有源电力滤波器的电流检测与控制方法的研究

1、study of currentdetection and control methods of active power filter顾春宁（ 南京邮电大学，南京市210000）李刚 （ 南京亚派科技实业有限公司，南京市210005）gu chunning（ nanjing university of posts and telecommunications, nanjing 210000，china）li gang （ nanjing apex science & technology co., ltd, nanjing 210005，china）有源电力滤波器的电流检测与控制方法

2、的研究摘要介 绍 有 源 电 力滤 波 器 的 工 作 原理 ，用pscad/ emtdc仿真软件对有源电力滤波器电流的检测方法和控制方法进行了仿真。仿真结果表明，有源电力滤波器采用本文所述电流检测方法和补偿电流产生的控制方法具有很好的谐波补偿效果。关 键 词有 源 电 力 滤 波 器谐 波检 测控 制仿真1引言近年来 ，有源电力滤波器（ apf）作为滤除电网谐波的新型电力电子装置得到了快速的发展。谐波电流的检测和补偿电流产生的pwm （脉宽调制）控制策略决定了有源电力滤波器的整体性能。谐波信号检测方法主要有提取基波分量法，此方法用于补偿要求不高的场合 ；基于傅立叶级数分析的频率分析法，此方法

3、计算量大；瞬时无功功率理论法1，此方法是应用最广泛的一种谐波检测方法，它能够实时检测出补偿电流 ， 同时不受电网参数和负载的影响，但是系统成本高 ， 损耗大 。本文论述的有源电力滤波器的谐波电流检测方法原理简单，实现方法简单，可以达到谐波电流的实时检测的要求。补偿电流产生的pwm 控制方法2主要有滞环电流控制方法和空间电压矢量控制方法。滞环控制响应速度快 ， 硬件实现简单，不受负载参数的影响；本文采用基于线电压的空间电压矢量的 pwm 控制方法 ，abstractthe operating principle of active powerfilter is presented，and the

4、 current detection and controlmethodsofactivepowerfilterbyusingsimulationsoftware pscad / emtdc are simulated. it is shown bythe simulated results that a good harmonic compensationeffect can be achieved by current detection method andcompensation currentcontrol method described in thisarticle for ac

5、tive power filter.keywordsactivepowerfilterharmonicdetectioncontrolsimulation6结语随着房地产业、 建筑业的发展，新建小区和旧城改造 ， 以及居民们对用电质量需求的提高，每家每户的电表箱或住宅配电箱内都有安装带选择性保护的小型断路器的需求 。法泰公司的ftb1 可以很好地解决越级跳闸的问题， 必将为我国快速发展的电工行业作出应有的贡献。2009 - 09 - 10 来稿2009 - 11 - 20修回产品技术有源 电 力滤 波 器的 电流 检 测与控 制方 法 的研究（顾 春 宁李 刚）5353buildingelec

6、tricity2010年 第1期jan.2010vol. 29no. 1图1并联型有源电力滤波器系统构成原理图fig. 1the schematic diagramof parallel connectionactive power filer该方法的优点是直流电压利用率高，开关损耗小，易于数字实现。 同时由于实际应用中相电压不易 于 测量，该方法对线电压进行检测和控制，因此实际应用中更容易操作 。pscad / emtdc3是适用于电力系统暂、稳态电磁 机 电 过 程 的 仿 真 工 具 。pscad是 其 可 视 化 界 面 ，emtdc 是基于 fortran 语言的图形仿真工具。该仿真

7、工具广泛应用于高压直流输电、facts 控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。本文将采用pscad / emtdc 电力系统仿真软件来建立并联型有源电力滤波器的仿真模型，然后对仿真结果进行分析 。2并联型有源电力滤波器的基本原理图 1 所示为有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，es表示交流电源 ，负载为谐波源 。有源电力滤波器系统4由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（ 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成）。 其中 ， 指令电流运算电路的作用是检测出补偿电流对象中的谐波和无功等电流分量，补偿电流发生电路的作用是根据指令运算电路得到的补偿电流的指

8、令信号，产生实际的补偿电流。有源电力滤波器的基 本 原 理 是 ： 检测 补 偿 对 象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号 ，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流， 补偿负载中的谐波及无功电流， 最 终得到期望的电源电流。3指令电流运算电路的仿真模型有源电力滤波器的关键技术包括补偿电流的检测和补偿电流的产生两部分，它们决定着有源电力滤波器的整体性能。我们知道 ，完全补偿谐波电流和无功电流，就要使得电网侧的电流信号完全为正弦信号，并且保持电压信号和电流信号的同相位。即：分别检测出电网三相电压的相位信号a、b、c，然后根据电网侧有功功率和电压 、电流之间的运算关系得到

9、电流信号的有效值i，最后根据式（ 1）得到基波电流信号：i =2姨i sin（ 1）但是 ，此种检测电流 信 号方 法 的 前 提 必 须是 电网电压波形没有畸变的情况下才可以使用。图2为指令电流运算电路的原理图，其中ea、eb、ec为电网 侧的电压信号，a、b、 c为 电 网 侧 电 压信号的相位值，p为电网侧的有功功率，e _ a 、e_ b、e _ c为电网电压信号的有效值，ia、ib、ic为检测到的补偿电流信号。 图中符号n / d 表 示除运算，sin表示求正弦函数，sqrt （ 2）表示开根号 。4补偿电流发生电路的仿真模型补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部

10、分组成。电流跟踪控制电路的作用是根据检测到的补偿电流的参考信号i*c与电流跟踪控制电路实际产生的电流信号 ic之间的关系 ，发出控制电力电子器件导通和关断的逻辑信号。驱动电路将由电流跟踪控制电路产生的逻辑信号变换为主电路中电力电子开关器件的驱动信号，控制开关器件的导通和关断，有信号转换和放大的作用。主电路的作用是根据驱 动电 路 发 生 的 驱 动信 号来 产 生 跟 踪 补 偿电流参 考信号i*c的实际补偿电 流信号ic。主电路采用电压型pwm逆变器结构 ，见图3。图2指令电流运算电路的原理fig.2schematicdiagramof instruction current arithme

11、tic circuit5454*ab= e*ab+ ri*ab+ ldi*abdtu*bc= e*bc+ ri*bc+ ld i*bcdtu*ca= e*bc+ ri*ca+ ldi*cadt（ 2）图中电力电子开关器件的开关状态一共有8 个 ，并假设各相桥臂的开关函数：k =1上桥臂导通下桥臂关断0下桥臂导通上桥臂关断（ 3）则 电 压 空 间 矢 量 可 以 表 示 为000、 001、 010、011、100、101、110、111 这 8 种基本工作状态。空间电压矢量ux的分布如图4所示 。 空间电压矢量的基本思想就是在每一个区间里，选择相邻的两个电压矢 量 和 零矢量来合成每个扇区内

12、的 任 何 电压矢量5。根据上 面 的 分析 可 以 得到 逆 变 器的 输 出 电压为 :u*ab= （ ka- kb）udcu*bc= （ kb- kc）udcu*ca= （ kc- ka）udc（ 4）其中 ka、kb、kc为开关函数，udc为直流侧电压幅值 。那么 ，当有源电力滤波器并联接入电网系统时，理论上可以直接通过di*dt求得参考电压u*，但是由于实际中检测di*dt会很困难 ， 而且会造成很大的误差 ，因此采用把式（ 2）离散化的方法来得到输出参考电压 。那么 ，将式（ 2）离 散 化 ， 然 后 测 量 电 网侧 的 三 相线电压 e*ab、e*bc、e*ca，就可以得到逆

13、变器应该输出的三相线电压u*ab、u*bc、u*ca。根据得到的参考输出电压u*ab、u*bc、u*ca之间的关系 ，由下表可以得到参考矢量u*处于图4中的哪一个区域 。假定参考矢量在区间i，用空间矢量u4和 u6来合成参考矢量，即：u*ts= u4t4+ u6t6+ u0t0（ 5）式中t0、t4、t6为矢量u0、 u4、 u6在控制周期ts内的作用时间。在任意时刻， 逆变器输出的电压矢量只有一个，输出矢量的顺序如下：u0 u4 u6 u4 u0该矢量合成的方法将零矢量u0均匀地分布在参考矢量的起点和终点，在每个控制周期里，由 2 个有效空间矢量来跟踪参考电压的输出值。同时 ，在一个开关周期

14、里 ，开关动作是4 次，波形也对称，所以开关损耗比较小，pwm 谐波分量也比较低，是一种比较理想的矢量合成的方法。由图 3 可以知道，在 t4时段，直流电源接在逆变器的 a 相和 b 相，在 t6时段 ，直流电源接在逆变器产品技术有源 电 力滤 波 器的 电流 检 测与控 制方 法 的研究（顾 春 宁李 刚）图3pwm逆变器结构图fig. 3the structure diagram of pwm inverter图4ux的空间分布fig. 4the spacedistribution of ux根据u*ab、u*bc、u*ca的关系确定u*的位置tab.u*location determin

15、ation basedon relationshipamongu*ab, u*bcand u*cau*ab、u*bc、u*ca的关系u*的位置u*ab 0，u*bc 0u*ab 0，u*ca 0u*bc 0，u*ca 0u*bc 0，u*ab 0u*ca 0，u*ab 0u*ca 0，u*bc 05555buildingelectricity2010年 第1期jan.2010vol. 29no. 1的b相和c相，则可以得到6：uabts= t4udcubcts= t6udc（ 6）从式（ 6）可以看出逆变器输出的线电压的最大值为 udc，逆变器输出的相电压的最大值udc/3姨，已经最大限度地利

16、用了直流电压。那么由式（ 5）和 （ 6）可以得到 t0、t4、t6，再根据矢量作用的顺序， 就可以得到开关器件的触发脉冲信号 。 综上所述 ， 该方法具有开关损耗小，pwm谐波分量小 ，直流电压利用率高的优点。5仿真结果图 5 为 在 pscad / emtdc 仿 真 环 境 下 的 有源 电 力 滤 波 器 系 统 的 总 构 成 图 ，电 网 侧 相 电 压 为220 v /50hz，逆变器输出侧电感为1. 5 mh， 直流侧电容为 3 133. 3 f， 负 载 为 二 极 管 整 流 器 ， 开 关 管为 igbt ， 开 关 频 率 为 10 khz ，ta、tb、 tc为 计

17、算得到的开关管的导通时间。 图 6、 图 7 分 别 为 补 偿前后的a 相电流仿真。从仿真的结果可以 看 出 ， 本文 所 论 述 的 有 源电力滤波器的电流的检测和控制方法能较好地完成有源电力滤波器电流的实时检测和控制。 有源 电 力 滤波器可以有效地滤除电网中的谐波， 净 化 电 网 ， 是一种很好的电力系统谐波补偿装置 。1王兆安 ， 李民等.三相电路瞬时无功功率理论的研究.电工技术学报，1992（3）：55- 59.2吴 非 ， 张 延 迟等.电 力 有源 滤 波 器 的 技 术 现状.华东电力 ，2006，34（7）：71 74.3林 良 真 ， 叶 林.电 磁 暂 态 分 析 软 件 包pscad/emtdc .电网技术 ，2002，24（1）：65，66.4王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2002：245，246.5姜俊峰 ， 刘会金.空间矢量控制在有源滤波器中的应用.继电器 ，2004，32（5）：27