有源电力滤波器仿真研究

有源电力滤波器仿真研究目录摘要……………………1第一章有源滤波器介绍……………31.1有源滤波器根本原理…………31.2有源滤波器的优点……………31.3有源电力滤波器的分类………41.4有源滤波器的关键技术………5基于瞬时无功功率检测方法………………52.1基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法………………72.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测法…8有源电力滤波器的控制策略………………103.1滞环比拟控制…………………103.2三角波比拟方式………………10第四章有源电力滤波器的主电路设计………………114.1直流侧电容量的选择…………114.2直流侧电压的选择……………13第五章并联电力有源滤波器的仿真…………………165.1主电路…………165.2指令电流运算电路……………165.4结果分析………175.3电流跟踪控制电路……………17第一章有源滤波器介绍1.1有源滤波器根本原理有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服IC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。电力滤波器的系统构成的构成原理图如下：图1-1有源电力滤波器系统构成原理图图中负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大局部组成，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个局部构成)。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，因此有时也称之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。1.2有源滤波器的优点有源滤波器(ActivePowerFilter，APF)的根本原理是从补偿对象中别离出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值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，即不存在谐振的问题。具有如下优点：(1)具有一机多能的特点。不仅能够补偿各次谐波，无功功率和负序电流等。(2)具有自适应功能，能对频率和幅值发生快速变化的谐波进行动态补偿。(3)由于装置本身能完成输出限制，所以不会因为补偿电流过大而过载。(4)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。(5)可对多个谐波源和无功源进行集中补偿。1.3有源电力滤波器的分类从不同的观点看，有源电力滤波器具有不同的分类标准，如图1-2所示，分别介绍如下：(1)根据主电路的储能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型有源电力滤波器两种。电压型APF的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其电压根本保持不变。电流型APF的主电路直流侧接有大电感，正常工作时期电流根本保持不变。但由于电流型主电路的直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。(2)根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器。并联型APF与负载并联接入电网，主要是用于电流型负载的谐波、无功和负序电流补偿。串联型APF与负载串联接入电网，主要消除电压性谐波源对系统的影响。串联型APF中流过的是正常负载电流，损耗较大，并且串联型APF的投切、故障后的退出及各种保护也比并联型APF复杂，因此使用范围受到很大限制。图1-2有源电力滤波器的分类示意图1.4有源滤波器的关键技术有源电力滤波器APF(activepowerfilter)可应用于电力系统谐波、无功电流的补偿，并联型有源电力滤波器的根本原理是使变流器产生实时跟踪指令电流的补偿电流，从而使主电流中不含谐波和无功成分。谐波电流的检测、谐波电流的跟踪补偿控制和直流侧电容电压控制是有源电力滤波器的三个主要组成局部。基于瞬时无功功率检测方法三相瞬时无功功率理论是日本学者H.Akagi于1984年首先提出的，此后经不断研究和开展逐渐的到了完善，现在已经产生了法、法等谐波检测方法。谐波检测法是使用最早的方法，但是它只适用于电网电压是三相对称的并且没有产生畸变的情况；法不仅适用于电网电压产生畸变的情况，而且也适用于对不对称三相电网的检测。瞬时无功功率理论的根本原理是：假设三相电路的电压和电流瞬时值分别为、、和、、，为便于分析，把它们用下面的坐标变换变换到两相正交坐标上。(2-1)(2-2)式中：图2-1平面图如图2-1所示的平面上，向量、和、分别可以合成为电压向量和电流向量(2-3)(2-4)式中||、||为相量、的模，、为相量、的幅角。三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流被定义为相量在相量及其法线上的投影，即：(2-5)(2-6)式中。三相电路瞬时有功功率和瞬时无功功率为电压相量的模和三相电路瞬时有功功率及三相电路瞬时无功电流的乘积。即(2-7)(2-8)将方程式(2-5)、式(2-6)及代入方程式(2-7)、(2-8)中，得出：写成矩阵形式为：(2-9)式中三相瞬时电压可以表示为：(2-10)将式(2-10)代入(2-1)得：(2-11)将式(2-11)代入(2-9)得(2-12)因为，所以：(2-13)其中：在传统理论中，对有功功率和无功功率的定义是基于平均值或者向量的，他们只有在电压和电流是正弦波的时候才有意义。而瞬时无功功率理论是基于瞬时值的，即便波形不是正弦波，也是适用的。虽然瞬时无功功率理论和传统的无功功率理论近似，但是瞬时无功功率理论有更广的适用范围，适应更多的情况。2.1基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法谐波检测是基于瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法，在电网的三相电压和电流对称并且无畸变的情况下，具有良好的检测效果。用这种方法计算出的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q与通常的三相有功功率和无功功率的计算结果一致。图2-2法框架图这种方法的根本原理是：首先根据定义算出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q,将计算结果经过低通滤波器(LPF)滤波，得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的直流分量、。在电压波形没有畸变的情况下，是由基波有功电流与电压相互作用产生的，是由基波无功电流与电压相互作用所产生的。所以滤波得到的直流分量、和电网中的基波电流是相互对应的。根据这个原理，再进行反变换到电网的三相坐标，就可以由、得到电流、、的基波分量、、。(2-14)将、、与、、相减，即可得出、、的谐波分量、、。当有源电力滤波器需要同时补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波电流和无功电流。在这种情况下，根据上面的原理只需断开图2-9中的的通道即可。这时，由瞬时有功功率的直流分量就可以计算出电流、、的基波有功分量、、：(2-15)将、、与、、相减，即可得出、、的谐波分量和基波无功分量的和、、。对于三相三线制电路，当三相电压发生畸变时，不管三相电压和三相电流是否是对称的，通过谐波检测算法得到的结果都有误差,只是误差的情况会有所不同。2.2基于瞬时无功功率理论的谐波检测法在实际应用中，由于受到非线性负载的影响，电网中的三相电压并不是基波正序电压，也会包含负序和谐波分量，这样就产生了畸变，在这种情况下使用谐波检测法就不能精确得检测出谐波。因为谐波检测法没有使用系统电压的信息，只是使用了其中a相电压的相位，因此检测结果的精度不受电压畸变的影响，克服了检测谐波法会受到电压波形畸变影响的缺乏。此方法的原理如图2-3所示：图2-3法框架图图中(2-16)将三相电流经过3/2变换，变换为静止两项坐标系的电流(2-17)在这个方法中，需要用到与a相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号。将通过锁相环和正、余弦信号发生电路得到与同相位的正弦信号和对应的余弦信号，从而得到变换阵，(2-18) 将两项电流经过坐标变换矩阵得出该坐标系下的有功和无功电流分量(2-19) 有功和无功电流分量经过低通滤波器滤除交流分量，得到对应的直流分量，直流分量分别对应于基波分量产生的有功和无功电流，被滤除的交流分量对应其高次谐波产生的有功和无功电流。 通过低通滤波器得到的直流分量经过坐标反变换求出两相坐标系的电流，(2-20)(2-21)在经过2/3变换得到三相的基波电流(2-22)最后的谐波为：(2-23)与谐波检测法相似，当需要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图2-3中的通道即可。有源电力滤波器的控制策略3.1滞环比拟控制滞环控制法是目前使用很广泛的一种闭环电流控制方法。该方法根据给定补偿信号与测得的谐波补偿器输出电流的误差来控制谐波补偿器的开关动作。当误差超过上、下限(由滞环环宽决定)时开关立即动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参考信号上下波动。原理图如图3.1所示。图3.1滞环比拟控制方法如图3.2是以一相电路为例，采用滞环比拟控制方式的原理。将指令信号i*与实际补偿信号ic的差值△ic作为滞环比拟器的输入，用H表示滞环比拟器的环宽，当|△ic|<H时，滞环比拟器的输出不变;而当|△ic|>H时，滞环比拟器的输出将翻转，那么补偿电流ic的方向随之改变，使△ic减小，保证了补偿电流跟踪指令电流的变化。图3.2电流跟踪示意图该方法控制简单，动态响应快，对负载的适应能力强，具有内在的限制能力。但系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受到滞环环宽影响。带宽固定时，开关频率会随着补偿电流变化而变化，从而引起较大的开关噪声。减小环宽可提高电流跟踪性能，但功率器件开关频率提高，引起损耗增加，反之那么电流跟踪性能变差。3.2三角波比拟方式三角波比拟方式的原理如图3.3所示，将指令信号ic与实际补偿信号i*的差值△ic通过比例调节器作为调制波，三角波为载波，比拟后得到工IGBT开通时间.图3.3三角波比拟方式原理图这种控制方式与滞环比拟控制具有如下特点:(1)硬件较为复杂;(2)跟随误差较大;(3)含有与三角波载波相同频率的谐波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的开关频率固定，且等于三角波载(6)电流响应比瞬时值比拟方式的慢。有源电力滤波器的主电路设计4.1直流侧电容量的选择为了保证有源电力滤波器正常工作，直流侧电压作为补偿器的直流电源必须保持恒定。但有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在一个恒定值，直流侧电压随补偿电流和补偿器工作模式的改变而改变，在允许的给定范围内波动。直流侧电压的波动主要来自于APF补偿电流中的谐涉及无功电流造成的能量脉动、开关损耗以及交流侧滤波电感储能引起的能量脉动，其中尤其以谐波电流造成的能量脉动所引起的直流侧电压波动最为明显。为了减小直流侧电压波动，直流侧电容必须有一定的容量要求。当直流侧电压一定时，电容值越小，那么直流侧电压波动越大，影响有源电力滤波器的补偿效果;电容值越大，那么直流侧电压波动越小，但是电容体积和造价都会增加。因此，需要综合考虑两方面因素，在直流侧电压波动满足要求下进行电容值的选取。设直流侧电压Udc的最大允许波动电压为△Udcmax定义电压波动率为:(4一1)那么直流母线电压最大值和最小值为:(4一2)(4一3)对于非线性负载来说，其谐波和无功电流所产生的瞬时功率不为零，但一个周期的平均值为零。当有源电力滤波器对谐波和无功电流进行补偿时，有源电力滤波器和负载之间有能量交换，需要直流侧电容提供能量交换缓冲。如果忽略有源电力滤波器系统存在损耗，这一缓冲电容只是周期性地吸收和释放能量，不需要电源提供能量。而当谐波和无功电流得到补偿时，电源只向负载提供有功电流，即提供负载消耗的能量，而不再和负载交换能量。有源电力滤波器、电源及负载之间的能量交换如图4.1所示:图4.1有源滤波器、负载和电源之间的能量交换为了简化分析，特作以下假设:(1)考虑能量平衡关系时，不考虑滤波电感中的储能;(2)稳态时，直流侧电压波动幅值与直流侧电压值相比非常小;(3)APF自身损耗忽略不计。设有源电力滤波器交流侧的瞬时功率为Pc(t):(4一4)上式中，uc(t)、ic(t)分别为有源电力滤波器交流侧的三相电压、电流瞬时值。直流侧电容的瞬时功率为Pdc(t):(4一5)上式中，udc(t)、idc(t)分别为直流侧电压、电流瞬时值。忽略谐波补偿器的开关损耗，那么有(4一6)将式带入上式:(4一7)由上式两边积分得:(4一8)上式右边的积分项就是有源电力滤波器的补偿容量。假设有源电力滤波器的补偿容量Sc，那么由式可得:(4一9)因此,确定了装置的补偿容量和允许的直流侧电压波动之后，就可根据式(4一9)确定电容的容量。需要注意的是，所计算出的电容量是在理想条件下得到的，实际选取电容的容量时必须留有一定裕度。4.2直流侧电压的选择用理想开关代替实际开关器件，忽略系统的阻抗，可得并联型APF等值电路，如图4.2所示。图4.2并联型APF等值电路假定e为系统电压，直流侧电容电压为Udc，其中电压都以系统中性点o为参考点，那么图4.2中三相电路瞬时值方程为:(4-10)引入开关函数Sa、Sb、Sc，定义为:(4-11)相应APF交流侧相电压为:(4-12)不计零轴分量，那么有:(4-13)由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得:(4-14)把(4-14)带入式(4-12)，那么APF交流侧相电压:(4-15)将(4-15)代入(4-10)，忽略APF交流侧电阻影响，得:(4-16)APF主电路开关器件的开通与关断，是由采样时刻的指令电流Ic*与实际补偿电流ic作差得到的△Ic。的极性决定的。以a相为例，当△Ica>O时，即a相的实际补偿电流小于指令电流时，主电路a相上桥臂导通，下桥臂关断;反之，当△Ica<0时，即a相实际补偿电流大于指令电流时，主电路a相上桥臂关断，下桥臂导通。这样使实际补偿电流与指令电流之间的误差减小，到达补偿电流跟踪指令电流的目的。有源滤波器共有8种开关模式，任取其中一种非零开关模式进行分析。设Sabc=110，对应△Ica>0、△Icb>o和△Icc<O，此时需要增大a相和b相电流同时减小c相电流，对应开关状态为a相和b相上桥臂导通、下桥臂关断，c相上桥臂关断、下桥臂导通。将Sabc=110代入(4-16)得:(4-17)为了控制电流变化，需要使Ica、Ice增大同时使Icc减小，此时应满足:(4-18)由式(4-17)和(4-18)得:(4-19)如果要跟踪电流的变化，就要在一个开关周期中满足式(4-19)中的限制条件，考虑到最严重情况有: