基于瞬时无功功率理论和滞环控制的并联型APF的Matlab仿真研究.pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于瞬时无功功率理论和滞环控制的并联型 APF 的 Matlab 仿真研究中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008 ） E-mail：yuemei0207@126.com 孙华 q i i − 算法设计了电力有源滤波器，提出滞环比较控摘要：本文通过瞬时无功功率理论的 p 制方法，在理论分析的基础上，利用 Matlab 中的电力系统仿真工具箱对并联型电力有源滤波器进行了建模和仿真研究。仿真结果表明，基于瞬时无功功率理论的并联型有源电力滤波器可以很好的起到电网的动态抑制谐波的作用.，达到消除非线性负载所引起的谐波电流对电网污染的目的。关键词：有源滤波器；滞环比较控制；谐波电流；Matlab 仿真 0 引言近年来由电网非线性负荷引起的谐波问题日，益受到重视。而有源电力滤波器与传统的无源滤波器相比，具有可以同时实现谐波和无功实现动态补偿，响应快，受电网阻抗影响小不容易与电网阻抗发生谐振，跟踪电网频率变化，补偿性能不受电网频率变化的影响等优点；因此采用有源电力滤波器已成为谐波补偿的一种重要趋势【1】。本文利用 Matlab 的提供的电力系统模块,在 Simulink 环境下，对并联型 APF 进行建模和系统仿真,验证基于瞬时无功功率理论的并联型 APF 的可行性。本文采用滞环空间矢量 SVPWM 控制法具有直流电压利用率高、低谐波畸变率、动态响应快、易于数字化实现等特点。可有效地减少电流补偿误差，改善有源电力滤波器的性能。 1 并联有源电力滤波器组成及其工作原理并联有源电力滤波器主要由两大部分组成即指令电流检测电路和补偿电流发生电路；而补偿电流发生电路主要由：指令运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路 4 部分构成，如图 1 所示。并联型 APF 的指令电流检测电路可以从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反相后产生补偿电流的指令信号。图 1 并联有源电力滤波器的系统构成 -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 电流跟踪控制电路根据主电路产生的补偿电流应跟踪指令信号的原则，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流，这样使电网电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与无功补偿的目的。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。 2 基于瞬时无功理论的谐波电流检测指令电流的准确检测和补偿电流的产生是有源电力滤波器的 2 个关键技术，会直接影响到 APF 的补偿性能。已有多种方法用于电流检测，其中瞬时无功功率理论被认为是一种非常有效的检测方法。它可以十分方便地检测出瞬时基波电流、瞬时谐波电流、瞬时非基波电流瞬时有功电流、瞬时基波有功电流等及其任意组合的指令电流【2】。 i i − 法来检测并联型 APF 的瞬时谐波指令电流。 p i − 检测法的原理如图 p 本文采用 i q q 2 所示， ai ， bi ， ci 为三相三线制电路的各相电流瞬时值； au 为 a 相的电压瞬时值， i i , 为基波电流， PLL 为锁相环电路。为谐波电流，LPF 为低通滤波器，信号发生器为正、余弦发生电路， , i bf , i cf af bh ah ch i i , C 23 = TC 32 （1）图 2 i − 检测原理图 p i q 2 1 − 3 0 ⎡ 1 ⎢ ⎢ ⎣ sin ⎡ ⎢ cos − ⎣ ua 2 t ω t ω E 2 1 ， ⎤ ⎥ ⎥ 2 ⎦ t ω ⎤ ⎥ t ω ⎦ − − 1 2 3 cos − sin − t ωsin 2 I n sin( tn ϕω n + ) 图 2 中： 32c = 2 3 = ∞ ∑ n 2 ⎧ ⎪ ⎪ ⎪ i ⎨ ⎪ ⎪ i ⎪ ⎩ b c = = i a = ∞ ∑ n ∞ ∑ n C = （2）对于图 2 中，假设 A 相电压为：，则 A 相，B 相，C 相的电流为： I n sin 2 I n sin （ n − + ⎡ ⎛ t n ω ⎜ ⎢ ⎝ ⎣ ⎡ ⎛ n t ω ⎜ ⎢ ⎝ ⎣ = k 1 3 + ）（3） 2 π 3 2 π 3 + ϕ n + ϕ n ⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ⎠ ⎤ ⎥ ⎦ ⎤ ⎥ ⎦ ω——电源角频率； nI ϕ、 ——各次电流的有效值和初相角。 n i − 经 LPF 滤波后得出直 p i q -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 流分量 i 和为： p i q ⎡ i ⎢ i ⎢ ⎣ q 由图 2 得负载电流中的基波分量为： p = ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ 3 I 1 I 1 cos( ) − ω 1 ) sin( − ϕ 1 ⎤ ⎥ ⎦ ⎡ ⎢ ⎣ （4） i i i ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ af bf cf ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ = CC 23 i i ⎡ ⎢ ⎢ ⎣ p q ⎤ ⎥ ⎥ ⎦ = ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ I 2 1 sin( sin( t ω 2 I 1 ) ϕ 1 ϕω 1 − + t + 2 π 3 2 π 3 （5） ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ) ) 2 I 1 sin( t ω + + ϕ 1 则谐波补偿电流的补偿信号为： i ⎡ ⎢ i ⎢ bh i ⎢ ⎣ ch ah = ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ i ⎡ ⎢ i ⎢ i ⎢ ⎣ a b c ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ − i ⎡ ⎢ i ⎢ ⎢ i ⎣ af bf cf ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ （6）由此可见, 这种方法适用于三相三线制电路，适应不对称电网和电压波形畸变时的情参与运算，变电压的谐波成分在运算中不 i − 运算方式时只读取 p ω cos sin 和 t ω t i q 况。因为出现, 因此它在电源电压畸变的情况下也能准确检测出谐波电流。 3 滞环比较控制策略该方法是将指令信号与实际补偿电压或电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中进行比较，形成方波脉冲信号，得到 PWM 波控制信号来控制逆变器的开关器件【3】。这样就可以以补偿电流参考值为基准设计一个滞环带，当实际补偿电流欲离开滞环带时，逆变器开关动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。当负载产生的谐波电流需要补偿时，有源滤波器进行检测负载电流 Li 中需要补偿的对象 * 谐波分量 lhi ，然后改变其极性，作为补偿电流发生器的指令信号 ci ，补偿的谐波电流 lhi 与负载电流 Li 的幅值和相位相等极性相反，它们相互抵消，这样电流源is 只含有基波电流，即谐波补偿得以实现。在 APF 主电路的拓扑结构中，三相全桥 PWM 变流器中，功率开关器件共有 8 个工作，相反如果下桥臂器件导通的关系如下式所示： x cba (1 , ), = SSS , , 与 a sx = b c sx = 状态，如果上桥臂器件导通用数字“1”表示， u u , , 用数字“0”表示， cb cc ES ) − c ES ) − a ES ) − b cba ), , S 2( = S 2( = S 2( = x (0 u ⎧ ⎪ u ⎨ ⎪ u ⎩ 。 − − − u S S S = ca cb ca cc a b b a c c （ E = 1 3 dcu ）（7）运用 Park 变换规则，得出 APF 的三相电压输出的空间矢量 )(nuc 如下式所示： nu )( c = ⎧ = E ⎪ ⎨ ⎪⎩ 1 3 u dc 2 0 nj ( )1 − n 2 Ee n 6~1 = n 7,0 = （8） n与 ( SSS , a , b ) c 之间的关系如表 1 所示： -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn c b , SSS , a （0，0，0）（1，0，0）（1，1，0）（0，1，0） n与 ( 表 1 n 0 1 2 3 SSS , a , b c c b ) 的关系 SSS , , a （0，1，1）（0，0，1）（1，0，1）（1，1，1） n 4 5 6 7 在滞环控制环节中，关键是要控制好 i ∆ ca i 和, ∆ cb i ∆ ca ，使它们的值控制在滞环比较器 hh,− 的环宽[ 输出电流信号 ]范围内。 i 和, i ca cb i cc ca i 和, ∆ i ∆ 为 APF 的三相电流指令信号的差值，于是得出的电流的空间矢量变化： i ∆ cb ca i * ca , i * cb , i * cc 与三相逆变 i =∆ c i c − i * c （9）由电流滞环空间矢量控制方法知， ci∆ 将位于一个六边形上，空间矢量的坐标原点在六 , 坐标轴上，每一边的边宽为 12h ，则六边 cba , 边形中心上。六边形的三个对角线分别落在形的eHex 如图 3 所示。图 3 三相电流的eHex 和相电流之间的 e eHex , ′ Hex ′′ 4 仿真研究 Matlab 是一种广泛应用于科学计算、工程设计与仿真的通用数学工具软件[4]。其中 Simulink 的电力系统模块库，可以方便的构造各种谐波源，可以利用 DSP 工具箱和瞬时无功功率理论检测谐波，保证检测结果的准确性，为谐波抑制提供了很好的检测工具。图 4 为 APF 的 Matlab 的仿真模型。它主要有三相交流电源、同步六脉冲发生器、指令电流发生器、三相桥式 PWM 变换器以及非线性负载构成。为了简化仿真模型，一些电流表，电压表，示波器都被隐藏在仿真模块中。 -4-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 APF 的 Matlab 的仿真模型图 4 中的封装模块 subsystem2 为谐波电流检测模块，主要检测需要补偿的谐波电流，运用瞬时无功功率理论的 i − 检测方法。其仿真模型如图 5 所示。 p i q 图 4 中的封装模块 subsystem1 为谐波补偿模块其封装图如图 6 所示。图 7 为滞环控制模块。图 5 谐波电流检测仿真模块图 6 谐波补偿仿真模块 -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 7 滞环控制仿真模块仿真中所用的三相工频交流电源相电压有效值为 220V，频率 50Hz，谐波源为三相桥式不可控整流电路带阻感性负载；直流侧电压 dcu =400V，电源阻抗和线路阻抗的等效阻抗为（0.95+j0.628） Ω 。电流仿真波形如图 8 所示。 (a) a 相和 b 相负载电流波形（b）a 和 b 相的补偿电流波形 -6-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (c)补偿后的三相电流波形图 8 电流仿真波形图 q i 的改进从仿真波形可以看出, 本文所提出的滞环空间矢量控制方法和基于瞬时无功功率理论 i − 谐波电流检测法对谐波电流具有很好的补偿作用, 由于在电流检测中运用了 p 低通滤波器以及锁相环，使得检测的电流波形有所延迟，不过时间不超过一个周期，从总体上来看，其补偿效果很好，整个系统具有很好的动态补偿特性。 5 结论本文采用瞬时无功功率理论 ip-iq 的方法检测谐波电流，对电流的检测比较精确，而基于滞环空间矢量的有源电力滤波器的控制方法，其主要特点是采用相间电流作为控制信号，用两个比较器来快速、准确地判断所在区域，采用最优电压矢量控制，从而选择最佳电压矢量控制 ci∆ ，该方法能够精确地跟踪参考电流的变化，电压空间矢量的引入可以提高直流电压利用率，降低开关频率，有效地减小 APF 的造价和损耗。能快速准确实现谐波和无功电流的补偿，是一种十分有效的控制方法。参考文献 [1] Yazdani D,Bakhshai A,Joos g.A Real-Time Selective Harmonic Extraction Approach Based on Adaptive Notch Filtering. IEEE INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOLS 1-5,2008. [2] 杨君，王兆安，邱关源.单相电路谐波及无功电流的一种检测方法[J].电工技术学报，1998. [3] 吴守箴,藏英杰著. 电气传动的脉宽调制控制技术[M]. 北京：机械工业出版社，1995. [4] 洪乃刚著.电力电子与电力传动控制系统的 MATLAB 仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2006. The shunt Active Power Filter based on i − detecting i q p method and hysteresis control China University Of Mining And Technology.School Of Information And Electrical Engineering, Sun Hua Xuzhou, Jiangsu (221008 ) Abstract The paper introduced the active power filter based on the ip-iq arithmatic of the instantaneous reactive power theory and proposed the hysteresis control method. Based on the theory analyse,it used theSimpowersystems module in the Matlab to build the model and simulate the APF system.Simulation experimental results show that with the algorithm of instantaneous Reactive power,The shunt active power filters can get good compensation character. consequently ,the harmonic current pollution on the grid caused by nonlinear load is eliminated. Keywords: APF; hysteresis control; harmonic current; Matlab -7-

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