串联有源电力滤波器的参数选择及仿真

２００７年２月　安阳工学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｙａｎｇ　Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｆｅｂ．２００７　第１期（总第２５期）　Ｎｏ．１（Ｇｅｎ．Ｎｏ．２５）　串联有源电力滤波器的参数选择及仿真　田治礼・，　张家胜　（１．中国石油大学；２．东营职业学院，山东东营２５７０９１）　摘要：针对典型的三相整流电路对电网产生的影响，介绍了串联有源电力滤波器电路参数设置，探讨了易于数字化的ｓｖＰ—　ＷＭ跟踪算法，应用于串联有源电力滤波器内层跟踪控制中的补偿效果。并用比较的方法，重点对串联有源电力滤波器电路进　行了计算机仿真分析。　关键词：矢量脉宽调制；串联有源滤波器；跟踪控制；仿真参数选择　中图分类号：ＴＭ４０１　文献标识码：Ａ　文章编类：１６７３－２９２８（２００７）０１－００１２—０６　计算机仿真是进行现代科学研究的一个重要手段。在电力电子技术方面，计算机仿真可以建立一个模拟　的实验环境，构造出复杂且精确的电路模型，通过仿真对其进行各方面性能的检测，而不需冒着损坏器件和　装置的风险，降低开发成本。ＭＡＴＬＡＢ是当前工程技术领域最常用的仿真软件，尤其是其Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以形象　化方式搭建模型，本文的仿真均是使用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的电力系统工具箱搭建【ｑ。通过对ＳＶＰＷＭ调制效果进行　仿真，并根据串联型仿真结果，验证串联有源电力滤波谐波补偿的有效性。　１串联型有源电力滤波器工作原理分析与电路参数的设置　１．１串联型有源电力滤波器工作原理分析　图ｌ为串联型有源电力滤波器的电路图，以单相为例：　Ｉ　单　相Ｉ　整Ｉ　流　桥ｉ　一　ｊ　图１串联型有源电力滤波器电路图　有源滤波器主电路是由全控型电力半导体器件构成的单相桥式ＰＷＭ变流器，通过电流互感器（Ｃ１ｒ）串进　电网中，在控制电路控制下产生与流过它的谐波电流成比例的谐波电压。电感ｋ和电容Ｃｒ被用来滤除ＰＷＭ　变流器的开关脉动。电流互感器使ＰＷＭ变流器的电压与电流容量大小得以相互均衡，而且提高了一次侧回　路阻抗反映在二次侧（也就是作为ＰＷＭ变流器的负载）的等效阻抗，有利于Ｌｒ和Ｃｒ参数设计。控制电路的功　能主要有电流的检测与谐波电流的计算、补偿电压指令的生成、主电路电力半导体器件控制信号的产生以及　电力半导体器件的驱动翻。根据上述原理，控制电路必须能实时检测出ｉ。中的谐波电流ｉｓｈ，形成补偿电压指令　ｕｃ．，从而驱动主电路电力器件，使ＰＷＭ变流器实时产生与ｉｓｈ成比例的谐波电压，才能达到对变化的谐波进行　实时跟踪补偿的目的。　｝收稿日期：２００６－１２－０６　基金项目：鲁教备字２００５—２　作者简介：田治礼（１９６４一），男，东营职业学院副教授，中国石油大学（华东）信息与控制学院在读硕士。研究方向：自动检测与控制。　张加胜（１９５７－）　，博士，石油大学（华东）信控学院电气工程系教授、博导。中国电源学会特种电源专业委员会理事。　研究方向：电力电子技术与电气自动化。　・１２・　维普资讯 http://www.cqvip.com

１．２高频噪声滤波器参数选取　１．２．１选择原则　由于有源电力滤波器本身亦为高频电力电子装置，同样会产生高频开关谐波，因此需要在主电路中设置　ＬＣ滤波器用于滤去ＰＷＭ逆变器产生的高频开关噪声，其取值要合适。如果Ｌ、Ｃ值取的太小，不能有效滤除　高频噪声；如取得太大，则不仅会使装置体积增大，而且会使系统的响应速度变慢，导致谐波电压补偿跟踪能　力变差，影响补偿效果。因此，Ｌ、Ｃ值的选取要在系统的快速性和滤波效果之间折中。　１．２．２交流侧电感值的确定　根据高频噪声滤波器参数选取原则，很难依据具体的算法来确定具体Ｌ、ｃ值，只能先定出大概的数值，　再根据多次仿真比较才能最后确定，最后Ｌ、Ｃ值取为：Ｌ＝０．２ｍＨ，Ｃ＝１００　ｆｏ　１＿３直流电容的选择　１．３．１选择原则　因为直流电压不恒定，对ＳＶＰＷＭ输出电压的影响很大，因此必须限制直流电压上的最大波动率，选择直　流电容的主要作用就在于此。选择直流电容首先应该满足系统对直流电压波动率的要求。另外，直流电容的　选择对系统稳定性能影响也较大，所以选择电容的另外一条原则就是保证系统稳定。而后者和整个系统的控　制方法，控制参数以及其他系统参数都有关系，很难孤立的用选择电容的方法加以满足；反过来，也很难以此　为依据来设计电容，必须通过大量的系统仿真来确定［３１。　１．３．２直流侧电容值的确定　经过大量的系统仿真确定，在使用ＳＶＰＷＭ方法跟踪参考补偿信号时，直流电容值Ｃ＝２２００　ｆ是较为合　适的，即能保证系统对直流电压波动率的要求，又使系统响应不至于太慢。　２串联型有源电力滤波器的电路仿真与分析　２．１串联型有源电力滤波器仿真模型　２．１．１主电路仿真模型　补偿电流ｉ　是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的，主电路的工作　情况是由主电路中６组开关器件的通断组合所决定的ｔ４１。主电路采用电压型变流器，在变流器的直流侧接有　大电容，正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。由于串联有源电力滤波器本身亦为电力电子变置，　同样会由于其高频开关产生谐波，因此同时出口侧设置低通ＬＣ滤波器，Ｌ＝０．２ｍＨ，Ｃ＝１００　ｆ，以滤去高频开　关谐波。主电路ＭＡＴＬＡＢ模型如图２所示。　图２串联型有源电力滤波器主电路仿真模型图　・１３・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２．１．２指令电压运算仿真模型　主要负责指令电流运算电路产生的补偿电压指令信号，其指令电流运算仿真模型如图３所示。　图３指令电流运算仿真模型图　２．１．３ＳＶＰＷＭ算法仿真模塑　采用ＳＶＰＷＭ跟踪参考补偿信号，其优点在于容易实现数字化，ＳＶＰＷＭ电路的作用是控制主电路的输　出。图４至图６是ＳＶＰＷＭ算法的ＭＡＴＬＡＢ模块图。　ＳＶＰＷＭ算法首先要判断ｕｄ所处于哪个扇区，模型图如下：　Ｖ＝ｌｔ　ｂ　ｔｔ　图４　ＳＶＰＷＭ电路判断扇区所属Ｖａｌｆａ　Ｖｂｅｔａ　不同扇区的两个相邻有效矢量的作用时间可归纳为３个值ｘ、Ｙ、Ｚ的计算，其ＭＡＴＬＡＢ模型图如５。　图５　Ｘ，Ｙ，Ｚ计算模型　・１４・　维普资讯 http://www.cqvip.com

计算出ｘ、Ｙ、ｚ后，采用多路开关根据不同扇区对两个相邻有效矢量的作用时间Ｔｌ和Ｔ２赋值，其模型框　图如６所示。　｛Ｉ　７１：　挢　ｌＴ２（１）　：盟　【　７１＋Ｔ２　如果定义：　Ｔ－　Ｔ１－Ｔ２　＝—一ｒ￣＝ｒｏ＋　（２）　＝　＋　则可得到不同扇区内电压空间矢量的切换点，１　、Ｔ　、，１　，一定频率和幅值的三角波与空间矢量切换点相比　较，一旦其与三角波的值相等，就改变ＰＷＭ波形的状态，这个仿真模型中定义三角波的周期为０．０００２ｓ，幅值为　０．００１。三相逆变桥由六个大功率开关器件组成，在ＭＡＴＬＡＢ模型里，可以把上下两个桥臂的开关器件等效为一　个理想开关，则三相逆变器等效为三个理想开关，最后生成六路ＰＷＭ信号圈。其ＭＡＴＬＡＢ模型如图７。　图７六路ＰＷＭ信号生成电路仿真模型　・１５・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２．２仿真结果与分析　２．２．１采用ｓ、刑的串联有源电力滤波器电流补偿波形与分析　下面为串联型补偿后电源电流波形图８及其频谱分析图９。　＼　、　／　／　＼　、　／　／／　ｌ＼　＼、　ｊ　　ｌ／一　——、、　—／一　—、、　—＼、　＼　／　、、　／　／　、　＼　／／　／　、　、、　／　图８串联型补偿后电源电流波形　¨’１　ｗｉｎｄｏｗ：４　Ｏｔ５１：１２ｔ５　ｃｙｃｌｅｓ　０１　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｓｉｇｎａｌ　Ｔｉｍｅ（ｓ）　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ（５０Ｈｚ）＝４Ｂ　０２．ＴＨＤ＝５　９２％　图９串联型补偿后电源电流频谱分析　从频谱分析图中可看出，各次谐波含有率均降到了４％以下，原来主要谐波中５次谐波由４６．７％降为　３．９６％，７次谐波由２３．４％降为４．０５％，１１次谐波由１１３６％下降为１．６３％，１３次谐波由９．８７％下降为２．１２％，总谐　波畸变率降为５．９２％，谐波得到了有效的抑制。　２．２．２采用ＳＶＰＷｌＶｌ的串联有＿源电力滤波器电压波形与分析　下面为串联型补偿后负载电压波形图ｌ０及其频谱分析图１　１　从图１　１中可看出，串联型有源滤波器补偿后负载侧电压出现一定的畸变，总谐波畸变率为４．５９％，次数主　要以６ｋ＋１次为主，这是因为串联型有源滤波器是向电网侧串人一个谐波电压来达到对谐波电流呈高阻抗以抑　制谐波电流的目的昀。这个谐波电压与电网电压相叠加，必然会造成这种结果，单独使用串联型有源滤波器补偿　这一点是难以避免的，但是同时各次谐波含有率均在４％以下，对负载并无太大影响。　・】６・　维普资讯 http://www.cqvip.com

…　＼　／、＼　＼　／　｛／＼＼．＼｜　　／　＼　　Ｉ　ＩＩ　ｊ　，　八　ｍｅ㈦　八　　：√　０　／，＼　＼＼／　００３　Ｖ　　ｌ　Ｉ１　Ｖ　　Ｉ　Ｉ０　７　＼／／　ＦｕｎｄａｍｅｎＩａｌ（５０ＨｚＩ＝２８９１５．ＴＨＯ＝４５ｇ％　　１：　／／＼　／＼　／＾＼　＼／　０　ｌｍｏ　０Ｉｆｓｅｔ　０　ｌ｝　／ｌ／　＼　＼　／　／　　＼　：　ｉ　：　＼＼／　００５　＼／　００７　１　ＯＯＧ　００８　０　Ｊ　０　Ｄ１　０　ｏ２　０　０４　Ｉｌ１　．１ｌＩ．．　．．　＿Ｉ．１………　…．．　．　．　．．．．１００　２００　３００　４００　５００　６００　７００　８００　９００　１０００　Ｆｒｅｑｕｅ￣ｙ（Ｈ　图１　０串联型补偿后负载电压波形　３结论　串联型补偿后负载电压频谱分析　从上述仿真结果可以看出，采用ＳＶＰＷＭ调制来跟踪参考补偿信号的串联有源滤波器能比ＳＰＷＭ方式效　一一母ｃ∞Ｅ∞　ｃ：　芑　一　目　果。对工业现场用变频器电网使用串联型有源滤波装置后，现场测试结果表明，滤波效果十分明显，可使电流的　０　：　，　谐波总畸变率下降到２％以内。长期的连续运行观测表明，该滤波装置在负载范围内具有系统稳定、性能良好、　动态响应快、装置投入前后过渡过程快、附加无功电流小等优点。该装置可适用于大多数的工业谐波污染的治　理。　参考文献：　［ＩＩ董晓鹏．三相电压型单位功率因数ＰＷＭ整流器的研究叨．电力电子技术，２００１（４），．　［２扬君，王兆安．串联型电力有原滤器控制方式的研究叨．西安交通大学学报，１９９９（３）．　［３颇晓庆．串联型电力有源滤波器的数模型和稳定性分析叨．电工技术学报，２００３（２）．　［４］Ａｒｒｉｌｌａｇａ　Ｊ，Ｍｅｄｉｎａ　Ａ，．Ｌｉｓｂｏａ　Ｍ　Ｌ　Ｖ，ｅｔ　ｌ，ａ　ｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｏｍａｉｎ：ａ　ｌｆａｍｅ　ｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ田．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔ，１９９５，１０（１）＇．４３３－４４０．　［５僬明．无功功率补偿节能收益探讨们．电工技术杂志，２００４（２）．　［６］ＧｅｏｒｇｅＪＷａｋｉｌｅｈ．电力系统谐波【Ｍ】．徐政译．北京：机械工业出版社，２００３．　Ｓｅｒｉｅｓ　ＡＰＦ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ＴＩＡＮ　Ｚｈｉｌｉ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａｓｈｅｎｆｆ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ＯｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ；２．Ｄｏｎｇｙｉｎｇ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．，Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２５７０９１）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｖｉｅｗ　ｏｆ　ａ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ，ｔｈｅ　ｓｅｒｉｅｓ　ＡＰＦ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｄｉｇｉｔａｌ　ＰＷＭ　ｅａＬｓｉｌｙ　ｅｘｐｌｏｒｅｄ　ｒｔａｃｋｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｈｍ，Ｓｅｒｔｉｅｓ　ＡＰＦ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｎｅｒ　ｒｔａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔ．　Ａｎｄ　ｕｓｉｎｇ　ｈｅ　ｔｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｗｉｈ　ｔａ　ｆｏｃｕｓ　ｏｎ　ｈｅ　ｓｔｅｒｉｅｓ　ＡＰＦ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＶＰＷＭ；ＳＡＦ；Ｔｒａｃｋｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　・１７・