基于MATLAB仿真的谐波滤波设计

钱欢 金玫秀 徐海博 钱伟 於劲飞

【摘 要】随着科技的不断进步和人们需求的不断增长，在实际生活中的工业现场、电网传输、快速运输系统等众多领域，电力电子装置被广泛使用，其中谐波问题被研究人员视为巨大的阻碍而得到了更多的关注。谐波产生的危害十分严重，谐波会造成电压畸变，降低电力系统的功率因数，增加损耗，大幅减少使用寿命，甚至发生不对称故障及不可逆的毁坏。本文介绍了对谐波和电力滤波器的研究和仿真的过程，主要包括研究谐波的检测方法、研究SVPWM控制方式，设计有源电力滤波器并进行仿真，滤波后的波形与正弦波相近，满足电力滤波装置的谐波抑制特性。

【关键词】谐波;电力滤波器;SVPWM控制;MATALB仿真

中图分类号： TM461;TM743 文献标识码： A 文章编号： 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 緒论

1.1 课题背景与实际意义

随着人们对高质量生活品质需求的不断增长，电力电子装置在实际生活中的控制系统、电网传输、运输系统等众多领域得到广泛的应用，其中谐波问题一直被作为最严重的问题之一，急需从事该行业的研究人员进行有效的解决。

在当今社会，电力电子装置产生的谐波污染已经成为各个领域发展的重大阻碍，随着五大发展理念深入人心，减少谐波就是“绿色发展”的目标之一。所以减少谐波污染，已成为电网设计，特别是电力电子技术中的一个关键方向。

1.2 研究现状和进展

1.2.1 国外研究现状和进展

大约从五六十年代开始，国外对电力谐波问题开始展开研究，当时主要研究的是由高压直流输电技术中变流器引起的谐波问题。20世纪70年代以来，在日常生活的各个方面中，使用各种电力电子装置的次数越来越多，谐波造成的危害也日趋严重。世界上各国对谐波问题都比较重视，关于谐波问题的国际研究性会议也在一直开展。

1.2.2 国内研究现状和进展

在美国、日本、德国等之后，我国在有源电力滤波器研究的深入开展过程中，得到各行各业的特别关注，投入了很大的精力，但和其他发达的国家相比还有一定的差距。围绕有源电力滤波技术的研究，我国还处在进一步攻克的关键时期，特别是在治理谐波的同时又补偿无功功率的混合型APF领域，还有很多关键技术亟待突破。

2 并联型有源电力滤波器概述

2.1 并联型有源电力滤波器工作原理

电流补偿发生器与指令运算电路共同作用，形成了并联型电力有源滤波器（APF）。对需要补偿的对象进行电流检测，在电流补偿发生电路的作用下，补偿电流的指令信号会被放大，这样补偿电流便可得到，与所需补偿的无功电流及谐波抵消，我们所需要的电源电流便可通过这一系列的过程取得。

2.2 SVPWM控制方式介绍

电压矢量控制（SVPWM）的过程是，根据不同的情况切换三相逆变器开关方式，在这过程中PWM波便会形成，实际磁链矢量也会形成，用它来跟踪标准磁通圆。电压矢量控制方法用整体式的模型，将异步电机和逆变系统一体化考察，模型比较简单，也便于微处理器的实时控制，被称为磁通正弦PWM法。而SPWM方法是在电源模型的基础上，涉及到产生正弦波的可用于调压调频的电源。

我们要确定的就是在任意一个圆的位置，这三个波形里哪一个波形对它产生作用，作用时间是多少，我们就能够确定这么一个波形可以合成。同时，我们要根据这个三角形分成几段之后对应下来，它的时间是多少，也就是那个三角形对应的时间点，就是它的作用时间点。

3 有源电力滤波器设计及仿真分析

3.1 有源电力滤波器设计

主要围绕并联有源电力滤波器系统，进行仿真电路设计并进行分析。如下图所示，主要的参数为：（1）电网：三相理想电压源为380V，内阻为0.5，频率为50Hz。（2）非线性负载：采用三相桥式全控整流器。整流器的直流侧为阻感性负载，R=15，L=20H（3）谐波检测：采用p-q谐波电流检测方法。

3.2 模型设计及仿真分析

相关模块解释如下：

Sine Wave1-3是相位相差120度的三个信号，我们所需要的旋转空间矢量就是这三个向量的合成;Atomic Subsystem和shanqu分别是用来进行扇区、扇形区的判断;三相PWM波形与基本矢量作用时间计算的合成是XYZ;Multiport Switch是三个开关，一个开关选择形成一路。

从上面的波形图中可以发现：滤波之前，非线性负载侧的谐波分量较大，但是通过设计的有源滤波器模型后，与标准的正弦波相比，系统输入电流很相近。由电力电子装置产生的谐波，在设计的有源电力滤波器的作用下补偿效果比较好，验证了电压矢量控制方式以及设计的电力滤波器的可行性。

4 总结

4.1 课题总结

本项目在已有的知识基础上，围绕谐波滤波阐释了谐波的检测方法和电压矢量控制方法，通过MATLAB软件设计了相应的有源电力滤波器模型并进行了仿真，通过对仿真结果的比较，验证了用电压矢量控制方式设计的有源滤波器，具有更好的控制性能，更利于数字化设计。

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