关于PSIM的并联型有源电力滤波器的仿真研究
【摘要】并联型有源电力滤波器能够补偿非线性负载产生的谐波电流、抑制电网电流谐波含量，提高电网的电能质量。文中提出了并联型有源电力滤波器PAPF（parallel active power filters）新型控制方案，通过仿真验证了分析的正确性。
【关键词】谐波；有源电力滤波器；仿真
1.并联型有源电力滤波器应用现状
当今，电网中的谐波危害已经引起广泛关注。传统的谐波抑制方式是使用LC无源滤波器。这种滤波器只能吸收固定频率的谐波，并且容易与电网阻抗发生并联谐振。有源电力滤波器克服LC无源滤波器的缺点，能够实现谐波一直和无功功率补偿双重功能。目前，在小容量领域被广泛采用。在各种有源电力滤波器中，并联型有源电力滤波器应用最广，不同于传统的LC无源滤波器的是，及时补偿对象的谐波频率和幅值都在变化，也具有良好的补偿特性。
2.并联型有源电力滤波器的结构
并联型有源滤波器普遍应用于三相三线制系统，针对这种系统的滤波器结构和控制策略的研究也比较成熟。目前，在我国诸如计算机、电视机、电子镇流器、微波炉等用电设备大多为单相负荷，他们的数量比较大，其对电网产生的谐波及三相之间的不平衡的影响变得不可忽视；同时三相四线制系统在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中广为应用，所以对三相四线制系统中的谐波和三相不平衡进行补偿具有重要的意义。
本文只对应用与三相三线制系统并联型有源电力滤波器控制策略进行研究，其结果对三相四线制系统同样具有参考意义。图1为三相三线系统并联型有源电力滤波器系统结构。
图1三相三线系统并联型有源电力滤波器原理
3.并联型有源电力滤波器的传统控制策略
3.1谐波的检测
传统并联型有源电滤波器要有谐波检测环节，常用的方法有基于瞬时无功率理论的p-q、ip-iq法。不论采用那一种方法，检测环节均具有低通滤波器，低通滤波器的延时特性影响控制系统的快速响应。
3.2三角波比较电流跟踪控制法
功率变换的开关管的驱动信号通过三角波比较电流跟踪控制产生的PWM波来提供，其原理如图2所示。
图２三角波比较电流跟踪控制原理
补偿指令电流信号i*c与实测电流信号i*c的偏差△ic经PI调节器后再与三角载波比较，这样组成的控制系统是基于把△ic控制为最小来进行设计的。
3.3直流测电压控制及控制系统的原理
为了保证有源电力滤波器有良好的补偿电流跟踪性能，变流器直流侧电容的电压相对稳定是必须的，即要对电容的电压加以控制，使之处于一个适当的值。
图3为基于谐波检测的传统并联型有源电力滤波器控制原理图。图3中同时也给出了有源电力滤波器直流侧电容电压的控制原理。电容电压的给定值V*dc与实际测量值Vdc的差经PI调节器后得到调节信号△ip,将△ip叠加到瞬时有功电流的直流分量ip上，经运算使指令信号i*c包含一定的基波有功电流，是有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将Vdc调节至给定值。
图3检测负载电流谐波的控制策略
4.新型控制策略
给出了不还谐波检测环节的并联型有源电力谐波器的新型控制策略原理，同样存在两个控制环：电流内环和电压外环。
iL为三相负载电流的简化标记，is为三相电源电流的简化标记，ic为三相变流器输出补偿电流的简化标记。若电网电压为三相对称电动势，如式（1）所示：
ea=Emsincot
eb=Emsin(cot-2π/3)(1)
ec=Emsin(cot+2π/3)
设电压幻经PI控制器的输出为△ic,图中的电压环的含义可用式（2）一组方程描述。
△ic=i*c-ic（2）
新型控制策略的电流指令的产生可用式（3）来描述，其实质是维持直流测电压恒定的有功电流。
i*c=iL-△p·sin(cot+φi)(i=a,b,c)(3)
式（3）中φi分别是与电源i相初相位相同的相角(i=a,b,c)。
补偿电流指令由两部分组成：直接取反负载电流和维持直流测电压恒定的有功电流。前者电流指令主要作用是滤除负载电流中的谐波电流和无功电流，但若只有前者电流指令，直流测电压将会迅速降落，有源电力滤波器将不能工作。后者电流指令将使得稳态下，有源电力滤波器将通过吸收少量有功电流，维持直流测电压稳定，系统能够正常工作。
5.仿真模型及仿真结果
从上至下依次为负载的电流波形、并联型有源电力滤波器输出地补偿电流波形、补偿后电网电流波形和直流侧电容电压波形。
6.小结
不需要检测谐波的新型控制策略，其具有传统检测负载电流谐波控制策略的较好的动态性能，同时又有检测直流测电压控制策略的间接性，并通过仿真验证了其正确性和可行性。其控制上具有原理简洁清晰、结构简单和仅使用模拟器件即可实现的特点。■
【参考文献】
［１］王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2006(2).
［２］杨君，王兆安.并联型电力有源滤波器控制方式的研究[J].西安交通大学学报，1995.29（3）：97-101.
［３］阮立飞，张万峰等.三相并联有源滤波器的模型与控制[J]，电气传动，2002（3）：36-38.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关于PSIM的并联型有源电力滤波器的仿真研究
