并联混合滤波器的原理及仿真研究分析
引言
近年来，随着越来越多的电力电子设备及非线性、冲击性设备的广泛应用，电网中的谐波污染日趋严重。谐波的出现不仅使电能生产、传输和利用的效率降低，而且还会破坏或影响周围用电设备的正常工作，干扰无线电通讯，从而造成人所共识的危害。因此，对谐波的抑制及滤除日益引起人们的关注。
抑制谐波主要有两个基本措施：一是对电力电子装置进行改造，尽量减少谐波的产生；二是安装谐波补偿装置来补偿谐波，或者安装滤波装置将谐波滤除。目前国内在配电网这级用于抑制谐波和调节无功的传统方法是采用由电抗器和电容器组成的无源滤波器(passive filter，缩写为pf)，但该虑波器一般只适用于补偿固定频率的谐波，其针对性较强，滤波效果会受到电网阻抗和运行状态的影响，严重时甚至会和电路中其它元件发生谐振，从而造成谐波的放大。为了克服无源滤波(pf)的缺点，自上世纪80年代以来，人们提出了有源滤波(active power filter，缩写为apf)的设计概念。如果将两者结合起来一起应用，就构成了本文所提出的混合滤波，即混合滤波器。混合滤波器可以分为并联混合滤波器和串联混合滤波器两种类型，本文只针对并联混合滤波器进行研究和分析。
1、并联混合滤波器的基本原理
图1为并联混合滤波器的原理图。图中的非线性负载为主要谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。并联混合滤波装置中的有源滤波部分为整个电路的核心，它通过连接电感与输电线路进行连接，其内部又分为两大部分：一部分用于检测补偿对象的电压和电流，并经过相应的运算计算出电路谐波和无功电流分量，有时候又称为谐波和无功电流检测电路；另一部分为补偿电流发生电路，主要根据检测电路检测出的相应信号得出相应的指令信号，从而产生实际的补偿电流。目前的有源滤波器主电路均采用pwm变流器。无源滤波部分只对特定次数的谐波进行滤除，本文主要分析电路中存在的5次、7次和11次谐波。
2、谐波检测原理及方法
谐波检测的方法有很多种，本文采用基于同步旋转park变换的d-q法。其基本思想是将a-b-c坐标系下的电流量变换到d-q坐标系下的谐波与无功电流来进行检测图2所示是用d-q法检测谐波电流的原理图。
该推导过程的前提是三相电压电流必须对称，实际上，对于不对称系统，上述方法仍然有效。其具体推导过程可参见有关文献。图3为本文所采用的谐波检测仿真模型。
3、连接电感的作用
之所以有源滤波器需要通过连接电感与输电线路相连接，主要因为电感中的电流不能突变，而有源滤波器中的变流器在变流过程中会产生纹波电流，而接人连接电感可以消除纹波电流(即高次谐波成份)，从而起到平波的作用。然而，连接电感的存在也会影响到有源滤波器对传输线路中电流信号的跟踪速度。因此，这里就存在一个难以调和的矛盾，为了滤除纹波电流，要求连接电感的感值要尽量大些；但是，如果要求有源滤波器实时快速地跟踪传输线路中的电流信号，连接电感的感值就必须小一些。为了兼具这两点，在满足跟踪速度要求的基础上，还要尽量滤除纹波电流成份，那么，连接电感的感值就必须取得适中。
4、仿真模型及波形分析
并联混合滤波器的仿真模型如图4所示，该仿真模型中的非线性负载采用整流桥接rlc电路来构成矩形负载，其中r=5 ω，l=50 mh，c=无限小；输入信号为标准的三相平衡正弦电压波形，幅值为220 v。应用快速傅立叶工具分析得到的负载谐波含量如图5所示，其主要谐波为5次、7次和11次，而且含量很大，因此，应特别为此设计无源滤波参数。
事实上，连接电感对滤波效果会产生较大的影响，图6和图7分别是连接电感为2 mh和3 mh时的波形图及其谐波含量分析图。
5、结束语
本文给出了并联混合滤波器的仿真模型，分析了连接电感对谐波抑制的影响，同时给出了谐波检测模块的具体算法。从本文给出的相应波形图中可以看出，只要合理地选择各个参数，并联有源滤波器对谐波的抑制效果就十分显著。
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抑制谐波主要有两个基本措施：一是对电力电子装置进行改造，尽量减少谐波的产生；二是安装谐波补偿装置来补偿谐波，或者安装滤波装置将谐波滤除。目前国内在配电网这级用于抑制谐波和调节无功的传统方法是采用由电抗器和电容器组成的无源滤波器(passive filter，缩写为pf)，但该虑波器一般只适用于补偿固定频率的谐波，其针对性较强，滤波效果会受到电网阻抗和运行状态的影响，严重时甚至会和电路中其它元件发生谐振，从而造成谐波的放大。为了克服无源滤波(pf)的缺点，自上世纪80年代以来，人们提出了有源滤波(active power filter，缩写为apf)的设计概念。如果将两者结合起来一起应用，就构成了本文所提出的混合滤波，即混合滤波器。混合滤波器可以分为并联混合滤波器和串联混合滤波器两种类型，本文只针对并联混合滤波器进行研究和分析。
1、并联混合滤波器的基本原理
图1为并联混合滤波器的原理图。图中的非线性负载为主要谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。并联混合滤波装置中的有源滤波部分为整个电路的核心，它通过连接电感与输电线路进行连接，其内部又分为两大部分：一部分用于检测补偿对象的电压和电流，并经过相应的运算计算出电路谐波和无功电流分量，有时候又称为谐波和无功电流检测电路；另一部分为补偿电流发生电路，主要根据检测电路检测出的相应信号得出相应的指令信号，从而产生实际的补偿电流。目前的有源滤波器主电路均采用pwm变流器。无源滤波部分只对特定次数的谐波进行滤除，本文主要分析电路中存在的5次、7次和11次谐波。
2、谐波检测原理及方法
谐波检测的方法有很多种，本文采用基于同步旋转park变换的d-q法。其基本思想是将a-b-c坐标系下的电流量变换到d-q坐标系下的谐波与无功电流来进行检测图2所示是用d-q法检测谐波电流的原理图。
该推导过程的前提是三相电压电流必须对称，实际上，对于不对称系统，上述方法仍然有效。其具体推导过程可参见有关文献。图3为本文所采用的谐波检测仿真模型。
3、连接电感的作用
之所以有源滤波器需要通过连接电感与输电线路相连接，主要因为电感中的电流不能突变，而有源滤波器中的变流器在变流过程中会产生纹波电流，而接人连接电感可以消除纹波电流(即高次谐波成份)，从而起到平波的作用。然而，连接电感的存在也会影响到有源滤波器对传输线路中电流信号的跟踪速度。因此，这里就存在一个难以调和的矛盾，为了滤除纹波电流，要求连接电感的感值要尽量大些；但是，如果要求有源滤波器实时快速地跟踪传输线路中的电流信号，连接电感的感值就必须小一些。为了兼具这两点，在满足跟踪速度要求的基础上，还要尽量滤除纹波电流成份，那么，连接电感的感值就必须取得适中。
4、仿真模型及波形分析
并联混合滤波器的仿真模型如图4所示，该仿真模型中的非线性负载采用整流桥接rlc电路来构成矩形负载，其中r=5 ω，l=50 mh，c=无限小；输入信号为标准的三相平衡正弦电压波形，幅值为220 v。应用快速傅立叶工具分析得到的负载谐波含量如图5所示，其主要谐波为5次、7次和11次，而且含量很大，因此，应特别为此设计无源滤波参数。
事实上，连接电感对滤波效果会产生较大的影响，图6和图7分别是连接电感为2 mh和3 mh时的波形图及其谐波含量分析图。
5、结束语
本文给出了并联混合滤波器的仿真模型，分析了连接电感对谐波抑制的影响，同时给出了谐波检测模块的具体算法。从本文给出的相应波形图中可以看出，只要合理地选择各个参数，并联有源滤波器对谐波的抑制效果就十分显著。
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