并联型电力有源滤波器的仿真研究

1、第31卷第11期西安交通大学学报Vol.31111997年11月JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYNov.1997并联型电力有源滤波器的仿真研究颜晓庆王兆安(西安交通大学,710049,西安)摘要在介绍并联型电力有源滤波器及其控制方式的基础上,源滤波器的仿真模型,并使用科学计算软件Matlab,与实验相一致的仿真结果.关键词中国图书资料分类法分类号TN3,.电力有源滤波器作为动态抑制,并开始应用于实际生产中1,2.其中,.并联型电力有源滤波器包括含有,理论分析比较困难,因此对其进行仿真分析有重要的意义.Matlab(MATrixLABoratory)是目前世界上较为

2、流行的一种用于科学计算的软件工具3.SIMULINK是Matlab中的一种图形化模型输入与仿真工具,它含有多种预定义模块供用户使用,利用它可以方便地建立各种仿真模型.本文将主要利用SIMULINK进行仿真分析.本文将首先经过分析得到并联型电力有源滤波器的仿真模型,然后用SIMULINK对该仿真模型进行分析,最后利用实验结果对仿真结果加以验证.1并联型电力有源滤波器的基本原理及其控制方式1.1并联型电力有源滤波器的基本原理本文所研究的并联型电力有源滤波器系统的原理如图1所示2.3图中:is为电源电流;iL为负载电流;ic为补偿电流;ic为指令电流;iCL为补偿电流与负载电流之和,即iCL=ic+

3、iL.在本文所用的实验装置中采用一个三相全控桥整流器作为负载.并联型电力有源滤波器由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生器.其中补偿电流发生器的主电路采用了电压型PWM变流器.电阻、电感、电容组成高通滤波器与有源滤波器并联,收到日期:1997205213.颜晓庆:男,1970年9月生,电气工程学院工企教研室,博士研究生.第11期颜晓庆等:并联型电力有源滤波器的仿真研究89其作用是滤除补偿电流中开关频率附近的谐波成分.并联型电力有源滤波器的基本原理是:通过检测补偿对象的电流,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的放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中

4、要补偿的谐波及无功电流抵消,最终得到期望的电源电流.1.2并联型电力有源滤波器的控制方式根据图1中指令电流运算电路所输入的检测电流的不同,并联型电力有源滤波器有3种控制方式:检测负载电流控制方式、检测电源电流控制方式和复合控制方式4.控制方式不同,则电力有源图2滤波器的数学模型也不尽相同.复合控制方式综合了前两种控制方式的优点,因此,本文将主要对采用.2所示.其中Gz(s)CL,其具体形式将在G(s)=1.3Gz(的数学表达式Ts+1图1并联型电力有源滤波器系统.图1Gz(s)的等效图3求取Gz(s)的等效电电路如图3所示.其中ZS=RS+sLS为电源阻抗.路以iCL为输入,is为输出的传递函

5、数,Gz(s)为Gz(s)=32s+a1s+a1s+a02(1)式中a0=;a1=+;a2=+;b0=a0;b1=;b2=LSLCLSCLSLLSLLSLSCLS图4指令电流运算电路原理图本文装置所接电源的阻抗为:LS3mH,RS0168.本文所用高通滤波器参数为:L=010690西安交通大学学报第31卷mH,C=14F,R=01338.2并联型电力有源滤波器的仿真模型从图1可见,并联型电力有源滤波器可以分为两个主要部分:指令电流运算电路和补偿电流发生器.下面将对这两部分的仿真方法进行分析.2.1指令电流运算电路本文所用的并联型电力有源滤波器的指令电流运算电路采用基于瞬时无功功率理论1的谐波检

6、测方法.该方法的原理如图3所示.其中C=ipisint-costia-cost-sinsint-cost;C32=(23)10-12-123-3=CC32ib=iiaf-cost-siniaC32ib=isintcoipi-(2)iptibf=CT=32C32iicficaicb=icc333t-iafibfisin(3)iahibh=iia-ib-ic-(4)该方法用一个锁相环和一个正、余弦发生电路得到与a相电源电压ea同相位的正弦信号sint和对应的余弦信号-cost,这两个信号与ia、ib、ic一起计算出ip、iq,经LPF滤波后得出ip、iq的直流分量ip、iq.由ip、iq即可计算出

7、iaf、ibf、icf,进而计算出iah、ibh、ich,即三相指令电流(3)、(4)就可以用SIica、icb、icc.利用图3和式(2)、MULINK构造出指令电流运算电路的仿真模333型如图5所示.由于三相电流之和为0,所以输入检测电流只用了三相中的两相.2.2补偿电流发生器补偿电流发生器的构成如图6所示.包括3个部分,即电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路.其中,电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电流的指令信3号ic和实际补偿电流ic之间的相互关系,产生对电力电子器件的通断进行控制的逻辑信号.电流控制电路通常采用电流跟踪型PWM控制方式.PWM控制方法主要有瞬时值比较方式、滞图5指令电流运

8、算电路仿真环比较方式和三角波比较方式.本文电流控制电路采用定时控模型制的瞬时值比较方式.图7为其原理图.驱动电路将上述逻辑信号变换为主电路电力电子器件的驱动信号,控制器件的通断.主要起到信号转换和功率放大的作用.在仿真时可以忽略不计.补偿电流发生器的作用是根据电流跟踪控制电路和驱动电路所产生的逻辑信号,产生跟第11期颜晓庆等:并联型电力有源滤波器的仿真研究91图6补偿电流发生器的构成图7采用定时控制的瞬时值比较方式原理图3随补偿电流指令信号ic变化的实际补偿电流ic.它主要包括PWM逆变电路和交流侧电感.图8为其原理图.并联型电力有源滤波器的补偿电流ic是由主电路中直流侧电容电压和交流侧电源电

9、压的差值产生的.主电路的工作模式由主电路中6个开关器件的通断组合所决定.通常,同一相的上下两个开关总有一个是导通的.图8电压型PWM主电路的原理图加上iCa+iCb+iCc=0,并假设三相电源电压之和ea+eb+5ec=0,可得出描述主电路的微分方程如下LLL=ea+KaV=eLadt=ebcdtcceLcdt(6a)(6b)(6c)式中:KaVcbc;Ka、Kb、Kc为开关系数,Ka+Kb+Kc=0.Ka、Kb、Kc的值与主电路工作模式之间的关系如表1所示.PWM逆变器的仿真模型如图9所示.补偿3电流的指令信号ic和表1主电路工作模式与开关系数序号UVWXYZKaKbKc工作模式开关系数12

10、3456ONONONONONONONONONONONONONONONON-23131313-2313-13-13231313-23ONON-1323-1323-13-13实际补偿电流ic之差ic,经过比较器后输出到D触发器,该触发器可以起到定时控制的作用,其时钟频率是PWM逆变器的最高开关频率的2倍.图中Mux的功能是将多路输入转换成一个列向量输出,Demux的功能与之相对应.环节drive是用户自定义模块,其功能是根据当前开关状态查表1产生相应的KaVc、KbVc、KcVc.对式(6)两端做拉氏变换,可得补偿电流与交流侧电感端电压的关系,如式(7)所示(7)=;=;=ELa(s)LSELb(

11、s)LSELc(s)LS从图6、图9及式(6)、式(7)可以得到补偿电流发生器的仿真模型如图9所示.2.3并联型电力有源滤波器系统仿真模型92西安交通大学学报第31卷211、212节分别得到了并联型电力有源滤波器系统的指令电流运算电路和补偿电流发生器的仿真模型,由图2采用复合控制方式的并联型电力有源滤波器的结构图就可以得到其仿真模型如图10所示.图中图9PWM逆变器的构成负载模拟实际的三相全控整流桥的交流侧电流.电源电流is经过校正环节和负载电流iL相加作为指令电流运算电路3的输入,然后补偿电流发生器根据指令电流信号ic产生补偿电流ic、iciCL经过传递函数Gz(s)得到经过补偿的电源电流i

12、s.Matlab软件包中提供的其他控制系统分析工具,如稳定性分析等.311,可得图12所示的仿真波形.其中iL、ic、is分别为负载电流、.仿真算法采用四阶龙格2库塔法,仿真参数为:定时控制的时钟频率为20,0101ms,最大步长为1s,最大允许误差e01001.图13为利用作者研制的并联型电力有源滤波器实验装置所得到的实验结果.实验中采用一个三相全控桥变流器作为负载.校正环节Gz(s)的参数为T=0133ms,K=6197.比较图12和图13可以看出,利用本文所述仿真模型所得到的仿真结果和实验波形非常相近,说明该仿真模型可以较好地模拟实际的并联型电力有源滤波器系统.利用该模型和软件还对并联型

13、电力有源滤波器的稳定性进行了仿真,仿真结果和实验结果也很一致.同时利用该仿真模型还可以仿真采用其他控制方式的并联型电力有源滤波器.图10并联型电力有源滤波器的仿真模型图11补偿电流发生器仿真模型第11期颜晓庆等:并联型电力有源滤波器的仿真研究93图12仿真波形图13实验波形4结论,然后利用13的对比分析表明,该仿Matlab中的系统仿真工具SIMULINK.参考文献1A,aY.Instantaneousreactivepowercompensatorscomprisingswitchingdeviceswithout.IEEETransInd.Appl,1984,20(3):625630.en

14、ergystoragycomponents2电力用技术调查专门委员会编.电力用技术.电气学会技术报告,部,第425号.日本东京:日本电气学会,1992.253薛定宇.控制系统计算机辅助设计.北京:清华大学出版社,1995.1652614杨君,王兆安.并联型电力有源滤波器控制方式的研究.西安交通大学学报,1995,29(3):971025杨君.谐波和无功电流检测方法及并联型电力有源滤波器的研究:博士论文.西安:西安交通大学电气工程系,1996TheSimulationofShuntActivePowerFilterYanXiaoqingWangZhaoan(XianJiaotongUniversity,710049,Xian)AbstractAsimulationmodelofshuntactivepowerfilter(APF)basedontheintroductionofAPFandi