基于MATLAB的有源电力滤波器谐波电流检测研究

该方法原理如图 2 所示, 图中矩阵 C 如 ( 1) 式所示, 矩阵 C 32如 ( 2)式所示, 矩阵 C 23如 ( 3)式 所示。
sin t - cos t
C=
( 1)
- cos t - sin t
1 - 1 /2 - 1 /2
C32 = 2 /3
( 2)
0 3 /2 - 3 /2
1
0
C23 = 2 /3 - 1 /2 3 / 2
M atlab ( M atrix Laboratory, 矩阵实验室 )是美 国 M athw orks公司 1982 年推出的高性能 的数值 计算和可视化软件产品。M atlab由主包、S imu link 以及功能各异的工具箱组成。其中 S im ulink是系 统模型图形输入与仿真工具, 它通过鼠标在模型 窗口中画出所研究系统的模型, 然后可直接对系 统仿真, 这使得复杂系统建模和仿真变得十分容 易。M atlab以矩阵运算为基础, 把计算可视化程 序设计融合到一个交互的工作环境中, 可实现工
( H uanan Un iversity of T echno logy P ress, Guangzhou 510640, China ) Abstract: T he character of M atlab and the base m eans o fM atlab /S im ulink application in pow er sys tem sim u lation are sim ply introduced. In th is paper, the correctness o f dig ita l f ilter a lgorithm s is suc cessfu lly proved by m eans o f building m ode l and sim ulat ion o f active pow er filter, w hich display that the shunt active pow er filter based on the theo ry of instantaneous reactive pow er function can effec t ive ly elim inates harm on ic currents and com pensates w ell react ive pow er. K eyw ord s: A ctive pow er filter; Sm oo thness filter; S function; Sim u la tion
三相电路瞬时无功功率理论首先于 1983年由 赤木泰文提出以来 [ 2, 3] , 在有源电力滤波器的谐波 和无功电流实时检测中得到了成功运用。在三相
三线系统中基于瞬时无功功率的谐波电流检测方
法通常有两种: p、q运算方式和 ip、iq 运算方式。 对于三相三线制电路, 只要电网电压波形发
生畸变, 而不论三相电压, 电流是否 对称, p、q 运 算方式的检测结果都有误差, 只是误差的情况将 有所不同; 而按 ip、iq 运算方式检测时, 由于只取 sin t、- cos t参与运算, 畸变电压的谐波成分在 运算过程中不出现, 因而检测结果不受电压波形 畸变的影响, 检测结果是准确的 [ 4 ] 。因而本文采 用 ip、iq 运算方式来检测谐波和无功电流。
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电力电容器 Powe r Capac ito r
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程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视 化、工程绘图等功能。
M atlab中有专用于电力系统分析的电力系统 模块集 ( P ow er System B lockset, PSB ) , 它是一种 针对电力系统的可视化建模与仿真工具, 可用于 电路、电力电子系统、电机系统、电力传输等过程 的仿真。强大的 PSB 和 Sim u link 同时使用 将使 一些复杂的、非线性的电力系统的建模与仿真变 得非常简捷。因此, 它己成为电力科研工作者和 工程技术人员应用它来进行电力系统有关问题的 仿真分析和辅助设计的理想工具。 3 并联电压型有源电力滤波器的工作原理及工 作方式 3. 1 并联电压型有源电力滤波器工作原理
图 3 有源电力滤波器仿真系统结构图 4. 2 谐波提取模块
谐波提取模块如图 4所示。 在仿真模型中, 该模块完成谐波和无功电流 的提取。模块输入量分别为: 三相电源电压信号 中 ea、电压相位、三相负载电流信号和直流侧电压 检测信号, 电压信号经 PLL 锁相环后输出和 a相 同相的 sin t 、cos t 信号, 和电流信号一起送给 S 函数, 作为 S函数的输入。本文中 S 函数采取 m
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4 仿真模型的建立 根据以上原理, 建立有源电力滤波器的仿真
模型。在建立仿真模型时, 电源和负载采用 M at lab自带的元件库, C32和 C 采用 S函数编程来实 现, LPF 采用数字滤波的方法, PWM 采用模块搭 建的方法来实现。 4. 1 电源和非线性负载
* 收稿日期: 2007 01 13
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在试验之前进行系统仿真以获得最佳参数和验证
算法的可行性。 目前在 APF中, 对谐波电流的检测主要采用
瞬时无功电流检测法。在这种方法中, 低通滤波 器的设计是关键一环, 设计一个快速、简便的滤波 方法, 成为设计者追求的目标。本文采用平滑滤 波的方法来实现这一功能。通过在 M atlab 中使 用 D iscrete Shift R eg ister模块很方便仿真实现, 同 时对后面的数字控制实现具有很好的指导意义。 2 M atlab 及其 进行电 力系统 仿真 分析的 基本 方法
有源电力滤波器 ( APF )是一种用于动态抑制 谐波、补偿无功的新型电力电子装置, 它能对大小 和频率均变化的谐波及无功进行补偿, 并且可以 克服 LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿的 缺点。 APF 系统是一种复杂的电力电子装置, 既 包括主电路, 也包括控制电路, 系统阶数较高, 理 论分析较困难, 且系统的实时型要求较高, 有必要
有源电力滤波器的交流电路可分为电压型和 电流型, 目前实际应用的装置中, 90% 以上是电压 型。从与补偿对象的连接方式来看, 又可分为并联 型和串联型, 目前运行的装置几乎都是并联型。所 以本文以并联电压型有源电力滤波器为研究对象。
及无功等电流 抵消, 最终得到期望的 电源电流。 主电路目前均采用 PWM 变流器。 3. 2 谐波和无功电流的实时检测
1 引言 随着电力电子技术的迅速发展和电力电子装
置的广泛应用, 提高了人类对电能的控制能力, 能 够按照需要将电能进行转换, 为人类的生活提供 了更多的电能供应形式。但电力电子装置等非线 性负载的广泛使用, 给电能的质量造成很大的影 响, 其中以谐波污染和无功功率损耗尤 为严重。 因电网中的谐波不仅危害电网本身而且危害其周 边设备, 所以现代工业、商业和居民用户对供电质 量提出了更高的要求, 因此治理电网谐波污染势 在必行。
图 2 ip、iq 运算方式的原理图
该方法用一锁相环和一正、余弦信号发生电 路得到 与 a 相电 网电压 ea 同 相位 的正 弦信 号 sin t 和对应的余弦信号 - cos t, 根据定义可以 和 i 、i 计算出 ip 、iq, 经 LPF 滤波得到 ip、iq 的直流 分量 ip、iq。由 ip、iq 即可计算出三相基波电流 iaf、 ibf、icf, 进而计算出三相谐波电流 iah、ibh、ich。
( 3)
- 1 /2 - 3 /2
图 1 并联型有源电力滤波器系统结构图
图 1所示为最基本的有源电力滤波器系统构 成原理图。图中 eS表示交流电源, 负载为谐波源, 它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由 两大部分组成, 即指令电流运算电路和补偿电流 发生电路 ( 由电 流跟踪控制电路, 驱动电 路和主 电路三部分构成 )。其中, 指令电流运算 电路的 核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电 流分量, 因此有时也称为谐波和无功电流检测电 路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运 算电路得出的补偿电流的指令信号, 产生实际的 补偿电流, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波
电源采用三相电源, 内阻 0. 1!, 电感为 0. 1 mH, 线路电感 Ls 为 2mH;
变流器输出电感 Ln 为 1. 5mH; 滤波电 容取 Cd 为 4. 7∀F。
非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性 负载种类较多, 如三相二极管整流桥、三相可控硅 整流桥、电弧炉、空调、电视机、变压器等, 其中最 具有代表性的谐波源是直流侧带感性负载的二极 管整流桥和三相可控硅整流桥, 这类负载在电网 中应用较为广泛, 而且产生的谐波含量 也较大。 因此, 仿真模型采用三相不可控整流桥作为谐波 源进行建模, 具有代表性。本文中取三相不可控 整流桥接负载电阻 Rd 为 50! , 和限流电阻 R s 为 25!。限流电阻在 0. 06s切除, 使负载突变, 观察 电流跟踪情况。仿真模型如图 3所示。
文件来编写。 S函数实现了 ia bc - ip、iq 变换。
图 4 谐波提取模块 低通滤波器 LPF, 实现滤除交流, 保留直流的 功能。一般的低通滤波器, 截止频率越低, 延时越 长, 还会对直流分量产生衰减, 补偿的效果变差; 而截止频率高, 交流分量衰减不够, 输出还含有较 大的交流分量, 从而影响补偿的效果。本文采用 数字滤波, 取得了较好的效果, 而且为后面的数字 控制提供了算法的验证。在实时性要求很高的微 机控制系统中, 常采用平滑滤 波法 [ 5] , 即 采用固 定长度 ( 设为 N ) 的队列, 每进行一次新的采集, 将采集结果放入队尾, 而扔掉原队首的数据, 这样 便可对 N 个 最新数据 !计算均值, 作为最近一次 采样数据值。由于电网中奇次谐波远远高于偶次 谐波, 假定负载电流中含有 k 次谐波 ( k 为奇数 ), 对负载电流进行 3 / 2变换和 ip 、iq 变换后, 正序基 波对应的旋转向量为直流分量, 同时 k 次正序谐 波对应的旋转矢量角速度为 k - 1, 而 k 次负序谐 波对应的旋转矢量的角速度为 k + l。由于 k - 1 和 k + l均为偶数, 所以滤波器要滤掉这些偶次 波。本文采用 D iscrete Sh ift Reg ister 模块来实现, 采样频率取 6. 4kH z, 对半个周期采样 64个点, 采 用平滑滤波法, 延时为 0. 01s, 比采用二阶 Butter w orth低 通滤波 器, 截止频 率为 20H z[ 6 ] , 延时 要 短, 而且这种滤波方法是始终稳定的, 便于实现。 滤波效果如图 5所示 ( 在 0. 06s时, 负载突变 )。
关键词: 有源电力滤波器; 平滑滤波; S函数; 仿真 中图分类号: TN713. 8 文献标识码: A 文章编号: 1002 0349( 2007) 04 0026 04
A ctive Power F ilter Harm on ic Cu rrents D etection Research Based on M ATLAB TAO Y i b iLeabharlann Baidug, YANG P ing, ZHONG Guo ji
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基于 MATLAB的有源电力滤波器谐波电流检测研究
陶以彬, 杨 苹, 钟国基
(华南理工大学电力学院, 广州 510640) 摘 要: 简要介绍 M atlab的特点以及 M at lab /S imu link进行电力系统仿真的基本方法。通过对有 源电力滤波器的建模和仿真, 验证了数字滤波器算法的正确性和快速性; 同时, 也表明了基于瞬 时无功功率理论设计的并联型有源电力滤波器能够有效地消除谐波电流和进行无功补偿。