并联型混合有源滤波器与SVC的综合Simulink仿真

李文娣

摘 要：提出1种TCR型SVC与并联型混合电力滤波器综合补偿系统，该系统能够有效补偿无功功率和抑制谐波。简要叙述了与该系统有关的内容，以期为其今后的使用提供参考和借鉴。

关键词：APF；无功补偿；谐波检测；滤波器

中图分类号：TN713+.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.007

随着现代工业的发展，大量的非线性负载被使用在电网中，尤其是将电力电子设备应用在发电、输电、配电和用电的过程中，对电网的污染也日渐严重。在此过程中，其污染主要来自无功功率和谐波两个方面。本文将并联混合电力滤波器和SVC并联使用，这样既可以补偿无功功率，也可以有效抑制谐波电流。

1 系统拓扑结构

无功谐波综合补偿系统的拓扑结构如图1所示。

图1 综合系统拓扑结构

该系统主要是由并联型混合滤波器、TCR 型SVC和负载等部分构成的。并联型混合电力滤波器是由有源电力滤波器（APF）和无源电力滤波器（PPF）组成的。其中，APF 的作用是改善PPF的滤波特性，避免无源滤波器易与电网阻抗发生谐振的情况发生，进而改善补偿效果。

2 有源电力滤波器电流检测方法瞬时无功功率运算

并联有源滤波器技术现已经成熟，主要适用于非线性负载的电流源、无功功率补偿和消除三相系统中的不平衡电流的谐波电流等，是目前使用最广泛的APF拓扑。

与p-q检测法相比，ip-iq检测法用锁相技术提取A相基波电压的相位，以此代替系统相电压，所以，这种算法的检测结果不受电压波形畸变的影响。将基波分量变换到零频率处，用数字低通滤波器提取基波信号，可以消除模拟低通滤波器的相位问题，并且不会造成有些频率分量的增大或衰减。

该方法的原理如图2所示。图2中：

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与p、q运算方式相似，如果要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图2中计算iq的通道即可；如果只需检测无功电流，则只要反变换iq即可。

3 有源电力滤波器控制策略

滞环比较方式的原理是将指令电流与补偿电流的偏差作为滞环控制器的输入，输出则为PWM脉冲信号，这些半导体开关器件的开关频率是随着滞环控制器的输入，即电流偏差信号变化而变化的。针对传统滞环固定环宽控制器开关器件开关频率高并且范围广的问题，建立如下数学模型。根据基尔霍夫电压定律，由图1可得：

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式（2）中：Vsa为A相电源侧电压；L为电感系数；ica为A相电源测电流；Va为a点电压，当a桥臂上半部导通时，Vs等于0.5 Vdc，反之，当a桥臂下半部导通时，Vs等于-0.5 Vdc。

此时，当逆变器实际输出电流等于指令电流时，可得：

式（3）中：i*ca为指令电流；v*a为a点参考电压，当a点实际电压等于参考电压时，逆变器主电路输出电流等于指令电流。

将式（3）减去式（2）得：

式（7）中：HB为滞环宽度；Vdc为直流侧电压；fc为开关管开关频率；Vsa为电源侧电压；L为电感系数。

由式（7）可知，在传统滞环电流控制中，HB是固定不变的，因此，开关频率是随着直流侧电压、电源侧电压和指令电流的斜率变化而变化的。所以，只要环宽HB能够随着直流侧电压、电源电压和指令电流斜率变化而调整，那么，就能保持开关管的开关频率不变。基于此，本文设计了随着直流侧电压、电源电压和指令电流斜率变化而变化的可变环宽滞环电流控制器。将指令电流与补偿电流之间的偏差信号送入滞环比较器后，输出PWM脉冲信号，以此来驱动主电路产生所需的补偿电流。其中，滞环比较器的滞环宽度是由滞环宽度计算器得到的，只需在滞环宽度计算器中分别输入电源电压、直流侧电压和指令电流偏差。

4 TCR的控制策略

当电网中的负载发生扰动时，无功补偿控制系统能够控制电网电压，将其设为给定值，并且在保证电网电压为给定值的同时，能够进一步提高系统的功率因数。

根据控制的要求，要想得到恒定的电压，就需要引入电压闭环控制。电压环内为导纳补偿环，其设置的目的就是当系统应对负载扰动时，响应速度能够更快。当负载发生扰动，瞬时检测到负载的无功导纳变化量时，TCR可根据检测到的无功导纳的变化计算出触发角α，从而改变TCR的输出瞬时抵消负载无功导纳的变化。同时，由于负载有功导纳也会发生变化，所以，用电压调节器输出改变导纳的给定值，以此保证系统电压的不变。此时，由于调节器输出的给定值发生了变化，系统的功率因数也会随之发生变化，所以，在设计时，要保证其功率因数在相应的范围内变化。 5 综合系统仿真及其分析

采用MATLAB6.5仿真软件进行仿真和分析。在 MATLAB/ Simulink中，对综合系统低压配电系统（380 V，50 Hz）补偿谐

波电流和无功功率的情况进行仿真和分析。在仿真模型中，采用ode45算法，而配电系统的电源为我国常用的三相对称电压源。为了科学地分析系统的补偿效果，非线性负载采用三相不控整流带阻感对称负载，并且R=20 Ω，L=0.1 mH，此时，非线性负载三相对称。模型由两部分组成，一部分为并联型混合有源滤波器模块，另一部分为SVC模块。下面简要介绍模型和仿真情况。

观察A相补偿前电网电流的波形及其频谱，发现未进行补偿时，A相总谐波畸变率THD=30.24%，此时的功率因数为0.707 2；而补偿后，观察A相电网电流波形及其频谱图，PWM的开关频率为10 kHz。当谐波电流被补偿后，A相电网电流的总畸变率THD=3.56%，此时，功率因数为0.918 8，如图3所示。

采用建模仿真和实验调试相结合的方法检验综合系统的参数和补偿效果，给出了仿真和实验波形，并分析了仿真结果。仿真结果表明，该系统能有效抑制谐波，补偿无功功率。

6 结论

目前，在无功补偿装置中进行谐波治理的一个重要趋势是采用有源滤波器APF。此方案就是在原来FC+TCR的基础上，增加了1个有源滤波器。该装置不仅能补偿无功和各次谐波，还可抑制闪变，具有高度可控性和快速响应性。它是无功补偿和谐波治理领域研究的主要发展方向。

参考文献

[1]中国电力科学研究院.电力系统分析综合程序用户手册[M].北京：中国电力科学研究院，2001.

[2]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，2006.

〔编辑：白洁〕