基于变压器磁路控制的谐波抑制仿真研究

重庆科技学院毕业设计（论文）题 目 基于变压器磁路控制的谐波抑制仿真研究 院 （系） 电气与信息工程学院 专业班级 电自普 09-01 学生姓名 郭晓冬 学号 2009441530 指导教师 常继彬 职称 副教授 评阅教师 职称 2013 年 5 月 22 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日摘 要随着社会的不断发展，居民的生活对电能依赖性越来越高，致使越来越多的电力电子装置投入到电网的运行之中，使得电网的谐波污染问题日益严重，对电力系统中的设备和装置产生严重损害，影响电能的正常供应，特别是在电力装置发生短路，或电气设备发生故障时，系统中的谐波分量受到其影响，将进一步增大。本文通过在传统双绕组电力变压器上附加控制绕组，并对其注入补偿电流，从而对负载侧产生的谐波电流进行抑制，以保障电网侧电流不受其影响。在对谐波电流检测时，本文采用以瞬时无功功率为基础的 电流检测法；在对补偿电流进行控制时，本文采用三角波控制方法。最后通过 Matlab 对该方案进行建模和仿真，结果证明该方法对主要次谐波具有良好的抑制效果。关键词：谐波抑制 有源滤波器 电流检测法 三角波比较控制 Matlab 仿真iqpqpABSTRACTWith the continuous development of society, peoples life dependence on electricity is higher and higher, making more and more into the operation of the power grid, power electronic devices of power grid harmonic pollution problem is increasingly serious, serious damage to equipment and devices in power system, affect the normal supply of electricity, especially the short circuit in an electrical device, or electrical equipment failure occurs, the harmonic component in the system by its influence, will further increase.Based on traditional double winding additional control on power transformer winding, and the injection of compensation current, thus to restrain of load harmonic current generated in the side, in order to ensure the grid side current is not influenced by it. When the harmonic current detection, this paper based on the instantaneous reactive power IP-IQ current test; When the compensation current control, this paper adopts triangle wave control method. At last, through the Matlab modeling and simulation of the scheme, the results show that the method has good inhibition effect on main harmonic.Keywords: Harmonic suppression; active filter; IP - IQ test current; Triangle wave comparison control method; The matlab simulation目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .11 绪论 .11.1 课题来源、研究目的及意义 .11.1.1. 谐波来源 .11.1.2. 谐波抑制研究目的及意义 .11.1.3. 谐波的治理 .21.2 谐波抑制的发展及研究现状 .21.3 本论文研究的主要内容 .32 有源电力滤波器的分类、工作原理.52.1 有源电力滤波器的分类 .52.1.1 电流型有源滤波器和电压型有源滤波器 .52.1.2 串联型、并联型和串、并联混合使用型有源滤波器 .62.2 并联电压型有源电力滤波器的工作原理 .73 谐波电流的检测方法.93.1 谐波电流检测方法的研究现状 .93.1.1 低通滤波器提取基波分量谐波检测方法 .93.1.2 基于 Fryze 时域分析的谐波检测方法 .93.1.3 基于频域分析的 FFT 谐波检测方法 .93.1.4 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 .103.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 .103.2.1 p-q 谐波电流检测法.103.2.2 ip-iq 谐波电流检测法.113.2.3 d-q 谐波电流检测法 .124 有源电力滤波器的补偿电流控制方法.134.1 三角波比较控制法 .134.2 瞬时值比较控制方法 .145 系统建模仿真与结果分析.155.1 非线性负载模块及仿真分析 .155.2 ip-iq 法谐波检测模型及其仿真 .165.3 补偿电流控制法的模型及其仿真 .195.3.1 瞬时值比较控制方法模型及其仿真 .195.3.2 三角波比较控制法的模型及其仿真分析 .215.4 仿真结果分析 .226 结论.23参考文献 .24致谢 .251 绪论1.1 课题来源、研究目的及意义1.1.1. 谐波来源“谐波”一词最初起源于声学。与谐波有关的数学分析论证，在 18、19 世纪的欧洲，傅里叶等人所提出的谐波分析方法就为谐波的治理奠定了理论基础，至今仍被人们广泛地应用到对谐波问题的研究之中。电力系统中的各次谐波主要来源于各种非线性负载的不合理使用。当电力系统中的电流流经非线性负载时，与其两端的电压不呈线性关系时，就会形成非正弦电流，我们将这种非正弦电流称之为“谐波” 。目前，谐波带来的影响和对电力系统的损害已经不能被忽视了，它不仅会造成电网电压严重失真，增加电网能耗，更会对电力系统的正常运行产生严重影响，损害电能质量，甚至危害人民的生命财产安全 1。1.1.2. 谐波抑制研究目的及意义社会经济的不断进步，人民生活水平的不断提高，对电力的需求也越来越大，各种新生的非正弦电力电子器件被大量的投入到电力装置的使用和电力系统的运行之中，对电网的安全性、可靠性提出了巨大的挑战，威胁到人们的生命财产安全，因此，对电力装置和电力系统的谐波进行有效地治理有着十分重要的意义。谐波污染的危害主要包括以下几个方面：谐波电流将增加变压器的损耗，降低其负荷能力并且使其噪声干扰增大；谐波可能会造成二次系统设备（如继电保护装置）发生振荡，使继保装置发生误动作，影响其正常工作；谐波会干扰通讯设备以及其他弱电设备的正常工作； 谐波不但会使输电损耗增加，而且还会造成输电线路 4发生局部放电（集肤效应） ，损害电缆的质量，减短其使用寿命 2。当今世界，谐波污染问题日益严重，严重的影响到了人们的用电安全和经济利益，因此，世界各国针对谐波抑制问题制定了相关条例来规范其标准。针对谐波治理问题，我国自 1990 年起，发布出来了多项电能质量指标和安全用电守则，为后来的谐波治理工作打下了稳固的基础 38。1.1.3. 谐波的治理目前，解决电力系统装置中的谐波问题主要采用以下两种方案 45：主动型谐波抑制方案：主动型谐波抑制方案的原理是在谐波源头对其进行抑制 1和处理，主要针对电网中的各种产生谐波的主要设备设施，对其进行适当的改进，使其谐波产生量得到有效的抑制。其常用方法主要包括以下几种：脉宽调制整流技术、多相整流技术、有源功率因数校正器等，能够在谐波源处对谐波进行抑制，因此谐波抑制效果较好。被动型谐波抑制方案：被动型谐波抑制方案的原理是通过在负载侧添加谐波装 2置对谐波进行抑制，常用的电力滤波装置主要有无源滤波器(PF)、有源滤波器（APF）等。1)无源电力滤波器（PF） ，是一种利用电感、电容和电阻组合而成的滤波装置，可对某一次或多次谐波进行滤除。PF 结构相对简单、可靠性较高、成本也比较低，因此一直被应用在某些固定领域。同时 PF 相对于 APF，也存在着较为明显的不足，比如 PF的滤波性能会受到系统参数的影响；PF 只能针对某固定次数谐波进行补偿；无法实现在抑制谐波的同时，对系统进行动态补偿等，因此许多专家学者将研究的目光投向了对有源电力滤波器的研究。2)有源电力滤波器（APF） ，是一种新型电力电子装置，它能够实现对变化的谐波和无功进行动态跟踪补偿的功能。与无源滤波器比较，APF 的优点在于它的可控性和快速响应性，能够对各次谐波进行补偿、抑制闪变；另外，在性价比上 APF 比 PF 更为合理；其次，APF 滤波特性不会受到系统阻抗的影响，从而避免与系统阻抗发生谐振，导致继电保护装置误操作等问题；APF 还具有自适应功能，可以跟踪补偿时刻改变的谐波。基于以上因素，目前在电力系统中，通常采用被动型谐波抑制方案对谐波问题进行处理。近年来，世界各国在谐波抑制领域已经广泛地采用了有源电力滤波器作为谐波抑制的主要装置，并且其抑制效果正在明显提高，容量也在不断增加，APF 拥有广阔的应用前景。 1.2 谐波抑制的发展及研究现状上世纪 70 年代初，电力有源滤波器（英文缩写 APF）的概念由日本的学者提出 1。1976 年,L.Gyugi 提出了一种新的思路，采用 PWM 逆变器构成电力有源滤波器，它能够同时对谐波进行抑制，对无功进行补偿，克服了传统滤波器的明显缺点，为后来的研究奠定了良好的基础。但由于受到当时电力电子器件功能的限制和研究水平的局限，所以对有源滤波器的研发一直只能处在初步阶段。80 年代后期，电力电子及其控制技术得到飞速的发展，大功率可关断器件(GTO、GTR 、IGBT 等)也相继问世并且其性能也有了显著的提高，日本学者 H.Akagi在 1983 年提出的“瞬时无功功率理论” ，为有源电力滤波器在实际系统中的运用奠定了理论基础，使得对有源电力滤波器的研究走迈上了一个新的台阶，是谐波抑制研究发展史上的一个里程碑。再经过 20 了多年的探索和研发，对于有源滤波技术的研究又更深入了一步，大量的 APF 投入到实际系统的运行之中，在性能上得到了巨大的改善，使得谐波抑制效果也进一步提升。与国外相比，国内对有源电力滤波器的研究起步相对较晚，谐波抑制技术不如西方发达国家成熟，1989 年才有文章对这方面的研究进行了相关阐述，从1993 年开始才将有源滤波技术应用到工业上。近十几年来，国内许多研究机构和单位对有源滤波技术进行深入的研究和分析，从而使得我国的谐波抑制技术也向世界领先水平靠近。当前谐波治理的研究工作，关键在于增强有源滤波器的谐波抑制效果，降低谐波治理的成本。近年来，APF 主要具有以下几个发展趋势 1415：采用 APF 与 PF 组合而成的混合型滤波装置，从而达到减少 APF 容量，降低运 1行成本、提高可靠性的目的；由于半导体器件制作工艺的不断提升，并联型 APF 功能将更加强大、性价比 2也会显著提高，它将成为以后滤波装置的首选；在对高次谐波进行补偿时，PWM 调制方式和提高开关器件开关频率的多重化 3技术将会成为比较可靠的一种补偿方式，在未来的市场中将会占很大的份额；由于 APF 其自身优越的性能，在工业系统的高压控制领域中，它也将得到大 4量的应用。1.3 本论文研究的主要内容本课题的主要思路基于变压器磁路控制的谐波抑制仿真研究。在传统电力变压器两相绕组的基础上，添加第三绕组（即控制绕组） ，在负载电流经过有源滤波器的指令电流运算电路和补偿电流控制电路以后，将补偿电流注入控制绕组中，从而实现对负载绕组侧谐波的抑制。然后，采用 Matlab 软件中的 SimPowerSystem(电力系统仿真工具箱) ，对该方案的各个模块进行建模和仿真，并对谐波抑制效果进行处理和分析。本课题以带电阻负载的三相不可控整流桥为谐波源，采用并联型有源电力滤波器对其进行检测和补偿。本课题的主要设计工作如下：电源侧和负载侧（谐波源）的设计。 1对基于瞬时无功功率理论为基础的 、 以及 谐波检测方法进 2 qdp行比较，并对 谐波电流检测法进行重点分析 9。iqpiqp对有源滤波器的补偿电流发生电路的电流补偿控制方式进行分析和选择。 3运用 MATLAB 建立系统整体模型，对电源侧部分、负载侧部分、有源滤波器 4部分（包括指令信号发生电路和补偿电流跟踪电路）进行仿真，并对其参数进行合适的设置，最终得到谐波抑制效果图，并对其进行分析，从而验证该方案的准确性和可靠性。2 有源电力滤波器的分类、工作原理2.1 有源电力滤波器的分类有源电力滤波器（APF） ，是一种针对电力谐波治理而设计的专用设备，其信号处理部分是根据现代电力电子技术原理和高速 DSP 器件而设计的。APF 的硬件结构主要包括指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个部分，指令电流运算电路的作用是，对负载侧的电流进行实时检测，将被检测电流中的谐波与基波相互分离，将指令信号送入驱动电路。补偿电流发生电路的作用为，得到指令运算电路送来的指令信号，并经过运算向补偿电流发生电路提供驱动信号，使其产生与被检测谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流，并将其注入系统中，对负载侧产生的谐波电流进行抑制，使得电网不受到谐波的污染。有源电力滤波器的分类，根据其不同的结构和应用范围就会有不同的分类方法。按照其所使用的变流器类型可将其分为：电流型和电压型；按照其与负载连接的不同方式可将其分为：串联型、并联型和串、并联混合使用型；按照其使用场合的电源相数可将其分为：单相、三相三线和三相四线型等 6。2.1.1 电流型有源滤波器和电压型有源滤波器图 2.1 电压型 APF 主电路如图 2.1 所示，为电压型有源滤波器主电路，直流侧接有一电容，APF 正常工作时其两端电压基本保持不变，可以将其看作一个电压源。图 2.2 三相电流型 APF 主电路如图 2.2 所示，为三相电流型有源滤波器主电路，其直流侧接入一电感，正常工作时流经其的电流基本保持不变，可以将其看作一个电流源。电压型有源电力滤波器效率相对较高，还可以对其并联扩容，性价比更高，且更易于单机小型化作业，适合用作对电网谐波进行补偿，因此目前多数谐波抑制装置 90%以上都选择采用电压型 APF 作为核心设备。电流型 APF 的一个明显优点是，开关器件不会发生直通短路现象，不会造成电流过大而烧毁器件。但是，其缺点则为直流侧电感上始终有电流流过，影响其工作效率，因此目前较少使用。2.1.2 串联型、并联型和串、并联混合使用型有源滤波器图 2.3 串联型 APF如图 2.3 所示，是串联型有源电力滤波器原理图。图中，负载侧为谐波源，APF由变流器、电感和直流侧储能原件组合而成，这种结构的 APF 主要用于补偿可看作电压源的谐波源。串联型有源电力滤波器的优点为，能够输出补偿电压，从而抑制负载侧产生的谐波电压，使得电网电压的波形更接近正弦波。串联型 APF 的缺点为，装置容量一般较大增大，造成运行成本加大，因此只在某些特殊场合才用串联型 APF7。图 2.4 并联型 APF如图 2.4 所示，为目前应用较为广泛的并联型有源电力滤波器原理图，负载侧为谐波源，其作用是消除谐波电流、并对其进行无功补偿。通过对负载侧谐波电流的检测，根据检测到的电流，向系统中注入与谐波电流幅值相同，方向相反的补偿电流来消除电网侧电流中的谐波，同时也可以对无功功率进行补偿和调节。并联型有源电力滤波器的主要缺点是，由于交流电压直接（或经变压器）施加到逆变器上，而补偿电流基本又是由逆变器提供，因此要求逆变器必须具有较大的容量，使得成本相对提高 10。2.2 并联电压型有源电力滤波器的工作原理前面提到，有源电力滤波器根据其所使用的变流器类型的不同，可将其分为电压型、电流型，由于目前运行的装置多数都采用并联型有源滤波器，因此，本文所采用的是并联电压型有源电力滤波器。图 2.5 并联电压型有源电力滤波器原理图如图 2.5 所示，为并联电压型有源电力滤波器系统构成的原理图。如图所示，交流电源用 表示，谐波电流由负载产生，同时消耗无功功率。有源电力滤波器的内部结构主要包括两个部分：指令电流运算电路和补偿电流发生电路，补偿电流发生电路又包含了电流跟踪控制电路、驱动信号发生电路和主电路。指令电流运算电路是 APF 装置中十分重要的一部分，其检测、运算结果的好坏将直接影响到最后补偿电流的质量和补偿效果，它的主要作用是对被补偿对象（即负载电流 ）进行谐波检测，对基波电流和谐波电流进行分离，为补偿电流发生电路提供指令信号。补偿电流发生电路是 APF 的核心，它的主要作用是以前面所产生的指令信号（即图中的 ）为基础，经过计算从而产生对应的补偿电流（即图中的 ） ，并将其反馈到电力系统中，与谐波电流相抵消，实现对谐波的抑制。如图 2.5 所示，APF的基本工作原理是：提取负载侧（谐波源）所产生的电流，经过指令电流运算电路的计算得到指令信号，指令信号再经过补偿电流发生电路的计算，便可得到需要的补偿电流，补偿电流与被补偿电流（负载电流中的谐波分量）相抵消，最终达到在负载侧对谐波进行抑制的目的 11。可用如下的一组公式对上述谐波抑制原理进行描述：(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)式中 为负载电流的基波分量；负载电流 的谐波分量为； 补偿电流； 补偿电流的指令信号 。iLC iCiCLSLhfLLhCiLfCSiLf LLhiC*CeS3 谐波电流的检测方法3.1 谐波电流检测方法的研究现状对谐波电流进行可靠的检测在谐波抑制的过程中起着至关重要的作用，好的谐波电流检测方法不仅是能够快速、准确的检测到谐波电流分量，更是对系统装置进行继电保护、故障排除和修复等工作的重要前提和依据。谐波检测方法按照其检测原理的不同可分为一下几种方式 12。 3.1.1 低通滤波器提取基波分量谐波检测方法最初谐波电流检测方法采用的是模拟滤波器，该方法的原理为：通过带通滤波器得到被检测电流的基波分量，再与被检测电流相减即可得到其谐波分量。但这种方法也存在着比较明显的不足，其设计难度较大一直是让人头疼的难题，严重阻碍了其发展。另外，带通滤波器对电网、电力系统频率的变化太敏感，其运行的安全性和可靠性也大打折扣，因此该方法现在已很少被采用。3.1.2 基于 Fryze 时域分析的谐波检测方法电力电子技术和数学分析的高速发展，也推动了谐波检测方法的进步，研究人员逐步开始采用傅立叶时域分析方法来对谐波和无功电流进行检测，由此产生了一种新的谐波检测方法基于 Fryze 时域分析的谐波检测方法。该方法的原理是，对一个电源周期内所采集到的电流值进行计算，并最终得到所需的谐波和无功电流。不过该方法也有明显的不足之处，由于计算的太复杂和繁琐，造成计算时间加长，电流检测的延迟增大，使得检测到的结果不够准确，实时性满足不了要求。3.1.3 基于频域分析的 FFT 谐波检测方法该检测方法以 Fourier 分析为基础，对被补偿电流的波形也有明确的要求，即必须呈周期性变化，否则在检测时会带来较大的误差。该方法原理为：把一个周期内检测到的谐波电流通过 FFT 变换并对其进行分解，得到各次谐波的幅值和相位，再对需要消除的谐波分量进行 FFT 反变换，即可得到补偿信号。该方法的优点是可以对固定次数的谐波进行抑制和消除，缺点则是对电流检测时需要较长时间，因此实时性较差。3.1.4 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法基于瞬时无功功率理论的检测法是目前应用最广泛的一种谐波电流检测方法，最初是由日本学者赤木泰文在 1983 年首先提出来的。基于瞬时无功功率理论的检测法主要包括 法、 法和 法。其中 检测法应用最早，主要适用于qpqdqp三相对称且无畸变的公用电网及电力系统。该方法的优点之一在于当只对无功电流检测时，实时性较好，可以无延时的检测到无功电流。在对谐波电流进行检测时，由于谐波的构成和选用滤波器的不同，会产生不同的延时，但延时最多也不会超过一个电源周期。由于基于瞬时无功功率理论的检测方法比较成熟，因此本文重点讨论采用基于瞬时无功功率理论为基础的 谐波检测方法对仿真模型进行验证。除了以上几种谐波检测方法以外，目前，自适应谐波检测方法、基于神经网络和基于小波分析的谐波检测方法等也在许多设备和装置中得到了广泛地应用 1。3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法由于瞬时无功功率理论中的概念都是建立在瞬时值基础上的，因此它不仅适用于正弦波，同样也适用于非正弦和其他过渡过程情况。在形式上，瞬时无功功率理论中的概念和传统理论非常相似，可以将其看成是传统功率理论的延伸和扩展。瞬时无功功率理论主要包括 法、 法以及 法三种检测方法 12。qpqd3.2.1 p-q 谐波电流检测法图 3.1 p-q 法原理图如图 3.1 所示，为 运算方法的原理图。该方法以瞬时无功功率理论为基础，qp计算出瞬时有功功率 和瞬时无功功率 ，再经低通滤波器（LPF）从而得到 、 的pqiQPiQPiq直流分量 、 。当电网侧电压无畸变时， 由基波有功电流与电压相互作用所产生，pqp由基波无功电流与电压相互作用所产生。因此，由直流分量 、 即可计算出被检q pq测电流 、 、 的基波分量 、 、 。3.2.2 ip-iq 谐波电流检测法图 3.2 法原理图如图 3.2 所示，为 运算方法的原理图，图中，(3-1)(3-2)(3-3)该方法以瞬时无功功率理论为基础，将 相电网电压经过个一个锁相环（PLL ）和a一个正余弦发生信号得到同相位的正弦信号 和对应的余弦信号 。根据tsintcos定义可以计算出 、 。即：(3-4)经 LPF 滤波得出 、 的直流分量 、 。这里， 、 是由 、 piqpiq、产生的，因此由 、 可计算出 、 、 ，即：piqiabciafbcfiqpiqpttCsincosn1 2/3013/23 2/30123Cipq CCcbacbaqp tt32321 snocsinafibicf afbcf (3-5)将 、 、 分别与 、 、 相减，即可得出 、 、 的谐波分量 、 。如图 3.2 所示，当要对谐波电流分量和无功电流分量进行检测时，只需断开计算 的通道即可，当只对无功电流分量检测时，则只要对 进行反变换即可。当电网侧电压畸变，即 、 、 中含有谐波分量时，对于 检测法，其计qp算基波的公式中含有 、 、 ，因此此时对谐波的检测将产生误差。而采用 法检测时，由于没有 、 、 参与计算，只取 、 进行计算。因此，tsincos检测结果不受电压的影响，检测结果相对较准确。3.2.3 d-q 谐波电流检测法图 3.3 d-q 法原理图如图 3.3 所示，为 运算方法的原理图。基于瞬时无功功率理论的 谐波qd qd检测法是一种直接采用 变换（ 坐标系到 坐标系的变换） ，从而实现对任parkdp意非正弦、非对称三相电路谐波分量和无功功率进行检测的方法。在不考虑零序分量时， 谐波检测法与 谐波检测法在本质上是相同的。本文采用 谐波检测法对负载侧的谐波电流进行实时跟踪检测 13。 iCiqpqpcfba ttsncosin23123iafbcfabcabcahbhcq qeabc iqpbciqpiqpa4 有源电力滤波器的补偿电流控制方法补偿电流发生电路是有源电力滤波器的重要组成部分，电流控制方式的优劣将直接决定整个有源滤波器的滤波性能好坏。APF 的优点在于其滤波性能不会受到系统阻抗变化的影响，可以对实时变化的谐波进行跟踪和无功补偿。作为一种新型电力电子装置，APF 的工作性能主要取决于其主电路构成元件性能和其控制系统性能。只要APF 的主电路结构确定，则控制系统就成为决定滤波性能好坏和效率高低的重要因素。常见的补偿电流控制方法有：三角波比较控制法、瞬时值比较控制法、空间矢量 PWM控制法、单周控制法、无差拍控制法等。本文将对三角波比较控制法和瞬时值比较控制法进行仿真和分析 16。4.1 三角波比较控制法图 4.1 三角波比较控制法原理图如图 4.1 所示，为三角波比较控制方式的原理图。不同于传统的用三角波作为载波的 PWM 控制方式直接将指令信号与三角波进行比较，这种控制方式的工作原理为，将指令电流信号 与补偿电流信号 相减得到差值信号，差值信号再经放大器 A 放大后与三角波进行比较，比较得到的误差信号作为变流器输入信号，最后得到控制APF 主电路通断的 PWM 信号。放大器通常是采用比例放大器或比例积分放大器。 但是该方法实现的硬件较为复杂，且由于定频控制，因此跟踪误差相对也较大；输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的高频畸变分量；高频的三角波使逆变器长时间处于高频工作状态，造成较大的开关损耗。*icic4.2 瞬时值比较控制方法图 4.1 瞬时值比较控制法原理图如图 4.1 所示，为瞬时值比较控制方式的原理图。该方法是将逆变器输出的电流信号与指令电流信号作差，并将差值控制在规定的滞环宽度(误差限)之内，按照此原理来控制 PWM 电路的开关通断。在该控制方式中，补偿电流的指令信号 与补偿电流信号 的偏差 作为滞环比较器的输入值，产生控制补偿主电路的 PWM 信号，PWM 信号再经过驱动电路的放大，控制开关的通断，从而控制补偿电流 的变化。在该方法中，滞环宽度将在很大程度上影响到补偿电流的跟踪性能。在环宽值比较大时，开关通断频率会降低，因此此时对开关器件的要求并高，但是跟踪误差则会比较大。这种控制方法的优点是，电路结构较为简单，相应延迟较小，实时性好，并且由于不使用载波，所以输出电流中不存在特定频率的谐波分量，属于跟踪型 PWM的闭环控制方式，如果滞环宽度固定，那么电流跟踪误差的范围也是固定的，不过电力电子器件的开关频率则是变化的 17。*iciccc5 系统建模仿真与结果分析本章运用 MATLAB 7.0 仿真软件中的 SimPowerSystems 工具箱对前文提到的谐波抑制方案进行仿真和分析。首先，建立非线性负载（谐波源） ，并对电源侧和负载侧的谐波进行了观察和记录。再对以瞬时无功功率理论为基础的 谐波检测方法进行仿真，得到基波电流和谐波电流，并对其进行分析。然后分别对三角波比较、瞬时值比较两种补偿电流控制方法建立了相应的仿真模型，并进行了分析、比较。最后对整个系统模型进行了仿真，得出了相应的结论 20。5.1 非线性负载模块及仿真分析图 5.1 非线性阻感负载模型如图 5.1 所示，为非线性阻感负载和三相可控电源的仿真模型。电源电压为6kV/50Hz，变压器一次测跟二次侧之比为 6000/220，负载侧电阻为 100,线路感抗为0.5mH，仿真结果如下。负载侧电流如下图所示：iqpa.负载电流波形b.频谱分析图 5.2 负载侧电流波形及其频谱分析图如图 5.2 所示，为负载侧电流波形及其频谱分析图。从频谱分析图上可以看到，由于采用的是三相整流负载，因此负载电流中的谐波分量主要集中在 5 次、7 次、等次谐波上。16n5.2 ip-iq 法谐波检测模型及其仿真图 5.3 法谐波检测模型图 5.3 所示，为基于瞬时无功功率理论为基础的 谐波检测方法仿真模型 18。其中还包括了 4 个封装模块，其内部结构如下图：iqpqp图 5.4 C32 模块如图 5.4 所示 C32 模块，该模块的功能为将输入的负载侧三相电流转换成两相形式。图 5.5 C 模块如图 5.5 所示 C 模块，该模块的功能为通过转换得到有功电流 ip 和无功电流 iq。图 5.6 C-1 模块如图 5.6 所示 C-1 模块，该模块的功能为将有功电流和无功电流的直流分量与 a 相电源电压经锁相环节所得值相结合，经过运算得到两相形式的电流。图 5.7 C23 模块如图 5.7 所示 C32 模块，该模块的功能为将两相电流转换成三相形式的基波电流。图 5.8 谐波电流检测仿真模型如图 5.8 所示，为谐波电流检测仿真模型，示波器得到的谐波波形以及频谱分析如下：a.谐波电流波形b.频谱分析图 5.9 谐波电流波形及其频谱分析如图 5.9 所示，a 图为检测出的谐波电流波形图，b 图为谐波电流的频谱分析图。由图可知，谐波的次数主要集中在 5 次、7 次、11 次、17 次谐波上。同时，观测到的基波电流波形及其频谱分析如下图：a.基波电流波形b.基波电流频谱分析图 5.10 基波电流波形和频谱分析如图 5.10 所示，a 图为基波电流的波形图， b 图为基波电流的频谱分析图。5.3 补偿电流控制法的模型及其仿真5.3.1 瞬时值比较控制方法模型及其仿真图 5.11 瞬时值比较控制方法仿真模型图 5.12 瞬时值比较控制法的 PWM 信号产生模块a.补偿后电源电流波形b.补偿后电源电流频谱分析图 5.13 补偿后的电源侧电流如图 5.11、5.12 所示，为瞬时值比较控制方法的整体模型和 PWM 信号产生模块，主电路采用三项可控整流电路 19，图 5.13 为经过补偿后所得电源侧电流的波形和频谱分析，补偿前的频谱分析如下图：图 5.14 补偿前电源侧电流的频谱分析由图 5.13 和图 5.14 可以看出，电源侧的各次谐波都得到很好的抑制，特别是 5 次、7 次、11 次、17 次等谐波被抑制的效果比较明显。5.3.2 三角波比较控制法的模型及其仿真分析图 5.15 三角波比较控制方法仿真模型图 5.16 三角波比较控制法的 PWM 信号产生模块如图 5.15、5.16 所示，为三角波比较控制方法的整体模型和 PWM 信号产生模块 19，补偿后的电源侧电流波形和频谱分析如下图：a.补偿后电源电流波形b.补偿后的电源侧电流频谱分析图 5.17 补偿后的电源侧电流如图 5.17 所示，可以得到与前面采用瞬时值比较控制法同样的结论，电源侧的各次谐波电流得到很好的抑制。5.4 仿真结果分析本文采用 Matlab7.0 对基于变压器磁路控制的谐波抑制进行了仿真研究，对电源侧、非线性负载（谐波源） 、基于瞬时无功功率理论的 检测法、瞬时值比较电流控制法和三角波比较电流控制法等各个模块进行了仿真分析。在谐波产生模块即负载侧，产生谐波，通过电流检测部分对负载电流进行谐波检测，并将被检测电流分离为基波电流和谐波电流，检测到的谐波电流则作为指令信号提供给补偿电流发生电路，利用不同的电流控制方式对 PWM 驱动电路进行控制，从而产生与被检测谐波电流分量大小相同，方向相反的补偿电流，实现对谐波电流分量的抑制。在仿真过程中，通过观察波形图和频谱分析表，我们可以看到，在电源侧的iqp次谐波电流都得到了抑制，并取得了理想的仿真效果，从而证明了该方案正确16n性和可行性。6 结论本文通过在传统电力变压器两相绕组的基础上增加第三绕组（控制绕组） ，从而达到对谐波抑制的作用。有源滤波器作为目前世面上对谐波抑制最有效的电力器件，本文介绍了它的硬件结构和基本工作原理，并将其运用到对变压器负载侧谐波电流的抑制之中，通过对基于瞬时无功功率理论的 法、 法和 法这三种谐波检测方法工作原理qpqd及其对谐波抑制的效果的介绍和分析，从中选择了 谐波检测方法作为本文中有源滤波器的谐波电流检测装置，经过仿真证明了该方法具有更