基于MATLAB的有源电力滤波器谐波电流检测研究

1、第28卷 第4期电力电容器Vo.l28 No.42007年8月PowerCapacitorAug.2007基于MATLAB的有源电力滤波器谐波电流检测研究陶以彬,杨苹,钟国基(华南理工大学电力学院,广州510640)摘 要:简要介绍Matlab的特点以及Matlab/Simulink进行电力系统仿真的基本方法。通过对有源电力滤波器的建模和仿真,验证了数字滤波器算法的正确性和快速性;同时,也表明了基于瞬时无功功率理论设计的并联型有源电力滤波器能够有效地消除谐波电流和进行无功补偿。关键词:有源电力滤波器; 平滑滤波; S函数; 仿真中图分类号:TN713.8 文献标识码:A 文章编号:1002 0

2、349(2007)04 0026 04ActivePowerFilterHarmonicCurrentsDetectionResearchBasedonMATLABTAOYi bing,YANGPing,ZHONGGuo ji(HuananUniversityofTechnologyPress,Guangzhou510640,China)Abstract:ThecharacterofMatlabandthebasemeansofMatlab/Simulinkapplicationinpowersys temsimulationaresimplyintroduced.Inthispaper,th

3、ecorrectnessofdigitalfilteralgorithmsissuc cessfullyprovedbymeansofbuildingmodelandsimulationofactivepowerfilter,whichdisplaythattheshuntactivepowerfilterbasedonthetheoryofinstantaneousreactivepowerfunctioncaneffec tivelyeliminatesharmoniccurrentsandcompensateswellreactivepower.Keywords:Activepowerf

4、ilter;Smoothnessfilter;Sfunction;Simulation1 引言随着电力电子技术的迅速发展和电力电子装置的广泛应用,提高了人类对电能的控制能力,能够按照需要将电能进行转换,为人类的生活提供了更多的电能供应形式。但电力电子装置等非线性负载的广泛使用,给电能的质量造成很大的影响,其中以谐波污染和无功功率损耗尤为严重。因电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周边设备,所以现代工业、商业和居民用户对供电质量提出了更高的要求,因此治理电网谐波污染势在必行。有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率均变化的谐波及无功进行补偿,

5、并且可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿的缺点。APF系统是一种复杂的电力电子装置,既包括主电路,也包括控制电路,系统阶数较高,理论分析较困难,且系统的实时型要求较高,有必要 *收稿日期:2007 01 13在试验之前进行系统仿真以获得最佳参数和验证算法的可行性。目前在APF中,对谐波电流的检测主要采用瞬时无功电流检测法。在这种方法中,低通滤波器的设计是关键一环,设计一个快速、简便的滤波方法,成为设计者追求的目标。本文采用平滑滤波的方法来实现这一功能。通过在Matlab中使用DiscreteShiftRegister模块很方便仿真实现,同时对后面的数字控制实现具有很好的指导意义。2 M

6、atlab及其进行电力系统仿真分析的基本方法Matlab(MatrixLaboratory,矩阵实验室)是美国Mathworks公司1982年推出的高性能的数值计算和可视化软件产品。Matlab由主包、Simulink以及功能各异的工具箱组成。其中Simulink是系统模型图形输入与仿真工具,它通过鼠标在模型窗口中画出所研究系统的模型,然后可直接对系统仿真,这使得复杂系统建模和仿真变得十分容易。Matlab以矩阵运算为基础,把计算可视化程序设计融合到一个交互的工作环境中,可实现工第28卷 第4期电力电容器Vo.l28 No.42007年8月PowerCapacitorAug.2007程计算、算

7、法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、工程绘图等功能。Matlab中有专用于电力系统分析的电力系统模块集(PowerSystemBlockset,PSB),它是一种针对电力系统的可视化建模与仿真工具,可用于电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程的仿真。强大的PSB和Simulink同时使用将使一些复杂的、非线性的电力系统的建模与仿真变得非常简捷。因此,它己成为电力科研工作者和工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅助设计的理想工具。3 并联电压型有源电力滤波器的工作原理及工作方式3.1 并联电压型有源电力滤波器工作原理有源电力滤波器的交流电路可分为电压型和电流型,目前实际应

8、用的装置中,90%以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看,又可分为并联型和串联型,目前运行的装置几乎都是并联型。所以本文以并联电压型有源电力滤波器为研究对象。及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流。主电路目前均采用PWM变流器。3.2 谐波和无功电流的实时检测三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由2,3赤木泰文提出以来,在有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测中得到了成功运用。在三相三线系统中基于瞬时无功功率的谐波电流检测方法通常有两种:p、q运算方式和ip、iq运算方式。对于三相三线制电路,只要电网电压波形发生畸变,而不论三相电压,电流是否对称,p、q运算方式的检测结果都有误差,只是

9、误差的情况将有所不同;而按ip、iq运算方式检测时,由于只取sin t、-cos t参与运算,畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现,因而检测结果不受电压波形畸变的影响,检测结果是准确的。因而本文采用ip、iq运算方式来检测谐波和无功电流。该方法原理如图2所示,图中矩阵C如(1)式所示,矩阵C32如(2)式所示,矩阵C23如(3)式所示。C=C32=sin t-cos t2/101C23=2/-1/2-1/2-cos-sin-1/2/203/2-/(3)-1/-/(1)(2)4图1 并联型有源电力滤波器系统结构图图1所示为最基本的有源电力滤波器系统构成原理图。图中eS表示交流电源,负载为谐波源,

10、它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成,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部分构成)。其中,指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量,因此有时也称为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波图2 ip、iq运算方式的原理图该方法用一锁相环和一正、余弦信号发生电路得到与a相电网电压ea同相位的正弦信号sin t和对应的余弦信号-cos t,根据定义可以和i 、i 计算出ip、iq,经LPF滤波得到ip、iq的直

11、流分量 ip、 iq。由 ip、 iq即可计算出三相基波电流iaf、ibf、icf,进而计算出三相谐波电流iah、ibh、ich。第28卷 第4期电力电容器Vo.l28 No.42007年8月PowerCapacitorAug.20074 仿真模型的建立根据以上原理,建立有源电力滤波器的仿真模型。在建立仿真模型时,电源和负载采用Mat lab自带的元件库,C32和C采用S函数编程来实现,LPF采用数字滤波的方法,PWM采用模块搭建的方法来实现。4.1 电源和非线性负载电源采用三相电源,内阻0.1!,电感为0.1mH,线路电感Ls为2mH;变流器输出电感Ln为1.5mH;滤波电容取Cd为4.7F

12、。非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性负载种类较多,如三相二极管整流桥、三相可控硅整流桥、电弧炉、空调、电视机、变压器等,其中最具有代表性的谐波源是直流侧带感性负载的二极管整流桥和三相可控硅整流桥,这类负载在电网中应用较为广泛,而且产生的谐波含量也较大。因此,仿真模型采用三相不可控整流桥作为谐波源进行建模,具有代表性。本文中取三相不可控整流桥接负载电阻Rd为50!,和限流电阻Rs为25!。限流电阻在0.06s切除,使负载突变,观察电流跟踪情况。仿真模型如图3所示。文件来编写。S函数实现了iabc-ip、iq变换。图4 谐波提取模块低通滤波器LPF,实现滤除交流,保留直流的功能。一般的低通滤波

13、器,截止频率越低,延时越长,还会对直流分量产生衰减,补偿的效果变差;而截止频率高,交流分量衰减不够,输出还含有较大的交流分量,从而影响补偿的效果。本文采用数字滤波,取得了较好的效果,而且为后面的数字控制提供了算法的验证。在实时性要求很高的微机控制系统中,常采用平滑滤波法5,即采用固定长度(设为N)的队列,每进行一次新的采集,将采集结果放入队尾,而扔掉原队首的数据,这样便可对N个 最新数据!计算均值,作为最近一次采样数据值。由于电网中奇次谐波远远高于偶次谐波,假定负载电流中含有k次谐波(k为奇数),对负载电流进行3/2变换和ip、iq变换后,正序基波对应的旋转向量为直流分量,同时k次正序谐波对应

14、的旋转矢量角速度为k-1,而k次负序谐波对应的旋转矢量的角速度为k+l。由于k-1和k+l均为偶数,所以滤波器要滤掉这些偶次波。本文采用DiscreteShiftRegister模块来实现,采样频率取6.4kHz,对半个周期采样64个点,采用平滑滤波法,延时为0.01s,比采用二阶Butter图3 有源电力滤波器仿真系统结构图4.2 谐波提取模块谐波提取模块如图4所示。在仿真模型中,该模块完成谐波和无功电流的提取。模块输入量分别为:三相电源电压信号中ea、电压相位、三相负载电流信号和直流侧电压检测信号,电压信号经PLL锁相环后输出和a相同相的sin t、cos t信号,和电流信号一起送给S函数

15、,作为S函数的输入。本文中S函数采取mworth低通滤波器,截止频率为20Hz,延时要短,而且这种滤波方法是始终稳定的,便于实现。滤波效果如图5所示(在0.06s时,负载突变)。6图5 平滑滤波法输出波形第28卷 第4期电力电容器Vo.l28 No.42007年8月PowerCapacitorAug.20074.3 PWM信号产生模块PWM信号由滞环比较器的瞬时值比较方式来产生,滞环宽度取谐波幅值的2%。图6 二阶Butterworth低通滤波器输出波形图10 补偿后电网电流FFT分析THD为0.62%6 结束语本文利用Matlab仿真软件对有源电力滤波器进行建模和仿真,验证了所提控制算法正确

16、性和快速性。仿真结果也表明了有源电力滤波器可以有效抑制电力电子装置所产生的谐波,它与无源滤波器相比,具有更好的补偿特性。通过仿真还表明了Matlab的Simulink和PSB在电力系统仿真中的强大功能。参考文献:1曹永安,马路,刘慧敏.MATLAB7.0/SIMU LINK6.0建模仿真开发与高级工程应用M.北京:清华大学出版社,2005.2AkagiH,KanazawaY,NabaeA.Generalizedtheoryoftheinstantaneousreactivepowerinthree-phasecircuits.In:IEEE&JIEE.ProceedingIPEC.To

17、kyo:IEEE,1983:1375-1386,3AkagiH,KanazawaY,NabaeA.Instantaneousreactivepowercompensatorscomprisingswitchingdeviceswithoutenergystoragecomponents.IEEETransIndApp,l1984,20(3):625-630.4王兆安,杨君,刘进军,王跃 谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,2005.5曹承志.微型计算机控制新技术M.北京:机械工业出版社,2001.6侯世英等.基于MATLAB的谐波电流检测方法的建模与仿真J.计算机仿真,2005.作者简介:陶以彬(1977-),男,安徽芜湖市人,研究生,研究方向是电力电子的建模与控制。Em