【《并联型三相三线制有源滤波器的仿真分析案例》5100字】

并联型三相三线制有源滤波器的仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u27534并联型三相三线制有源滤波器的仿真分析案例 1144301.1MATLAB/SIMULINK概述 146731.2有源滤波器模型的建立 1143531.2.1谐波电流检测模块模型 238131.2.2电流控制模块 3188261.2.3补偿电流产生模块 3216111.3不同谐波源下验证有源滤波器的滤波效果 4232431.3.1常规谐波源下（谐波源为整流电路） 431531.3.2有源滤波器在高压直流输电系统中的应用 8155441.3.3有源滤波器在TCR电路中的应用 11MATLAB/SIMULINK概述 MATLAB由美国发明的一个软件，其除了具有优异的计算能力外，它还具有专业的文字信息处理、模型建立与仿真等功能。[16]一直以来，MATLAB凭借其优异的数学计算和仿真等功能，被国际学术界广泛应用，成为如今国际上十分先进的科研软件。MATLAB的工具箱有很多，SIMULINK就是MATLAB的众多工具箱之一，它是MATLAB的一种可视化、操作方便的仿真工具，主要的功能是对一些系统建立模型，并对所建模型进行仿真分析。SIMULINK大致包括两个部分，即仿真基础平台和仿真模型库，其致力于研究用一些常用函数表示的系统。SIMULINK使用起来也非常的简单、方便，用户在使用是时，对于一些简单的模块，可直接利用鼠标从SIMULINK库中找出并拉到模型窗口上进行使用，丰富的SIMULINK库大大减少了用户的工作量。当建立好所需模型后，再使用该软件对其进行仿真分析，实现我们的科研目标。随着当前计算机软件的大力发展，越来越多的学习软件可以与MATLAB/SIMULINK软件结合使用，为MATLAB/SIMULINK软件提供辅助功能，这更加促进了该软件的发展，SIMULINK的发展必将开创崭新的一页。在有源滤波器整个仿真研究中，我们也主要用到了MATLAB的SIMULINK工具箱,通过该软件对各个模块搭建出具体的模型，并对最终的动态模型进行仿真分析。有源滤波器模型的建立 通过前几章对有源滤波器的理论研究，已经很清楚的知道了有源滤波器的基本组成结构，明白了有源滤波器模型的建立实质上就是三个模块模型的建立，下面本文将对各个模块的模型一一进行搭建。谐波电流检测模块模型 检测模块是用来检查测量出谐波含量，为之后的模块提供所需的控制模板，其基本实现理论采用的是基于三相瞬时无功功率理论的算法，该模块的核心是三相锁相环PLL和滤波器参数的计算及整定，此处滤波器采用的是低通滤波器，其截止的临界频率取40Hz。该模块的仿真模型如图3-1所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11检测模块模型图 对图3-1所示的有源滤波器的谐波检测模型加装在下文3.3.1常规谐波源下进行仿真分析后，得到的谐波电流和基波电流波形如图3-2所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12谐波和基波波形图图3-2中上下两图分别表示图3-7所示三相电流经检测模块后，被分解出的谐波电流和基波电流波形图。图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器所示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。由图示结果可知，利用算法和滤波器可以较准确的抽取出常规谐波源（图3-6所示）系统中负载电流（图3-7所示）所含的谐波分量，从而验证了有源滤波器检测模块的有效性。电流控制模块 电流控制模块所使用的理论为传统的PI控制理论，对于PI控制器比例常数和积分常数的整定，本文主要采用临界比例度法并经多次调整，最终确定出来适宜的参数。该模块的仿真模型如图3-3所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13控制模块模型图补偿电流产生模块有源滤波器的主电路是整个有源滤波器的执行环节，所以其在整个有源滤波器模型中起着至关重要的作用。本文采用电压型逆变电路作为主电路，由于直流侧电容两端的电压应基本维持不变，这不仅对电容值的要求较高，而且还需要对电容进行稳压控制，会导致主电路的结构比较复杂[11]，所以，为了简化主电路的结构，本文用直流电压源来替换了原来主电路直流侧的电容。模型中直流电压源电压U取100V，电感取电阻R为0.8Ω，电感L为2mH，此模块的仿真模型如图3-4所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14主电路模型图在图3-6所示含常规谐波源的系统中，对本文所设计的主电路进行仿真分析后，其发出的补偿电流与上述检测模块检查测量出的谐波电流波形如图3-5上下两图所示：图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器所示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s15补偿电流与谐波电流波形由图3-5可以十分明显的看出，生成的补偿电流与检查测量出的谐波电流不仅大小幅值相等，而且正负极性也相反，这两个电流恰好互为抵消。这种结果正是我们所希望的，所以其强有力地证明了本文所使用的主电路模型是满足设计要求的。不同谐波源下验证有源滤波器的滤波效果常规谐波源下（谐波源为整流电路） 整流电路可以被当做电流源，对于这种谐波源，并联型有源滤波器的作用比较明显，所以并联型有源滤波器被广泛应用于整流电路的滤波中，本论文采用三相整流桥电路，且其后带阻感性的负载来模拟谐波源，其中阻感负载的电阻为1Ω，电感为1mH。另外，交流电网中的三相电压U为25kV，电网的频率f为60Hz，变压器的变比n为25000/600。本文上述谐波检测模块和主电路模块所得的电流波形图，都是对此模型进行仿真得来的，所以此模型是本文研究的重点模型。其详细模型如图3-6所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s16系统仿真模型图对图3-6所示的模型进行仿真后，其得到的三相负载电流的波形如图3-7所示：图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器显示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s17未加APF时的电流波形电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始对图3-7所示电流波形进行30个周期的FFT频谱分析后，得电流总畸变率THD=68.73%，如图3-8所示：：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s18未加APF时的FFT分析图在图3-6所示的交流电网模型的三相电源与整流负载之间加装有源滤波器后，整体的仿真模型变为如图3-9所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s19加入APF后的系统仿真模型图对整体模型进行仿真后，电源侧和负载侧的三相电流波形及分别对30个周期的波形进行FFT频谱分析后，所得结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为电流大小，同时为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相；对于FFT分析图，其横坐标为电流分解出的各分量的频率（HZ），纵坐标为各频率电流分量的含量，表头左侧为基波频率含量，右侧为总畸变率THD。电源侧：加入APF后，电源侧三相电流波形如图3-10所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s110加入APF后电源侧电流波形电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始对图3-10所示电流波形进行30个周期的FFT频谱分析后，得到THD=3.02%，如图3-11所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s111加入APF后的电源侧电流FFT分析图负载侧：加入APF后，负载侧三相电流波形如图3-12所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s112加入APF后负载侧电流波形电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始对图3-12所示电流波形进行30个周期的FFT频谱分析后，得THD=16.41%，如图3-13所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s113加入APF后负载侧电流FFT分析图 由以上这些波形图分析可看出，交流电网在未加装有源滤波器时，电源电流受非线性负载的影响较大，三相交流电流的波形均发生了严重的畸变，电流总畸变率THD较大，如图3-8所示；但加装有源滤波器后，电源侧电流的畸变率THD由未加装有源滤波器时68.73%（图3-8所示），减小到了3.02%（图3-11所示）；负载侧电流的畸变率THD也由68.73%（图3-8所示）减小到了16.41%（图3-13所示）。这些数据都充分证明了本文所搭建有源滤波器模型的有效性，说明了有源滤波器对于这种谐波源具有很好的滤波效果。有源滤波器在高压直流输电系统中的应用 由于直流输电相比交流输电有着输电线路制造的经济性好、能量损耗小、可以实现较远距离传输电能等优点，因此高压直流输电目前备受国际关注，成为许多国家科学研究的重点。我国幅员辽阔、东西、南北地区跨度较大，主要的发电能源分布在西部和北部地区，而电能的消费中心却集中在沿海的东部地区，这就导致我国不得不采取“西电东送”的措施，所以发展高压直流输电对我国尤为重要。[17]由于高压直流输电系统的整流站和逆变站中存在着大量的电子开关器件，导致系统中含有大量的谐波分量，所以必须采用滤波器对交流侧及直流侧进行滤波，本文主要研究有源滤波器在12脉波高压直流输电系统中整流站交流侧的应用,所以将APF加装在了三相电源与整流站之间，其具体模型图如下所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s114高压直流输电模型图模型参数设置：三相电源：左侧：电压为500kV，频率为60Hz。右侧：电压为345kV，频率为50Hz；交流线路等效参数：左侧：电阻为26.07Ω，电感为48.86mH。右侧：电阻为6.205Ω，电感为13.96mH。有源滤波器：采用进行封装后的APF模块控制环节：高压直流输电系统的控制环节比较复杂，由于本文主要研究APF的滤波效果，故不对此处进行介绍。对所搭建的模型进行仿真分析，并对得出的三相电流波形进行FFT频谱分析，仿真结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为电流大小，同时为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相；对于FFT分析图，其横坐标为电流分解出的各分量的频率（HZ），纵坐标为各频率电流分量的含量，表头左侧为基波频率含量，右侧为总畸变率THD。未加装APF时：整流站交流侧的电流波形如图3-15所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s115未加APF时电源侧电流波形电流的基波频率为60Hz，从0.5s开始对图3-15所示电流波形进行30个周期的FFT频谱分析后，得到THD=9.14%，如图3-16所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s116未加APF时电源侧电流FFT分析图加装APF后：整流站交流侧的电流波形如图3-17所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s117加入APF后电源侧电流波形电流的基波频率为60Hz，从0.5s开始对图3-17所示电流波形进行30个周期的FFT频谱分析后，得到THD=1.28%，如图3-18所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s118加入APF后电源侧电流FFT分析图 由以上结果可以明显看出，从波形上来看：当加装有源滤波器后，交流侧的三相电流波形得到了较好的改善，更加接近标准的正弦波。从测出的THD来看：其三相电流总谐波畸变率THD由未加装时的9.14%（图3-16所示），降低到了1.28%（图3-18所示）。这些结论都很好的证明有源滤波器在高压直流输电系统中起到了良好的滤波作用，说明了其在高压直流输电系统中的可行性，但本文设计的有源滤波器主要体现在它的滤波功能，真正的高压直流输电系统的滤波器不仅应有滤波功能还应具有无功补偿的作用，所以这里要想使整个系统可以良好的运行，就要求除了在系统中加装APF外，还需要另外加装一些用于补偿无功的设备。有源滤波器在TCR电路中的应用 TCR主要是用来调节电网电压的，它是通过改变晶闸管的通断时间来改变无功功率，从而控制交流电网的电压。触发角的范围为到，只要大于，电流波形就会由于发生断续而产生谐波电流，这里的谐波分量就需采用一定的方法滤除，否则就会污染整个电网。单相TCR的原理接线图如图3-19所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s119单相TCR接线图 理论上，TCR电路正半轴和负半轴的电流波形是严格关于横轴对称的，因而只会产生奇次谐波，为特征谐波，但是在实际投入使用中，由于存在三相电抗器的电感参数不会完全对称、触发脉冲间隔不相等、电网三相电压不能一直保持严格对称等问题，TCR电路还会产生非特征谐波。这些谐波注入电网，会给电网带来一定的危害，所以应采用一些方法将其削弱或消除，例如加装滤波器等。无源滤波器由于只能对特定的谐波起作用，其滤波作用局限性较大，所以本文主要研究有源滤波器在三相TCR电路中的应用，所研究TCR的联结方式为三角形联结。[18]其原理图如图3-20所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s120三角形联结的TCR原理图将封装好的APF模块加装在三相电源与三相TCR之间后，所搭建的具体模型如图3-21所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s121TCR电路模型图此模型中参数的设置：三相电源：电压的幅值U为380V，频率f为50Hz，三个电源相角逐一设置为非线性负载：晶闸管脉冲的触发角不一样，所得的电流波形就不一样，并且触发角越大，电流的谐波含量就越多。本文以谐波含量较小的，触发角为时的电流波形为例来研究APF的滤波效果，所以6个晶闸管所给脉冲信号的延迟角依次设置为0.02*15/36；0.02*33/36；0.02*39/36；0.02*57/36；0.02*27/36；0.02*45/36。后接的阻感负载的电阻一般较小，所以此处将电阻值忽略，使负载x1、x2、x3为纯电感负载，电感值都设置为50mH。三相负载采用了常用的三角形联结方式接入电网。有源滤波器：此处的APF是对上述三个模块进行封装后，使其成为了一个整体的子系统，直接搭建在了电源和非线性负载之间。对以上模型进行仿真分析，得出的三相电源电流波形并对电源电流波形进行FFT频谱分析，所得结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵