一種的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

本文格式為Word版，下載可任意編輯——一種的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

制諧波和無(wú)功污染的有效措施。

由電阻器、電抗器和電力電容器組合而成的LC無(wú)源濾波器是傳統(tǒng)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的主要手段，無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠且維護(hù)便利，是目前采用的較普遍的抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的方法。由于PPF為諧波提供了一個(gè)低阻抗并聯(lián)電路，通過(guò)該方法達(dá)到濾波作用，系統(tǒng)和濾波器的阻尼比決定了濾波的特性，但存在一下不足之處：

系統(tǒng)參數(shù)決定了諧波的頻率，主要諧波成為濾波的主要對(duì)象，不能對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，濾波特性改變了LC的參數(shù)，導(dǎo)致濾波特性不穩(wěn)定，難以協(xié)調(diào)濾波特性、無(wú)功的補(bǔ)償、電壓調(diào)理要求；

只能針對(duì)特定諧波進(jìn)行消除，而諧波分量放大可能是由于電網(wǎng)參數(shù)與LC產(chǎn)生的并聯(lián)諧振引起的，由電網(wǎng)提供的電流質(zhì)量下降。

電網(wǎng)的參數(shù)決定了濾波的特性，電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀況決定了諧頻和電網(wǎng)阻抗的變化，因而增大了設(shè)計(jì)的困難；

諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過(guò)載。由于無(wú)源濾波器存在以上自身難以戰(zhàn)勝的缺點(diǎn)，因此單獨(dú)使用時(shí)難以滿足現(xiàn)代電力生產(chǎn)和生活需要。

1.4.2有源濾波器的優(yōu)勢(shì)

目前諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源濾波器，有源濾波器是一種電力電子裝置。這種濾波器能對(duì)幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，并且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。既可以對(duì)一個(gè)無(wú)功源和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集中補(bǔ)償，因而受到廣泛的重視。

有關(guān)有源電力濾波器今后研究及發(fā)展的方向主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）諧波電流檢測(cè)方法的進(jìn)一步研究；

（2）有源濾波器功能的進(jìn)一步完善。除了補(bǔ)償諧波電流及無(wú)功功率的要求外還要使有源濾波器能夠抑制諧波電壓、抑制電壓波動(dòng)、抑制不平衡電流等功能；（3）通過(guò)PWM調(diào)制和提高開(kāi)關(guān)器件的等效開(kāi)關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)告辭諧波補(bǔ)償。

3

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

2有源電力濾波器基本原理

有源電力濾波器（activepowerfileter,APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置。它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而戰(zhàn)勝無(wú)緣濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)?；驹硎菑难a(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波源，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等但極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。有緣電力濾波器具有補(bǔ)償對(duì)象瞬態(tài)響應(yīng)快，受電源阻抗影響不大，且不易和電源阻抗發(fā)生諧振等優(yōu)點(diǎn)。此外，它在補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大。有緣電力濾波器作為一種新型的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置。

2.1有源濾波器的工作原理

并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，有源電力濾波器的基本工作原理表達(dá)如下：當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器的指令運(yùn)算電路會(huì)檢測(cè)出需要補(bǔ)償對(duì)象的負(fù)載電流iL的諧波分量，由電流跟蹤控制電路使得主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic與is諧波分量相等、相位相反，從而使得電源電流i只含基波不

s含諧波，達(dá)到了抑制諧波補(bǔ)償無(wú)功的目的。

圖1APF原理結(jié)構(gòu)圖

可用公式（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）表示：

i?i?i（2-1）i?i?i（2-2）i??i（2-3）i?i?i?i（2-4）其中，i為APF檢測(cè)出的負(fù)載電流諧波分量；i為負(fù)載電流中的基波分量。

sLcLLfLcsLhLcLLhLf脈寬調(diào)制變流器應(yīng)用于主電路里，補(bǔ)償電流出現(xiàn)時(shí)，充當(dāng)逆變器來(lái)工作。但

4

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

是并不是僅僅充當(dāng)逆變器的作用，若APF直流側(cè)的貯能元件由電網(wǎng)充電時(shí)，當(dāng)做整流器來(lái)運(yùn)行。換言之，他工作于兩種狀態(tài)中，一個(gè)是逆變狀態(tài)，一個(gè)是整流狀態(tài)，但無(wú)法確切區(qū)分。假使要求APF在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，通過(guò)增加負(fù)載的基波分量來(lái)補(bǔ)償電流指令。負(fù)載中的電流諧波與補(bǔ)償電流相互抵消，電源供電電流與負(fù)載中的電流基波分量相等。

2.2APF的類型

APF可以依照所使用的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)、變流器類型及電源相數(shù)進(jìn)行分類。按其與負(fù)載連接的拓補(bǔ)類型分為三類：串聯(lián)型、并聯(lián)型及串并聯(lián)混合型；還可根據(jù)其使用場(chǎng)合電源相數(shù)來(lái)分可分為單相、三相三線制和三相四線制等；按其變流器類型還可分為電流型和電壓型。

2.2.1按變流器類型分類

APF的主電路類型主要有兩類，電流型脈寬調(diào)制變流電路和電壓型脈寬調(diào)制變流電路。直流一端的儲(chǔ)存能量的元件不同是區(qū)分二者的標(biāo)準(zhǔn)。電流型PWM電路的直流側(cè)儲(chǔ)能元件是大電感，具有較高的可靠性，但卻有較高的損耗，因此在一般場(chǎng)合下使用較少。而電壓型PWM電路有一個(gè)容量大的電容在其直流一端，它的作用是產(chǎn)生電流來(lái)補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，它便捷且特性較好，故應(yīng)用較為廣泛。

2.2.2按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

最初的APF為力圖單獨(dú)應(yīng)用并聯(lián)型APF，為了盡量發(fā)揮APF的特長(zhǎng)、讓其性能提高，于是出現(xiàn)了串聯(lián)型APF、串聯(lián)混合APF、并聯(lián)混合型APF等。根據(jù)APF接入電網(wǎng)方式的不同，將其系統(tǒng)構(gòu)成分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型三大類。它們又分別包括不同的類型，具體劃分為如圖2.2所示。每一種類型的有源電力濾波器結(jié)構(gòu)不同，因而其工作原理和特性也各有不同。

圖2.2有源濾波器類型

5

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

2.2.2.1并聯(lián)型APF

并聯(lián)型APF是濾波器中使用最為廣泛的一種。包括單獨(dú)使用方式，與PPF混合使用方式，注入方式和與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并用等多種方式。

（1）單獨(dú)使用的并聯(lián)型APF

單獨(dú)使用的并聯(lián)型APF，制造諧波的諧波源是負(fù)載，APF的主電路是由變流器、電感以及直流側(cè)一段的電容一起組成的。與AFP并聯(lián)的小容量一階高通濾波器，作用于消除APF產(chǎn)生的其它元件產(chǎn)生的諧波。

由于電網(wǎng)是APF中的主電路并聯(lián)在負(fù)載上的，故稱并聯(lián)型。又由于APF提供補(bǔ)償電流，為了區(qū)別其它方式，稱其為單獨(dú)使用的方式。這是APF中最基本的形式，也是目前應(yīng)用最多的一種。

在這種方式中，為實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償效果可以使用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，它可以?shí)現(xiàn)各種豐富靈活的功能。但是變流器收到交流電壓基波影響，由于變流器提供補(bǔ)償電流，因此變流器的容量必需很大，這一缺點(diǎn)是這一方式主要不足。

（2）與PPF混合使用方式

這種方式是用來(lái)解決容量大這個(gè)不足才提出來(lái)的。大體思路是用PPF來(lái)承受APF的一定補(bǔ)償。由于PPF與APF比，構(gòu)造簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本較低，而APF的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償性能好。同時(shí)利用兩者，不僅解決了APF容量較大、成本較高的問(wèn)題，而且保持了系統(tǒng)良好的特性。并聯(lián)型APF與PPF混合使用的類型有兩種，一種是APF并在PPF上，另一種是APF串聯(lián)在PPF上。

但是，電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能性是由LC濾波器引起的，因此在APF與LC濾波器混合使用的方式中，需對(duì)APF進(jìn)行有效的控制，來(lái)抑制可能發(fā)生的諧振。

（3）注入電路方式

電感和電容共同組成了注入電路方式，電容電感電路的諧振性能被其利用，使得APF只承受很小部分的基波電壓，從而極大的減小APF的容量。

在注入電路方式中，補(bǔ)償電流流進(jìn)的電網(wǎng)和負(fù)載的連接處必需有所保障，

對(duì)流入電網(wǎng)中的電感和電容參數(shù)需要進(jìn)行合理的配置。根據(jù)電感電容諧振特性的不容，串聯(lián)諧振注入電路和并聯(lián)諧振注入電路是注入電路的兩種不同的方式。

（4）與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并用方式

采用了與繞線轉(zhuǎn)自異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)造一致的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過(guò)控制轉(zhuǎn)自側(cè)所接

的逆變器來(lái)控制電機(jī)的勵(lì)磁電流，從而向電網(wǎng)中注入補(bǔ)償電流。這種方式的特點(diǎn)也是可以減小變流器的容量。

2.2.2.2串聯(lián)型有源電力濾波器

串聯(lián)型有源電力濾波器包括單獨(dú)使用方式和LC濾波器混合使用方式兩種。（1）單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器

將APF串聯(lián)在電壓源與負(fù)載之間是這種方式的特點(diǎn)。串聯(lián)型APF與并聯(lián)型APF不同，主要用于電源側(cè)諧波的補(bǔ)償。

（2）與LC濾波器混合使用方式

6

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

APF是在并入的負(fù)載和LC濾波器兩者之間的，諧波基本上由LC濾波器補(bǔ)償，改善濾波器的濾波特性是APF的主要作用?？蓪⒂蠥PF看做一個(gè)可變阻抗，它對(duì)基波的阻抗為零，而對(duì)諧波表現(xiàn)出高阻狀態(tài)，抗?fàn)幹C波流入電源電網(wǎng)中，從而強(qiáng)迫諧波流入濾波器。換句話說(shuō)，APF的作用就是隔離諧波流入電網(wǎng)。同時(shí)降低了濾波器收到諧波的影響，以及抑制電網(wǎng)與LC濾波器之間可能發(fā)生的諧振，從而極大地改善LC濾波器的性能。

7

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

3諧波檢測(cè)理論

確鑿、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中的瞬態(tài)變化的畸變電流是并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行確切補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵，由于諧波補(bǔ)償必需要先檢查出所要補(bǔ)償?shù)闹C波。諧波檢測(cè)是APF十分關(guān)鍵的一環(huán)，諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)給出了APF需要補(bǔ)償諧波的參考值，參考數(shù)值決定了控制系統(tǒng)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)脈沖，控制APF產(chǎn)生相應(yīng)補(bǔ)償電流或電壓

?跟蹤該參考值，從而起到補(bǔ)償效果。本文主要采用了ipiq法對(duì)系統(tǒng)的諧波和無(wú)

功電流進(jìn)行檢測(cè)。

3.1電流運(yùn)算電路

指令電流元算電路的作用主要是依據(jù)APF的補(bǔ)償對(duì)象道道需補(bǔ)償?shù)碾娏鞯闹噶钜?。它的核心就是諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，計(jì)算p?q或ip?iq為出發(fā)點(diǎn)即可得出三相電路諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的兩種方法。

3.2ip?iq檢測(cè)法

由瞬時(shí)無(wú)功功率理論可以推到出瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無(wú)功電流iq的表達(dá)式為式（3-1）：

?ip??sin?t?cos?t??i???????????cos?t?sin?t??i???iq?????

???sin?t?cos?t???????cos?t?sin?t?????12??3?0???12321?????ia2??????ib?3????????2????ic???CC32?i?a???ib??????ic?(3-1)

其中C???sin?t??cos?t?cos?t??

?sin?t?ip?iq檢測(cè)方法的原理如圖3.1所示：

8

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

圖3.1ip?iq檢測(cè)方法的原理圖

該方法用了一個(gè)過(guò)零比較電路和一個(gè)正弦余弦發(fā)生電路，從而得到了與a相電網(wǎng)電壓相位一致的正弦信號(hào)sin?t和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cos?t，利用這個(gè)信號(hào)和ia、ib、ic一起計(jì)算ip、iq，再經(jīng)過(guò)LPF得出ip、iq的直流分量p、q，這里的p、q是由iaf、ibf、icf產(chǎn)生的，因此由ip、iq就可以計(jì)算出ia、ib、

ic的基波分量iaf、ibf、icf相減，從而得出諧波分量iah、ibh、ich。

但是假使要在補(bǔ)償諧波電流的同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功電流，則其原理圖如圖3.2所示。

圖3.2諧波補(bǔ)償原理圖

理想電網(wǎng)電壓的波形為正弦波，但實(shí)際的波形因各種原因會(huì)產(chǎn)生畸變，而這種畸變?cè)谝欢ㄏ薅葍?nèi)是允許存在的。上述兩種方法均適用于三相三線制電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓無(wú)畸變時(shí)，兩者都能確鑿的檢測(cè)出諧波電流。ip?iq檢測(cè)方法選取了與電壓信號(hào)同相位的正弦信號(hào)sin?t和余弦信號(hào)cos?t參與運(yùn)算，電壓信號(hào)的諧波成分在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)，因而檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，能夠充分保證檢測(cè)結(jié)果的確鑿。

除以上介紹的ip?iq方法外，還有以下幾個(gè)檢測(cè)方法：

（1）基于FFT的數(shù)字分析法。其原理是將檢測(cè)到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)用FFT分解，便可得到各次諧波的幅值和相位，從而也得到了各次諧波的表達(dá)式。FFT方法思路簡(jiǎn)明，原理明了，適用于各種狀況。但是其缺點(diǎn)是由于需要對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，運(yùn)算較為繁雜，股具有一定的延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。

（2）基于現(xiàn)代控制理論的檢測(cè)方法。就是直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓或

9

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

電流求出所需要的電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦怠?/p>

（3）根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制的方法。

（4）自適應(yīng)檢測(cè)法。

10

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

4有源濾波器的電流跟蹤控制

電流跟蹤控制是補(bǔ)償電流發(fā)生電路中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路長(zhǎng)主電路各個(gè)期間通斷的PWM信號(hào)，使得控制的結(jié)果能保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)的變化。

有源濾波器的電流跟蹤控制系統(tǒng)一般由四部分組成，即控制算法部分、觸發(fā)脈沖發(fā)生部分、開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)和變流器，如圖4.1所示

圖4.1有源濾波器控制系統(tǒng)

其中控制算法處理部分對(duì)諧波檢測(cè)化解送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，采用ip?iq諧波檢測(cè)算法，檢測(cè)出所需要的諧波同有源濾波器產(chǎn)生的諧波比較，根據(jù)二者的差值采用一定的控制方法產(chǎn)生出發(fā)脈沖信號(hào)送個(gè)觸發(fā)脈沖發(fā)生部分，觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)該信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖去驅(qū)動(dòng)有源濾波器的變流器，使其產(chǎn)生諧波電流與所需要的諧波電流一致，達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4.1采樣控制理論

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果一致。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本一致，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本一致。如把個(gè)輸出波形進(jìn)行傅里葉分解，其低頻特性十分接近，盡在高頻段略有差異，脈寬越窄時(shí)輸出響應(yīng)越接近。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制的重要理論基石。目前有源電力濾波器的輸出電流控制方法主要有：三角載波線性控制法和滯環(huán)比較控制法。上述原理可以稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基石。例如，圖4.2（a）、（b）、（c）所示的三個(gè)脈沖形狀不同。a為三角形脈沖，b為正弦半波脈沖、c為矩形脈沖，但它們的面積相等。當(dāng)它們分別作用于同一慣性系統(tǒng)時(shí)，輸出響應(yīng)基本一致，而且脈沖越窄，輸出差異就越小。

11

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

圖4.2各種脈沖示意圖

4.2三角載波線性控制法

三角載波線性控制（tranglewave-linearcontrol）是一種最簡(jiǎn)單的控制方法，原理圖如圖4.3和圖4.4所示

圖4.3三角載波線性控制圖

12

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

圖4.4三角載波線性控制圖

由上圖中可以看出矩形脈沖的寬度是依照正弦規(guī)律變化的。通過(guò)沖量相等效果一致的原理可知，PWM波形和正弦波作用在慣性環(huán)節(jié)上是等效的。有源電力濾波器采用的三角波載波PWM控制的具體方法如圖4.4所示。

圖4.5三角波線性控制法原理圖

由上圖將補(bǔ)償電流指令值與補(bǔ)償電流的反饋值相比較后，經(jīng)比例控制乘以放大倍數(shù)K進(jìn)行誤差放大，誤差信號(hào)與三角波進(jìn)行比較。三角波比較方式雖然開(kāi)關(guān)頻率固定，跟隨誤差較大等缺點(diǎn)，但是輸出電壓中所含諧波較少，因此本設(shè)計(jì)采用三角波比較方式。

這種方式與其他三角波作為載波的PWM控制方式有所不同，它不直接將指令信號(hào)i?c與實(shí)際輸出電流ic的差值?i?c經(jīng)過(guò)比例環(huán)節(jié)或者比例幾分環(huán)節(jié)放大后

和三角載波相比，得到脈寬調(diào)制信號(hào)，用這個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)控制主電路的功率開(kāi)關(guān)器件，使得實(shí)際輸出電流能夠快速跟蹤指令電流的變化。比例系數(shù)K越大，三角波的周期越小，電流跟蹤的性能就越好，APF的補(bǔ)償效果也就越明顯。但是比

13

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

例系數(shù)K不能太大，否則k?i*c的大小就會(huì)超出了三角波幅值，從而失去了脈寬

調(diào)制的作用，使得系統(tǒng)不能控制。另外，三角波頻率的選取也受電力電子器件的最高工作頻率的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體要求選取適當(dāng)?shù)腒和三角載波頻率。

三角載波現(xiàn)行控制方法有以下特點(diǎn)：

（1）輸出電流含有較少的電流諧波，但含有與三角波一致頻率的諧波；（2）開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率是固定的，并且等于三角波的頻率；（3）電流響應(yīng)速度較慢；（4）電流跟隨誤差較大；

（5）三角波載波控制方式電路較為繁雜；（6）屬于閉環(huán)控制，具有一定的控制穩(wěn)定性。

14

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

5負(fù)載電流發(fā)生模塊

非線性負(fù)載是電網(wǎng)中主要的諧波源。非線性負(fù)載種類好多，例如：三相可控硅整流電路、三相二極管橋式整流電路、變壓器等，其中最具代表性的諧波源是帶感性負(fù)載三相橋式全控整流電路，這種負(fù)載在電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛，并且產(chǎn)生的諧波含量也較大。仿真模型如圖5.1所示，觸發(fā)角為30度。

圖5.1負(fù)載電流發(fā)生電路

15

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

6系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果

6.1系統(tǒng)仿真模型

并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖6.1所示

圖6.1系統(tǒng)仿真模型

相電壓—電流檢測(cè)模塊向負(fù)載供電，其中在電壓與負(fù)載之間設(shè)有電力濾波器。從三相電壓—電流檢測(cè)模塊的三相電壓和三相電流端口分別引出三相電壓和三相電流作為諧波檢測(cè)的諧波源，經(jīng)諧波檢測(cè)模塊BLIC后將檢測(cè)到的諧波與濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流作為PWM調(diào)制的信號(hào)源，來(lái)控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生，最終將產(chǎn)生的補(bǔ)償電流加到負(fù)載，從而達(dá)到抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波。

6.2系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

6.2.1濾波前電流波形

由于負(fù)載是一個(gè)三相橋式整流電路，且觸發(fā)角是30度，故濾波前電流波形圖6.2所示。

16

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

圖6.2濾波前電流波形圖

6.2.2濾波之后的電流波形

圖6.3濾波后的波形圖

17

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

6.3MATLAB的仿真研究

MATLAB是一個(gè)數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)仿真的軟件，建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型、對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真等是SIMULINK的主要功能。圖形用戶的界面是它提供的，可以構(gòu)造各種繁雜的模型，分層結(jié)構(gòu)被其應(yīng)用，用戶通過(guò)它上面所反映的狀況不僅可以了解模型動(dòng)態(tài)，用戶還可以從中進(jìn)一步了解各個(gè)器件、元件、甚至系統(tǒng)工作的狀況。在仿真過(guò)程中，用戶可以改變參數(shù)，實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)變化?？梢灾苯釉赟IMULINK環(huán)境中運(yùn)作的工具包有好多，已覆蓋通信、信號(hào)處理、控制等好多領(lǐng)域，設(shè)計(jì)內(nèi)容好多。它支持離散、連續(xù)及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。因此，SIMULINK特別適合信號(hào)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析，其中SimPowersystems是SIMULINK專門用于電力電子仿真的工具箱，可以便利快捷建立起電力電子仿真模型。

6.3.1MATLAB簡(jiǎn)介

MATLAB是用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算等的高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB是Matrixlaboratory的簡(jiǎn)稱，它可用于矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)、創(chuàng)立用戶界面等等，主要應(yīng)用于控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)等領(lǐng)域。MATLAB語(yǔ)言有以下特點(diǎn):（1）提供了便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境

MATLAB提供了一組可供用戶操作函數(shù)和文件的具有圖形用戶界面的工具，包括主界面、命令窗口、編輯和調(diào)試、在線瀏覽幫助、工作空間等可視化工具窗口。

（2）編程語(yǔ)言簡(jiǎn)易高效

MATLAB提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算指令,既具有結(jié)構(gòu)化控制語(yǔ)句又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦浴ATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫(kù)函數(shù)壓縮一切不必要的編程工作。程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，并且有很強(qiáng)的用戶定義函數(shù)能力。

（3）提供強(qiáng)大的數(shù)字應(yīng)用功能

MATLAB可進(jìn)行包括基本函數(shù)、繁雜算法、更高級(jí)的矩陣運(yùn)算等十分豐富的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能，特別適合矩陣代數(shù)。它具有大量高性能數(shù)值計(jì)算的高級(jí)算法，庫(kù)函數(shù)及其豐富，使用也很便利靈活。

（4）功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。

MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。擴(kuò)大符號(hào)計(jì)算能力是功能性工具箱主要的作用，它還有圖示建模仿真功能，文字處理和隨時(shí)觀測(cè)硬件的功能。多種工具箱都用功能性工具箱。專業(yè)性比較強(qiáng)是學(xué)科性工具箱，如control、signalprocessing、commumnication、powersystoolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以基礎(chǔ)程序無(wú)用

18

煙臺(tái)大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）

戶自己編寫，可以直接研究。

6.3.2SIMULINK簡(jiǎn)介

SIMULINK有兩個(gè)特別明顯的功能：仿真與連接。即可以直接利用鼠標(biāo)在模型窗口中畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再用軟件提供的功能來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)直接進(jìn)行模擬。

SIMULINK獨(dú)特之處：

（1）創(chuàng)立動(dòng)態(tài)模型并對(duì)其進(jìn)行仿真。

SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型的創(chuàng)立和制定控制規(guī)律都是由它來(lái)完成的。SIMULINK支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)或離散系統(tǒng)以及多變量系統(tǒng)，它可以分析任意系統(tǒng)。

（2）以直觀方式建模

可以利用MATLAB仿真系統(tǒng)建立系統(tǒng)模型。模塊包括輸入信號(hào)源、動(dòng)力學(xué)元件、線性非線性函數(shù)。

（3）增加定制模塊元件和用戶代碼。

SIMULINK模塊庫(kù)是可定制的，能夠擴(kuò)展以寬容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也可以修改已有模塊的圖標(biāo)，重新設(shè)定對(duì)話框，甚至換用其它形式的彈出菜單和復(fù)選框。

（4）快速、確鑿的進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。

SIMULINK較好的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來(lái)了較高的精度。先進(jìn)的常微分方程求解器可用于求解線性的和非線性的系統(tǒng)。

SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，只需要利用鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作，便可使得系統(tǒng)變得繁雜。SIMULINK的有點(diǎn)好多，它適應(yīng)性強(qiáng)、仿真效果逼真