重Smar【Grid 第29卷第9期 2013年9月 文章编号:1674—3814(2013)09—0011-07 电网与清洁能源 Power System and Clean Energy Vo1.29 No.9 Sept.2013 中图分类号:TM743 文献标志码:A 并联型有源电力滤波器的Matlab仿真研究 侯冲 ,肖铁军1,范岩2,李萍2 (1.江苏大学计算机科学与通信工程学院,江苏镇江212013;2.潍坊学院,山东潍坊261000) Research on Shunt Active Power Filter with Matlab Simulation HOU Chong ,XIAO Tie-jun ,FAN Yan ,LI Ping (1.School of Computer Science and Communication Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China; 2.Weifang University,Weifang 261000,Shandong,China) ABSTRACT:Active power filter(APF)is used for dynamic harmonic suppressing and compensation reactive current,and 近些年来随着科学技术不断发展,现代电力系 统中用电负荷的结构发生了重大改变,例如变频器 调整装置以及晶闸管调压、半导体整流器和家用电 器等负荷的迅速发展,由于其非线性、冲击性以 及不平衡的用电特性,向电网中注入了大量的谐 it can effectively improve the power network quali ̄.The equipment is made up of two main sections:harmonic current detection and harmonic compensation.This paper presents a detailed analysis of the structure and operating principle of shunt active power iflter(SAPF).The paper uses two approaches: the 一ig harmonic current detection which is based on the instantaneous reactive power theory,and the tiangulrar carrier 波,致使电网污染13益严重。此外,现有的大部分负 载功率因数很低,这也给电网带来了额外的负担, 影响了供电质量。谐波已成为污染电力系统的严重 公害之一,电力系统谐波问题已经受到人们广泛的 关注【Il。 current tracking control method.And the model of the active power filter is established by using MATLAB software and Simulink module.The simulation results show that the simu— lation model can realize the real—time detection of harmonic current in the system and conduct compensation at the same time to achieve better dynamic harmonic suppressing result. KEY WoRDS:active power iltfer;instantaneous reactive power theory;tiangular rcarrier 本文利用Matlab/Simulink仿真软件,采用基于 瞬时无功功率的指令电流产生方法、三角载波电流 跟踪控制方法,对控制系统进行了动态仿真分析, 验证了检测算法及控制算法的可行性。 摘要:有源电力滤波器用于动态谐波抑制和无功补偿,可以 有效地改善电网质量,其主要由谐波电流检测和谐波补偿两 部分组成。详细分析了并联型有源电力滤波器的结构及工作 原理,采用基于瞬时无功功率理论的 一i。谐波电流检测方法 和三角载波电流跟踪控制方法,利用Matlab软件的Simulink模 块对有源滤波器进行了系统建模,并进行了仿真研究。仿真 结果表明,仿真模型能够实时检测系统中所含谐波电流,并 进行补偿,可以很好地起到动态抑制电网谐波的效果。 关键词:有源电力滤波器;瞬时无功功率理论;三角载波 1 并联型有源滤波器工作原理 有源电力滤波器是提高电能质量的最有效途 径。根据有源滤波器APF(Active Power Filter)和电 网连接方式不同,APF分为串联型有源电力滤波器 和并联型有源电力滤波器两大类。串联型有源电力 滤波器主要用于补偿可看作电压型的谐波源;并联 型有源电力滤波器在工业实际中应用最为广泛,主 要用于补偿可以看作电流源的谐波源,并联型有源 电力滤波器工作原理如图l所示[21。 基金项目:山东省省科技发展计划项目(2011YD04020)。 Project Supported by Shandong Province Science and Technology Development Program(201 1YD04020). 并联型有源电力滤波器的工作原理如下:首先 通过电流互感器检测到负载电流i¨并通过内部DSP 计算,提取出负载电流中的谐波电流i ,然后产生一 —■臣 Smart Grid 1 2 侯冲,等:并联型有源电力滤波器的Matlab仿真研究 (1) (2) (3) (4) 个和负载谐波电流大小相等,方向相反的指令电流 i:,再通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产 生补偿电流i 注入到电网中抵消谐波成分,使得电 源电流 只含基波 ,不含谐波,这样就达到了抑制 电源电流中谐波的目的。上述原理如下公式描述: 1.1 一‘理论的谐波电流的检测方法 /,-i。算法原理图如图2所示嘲。其中, (5) G 1≥2一季1 1sin((to t)-cos( to t _sin((6) (7) 图1并联型有源电力滤波器工作原理 Fig.1 Working principle of the shunt active power filter (8) 图2 一f 算法原理图 Fig.2‘一iq algorithm diagram 在三相三线制电路中,首先由锁相环(PLL)和 路即可。 正余弦发生电路得到与a相电网电压e 同相位的正 弦信号sin(tot)和对应的余弦信号一cos(tot);根据瞬 时无功功率理论算出有功电流 和无功电流 。,经过 低通滤波器(LPF)得到 、i。的直流分量 、一i。 q =1-2有源滤波器补偿电流的控制 补偿电流控制电路的作用是根据补偿电流的 指令电流和实际补偿电流间的相互关系,计算出控 制补偿电流发生电路中主电路中各个器件通断的c32I::1 (9) (10) PWM信号,控制应实时跟踪指令电流的变化。为了 保证补偿电流具有良好的实时l生,电流跟踪控制采 用三角载波电流跟踪控制方法 。 图3为三角载波电流跟踪控制方式的原理图。 这种方式与其他用三角波作为载波的PWM的控制 (11) 方式不同,它不直接将指令信号 :与三角波比较,而 是将 与i 的偏差△ 经放大器A后再与三角波比较。 放大器A往往采用比较放大器或比例积分放大器。 这样控制方式是基于把△ 偏差控制到最小为目的 来设计的。 然后通过坐标变换就可计算出电网电流i 、i 、i 的基波分量i小i i 。 (12) 最后用电网电流 、i 、i 减去基波分量i 、i ,即 可得到电网电流i 、i 、i 中的谐波分量i ibh、i 。 三角波 … 图3三角载波电流跟踪控制方式的原理圈 Fig.3 The SChematic diagram of triangular carrier 当检测谐波和无功电流之和时,断开计算 支 current tracking control i0国 —一 l Smar}Grid 第29卷第9期 电网与清洁能源 1 3 影响整体仿真结果的重要因素,子系统需要按照参 2 Matlab/Simulink仿真模型的搭建 数设计原则并且经过大量的仿真实验,最终得到最 理想的参数。 本实验的设计运用了Matlab仿真工具箱中的电 图4为并联型有源电力滤波器工作的仿真模 力系统仿真(Power Simulink)对上述原理进行了仿 型。其中包括电路负载Load模块、ip-i 理论的谐波电 真。仿真时采用了一个带容性负载的不可控整流桥 流检测模块、补偿CompensatiOil模块(电流跟踪控制 作为非线性负载【5j。仿真中各个模块参数的选取是 模块和PWM逆变器主电路模块)。 图4并联型有源电力滤波器工作的仿真模型 2.1谐波电流检测模块 冲信号。 根据上述 。一 理论的谐波电流检测方法,建立的 2。3 PWM逆变器主电路模块 Matlab/Simulink的谐波电流检测模块,本模块首先 PWM逆变器主电路模块如图9所示:主电路模 经过Clark及Park变换模块嘲得到有功和无功电流, 块主要包括6个IGBT组成的逆变器模块。逆变器模 再经过二阶巴特沃斯低通滤波器获得直流电流成 块在电流跟踪控制模块输出的特定PWM脉冲信号 分,最后经过C1ark反变换及Park反变换模块计算出 的控制下产生补偿电流,经调整后输入到电网来抵 三相基波电流。图5为C1ark及Park变换模块,图6为 消交流电网的谐波信号。 二阶巴特沃斯低通滤波器模块,图7为Clark反变换 及Park反变换模块。 3仿真结果分析 2.2 电流跟踪控制模块 电流跟踪控制模块的搭建(PWM触发脉冲的 本文采用基于瞬时无功功率理论的电流检测方 产生)如图8所示:指令电流与实际电流的差值进行 法,以及三角载波电流跟踪控制方式,对有源电力 比例放大处理后,通过PWM脉宽调制模块与三角 滤波器进行了仿真研究。设置系统线电压为380 V, 载波进行比较,产生逆变器主电路模块所需要的脉 直流侧电容为3.1 mF,系统阻抗为0.1 Q+0.1 mH,负 Smart Grid 1 4 侯冲,等:并联型有源电力滤波器的Matlab仿真研究 Vol-29 No.9 图5 Clark及Park变换模块 Fig.5 Clark and Park transformation module c(2,l、 图6二阶巴特沃斯低通滤波器模块 Fig.6 Second—order Butterworth low-pass filter module 图7 Clark反变换及Park反变换模块 Fig.7 Clark inverse transformation and Park inverse transformation module Smart GriO 第29卷第9期 电网与清洁能源 1 5 载为带容性负载的不可控整流桥,开关管为IGBT, 开关频率为10 kHz。 仿真结果如图所示:图1O为A相负载电流、基波 电流和谐波电流,图1 1为A相负载电流傅里叶分析, 图8电流跟踪控制模块 Fig.8 Current tracking control module 图9 PWM逆变器主电路模块 Fig.9 PWM inverter main circuit module 图lO A相负载电流、基波电流和谐波电流 Fig.10 Phase A load current,fundamental current and harmonic current 1 6 侯冲,等:并联型有源电力滤波器的Matlab仿真研究 Signal to analyze Display selected signal 5O V01.29 No.9 o Display FFT window 《,]糕粤爨掣 0 \媛 翌 <\.50 V/媛_申糕 FFT aalaly 0 0 O2 糌 留燃磐 0 04 0 O6 O O8 O10 t/s O12 014 O16 O18 0.20 Fund I.I ll I 谐波次数 (b)负载电流傅里n1分析 图lI A*R负载电流及其傅里叶分析 Fig.1 l Phase A load current and jts fourier analysis 图l2为AP 偿后电源电流、谐波电流和补偿电流,图 1 3为A4f[1基波电流傅里叶分析。通过SimPowerSystems 理想的基波电流,负载电流和基波电流相减便可得 到谐波电流值,负载电流的主要谐波是5、7、lI、 13、17、19次谐波。综上所述,本文设计的并联型有 源电力滤波器,能够对电网谐波的治理起到很好的 作用。 工具箱的powergui,可以得出负载电流的畸变量为 31.04%,而补偿后的基波电流的畸变量为0.51%。 由傅里叶分析可以看出,电流检测模块可以得到很 圈12 APF补偿后电源电流、谐波电流和补偿电流 Fig.12 APF compensated supply current.harmonic current and compensation current 及工作原理。利用Matlab/Simulink进行了仿真模块的 4 结论 本文通过介绍并联型有源电力滤波器的结构 搭建及仿真实验。实验结果表明本文搭建的并联型 有源电力滤波器仿真模型具有良好的滤波效果。 此外也取得了不少的数据和经验,为后续的产品研 第29卷第9期 Signal to analyze Display selected signal 5O 电网与清洁能源 (->Display FFT window 1 7 Selected signal:10 cycles FFT WINDOW(in red:5 cycles) ≤ 蟋 0 .5O O 0 O2 0 04 0 06 0 08 0 1O t/s O l6 0 18 O 2O fa)基波电流波形 Fund anental(5o Hz)=56 6,THD-0 5 I% 斟 宦 鎏 .-_l llh.....1… I (b)基波电流傅里叶分析 I . . 图13 A相基波电流及其傅里叶分析 Fig.13 Phase A fundamental current and its fourier analysis 制及试验工作提供了参考和依据。 参考文献 【1]林建钦,杜永宏.电力系统谐波危害及防止对策【JJ_电网 与清洁能源,2009,25(2):28—31. 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GAO Hai—zhou,YE Tian-feng,MA Xue-jun.Active power iflter harmonic current detection and simulation[J].Machine Tool Electirc Appliance,2012,39(4):7—9(in Chinese). 收稿日期:2013-06—27。 作者简介: 侯技术; 冲(1987一),男,硕士研究生,主要研究领域为计算机 肖铁军(1963一),男,教授,硕士研究生导师,主要研究领域 为嵌入式计算与系统; 范岩(1969一),男,副教授,硕士研究生导师,主要研究领 域为自动控制; 『41 向碧英,冯建玉.基于MATI AB的并联型有源滤波器_= 角载波电流控制的仿真lJJ_科技信息,2012(14):383— 384. 李集成。 萍(1984一),女,硕士研究生,主要研究领域为计算机 XIANG Bi—ying.FENG Jian—yu.Based on MATLAB shunt active filter triangular carrier current control simulation[J]. (编辑冯露)