混合型有源滤波器的研究

混合型有源滤波器的研究

范荣

国网山西省电力公司忻州供电公司山西忻州034000

摘要：谐波污染已经成为电力系统领域一个亟待解决的严重问题，电力滤波器是解决这一问题的重要途径。介绍了谐波问题及其解决办法和混合型有源电力滤波器的基本概况，设计了混合型有源电力滤波器的无源部分。阐述了几种常用的谐波电流检测方法。仿真部分则是通过MATLAB软件的绘图和参数设置，比较了两种方法的优缺点；证明了改进法具有更好的性能效果，能够将谐波检测的实时性最大化。改进法尝试将滞环宽度设定为可变值，改善了电力系统的电网谐波畸变率，从而降低了系统的谐波含量。本文用MATLAB软件对各个环节进行建模、参数设置和仿真。通过结果可以得出结论，如果电网波形严重失真，并联混合型有源电力滤波器能够最大程度地对谐波电流进行实时检测，并进行有效补偿，使得输出波形基本维持畸变前的正弦波，说明了本课题对并联混合型有源电力滤波器进行研究是可行的和有效的。

关键词：谐波污染；混合型有源滤波器；建模仿真；MATLAB

0引言

近些年，我国的工业化进程逐步完善，随之而来的各类谐波问题也亟待解决，更加发达的生产与生活对电能质量提出了更高的要求，尤其信息技术领域的精密仪器设备需要更高的供电质量；各种电力电子设备的功率因数较低，也使得电能质量受到较大影响[1]。世界上很多国家都出台了相关规定以及标准用以抑制谐波污染，电气和电子工程师协会IEEE成立了专门的评估小组，该小组的任务即为各电力系统和电气设备提供谐波标准。在电力电子及电力传动、电力系统及其自动化及电机电器研究领域，减少谐波污染和提高功率因数已经成为了一个广泛研究的课题，也得到了越来越多的重视。很多年前就开始着手进行该方面的研究，通过投入大量的电力滤波装置，良好的经济效益的实现已经成为现实。相反的，我国仍处于电力滤波器的研究尚处于起步阶段，因此该方向的研究具有重大的经济和社会价值，显示出了良好的发展前景。

1谐波危害和谐波治理方法

1.1谐波问题的出现

电力系统中存在着各种非线性负荷，是畸变波形的产生最主要原因。电网中谐波主要有这几个来源[2]：

（1）输配电系统中饱和的变压器铁心、非线性的磁化曲线会导致谐波的产生。（2）发电机和铁心结构不对称，在运行时会产生谐波。（3）电网中存在着各种不理想的非线性负载会产生谐波。

1.2谐波的危害

谐波的出现，影响了公共电力系统的正常运行，它威胁了所使用的电气设备，也给各种通信系统和公共电力系统之外的电气设备带来了极大的危害。谐波电压和电流的危害主要可以用以下几点进行阐述[3]：(1)谐波电流导致公共电力系统中的电气设备出现额外的损耗。(2)谐波电流导致大多数电气设备的无法正常工作。(3)谐波电流会导致并联谐振和串联谐振在公用电网中局部出现，从而加剧谐波的危害。(4)谐波电流会导致继电保护装置的不动作或误动作，并会使测量仪器的准确性受到很大影响。(5)由于电磁感应和电磁耦合等原理，靠近谐波电流的通信系统的正常工作会受到极大的干扰，轻者引发噪声，使通信质量受到影响；重者信息发生丢失，通信系统趋于崩溃。

1.3谐波治理方法

公用电网的正常运行由于谐波的产生，受到了极大的影响和危害，谐波治理可采用的方法分为:(1)主动治理：即治理着手于谐波源处。(2)谐波接收端治理：即改善接收谐波的电气设备的结构。(3)被动治理：即通过滤波器的外加。

2谐波电流检测技术和控制方法原理

2.1谐波的实时检测技术

不同的技术有不同的精确度和检测速度，这两点是有源电力滤波器的重要性能指标。本节简要讨论了两种不同的谐波电流检测技术[4]，即谐波的实时检测技术和基于瞬时无功功率理论的Ip-Iq谐波电流检测法及其改进方法。

如果能够实时地检测出谐波电流，则能使得电力滤波器的精度得到较大提高。随着谐波污染的逐渐严重，提高电网的电能质量已经成为电力电子领域的研究焦点，在非线性电路方面，功率理论逐渐引起人们的重视，谐波检测的深入也逐渐被提上日程。

2.2基于FFT的数字分析法

其原理可描述为将谐波信号进行周期性发FFT分解，便得到了各次谐波电流的相位及幅值，至此便可写出各次谐波的数学式。由于新加入的数据采样点是逐步的，当系统含有的谐波量发生变化时，必须在一个完整的周期后，经过FFT分解得到的各次谐波分量才能跟的上谐波量的突变。该分析法会延时一个完整的周期。FFT方法简单明了，可以人为也有目的地选择要补偿的谐波电流，能满足各种情况的需求。

2.3控制方法的研究

本文在在PWM逆变器中，晶闸管器件受到控制电路控制，矩形波脉冲会得到相应触发，通过这种方法可以发出适当的补偿电流[5]，跟踪参考电流值，以期实现补偿效果最大理想化。需要对控制电路提出比较高的要求。在本研究课题中，两部分构成了电力滤波器控制环节，一部分是脉冲生成电路，一部分是控制实现电路。细分而言，控制算法处理环节对由上一级传来的触发信号进行数字处理，具体实现时采用上一章阐述的谐波电流检测法，测出滤波器所需谐波电流和实际产生的谐波电流进行比较，根据不同的差值，晶闸管器件开通或关断，即产生相应的逻辑“0”和逻辑“1”，开关器件驱动器再对该逻辑信号进行处理，使得其转变成驱动信号，从而为逆变器主电路服务。

3实例计算

3.1混合型有源滤波器的仿真研究

本课题所涉及的混合有源电力滤波器主要用于补偿负载的感性谐波。其基本电路结构如图1所示。从该框图中我们可以发现，该滤波器的组成部分为有源、无源两部分。无源环节包括5次、7次和11次谐滤波器，且无源环节在补偿功能方面发挥主要作用[6]。而有源环节可分为直流电压源、三相逆变器和直流输出侧电感等几部分，主要用于改善该滤波器的滤波效果，同时也能有效地抑制电力系统的阻抗部分与无源环节产生谐振，节约了投资费用。

图3有源滤波器效果

图2和图3分别是无源滤波器作用下的滤波效果图和有源滤波器下的滤波效果图。

从图2和图3中可以看到，投入有源滤波器比无源滤波器的滤波效果好很多，而并联混合型滤波器在改进滞环控制方式下具有最佳的滤波效果。电网电流的谐波率THD=6.72%。

4总结

无源和有源滤波器有着各自的优点，如无源滤波器构造简易，且实现方便，成本较低，但是投入电力系统运行时的谐振问题也不可避免；相比之下有源滤波器的造价比较昂贵，但补偿谐波电流的性能较好。将两者优点综合利用起来，便构成了混合型有源电力滤波器，作为抑制谐波的方法，具有非常好的性能。混合型有源电力滤波器的发展前景十分光明，也是本课题研究的重点。因此对混合型有源电力滤波器的研究具有极强的现实意义和研究价值。本文通过对混合型有源滤波器的分析以及MATLAB的建模仿真，验证了混合型有源滤波器在滤除谐波方面的有效性和优越性。

参考文献：

[1]郑守明,周辛南.电力谐波对电能计量影响的分析与探讨[J].城市建设理论研究:电子版,2016(9).

[2]邵李斌,王虎,吕琨璐,等.电网谐波的来源、危害及其监测意义[J].电气时代,2015(7):78-79.

[3]李建民.浅谈配电网谐波的危害及其治理措施[J].科技创新与应用,2014(34):155-155.

[4]陈泽旭.基于加窗插值FFT的电力谐波检测技术研究[D].沈阳工业大学,2012.

[5]侯文宾.基于嵌入式系统的电力谐波检测技术应用研究[J].技术与市场,2018(6).

[6]韩素敏,谢东垒,张伟,等.基于基波磁通补偿和二次侧单调谐技术的无源滤波方法研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(6):46-49.