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🔥内容介绍

随着电力电子技术的飞速发展，非线性负载在电力系统中的应用越来越广泛，由此产生的谐波和无功功率问题也日益突出。谐波污染会导致电网电压波形畸变、设备损耗增加、继电保护误动作等一系列问题；无功功率则会降低电网功率因数，造成电能损耗增加和供电能力下降。为了解决这些问题，并联有源滤波器（Shunt Active Power Filter, SAPF）应运而生，并以其优异的补偿性能受到了广泛关注。本文将深入探讨基于dq控制算法的并联有源滤波器在谐波和无功功率补偿中的应用及其仿真电路设计。

一、并联有源滤波器的工作原理

并联有源滤波器的基本思想是通过电力电子变换器产生一个与电网谐波电流或无功电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入电网，从而抵消谐波和无功功率，使电网侧电流保持正弦、同相且与电压波形一致。其主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路通常采用电压源型逆变器，通过直流侧电容提供能量缓冲，并通过逆变器桥臂的开关动作产生补偿电流。控制电路是SAPF的核心，其性能直接决定了补偿效果。

二、dq控制算法的原理与优势

dq控制算法，又称同步旋转坐标系下的电流检测法，是并联有源滤波器中一种常用的控制策略。其基本原理是将三相静止坐标系下的电流信号通过Clark变换和Park变换，转换到同步旋转dq坐标系下。在dq坐标系中，基波电流分量表现为直流信号，而谐波电流分量则表现为交流信号。这种转换极大地简化了谐波和无功功率的检测与控制。

具体来说，dq控制算法通过以下步骤实现谐波和无功功率的补偿：

1. 电流检测与坐标变换：

   实时检测电网侧电流，并通过Clark变换将其从abc三相静止坐标系转换到αβ两相静止坐标系。

2. 锁相环（PLL）：

   利用锁相环技术提取电网电压的相位信息，生成同步旋转坐标系所需的角度信号。

3. Park变换：

   将αβ坐标系下的电流信号通过Park变换，转换到同步旋转dq坐标系。

4. 谐波与无功分量分离：

   在dq坐标系中，通过低通滤波器（LPF）将基波分量（直流分量）与谐波分量（交流分量）分离。同时，可以通过基波分量的d轴和q轴电流来计算有功功率和无功功率。

5. 补偿电流计算：

   根据分离出的谐波分量和无功分量，计算出所需的补偿电流参考值。通常，为了补偿谐波，将谐波分量直接作为补偿电流的参考；为了补偿无功功率，将基波q轴电流作为补偿无功功率的参考。

6. 电流跟踪控制：

   将计算出的补偿电流参考值通过反Park变换和反Clark变换，转换回三相静止坐标系，并与实际补偿电流进行比较，通过PI控制器等调节PWM逆变器的开关信号，实现对补偿电流的精确跟踪。

dq控制算法的优势在于：

• 解耦控制：

  在dq坐标系下，有功功率和无功功率的控制可以实现解耦，简化了控制器的设计。

• 谐波检测精度高：

  通过低通滤波器可以有效分离谐波分量，提高了谐波检测的精度。

• 响应速度快：

  由于基波分量在dq坐标系下为直流信号，控制器的响应速度较快。

• 对电网电压波动不敏感：

  通过锁相环技术，dq控制算法对电网电压的波动具有一定的鲁棒性。

三、仿真电路设计与分析

为了验证基于dq控制算法的并联有源滤波器在谐波和无功功率补偿方面的有效性，可以通过仿真软件（如MATLAB/Simulink）搭建仿真电路进行分析。

仿真电路通常包括以下主要模块：

1. 电网模型：

   模拟实际电网，通常包含电压源和电感、电阻等。

2. 非线性负载：

   例如三相不可控整流桥带阻感负载，用于产生谐波电流和无功功率。

3. 并联有源滤波器主电路：

   包括三相电压源型逆变器、直流侧电容以及连接电网的并联电感。

4. 控制电路：

   核心部分，实现dq控制算法。包括电流传感器、电压传感器、Clark变换模块、PLL模块、Park变换模块、低通滤波器、补偿电流计算模块、PI控制器以及PWM调制模块等。

仿真步骤通常如下：

1. 系统参数设置：

   根据实际情况设置电网电压、频率、负载参数、滤波器参数等。

2. 稳态运行仿真：

   在未接入SAPF的情况下，观察电网电流波形和频谱，分析谐波含量和功率因数。

3. 接入SAPF仿真：

   接入SAPF，并启动dq控制算法，观察电网电流波形和频谱的变化，分析谐波补偿效果和功率因数改善情况。

通过仿真，可以清晰地看到在接入并联有源滤波器后，电网侧电流波形从畸变的正弦波变为接近理想的正弦波，谐波含量显著降低，功率因数得到明显改善。这充分证明了基于dq控制算法的并联有源滤波器在抑制谐波和补偿无功功率方面的有效性。

四、结论

基于dq控制算法的并联有源滤波器是一种高效、可靠的谐波和无功功率补偿装置。其通过将电流信号转换到同步旋转dq坐标系，实现了谐波和无功分量的精确检测与控制，从而有效改善了电能质量。随着电力系统对电能质量要求的不断提高，基于dq控制算法的并联有源滤波器必将在未来的电力系统中发挥越来越重要的作用。未来的研究可以进一步关注如何提高控制系统的鲁棒性、降低系统损耗以及与其他电能质量治理设备的协同控制等方面，以期实现更优越的补偿性能。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 张耀文.基于DSP的并联有源电力滤波器的应用研究[D].山东大学[2026-01-20].DOI:10.7666/d.y1067142.

[2] 吴言凤,吴正国,李华.基于自适应逆控制的并联型有源电力滤波器的仿真研究[J].电气传动, 2005, 35(8):4.DOI:10.3969/j.issn.1001-2095.2005.08.009.

[3] 苏威.三相并联型有源电力滤波器关键技术的研究[D].湖北工业大学[2026-01-20].DOI:CNKI:CDMD:2.1015.900658.

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