基于PWM控制的并联型有源电力滤波器的MATLAB仿真研究

4 小结
本文给出了对统一电能质量调节器 ( UPQC) 的并联部分 M AT L AB 仿真模型, 并对 PWM 脉冲 受 扰对 APF 的影响作了重点描述, 其仿真结果对 具体实践是具有一定指导意义的。
Байду номын сангаас
第 13 卷第 3 期 电力系统及其自动化学报 V ol. 13 N o. 3 2001 年 6 月 Pr oceedings of the EP SA Jun. 2001
基于 PWM 控制的并联型有源电力滤波器的 M AT L AB 仿真研究
PWM 输出波形 0ut1 。
( a) 输入波形 In1 ( b) P WM 波形 图 5 P WM 的输入输出波形
下图是 PWM 信号经过低通滤波器后的波形
和幅度频谱图。
( a) P WM 滤波后波形 ( b) 频谱图 图 6 滤波后的波形和频谱图
ABSTRACT T his paper intro duces t he fundament al idea of a new type o f P ow er Quality Condit ioner, and t he fundamental principle, control strateg y and realization, then pr esent the emulational model of AP F and the emulational result as the PW M sig nal is distur bed. Key Words Intig reted Electr ical P ower Q uality Conditioner , A ctive P ow er Filter, Pules Width M odulate, M A T LA B 摘要 本文介绍了新型电能质量调节器 的基本思想及其并 联部分的基本原理、 控制策略和具体实现 , 给出了 并联有源 滤波器的仿真模型以及当 P WM 脉冲受到扰动时的仿真结 果。 关键词 统一电能质量调节器 有源滤 波器 脉宽调制 MATLAB 图 1 新型电能质量 调节器拓扑图
+ 1 n In CF ( k ) = I LH ( k )
( 6)
图 4 PW M 仿真模型
式中: n 为采样周期; k 为采样点。 2. 3 主电路简介
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电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2001 年第 3 期
下 图 是输 入 信 号 In1 = 15sin( 2P* 50t ) + 12sin( 2P * 250t ) + 10sin( 2P * 350t ) 的 波形 及 其
¹ 本文 2000 年 10 月 31 日收到
2 并联型有源滤波器的工作原理
如图 2 所示 , 有源滤波器实际上可以称为任意 波形发生器, 或者可称为可控非线性元件。 其工作 原理就是根据所检测到的负荷谐波电流分量来控 制有源滤波器 , 使其发出一个相反的谐波电流, 这 样在系统中将不含有这个谐波电流成分 , 从而起到 补偿作用。 理论上讲 , 有源滤波器可以对任意谐波 电流进行补偿。
查晓明 王 瑾 伍晓峰 陈允平
( 武汉大学电力系 武汉 430072)
¹
THE SIMULATION OF PWM CONTROLLED PARALLELAPF WITH MATLAB Zha Xiaom ing Wang Jin Wu Xiaofeng Chen Yunping
( Depart ment of Engineering , Wuhan University , Wuhan, 430072)
N
图 3 示出了并联型有源波器的硬件实现拓扑。 三相逆变桥由直流电容器供电 , 经 L C 滤波器接入 系统。 逆变桥主要器件 IGBT 我们选用的是西门子 1 700 V/ 270 A, 直流电容是九组并联, 每组三个日 立 400 V/ 2 200 LF, L C 滤波器的参数为 1. 24 mH/ 8. 8 L F。
( a) 正常的 PW M 波形 ( b) 受扰的 PW M 波形 图 7 PW M 信号波形
2001 年第 3 期 基于 PW M 控制的并联型有源电力滤波器的 M AT LA B 仿真研究
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( a) 正常的直流电容电压 ( b) 受扰的直流电容电压 图 8 PW M 信号正常及受扰动时的直 流电容电压
但 用上式解出电流瞬时值是困难的, 因为变量 t 不 好确定。 根据瞬时功率理论 , 我们得到阻性等效有 功负载 UU R U = I U ( 4) 式 中 , UU 和 I U 是相电压和相电流的方均根值。 因 此 , 我们可以得到与系统电压同频率、 同相位的有 功电流 ua iap = R U ibp = icp = ub RU uc RU ( 5)
由图 10 可以看出 PWM 脉冲受扰对有源滤波 器的影响是明显的 , 因此保证 PWM 脉冲的可靠性 是提高补偿效果的重要因素。
5 参考文献
1 A kag i H . N ew trends in active filters for power conditioning . IEEE T rans on Ind A ppl, 1996, 32 ( 6) : 1312 ～ 1322 2 Rastogi M , M ohan N , Edris A A . Hy br id —activ e filter ing of har monic cur rents in power systems . IEEE T r ans on Pow er Del, 1995, 10( 4) : 1994～ 2000 3 孙建军 . 并联有源滤 波器研究报告 : [ 学位论文 ] . 2000.
对结点电压进行补偿。 并联型有源电力滤波器则对 结点电流进行补偿 , 消除谐波并补偿无功和负序。 此外, 并联型有源滤 波器能够调节直流侧电容电 压。
1 引言
近年来无功功率及谐波的补偿问题日益受到 重视。 从已发表的文献中看到 , 目前的研究主要集 中在采用有源电力滤波器和静止无功补偿器对谐 波和无功进行补偿。 电力有源滤波器是一种新型的 谐波抑制及无功补偿装置, 可以补偿频率和幅值均 为变化量的谐波分量。 静止无功补偿器则主要对无 功电流进行补偿。 而由于系统本身具有不对称性, 三相不平衡负荷不但从电网吸收有功电流 , 还要向 电网注入无功、 高次谐波和负序电流。 因此 , 为了实 现对谐波、 负序和无功的综合补偿, 我们曾提出了 一种新型的电能质量调节器 ( UP QC) 。 新型电能质量调节器集成了串、 并联有源电力 滤波器和静止无功补偿器( 图 1) 。 静止无功补偿器主要补偿系统无功并对接入 结点电压进行调节。 串联型有源电力滤波器则主要
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基波有功电流的瞬时值可由下式得到 ia = ib = ic =
图 3 并联型有源滤波器主电路
3 基于 M AT LAB 的系统仿真
3 . 1 M AT L AB 仿真软件 M AT L AB 是一 种功能十分强大 的科学计算 软件工具, SIMU LINK 是 MAT LAB 中的一种图形 化模型输入仿真工具 , 它含有多种预定义模块以及 专 用的 POWER SYST EM T OOL BOX 供用 户使 用 , 这使得我们的仿真变得非常方便。 3 . 2 仿真模型 3 . 2. 1 基于三角波调制的 PWM SIM UL INK 模 型及实现 所谓 P WM 技术就是利用半导体器件的开通 和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列, 以实现变频、 变压及控制和消除谐波为目标的一门 技术。 采用三角波调制方式易于实现, 利用简单的 控制回路达到在线应用的快速响应 , 逆变器交流侧 出现的脉冲电压的极性、 变化频率与载波一致, 其 幅度为储能电容器上的直流电压, 脉冲宽度与控制 信号的幅度对应。 下图示出了 SIM UL INK 环境下的三角波调制 实现框图, 我们可以很方便地调节载波频率、 调制 比和死区时间。
( a) 正常的 A PF 线电压 ( b) 受扰的 A P F 线电压 图 9 P WM 信号正常及受扰动时的 A PF 线电压
( a) 正常的直流电容电流 ( b) 受扰的直流电容电流 图 10 PW M 信 号正常与受扰情况的仿真结果对比
图 2 并联型有源滤 波器原理框图
2001 年第 3 期 基于 PW M 控制的并联型有源电力滤波器的 M AT LA B 仿真研究
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从图 2 可以看出, 有源滤波器一般包括三个部 分 : 检测回路、 控制回路和主电路。 2. 1 补偿电流检测方式 为检测补偿电流, 关键要从检测电流得到补偿 电流。 负载电流包括两个部分, 一个是有功电流 , 另 一个是补偿电流, 它包括无功、 负序和谐波电流 , 因 此 , 负载电流可以被表示为 i L = i 1p + i c ( 1) 式中 : iL 是负载电 流; i1p 是 有功电流 ; ic 是补 偿分 量。 我们假设系统电压正弦、 稳定、 对称则相电压的 均方根值为 UU= 1 2 un N6 n= 1 P sin Xt 3U U P 2 sin( Xt P ) 3U U 3 P 2 sin( Xt + P ) 3U U 3 ( 3)
可以看出 , 滤波后的波形与输入信号是非常 接近的 , PWM 模型可实现任意波形的发出。 3. 2. 2 系统仿真结果 然 而在实际的系统中, 常常由于检测回路或 PWM 发出部分 会受到各种各样 的干扰 , 从 而使 PWM 波形发生扰动 , 必然会对系统造成一定的影
响。 因此, 对 P WM 信号受扰情况下系统的仿真是 十分必要的。 下面给出了 PWM 输入信号为工频正弦波时 的直流电容器电压波形和 APF 输出线电压波形以 及当 PWM 信号受到扰动时对直流电容器电流、 电 压和系统输出波形的影响。
分别从检测到的负载电流 iap , ibp 和 icp 中减去 ia, ib 和 ic 就得到补偿电流。 2. 2 控制策略 由于检测和计算带来的延时, 并联的 APF 很 难作到完全的电流补偿 , 因此我们采用预测控制来 提高补偿效果。 也就是说, 我们把当前的采样周期 的计算结果做为下一采样周期的补偿分量 , 即