并聯(lián)型有源電力濾波器的Matlab仿真

1、并聯(lián)型有源電力濾波器的Matlab仿真摘要：并聯(lián)混合型有源電力濾波器能夠很好地實(shí)現(xiàn)諧波抑制和無功補(bǔ)償。給出了有源電 力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，還給出了主電路直流側(cè)電容電壓值和交流側(cè)電感值的選取方法，利用 Matlab simulink PsB構(gòu)建了仿真模型，得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；直流側(cè)電容電壓；交流測(cè)電感：Matlab / simulinkAbstract : Shunt hybrid active power filter can commendably achieve hannonic suppression and reactive power compensa

2、tion. In this paper,it shows the APF s architecture and sets up amathematical model. And the way ofchoosing the value ofthe main circuits voltage ripple of DC side capacitor and the AC side inductance is proposed. MATLAB Simulink PSB is used to build simulation model and then get the simulation resu

3、lts.Key words： APF； Voltage of DC side capacitor； AC side inductance； Matlab / Simulink引言：在諧波含量較高的配電網(wǎng)中，對(duì)無功功率補(bǔ)償有著嚴(yán)格的要求。目前電力系統(tǒng)中無功補(bǔ)償大 都是采用機(jī)械開關(guān)控制的電容器投切，諧波補(bǔ)償大多采用無源濾波裝置，負(fù)序治理的工作尚 未大范圍開展。另外，無功補(bǔ)償、負(fù)序電流補(bǔ)償、諧波抑制是分別單獨(dú)地進(jìn)行的。由于不是 按統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型綜合地進(jìn)行治理，常出現(xiàn)顧此失彼的情況，且響應(yīng)速度慢、經(jīng)濟(jì)性差、安 裝維護(hù)工作量大，妨礙了電網(wǎng)污染治理工作的順利進(jìn)行。有源濾波器的發(fā)展歷史有源濾波器的思想最早出

4、現(xiàn)于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的論文中。文中描述了通 過向交流電源注入三次諧波電流以減少電源中的諧波，改善電源電流波形的新方法。文中所 述的方法認(rèn)為是有源濾波器思想的誕生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了 有源電力濾波器的基本原理。1976年美國西屋電氣公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了 采用脈沖寬度調(diào)制控制的有源電力濾波器，確定了主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，從原 理上闡明了有源電力濾波器是一理想的諧波電流發(fā)生器，并討論了實(shí)現(xiàn)方法和相應(yīng)的控制原 理，奠定了有源電力濾波器的基礎(chǔ)。然而，在20世紀(jì)70年代由于缺少大功率可關(guān)斷

5、器件， 有源電力濾波器除了少數(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究外，幾乎沒有任何進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來， 新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM技術(shù)的發(fā)展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了 “三 相電路瞬時(shí)無功功率理論”，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流檢測(cè)方法在三相有源電力濾 波器中得到了成功的應(yīng)用，極大促進(jìn)了有源電力濾波器的發(fā)展。與無源濾波器相比，有源濾波器是一種主動(dòng)型的補(bǔ)償裝置，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。有源電力 濾波器是近年來電力電子領(lǐng)域的熱門話題。目前，有源濾波技術(shù)已在日本、美國等少數(shù)工業(yè) 發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用，有工業(yè)裝置投入運(yùn)行，其裝置容量最高可達(dá)60MV.A；國內(nèi)對(duì)有源電力 濾波器的研究尚處于起步階段

6、。2、APF的基本工作原理有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置。它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，并可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無 功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。有源電力濾波器的工作原理是，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出 補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電 流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功電流相抵消，最終得到所期望的電源電流。APF（圖1）并聯(lián)型有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，通過和諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)注入補(bǔ)償電 流，從而達(dá)到抵消電流諧波的目的。并聯(lián)型有源電力濾波器主要適用于電流源型感性負(fù)載的 諧波

7、補(bǔ)償，技術(shù)上已相當(dāng)成熟，工業(yè)上已投入使用的有源電力濾波器多采用此方案。TTirw-Phrase Active Pewgr Fitter 日aFe由 Hnst謫TTiepry與串聯(lián)型有源電力濾波器相比并聯(lián)型有源電力濾波器通過耦合變壓器并入系統(tǒng)，不會(huì)對(duì) 系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，具有投切方便靈活以及各種保護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)單獨(dú)使用并聯(lián)型有 源電力濾波器來濾除諧波時(shí)，有源電力濾波器容量要求很大，這樣會(huì)帶來一系列的問題，如 工程造價(jià)高、電磁干擾、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及高的功率損耗等。3、APF的諧波檢測(cè)方法在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的工作過程中，檢測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確無誤地檢測(cè)出電壓或 電流中的畸變量，才能得到準(zhǔn)確的參考

8、電壓值。常見的檢測(cè)算法有以下幾種：低通濾波器提 取基波分量法、基于Fryze時(shí)域分析的有功電流分離法、基于頻域分析的FFT法、自適應(yīng) 檢測(cè)法等?；谒矔r(shí)無功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法是目前應(yīng)用最廣的一種檢測(cè)方法，經(jīng)過不斷改進(jìn)， 它包括p -q法、Ip-Iq法，以及d -q法。其中，p-q法適用于電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變情 況下諧波電流的檢測(cè)；基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq法不僅適用于三相不對(duì)稱公用電網(wǎng), 而且對(duì)電網(wǎng)電壓畸變也有效，具有較好的實(shí)時(shí)性，在三相電路中得到了廣泛的應(yīng)用。本文選 用ip-iq法對(duì)系統(tǒng)的諧波和無功電流進(jìn)行檢測(cè)。3.1、, p、 q運(yùn)算方式C =該方法的原理如下圖所示。圖中sin

9、 tcos tcos tsin tC = Ct，2332iaibic(圖2)p、運(yùn)算方式的原理圖該方法中，需要用到與相電網(wǎng)電壓a同相位的正弦信號(hào)sin()和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào) cos(wt)，他們由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到。據(jù)定義可以計(jì)算. . . . . . . . . . . .11IIi ii i 一 . I I I 、一出p、 q，經(jīng)LPF濾波得出p、 q的直流分量p、q。這里p、q是由af、 bf、 cf產(chǎn)生 的，因此由p、iq即可計(jì)算出af、bf、icf。當(dāng)要同時(shí)檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象中諧波和無功電流，只需要斷開圖2中計(jì)算iq的通道即可。T:、.ii i i ii

10、i i i這時(shí)，由p即可計(jì)算被檢測(cè)電流a、 b、c的基波分量apf、bpf、cpf，進(jìn)而計(jì)算出a、 b、lc的諧波分量和基波無功分量之和。3.2、指令電流發(fā)生模塊指令電流發(fā)生模塊如圖2所示。在該模塊中完成諧波和無功電流的提取。模塊輸入量分 別為:單相電源電壓信號(hào)和三相負(fù)載電流信號(hào)。其中，電壓信號(hào)經(jīng)過鎖向環(huán)后得到sin和 COS信號(hào)，它與電流信號(hào)分別經(jīng)abc/ipiq變換和低通濾波器LPF(Lower Pass Filter)進(jìn) 行信號(hào)處理后，再作ipiq/abc逆變換，得到基波有功電流?；ㄓ泄﹄娏髋c負(fù)載電流相減，便 可得到期望補(bǔ)償電流，即輸出指令電流。仿真模型如圖所示。(圖3)4、APF補(bǔ)償

11、電流控制方法目前，APF常用的控制方法是各種PWM(脈寬調(diào)制)控制方法，最主要的方式為滯環(huán)比較 法和三角波比較法。圖3為采用滯環(huán)控制獲得開關(guān)決策的方法。Is(圖4)滯環(huán)電流控制方法(Hysteresis Current Control, HCC)是目前應(yīng)用非常廣泛的一種非 線性閉環(huán)電流控制方法。它利用滯環(huán)比較器形成一個(gè)以0為中心、H和一H為上下限的滯環(huán)或 死區(qū)，通過把補(bǔ)償電流和指令電流的差值控制到規(guī)定的滯環(huán)寬度(誤差限)范圍之內(nèi)，來控制 逆變器的開關(guān)動(dòng)作。滯環(huán)控制方式有如下特點(diǎn)：硬件電路簡(jiǎn)單；屬實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)快；不需載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量；若滯環(huán)的寬度固定，則電流跟隨誤

12、差的范圍固定，但電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率是(1)(2)(3)(4)變化的。滯環(huán)比較控制方式中，滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度(記作H )對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大的影響，當(dāng)H較大時(shí)，開關(guān)通斷的頻率較低，故對(duì)電力半導(dǎo)體器件的要求不高，但跟隨誤 差較大，補(bǔ)償電流中高次諧波較大。反之，當(dāng)H較小時(shí)，雖然跟隨誤差較小，但開關(guān)頻率 較高。在采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式中，滯環(huán)的寬度通常是固定的，因此導(dǎo)致主電路中 電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率是變化的。尤其是！的變化范圍較大時(shí)，首先，在！較小的時(shí)候， 固定的滯環(huán)寬度可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差過大；其次，在！較大的時(shí)候，固定的滯環(huán) 寬度又可能使器件的開關(guān)頻率過高，甚至可

13、能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損 壞。4.1、補(bǔ)償電流控制模塊補(bǔ)償電流控制模塊如圖5所示。該模塊輸入量為指令電流iah*，ibh*，ich*,逆變器輸 出電流iah,ibh,ich。該模塊輸出PWM脈沖觸發(fā)有源電力濾波器的逆變主電路，使逆變主電路 產(chǎn)生的補(bǔ)償電流能夠跟蹤指令電流，從而達(dá)到抑制諧波電流的目的。（圖5）除了上述主要的仿真模塊外,另外還要有有源電力濾波器的逆變主電路、三相電感匚和直 流側(cè)電壓，共同使用，便可得到整個(gè)有源電力濾波系統(tǒng)仿真模型。4.2、參數(shù)選?。?）直流側(cè)電壓的選取要使補(bǔ)償電流能準(zhǔn)確跟蹤指令電流信號(hào)，必須使主電路直流側(cè)電容電壓大于供電系統(tǒng)電源接 入點(diǎn)相電壓峰值的3

14、倍，且此電壓越大，補(bǔ)償電流的跟蹤的效果越好，但同時(shí)對(duì)電容的耐壓 水平的要求更高。（2）直流側(cè)電容的選取當(dāng)主電路直流側(cè)電容選取過小時(shí)，會(huì)使主電路直流側(cè)電壓波動(dòng)過大，影響有源電力濾波器的 補(bǔ)償效果；而取值過大時(shí)，又會(huì)使主電路直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)相應(yīng)變慢，電容成本過高，體積龐大。1（3）交流側(cè)電感的選取它直接影響電感的跟蹤性能及補(bǔ)償電流的紋路大小。電感取值多小時(shí)，補(bǔ)償電流出現(xiàn)較多毛 刺；當(dāng)電感取值過大時(shí)，則有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)性能變差，補(bǔ)償電流只能跟蹤指令電 y, =4 * -芯）牛扁流中頻率較高的諧波分量，而對(duì)高頻分量無法跟蹤。止5、仿真結(jié)果Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red: 1 cycles00.020.040.0&0.080.1Time (s圖7和圖8分別為并聯(lián)型有源電力濾波器在投入前后的三相電流波形，諧波率分別為 24.72%和2.60%。從圖中可以看出，投入APF后，有效的濾除了電網(wǎng)中的諧波電流。200-20： FT analysis5 o (-EcCDEEPUnLLo邕 Be巨Selected signal 5 cycles. FFT window (in red: 1 cycles00.020.040.060.080.1Time (s)(圖