电力有源滤波器的设计.doc

工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计 计 论论 文文 题 目 电力有源滤波器的设计 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电气 082 姓 名 邓大伟 学 号 1609080203 指导教师 国海 日 期 2011 年 12 月 22 日 目目 录录 摘要 摘要 1 1 1 1 绪论绪论 2 2 1 1 概述 2 1 2 抑制谐波的方法 2 1 3 本文研究的内容 3 2 2 APFAPF 的工作原理和结构的工作原理和结构 4 4 2 1 APF 的基本原理和种类 4 2 2 APF 的谐波检测方法 5 2 3 APF 的补偿电流控制方法 6 3 3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略有源电力滤波器谐波检测及控制策略 8 8 3 1 瞬时无功功率理论简介及其应用 8 3 2 SVPWM 调制策略 10 4 4 控制系统的总体设计方案控制系统的总体设计方案 1414 4 1 系统初始化程序的设计 14 4 2 中断子程序设计 14 4 3 IP IQ法补偿谐波和无功电流的原理框图 15 5 5 电力有源滤波器的仿真实现电力有源滤波器的仿真实现 1717 5 1 源电力滤波器仿真模型的建立 17 5 2 结果仿真 21 总结与展望总结与展望 2525 致谢致谢 2626 参考文献参考文献 2727 ABSTRACT ABSTRACT 2828 1 电力有源滤波器的设计电力有源滤波器的设计 摘要 摘要 随着电力电子装置日益广泛的应用 电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网 中含有大量谐波 这些谐波给电力系统带来了严重的污染 严重危害了用电设备和通信系统的 稳定运行 虽然传统的无源电力滤波器具有结构简单 成本低 技术成熟 运行费用低等优点 但同时也有一些缺点 例如只能抑制固定的几次谐波 并对某次谐波在一定条件下会与电网阻 抗产生谐振反而而使谐波放大 目前 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 有源电力滤波器也是一种电力电 子装置 且相关技术的研究也日渐成为研究的热点 本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各 自的优缺点 详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 比例控制和前馈控制两种电 流环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略 介绍了电力有源滤波器的基本原理和结构 并 设计了并联型有源电力滤波器的控制系统 实验结果表明 其谐波抑制和无功补偿可以达到良 好的效果 在技术上是可行的 关键词 关键词 电力有源滤波器 谐波检测 APF 2 1 绪论绪论 1 1 概述概述 电能是现代社会的主要能源之一 在各行各业中有着广泛的应用 电能质量的好坏直 接关系到国民经济的总体效益 理想的供电系统对负荷供电时 应该保持三相平衡对称 电压电流波形皆为单频恒定正弦波 电能质量不受负载变化的影响 随着电力电子装置及 非线性 冲击性设备的广泛运用 谐波和低功率因数等问题越来越严重 目前的大型企业 中 几乎每家企业都或多或少有着电网污染的现象 在供电的过程中电压的波形会由于某 些原因而偏离正弦波形 即产生谐波 1 并且在电力的生产 传输 转换和使用的各个环 节中都会产生谐波 供电系统中的谐波问题已经引起了社会各界的广泛关注 为了保证供 电系统中所有的电气 电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常 和谐的工作 必须 采取有力的措施 抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果 谐波主要危害 谐波主要危害 增加电力设施的负荷 降低系统的功率因数 降低发电 输电及用电 设备的有效容量和效率 造成了设备 线路的浪费和电能损失 引起无功补偿电容器谐振 和谐波电流放大 导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行 产生脉冲转矩 致使电动机振动 影响产品质量和电机寿命 由于涡流和集肤效应 使电机 变压器 输 电线路等因产生附加功率损耗而过热 浪费电能并加速绝缘老化 2 1 2 抑制谐波的方法抑制谐波的方法 随着工业 农业和人民生活水平的不断提高 除了需要电能成倍的增长 对供电质量 及供电可靠性的要求也越来越多 电能质量 Power Quality 受到人们的日益重视 于 是各国纷纷出台措施 制定相关标准 目前滤波是治理电网污染的有效方法 滤波就是将 信号中特定的波段频率滤除的操作 是抑制和防止干扰的一项重要措施 它分为 无源滤 波 PF passive filter 和 有源滤波 APF active power filter 1 1 无源滤波 无源滤波 无源滤波器 又称 LC 滤波器 是利用电感 电容和电阻的组合设计构成的滤波电路 可滤除某一次或多次谐波 最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联 可对主要 次谐波构成低阻抗旁路 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器都属于无源滤波器 无源滤波器具有结构简单 成本低廉 运行可靠性较高 运行费用较低等优点 基本的无 源滤波器的拓扑结构如下图所示 3 图 1 1 无源滤波器结构 2 2 有源滤波 有源滤波 目前 谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器 Active Power Filter APF 3 有源电力滤波器也是一种电力电子装置 其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流 由 补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流 从而消除电网中的谐波 这 种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿 且补偿特性不受电网阻抗的影响 因而受到广泛的重视 并且在日本等国得到广泛的应用 有源电力滤波器的基本思想在六 七十年代就己经形成 80 年代以来 由于大中功率全控型半导体器件的成熟 脉冲宽度调 制 Pulse Width Modulation PWM 控制技术的进步 以及基于瞬时无功功率理论的谐波电 流瞬时检测方法的提出 有源电力滤波器才得以迅速发展 1 3 本文研究的内容本文研究的内容 本课题是根据自己的兴趣自选的 本文的研究内容主要包括以下几个方面 第 1 章为绪论 概述了谐波的危害 谐波抑制的各种方法以及有源电力滤波器发展现 状 阐述了当前 APF 的研究热点 第 2 章分析了有源电力滤波器的拓扑结构 工作原理和工作特性 从多个方面出发对 有源电力滤波器进行了分类和介绍 并分析了各自的优缺点 第 3 章分析了有源电力滤波器谐波检测方法 并分析了各种谐波检测方法的工作原理 和特性 通过对比选择 ip iq 算法作为本文谐波检测方法 第 4 章介绍了本次论文的总体设计方案 并给出了相关的原理框图 第 5 章在 MATLAB Simulink 中建立三相三相制有源电力滤波器的仿真模型 并对各个 模块进行仿真和详细的阐述 选择不同的整流负载 对负载电流波形和补偿后的电流波形 进行对比 验证了 APF 的补偿性能 第 6 章对全文做出总结 对有源电力滤波器系统存在的一系列问题进行探讨 并提出 下一步的展望 4 2 APF 的工作原理和结构的工作原理和结构 2 1 APF 的基本原理和种类的基本原理和种类 2 1 12 1 1 APFAPF 的基本原理的基本原理 APF 的基本原理是检测电网中的谐波电流 通过可控功率半导体器件向电网注入与原 有谐波电流幅值相等 相位相反的电流 使电源的总谐波电流为 0 从而达到实时补偿谐 波电流的目的 其原理框图如图 2 1 所示 图 2 1 有源电力滤波器系统原理图 2 1 22 1 2 按联接方式确定按联接方式确定 APFAPF 的种类的种类 APF 的结构形式很多 但其基本原理都是类似的 按电路拓朴结构可分为并联型 APF 串联型 APF 和串 并联型 APF 1 1 并联型 并联型 APFAPF 图 2 2 为并联型 APF 基本结构 由于与系统并联 可等效为一受控电流源 并联型 APF 可产生与负荷电流大小相等 方向相反的谐波电流 从而将电源侧电流补偿为正弦基 波电流 主要适用于抵消非线性负载的谐波电流 无功补偿及平衡三相系统中的不平衡电 流等 并联型 APF 在技术上比较成熟 4 图 2 2 并联型有源滤波器结构图 PWM ic ic il 非线性负载 指令电流 运算电路 PWM 控制电路 驱 动 电 路 逆变 主电路 es is 5 2 2 串联型 串联型 APFAPF 图 2 3 为串联型 APF 基本结构 通过 1 个匹配变压器将 APF 串联在电源和负载之间 以消除电压谐波 平衡或调整负载的端电压 与并联型 APF 相比 串联型 APF 损耗较大 且各种保护电路也较复杂 因此 很少单位使用串联型 APF 大多将其作为混合型 APF 的 一部分 图 2 3 串联型有源滤波器结构图 3 3 串 串 并联并联 APFAPF 图 2 4 为串 并联型 APF 基本结构 具有串联 APF 和并联 APF 的优点 能解决电气 系统发生的电能质量问题 又称为万能 APF 或统一电能质量调节器 串联型 APF 将电源和 负载隔离 阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网 并联型 APF 提供一个零阻抗 的谐波支路 把负载中的谐波电流吸收掉 5 这种方案兼有串 并联 APF 的功能 可以抑 制闪变 补偿谐波 消除共同耦合点处的三相电压不平衡 具有较高的性价比 该类 APF 的主要问题是控制复杂 造价较高 图 22 4 串联 并联型有源滤波器结构图 6 2 2 APF 的谐波检测方法的谐波检测方法 2 2 12 2 1 基于频域的检测方法基于频域的检测方法 这是最早应用于指令电流运算的一类方法 其基本思想是利用模拟带 或陷波 滤波器 进行谐波检测时他的缺点是 当电网频率波动时 所设计的滤波器中心频率会发生偏移 加上 该中心频率易受器件参数及温度影响 会使检测出的谐波信号中含有大量基波分量 增加了 APF 的设计容量和有功损耗 因此 已基本不用 2 2 22 2 2 瞬时空间矢量法瞬时空间矢量法 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一 种指令电流运算方法 最早是由日本学者 H Akagi 于 1984 年提出 仅适用于对称三相 电路 后经过不断地改进 现已包括 p q 法 Ip Iq 法以及 d p 法等 p q 法最早应用 仅适用于对称三相且无畸变的电网 Ip Iq 法不仅对电源电压畸变有效 而且也适用于不 对称三相电网 基于同步旋转 park 变换的 d q 法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运 算 而且也适用于不对称 有畸变的电网 6 2 2 32 2 3 有功分离法有功分离法 该方法将被检测量分解为理想传输量 即从公共供电点上看去 负荷是三相对称且纯阻 性的 该负荷只消耗有功能量 和另一分量之和 简单明了 易于实现 但该方法以平均有功 功率理论为基础 至少存在一个工频周期的延时 实时性较差 并且当电源电压存在畸变时 与电压谐波同次的谐波电流 有功部分 将被淹没一部分 另外 该方法不能单独分离出基波 有功分量 2 2 42 2 4 自适应检测法自适应检测法 该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理 从负载电流中消去基波有功分量 从而得到所需的补偿电流指令值 该方法的突出优点是对电网电压畸变 频率偏移及电网 参数变化有较好的自适应调整能力 但目前其动态响应速度还较慢 后来又提出了用神经 网络实现的自适应检测法 2 2 52 2 5 同步测定法同步测定法 针对三相不平衡系统提出了同步测定法 可分为等功率法 等电流法和等电阻法 3 类 即把补偿分量分配到三相中去 分别使补偿后的每相功率 每相电流或每相电阻相等 该方 法的缺点是计算量大 时间延迟大 2 3 APF 的补偿电流控制方法的补偿电流控制方法 目前电力有源滤波器的闭环控制策略中最常用的是 PI 控制 另外国内外的学者还对变 结构控制 模糊控制和人工神经网控制等现代新型控制方法进行了研究 APF 控制策略还 包括开关器件的 PWM 脉冲信号的形成 7 目前 PWM 生成方式的研究主要集中在载波比较法 滞环控制法 无差拍控制法和空间矢量法等方法上 2 3 12 3 1 三角载波控制三角载波控制 7 将电流实际值与参考值之间的偏差经 P I 调制后与高频三角载波相比较 所得矩形脉冲 作为逆变器开关元件的控制信号 从而在逆变器输出端获得所需波形 其优点是动态响应好 开 关频率固定 实现简单 缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量 开关损 耗较大 在大功率应用中受到限制 2 3 22 3 2 滞环比较控制滞环比较控制 它的原理为 将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比 较器中 通过比较器的输出来控制开关动作 使逆变器输出值实时跟踪补偿参考值 与三角 载波控制相比 滞环比较控制具有开关损耗小 动态响应快 鲁棒性好 控制精度高等特点 其缺点是系统的开关频率 响应速度及电流的跟踪精度均受滞环带宽影响 当带宽固定时 开关频率会随补偿电流的变化而变化 从而引起较大的脉动电流和开关噪音 为了解决开关 频率变化的问题 提出了基于电压矢量的滞环电流控制法 8 2 3 32 3 3 变结构控制变结构控制 变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感 具有很强的鲁棒性 本质上可视为带宽等 于零的滞环比较控制 所以他同样存在开关频率高 变化范围大的缺点 2 3 42 3 4 无差拍控制与差拍控制无差拍控制与差拍控制 无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术上发展起来的全数字化控制技术 他利用 前一时刻补偿电流的参考值和实际值 计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下的逆 变器电流输出值 然后选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态 从而达到电流误差等于 零的目标 该方法的优点是动态响应快且易于计算机执行 缺点是计算量大 对系统参数依 赖性较大 鲁棒性差 瞬态响应的超调量大 2 3 52 3 5 单周控制 又称积分复位控制 单周控制 又称积分复位控制 单周控制技术具有调制和控制的双重性 通过复位开关 积分器 触发电路及比较器达 到跟踪指令信号的目的 其基本思想是控制开关占空比 在每个周期内强迫开关变量平均值 与控制参考量相等或成比例 单周控制能在一个周期内自动消除稳态 暂态误差 前一周期 的误差不会带到下一周期 这种控制方法具有反应快 开关频率恒定 鲁棒性强 易于实 现 控制电路简单等优点 2 3 62 3 6 空间矢量调制空间矢量调制 SVM Space Vector Modulation 技术具有以下优点 直流侧电压的利用率比 SPWM 提高 15 采用不连续开关方式调制时 开关器件的损耗降低 1 3 调制方法便于数字实现 8 3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略有源电力滤波器谐波检测及控制策略 3 1 瞬时无功功率理论简介及其应用瞬时无功功率理论简介及其应用 三相电路瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文最先提出 理论的基本思路是 将 abc 三相系统电压 电流转换成 坐标系上的矢量 将电压 电流矢量的点积定义为 瞬时有功功率 将电压 电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率 然后再将这些功率逆变为 三相补偿电流 瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在 平均值 基础上的功率定义 使谐波及无功电流的实时检测成为可能 该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较 好的实时性 有利于系统的快速控制 可以获得较好的补偿效果 但该方法对于三相不平 衡负荷所产生的无功和谐波电流 补偿效果则不理想 且只适用于三相系统 不能用于单 相系统 3 1 13 1 1 瞬时无功理论定义瞬时无功理论定义 瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用 以该理论为基础构 成的 APF 可以实现对频率和大小都变化的无功与谐波电流进行实时的检测 这种检测方法 有可以分为 p q 法和 ip iq 法 本论文就是利用 ip iq 法进行谐波与无功电流的实时检测 的 本文研究的系统为三相三线制系统 可以先将三相的电压和电流转换到静止的 系统中 9 设三相电路各相瞬时电压和电流分别为 ea eb ec和 ia ib ic 分别将它们变 换到两相正交的 坐标上 两项瞬时电压为 e e 电流为 i i 即 1 c b a c b a u e e e C e e e e e F32 1 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3 2 2 c b a c b a i i i i C i i i i i F32 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3 2 式中 C32 是三相到两相的坐标变换阵 定义瞬时有功功率 p 和无功功率 q 为 9 3 i i u u u u FF FF q p iu iu 1 1 现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时 设三相电压 三相电流 分别为 4 3 2sin 3 2sin sin wtE wtE wtE u u u m m m c b a 5 3 2sin 3 2sin sin wtI wtI wtI i i i m m m c b a 则变换到 两相静止坐标系中的向量为 6 wt wt E u u F mu cos sin 2 3 1 7 wt wt I i i F mi cos sin 2 3 所以得到瞬时有功功率和无功功率为 8 cos 2 3 1mmiu IEFFp sin 2 3 1mmiu IEFFq 从式 8 可以看出 在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时 按照上面定 义计算的瞬时有功功率和无功功率 p q 只包含直流分量 并且与传统的三相有功功率和 无功功率计算的结果一样 瞬时无功功率理论只用了一个时刻三相电压和电流的数值 所 以这种功率计算方法大大提高了计算的效率 3 1 23 1 2 ip iqip iq 算法算法 当系统三相电压中不含谐波且为基波正序电压时 运用 p q 法可以迅速 准确的检测 出被检电流中的谐波分量和无功分量 克服了传统方法延时 精度低等缺点 但是当系统 电压也有畸变时 就会大大影响谐波检测的精度 并且电压畸变越严重 检测结果的精度 越低 因此 p q 法快速检测的精度受电压质量的影响 为了克服电压存在谐波分量的不足 我们让电源电压不直接参与计算 用与电源电压同相位的正弦信号 sin wt 和 cos wt 来代 替 这样电源有畸变也不会影响计算结果 从而提高三相电流谐波检测的精度 这就是 ip iq 算法 其具体的做法如下 定义 C32 C 如下 9 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3 2 32 C wt wt wt wt C sin cos cos sin 10 设 A 相电压为 10 wtEeasin2 1 设三相电流为 11 1 1 1 3 2 sin 2 3 2 sin 2 sin 2 n nnc n nnb n nna wtnIi wtnIi nwtIi 其中 n 3k 1 k 为整数 根据 ip icos iq isin 有 12 1 1 32 1cos 1cos 3 n nn n nn c b a q p wtnI wtnI i i i CC i i 式中 n 3k 1 时取正号 n 3k 1 时取负号 将计算得到的电流经过低通滤波器后 得到 ip iq 的直流分量为 13 sin cos 3 11 11 I I q p 在经过反变换即得到电流的基波分量为 14 3 2 sin2 3 2 sin2 sin2 1 1 1 11 32 n n n q p cf bf af wtnI wtnI nwtI i i CC i i i 最后 三相电流减去上式所计算得到的基波分量 就得到所需要补偿的谐波分量 15 cf bf af c b a ch bh ah i i i i i i i i i 3 2 SVPWM 调制策略调制策略 采用同步旋转变换的控制方法得到 dq 两相的电压给定后 可以采用正弦脉宽调制 SPWM 技术来得到三相 VSR 六个开关管的开关信号 基本的原理是 根据式 1 的反变换 将两相旋转坐标系中的电压给定变换到三相静止坐标系中 标定后与频率固定的三角波进 行比较 就可以得到脉宽调制信号 这种方法在早期的三相 VSR 控制中得到了广泛的应用 近年来随着算法的不断改进和控制芯片的迅猛发展 电压空间矢量脉宽调制技术 SVPWM 被引入高频变流领域的研究中 SVPWM 是一种优化的 PWM 技术 此方法控制简 11 单 电流波形畸变小 数字化实现方便 能明显减少交流侧电流的谐波成分 提高电压利 用率 比 SPWM 高 15 11 已有取代传统 SPWM 的趋势 基本的控制思想如下 定义三相 VSR 网侧输入电压空间矢量 Urf 16 3 2 U 2 rf cba UUU 其中 根据三相 VSR 开关信号 S 的定义 整流器有八种导通模式 对应八个 3 1 j e 空间电压矢量 U0 000 U1 100 U2 110 U3 010 U4 011 U5 001 U6 101 U7 111 其中 U 1 U6六个非零矢量为基本有效矢量 U0 000 U7 111 为两个零矢量 在 一个电流采样周期内 开关管的导通总是以零矢量开始并以零矢量结束 用六个非零矢量 和两个零矢量去逼近电压源 整流器三相桥输入端会得到等效的三相正弦波波形 这样对 任一空间电压矢量就可以用两个相邻的非零矢量和两个零矢量去逼近 使三相桥的输入为 等效正弦波 12 如 Urf在第一扇区 则有 Urf Ts U1T1 U2T2 15 如下图所示 图 3 1 空间电压矢量分解图 T1 和 T2 分别为空间矢量 U1 和 U2 的作用时间 Ts 为一个 PWM 周期 1 1 空间电压矢量所在扇区的计算空间电压矢量所在扇区的计算 由于 Urf U jU 所以在一个电流采样周期 Ts中 Urf的作用效果可等效表示为 Urf U Ts jU T 如 Urf在第一扇区 则有 0o arctg U U 0 且 U U Ts 则过饱和 针对这种情况就需要对T1和T2进行归一化处理 同时 得到零矢量的开通时间 13 21 210 21 22 21 11 TTTT TT T TT TT T TT s s s 3 3 开关管导通时间的分配 开关管导通时间的分配 仍以空间矢量在第一扇区为例来分析开关管导通时间的分配 第一扇区相邻两个向量 分别为 U1 100 和 U2 110 如果采用零矢量对称的插法 则三相桥臂导通情况可用如下图 表示 图 3 2 空间矢量在第一扇区时三相桥臂的开通时间分配 此时开关变换顺序为 000 100 110 111 110 100 000 同理可以得到其他扇区 开关变换转换顺序 如下表所示 表 3 2 各扇区开关变换顺序 扇区作用于三相桥臂上的向量的转换顺序 000100110111110100000 000110010111010110000 000010011111011010000 000011001111001011000 000001101111101001000 000101100111100101000 各扇区三相各相桥臂的导通时间计算如下表所示 14 图 3 3 各相桥臂在不同扇区中的导通时间分配表 相 扇区 ABC 224 210 TTT 24 20 TT 4 0 T 24 20 TT 224 210 TTT 4 0 T 4 0 T 224 210 TTT 24 20 TT 4 0 T 24 20 TT 224 210 TTT 24 20 TT 4 0 T 224 210 TTT 224 210 TTT 4 0 T 24 20 TT 4 控制系统的总体设计方案控制系统的总体设计方案 有源电力滤波器的软件开发由以下几个部分组成 系统初始化程序 中断处理程序 其中系统初始化是指对系统参数变量 中断向量 DSP 引脚配置和控制寄存器设置等 而 中断处理程序是有源电力滤波器的主要部分 其包括 A D 转换中断 外部中断 功率器件 故障信号中断等 13 15 4 1 系统初始化系统初始化 程序程序的设计的设计 图4 1 所示为 主程序的流程图 它主要完成的任 务是对系统控制 寄存器进行初始 化 如系统时钟 和状态设置 时 间管理器 EV 寄 存器设置 A D 模块寄存器设置 通用 I O 口设置 等 变量初始化 封锁 PWM 输出 系统初始化 开放所有中断 等待命令 关闭所有中断 主程序开始 15 图 4 1 主程序流程图 4 2 中断子程序设计中断子程序设计 中断服务子程序主要完成有源电力滤波器控制系统的 整个控制算法 开始 读取采用数据 3 相 2 相变换 2S 2R 变换 2 相 3 相变换 并计算出谐波 调用 SVPWM 算法 对系统进行谐波补偿 清 AD 中断标志 返回主程序 16 图 4 2 中断子程序的流程图 4 3 Ip Iq 法补偿谐波和无功电流的原理框图法补偿谐波和无功电流的原理框图 瞬时无功理论是本文的核心理论 Ip Iq 算法补偿谐波和无功电流也是本文的核心方 法 所以在此介绍一下它的原理框图 以便对下文仿真的理解 图 4 3 Ip Iq 法补偿谐波和无功电流的原理框图 17 5 电力有源滤波器的仿真实现电力有源滤波器的仿真实现 MATLAB 是美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算 可视化以及交互式程序设计 的高科技计算环境 MATLAB 是一个高度集成的系统 分为核心部分和各种工具箱两个部分 14 核心部分有数百个内部核心函数 Simulink 工具箱作为 MATLAB 的一部分 为系统 模块提供了一个可综合分析的集成环境 在该环境下 用户可通过拖拉和连接典型模块的 方式就可以绘制系统电路 从而很容易就能构造出需要的连续系统 非线性系统和离散系 统模型 5 1 源电力滤波器仿真模型的建立源电力滤波器仿真模型的建立 5 1 15 1 1 APFAPF 的系统仿真模型的系统仿真模型 基于 MATLAB 的优点与有源电力滤波器的特点 本文采用 Simulink 的 PowerSystems 工具箱建立了非线性负载模型 谐波检测模型 控制算法模块 主电路模块 如图 5 1 所 18 示为有源电力滤波器的系统构成模型 19 图 5 1 有源电力滤波器的系统构成模 型 20 55 1 255 1 2 非线性负载模型非线性负载模型 本文仿真系统中选择三相整流电流为负载 因为在电力系统中 它应用非常广泛 是 谐波污染非常严重的谐波源之一 完整的三相桥式整流电路时由整流变压器以及 6 个桥式 连接的晶闸管 负载 触发器和同步环节组成 图 5 2 所示为非线性负载仿真模块 图 5 2 非线性负载仿真模块 5 1 35 1 3 谐波检测模型谐波检测模型 实时 准确地提取出负载中的谐波对有源电力滤波器的补偿效果有重要影响 本小节 采用基于瞬时无功功率理论的 Ip Iq 运算公式计算出谐波 谐波检测模块仿真图如图 5 3 所示 图 5 3 谐波检测模块 由于三相三线制系统中电流和电压信号是独立的 因此利用 变换可以将三相电 流 电压信号变换为正交的 坐标系中的向量 如图 5 4 所示的三相 两相的仿真模 块就是实现此功能 当三相系统中的电流 电压均为正序时 利用两相 两相的变换可以分 别计算出瞬时的有功电流 Ip 和瞬时无功电流 Iq 两相 两相变换的具体实现如图 5 5 所 示 经过低通滤波器滤除高次谐波后 得到瞬时有功电流和无功电流的直流分量 然后对 直流分量进行两相 两相和两相 三相得逆变换 得到三相电流的基波分量 最后与三相被 检测的电流相减 这样就只剩下三相谐波分量 谐波检测模块中的各个子模块具体介绍如 下 21 1 三相 两相变换的仿真模型 图 5 4 三相 两相的仿真模块 2 两相 两相变换的仿真模型 图 5 5 两相 两相变换的仿真模型 3 两相 三相变换的仿真模型 图 5 6 两相 三相变换的仿真模型 5 1 45 1 4 PWMPWM 信号的产生信号的产生 利用电力系统工具箱 Power System Blockset 提供的基于 SIMUNIK 的电力器件模型 可以很方便的搭建 APF 的主电路仿真模型 PWM 的整体仿真如图 5 7 所示 22 图 5 7 PWM 仿真的实现 5 2 结果仿真结果仿真 本小节利用前面建立起来的 APF 系统仿真模型进行了整体的仿真 并分析了仿真结果 选定的仿真环境如下 1 电源 三相电源有效值为 220V 频率为 50Hz 2 非线性负载 三相可控整流桥 直流侧选择的 RLC 负载 额定电压为 220V 额 定频率为 50Hz 3 三相 两相的仿真模块中 Gain2 的值为 1 0 5 0 5 0 0 866 0 866 4 两相 三相的仿真模块中 Gain1 的值为 0 66 0 0 33 0 578 0 33 0 578 根据给定的仿真条件和计算的各参数 利用 5 1 节建立的 APF 系统进行仿真 当负载 系统为三相不可控整流桥时 仿真得到的波形如图所示 23 图 5 8 主电流波形 图 5 9 PWM 整流电压 24 图 5 10 三相谐波电流波形 25 图 5 11 补偿后的 a 相电流波形和电压波形 图 5 12 补偿前的三相电流波形 26 图 5 13 检测到的三相谐波运算指令电流波形 本章在数学模型的理论基础上 在 MATLAB Simulink 中建立三相三相制有源电力滤波 器的仿真模型 APF 的仿真模型主要由四个部分组成 它包括非线性负载模块 谐波检测 模块 控制算法模块 电压型逆变主电路模块 并对各个模块进行仿真和详细的阐述 设 置好系统参数后 对 APF 做出整体仿真 对补偿前波形和补偿后的波形进行对比 可以看 出补偿效果非常好 27 总结与展望总结与展望 电力谐波广泛存在于电力电网之中 严重威胁着人类赖以生存的电力环境 进行谐波 治理 将电力谐波限制在一定的水平之内有着重要的意义 电力有源滤波器是很有前景的 一个谐波抑制手段 作者结合课题 研究了有源滤波器的控制原理 设计出一套 APF 控制 系统 并通过 Matlab Simulink 仿真 实验表明其有一定的谐波抑制能力 并为今后开展 进一步的工作提供了很好的平台 主要工作如下 1 谐波的实时检测是 APF 设计的先决条件 在广泛查阅国内外文献的基础上作者对 APF 中的谐波检测理论进行了比较深入的研究 经过比较 控制系统采用了实用基于瞬时 功率理论的 Ip Iq 谐波检测法 2 APF 系统的设计形式有多种 作者对不同的方法和调制策略进行了比较和分析 控 制系统实际采用了并联型 APF 方法和 SVPWM 脉宽调制策略 3 根据 APF 的功能要求 设计了非线性负载模块 谐波检测模块 控制算法模块 电压型逆变主电路模块 考虑了很多实际电路的影响和系统运行的环境影响 具有比较好 的实时性 经过实验证明 设计是可靠有效的 瞬时功率理论是本系统设计的理论来源 但如果完全按照该理论 在工程实际中效果会比较差 本系统采用了很多折衷的方案 下 一步的工作是研究折衷方法的影响 提出更好的工程化方法 根据现有的软硬件平台 进 一步的提高 APF 的谐波抑制作用 28 致谢致谢 本论文自始自终是在导师国海教授的悉心指导下完成的 国老师渊博的专业知识 敏 锐的科研洞察力 严谨的治学作风以及崇高的为人 都使我深深敬佩 一直激励着我奋发 向上 在这四年的学习中 得到导师在学习 生活上无微不至的关心和谆谆教诲 在此 谨向国老师致以衷心的感谢和最崇高的敬意 作者还要感谢邓锐 邱明贺 牛淼 张帅 孙红录 周军奎 李中魁 钱门信 韩之 洋等同学 在本科生学习期间他们给我许多热情无私的帮助 并丰富了我的本科生生活 同时 还有感谢我深爱的父母 是他们含辛茹苦任劳任怨承受着生活的艰辛 无微不 至的关怀 才能够让我健康成长 顺利的完成学业 最后 感谢我的母校 感谢电气工程及其自动化所有的帮助关心过我的老师和同学 此致 敬礼 学生 邓大伟 2011 年 12 月 11 日 29 参考文献参考文献 1 苏文成 无功补偿与电力电子技术 北京 机械工业出版社 1989 2 林海雪 孙树勤 电力网中的谐波 北京 中国电力出版社 1998 3 Jauch T Kara A Rahmani M et al Power quality ensured by dynamic voltage correction ABB Review 1998 4 25 36 4 姜齐荣 有源电力滤波器 结构 原理 控制 M 科学出版社 2005 10 5 吴竞昌 供电系统谐波 M 北京 中国电力出版社 1998 6 杨桦 任震 基于谐波波变换检测谐波的新方法 电力系统自动化 1997 7 王兆安 谐波抑制和无功功率补偿 M 机械工业出版社 2005 10 8 徐迎春 并联有源电力滤波器 APF 基于空间矢量的滞环控制 D 浙江大学 2004 3 9 Akagi H Kanazawa Y Nabse A Instantaneous reavtive power compensators comprising switing decices without energy storage components IEEE Tans Ind Appl 1984 20 3 625 630 10 李民 王兆安 基于瞬时无功功率理论的高次谐波和无功功率检测 J 电力电子技术 1992 2 14 17 11 于晶荣 基于电压空间矢量的有源电力滤波器无差拍电流控制方法 J 湖南大学学报 2008 35 10 33 35 12 曾江 基于最优电压矢量的有源电力滤波器电流控制新方法 J 电力系统自动化 2000