1、第21卷第2期2006年5月長沙電力學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.21May.No.2JOURNALOFCHANGSHAUNIVERSITYOFELECTRICPOWER(NATURALSCIENCE)2006基于MATLAB的串聯(lián)型有源電力濾波器建模與仿真陸秀令,(,421008)摘要:,并對其控制方法進(jìn)行研究.利用MATLAB仿真軟件建立串聯(lián)型,并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).仿真結(jié)果表明串聯(lián)型有源電力濾波器對電壓型諧波源具有良好的抑制作用.關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;MATLAB;建模;仿真中圖分類號:TM76;TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-7140(2006)02-0001-05Modeli

2、ngandSimulationofSeriesActivePowerFilterBasedonMATLABLUXiu2ling,CAOCai2kai,ZHZNGSong2hua(HunanInstituteofTechnology,Hengyang421008,China)Abstract:Theprincipleoftheseriesactivepowerfilterisanalyzedinthispaper,anditscontrolmethodisstudied.TheseriesactivepowerfilterisbuiltintomodelsandsimulatedbyMATALA

3、B,andthesimu2lationiscarriedout.Thesimulationresultsindicatethattheseriesactivepowerfilterhasgoodharmoniccompensationeffecttovoltagetypeharmonicsource.Keywords:activepowerfilter;MATLAB;modelingsimulation隨著各種各樣非線性負(fù)荷的廣泛使用,諧波污染日益嚴(yán)重,有效治理諧波污染對于電力系統(tǒng)和電收稿日期:2005-12-06力用戶都具有十分重要的意義.治理諧波目前較多采用無源濾波器,但無源濾波器存在濾波

4、效果不夠基金項(xiàng)目:湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(03JJY5005);湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(05C002)作者簡介:陸秀令(1969-),男,副教授,碩士,主要從事PLC、電力電子技術(shù)、電網(wǎng)諧波分析與抑制的研究.長沙電力學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年5月理想,只對某幾次諧波有濾波效果,而對其它次諧波很可能有放大作用,且濾波效果易受元件或系統(tǒng)參數(shù)及電網(wǎng)頻率等變化的影響.治理諧波最有效的措施是采用有源電力濾波器(ActivePowerFilter,簡稱APF),有源電力濾波器是一種動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,具有高度可控性和快速響應(yīng)性,它能對大小和頻率都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償,

5、可以克服傳統(tǒng)的無源濾波器的缺點(diǎn)有大電容濾波的整流電路)131.串圖2串聯(lián)型APF一相等效電路聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電壓型諧波源負(fù)載(即直流側(cè)含.本文主要介紹串聯(lián)由圖2及疊加定理得si+i(1)型有源電力濾波器的工作原理,并對其控制方法進(jìn)行研究,利用MATLAB軟件建立了仿真模型在simulink環(huán)境下,于是就有isf=u-uZs.(2)對諧波來講,APF則呈現(xiàn)高阻抗K,相當(dāng)于電網(wǎng)和負(fù)載之間的一個諧波隔離器.ush-uLhZs+K1方式串聯(lián)型APF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該系統(tǒng)主要由諧波檢測、PWM控制、驅(qū)動電路和主電路組成,其中前三部分構(gòu)成APF的控制電路,主電路是由IGBT構(gòu)成的三相橋式電壓型PW

6、M逆變器組成.進(jìn)ish=.(3)當(dāng)K時,ish0,從而使電網(wǎng)諧波電流等于零.圖2中uL=uLh+uLf.ui=uch+uLh+uLf.uch=-uLh.(4)(5)(6)(7)行諧波補(bǔ)償時,APF通過補(bǔ)償變壓器T被串聯(lián)在電源和逆變器之間,所以稱為串聯(lián)型APF.由式(5),(6)可得ui=uLf.即電網(wǎng)電壓的諧波電壓為零,達(dá)到了抑制諧波電壓的目的.根據(jù)上面的分析,串聯(lián)型有源電力濾波器輸出諧波電壓指令信號應(yīng)為uch=-uLh.3(8)式中uch為指令信號.該控制方式需要對負(fù)載諧波電壓進(jìn)行檢測.設(shè)圖1串聯(lián)型APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3三相電路各相電壓和電流瞬時值分別為ua,ub,uc和ia,ib,ic,根據(jù)瞬時

7、無功功率理論,從而得到兩相瞬時電壓u,u和兩相瞬時電流i,i.將它們變換到兩相正交的-坐標(biāo)上(3-2變換),即有uu.其中Zs是為了說明串聯(lián)型APF的基本工作原理,圖2給出了進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)囊幌嗟刃щ娐?,5電源的內(nèi)部等效阻抗;usf和ush分別代表電源基波電壓和電源諧波電壓;uLf和uLh分別代表負(fù)載基波電壓和負(fù)載諧波電壓;isf和ish分別代表電源基波電流和電源諧波電流.補(bǔ)償裝置工作時,APF相當(dāng)于一個與負(fù)載串聯(lián)且受諧波電壓控制的電壓源,它產(chǎn)生一個與諧波電壓大小相等、方向相反的電壓uch,從而抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓,使電網(wǎng)電壓接近正弦波,達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?=310-22-2uaubu=uaC3

8、2ub.(9)第21卷第2期陸秀令,等:基于MATLAB的串聯(lián)型有源電力濾波器建模與仿真uai=10-22a-2iaib=ImC32Cpqub.2u(17)如果電源電壓發(fā)生了畸變,設(shè)其表達(dá)式可用傅(10)C32ib.立葉級數(shù)展開為ua=式中310-h=1Uhmt-sin(hh),(18)/3)-sinh(t-h,C32=22-2ub=.uch=1Uhmh=1Uh=1/3)-t2h.令矢量u和u合成矢量u,矢量i和i矢量i,則有u=u+u,i(11)(18)(17),有=Im2Uhm±cos(h 1)t-hsin(h 1)t-h.(19)=p=iiu+iu.瞬時無功功率為=q=uisi

9、niu-iu.將式(12)和式(13)寫成矩陣形式=i-iiiuu.(14)(13)(12)式中對正序諧波分量取上符號,對負(fù)序諧波分量取下符號.顯然,式中的p,q既含有直流分量又含有交流分量,其直流分量分別為=cos1U1mIm.2-sin(20)式中分別對應(yīng)由ua,ub,uc中的基波電壓所產(chǎn)生的功率分量,很容易由低通濾波器獲得.對進(jìn)行反變換,就得到電壓中的基波分量uf,uf.從式(16)得=當(dāng)三相電壓、三相電流均為正弦波時,不難證明瞬時功率p,q和傳統(tǒng)的P,Q相等.設(shè)三相電流為t,ia=Imsint-2/3),ib=Imsin(t+2/3).ic=Imsin(代入式(10)和式(14),可得

10、=(15)sint-cosIm2costsintufImCpq.2uufu=(21)sintIm2cost-cosuusint=所以反變換即為uf(16)u=uImCpq.2u2Imsint-costcossin=式中Cpq=sint-coscostsint-1Cpq.2Im.(22)式中Cpq=-1由式(9)和式(16)得sint-cos=I×m2costsint10-1/2-1/2-uaubu=sint-costcossin03/2-.最后,再2-3變換,得uafubfu=13-1/2-1/2ufu=/23/3/Imufu長沙電力學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)2006年5月C23.(23

11、)得到補(bǔ)償用的指令信號.根據(jù)圖3所示的諧波檢測原理圖,使用MATLAB建立的瞬時無功功率理論設(shè)計的諧波檢測模型如圖4所示.式中1C23=0/2-.3-1/2-1/23/將式(20)和式(22)代入式(23)得uaf=U1msin(t-1),ubf=U1msin(t-120°-1),ucf=U1msin(t+120°-1).(24)圖4上式表明,uaf,ubf,ucf實(shí)際上是ua,ub,uc的基波電壓,通過它們可以得到諧波電壓uah=ua-uafubhbbf,ch=-.(25)C32,Cpq,Cpq,C23等子系統(tǒng),都是在具Simulink的Mask(封裝)功能,目的是將獨(dú)立

12、的算法環(huán)節(jié)封裝成一個單獨(dú)的子系統(tǒng),這樣可使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較清晰,減少占用屏幕的面積.ucah,ucbh和ucch為諧波檢測計算模塊產(chǎn)生的電壓指令信號.2.2PWM控制信號模型PWM控制信號的產(chǎn)生采用定時比較控制,把諧333-1,圖3所示.波檢測計算模塊產(chǎn)生的電壓指令信號ucah,ucbh和ucch,和串聯(lián)型APF實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓ucah,ucbh和ucch作定時比較,得到所期望的PWM信號.使用333MATLAB建立的仿真模型如圖5所示.圖3諧波電壓檢測電路圖中PLL為鎖相環(huán),它的作用是產(chǎn)生一個sin和tcost,與ua,ub,uc一起運(yùn)算出瞬時無功功率p,q.根據(jù)前面的推導(dǎo)可得,即使電源電壓

13、發(fā)生畸變,該方法也能準(zhǔn)確地計算出諧波電壓uah,ubh,uch.因?yàn)樗蝗int和cost參與計算,畸變電壓的諧波分量不參與計算,因此無論電源電壓是否畸變,均能有效準(zhǔn)確地檢測出諧波電壓.該方法電路簡單,但對硬件的精度要求高,要求鎖相環(huán)產(chǎn)生的sint和cost準(zhǔn)確.圖5PWM控制信號仿真模型2仿真模型本文的設(shè)計使用了MATLAB的Simpowersys2tems工具箱、DSP工具箱和Simulink仿真模塊,來建2.3逆變主電路仿真模型用MATLAB建立的串聯(lián)型APF逆變主電路模型如圖6所示.立串聯(lián)型有源電力濾波器各部分的仿真模型2.1諧波檢測電路模型6.3仿真實(shí)驗(yàn)將建立的各部分仿真模型組裝起

14、來,形成總體仿真模型,然后對總體模型進(jìn)行仿真.為了檢驗(yàn)串聯(lián)諧波檢測電路的作用就是根據(jù)輸入信號經(jīng)運(yùn)算第21卷第2期陸秀令,等:基于MATLAB的串聯(lián)型有源電力濾波器建模與仿真5圖9圖6串聯(lián)型APF逆變主電路模型型APF的濾波效果,構(gòu)造的諧波信號如圖7所示,其頻譜圖如圖8所示,經(jīng)過串聯(lián)型APF出電壓波形如圖9所示,.圖10濾波后的電壓頻譜圖4結(jié)論本文介紹了串聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),對其控制方法進(jìn)行了研究.在此基礎(chǔ)上利用圖7系統(tǒng)輸入電壓波形MATLAB建立了串聯(lián)型APF的仿真模型,并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)表明串聯(lián)型APF能對電壓型諧波源具有良好的諧波補(bǔ)償效果,為研制開發(fā)實(shí)用型的串聯(lián)型APF奠定了基礎(chǔ).參考文獻(xiàn):1王兆安,劉進(jìn)軍,楊君.諧波抑制和無功補(bǔ)償M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.2AkagiH.NewTrendsinActiveFilterforPowerConditioningJ.IEEETransonPowerElec,1996,32(6):131321322.3姚為正,王群,劉進(jìn)軍,等.基于瞬時無功功率理論的諧波電壓圖8輸入電壓的頻譜圖瞬時檢測方法J.西安交通大學(xué)學(xué)報,1998,12(12):8