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Abstract Compared with the conventional passive filter, active power filter has characteristics of good dynamic responses and no effects from the system’s impedance. The type of the harmonics compensation utilized by APF directly determined the effectiveness of the harmonics compensation. Due to the traditional method, which comparas the transient values between the reference and real currents has the disadvantages of high switching frequency and high loss and so on. In this paper, SVPWM is proposed to control the APF. The results of the simulations demonstrate that SVPWM could low the switching frequency and the loss of the system.
Key words Active power filter Harmonics compensationMatlab simulation
摘要与传统无源滤波器比较，有源电力滤波器具有动态响应特性好，滤波特性不受系统阻抗影响等优势。而APF所采用的谐波电流补偿方法，直接决定了谐波补偿的效果。由于传统的瞬时值比较控制方法具有功率器件开关频率较高，损耗较大等缺点。本文提出采用SVPWM控制有源电力滤波器。仿真结果证明采用SVPWM控制方式的有源电力滤波器可有效的降低开关频率、减少系统的开关损耗。
关键词有源电力滤波器 谐波补偿SVPWMMatlab仿真
中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：
近年来,随着各种非线性电路的电力电子装置被广泛应用,其所产生的谐波电压和谐波电流对公用电网造成了严重污染。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失是很难估量的。与传统无源滤波器比较，有源电力滤波器具有动态响应特性好、滤波特性不受系统阻抗影响、可同时补偿无功和谐波电流等优势。本文在分析有源电力滤波器数学模型的基础上，根据传统瞬时值比较控制方法开关器件损耗过大的不足，提出了基于SVPWM控制的有源电力滤波器。
1 有源电力滤波器的工作原理
在各种有源电力滤波器中，占主導地位的是并联型有源电力滤波器，其主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成，如图1所示。
图1并联型有源电力滤波器的系统构成框图
Fig.1 System structure of shunt active power filter
并联型有源电力滤波器的原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的电源电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的[1]。
2 基于SVPWM有源电力滤波器控制策略
APF主电路由开关管与二极管反并联单元组成的三相三桥臂变流器组成。为了便于分析主电路的工作状态及建立其数学模型，有源电力滤波器主电路如图2所示[2]。
图2 有源电力滤波器主电路拓扑结构图
Fig.2 Main circuit topology of Active Power Filter
功率开关器件的损耗电阻用来表示，也就是说实际的功率开关管可由理想开关与电阻串联来等效。网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和；忽略主电路中直流侧电压的波动，等效为一理想的直流电压源。主电路上同一个桥臂的上下两个开关管工作于互补工作状态，且不考虑死区时间的影响。图2中，、、是逆变器相电压， 、、为电网相电压， 、、为非线性负载电流， 、、为逆变器产生的补偿电流， 、、为电网电流。
设定开关函数为:
有源电力滤波器的电阻:，其中为功率开关管的损耗电阻，为交流侧电感等效电阻。所以，由电路原理得出a相回路方程[3]：
由于 所以得出:
同理可以得出:
假定、、为逆变器相电压、、
的补偿电流。所以得出：
如果忽略电阻的影响
将上式离散化得
进而得出
系统检测的谐波指令电流近似代替第k+1次补偿电流采样值；将有源滤波器实际的补偿电流作为第k次采样值代入上式，再与电网电压
做差，就可以求出逆变器桥臂中点的参考电压。
3 有源电力滤波器的仿真研究
有源电力滤波器的仿真模型主要有两部分组成，分别为有源电力滤波器和非线性负载模块。其中有源滤波器模块包括谐波检测模块、PWM信号产生模块以及主电路模块；非线性负载模块采用直流侧带阻感性负载的二极管整流电路模块。有源电力滤波器仿真图如图3所示[4]。
图3 有源电力滤波器系统构成模型图
Fig.3 Diagram of active power filter system module
3.1 仿真结果分析
本文以a相为例，对有源电力滤波器进行瞬时值比较方法和SVPWM控制方法进行仿真，仿真结果如图4～12所示。
图4 负载电流波形
Fig.4 Waveform of load current
图5 瞬时值比较法补偿后电流波形
Fig.5 Waveform of source current after compensation based on instantaneous comparison method
图6 补偿控制电路生成的PWM信号
Fig.6 PWM signal produced by compensation circuit
图7 谐波指令电流与实际跟踪电流波形图
Fig.7 Waveform of indicated harmonic current and detected compensation current
图8 瞬时值比较法补偿后的电源电流与FFT分析
Fig.8 Waveform and FFT analysis diagram of source current after compensation based on instantaneous comparison method
图9空间矢量控制法补偿后的电源电流波形
Fig.9 Waveform of source current after compensation based on space vector control method
图10谐波指令电流与实际跟踪电流波形图
Fig.10 Waveform of indicated harmonic current and detected compensation current
图11补偿控制电路生成的PWM信号
Fig.11 PWM signal produced by compensation circuit
图11空间矢量控制方法补偿后电流及FFT分析
Fig.11 Waveform of FFT analysis diagram of source current after compensation based on space vector control method
3.2两种控制方法的比较
由仿真结果可以得出瞬時值比较法硬件实现容易、电流动态响应速度快、电流跟踪误差小等优点，而且畸变率最小。但是瞬时值比较法的缺点是开关频率不固定，且开关频率随负载而变化，当变流器直流侧电压不够高和交流侧电流太小时控制效果不理想。而空间矢量控制法很好的补偿谐波电流，补偿后的电网电流波形己经非常接近正弦波。空间矢量控制方式对零矢量的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗。另外，从PWM信号波形图可以看出空间矢量控制方法生成的PWM信号频率低于瞬时值比较控制方法，开关器件的损耗小，而且可以通过编程改变频率值，非常适合数字化实现。
4 结束语
本章利用Matlab搭建了有源电力滤波器仿真模型，并分别对有源电力滤波器的瞬时值比较法和空间矢量控制方法进行仿真。通过仿真结果对两种控制方式进行比较可以得出瞬时值比较法方法仿真模型相对简单，但是其开关频率过大；空间矢量控制方法通过对零矢量的合理控制大大降低了开关频率，并且跟随误差很小、利于数字实现。
参考文献
1 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]，北京：机械工业出版社，1998， 4-6.
2 田大强，蒋平，唐国庆.空间矢量控制在有源滤波器中的应用研究[J]，电力电子技术，2003，37(4) :1-3.
3 周君求，陈兰玉，高向坤.基于开关函数的大功率混合型有源滤波器的建模研究[J]，南华大学学报(自然科学版)，2008，22(2) :46-49.
4 颜晓庆，王兆安.并联型电力有源滤波器的仿真研究[J]，西安交通大学学报，1997，31(11) :88-93.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
Key words Active power filter Harmonics compensationMatlab simulation
摘要与传统无源滤波器比较，有源电力滤波器具有动态响应特性好，滤波特性不受系统阻抗影响等优势。而APF所采用的谐波电流补偿方法，直接决定了谐波补偿的效果。由于传统的瞬时值比较控制方法具有功率器件开关频率较高，损耗较大等缺点。本文提出采用SVPWM控制有源电力滤波器。仿真结果证明采用SVPWM控制方式的有源电力滤波器可有效的降低开关频率、减少系统的开关损耗。
关键词有源电力滤波器 谐波补偿SVPWMMatlab仿真
中图分类号：TN713文献标识码：A文章编号：
近年来,随着各种非线性电路的电力电子装置被广泛应用,其所产生的谐波电压和谐波电流对公用电网造成了严重污染。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失是很难估量的。与传统无源滤波器比较，有源电力滤波器具有动态响应特性好、滤波特性不受系统阻抗影响、可同时补偿无功和谐波电流等优势。本文在分析有源电力滤波器数学模型的基础上，根据传统瞬时值比较控制方法开关器件损耗过大的不足，提出了基于SVPWM控制的有源电力滤波器。
1 有源电力滤波器的工作原理
在各种有源电力滤波器中，占主導地位的是并联型有源电力滤波器，其主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成，如图1所示。
图1并联型有源电力滤波器的系统构成框图
Fig.1 System structure of shunt active power filter
并联型有源电力滤波器的原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的电源电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的[1]。
2 基于SVPWM有源电力滤波器控制策略
APF主电路由开关管与二极管反并联单元组成的三相三桥臂变流器组成。为了便于分析主电路的工作状态及建立其数学模型，有源电力滤波器主电路如图2所示[2]。
图2 有源电力滤波器主电路拓扑结构图
Fig.2 Main circuit topology of Active Power Filter
功率开关器件的损耗电阻用来表示，也就是说实际的功率开关管可由理想开关与电阻串联来等效。网侧滤波电感是线性的，且不考虑饱和；忽略主电路中直流侧电压的波动，等效为一理想的直流电压源。主电路上同一个桥臂的上下两个开关管工作于互补工作状态，且不考虑死区时间的影响。图2中，、、是逆变器相电压， 、、为电网相电压， 、、为非线性负载电流， 、、为逆变器产生的补偿电流， 、、为电网电流。
设定开关函数为:
有源电力滤波器的电阻:，其中为功率开关管的损耗电阻，为交流侧电感等效电阻。所以，由电路原理得出a相回路方程[3]：
由于 所以得出:
同理可以得出:
假定、、为逆变器相电压、、
的补偿电流。所以得出：
如果忽略电阻的影响
将上式离散化得
进而得出
系统检测的谐波指令电流近似代替第k+1次补偿电流采样值；将有源滤波器实际的补偿电流作为第k次采样值代入上式，再与电网电压
做差，就可以求出逆变器桥臂中点的参考电压。
3 有源电力滤波器的仿真研究
有源电力滤波器的仿真模型主要有两部分组成，分别为有源电力滤波器和非线性负载模块。其中有源滤波器模块包括谐波检测模块、PWM信号产生模块以及主电路模块；非线性负载模块采用直流侧带阻感性负载的二极管整流电路模块。有源电力滤波器仿真图如图3所示[4]。
图3 有源电力滤波器系统构成模型图
Fig.3 Diagram of active power filter system module
3.1 仿真结果分析
本文以a相为例，对有源电力滤波器进行瞬时值比较方法和SVPWM控制方法进行仿真，仿真结果如图4～12所示。
图4 负载电流波形
Fig.4 Waveform of load current
图5 瞬时值比较法补偿后电流波形
Fig.5 Waveform of source current after compensation based on instantaneous comparison method
图6 补偿控制电路生成的PWM信号
Fig.6 PWM signal produced by compensation circuit
图7 谐波指令电流与实际跟踪电流波形图
Fig.7 Waveform of indicated harmonic current and detected compensation current
图8 瞬时值比较法补偿后的电源电流与FFT分析
Fig.8 Waveform and FFT analysis diagram of source current after compensation based on instantaneous comparison method
图9空间矢量控制法补偿后的电源电流波形
Fig.9 Waveform of source current after compensation based on space vector control method
图10谐波指令电流与实际跟踪电流波形图
Fig.10 Waveform of indicated harmonic current and detected compensation current
图11补偿控制电路生成的PWM信号
Fig.11 PWM signal produced by compensation circuit
图11空间矢量控制方法补偿后电流及FFT分析
Fig.11 Waveform of FFT analysis diagram of source current after compensation based on space vector control method
3.2两种控制方法的比较
由仿真结果可以得出瞬時值比较法硬件实现容易、电流动态响应速度快、电流跟踪误差小等优点，而且畸变率最小。但是瞬时值比较法的缺点是开关频率不固定，且开关频率随负载而变化，当变流器直流侧电压不够高和交流侧电流太小时控制效果不理想。而空间矢量控制法很好的补偿谐波电流，补偿后的电网电流波形己经非常接近正弦波。空间矢量控制方式对零矢量的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗。另外，从PWM信号波形图可以看出空间矢量控制方法生成的PWM信号频率低于瞬时值比较控制方法，开关器件的损耗小，而且可以通过编程改变频率值，非常适合数字化实现。
4 结束语
本章利用Matlab搭建了有源电力滤波器仿真模型，并分别对有源电力滤波器的瞬时值比较法和空间矢量控制方法进行仿真。通过仿真结果对两种控制方式进行比较可以得出瞬时值比较法方法仿真模型相对简单，但是其开关频率过大；空间矢量控制方法通过对零矢量的合理控制大大降低了开关频率，并且跟随误差很小、利于数字实现。
参考文献
1 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M]，北京：机械工业出版社，1998， 4-6.
2 田大强，蒋平，唐国庆.空间矢量控制在有源滤波器中的应用研究[J]，电力电子技术，2003，37(4) :1-3.
3 周君求，陈兰玉，高向坤.基于开关函数的大功率混合型有源滤波器的建模研究[J]，南华大学学报(自然科学版)，2008，22(2) :46-49.
4 颜晓庆，王兆安.并联型电力有源滤波器的仿真研究[J]，西安交通大学学报，1997，31(11) :88-93.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。