有源電力濾波器仿真研究

1、有源電力濾波器仿真研究 目錄摘要1第一章 有源濾波器介紹31.1 有源濾波器基本原理31.2 有源濾波器的優(yōu)點31.3 有源電力濾波器的分類41.4 有源濾波器的關鍵技術5第二章 基于瞬時無功功率檢測方法52.1基于瞬時無功功率理論的諧波檢測算法72.2基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法8第三章 有源電力濾波器的控制策略103.1滯環(huán)比較控制103.2 三角波比較方式10第四章 有源電力濾波器的主電路設計114.1直流側電容量的選擇114.2 直流側電壓的選擇13第五章并聯(lián)電力有源濾波器的仿真165.1 主電路165.2 指令電流運算電路165.4 結果分析175.3 電流跟蹤控制電路17第一章

2、 有源濾波器介紹1.1 有源濾波器基本原理有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應用可克服IC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。電力濾波器的系統(tǒng)構成的構成原理圖如下：圖1-1有源電力濾波器系統(tǒng)構成原理圖圖中負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三個部分構成)。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)

3、指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號。1.2 有源濾波器的優(yōu)點有源濾波器(Active Power Filter，APF)的基本原理是從補償對象中分離出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，即不存在諧振的問題。具有如下優(yōu)點：(1)具有一機多能的特點。不僅能夠補償各次諧波，無功功率和負序電流等。(2)具有自適應功能，能對頻率和幅值發(fā)生快速變化的諧波進行動態(tài)補償。(3)由于裝置本身能完成輸出限制，所以不會因為補償電流過大而過載。(4)諧波補償特性不受電網(wǎng)頻率

4、變化的影響。(5)可對多個諧波源和無功源進行集中補償。1.3 有源電力濾波器的分類從不同的觀點看，有源電力濾波器具有不同的分類標準，如圖1-2所示，分別介紹如下：(1)根據(jù)主電路的儲能元件不同，可以分為電壓型有源電力濾波器和電流型有源電力濾波器兩種。電壓型APF的主電路直流側接有大電容，正常工作時其電壓基本保持不變。電流型APF的主電路直流側接有大電感，正常工作時期電流基本保持不變。但由于電流型主電路的直流側始終有電流流過，該電流將在電感的內阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。(2)根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類：并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型APF與負載并聯(lián)接入

5、電網(wǎng)，主要是用于電流型負載的諧波、無功和負序電流補償。串聯(lián)型APF與負載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電壓性諧波源對系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型APF中流過的是正常負載電流，損耗較大，并且串聯(lián)型APF的投切、故障后的退出及各種保護也比并聯(lián)型APF復雜，因此使用范圍受到很大限制。圖1-2有源電力濾波器的分類示意圖1.4 有源濾波器的關鍵技術有源電力濾波器APF(active power filter)可應用于電力系統(tǒng)諧波、無功電流的補償，并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理是使變流器產(chǎn)生實時跟蹤指令電流的補償電流，從而使主電流中不含諧波和無功成分。諧波電流的檢測、諧波電流的跟蹤補償控制和直流側電容電壓控制是有源電力濾波

6、器的三個主要組成部分。第二章 基于瞬時無功功率檢測方法三相瞬時無功功率理論是日本學者H.Akagi于1984年首先提出的，此后經(jīng)不斷研究和發(fā)展逐漸的到了完善，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了法、法等諧波檢測方法。諧波檢測法是使用最早的方法，但是它只適用于電網(wǎng)電壓是三相對稱的并且沒有產(chǎn)生畸變的情況；法不僅適用于電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變的情況，而且也適用于對不對稱三相電網(wǎng)的檢測。瞬時無功功率理論的基本原理是：假設三相電路的電壓和電流瞬時值分別為、和、，為便于分析，把它們用下面的坐標變換變換到兩相正交坐標上。 (2-1) (2-2)式中： 圖2-1 平面圖如圖2-1所示的平面上，向量、和、分別可以合成為電壓向量和電流向量 (

7、2-3) (2-4)式中 |、|為相量、的模，、為相量、的幅角。三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流被定義為相量在相量及其法線上的投影，即： (2-5) (2-6)式中。三相電路瞬時有功功率和瞬時無功功率為電壓相量的模和三相電路瞬時有功功率及三相電路瞬時無功電流的乘積。即 (2-7) (2-8)將方程式(2-5)、式(2-6)及代入方程式(2-7)、(2-8)中，得出：寫成矩陣形式為： (2-9)式中 三相瞬時電壓可以表示為： (2-10)將式(2-10)代入(2-1)得： (2-11)將式(2-11)代入(2-9)得 (2-12)因為，所以： (2-13)其中： 在傳統(tǒng)理論中，對有功功率和無功

8、功率的定義是基于平均值或者向量的，他們只有在電壓和電流是正弦波的時候才有意義。而瞬時無功功率理論是基于瞬時值的，即便波形不是正弦波，也是適用的。雖然瞬時無功功率理論和傳統(tǒng)的無功功率理論近似，但是瞬時無功功率理論有更廣的適用范圍，適應更多的情況。2.1基于瞬時無功功率理論的諧波檢測算法諧波檢測是基于瞬時無功功率理論的一種諧波檢測方法，在電網(wǎng)的三相電壓和電流對稱并且無畸變的情況下，具有良好的檢測效果。用這種方法計算出的瞬時有功功率p和瞬時無功功率q與通常的三相有功功率和無功功率的計算結果一致。 圖2-2 法框架圖這種方法的基本原理是：首先根據(jù)定義算出瞬時有功功率p和瞬時無功功率q,將計算結果經(jīng)過低

9、通濾波器(LPF)濾波，得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q的直流分量、。在電壓波形沒有畸變的情況下，是由基波有功電流與電壓相互作用產(chǎn)生的，是由基波無功電流與電壓相互作用所產(chǎn)生的。所以濾波得到的直流分量、和電網(wǎng)中的基波電流是相互對應的。根據(jù)這個原理，再進行反變換到電網(wǎng)的三相坐標，就可以由、得到電流、的基波分量、。 (2-14)將、與、相減，即可得出、的諧波分量、。當有源電力濾波器需要同時補償諧波和無功時，就需要同時檢測出補償對象中的諧波電流和無功電流。在這種情況下，根據(jù)上面的原理只需斷開圖2-9中的的通道即可。這時，由瞬時有功功率的直流分量就可以計算出電流、的基波有功分量、： (2-15)將、與

10、、相減，即可得出、的諧波分量和基波無功分量的和、。對于三相三線制電路，當三相電壓發(fā)生畸變時，不論三相電壓和三相電流是否是對稱的，通過諧波檢測算法得到的結果都有誤差,只是誤差的情況會有所不同。2.2基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法在實際應用中，由于受到非線性負載的影響，電網(wǎng)中的三相電壓并不是基波正序電壓，也會包含負序和諧波分量，這樣就產(chǎn)生了畸變，在這種情況下使用諧波檢測法就不能精確得檢測出諧波。因為諧波檢測法沒有使用系統(tǒng)電壓的信息，只是使用了其中a相電壓的相位，因此檢測結果的精度不受電壓畸變的影響，克服了檢測諧波法會受到電壓波形畸變影響的不足。此方法的原理如圖2-3所示：圖2-3 法框架圖圖中

11、(2-16)將三相電流經(jīng)過3/2變換，變換為靜止兩項坐標系的電流 (2-17)在這個方法中，需要用到與a相電壓同相位的正弦信號和對應的余弦信號。將通過鎖相環(huán)和正、余弦信號發(fā)生電路得到與同相位的正弦信號和對應的余弦信號，從而得到變換陣，(2-18)將兩項電流經(jīng)過坐標變換矩陣得出該坐標系下的有功和無功電流分量 (2-19)有功和無功電流分量經(jīng)過低通濾波器濾除交流分量，得到對應的直流分量，直流分量分別對應于基波分量產(chǎn)生的有功和無功電流，被濾除的交流分量對應其高次諧波產(chǎn)生的有功和無功電流。通過低通濾波器得到的直流分量經(jīng)過坐標反變換求出兩相坐標系的電流， (2-20) (2-21)在經(jīng)過2/3變換得到三

12、相的基波電流 (2-22)最后的諧波為： (2-23)與諧波檢測法相似，當需要檢測諧波和無功電流之和時，只需斷開圖2-3中的通道即可。第三章 有源電力濾波器的控制策略3.1滯環(huán)比較控制滯環(huán)控制法是目前使用很廣泛的一種閉環(huán)電流控制方法。該方法根據(jù)給定補償信號與測得的諧波補償器輸出電流的誤差來控制諧波補償器的開關動作。當誤差超過上、下限(由滯環(huán)環(huán)寬決定)時開關立即動作，使實際電流始終保持在滯環(huán)帶內，圍繞其參考信號上下波動。原理圖如圖3.1所示。圖3.1 滯環(huán)比較控制方法如圖3.2是以一相電路為例，采用滯環(huán)比較控制方式的原理。將指令信號i*與實際補償信號ic的差值ic作為滯環(huán)比較器的輸入，用H表示滯

13、環(huán)比較器的環(huán)寬，當|ic|<H時，滯環(huán)比較器的輸出不變;而當|ic|>H時，滯環(huán)比較器的輸出將翻轉，則補償電流ic的方向隨之改變，使ic減小，保證了補償電流跟蹤指令電流的變化。圖3.2電流跟蹤示意圖該方法控制簡單，動態(tài)響應快，對負載的適應能力強，具有內在的限制能力。但系統(tǒng)的開關頻率、響應速度及電流的跟蹤精度會受到滯環(huán)環(huán)寬影響。帶寬固定時，開關頻率會隨著補償電流變化而變化，從而引起較大的開關噪聲。減小環(huán)寬可提高電流跟蹤性能，但功率器件開關頻率提高，引起損耗增加，反之則電流跟蹤性能變差。3.2 三角波比較方式三角波比較方式的原理如圖3.3所示，將指令信號ic與實際補償信號i*的差值ic

14、通過比例調節(jié)器作為調制波，三角波為載波，比較后得到工IGBT開通時間. 圖3.3三角波比較方式原理圖這種控制方式與滯環(huán)比較控制具有如下特點:(1)硬件較為復雜;(2)跟隨誤差較大;(3)含有與三角波載波相同頻率的諧波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的開關頻率固定，且等于三角波載(6)電流響應比瞬時值比較方式的慢。第四章 有源電力濾波器的主電路設計 4.1直流側電容量的選擇 為了保證有源電力濾波器正常工作，直流側電壓作為補償器的直流電源必須保持恒定。但有源電力濾波器在實際運行時，很難將主電路直流側電壓控制在一個恒定值，直流側電壓隨補償電流和補償器工作模式的改變而改變，在允許的給定范圍內波動。

15、直流側電壓的波動主要來自于APF補償電流中的諧波及無功電流造成的能量脈動、開關損耗以及交流側濾波電感儲能引起的能量脈動，其中尤其以諧波電流造成的能量脈動所引起的直流側電壓波動最為明顯。為了減小直流側電壓波動，直流側電容必須有一定的容量要求。當直流側電壓一定時，電容值越小，則直流側電壓波動越大，影響有源電力濾波器的補償效果;電容值越大，則直流側電壓波動越小，但是電容體積和造價都會增加。因此，需要綜合考慮兩方面因素，在直流側電壓波動滿足要求下進行電容值的選取。設直流側電壓Udc的最大允許波動電壓為Udcmax定義電壓波動率為: (4一1)則直流母線電壓最大值和最小值為: (4一2) (4一3)對于

16、非線性負載來說，其諧波和無功電流所產(chǎn)生的瞬時功率不為零，但一個周期的平均值為零。當有源電力濾波器對諧波和無功電流進行補償時，有源電力濾波器和負載之間有能量交換，需要直流側電容提供能量交換緩沖。如果忽略有源電力濾波器系統(tǒng)存在損耗，這一緩沖電容只是周期性地吸收和釋放能量，不需要電源提供能量。而當諧波和無功電流得到補償時，電源只向負載提供有功電流，即提供負載消耗的能量，而不再和負載交換能量。有源電力濾波器、電源及負載之間的能量交換如圖4.1所示:圖4.1有源濾波器、負載和電源之間的能量交換為了簡化分析，特作以下假設:(1)考慮能量平衡關系時，不考慮濾波電感中的儲能;(2)穩(wěn)態(tài)時，直流側電壓波動幅值與

17、直流側電壓值相比非常小;(3)APF自身損耗忽略不計。設有源電力濾波器交流側的瞬時功率為Pc(t): (4一4)上式中，uc(t)、ic(t)分別為有源電力濾波器交流側的三相電壓、電流瞬時值。直流側電容的瞬時功率為Pdc(t): (4一5)上式中，udc(t)、idc(t)分別為直流側電壓、電流瞬時值。忽略諧波補償器的開關損耗，則有 (4一6)將式帶入上式: (4一7)由上式兩邊積分得: (4一8)上式右邊的積分項就是有源電力濾波器的補償容量。假設有源電力濾波器的補償容量Sc，則由式可得: (4一9)因此,確定了裝置的補償容量和允許的直流側電壓波動之后，就可根據(jù)式(4一9)確定電容的容量。需要

18、注意的是，所計算出的電容量是在理想條件下得到的，實際選取電容的容量時必須留有一定裕度。4.2 直流側電壓的選擇用理想開關代替實際開關器件，忽略系統(tǒng)的阻抗，可得并聯(lián)型APF等值電路，如圖4.2所示。 圖4.2并聯(lián)型APF等值電路假定e為系統(tǒng)電壓，直流側電容電壓為Udc，其中電壓都以系統(tǒng)中性點o為參考點，則圖4.2中三相電路瞬時值方程為: (4-10)引入開關函數(shù)Sa、Sb、Sc，定義為: (4-11)相應APF交流側相電壓為: (4-12)不計零軸分量，則有: (4-13)由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得: (4-14)把(4-14)帶入式(4-12)，則APF交流側相電壓: (4

19、-15)將(4-15)代入(4-10)，忽略APF交流側電阻影響，得: (4-16)APF主電路開關器件的開通與關斷，是由采樣時刻的指令電流Ic*與實際補償電流ic作差得到的Ic。的極性決定的。以a相為例，當Ica>O時，即a相的實際補償電流小于指令電流時，主電路a相上橋臂導通，下橋臂關斷;反之，當Ica<0時，即a相實際補償電流大于指令電流時，主電路a相上橋臂關斷，下橋臂導通。這樣使實際補償電流與指令電流之間的誤差減小，達到補償電流跟蹤指令電流的目的。有源濾波器共有8種開關模式，任取其中一種非零開關模式進行分析。設Sabc =110，對應Ica>0、Icb>o和Icc

20、<O，此時需要增大a相和b相電流同時減小c相電流，對應開關狀態(tài)為a相和b相上橋臂導通、下橋臂關斷，c相上橋臂關斷、下橋臂導通。將Sabc=110代入(4-16)得: (4-17)為了控制電流變化，需要使Ica、Ice增大同時使Icc減小，此時應滿足: (4-18)由式(4-17)和(4-18)得: (4- 19)如果要跟蹤電流的變化，就要在一個開關周期中滿足式(4-19)中的限制條件，考慮到最嚴重情況有: (4-20)上式中，Em為交流側電源相電壓峰值，為了實現(xiàn)對電流變化的跟蹤，直流側電壓必須大于交流側電源相電壓的3倍，否則將出現(xiàn)補償電流不按控制要求變化的情況。對于其它的開關組合情況，也可得到相同結論。第五章 并聯(lián)電力有源濾波器的仿真一個