三相有源电力滤波器simulink仿真

基于单周控制的三相电力有源滤波器的研究与仿真

一、概述

本次三相电力有源滤波器的仿真，我们参考了重庆大学周林教授的一篇题为《三相有源电力滤波器控制方法的研究》的论文。本论文的创新点在于将i q -i p 检测法和单周控制的方法结合起来，以弥补两种方法的不足之处。传统的单周控制方法只能同时补偿无功电流和谐波电流，电路虽然简单，但有一定的的局限性。通过加入i q -i p 检测法，可有效的控制补偿量，再结合单周控制的方法跟踪电流，从而可以有效灵活的控制APF 对接有非线性负载的电网进行灵活的补偿。

二、仿真基本思路

2.1 主电路

该仿真的主电路由电源，传输线路和非线性负载构成。其中非线性负载是由三相不控整流电路和阻感性负载构成(R=10Ω，L=5mH).在负载交流侧每相还接入一个大小为2mH 的电感。电网侧由三相正弦交流电源组成，有效值为

220V 。APF 电路拓扑由三相全控电路组成，并联在非线性负载和电网电源的中间。

图2-1 主电路

2.2 谐波检测电路

谐波检测电路由Park 变换，锁相环PLL ，低通滤波电路LPF ，逆Park 变换构成。基本工作原理为：首先采集负载端含有谐波的三相电流进行3-2变换，频率由a 相电压经过锁相环提供。经过3-2变换之后，将得到的含有杂波的i d ，i q

直流分量经过低通滤波后得到负载电流的基波直流形式分量，再将侧

直流形式分量经过2-3变换后就得到负载电流的基波分量。当i q通道和i p通道都同时存在时，APF对电网实现全补偿；若只有i p通道存在，断开i q通道，这时只补偿谐波。

图2-2 谐波检测部分

2.3单周控制电路

该电路的主要任务是让电源电流跟踪负载基波分量，从而达到滤波的效果。其基本思路为：将由谐波检测电路所得到负载电流基波分量和实时采集到的电源侧电流分量求差，通过PI控制放大后，若电源电流小于负载电流基波分量，既PI模块输出为正，则下端比较强输出为负，闭锁与门，这是S ap输出为负，S an输出为正。当电源电流大于负载电流基波分量时，积分器开始从0对输入的电源电流开始积分，一直积分到和PI调节出来的参考值相等时比较器电平翻转，这时RS触发器的复位端得到复位信号，输出端电平跳转，使得积分器复位，进行下一个周期的积分。每一个周期开始前，RS触发器的置位端会出发一次。通过此控制电路输出PWM波对开关电路进行控制，这样就会使电源电流在一个开关周期内跟踪上负载电流基波分量。

图2-3 单周控制部分

三、仿真结果

我们基于此论文的方法在MATLAB Simulink 平台上搭建的仿真模型，对其结果进行观察。由于此前对电路的原理不是很熟悉，导致仿真出来的结果很不理想。最大的问题是电源电流远大于负载电流基波分量。见下图：

图3-1 错误的仿真波形

后来经过我们分析，造成电源电流远大于负载电流基波分量的原因是：我们在APF 的输出端加入了电阻负载，这部分电阻向电源索取有功分量，从而使电源电流变大。后来我们明白，APF 电路中除了开关管开关损耗和通态电阻损耗之外，不应该有任何的有功损耗，而这部分有功损耗确实是靠相电网索取有功功率对APF 直流侧的电容进行充电，来稳定直流侧电压的，而若在APF 中加入电阻，势必会消耗额外的有功，这就是为什么我们第一次做出来的波形不对的原因。第二个原因是控制模块的逻辑出错。

经过我们一步一步的排查，纠正错误，最终仿出了理想的波形。下面介绍我们的仿真过程和结果。

3.1仿真模型搭建

3.1.1主电路

主电路如下图所示：

图3-2 系统仿真图

3.1.2谐波检测模块

谐波检测模块如下图所示，如果要实现只补偿谐波，则将iq通道增益环节改为1即可。

图3-3 谐波检测模块

3.1.3单周控制部分

图3-4 单周控制模块电路

3.1.4 APF 模块

图3-5 APF 电路构成

3.2 仿真结果

本仿真分别对补偿前和补偿后(分全补偿和只补偿谐波)的波形进行了观

测，并且应用Powergui 模块中的FFT 分析工具对所得波形进行频谱分析，观测其各次谐波含量占比。

3.2.1 补偿前电压，电流波形和频谱分析

图3-6 补偿前电压(左)，电流波形(右

)

图3-7 补偿前电压电流波形频谱分析

可以看见，由于电源侧考虑为理想情况，没有阻抗，则电压波形不含谐波，无畸变。由于受到非线性负载的影响，电源侧电流含有较多的3、5、7次谐波，基波幅值为53.35A，波形畸变率为21.45%.下面接入APF分别观测全补偿和只补偿谐波的波形。由于电源侧为理想状态，电压波形一直也是理想的，所以下面只观侧电流波形及其频谱。

3.2.2(a) 只补偿谐波时电流波形和频谱分析

图3-8 只补偿谐波时的电源电流波形和频谱检测

可以看见经过有源滤波器补偿之后3,5,7次谐波明显被消弱，A相电流基波幅值为53.23A，波形畸变率为4.57%。因此波形明显改善，可认为滤波效果理想。这里只展示的A相的频谱分析，B相、C相的波形畸变率分别为4.28%，4.43%。由于控制系统响应的问题，大概在0.25S之后系统稳定，所以频谱从0.3秒的时候采集。

3.2.2(b)全补偿时的电源电流波形和频谱分析

图3-9 全补偿时的电源电流波形和频谱检测 可以看见经过有源滤波器补偿之后3,5,7次谐波明显被消弱，A 相电流基波幅值为49.72A ，波形畸变率为4.56%。因此波形明显改善，可认为滤波效果理想。这里只展示的A 相的频谱分析，B 相、C 相的波形畸变率分别为4.28%，

4.57%。

经观察，补偿的谐波波形为：

图3-10 APF 补偿的谐波波形

四、结论和心得

电力有源滤波器的传统方法是采用ip-iq 法提取负载电流波形中含有的谐波成分，再让APF 控制电路输出电流跟踪谐波波形。谐波波形通常没有规律，而且成分复杂，在控制方面，很难跟踪一个谐波的波形，即使跟踪到位，对控制器本身的要求也是相当高。而本文换了一种思路，直接让电源电流跟踪负载电流的基波分量从而达到滤波效果，应为负载电流基波分量是一个标准的正弦

波，可谓是大大简化跟踪的难度，进而简化控制电路的设计，也使得谐波和无

功补偿变得跟加灵活。单周控制法自上世纪70年代提出以来已在工业生产中得到大量的应用，其结构简单，跟踪效果好特点被业界内的人士所认可。本文通过再现仿真平台的办法验证了此有源滤波器控制方法的可行性和论文结论的正确性，由于文章参数并未完全告知，我们对内部PI控制器的参数都是以试和估计的方法得出，以至于和文章本身的结果还存在差异。另外一个导致结果差异的原因是，文章所用的电压源并不是理想的而是含有少量谐波的电压源，而我们仿真是所用的是理想电压源，并忽略的线路阻抗。在仿真过程中，由于前期没有弄明白原理，导致很多错误的发生，经过课堂上和老师、同学讨论之后，我们一直坚信这种方法是最有效的最简洁的，但我们也承认我们确实存在错误。我们下来逐级排查错误，并且反复研读论文，最终调试成功。这样的过程就是科研的过程，不断自我肯定和否定过程，这也是作为一名研究生需要经历的过程。