并聯(lián)型有源電力濾波器的研究

并聯(lián)型有源電力濾波器的研究

1matlab與電路模擬隨著能源電子技術(shù)的發(fā)展和能源電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電燈環(huán)境受到嚴(yán)重污染，并且電網(wǎng)中的波形污染變得越來越嚴(yán)重。有源電力濾波器(APF)作為動態(tài)抑制電網(wǎng)諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置得到了快速的發(fā)展,并已應(yīng)用于實踐。20世紀(jì)80年代,赤木泰文等人提出了“三相電路瞬時無功功率理論”,目前,該理論已成了有源電力濾波器的主要理論基礎(chǔ)之一。并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)是一種復(fù)雜的電力電子裝置,既包括含有開關(guān)器件的主電路,又包括控制電路,理論分析很困難,因此,仿真分析很有必要。Matlab是一種功能強大的控制系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計和仿真語言,尤其是它提供的Simulink(對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包),允許連續(xù)、離散時間或混合系統(tǒng)的模型運行,可移植的代碼使其應(yīng)用環(huán)境更加廣泛。本文利用其提供的電力系統(tǒng)工具箱,在Simulink環(huán)境下,對并聯(lián)型有源電力濾波器進行了建模和仿真。2串聯(lián)型同源電力濾波器系統(tǒng)并聯(lián)型有源電力濾波器主要用于補償感性電流源型負載的諧波,其本身表現(xiàn)出電流源的特性,由于其與系統(tǒng)相并聯(lián),故可等效為一受控電流源。由于APF用于三相占多數(shù),故本文只討論三相三線制情況。設(shè)三相對稱電源、對稱負載,有ia+ib+ic=0和ea+eb+ec=0。本文研究的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)單相原理圖如圖1所示。圖中is為電源電流,iC為補償電流,iL為負載電流,iCL=iL-iC。并聯(lián)型有源電力濾波器由兩部分組成,即指令電流運算電路(也稱諧波檢測電路)和補償電流發(fā)生器。并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理是:并聯(lián)型APF在系統(tǒng)中,相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器,它跟蹤負載電流中的諧波分量,產(chǎn)生與負載諧波大小相等、方向相反的諧波電流,從而抵消了線路中的諧波電流,將電源側(cè)電流補償為正弦波。APF的控制主要由諧波信號的檢測和補償分量的產(chǎn)生兩大部分組成?？刂齐娐肥怯性措娏V波器的核心,決定了有源電力濾波器系統(tǒng)的主要性能和參數(shù)指標(biāo)。3創(chuàng)建模擬模型1諧波電流的計算其中諧波檢測電路的作用是根據(jù)輸入信號經(jīng)運算得到補償電流的指令信號。本文所用并聯(lián)型有源電力濾波器的諧波檢測電路采用基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法。其原理圖如圖2所示。圖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]。用一個單相數(shù)字鎖相環(huán)得到與L1相電源電壓同相位的正弦信號sinωt和對應(yīng)的余弦信號cosωt,這兩個信號與ia,ib一起計算出ip,iq,經(jīng)低通濾波后得出其直流分量,再經(jīng)2/3變換得出三相基波分量,進而計算出諧波電流,即三相指令電流。低通濾波器采用二階巴特沃思濾波器,截止頻率選30Hz。2主電路橋臂保護分析補償電流發(fā)生器由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路、主電路3部分組成。主電路采用電壓型PWM變流器。三相電壓型逆變電路主要包括PWM變流電路和交流測電感以及電感和開關(guān)器件的等效電阻。三相全橋逆變器器件選用絕緣柵雙級型晶體管(IGBT)。逆變器的通斷規(guī)律是:①同一橋臂的兩個管子不能直通;②各橋臂總有一個管子導(dǎo)通,即三管同時導(dǎo)通,同一相的上下兩個開關(guān)總有一個是導(dǎo)通的。對于三相三線制對稱電路,可得出描述主電路的微分方程如下: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是主電路各橋臂中點與電源中點之間的電壓。Sa(K),Sb(K),Sc(K)為開關(guān)系數(shù),且Sa(K)+Sb(K)+Sc(K)=0。并聯(lián)型有源電力濾波器的補償電流由電壓型逆變器中直流側(cè)電壓和交流側(cè)電源電壓之差產(chǎn)生。6個管子共產(chǎn)生8種開關(guān)狀態(tài)K(0～7)。因為同一橋臂的兩個管子不能同時導(dǎo)通,上橋臂導(dǎo)通意味著1,3,5之一導(dǎo)通,下橋臂導(dǎo)通意味著4,6,2之一導(dǎo)通。故可以以3個橋臂之上橋臂B1,B3,B5,建立通斷狀態(tài)表。設(shè)上橋臂IGBT導(dǎo)通時Bi=1,否則Bi=0,i=1,3,5。Sa(K),Sb(K),Sc(K)與主電路工作模式的關(guān)系見表1。補償電流發(fā)生器的模型如圖3所示。其中,D觸發(fā)器起定時控制的作用,其時鐘頻率為PWM逆變器的最高開關(guān)頻率的兩倍;開關(guān)函數(shù)為自定義模塊,主要由3個多路開關(guān)組成,其功能是產(chǎn)生表1中的Sa(K),Sb(K),Sc(K);Vd子模塊為直流側(cè)電容電壓,取1000V;電阻電感傳函子模塊為PWM逆變器交流側(cè)進線阻抗,電感值取10mH,等效電阻值取0.2Ω;ea,eb,ec為三相工頻交流電。3圖4顯示了具有聯(lián)合起源能量矩陣的nb仿真模型4蹤諧波電流的跟蹤設(shè)電源電流只包含5,7,11,13次諧波。仿真波形如圖5所示。從系統(tǒng)仿真波形可看出,補償電流幾乎實時跟蹤諧波電流,只是有點毛刺。跟蹤效果主要由滯環(huán)環(huán)寬和PWM逆變器的開關(guān)頻率決定,本文在仿真中取滯環(huán)環(huán)寬為0.2A;開關(guān)頻率取10kHz。補償后的電源電流幾乎從零開始,是由于低通濾波器的延時引起的,當(dāng)基波有功電流增大時,檢測出的基波電流不能迅速跟蹤實際值,在近3