三相有源電力濾波器的matlab仿真電路

1、能力拓展訓(xùn)練任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣 指導(dǎo)教師： 胡紅明 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 三相有源電力濾波器的仿真電路 初始條件：VS1-VS3為標(biāo)準(zhǔn)三相正旋電壓源，相電壓有效值為220V。要求完成的主要任務(wù): （1）設(shè)計(jì)出主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)原理圖；（2）采用MATLAB搭建系統(tǒng)仿真電路，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析：a補(bǔ)償后輸入電壓與輸入電流波形 b非線性負(fù)載輸入電壓與輸入電流波形c三相APF輸入電壓與輸入電流波形 時(shí)間安排：2012年7月9日至2012年7月13日，歷時(shí)一周，具體進(jìn)度安排見(jiàn)下表具體時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容7.9指導(dǎo)老師就課程設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)要求、進(jìn)度安排、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等做具體介紹；學(xué)

2、生確定選題，明確設(shè)計(jì)要求7.10開(kāi)始查閱資料，完成方案的初步設(shè)計(jì)7.11由指導(dǎo)老師審核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，學(xué)生修改、完善7.12撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7.13上交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，并進(jìn)行答辯參考文獻(xiàn)：1洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄摘要11 有源濾波器介紹21.1有源濾波器基本原理21.2有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)21.3有源電力濾波器的分類(lèi)31.4有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù)42有源電力濾波器的控制策略42.1滯環(huán)比較控制42.2三角波比較方式53有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì)63.1直流側(cè)電容量的選擇63.2直流側(cè)電壓的選擇84 MATLAB

3、仿真114.1仿真模型圖114.2仿真結(jié)果圖12參考資料14摘要有源電力濾波器是當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段, 文中對(duì)有源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論研究和分析。MATLAB/SIMULINK提供的SimPower工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個(gè)方面。該文利用SimPower工具箱對(duì)有源電力濾波器裝置進(jìn)行了建模和仿真，使用該方法能夠?qū)⒂性措娏V波器的工作過(guò)程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來(lái),驗(yàn)證了理論分析的正確性。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器 諧波 仿真三相有源電力濾波器的仿真電路 1 有源濾波器介紹1.1 有源濾波器基本原理有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電

4、力電子裝置,它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服IC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成的構(gòu)成原理圖如下：圖1-1有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖圖中負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統(tǒng)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)部分構(gòu)成)。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，因此有時(shí)也稱(chēng)之為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。1.2 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)有源濾波器(Active Po

5、wer Filter，APF)的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中分離出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，即不存在諧振的問(wèn)題。具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)具有一機(jī)多能的特點(diǎn)。不僅能夠補(bǔ)償各次諧波，無(wú)功功率和負(fù)序電流等。(2)具有自適應(yīng)功能，能對(duì)頻率和幅值發(fā)生快速變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。(3)由于裝置本身能完成輸出限制，所以不會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償電流過(guò)大而過(guò)載。(4)諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。(5)可對(duì)多個(gè)諧波源和無(wú)功源進(jìn)行集中補(bǔ)償。1.3 有源電力濾波器的分類(lèi)從不同的觀點(diǎn)看

6、，有源電力濾波器具有不同的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，如圖1-2所示，分別介紹如下：(1)根據(jù)主電路的儲(chǔ)能元件不同，可以分為電壓型有源電力濾波器和電流型有源電力濾波器兩種。電壓型APF的主電路直流側(cè)接有大電容，正常工作時(shí)其電壓基本保持不變。電流型APF的主電路直流側(cè)接有大電感，正常工作時(shí)期電流基本保持不變。但由于電流型主電路的直流側(cè)始終有電流流過(guò)，該電流將在電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。(2)根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類(lèi)：并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型APF與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，主要是用于電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流補(bǔ)償。串聯(lián)型APF與負(fù)載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電

7、壓性諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型APF中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，損耗較大，并且串聯(lián)型APF的投切、故障后的退出及各種保護(hù)也比并聯(lián)型APF復(fù)雜，因此使用范圍受到很大限制。圖1-2有源電力濾波器的分類(lèi)示意圖1.4 有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù)有源電力濾波器APF(active power filter)可應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波、無(wú)功電流的補(bǔ)償，并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理是使變流器產(chǎn)生實(shí)時(shí)跟蹤指令電流的補(bǔ)償電流，從而使主電流中不含諧波和無(wú)功成分。諧波電流的檢測(cè)、諧波電流的跟蹤補(bǔ)償控制和直流側(cè)電容電壓控制是有源電力濾波器的三個(gè)主要組成部分。2 有源電力濾波器的控制策略2.1滯環(huán)比較控制滯環(huán)控制法是目前使用很廣泛的

8、一種閉環(huán)電流控制方法。該方法根據(jù)給定補(bǔ)償信號(hào)與測(cè)得的諧波補(bǔ)償器輸出電流的誤差來(lái)控制諧波補(bǔ)償器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。當(dāng)誤差超過(guò)上、下限(由滯環(huán)環(huán)寬決定)時(shí)開(kāi)關(guān)立即動(dòng)作，使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考信號(hào)上下波動(dòng)。原理圖如圖2.1所示。圖2.1 滯環(huán)比較控制方法如圖2.2是以一相電路為例，采用滯環(huán)比較控制方式的原理。將指令信號(hào)i*與實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)ic的差值ic作為滯環(huán)比較器的輸入，用H表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)|ic|H時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出將翻轉(zhuǎn)，則補(bǔ)償電流ic的方向隨之改變，使ic減小，保證了補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化。圖2.2電流跟蹤示意圖該方法控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，具有內(nèi)在的

9、限制能力。但系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會(huì)受到滯環(huán)環(huán)寬影響。帶寬固定時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著補(bǔ)償電流變化而變化，從而引起較大的開(kāi)關(guān)噪聲。減小環(huán)寬可提高電流跟蹤性能，但功率器件開(kāi)關(guān)頻率提高，引起損耗增加，反之則電流跟蹤性能變差。2.2 三角波比較方式三角波比較方式的原理如圖2.3所示，將指令信號(hào)ic與實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)i*的差值ic通過(guò)比例調(diào)節(jié)器作為調(diào)制波，三角波為載波，比較后得到工IGBT開(kāi)通時(shí)間. 圖2.3三角波比較方式原理圖這種控制方式與滯環(huán)比較控制具有如下特點(diǎn):(1)硬件較為復(fù)雜;(2)跟隨誤差較大;(3)含有與三角波載波相同頻率的諧波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，

10、且等于三角波載(6)電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢。3 有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì) 3.1直流側(cè)電容量的選擇 為了保證有源電力濾波器正常工作，直流側(cè)電壓作為補(bǔ)償器的直流電源必須保持恒定。但有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很難將主電路直流側(cè)電壓控制在一個(gè)恒定值，直流側(cè)電壓隨補(bǔ)償電流和補(bǔ)償器工作模式的改變而改變，在允許的給定范圍內(nèi)波動(dòng)。直流側(cè)電壓的波動(dòng)主要來(lái)自于APF補(bǔ)償電流中的諧波及無(wú)功電流造成的能量脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)損耗以及交流側(cè)濾波電感儲(chǔ)能引起的能量脈動(dòng)，其中尤其以諧波電流造成的能量脈動(dòng)所引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)最為明顯。為了減小直流側(cè)電壓波動(dòng)，直流側(cè)電容必須有一定的容量要求。當(dāng)直流側(cè)電壓一定時(shí)，電容值越小，

11、則直流側(cè)電壓波動(dòng)越大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果;電容值越大，則直流側(cè)電壓波動(dòng)越小，但是電容體積和造價(jià)都會(huì)增加。因此，需要綜合考慮兩方面因素，在直流側(cè)電壓波動(dòng)滿(mǎn)足要求下進(jìn)行電容值的選取。設(shè)直流側(cè)電壓Udc的最大允許波動(dòng)電壓為Udcmax定義電壓波動(dòng)率為: (3一1)則直流母線電壓最大值和最小值為: (3一2) (3一3)對(duì)于非線性負(fù)載來(lái)說(shuō)，其諧波和無(wú)功電流所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率不為零，但一個(gè)周期的平均值為零。當(dāng)有源電力濾波器對(duì)諧波和無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，有源電力濾波器和負(fù)載之間有能量交換，需要直流側(cè)電容提供能量交換緩沖。如果忽略有源電力濾波器系統(tǒng)存在損耗，這一緩沖電容只是周期性地吸收和釋放能量，不需

12、要電源提供能量。而當(dāng)諧波和無(wú)功電流得到補(bǔ)償時(shí)，電源只向負(fù)載提供有功電流，即提供負(fù)載消耗的能量，而不再和負(fù)載交換能量。有源電力濾波器、電源及負(fù)載之間的能量交換如圖4.1所示:圖3.1有源濾波器、負(fù)載和電源之間的能量交換為了簡(jiǎn)化分析，特作以下假設(shè):(1)考慮能量平衡關(guān)系時(shí)，不考慮濾波電感中的儲(chǔ)能;(2)穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓波動(dòng)幅值與直流側(cè)電壓值相比非常小;(3)APF自身?yè)p耗忽略不計(jì)。設(shè)有源電力濾波器交流側(cè)的瞬時(shí)功率為Pc(t): (3一4)上式中，uc(t)、ic(t)分別為有源電力濾波器交流側(cè)的三相電壓、電流瞬時(shí)值。直流側(cè)電容的瞬時(shí)功率為Pdc(t): (3一5)上式中，udc(t)、idc(t

13、)分別為直流側(cè)電壓、電流瞬時(shí)值。忽略諧波補(bǔ)償器的開(kāi)關(guān)損耗，則有 (3一6)將式帶入上式: (3一7)由上式兩邊積分得: (4一8)上式右邊的積分項(xiàng)就是有源電力濾波器的補(bǔ)償容量。假設(shè)有源電力濾波器的補(bǔ)償容量Sc，則由式可得: (3一9)因此,確定了裝置的補(bǔ)償容量和允許的直流側(cè)電壓波動(dòng)之后，就可根據(jù)式(3一9)確定電容的容量。需要注意的是，所計(jì)算出的電容量是在理想條件下得到的，實(shí)際選取電容的容量時(shí)必須留有一定裕度。3.2 直流側(cè)電壓的選擇用理想開(kāi)關(guān)代替實(shí)際開(kāi)關(guān)器件，忽略系統(tǒng)的阻抗，可得并聯(lián)型APF等值電路，如圖4.2所示。 圖3.2并聯(lián)型APF等值電路假定e為系統(tǒng)電壓，直流側(cè)電容電壓為Udc，其中

14、電壓都以系統(tǒng)中性點(diǎn)o為參考點(diǎn)，則圖3.2中三相電路瞬時(shí)值方程為: (3-10)引入開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc，定義為: (3-11)相應(yīng)APF交流側(cè)相電壓為: (3-12)不計(jì)零軸分量，則有: (3-13)由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得: (3-14)把(4-14)帶入式(4-12)，則APF交流側(cè)相電壓: (3-15)將(4-15)代入(4-10)，忽略APF交流側(cè)電阻影響，得: (3-16)APF主電路開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，是由采樣時(shí)刻的指令電流Ic*與實(shí)際補(bǔ)償電流ic作差得到的Ic。的極性決定的。以a相為例，當(dāng)IcaO時(shí)，即a相的實(shí)際補(bǔ)償電流小于指令電流時(shí)，主電路a相上橋臂

15、導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷;反之，當(dāng)Ica0、Icbo和IccO，此時(shí)需要增大a相和b相電流同時(shí)減小c相電流，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為a相和b相上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷，c相上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通。將Sabc=110代入(4-16)得: (3-17)為了控制電流變化，需要使Ica、Ice增大同時(shí)使Icc減小，此時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足: (3-18)由式(3-17)和(3-18)得: (3- 19)如果要跟蹤電流的變化，就要在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中滿(mǎn)足式(3-19)中的限制條件，考慮到最嚴(yán)重情況有: (3-20)上式中，Em為交流側(cè)電源相電壓峰值，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流變化的跟蹤，直流側(cè)電壓必須大于交流側(cè)電源相電壓的3倍，否則將出現(xiàn)補(bǔ)償電流不按控制要求變化的情況。對(duì)于其它的開(kāi)關(guān)組合情況，也可得到相同結(jié)論。4 MATLAB仿真4.1 仿真模型圖4-1 仿真模型4.2 仿真結(jié)果圖4-2補(bǔ)償后輸入電壓與輸入電流波形 4-2 非線性負(fù)載輸入電壓與輸入電流波形 4-3 三相APF輸入電壓與輸入電流波形參考資料1洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真.北京：機(jī)