并联型有源电力滤波器的研究

并联型有源电力滤波器的研究

1matlab与电路模拟随着能源电子技术的发展和能源电子设备的广泛应用，电灯环境受到严重污染，并且电网中的波形污染变得越来越严重。有源电力滤波器(APF)作为动态抑制电网谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置得到了快速的发展,并已应用于实践。20世纪80年代,赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”,目前,该理论已成了有源电力滤波器的主要理论基础之一。并联型有源电力滤波器系统是一种复杂的电力电子装置,既包括含有开关器件的主电路,又包括控制电路,理论分析很困难,因此,仿真分析很有必要。Matlab是一种功能强大的控制系统计算机辅助设计和仿真语言,尤其是它提供的Simulink(对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包),允许连续、离散时间或混合系统的模型运行,可移植的代码使其应用环境更加广泛。本文利用其提供的电力系统工具箱,在Simulink环境下,对并联型有源电力滤波器进行了建模和仿真。2串联型同源电力滤波器系统并联型有源电力滤波器主要用于补偿感性电流源型负载的谐波,其本身表现出电流源的特性,由于其与系统相并联,故可等效为一受控电流源。由于APF用于三相占多数,故本文只讨论三相三线制情况。设三相对称电源、对称负载,有ia+ib+ic=0和ea+eb+ec=0。本文研究的并联型有源电力滤波器系统单相原理图如图1所示。图中is为电源电流,iC为补偿电流,iL为负载电流,iCL=iL-iC。并联型有源电力滤波器由两部分组成,即指令电流运算电路(也称谐波检测电路)和补偿电流发生器。并联型有源电力滤波器的工作原理是:并联型APF在系统中,相当于一个谐波电流发生器,它跟踪负载电流中的谐波分量,产生与负载谐波大小相等、方向相反的谐波电流,从而抵消了线路中的谐波电流,将电源侧电流补偿为正弦波。APF的控制主要由谐波信号的检测和补偿分量的产生两大部分组成。控制电路是有源电力滤波器的核心,决定了有源电力滤波器系统的主要性能和参数指标。3创建模拟模型1谐波电流的计算其中谐波检测电路的作用是根据输入信号经运算得到补偿电流的指令信号。本文所用并联型有源电力滤波器的谐波检测电路采用基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法。其原理图如图2所示。图2中,C32=√23[1-12-120√32-√32]‚C23=√32[230-131√3-13-1√3]‚C=C-1=[sinωt-cosωt-cosωt-sinωt]。C32=23√[10−123√2−12−3√2]‚C23=32√⎡⎣⎢⎢⎢23−13−13013√−13√⎤⎦⎥⎥⎥‚C=C−1=[sinωt−cosωt−cosωt−sinωt]。用一个单相数字锁相环得到与L1相电源电压同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt,这两个信号与ia,ib一起计算出ip,iq,经低通滤波后得出其直流分量,再经2/3变换得出三相基波分量,进而计算出谐波电流,即三相指令电流。低通滤波器采用二阶巴特沃思滤波器,截止频率选30Hz。2主电路桥臂保护分析补偿电流发生器由电流跟踪控制电路、驱动电路、主电路3部分组成。主电路采用电压型PWM变流器。三相电压型逆变电路主要包括PWM变流电路和交流测电感以及电感和开关器件的等效电阻。三相全桥逆变器器件选用绝缘栅双级型晶体管(IGBT)。逆变器的通断规律是:①同一桥臂的两个管子不能直通;②各桥臂总有一个管子导通,即三管同时导通,同一相的上下两个开关总有一个是导通的。对于三相三线制对称电路,可得出描述主电路的微分方程如下:Ldicadt+Ria=ea+Sa(Κ)VdLdicbdt+Rib=eb+Sb(Κ)VdLdiccdt+Ric=ec+Sc(Κ)Vd}(1)Ldicadt+Ria=ea+Sa(K)VdLdicbdt+Rib=eb+Sb(K)VdLdiccdt+Ric=ec+Sc(K)Vd⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪(1)Ldicadt=eLaLdicbdt=eLbLdiccdt=eLc}(2)式中,Sa(K)Vd,Sb(K)Vd,Sc(K)Vd是主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压。Sa(K),Sb(K),Sc(K)为开关系数,且Sa(K)+Sb(K)+Sc(K)=0。并联型有源电力滤波器的补偿电流由电压型逆变器中直流侧电压和交流侧电源电压之差产生。6个管子共产生8种开关状态K(0～7)。因为同一桥臂的两个管子不能同时导通,上桥臂导通意味着1,3,5之一导通,下桥臂导通意味着4,6,2之一导通。故可以以3个桥臂之上桥臂B1,B3,B5,建立通断状态表。设上桥臂IGBT导通时Bi=1,否则Bi=0,i=1,3,5。Sa(K),Sb(K),Sc(K)与主电路工作模式的关系见表1。补偿电流发生器的模型如图3所示。其中,D触发器起定时控制的作用,其时钟频率为PWM逆变器的最高开关频率的两倍;开关函数为自定义模块,主要由3个多路开关组成,其功能是产生表1中的Sa(K),Sb(K),Sc(K);Vd子模块为直流侧电容电压,取1000V;电阻电感传函子模块为PWM逆变器交流侧进线阻抗,电感值取10mH,等效电阻值取0.2Ω;ea,eb,ec为三相工频交流电。3图4显示了具有联合起源能量矩阵的nb仿真模型4踪谐波电流的跟踪设电源电流只包含5,7,11,13次谐波。仿真波形如图5所示。从系统仿真波形可看出,补偿电流几乎实时跟踪谐波电流,只是有点毛刺。跟踪效果主要由滞环环宽和PWM逆变器的开关频率决定,本文在仿真中取滞环环宽为0.2A;开关频率取10kHz。补偿后的电源电流几乎从零开始,是由于低通滤波器的延时引起的,当基波有功电流增大时,检测出的基波电流不能迅速跟踪实际值,在近3