有源電力濾波器的電流檢測(cè)與控制方法的研究

1、study of currentdetection and control methods of active power filter顧春寧（ 南京郵電大學(xué)，南京市210000）李剛 （ 南京亞派科技實(shí)業(yè)有限公司，南京市210005）gu chunning（ nanjing university of posts and telecommunications, nanjing 210000，china）li gang （ nanjing apex science & technology co., ltd, nanjing 210005，china）有源電力濾波器的電流檢測(cè)與控制方法

2、的研究摘要介 紹 有 源 電 力濾 波 器 的 工 作 原理 ，用pscad/ emtdc仿真軟件對(duì)有源電力濾波器電流的檢測(cè)方法和控制方法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，有源電力濾波器采用本文所述電流檢測(cè)方法和補(bǔ)償電流產(chǎn)生的控制方法具有很好的諧波補(bǔ)償效果。關(guān) 鍵 詞有 源 電 力 濾 波 器諧 波檢 測(cè)控 制仿真1引言近年來(lái) ，有源電力濾波器（ apf）作為濾除電網(wǎng)諧波的新型電力電子裝置得到了快速的發(fā)展。諧波電流的檢測(cè)和補(bǔ)償電流產(chǎn)生的pwm （脈寬調(diào)制）控制策略決定了有源電力濾波器的整體性能。諧波信號(hào)檢測(cè)方法主要有提取基波分量法，此方法用于補(bǔ)償要求不高的場(chǎng)合 ；基于傅立葉級(jí)數(shù)分析的頻率分析法，此方法

3、計(jì)算量大；瞬時(shí)無(wú)功功率理論法1，此方法是應(yīng)用最廣泛的一種諧波檢測(cè)方法，它能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出補(bǔ)償電流 ， 同時(shí)不受電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載的影響，但是系統(tǒng)成本高 ， 損耗大 。本文論述的有源電力濾波器的諧波電流檢測(cè)方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以達(dá)到諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。補(bǔ)償電流產(chǎn)生的pwm 控制方法2主要有滯環(huán)電流控制方法和空間電壓矢量控制方法。滯環(huán)控制響應(yīng)速度快 ， 硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不受負(fù)載參數(shù)的影響；本文采用基于線電壓的空間電壓矢量的 pwm 控制方法 ，abstractthe operating principle of active powerfilter is presented，and the

4、 current detection and controlmethodsofactivepowerfilterbyusingsimulationsoftware pscad / emtdc are simulated. it is shown bythe simulated results that a good harmonic compensationeffect can be achieved by current detection method andcompensation currentcontrol method described in thisarticle for ac

5、tive power filter.keywordsactivepowerfilterharmonicdetectioncontrolsimulation6結(jié)語(yǔ)隨著房地產(chǎn)業(yè)、 建筑業(yè)的發(fā)展，新建小區(qū)和舊城改造 ， 以及居民們對(duì)用電質(zhì)量需求的提高，每家每戶的電表箱或住宅配電箱內(nèi)都有安裝帶選擇性保護(hù)的小型斷路器的需求 。法泰公司的ftb1 可以很好地解決越級(jí)跳閘的問題， 必將為我國(guó)快速發(fā)展的電工行業(yè)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。2009 - 09 - 10 來(lái)稿2009 - 11 - 20修回產(chǎn)品技術(shù)有源 電 力濾 波 器的 電流 檢 測(cè)與控 制方 法 的研究（顧 春 寧李 剛）5353buildingelec

6、tricity2010年 第1期jan.2010vol. 29no. 1圖1并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖fig. 1the schematic diagramof parallel connectionactive power filer該方法的優(yōu)點(diǎn)是直流電壓利用率高，開關(guān)損耗小，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)由于實(shí)際應(yīng)用中相電壓不易 于 測(cè)量，該方法對(duì)線電壓進(jìn)行檢測(cè)和控制，因此實(shí)際應(yīng)用中更容易操作 。pscad / emtdc3是適用于電力系統(tǒng)暫、穩(wěn)態(tài)電磁 機(jī) 電 過 程 的 仿 真 工 具 。pscad是 其 可 視 化 界 面 ，emtdc 是基于 fortran 語(yǔ)言的圖形仿真工具。該仿真

7、工具廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、facts 控制器的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算。本文將采用pscad / emtdc 電力系統(tǒng)仿真軟件來(lái)建立并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型，然后對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析 。2并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理圖 1 所示為有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，es表示交流電源 ，負(fù)載為諧波源 。有源電力濾波器系統(tǒng)4由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（ 由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分組成）。 其中 ， 指令電流運(yùn)算電路的作用是檢測(cè)出補(bǔ)償電流對(duì)象中的諧波和無(wú)功等電流分量，補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令運(yùn)算電路得到的補(bǔ)償電流的指

8、令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。有源電力濾波器的基 本 原 理 是 ： 檢測(cè) 補(bǔ) 償 對(duì) 象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào) ，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流， 補(bǔ)償負(fù)載中的諧波及無(wú)功電流， 最 終得到期望的電源電流。3指令電流運(yùn)算電路的仿真模型有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)包括補(bǔ)償電流的檢測(cè)和補(bǔ)償電流的產(chǎn)生兩部分，它們決定著有源電力濾波器的整體性能。我們知道 ，完全補(bǔ)償諧波電流和無(wú)功電流，就要使得電網(wǎng)側(cè)的電流信號(hào)完全為正弦信號(hào)，并且保持電壓信號(hào)和電流信號(hào)的同相位。即：分別檢測(cè)出電網(wǎng)三相電壓的相位信號(hào)a、b、c，然后根據(jù)電網(wǎng)側(cè)有功功率和電壓 、電流之間的運(yùn)算關(guān)系得到

9、電流信號(hào)的有效值i，最后根據(jù)式（ 1）得到基波電流信號(hào)：i =2姨i sin（ 1）但是 ，此種檢測(cè)電流 信 號(hào)方 法 的 前 提 必 須是 電網(wǎng)電壓波形沒有畸變的情況下才可以使用。圖2為指令電流運(yùn)算電路的原理圖，其中ea、eb、ec為電網(wǎng) 側(cè)的電壓信號(hào)，a、b、 c為 電 網(wǎng) 側(cè) 電 壓信號(hào)的相位值，p為電網(wǎng)側(cè)的有功功率，e _ a 、e_ b、e _ c為電網(wǎng)電壓信號(hào)的有效值，ia、ib、ic為檢測(cè)到的補(bǔ)償電流信號(hào)。 圖中符號(hào)n / d 表 示除運(yùn)算，sin表示求正弦函數(shù)，sqrt （ 2）表示開根號(hào) 。4補(bǔ)償電流發(fā)生電路的仿真模型補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部

10、分組成。電流跟蹤控制電路的作用是根據(jù)檢測(cè)到的補(bǔ)償電流的參考信號(hào)i*c與電流跟蹤控制電路實(shí)際產(chǎn)生的電流信號(hào) ic之間的關(guān)系 ，發(fā)出控制電力電子器件導(dǎo)通和關(guān)斷的邏輯信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路將由電流跟蹤控制電路產(chǎn)生的邏輯信號(hào)變換為主電路中電力電子開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，有信號(hào)轉(zhuǎn)換和放大的作用。主電路的作用是根據(jù)驅(qū) 動(dòng)電 路 發(fā) 生 的 驅(qū) 動(dòng)信 號(hào)來(lái) 產(chǎn) 生 跟 蹤 補(bǔ) 償電流參 考信號(hào)i*c的實(shí)際補(bǔ)償電 流信號(hào)ic。主電路采用電壓型pwm逆變器結(jié)構(gòu) ，見圖3。圖2指令電流運(yùn)算電路的原理fig.2schematicdiagramof instruction current arithme

11、tic circuit5454*ab= e*ab+ ri*ab+ ldi*abdtu*bc= e*bc+ ri*bc+ ld i*bcdtu*ca= e*bc+ ri*ca+ ldi*cadt（ 2）圖中電力電子開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)一共有8 個(gè) ，并假設(shè)各相橋臂的開關(guān)函數(shù)：k =1上橋臂導(dǎo)通下橋臂關(guān)斷0下橋臂導(dǎo)通上橋臂關(guān)斷（ 3）則 電 壓 空 間 矢 量 可 以 表 示 為000、 001、 010、011、100、101、110、111 這 8 種基本工作狀態(tài)?？臻g電壓矢量ux的分布如圖4所示 。 空間電壓矢量的基本思想就是在每一個(gè)區(qū)間里，選擇相鄰的兩個(gè)電壓矢 量 和 零矢量來(lái)合成每個(gè)扇區(qū)內(nèi)

12、的 任 何 電壓矢量5。根據(jù)上 面 的 分析 可 以 得到 逆 變 器的 輸 出 電壓為 :u*ab= （ ka- kb）udcu*bc= （ kb- kc）udcu*ca= （ kc- ka）udc（ 4）其中 ka、kb、kc為開關(guān)函數(shù)，udc為直流側(cè)電壓幅值 。那么 ，當(dāng)有源電力濾波器并聯(lián)接入電網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)，理論上可以直接通過di*dt求得參考電壓u*，但是由于實(shí)際中檢測(cè)di*dt會(huì)很困難 ， 而且會(huì)造成很大的誤差 ，因此采用把式（ 2）離散化的方法來(lái)得到輸出參考電壓 。那么 ，將式（ 2）離 散 化 ， 然 后 測(cè) 量 電 網(wǎng)側(cè) 的 三 相線電壓 e*ab、e*bc、e*ca，就可以得到逆

13、變器應(yīng)該輸出的三相線電壓u*ab、u*bc、u*ca。根據(jù)得到的參考輸出電壓u*ab、u*bc、u*ca之間的關(guān)系 ，由下表可以得到參考矢量u*處于圖4中的哪一個(gè)區(qū)域 。假定參考矢量在區(qū)間i，用空間矢量u4和 u6來(lái)合成參考矢量，即：u*ts= u4t4+ u6t6+ u0t0（ 5）式中t0、t4、t6為矢量u0、 u4、 u6在控制周期ts內(nèi)的作用時(shí)間。在任意時(shí)刻， 逆變器輸出的電壓矢量只有一個(gè)，輸出矢量的順序如下：u0 u4 u6 u4 u0該矢量合成的方法將零矢量u0均勻地分布在參考矢量的起點(diǎn)和終點(diǎn)，在每個(gè)控制周期里，由 2 個(gè)有效空間矢量來(lái)跟蹤參考電壓的輸出值。同時(shí) ，在一個(gè)開關(guān)周期

14、里 ，開關(guān)動(dòng)作是4 次，波形也對(duì)稱，所以開關(guān)損耗比較小，pwm 諧波分量也比較低，是一種比較理想的矢量合成的方法。由圖 3 可以知道，在 t4時(shí)段，直流電源接在逆變器的 a 相和 b 相，在 t6時(shí)段 ，直流電源接在逆變器產(chǎn)品技術(shù)有源 電 力濾 波 器的 電流 檢 測(cè)與控 制方 法 的研究（顧 春 寧李 剛）圖3pwm逆變器結(jié)構(gòu)圖fig. 3the structure diagram of pwm inverter圖4ux的空間分布fig. 4the spacedistribution of ux根據(jù)u*ab、u*bc、u*ca的關(guān)系確定u*的位置tab.u*location determin

15、ation basedon relationshipamongu*ab, u*bcand u*cau*ab、u*bc、u*ca的關(guān)系u*的位置u*ab 0，u*bc 0u*ab 0，u*ca 0u*bc 0，u*ca 0u*bc 0，u*ab 0u*ca 0，u*ab 0u*ca 0，u*bc 05555buildingelectricity2010年 第1期jan.2010vol. 29no. 1的b相和c相，則可以得到6：uabts= t4udcubcts= t6udc（ 6）從式（ 6）可以看出逆變器輸出的線電壓的最大值為 udc，逆變器輸出的相電壓的最大值udc/3姨，已經(jīng)最大限度地利

16、用了直流電壓。那么由式（ 5）和 （ 6）可以得到 t0、t4、t6，再根據(jù)矢量作用的順序， 就可以得到開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖信號(hào) 。 綜上所述 ， 該方法具有開關(guān)損耗小，pwm諧波分量小 ，直流電壓利用率高的優(yōu)點(diǎn)。5仿真結(jié)果圖 5 為 在 pscad / emtdc 仿 真 環(huán) 境 下 的 有源 電 力 濾 波 器 系 統(tǒng) 的 總 構(gòu) 成 圖 ，電 網(wǎng) 側(cè) 相 電 壓 為220 v /50hz，逆變器輸出側(cè)電感為1. 5 mh， 直流側(cè)電容為 3 133. 3 f， 負(fù) 載 為 二 極 管 整 流 器 ， 開 關(guān) 管為 igbt ， 開 關(guān) 頻 率 為 10 khz ，ta、tb、 tc為 計(jì)

17、算得到的開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。 圖 6、 圖 7 分 別 為 補(bǔ) 償前后的a 相電流仿真。從仿真的結(jié)果可以 看 出 ， 本文 所 論 述 的 有 源電力濾波器的電流的檢測(cè)和控制方法能較好地完成有源電力濾波器電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。 有源 電 力 濾波器可以有效地濾除電網(wǎng)中的諧波， 凈 化 電 網(wǎng) ， 是一種很好的電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償裝置 。1王兆安 ， 李民等.三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論的研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1992（3）：55- 59.2吳 非 ， 張 延 遲等.電 力 有源 濾 波 器 的 技 術(shù) 現(xiàn)狀.華東電力 ，2006，34（7）：71 74.3林 良 真 ， 葉 林.電 磁 暫 態(tài) 分 析 軟 件 包pscad/emtdc .電網(wǎng)技術(shù) ，2002，24（1）：65，66.4王兆安等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：245，246.5姜俊峰 ， 劉會(huì)金.空間矢量控制在有源濾波器中的應(yīng)用.繼電器 ，2004，32（5）：27