最新基于TMS320LF28xx的有源电力滤波器设计

1、U D C:密 级：XX 信息工程学院学位论文基于 TMS320LF28XX的有源电力滤波器设计论文作者姓名：_申请学位专业：电气工程及其自动化申请学位类别：_ 工学学士_指导教师姓名（职称）：_论文提交日期：_编号:分类号：基于 TMS320LF28xx的有源电力滤波器设计摘要随着电力电子装置日益广泛的应用，电力电子装置自身所具有的非 线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统带来了严重的污 染，严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。虽然传统的无源电力 滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时 也有一些缺点，例如只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条 件下

2、会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放大。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力 滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研究的热 点。本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各自的优缺点，详细分析了 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，比例控制和前馈控制两种电流 环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略。介绍了电力有源滤波 器的基本原理和结构， 并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统。 该 系统包括指令电流运算、PWM控制和驱动电路模块。在MATLAB中建立 了各个子模块的仿真模型和并联型有源电力滤波器的整体仿真模型。仿 真结果表明，其谐波抑制和无功补偿可以达

3、到良好的效果，在技术上是可 行的。关键词：电力有源滤波器；谐波；谐波检测；MATLAB/SIMULINK仿真Design of Active Power Filter Based on MATLABAbstractWith the developme nt of power electr onic device the in creas in gly widespreadapplication of power electronic device, which has resulted in a nonlinear networkcontains a large number of harmo

4、nics, the harmonic of power systems has broughtserious pollution, serious harm to the electrical equipment and the stable running of thecom muni catio n system. although the traditi onal passive power filter has the advantages of simple structure, low cost, mature tech no logy, low running costs, bu

5、t it alsohas some disadva ntages, such as only the in hibiti on of stati onary harm oni cs, and aharm onic un der certa in con diti ons and the grid impeda nee res onance in stead of theharm onic amplificatio n.Currently, the harmonic suppression is an important trend of active power filters,active

6、power filter is a power electro nic devices, and related tech no logies areincreasingly become a hot topic. This paper describes the topology and their advantages and disadva ntagesof several com mon APF, a detailed an alysis of theharmonic detection method based on instantaneous reactive power theo

7、ry, and proportional con trol and feedforward control of two curre nt-loop con trol strategy, and bothSPWM and SVPWM modulation strategy. I ntroduced the basic prin ciples and structureof the active power filter, and design of a shunt active power filter control system. Thesystem con sists of the co

8、mma nd curre nt operati on, PWM con trol and drive circuitmodule. Simulation model of the various submodules and parallel active power filtersimulation model in MATLAB. The simulation results show that the harm onic suppressionand reactive power compe nsati on to achieve good results, istech ni call

9、y feasible.words：Active power filter; harmonic; harmonic detection; MATLABSIMULINK Simulation目录论文总页数：25页1.1 课题背景.01.1.1 谐波基本概念 .01.1.2 谐波主要危害： .01.2 国内外研究现状 . 21.3 本课题研究的意义 . 21.4 本课题研究方法 . 31.5 本文研究的内容. 32.有源电力滤波器.32.1 抑制谐波方法.12.2 APF 的工作原理和结构 .32.2.1 APF 的基本原理和种类 . 32.3 APF 的谐波检测方法.52.3.1 基于频域的检测方

10、法 .52.3.2 瞬时空间矢量法 .52.3.3 有功分离法. 52.3.4 自适应检测法.62.3.5 同步测定法. 62.4APF 的补偿电流控制方法 .62.4.1 三角载波控制.62.4.2 滞环比较控制.62.4.3 变结构控制. 6Key2.4.4 无差拍控制与差拍控制 .72.4.5 单周控制（又称积分复位控制） .72.4.6 空间矢量调制.73源电力滤波器谐波检测及控制策略 . 73.1瞬时无功功率理论简介及其应用 . 73.1.1 瞬时无功理论定义 . 73.1.2 三相电路谐波和无功电流实时检测 . 93.2SVPWM 调制策略 . 104.电力有源滤波器的仿真实现 .

11、 134.1 源电力滤波器仿真模型的建立 . 134.1.1 APF 的系统仿真模型 . 134.1.2 非线性负载模型 . 144.1.3 谐波检测模型 . 144.1.4 PWM 信号的产生 . 174.2 仿真结果 . 18结论 . 20参考文献 . 21致谢 . 22声明 .221引言电能是现代社会的主要能源之一， 在各行各业中有着广泛的应用， 电能质量 的好坏直接关系到国民经济的总体效益。 理想的供电系统对负荷供电时， 应该保 持三相平衡对称， 电压电流波形皆为单频恒定正弦波，电能质量不受负载变化的 影响。随着电力电子装置及非线性、冲击性设备的广泛运用， 谐波和低功率因数 等问题越来

12、越严重。 目前的大型企业中， 几乎每家企业都或多或少有着电网污染 的现象。在供电的过程中电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形， 即产生谐 波。并且在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。供电系 统中的谐波问题已经引起了社会各界的广泛关注， 为了保证供电系统中所有的电 气、电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、 和谐的工作， 必须采取有力 的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。1.1课题相关知识介绍1.1.1谐波基本概念1882年，法国数学家傅里叶(J.FOURIER,1768-1830)指出，一个任意函数 都 可 以 分解 为 无 穷 多 个 不 同 频 率

13、 正 弦 信 号 的 和 。基 于 此 ，国 际 电 工 (IEC:INTERNATIONALELECTROTECHNICAL COMMISSION) 标 准 (IEC555-2，1982)定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次分量。把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气 和电子工程协会标准(IEEE标准519-1981)定义谐波为：谐波为一个周期波或 量的正弦波分量， 其频率为基波的整数倍。 总结二者，目前国际普遍定义谐波为： 谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍9。1.1.2谐波主要危害谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大， 这

14、是因为谐波不仅降低电能的 生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。对于电 力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象， 使谐波含量放大， 造成 电容器等设备烧毁。 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 使电能计量出现 混乱。对于电气设备， 谐波可以使电气设备产生振动和噪声， 还可以产生过热现 象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 电力系统产生的谐波与普通电 话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重 叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。谐波污染是

15、电力电子技术发展的重大障碍。电力电子技术是未来科学技术发 展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力 电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行 更为有效研究。谐波治理是“绿色电流”的要求。虽然目前还没有完全证实高次谐波对人， 动物以及生态环境的影响，但已有证据表明谐波对生态环境的影响确实存在，并引起了政府和各界人士的注意，开辟出了一个新的研究领域一一电磁环境对生态 的影响。目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识。从减少环境污染、维护 绿色环境的角度出发，对电力系统这

16、个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标士之一9志、0因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。1.1.3抑制谐波方法随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对 供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量(POWER QUALITY)受到人们的日益重视。于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为“无源滤波”(PF: PASSIVE FILTER)和“有源滤波”(APF: ACTIVE POWER FILTER)10。(1)无源滤波图1-1无源滤波器结

17、构无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的 滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与 电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高 通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性 较高、运行费用较低等优点。基本的无源滤波器的拓扑结构如上图1-1所示。(2)有源滤波目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ACTIVE POWERFILTER-APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对 象中检测出谐波电流， 由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿

18、电流，从而消除电网中的谐波。 这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟 踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视， 并且在日本等 国得到广泛的应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就己经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PULSEWIDTH MODULATION-PWM)控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的 谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。1.2国内外研究现状早在20世纪70年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念， 当时由 于电力电子器件制造水平的限制， 这项技术没有引起广泛的关注。 直到80年代，

19、 随着大中功率全控型半导体器件的成熟，脉宽调制(PWM )控制技术的进步以及 赤木泰文AKAGI H瞬时无功功率理论的提出，有源电力滤波器才得到迅速 发展和完善。作为改善供电质量的一项关键技术， 有源电力滤波器在日本、 美国、德国等 工业发达国家得到了高度的重视和日益广泛的应用，目前世界上APF的主要生 产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司和德国西门子公司等。 我国在有 源电力滤波器方面的研究起步较晚，1989年才有这方面研究的文章出现，1993年才见到试验性的工业应用实验。 但近十几年来， 越来越多的研究单位对有源滤 波技术开展了深入的理论研究和实验，这些研究有的已达到或接近国际先进水

20、 平。当前研究工作的关键是加快有源电力滤波器在生产实际中的应用， 提高实际 应用水平1。1.3本课题研究的意义随着电力电子技术的发展， 大量由电力电子开关构成的、 具有非线性特性的 用电设备。广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域。如电解装置、电气 机车、轧制机械、 高频炉等使电网中的谐波污染状况日益严重。 电网中的高次谐 波会造成旋转电机和变压器过热。 使电力电容器组工作不正常， 甚至造成热击穿 损坏。对电力系统中的发电机、 调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很 大危害。严重时会引发误动作；造成重大事故。谐波污染对通信、计算机系统、 高精度加工机械， 检测仪表等用电设备也有严重的干

21、扰。 因此，必须采取有效的 措施来消除电网中的高次谐波。 目前大量采用并联型无源滤波器来抑制谐波， 它 由电容器、 电抗器、电阻器组成的单调谐滤波器和高通滤波器构成。 通过对某些 次数的谐波呈现低阻来达到滤波的目的。 同时还兼顾无功补偿的需要。 由于并联 型的无源滤波器存在不少问题， 影响到实际应用。所以目前的趋势是采用电力电 子装置进行谐波补偿， 这就是电力有源滤波器（APF）。与无源滤波器（PF）相比,电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿， 而且补偿特性不受电 网阻抗的影响.国外电力有源滤波器的研究以日本为代表，已进入实用化阶段,随着容量的逐步提高， 其应用范围也从补偿用户自

22、身的谐波问题向改善整个电力 系统供电质量的方向发展。 在装置技术方面。 主要朝提高补偿容量、 改善补偿性 能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展。在应用方面，主要致 力于针对不同谐波源制定相应的对策， 解决最优配置、 有源滤波器的相互干扰及 其对电网上装设的LC滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。 自1976以来L. GYUGI提出了并联有源滤波器方案。 到目前为止已经研究出了有关有源滤波 器的近十几种滤波方案，它们各有优缺点，分别应用于不同场合2。1.4本课题研究方法有源电力滤波器是当前对电网中谐波污染补偿或抵消的有效手段， 本文对有 源电力滤波系统的工作原理进行了理论研究和分

23、析。MATLAB /SIMUL INK提供 的SIMPOWER工具箱基本涵盖了电力系统建模和仿真的各个方面。利用SIMPOWER工具箱对有源电力滤波器装置进行了建模和仿真，能够将有源电力 滤波器的工作过程及有关波形准确直观地显示出来,验证了理论分析的正确性。1.5本文研究的内容本文主要研究内容包括以下几个方面： 第一部分为引言， 概述了课题背景、 国内外研究现状、 有源电力滤波器发展 现状以及本课题研究方法等。第二部分 分析了有源电力滤波器的拓扑结构、 工作原理和工作特性。 从多个 方面出发对有源电力滤波器进行了分类和介绍，并分析了各自的优缺点。第三部分 分析了有源电力滤波器谐波检测方法， 并

24、分析了各种谐波检测方法 的工作原理和特性，通过对比选择P、Q算法作为本文谐波检测方法。第四部分在MATLAB/SIMULINK中建立三相三相制有源电力滤波器的仿真 模型，并对各个模块进行仿真和详细的阐述。 选择不同的整流负载， 对负载电流 波形和补偿后的电流波形进行对比，验证了APF的补偿性能。第五部分 对全文做出总结， 对有源电力滤波器系统存在的一系列问题进行探 讨，并提出下一步的展望。2.有源电力滤波器1. APF的工作原理和结构1.1.1 APF的基本原理和种类APF的基本原理是检测电网中的谐波电流。通过可控功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电

25、流为0,从而达到实时补偿谐波电流的目的。其原理框图如图2-1所示：图 2-1 有源电力滤波器系统原理图APF的结构形式很多，但其基本原理都是类似的，按电路拓朴结构可分为并联型APF、串联型APF和串-并联型APF。（1）并联型APF图2-2为并联型APF基本结构。由于与系统并联,可等效为一受控电流源。 并联型APF可产生与负荷电流大小相等、方向相反的谐波电流，从而将电源侧 电流补偿为正弦基波电流。主要适用于抵消非线性负载的谐波电流、无功补偿及 平衡三相系统中的不平衡电流等。并联型APF在技术上比较成熟。图 2-2 并联型有源滤波器结构图（2）串联型APF图2-3为串联型APF基本结构。通过1个

26、匹配变压器将APF串联在电源和 负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型APF相比，串 联型APF损耗较大，且各种保护电路也较复杂。因此，很少单独使用串联型APF,大多将其作为混合型APF的一部分。图 2-3 串联型有源滤波器结构图（3）串一并联APF图2-4为串-并联型APF基本结构。具有串联APF和并联APF的优点,能 解决电气系统发生的电能质量问题，又称为万能APF或统一电能质量调节器。串 联型APF将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。这种方 案兼有串、并联APF的功能，可以抑制闪

27、变、补偿谐波、消除共同耦合点处的 三相电压不平衡，具有较高的性价比。该类APF的主要问题是控制复杂、造价 较咼。图 2-4 串联一并联型有源滤波器结构2.3 APF的谐波检测方法文字说明1.基于频域的检测方法这是最早应用于指令电流运算的一类方法。其基本思想是利用模拟带（或陷波）滤波器进行谐波检测时他的缺点是：当电网频率波动时，所设计的滤波器中心 频率会发生偏移，加上该中心频率易受器件参数及温度影响，会使检测出的谐波信 号中含有大量基波分量，增加了APF的设计容量和有功损耗，因此，已基本不 用。2.3.2瞬时空间矢量法基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一种指

28、令电流运算方法。最早是由日本学者HAKAGI于1984年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断地改进，现已包括P-Q法、IP-IQ法以及D-P法等。P-Q法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网；IP-IQ法 不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转PARK变换的D-Q法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算， 而且也适用于不对称、 有畸变的电网。2.3.3有功分离法该方法将被检测量分解为理想传输量（即从公共供电点上看去，负荷是三相对称且纯阻性的，该负荷只消耗有功能量）和另一分量之和，简单明了、易于实现。 但该方法以平均有功功率理论为基础， 至少存在一个工频周期的延时，

29、实时性较 差;并且当电源电压存在畸变时，与电压谐波同次的谐波电流（有功部分）将被淹没 一部分。另外，该方法不能单独分离出基波有功分量。2.3.4自适应检测法该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理， 从负载电流中消去基波有 功分量，从而得到所需的补偿电流指令值。 该方法的突出优点是对电网电压畸变、 频率偏移及电网参数变化有较好的自适应调整能力， 但目前其动态响应速度还较 慢。后来又提出了用神经网络实现的自适应检测法。2.3.5同步测定法针对三相不平衡系统提出了同步测定法,可分为等功率法、等电流法和等电 阻法3类,即把补偿分量分配到三相中去,分别使补偿后的每相功率、每相电流或 每相电阻相等。该

30、方法的缺点是计算量大、时间延迟大。2.4 APF的补偿电流控制方法目前电力有源滤波器的闭环控制策略中最常用的是PI控制，另外国内外的 学者还对变结构控制， 模糊控制和人工神经网控制等现代新型控制方法进行了研 究。APF控制策略还包括开关器件的PWM脉冲信号的形成7。目前PWM生成 方式的研究主要集中在载波比较法、 滞环控制法、 无差拍控制法和空间矢量法等 方法上：2.4.1三角载波控制将电流实际值与参考值之间的偏差经P I调制后与高频三角载波相比较，所得 矩形脉冲作为逆变器开关元件的控制信号,从而在逆变器输出端获得所需波形。 其优点是动态响应好,开关频率固定,实现简单,缺点是输出波形中含有与三

31、角载 波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。2.4.2滞环比较控制它的原理为:将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞 环特性的比较器中,通过比较器的输出来控制开关动作,使逆变器输出值实时跟踪 补偿参考值。与三角载波控制相比,滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快、 鲁棒性好、 控制精度高等特点。 其缺点是系统的开关频率、 响应速度及电流的跟 踪精度均受滞环带宽影响。当带宽固定时,开关频率会随补偿电流的变化而变化,从而引起较大的脉动电流和开关噪音。为了解决开关频率变化的问题,提出了基于电压矢量的滞环电流控制法8。2.4.3变结构控制变结构控制是一种控制系

32、统的设计方法，适用于线线性及非线性系统。包括 控制系统的调节，跟踪，自适应及不确定等系统。它具有一些优良特性，尤其是 对加给系统的摄动和干扰有良好的自适应性。 近年来，这种设计方法受到了国内 外的广泛重视， 得到了很快的发展。 但变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感,具有很强的鲁棒性。本质上可视为带宽等于零的滞环比较控制,所以他同样存在开关频率高、变化范围大的缺点。2.4.4无差拍控制与差拍控制 无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术上发展起来的全数字化控制技 术。他利用前一时刻补偿电流的参考值和实际值,计算出下一时刻的电流参考值 及各种开关状态下的逆变器电流输出值,然后选择某种开关模式作为

33、下一时刻的 开关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是动态响应快且易于 计算机执行,缺点是计算量大、对系统参数依赖性较大、鲁棒性差、瞬态响应的 超调量大。2.4.5单周控制(又称积分复位控制) 单周控制技术具有调制和控制的双重性,通过复位开关、积分器、触发电路 及比较器达到跟踪指令信号的目的。其基本思想是控制开关占空比,在每个周期内强迫开关变量平均值与控制参考量相等或成比例。 单周控制能在一个周期内自 动消除稳态、暂态误差,前一周期的误差不会带到下一周期。这种控制方法具有 反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等优点。2.4.6空间矢量调制SVM ( SPACE V

34、ECTOR MODULATION)技术具有以下优点:直流侧电压 的利用率比SPWM提高15%;采用不连续开关方式调制时,开关器件的损耗降低1 /3;调制方法便于数字实现。3有源电力滤波器谐波检测及控制策略3.1瞬时无功功率理论简介及其应用三相电路瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文最先提出， 此后，该理论经 不断研究逐渐完善。赤木最初提出的理论亦称P、Q理论，是以瞬时实功率和虚 功率的定义为基础， 其主要的一点不足是未有对有关电流量进行定义。 该理论的基本思路是：将ABC三相系统电压、电流转换成A,B坐标系上的矢量，将电 压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率； 将电压、 电流矢量的叉积定义为瞬时

35、 无功功率， 然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。 瞬时无功功率理论突破了传 统功率理论在 “平均值”基础上的功率定义， 使谐波及无功电流的实时检测成为 可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性， 有利于系统 的快速控制， 可以获得较好的补偿效果。 但该方法对于三相不平衡负荷所产生的 无功和谐波电流， 补偿效果则不理想， 且只适用于三相系统， 不能用于单相系统7。3.1.1瞬时无功理论定义瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用，以该理论 为基础构成的APF可以实现对频率和大小都变化的无功与谐波电流进行实时 的检测。这种检测方法有可以分为P-Q法和IP-IQ法

36、。本论文就是利用IP-IQ法 进行谐波与无功电流的实时检测的。本文研究的系统为三相三线制系统，可以先将三相的电压和电流转换到静止 的a-p系统中9。设三相电路各相瞬时电压和电流分别为ea,eb, 分别将它们变换到两相正交的iP,即=a = 3|sin(wt - )IHp 2m|-cos(wt -;：所以得到瞬时有功功率和无功功率为a-p坐标上，两项瞬时电压为eec和ia,ib,ic, ,ep，电流为ia,Fu1二1-2J3eaeb32ebFi式中,Q为：pI I_qC32是三相到两相的坐标变换阵,FU1 Fiua*U1轻FiJ !一iaiaib=C32ib.ic一iicP和无功功率iaJp -

37、现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时, 三相电流分别为：设三相电压、UaEmsinwtUb= Emsin(wt-2/3)Uc一.EmSin(wt +2n/3)_(4)alImsi nwtIb= |Imsin(wt -2冗/3).cjlmSin(wt +2冗/3) j(5)则变换到A-B两相静止坐标系中的向量为:Fi定义瞬时有功功率ec1_ 2、3233P =Fui*Fi=2Em1 2mCOS ,q= F“：Fj= ?EmImSin (8)从式(8)可以看出，在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时， 按照上面定义计算的瞬时有功功率和无功功率P、Q只包含直流分量，并且与传统

38、的三相有功功率和无功功率计算的结果一样。瞬时无功功率理论只用了一个 时刻三相电压和电流的数值，所以这种功率计算方法大大提高了计算的效率。3.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算 得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，IQ方式4。(A)P、Q运算方式该检测方法原理如图1所示。图中上标-1该方法由定义计算的P、Q经低通滤波器LPF滤波得到P、Q的直流分量P1、Q1。电源电压无畸变时,P为基波有功电流与电压作用产生，Q为基波无功电流与 电压作用产生。因而，由P、Q即可计算出被检测电流IA、IB、IC的基波分量IAF、IBF、ICF。如式(9)所示：图 3-1

39、p、q 运算方式原理将laf、Ibf、Icf与la、Ib、Ic相减，即得la、Ib、Ic的谐波分量lah、Ibh、Ich。(B)IP、IQ运算方式该检测方法原理如图2所示。且图中矩阵C如(10)式所示。c= sinwt2 LT AP、Q或IP、IQ为出发点即可分别称之为P、Q运算方式和IP、表示矩阵求逆。(9)5ar= 4c.(10图 3-2 ip、iq 运算方式原理图该方法用一锁相环和一正、余弦发生电路得到与电源电压Ea同相位的正弦 信号sinwt和对应的余弦信号-coswt,这两个信号与la、lb、Ic一起计算出女、Iq ,经LPF滤波得出Ip、Iq的直流分量啦、口。这里，如 是由laf、

40、Ibf、Icf产生。3.2 SVPWM调制策略采用同步旋转变换的控制方法得到DQ两相的电压给定后，可以采用正弦脉 宽调制（SPWM）技术来得到三相VSR六个开关管的开关信号。基本的原理是： 根据式（1）的反变换将两相旋转坐标系中的电压给定变换到三相静止坐标系中，标定后与频率固定的三角波进行比较，就可以得到脉宽调制信号，这种方法在早 期的三相VSR控制中得到了广泛的应用。近年来随着算法的不断改进和控制芯片的迅猛发展，电压空间矢量脉宽调制 技术（SVPWM）被引入高频变流领域的研究中。（SVPWM）是一种优化的PWM技术，此方法控制简单，电流波形畸变小，数字化实现方便，能明显减少交流侧 电流的谐波

41、成分，提高电压利用率（比SPWM高15%），已有取代传统SPWM的趋势。基本的控制思想如下10:定义三相VSR网侧输入电压空间矢量URF:22八亍,a心）（11）.1 jn其中a= e3，根据三相VSR开关信号S的定义，整流器有八种导通模式， 对应八个空间电压矢量：U（000）、U1（100）、U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）、U7（111）。其中U1U6六个非零矢量为基本有效矢量，U0（000）、U7（111）为两个零矢量。在一个电流采样周期内，开关管的导通总是以零矢量开始并以零 矢量结束。用六个非零矢量和两个零矢量去逼近电压源，整流器三相桥输入

42、端会得到等效的三相正弦波波形。这样对任一空间电压矢量就可以用两个相邻的非零 矢量和两个零矢量去逼近，使三相桥的输入为等效正弦波。如URF在第一扇区，则有：如下图所示:URFTS= U1T1+U2T2(12)图 3.1 空间电压矢量分解图T1和T2分别为空间矢量U1和U2的作用时间，TS为一个PWM周期。(1)空间电压矢量所在扇区的计算由于-I，所以在一个电流采样周期TS中，URF的作用效果可等O效表示为：.-，如叮眛在第一扇区，则有0arctg(Ua/UB)0且(Ua/UB) . 3。同理可得URF在其他扇区时的等价条件。定义：ZU。B = V3Ua UBr(13)C = -V3U a- uB

43、X = sin g (A) + 2 sin g (B) + 4 sin g (C)1 M X0这里得sin g( M)是符号函数，满足：sing(M)=X与空间电压0 M TS，则过饱和。针对这种情况就需要对同时得到零矢量的开通时间：T1和T2进行归一化处理,T1T2ToT1T2Ts(T1T2)(T1T2)Ts- T1- T2(17)(15)此时开关变换顺序为：000100110111110100000。同理可以得到其他扇区开关变换转换顺序，如下表所示图 3.2 空间矢量在第一扇区时三相桥臂的开通时间分配表 2 各扇区开关变换顺序扇区作用于三相桥臂上的向量的转换顺序I0001001101111

44、10100000n000110010111010110000m000010011111011010000IV000011001111001011000V000001101111101001000000101100111100101000各扇区三相各相桥臂的导通时间计算如下表所示:表 3 各相桥臂在不同扇区中的导通时间分配表相ABC扇区IT0一 4+T斗T2T042 2424nT0_ + Ti+上424224T0T0丄 T1丄 T2T0丄 T2m442242VT空T0一+匚+442422V上ToT0一+匚+424422To -+ Zj-“+空42 24424.有源电力滤波器的仿真MATLAB是美

45、国MATHWORKS公司发布的主要面对科学计算、可视化以 及交互式程序设计的高科技计算环境，MATLAB是一个高度集成的系统，分为核心部分和各种工具箱两个部分。 核心部分有数百个内部核心函数；SIMULINK工具箱作为MATLAB的一部分，为系统模块提供了一个可综合分析的集成环境。 在该环境下，用户可通过拖拉和连接典型模块的方式就可以绘制系统电路，从而很容易就能构造出需要的连续系统、非线性系统和离散系统模型。4.1有源电力滤波器仿真模型的建立4.1.1 APF的系统仿真模型基于MATLAB的优点与有源电力滤波器的特点，本文采用SIMULINK的POWERSYSTEMS工具箱建立了非线性负载模型

46、、谐波检测模型、控制算法模块、主电路模块。如图4-1所示为有源电力滤波器的系统构成模型图 4-1 有源电力滤波器的系统构成模型4.1.2非线性负载模型本文仿真系统中选择三相整流桥为负载，因为在电力系统中，它应用非常广 泛,是谐波污染非常严重的谐波源之一。完整的三相桥式整流电路时由整流变压 器以及6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成。图4-2所示为非线性负载仿真模块。图 4-2 所示为非线性负载仿真模块n:MeasurEmentVtkice Measurement!ThrwPhiSE I snesRLC Branchhl Ab-I Mi冲Pre grji iB VaJ u弓和旬OXl

47、L* Ti Li-DD& tent0E CuSi-swr-&CMI4.1.3谐波检测模型实时、准确地提取出负载中的谐波对有源电力滤波器的补偿效果有重要影响。本小节采用基于瞬时无功功率理论的P、Q运算公式计算出谐波。谐波检测模块仿真图如图4-3所示。图 4-3 谐波检测模块由于三相三线制系统中电流和电压信号是独立的，因此利用CLARKE变换可以将三相电流、电压信号变换为正交的AB坐标系中的向量，如图4-4所示 的三相/两相的仿真模块就是实现此功能。当三相系统中的电流、电压均为正序 时，利用两相/两相的变换可以分别计算出瞬时的有功电流IP和瞬时无功电流IQ。 经过低通滤波器滤除高次谐波后， 得到瞬时有功电流和无功电流的直流分量，然后对直流分量进行两相/两相和两相/三相得逆变换，得到三相电流的基波分量， 最后与三相被检测的电流相减，这样就只剩下三相谐波分量。谐波检测模块中的 各个子模块具体介绍如下：也叠三相/两相变换的仿真模型OutlA n a IFilter Dc-l-gnBut日OLitliaf