real life. Among them， harmonic problems are regarded as huge obstacles by researchers. And got more attention. The hazards generated by harmonics are very serious. Harmonics can cause voltage distortion， reduce the power factor of the power system， increase the loss， greatly reduce the service life， and even cause asymmetric faults and irreversible damage. This paper introduces the research and simulation process of harmonics and power filters， including research on harmonic detection methods， research on SVPWM control methods， design of active power filters and simulation， and the filtered waveforms are similar to sine waves. The harmonic suppression characteristics of the power filter device are satisfied.

【Key words】Harmonics; Power filter; SVPWM control; MATALB simulation

1 緒論

1.1 課題背景與實際意義

隨著人們對高質(zhì)量生活品質(zhì)需求的不斷增長，電力電子裝置在實際生活中的控制系統(tǒng)、電網(wǎng)傳輸、運輸系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應用，其中諧波問題一直被作為最嚴重的問題之一，急需從事該行業(yè)的研究人員進行有效的解決。

在當今社會，電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染已經(jīng)成為各個領(lǐng)域發(fā)展的重大阻礙，隨著五大發(fā)展理念深入人心，減少諧波就是“綠色發(fā)展”的目標之一。所以減少諧波污染，已成為電網(wǎng)設(shè)計，特別是電力電子技術(shù)中的一個關(guān)鍵方向。

1.2 研究現(xiàn)狀和進展

1.2.1 國外研究現(xiàn)狀和進展

大約從五六十年代開始，國外對電力諧波問題開始展開研究，當時主要研究的是由高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的諧波問題。20世紀70年代以來，在日常生活的各個方面中，使用各種電力電子裝置的次數(shù)越來越多，諧波造成的危害也日趨嚴重。世界上各國對諧波問題都比較重視，關(guān)于諧波問題的國際研究性會議也在一直開展。

1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀和進展

在美國、日本、德國等之后，我國在有源電力濾波器研究的深入開展過程中，得到各行各業(yè)的特別關(guān)注，投入了很大的精力，但和其他發(fā)達的國家相比還有一定的差距。圍繞有源電力濾波技術(shù)的研究，我國還處在進一步攻克的關(guān)鍵時期，特別是在治理諧波的同時又補償無功功率的混合型APF領(lǐng)域，還有很多關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。

2 并聯(lián)型有源電力濾波器概述

2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器工作原理

電流補償發(fā)生器與指令運算電路共同作用，形成了并聯(lián)型電力有源濾波器（APF）。對需要補償?shù)膶ο筮M行電流檢測，在電流補償發(fā)生電路的作用下，補償電流的指令信號會被放大，這樣補償電流便可得到，與所需補償?shù)臒o功電流及諧波抵消，我們所需要的電源電流便可通過這一系列的過程取得。

2.2 SVPWM控制方式介紹

電壓矢量控制（SVPWM）的過程是，根據(jù)不同的情況切換三相逆變器開關(guān)方式，在這過程中PWM波便會形成，實際磁鏈矢量也會形成，用它來跟蹤標準磁通圓。電壓矢量控制方法用整體式的模型，將異步電機和逆變系統(tǒng)一體化考察，模型比較簡單，也便于微處理器的實時控制，被稱為磁通正弦PWM法。而SPWM方法是在電源模型的基礎(chǔ)上，涉及到產(chǎn)生正弦波的可用于調(diào)壓調(diào)頻的電源。

我們要確定的就是在任意一個圓的位置，這三個波形里哪一個波形對它產(chǎn)生作用，作用時間是多少，我們就能夠確定這么一個波形可以合成。同時，我們要根據(jù)這個三角形分成幾段之后對應下來，它的時間是多少，也就是那個三角形對應的時間點，就是它的作用時間點。

3 有源電力濾波器設(shè)計及仿真分析

3.1 有源電力濾波器設(shè)計

主要圍繞并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)，進行仿真電路設(shè)計并進行分析。如下圖所示，主要的參數(shù)為：（1）電網(wǎng)：三相理想電壓源為380V，內(nèi)阻為0.5，頻率為50Hz。（2）非線性負載：采用三相橋式全控整流器。整流器的直流側(cè)為阻感性負載，R=15，L=20H（3）諧波檢測：采用p-q諧波電流檢測方法。

3.2 模型設(shè)計及仿真分析

相關(guān)模塊解釋如下：

Sine Wave1-3是相位相差120度的三個信號，我們所需要的旋轉(zhuǎn)空間矢量就是這三個向量的合成;Atomic Subsystem和shanqu分別是用來進行扇區(qū)、扇形區(qū)的判斷;三相PWM波形與基本矢量作用時間計算的合成是XYZ;Multiport Switch是三個開關(guān)，一個開關(guān)選擇形成一路。

從上面的波形圖中可以發(fā)現(xiàn)：濾波之前，非線性負載側(cè)的諧波分量較大，但是通過設(shè)計的有源濾波器模型后，與標準的正弦波相比，系統(tǒng)輸入電流很相近。由電力電子裝置產(chǎn)生的諧波，在設(shè)計的有源電力濾波器的作用下補償效果比較好，驗證了電壓矢量控制方式以及設(shè)計的電力濾波器的可行性。

4 總結(jié)

4.1 課題總結(jié)

本項目在已有的知識基礎(chǔ)上，圍繞諧波濾波闡釋了諧波的檢測方法和電壓矢量控制方法，通過MATLAB軟件設(shè)計了相應的有源電力濾波器模型并進行了仿真，通過對仿真結(jié)果的比較，驗證了用電壓矢量控制方式設(shè)計的有源濾波器，具有更好的控制性能，更利于數(shù)字化設(shè)計。

【參考文獻】

[1]陳仲.并聯(lián)有源電力濾波器實用關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].浙江大學出版社，2005.

[2]姜齊榮，趙東元等.有源電力濾波器-結(jié)構(gòu)·原理·控制[M].北京：科學出版社，2005.

[3]梁敬博.同步旋轉(zhuǎn)坐標系下APF滯環(huán)SVPWM容錯控制研究[D].遼寧工程技術(shù)大學. 2018.

[4]趙濤，張永號.基于SVPWM的PMSM矢量控制伺服系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動化，2011（14）：24-27.

[5]盧曉杰.三相T型逆變器控制策略研究[D].大連理工大學.2018.

[6]彭搏，肖登明，龍波.基于Simulink的三相逆變SVPWM的仿真實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2011（07）：94-96.

[7]IEEE PES Harmonic Working Group， Characteristics of harmonic sources-power electronicctions on Power Delivery，2001，16（4）：791-800.