霍新亚—校庆论文

1、2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会基于空间矢量滞环控制策略的并联型有源滤波器仿真研究霍新亚 1，赵剑锋 1,2（1.东南大学软件学院，苏州，215123；2.东南大学电气学院，南京，210096）摘 要： 简单介绍了并联型有源电力滤波器的基本工作原理，以及基于瞬时无功功率 ip-iq 谐波检测方法，给出了空间矢量滞环控制策略的控制原理。对采用空间矢量滞环控制策略的并联型有源电力滤波器在 MATLAB 环境中进行了建模仿真，并对仿真结果进行了简要的分析。仿真结果表明采用该方法的有源电力滤波器具有动态响应快、补偿精度高、开关动作次数少、直流电压利用率高等特点。关键词：谐波；并联型有源电力滤波器；空间矢量滞环控制策略；MATLAB 仿真Simulation Research of Shunt Active Power Filter Based on Space Vector Hysteresis Control StrategyHuo Xinya1,Zhao Jianfeng1,2( 1.School of Software Engineering,

2、 Southeast University, 215123 ; 2. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096)Abstract: The paper simply instructs the system structure and the principle of the active power filter, and the harmonic current based on the instantaneous reactive power ip-iq method. It presents the control principle of space vector hysteresis control strategy. The shunt active power filter under space vector hysteresis control strategy is built into models and simulated by the MATLAB, th

3、en the analysis the emulation results. Simulation results show that the active power filter under this method has quick dynamic response, high compensation accuracy, fewer switching operations, and high utilization of DC voltage.Key words: Harmonic; Shunt Active Power Filter; Space Vector Hysteresis Control Strategy; MATLAB Simulation近年来，随着电力电子技术的发展，使得各种电力电子装置和非线性负载被普遍使用。由于它们的非线性和多样性特点，虽然能高效利用电能，但同时也产生了大量的谐波电流。这些谐波电流注入到电网，使得公用电网的谐波污染日益严重。谐波不仅影响着电力设备的安全稳定运行，甚至威胁着电网的稳定、经济运行。电力谐波的治理已经成为一个广泛关注的课题。有源

4、电力滤波器 (Active Power Filter 缩写为 APF)是一种新型的谐波和无功综合补偿装置，具有响应速度快、能够动态补偿电网中的各次谐波，有选择地补偿无功、不平衡分量等优点。近年来在电力系统中的应用越来越广泛，较无源滤波器有更好的适应能力,并可通过改变其控制策略，达到治理不同谐波源的要求。1 并联型有源滤波器有源滤波器有很多种分类方式，根据 APF 接入电网的方式的不同，可分为并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器和混合型。它们分别适应不同的补偿对象，具体如图 1.1 所示。有源电力滤波器并联型 串联型单独使用方式 单独使用方式与 L C 滤波器混合使用方式与 L C 滤波器并联与 L C 滤波器串联注入式电路方式L C 并联谐振L C 串联谐振与 L C 滤波器混合使用方式串并联混合型图 1.1 有源电力滤波器的系统构成分类2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网，主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补偿。串联型有源电力滤波器通过变压器耦合与负载串联接入电网，主要是消除电压型谐波以及系

5、统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。由于目前电流型谐波源在电网中的比例占大部分，实际应用的装置也多为并联型 APF1。在本文中主要对并联型 APF 进行研究。1.1 并联型 APF 的工作原理并联型有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路的主要功能是在要被补偿的电路中检测出谐波和无功电流。补偿电流发生电路又是由电流跟踪控制电路、隔离驱动电路和逆变主电路组成 2。并联型 APF 系统构成框图如图 1.2 所示，其中研究对象来源为电网电流 is，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率，所以产生的负载电流iL 是带有谐波的电流。补偿电流产生电路的功能就是根据上述电流得出补偿电流的指令信号 ic*，进而生成实际的要补偿的信号 ic。CLA C主电路驱动电路指令运算电路电流跟踪控制电路负载isiciLic*A P FR图 1.2 并联有源电力滤波器系统构成框图APF 的工作原理：第一步检测补偿对象中含有谐波的电流；第二步经指令电流运算电路的计算，由计算得出补偿电流的指令信号 ic*；第三步指令信号 ic*经过跟踪控制电路的放大和控制处理

6、得到补偿电流 ic；第四步 ic 同负载电流 iL 中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终使电网电流成为标准的正弦波电源电流。因此 APF 就抑制了谐波、补偿了无功功率。整个工作原理过程可由数学公式(1.1)描述如下：APF 检测出补偿对象中的负载电流 iL 的谐波分量 iLh，将其反相后作为补偿电流的指令信号 ic* ，再由补偿电流产生电路生成的补偿电流 ic 即与负载电流中的谐波分量 iLh 大小相等、方向相反，也就是补偿电流发生电路产生的补偿电流 ic 与电网中实际的谐波信号 iLh 相减，从而使电网电流 is 中只含基波电流分量，不含谐波电流分量。这样就达到去除谐波电流的目的，很好的抑制电网电流中谐波 1。(1.1)sLcfhcsLcfiiii式中：i Lf 为负载电流的基波分量1.2 并联型 APF 的主电路有源电力滤波器的主电路由 PWM 变流器组成。根据主电路直流侧储能元件类型的不同，APF 可以使用电压逆变器（如图 1.3 单相电压型 PWM 变流器、图 1.5 三相电压型 PWM 变流器）和电流逆变器（如图 1.4 单相电流型 PWM 变流器、图 1.6三相电流型 PW

7、M 变流器）两种主电路形式 1。电压型 APF 直流侧接有大电容，为保持直流侧电压基本不变，需要对直流侧电压进行控制，交流侧输出电压为 PWM 波；电流型 APF 直流侧接有大电感，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制，交流侧输出电流为 PWM 波形。电流型逆变器直流侧大电感上始终有电流通过，电感内阻的损耗较大。因此电流型逆变器只在一些特殊的场合应用（如用在有超导线圈做储能设备的综合补偿滤波装置中） ，实际中应用较多的是电压型逆变器。esUc+-ic图 1.3 单相电压型 PWM 变流器2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会esicid c图 1.4 单相电流型 PWM 变流器ic aic bic cabcUc+-V4V6V5V1V2V3图 1.5 三相电压型 PWM 变流器ic aic bic cabcid cV4V6V5V1V2V3图 1.6 三相电流型 PWM 变流器2 谐波检测方法准确、实时地检测出电网中瞬态变化的电压或电流信号是有源滤波器进行精确补偿的核心。目前，补偿电流的检测方法主要有基于频率运算的方法、基于瞬时无功功率理论、

8、基于现代控制理论的检测方法、自适应检测圆法、基于神经网络控制法等。1基于瞬时无功功率理论的谐波和无功检测方法是目前最常用和最重要的方法。主要包括 p-q 法和 ip-iq 法。相比 p-q 法，i p-iq 法在运算过程中电压信号未直接参与运算，参与运算的只是与电压同相位的正弦、余弦信号，所以不仅适用于电源电压畸变的电网，也适用于不对称三相电网 3。aeL P FL P Fiipiqi+-+-bicis i n c o sP L L CCaiqifaiib fa hiic fc hib hi1fi fi图 2.1 ip-iq 谐波检测法原理图ip-iq 谐波检测法的原理如图 2.1 所示。图中sincosittC（2.1）ip-iq 法需要用到与 a 相电网电压 ea 同相位的正弦信号 sint 和对应余弦信号-cos t,它们由一个锁相环（PPL）和一个正、余弦信号发生电路得到。计算三相电流中的谐波分量步骤如下：（1）三相电流经过坐标变换得到瞬时有功电流 ip、瞬时无功电流 iq：32apbqciCii（2.2）式中： 。321230C（2）经过 LPF 低通滤波器得出电流 ip、

9、iq的直流分量，并经过坐标变换得到基波电流分量：(2.3)123af pbqcfiiCi式中：C -1是 C 的反变换矩阵，C 23=C32T。（3）用三相负载电流与三相基波电流相减，得到谐波电流 iah、 ibh、 ich。2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会当 APF 同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功。在这种情况下，我们只需断开图 1.2 中的 iq 通道。这样，由 ip 即可计算出被检测电流 ia、 ib、 ic 的基波有功分量 iabf、 ibpf、 icpf 为：(2.4)1320apf pbcfiiC将 iabf、 ibpf、 icpf 与 ia、 ib、 ic 相减，即可得到ia、 ib、 ic 的谐波分量和基波无功分量之和 iad 、 ibd 、 icd 。3 并联型 APF 的电流跟踪控制方法3.1 滞环比较控制图 3.1 为滞环电流控制是一种瞬时值反馈控制模式，其基本思想是将电流指令信号 ic*与检测到的变流器实际输入电流信号 ic 相比较，两者的偏差i c 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的 PWM 信号，该 PWM 信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流 ic 的变化。若实际电流 ic 大于指令信号 ic*，则通过改变变流器的开关状态使之减小，反之增大。这样，实际电流围绕指令电流波形做锯齿状变化，并将偏差控制在一定范围 2,4。这种控制方法的特点是实时控制，电流响应很快；不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波；若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力电子器件的开关频率是变化的，并且由于电力电子器件开关频率的限制，需要对滞环比较器的输出频率加上限幅，限幅后控制变得复杂，而且滞环比较器容易形成振荡 4。P W M 信号ci+-滞环比较器图 3.1 滞环比较方式原理图3.2 空间矢量控制 空间矢量 PWM(SVPWM)控制策略是依据变流器空间电压矢量切换来控制变流器的一种思路新颖的控制策略。空

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