基于MATLAB的串联型有源电力滤波器建模与仿真

1、第21卷第2期2006年5月长沙电力学院学报(自然科学版)Vol.21May.No.2JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYOFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)2006基于MATLAB的串联型有源电力滤波器建模与仿真陆秀令,(,421008)摘要:,并对其控制方法进行研究.利用MATLAB仿真软件建立串联型,并进行仿真实验.仿真结果表明串联型有源电力滤波器对电压型谐波源具有良好的抑制作用.关键词:有源电力滤波器;MATLAB;建模;仿真中图分类号:TM76;TP391文献标识码:A文章编号:1006-7140(2006)02-0001-05Modeli

2、ngandSimulationofSeriesActivePowerFilterBasedonMATLABLUXiu2ling,CAOCai2kai,ZHZNGSong2hua(HunanInstituteofTechnology,Hengyang421008,China)Abstract:Theprincipleoftheseriesactivepowerfilterisanalyzedinthispaper,anditscontrolmethodisstudied.TheseriesactivepowerfilterisbuiltintomodelsandsimulatedbyMATALA

3、B,andthesimu2lationiscarriedout.Thesimulationresultsindicatethattheseriesactivepowerfilterhasgoodharmoniccompensationeffecttovoltagetypeharmonicsource.Keywords:activepowerfilter;MATLAB;modelingsimulation随着各种各样非线性负荷的广泛使用,谐波污染日益严重,有效治理谐波污染对于电力系统和电收稿日期:2005-12-06力用户都具有十分重要的意义.治理谐波目前较多采用无源滤波器,但无源滤波器存在滤波

4、效果不够基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(03JJY5005);湖南省教育厅科研资助项目(05C002)作者简介:陆秀令(1969-),男,副教授,硕士,主要从事PLC、电力电子技术、电网谐波分析与抑制的研究.长沙电力学院学报(自然科学版)2006年5月理想,只对某几次谐波有滤波效果,而对其它次谐波很可能有放大作用,且滤波效果易受元件或系统参数及电网频率等变化的影响.治理谐波最有效的措施是采用有源电力滤波器(ActivePowerFilter,简称APF),有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,具有高度可控性和快速响应性,它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿,

5、可以克服传统的无源滤波器的缺点有大电容滤波的整流电路)131.串图2串联型APF一相等效电路联型APF适合补偿电压型谐波源负载(即直流侧含.本文主要介绍串联由图2及叠加定理得si+i(1)型有源电力滤波器的工作原理,并对其控制方法进行研究,利用MATLAB软件建立了仿真模型在simulink环境下,于是就有isf=u-uZs.(2)对谐波来讲,APF则呈现高阻抗K,相当于电网和负载之间的一个谐波隔离器.ush-uLhZs+K1方式串联型APF的系统结构如图1所示,该系统主要由谐波检测、PWM控制、驱动电路和主电路组成,其中前三部分构成APF的控制电路,主电路是由IGBT构成的三相桥式电压型PW

6、M逆变器组成.进ish=.(3)当K时,ish0,从而使电网谐波电流等于零.图2中uL=uLh+uLf.ui=uch+uLh+uLf.uch=-uLh.(4)(5)(6)(7)行谐波补偿时,APF通过补偿变压器T被串联在电源和逆变器之间,所以称为串联型APF.由式(5),(6)可得ui=uLf.即电网电压的谐波电压为零,达到了抑制谐波电压的目的.根据上面的分析,串联型有源电力滤波器输出谐波电压指令信号应为uch=-uLh.3(8)式中uch为指令信号.该控制方式需要对负载谐波电压进行检测.设图1串联型APF系统结构3三相电路各相电压和电流瞬时值分别为ua,ub,uc和ia,ib,ic,根据瞬时

7、无功功率理论,从而得到两相瞬时电压u,u和两相瞬时电流i,i.将它们变换到两相正交的-坐标上(3-2变换),即有uu.其中Zs是为了说明串联型APF的基本工作原理,图2给出了进行谐波补偿的一相等效电路4,5电源的内部等效阻抗;usf和ush分别代表电源基波电压和电源谐波电压;uLf和uLh分别代表负载基波电压和负载谐波电压;isf和ish分别代表电源基波电流和电源谐波电流.补偿装置工作时,APF相当于一个与负载串联且受谐波电压控制的电压源,它产生一个与谐波电压大小相等、方向相反的电压uch,从而抵消负载产生的谐波电压,使电网电压接近正弦波,达到补偿的目的.=310-22-2uaubu=uaC3

8、2ub.(9)第21卷第2期陆秀令,等:基于MATLAB的串联型有源电力滤波器建模与仿真uai=10-22a-2iaib=ImC32Cpqub.2u(17)如果电源电压发生了畸变,设其表达式可用傅(10)C32ib.立叶级数展开为ua=式中310-h=1Uhmt-sin(hh),(18)/3)-sinh(t-h,C32=22-2ub=.uch=1Uhmh=1Uh=1/3)-t2h.令矢量u和u合成矢量u,矢量i和i矢量i,则有u=u+u,i(11)(18)(17),有=Im2Uhm±cos(h 1)t-hsin(h 1)t-h.(19)=p=iiu+iu.瞬时无功功率为=q=uisi

9、niu-iu.将式(12)和式(13)写成矩阵形式=i-iiiuu.(14)(13)(12)式中对正序谐波分量取上符号,对负序谐波分量取下符号.显然,式中的p,q既含有直流分量又含有交流分量,其直流分量分别为=cos1U1mIm.2-sin(20)式中分别对应由ua,ub,uc中的基波电压所产生的功率分量,很容易由低通滤波器获得.对进行反变换,就得到电压中的基波分量uf,uf.从式(16)得=当三相电压、三相电流均为正弦波时,不难证明瞬时功率p,q和传统的P,Q相等.设三相电流为t,ia=Imsint-2/3),ib=Imsin(t+2/3).ic=Imsin(代入式(10)和式(14),可得

10、=(15)sint-cosIm2costsintufImCpq.2uufu=(21)sintIm2cost-cosuusint=所以反变换即为uf(16)u=uImCpq.2u2Imsint-costcossin=式中Cpq=sint-coscostsint-1Cpq.2Im.(22)式中Cpq=-1由式(9)和式(16)得sint-cos=I×m2costsint10-1/2-1/2-uaubu=sint-costcossin03/2-.最后,再2-3变换,得uafubfu=13-1/2-1/2ufu=/23/3/Imufu长沙电力学院学报(自然科学版)2006年5月C23.(23

11、)得到补偿用的指令信号.根据图3所示的谐波检测原理图,使用MATLAB建立的瞬时无功功率理论设计的谐波检测模型如图4所示.式中1C23=0/2-.3-1/2-1/23/将式(20)和式(22)代入式(23)得uaf=U1msin(t-1),ubf=U1msin(t-120°-1),ucf=U1msin(t+120°-1).(24)图4上式表明,uaf,ubf,ucf实际上是ua,ub,uc的基波电压,通过它们可以得到谐波电压uah=ua-uafubhbbf,ch=-.(25)C32,Cpq,Cpq,C23等子系统,都是在具Simulink的Mask(封装)功能,目的是将独立

12、的算法环节封装成一个单独的子系统,这样可使系统的结构比较清晰,减少占用屏幕的面积.ucah,ucbh和ucch为谐波检测计算模块产生的电压指令信号.2.2PWM控制信号模型PWM控制信号的产生采用定时比较控制,把谐333-1,图3所示.波检测计算模块产生的电压指令信号ucah,ucbh和ucch,和串联型APF实际产生的补偿电压ucah,ucbh和ucch作定时比较,得到所期望的PWM信号.使用333MATLAB建立的仿真模型如图5所示.图3谐波电压检测电路图中PLL为锁相环,它的作用是产生一个sin和tcost,与ua,ub,uc一起运算出瞬时无功功率p,q.根据前面的推导可得,即使电源电压

13、发生畸变,该方法也能准确地计算出谐波电压uah,ubh,uch.因为它只取sint和cost参与计算,畸变电压的谐波分量不参与计算,因此无论电源电压是否畸变,均能有效准确地检测出谐波电压.该方法电路简单,但对硬件的精度要求高,要求锁相环产生的sint和cost准确.图5PWM控制信号仿真模型2仿真模型本文的设计使用了MATLAB的Simpowersys2tems工具箱、DSP工具箱和Simulink仿真模块,来建2.3逆变主电路仿真模型用MATLAB建立的串联型APF逆变主电路模型如图6所示.立串联型有源电力滤波器各部分的仿真模型2.1谐波检测电路模型6.3仿真实验将建立的各部分仿真模型组装起

14、来,形成总体仿真模型,然后对总体模型进行仿真.为了检验串联谐波检测电路的作用就是根据输入信号经运算第21卷第2期陆秀令,等:基于MATLAB的串联型有源电力滤波器建模与仿真5图9图6串联型APF逆变主电路模型型APF的滤波效果,构造的谐波信号如图7所示,其频谱图如图8所示,经过串联型APF出电压波形如图9所示,.图10滤波后的电压频谱图4结论本文介绍了串联型有源电力滤波器的系统结构,对其控制方法进行了研究.在此基础上利用图7系统输入电压波形MATLAB建立了串联型APF的仿真模型,并进行了仿真实验,实验表明串联型APF能对电压型谐波源具有良好的谐波补偿效果,为研制开发实用型的串联型APF奠定了基础.参考文献:1王兆安,刘进军,杨君.谐波抑制和无功补偿M.北京:机械工业出版社,1998.2AkagiH.NewTrendsinActiveFilterforPowerConditioningJ.IEEETransonPowerElec,1996,32(6):131321322.3姚为正,王群,刘进军,等.基于瞬时无功功率理论的谐波电压图8输入电压的频谱图瞬时检测方法J.西安交通大学学报,1998,12(12):8