三相有源电力滤波器的matlab仿真电路要点

能力拓展训练任务书
学生姓名：专业班级：电气
指导教师：胡红明工作单位：自动化学院
题目: 三相有源电力滤波器的仿真电路
初始条件：
VS1-VS3为标准三相正旋电压源，相电压有效值为220V。

要求完成的主要任务:
（1）设计出主电路拓扑结构和控制系统原理图；
（2）采用MATLAB搭建系统仿真电路，对仿真结果进行分析：
a补偿后输入电压与输入电流波形 b非线性负载输入电压与输入电流波形
c三相APF输入电压与输入电流波形
时间安排：
2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见下表
参考文献：
[1]洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.
北京：机械工业出版社，2006
指导教师签名：年月日
目录
摘要 (1)
1 有源滤波器介绍 (2)
1.1有源滤波器基本原理 (2)
1.2有源滤波器的优点 (2)
1.3有源电力滤波器的分类 (3)
1.4有源滤波器的关键技术 (4)
2有源电力滤波器的控制策略 (4)
2.1滞环比较控制 (4)
2.2三角波比较方式 (5)
3有源电力滤波器的主电路设计 (6)
3.1直流侧电容量的选择 (6)
3.2直流侧电压的选择 (8)
4 MATLAB仿真 (11)
4.1仿真模型图 (11)
4.2仿真结果图 (12)
参考资料 (15)
摘要
有源电力滤波器是当前对电网中谐波污染补偿或抵消的有效手段, 文中对有源电力滤波系统的工作原理进行了理论研究和分析。

MATLAB/SIMULINK提供的SimPower工具箱基本涵盖了电力系统建模和仿真的各个方面。

该文利用SimPower工具箱对有源电力滤波器装置进行了建模和仿真，使用该方法能够将有源电力滤波器的工作过程及有关波形准确直观地显示出来,验证了理论分析的正确性。

关键词：有源电力滤波器谐波仿真
三相有源电力滤波器的仿真电路
1 有源滤波器介绍
1.1 有源滤波器基本原理
有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服IC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

电力滤波器的系统构成的构成原理图如下：
图1-1有源电力滤波器系统构成原理图图中负载为谐波源，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个部分构成)。

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，因此有时也称之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。

1.2 有源滤波器的优点
有源滤波器(Active Power Filter，APF)的基本原理是从补偿对象中分离出谐
波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。

这种滤波器能对频率和幅值变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，即不存在谐振的问题。

具有如下优点：
(1)具有一机多能的特点。

不仅能够补偿各次谐波，无功功率和负序电流等。

(2)具有自适应功能，能对频率和幅值发生快速变化的谐波进行动态补偿。

(3)由于装置本身能完成输出限制，所以不会因为补偿电流过大而过载。

(4)谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。

(5)可对多个谐波源和无功源进行集中补偿。

1.3 有源电力滤波器的分类
从不同的观点看，有源电力滤波器具有不同的分类标准，如图1-2所示，分别介绍如下：
(1)根据主电路的储能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型有源电力滤波器两种。

电压型APF的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本保持不变。

电流型APF的主电路直流侧接有大电感，正常工作时期电流基本保持不变。

但由于电流型主电路的直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。

(2)根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器。

并联型APF与负载并联接入电网，主要是用于电流型负载的谐波、无功和负序电流补偿。

串联型APF与负载串联接入电网，主要消除电压性谐波源对系统的影响。

串联型APF中流过的是正常负载电流，损耗较大，并且串联型APF的投切、故障后的退出及各种保护也比并联型APF复杂，因此使用范围受到很大限制。

图1-2有源电力滤波器的分类示意图
1.4 有源滤波器的关键技术
有源电力滤波器APF(active power filter)可应用于电力系统谐波、无功电流的补偿，并联型有源电力滤波器的基本原理是使变流器产生实时跟踪指令电流的补
偿电流*c i ，从而使主电流s i 中不含谐波和无功成分。

谐波电流的检测、谐波电流的跟踪补偿控制和直流侧电容电压控制是有源电力滤波器的三个主要组成部分。

2 有源电力滤波器的控制策略
2.1滞环比较控制
滞环控制法是目前使用很广泛的一种闭环电流控制方法。

该方法根据给定补偿信号与测得的谐波补偿器输出电流的误差来控制谐波补偿器的开关动作。

当误差超过上、下限(由滞环环宽决定)时开关立即动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参考信号上下波动。

原理图如图2.1所示。

图2.1 滞环比较控制方法
如图 2.2是以一相电路为例，采用滞环比较控制方式的原理。

将指令信号i*与实际补偿信号ic的差值△ic作为滞环比较器的输入，用H表示滞环比较器的环宽，当|△ic|<H时，滞环比较器的输出不变;而当|△ic|>H时，滞环比较器的输出将翻转，则补偿电流ic的方向随之改变，使△ic减小，保证了补偿电流跟踪指令电流的变化。

图2.2电流跟踪示意图
该方法控制简单，动态响应快，对负载的适应能力强，具有内在的限制能力。

但系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受到滞环环宽影响。

带宽固定时，开关频率会随着补偿电流变化而变化，从而引起较大的开关噪声。

减小环宽可提高电流跟踪性能，但功率器件开关频率提高，引起损耗增加，反之则电流跟踪性能变差。

2.2 三角波比较方式
三角波比较方式的原理如图2.3所示，将指令信号ic与实际补偿信号i*的差值△ic通过比例调节器作为调制波，三角波为载波，比较后得到工IGBT开通时间.
图2.3三角波比较方式原理图
这种控制方式与滞环比较控制具有如下特点:
(1)硬件较为复杂;
(2)跟随误差较大;
(3)含有与三角波载波相同频率的谐波;
(4)放大器的增益有限;
(5)器件的开关频率固定，且等于三角波载
(6)电流响应比瞬时值比较方式的慢。

3 有源电力滤波器的主电路设计
3.1直流侧电容量的选择
为了保证有源电力滤波器正常工作，直流侧电压作为补偿器的直流电源必须保持恒定。

但有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在一个恒定值，直流侧电压随补偿电流和补偿器工作模式的改变而改变，在允许的给定范围内波动。

直流侧电压的波动主要来自于APF 补偿电流中的谐波及无功电流造成的能量脉动、开关损耗以及交流侧滤波电感储能引起的能量脉动，其中尤其以谐波电流造成的能量脉动所引起的直流侧电压波动最为明显。

为了减小直流侧电压波动，直流侧电容必须有一定的容量要求。

当直流侧电压一定时，电容值越小，则直流侧电压波动越大，影响有源电力滤波器的补偿效果;电容值越大，则直流侧电压波动越小，但是电容体积和造价都会增加。

因此，需要综合考虑两方面因素，在直流侧电压波动满足要求下进行电容值的选取。

设直流侧电压Udc 的最大允许波动电压为△Udcmax
定义电压波动率为:
dc
dc U U max ∆=λ (3一1) 则直流母线电压最大值和最小值为:
dc dc U U )1(max λ+= (3一2)
dc dc U U )1(min λ-= (3一3)
对于非线性负载来说，其谐波和无功电流所产生的瞬时功率不为零，但一个
周期的平均值为零。

当有源电力滤波器对谐波和无功电流进行补偿时，有源电力滤波器和负载之间有能量交换，需要直流侧电容提供能量交换缓冲。

如果忽略有源电力滤波器系统存在损耗，这一缓冲电容只是周期性地吸收和释放能量，不需要电源提供能量。

而当谐波和无功电流得到补偿时，电源只向负载提供有功电流，即提供负载消耗的能量，而不再和负载交换能量。

有源电力滤波器、电源及负载之间的能量交换如图4.1所示:
图3.1有源滤波器、负载和电源之间的能量交换
为了简化分析，特作以下假设:
(1)考虑能量平衡关系时，不考虑滤波电感中的储能;
(2)稳态时，直流侧电压波动幅值与直流侧电压值相比非常小;
(3)APF 自身损耗忽略不计。

设有源电力滤波器交流侧的瞬时功率为Pc(t):
)()()()()()()(t i t u t i t u t i t u t P cc cc cb cb ca ca c ++= (3一4)
上式中，uc(t)、ic(t)分别为有源电力滤波器交流侧的三相电压、电流瞬时值。

直流侧电容的瞬时功率为Pdc(t):
dt t d C t u t i t u t P dc u dc dc dc dc )
()()()()(⨯== (3一5)
上式中，udc(t)、idc(t)分别为直流侧电压、电流瞬时值。

忽略谐波补偿器的开关损耗，则有
)()(t P t P dc c = (3一6) 将式带入上式:
)()
()(t P dt t d C t u c u dc dc =⨯ (3一7)
由上式两边积分得:
⎰⎰⎰⎰+++++≥∆≥
∆≥
--=
T t t c dc T t t dc c dc T t t dc c dc T t t dc c dc dc dt
t P U dt U t P U t u t P U dt t u t P T t u t u )()1(1
)(1)()(1)()()()(1C 2max max max λλ (4一8) 上式右边的积分项就是有源电力滤波器的补偿容量。

假设有源电力滤波器的 补偿容量Sc ，则由式可得:
dc
2min U )1(λλ+=T S C c (3一9) 因此,确定了装置的补偿容量和允许的直流侧电压波动之后，就可根据式(3一9)确定电容的容量。

需要注意的是，所计算出的电容量是在理想条件下得到的，实际选取电容的容量时必须留有一定裕度。

3.2 直流侧电压的选择
用理想开关代替实际开关器件，忽略系统的阻抗，可得并联型APF 等值电路， 如图4.2所示。

图3.2并联型APF 等值电路
假定e 为系统电压，直流侧电容电压为Udc ，其中电压都以系统中性点o 为参考点，则图
3.2中三相电路瞬时值方程为:
)
R /L )R /L )
R /L cb c cc c cc b b cb a ca a ca e i u dt di e u dt di e i u dt di +-=+-=+-=（（（ (3-10) 引入开关函数Sa 、Sb 、Sc ，定义为:
）
通（上桥臂关断，下桥臂导断
上桥臂导通，下桥臂关c b a S S k k ,,k 01=== (3-11)
相应APF 交流侧相电压为: 0
00000N dc c N cN c N dc b N bN b N dc a N aN a u U S u u u u U S u u u u U S u u u +=+=+=+=+=+= (3-12) 不计零轴分量，则有:
00
=++=++c b a c b a i i i e e e (3-13) 由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得:
)(3
0c b a dc N S S S U u ++-= (3-14) 把(4-14)带入式(4-12)，则APF 交流侧相电压:
3
/)2(3/)2(3
/)2(dc b a c c dc a c b b dc c b a a U S S S u U S S S u U S S S u --=--=--= (3-15) 将(4-15)代入(4-10)，忽略APF 交流侧电阻影响，得:
c
dc b a c cc b dc a c b cb a
dc c b a ca e U S S S dt di e U S S S dt di e U S S S dt di ---=---=---=3/)2(/L 3/)2(/L 3/)2(/L (3-16) APF 主电路开关器件的开通与关断，是由采样时刻的指令电流Ic*与实际补偿电流ic 作差得到的△Ic 。

的极性决定的。

以a 相为例，当△Ica>O 时，即a 相的实际补偿电流小于指令电流时，主电路a 相上桥臂导通，下桥臂关断;反之，当△Ica<0时，即a 相实际补偿电流大于指令电流时，主电路a 相上桥臂关断，下桥臂导通。

这样使实际补偿电流与指令电流之间的误差减小，达到补偿电流跟踪指令电流的目的。

有源滤波器共有8种开关模式，任取其中一种非零开关模式进行分析。

设Sabc =110，对应△Ica>0、△Icb>o 和△Icc<O ，此时需要增大a 相和b 相电流同时减小c 相电流，对应开关状态为a 相和b 相上桥臂导通、下桥臂关断，c 相上桥臂关断、下桥臂导通。

将Sabc=110代入(4-16)得:
c
dc cc b
dc cb a
dc ca e U dt Ldi e U dt Ldi e U dt Ldi --=-=-=3/2/3//3// (3-17)
为了控制电流变化，需要使Ica 、Ice 增大同时使Icc 减小，此时应满足: 0
/0/0
/〈〉〉dt Ldi dt Ldi dt Ldi cc cb ca (3-18) 由式(3-17)和(3-18)得:
2
/333c dc b
dc a
dc e U e U e U -〉〉〉 (3- 19)
如果要跟踪电流的变化，就要在一个开关周期中满足式(3-19)中的限制条
件，考虑到最严重情况有: m dc E U 3〉 (3-20)
上式中，Em 为交流侧电源相电压峰值，为了实现对电流变化的跟踪，直流侧电压必须大于交流侧电源相电压的3倍，否则将出现补偿电流不按控制要求变化的情况。

对于其它的开关组合情况，也可得到相同结论。

4 MATLAB仿真
4.1 仿真模型图
4-1 仿真模型
4.2 仿真结果图
4-2补偿后输入电压与输入电流波形
4-2 非线性负载输入电压与输入电流波形
4-3 三相APF输入电压与输入电流波形
参考资料
[1] 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，2006
[2] 陈坚.电力电子学.北京:高等教育出版社，2002
[3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，2003
[4] 王兆安.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2004
[5] 李华德.交流调速控制系统.北京.电子工业出版社，2003
[6] Oscar Garcia,Jose A.Cobos,Roberto Prieto,etc. Single Phase Power Factor Correct ion; A Survey.IEEE Transaction on PE ,2003, 18 (3):749-755。