基于MATLAB的電力系統(tǒng)有源濾波器設(shè)計(jì)

崔鳳新

(福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 電氣工程系，福建 福州，350002)

基于MATLAB的電力系統(tǒng)有源濾波器設(shè)計(jì)

崔鳳新

(福州大學(xué)至誠(chéng)學(xué)院 電氣工程系，福建 福州，350002)

本文針對(duì)于常見的三相整流電路產(chǎn)生的諧波，設(shè)計(jì)一個(gè)基于三相電路的瞬時(shí)無功功率理論的并聯(lián)型有源電力濾波器，檢測(cè)部分是利用ip-iq法檢測(cè)出諧波電流，通過電流指令計(jì)算機(jī)電路計(jì)算出需補(bǔ)償?shù)碾娏鳎贿\(yùn)用基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)作為控制方案，最后搭建MATLAB仿真模型，仿真結(jié)果表示，該方法可以有效檢測(cè)諧波并有良好的諧波抑制和無功補(bǔ)償效果。

有源濾波器；瞬時(shí)無功功率理論；SVPWM；MATLAB

為了滿足某些特定工業(yè)需求，各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中投入電力電子元件等非線性負(fù)載，數(shù)以億計(jì)的電力電子器件在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量的諧波，這些諧波疊加上基波電流引起負(fù)載電壓、電流波形的畸變。GB/T-14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同電壓等級(jí)允許注入的各次諧波值，電力系統(tǒng)的諧波治理問題已引起廣泛關(guān)注。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和諧波理論的完善，有源電力濾波器(Active Power Filters—APF)逐漸成為諧波抑制的熱點(diǎn)，與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有明顯的優(yōu)越性。它能對(duì)變化的各次諧波和無功電流同時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小，控制電路容易實(shí)施限流保護(hù)以提高系統(tǒng)的安全性，因而受到了極大的關(guān)注[1-3]。

1 有源濾波器工作原理

圖1 有源濾波器基本工作原理圖Fig.1 The principle circuit of APF

1.1 諧波檢測(cè)原理

本設(shè)計(jì)采用的諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)歸功于赤木泰文(Hirofumi Akagi)1983年提出的瞬時(shí)無功功率理論，也稱為pq理論。ip-iq檢測(cè)法如圖2所示。

圖2 ip-iq諧波檢測(cè)法原理圖Fig.2 The principle circuit of the ip-iq method

圖中：

(1-1)

(1-2)

2 電流跟蹤控制

空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)，是一種優(yōu)化的新型PWM技術(shù)，能夠顯著降低交流側(cè)電流的諧波成分，提高電壓利用率(比SPWM高15%)?；镜目刂扑枷肴缦拢?/p>

三相壓敏電阻器側(cè)輸入電壓空間矢量Urf：

(2-1)

UrfTs=U1T1+U2T2

(2-2)

空間矢量分解圖如圖3所示：

圖3 空間電壓矢量分解圖Fig.3 The exploded view of the space vector pulse width modulation

3 建立仿真模型

利用MATLAB仿真工具箱搭建了Simulink并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型。分為諧波源、諧波檢測(cè)、PWM控制和主電路四部分

3.1 諧波源模塊

諧波源模塊如圖4所示。

本設(shè)計(jì)的諧波源采用一種典型的諧波源——三相橋式全控整流器。為了以示區(qū)別，圖中step模塊在0.3s時(shí)將理想開關(guān)合上，再投入一個(gè)負(fù)載。系統(tǒng)電源為有效值Ua=220V，頻率50Hz，相位互差120°的三相正弦交流電。

圖4 諧波源模塊Fig.4 The simulation of harmonic sources

3.2 諧波檢測(cè)模塊

三相電流及sinωt通過C32和C1變換后得到ip和iq，ip和iq通過設(shè)置截止頻率為25Hz的低通濾波之后即可得到ip和iq的直流分量，ip和iq的直流分量再經(jīng)過反變換后將會(huì)得到三相電流的直流分量iaf、ibf、icf，利用原波形與之前得到這些直流分量做減法運(yùn)算，就可以得到我們需要的諧波分量iah、ibh、ich，由此，在MATLAB下搭建如圖5所示諧波電流檢測(cè)電路，將諧波從電流中提取出來[5,6]。

圖5 ip-iq檢測(cè)法仿真模塊Fig.5 The simulation of the harmonic current detection used ip-iq method

3.3 PWM控制模塊

控制模塊是本設(shè)計(jì)的核心部分，在此，本設(shè)計(jì)采用PWM控制策略(如圖6控制模塊)?；舅枷胧菍z測(cè)諧波的電流指令計(jì)算電路計(jì)算出來的指令去和等腰三角波做比較，大于等腰三角波的部分對(duì)應(yīng)的時(shí)間段輸出低電平，反之則輸出高電平，通過此方式生成PWM序列波之后去控制半導(dǎo)體器件的占空比，最終把直流電壓轉(zhuǎn)變成電壓脈沖，可以用來實(shí)現(xiàn)變頻、變壓及控制和濾除諧波為目的的技術(shù)[7-9]。

圖6 控制模塊Fig.6 The simulation of control module

圖7 PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊Fig.7 The simulation of PWM signal generation module

本文采用了空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生信號(hào)來控制IGBT,PWM信號(hào)產(chǎn)生模塊，如圖7所示。通過坐標(biāo)變換獲得兩相靜止坐標(biāo)系下的信號(hào)后，進(jìn)行扇區(qū)判斷和合成參考電壓矢量的三個(gè)基本矢量。然后進(jìn)行時(shí)間計(jì)算確定三個(gè)基本矢量的作用時(shí)間，即占空比。最后進(jìn)行時(shí)間狀態(tài)分配，確定各個(gè)基本矢量對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)及作用次序，將基本矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間分配給相應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)，完成對(duì)器件的控制。

3.4 主電路模塊

如圖8所示的是變流器模塊。

圖8 主電路模塊Fig.8 The simulation of main circuit module

變流器模塊受控于控制模塊，控制信號(hào)給到變流器的控制端，控制6個(gè)橋臂的電力電子器件的通斷生成補(bǔ)償電流。

3.5 有源電力濾波器仿真模型

根據(jù)以上各個(gè)模塊搭建了如圖9的總仿真模型。

圖9 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型Fig.9 The integrated simulation of APF

設(shè)置電源三相電相電壓幅值220V，頻率為工頻50Hz。諧波源為三相整流橋帶電阻性負(fù)載，其中電阻R=4Ω。逆變器直流側(cè)電容0.03F，交流側(cè)電感L=1mH。開關(guān)頻率50KHz。同時(shí)設(shè)置仿真算法ode45tb，運(yùn)行時(shí)間1s。

4 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

運(yùn)用第3節(jié)所建立的APF模型，對(duì)諧波源為中頻爐的電力系統(tǒng)進(jìn)行濾波以達(dá)到驗(yàn)證該建模的適用性情況，中頻爐產(chǎn)生諧波原始諧波數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 補(bǔ)償前各次諧波(I)含量

圖10 A相負(fù)載電流Fig.10 The load current waveform of A phase

由于負(fù)載的非線性，造成了負(fù)載電流的畸變，不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，由于系統(tǒng)各相電流大小相等，只是相位不同，所以以下分析也是以A相為主，圖10為A相負(fù)載電流波形圖， 對(duì)應(yīng)的諧波電流如圖11所示。由此，我們可以看出該仿真模型能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)出負(fù)載諧波電流。

圖11 A相檢測(cè)負(fù)載諧波電流Fig.11 The Harmonic current waveform of A phase

未補(bǔ)償前，對(duì)負(fù)載側(cè)電流(電流I的A相)進(jìn)行FFT分析，如圖12 所示，可知該中頻爐產(chǎn)生了5、7、11、13、17、23和25次諧波。

圖12 補(bǔ)償前負(fù)荷側(cè)A相電流波形Fig.12 The current waveform of A phase on the load side before compensation

圖13 未補(bǔ)償前負(fù)載側(cè)電流FFT分析Fig.13 The FFT for the current on the load side before compensation

投入APF后，再次觀察A相負(fù)載電流，并進(jìn)行FFT分析，如圖13、圖16所示?？梢钥闯龈鞔沃C波得到有效抑制，電流畸變率降低到5.5%，基本實(shí)現(xiàn)了諧波抑制。從圖14和圖15可知，投入APF補(bǔ)償后，電流波形得到明顯改善，基本趨近于正弦波，由于該濾波器也進(jìn)行無功補(bǔ)償，所以濾波后電流相位發(fā)生了變化。

圖14 補(bǔ)償后的電源側(cè)A相電流波形Fig.14 The current waveform of A phase on the power side after compensation

圖15 A相系統(tǒng)電流波與負(fù)載電流比較圖Fig.15 Comparison of current Isa and Ia

圖16 補(bǔ)償后電源側(cè)A相電流FFT分析結(jié)果Fig.16 The FFT for the current on the load side after compensatio

根據(jù)補(bǔ)償前后的電流頻譜圖分析，可以得出諧波電流參數(shù)情況和畸變率如下表2和表3所示。

表2 濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流(IFa)含量

表3 補(bǔ)償后各次諧波(Isa)含量

5 結(jié)論

通過對(duì)并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理的簡(jiǎn)要分析，運(yùn)用基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)作為控制方案，建立了基于MATLAB的仿真模型。結(jié)果表明，并聯(lián)型有源電力濾波器可以有效的抑制諧波和補(bǔ)償無功，使系統(tǒng)的電流波形始終保持正弦。

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Design of power filter based on MATLAB

CUI Fengxin

(Department of Electrical Engineering,Zhicheng College,Fuzhou University,Fuzhou 350002,China)

This paper focuses on the design of passive power filter and active power filter.A shunt active power filter based on the theory of instantaneous reactive power is designed，which is used to control the harmonics of three-phase rectifier circuit.Active Power Filter use theip-iqmethod to detect the harmonic currents，and the command calculation circuit calculates the current to be compensated.The control scheme of shunt active power filter is based on space vector pulse width modulation (SVPWM)technique.Finally，using matlab simulation toolbox simulink verifies the feasibility to the design.

Active Power Filter;instantaneous reactive power theory; SVPWM;MATLAB

1672-7010(2017)02-0032-06

2017-02-24

福建省教育廳科技項(xiàng)目(JAS151381)

崔鳳新(1978-)，女，山東菏澤人，講師，碩士，從事電氣工程及其自動(dòng)化研究

TM864

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