一种改进的有源电力滤波器的应用研究.pdf

第 3期( 总第 1 7 2期) 2 0 1 2年 6月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG 8 乙 AUT0MAT1 0N NO 3 J u r 1 文章编号 ： 1 6 7 2 6 4 1 3 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 4 9 0 3 一 种改进的有源电力滤波器的应用研 究 曹连彬 ，宋卫平 ，韩如 成 ( 太原科技大 学 电子 与信息工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 ) 摘要 ：介 绍 了有源 电力滤波器 AP F的基本 工作原理 、谐波 和无功 电流 检测方法 以及 电路 中补偿 电流 控制方 法。在此基础上提 出 了一种改进设计 ，并通 过 MAT L AB S i mu l i n k对 并联 电压型 AP F进 行仿真研 究。结果 表明，三角波比较控 制的 AP F能对谐波电流 和无功进行较好 的补偿 。 关键 词：有源电力滤波器 ；三角波比较控 制；MAT L A B仿 真 中图分类号：TN 7 1 3 文献标识码 ：A 0 引 言 随着 日常生活中电力电子装置的广泛应用 ， 各种 非线性负载产生的谐波电流和无功功率对公用电网造 成了越来越严重 的危害。有源电力滤波器 AP F作为 一 种较为理想的谐波和无功补偿装置， 具有 比无源滤 波器更好的补偿效果 ， 从而得到了较快 的发展 1 。本 文研究 了一种改进型的有源电力滤波器， 并在分析其 工作原理和控制方法的基础上 ， 通过仿真验证其可行 性 。 1 A P F的工作原 理 有源电力滤波器结构图如图 1所示 ( 其 中， i 为检 测 电源电流， i 为负载电流， i 为补偿电流) ， 它主要由 电流检测电路和补偿电流发生电路两部分组成。 检测电路的主要作用是检测电网到负荷电路 中的 谐波、 无功电流等分量 ， 补偿电流发生电路的作用是产 生补偿 电流 。补偿 电流电路的核心环节是补偿电流的 控制电路， 补偿电流控制 电路根据补偿 的控制指令信 号 ， 同时结合相应的控制指令算法得到触发脉冲 ， 用得 到的脉冲驱动各功率开关器件 ； 主电路则用来产生与 之前检测 出的谐波 、 无功电流相互抵消的补偿 电流 2 。 而与有源电力滤波器构成并联关系的滤波器能够过滤 掉有源电力滤波器产生的补偿 电流中开关频率附近的 谐 波 。 2 A P F谐 波和 无功 电流检 测方 法 有源电力滤波器进行快速 、 有效补偿的关键是可 精确、实时地检测出电网至负荷电路中不断变化的畸 变电流 。谐波电流检测方法主要有基于频域分析的快 速傅里叶变换法和基于瞬时无功功率理论 的检测法 。 比较常用的是基于瞬时无功功率的检测法 3 ， 其 中基 于 P a r k变换的 q 法又是基于无功功率理论检测法 中较常用的一种 ， 它对对称无畸变时 电流的增量检测 方 法进 行 了有效 简化 ， 同样 此增 量 的检 测 方法 也 适 用 于有畸 变条 件下 的 电流 。 AC + 图 1 有 源 电 力 滤 波 器 结构 图 3 A P F改 进的 补偿 电流控 制方法 实现有源电力滤波器功能的核心环节是补偿电流 的控制方法 。本文提出一种有别于其他方法的改进型 补偿电流控制电路的新方法 ， 它通过产生与之前检测 出的谐波、 无功电流相对应的驱动脉冲来驱动各功率 开关器件， 从而有效控制有源电力滤波器的行为， 实现 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 2 1 4 ；修 回 日期 ：2 0 1 2 0 3 1 5 作者简介 ：曹连彬 ( 1 9 8 4 一 ) ，男 ，山东聊城人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方 向：电气设备及其 电磁兼容。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 2年第 3期 对谐波电流的有效实时补偿 4 。 目前 ， 较常用的控制 方法有三角波比较控制、 滞环比较控制等。 三角波比较法是 目前应用较为广泛的一种线性电 流控制方法 ， 它首先将电流的参考值与实际的采样值 之差通过 P I 调节器校正后与三角波进行调制从而产 生脉宽调制 P WM 信号。该方法能限制电流跟随误差 和开关频率的变化范 围， 实现起来较为简单 。而通过 广义积分器来取代传统的 P I 控制器 ， 可以消除稳态电 流产生的误差 ， 实现无差调节。不过 ， 当 A P F补偿谐 波时， 此种方法增大了数字化控制器的难度 。 4 A P F仿真 与研 究 对 AP F系统进行仿真可以验证本文提 出的控制 系统结构 以及新方法 的有效性与正确性 。我们利用 MAT L AB S i mu l i n k中的电力系统模块对并联电压型 AP F进行动态仿真和分析。图 2为有源 电力滤波器 仿真电路图， 图 3为有源电力滤波器补偿电流控制电 路仿真图。 图 2 有源 电力滤波器仿真电路图 图 3 有源电力滤波器补偿 电流控制 电路仿真图 仿真时电路中谐波、 无功电流的检测采用的是基 于瞬时无功功率的 一口检测方法 ， 其仿真电路如图 4 所示 。AP F的补偿 电流 控 制 方 法 采 用 三 角波 比较 控 制方法 ， 整个 AP F系统仿真算法采用 o d e 4 5 。 三角波比较控制的有源电力滤波器仿真电路 的参 数 设置 为 ： 电网 电压 E =2 2 0 V， f =5 0 Hz ， 直流 侧 电压 U= = = 1 0 0 0 V， 交 流侧 电 阻 R： 1 0 0 Q， 电感 L= 0 1 H， 电容 C一( 1 0 1 0 )F。电流仿真波形如 图 5 所示。从仿真结果可以看出， 三角波 比较控制方法 控制的有源电力滤波器能够实现较快的动态响应速度 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年 第 3期 曹连彬 ， 等 ： 一种 改进 的有 源电力滤波器的应用研究 5 l 和 比较好的补偿性能 ， 并达到了预期 的对谐波和无功 电流补偿的效果 。 图 4 一口 检测子 系统仿真 电路图 ( 8 )补偿 前 电流 ( b )提取 的谐 波 电流 ( 0 )补 偿后的 电流 图 5 电流仿真 波形 5结 语 本文论述了有源 电力滤波器的基本工作原理， 简 要介绍了 AP F的谐波与无功电流检测方法 、 补偿电流 控制方法 ， 并对并联型有源 电力滤波器 系统进行 了仿 真研究。仿真结果表 明， 三角波 比较控制 的有源 电力 滤 波器 系统对 负载 中的谐 波和无 功 电流进行 了有效 的 补偿 。随着数字信号处理器技术的发展 ， 用 D S P实现 对 AP F的控制是一种很有发展潜力的控制方法。 参考文献 ： 1 卓放， 王兆安 有源电力滤波器的发展与应用 J 船电技 术 2 0 0 9 ( 4 )： 2 3 2 6 E 2 3 钱 志俊 有 源电能质量 控制器 的 L C L滤波器设 计与研究 J 电力 电子技术 ， 2 0 0 8 ， 4 1 ( 3 ) ： 6 - 8 3 华 晓萍 王奔 ， 孟凌凌 ， 等 有源 电力 滤波器仿真研 究 J 电力 自动化设备 ， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 2 - 4 5 4 陈保 并联有 源电力滤 波器实用关键技术研究 D 杭州 ： 浙 江大学 ， 2 0 0 9 ： 2 9 3 2 5 庞浩 ， 王暂基 ， 陈建业 并联 型直 流有源 电力滤波 器 的控 制 系统设计 J 电力系统 自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 2 ( 1 0 ) ： 4 9 5 2 App l i c a t i o n Re s e a r c h o n An I mp r o v e d Ac t i v e Po we r Fi l t e r CAO Li a n- bi n，S ONG W e i - pi ng，HAN Ru - c h e ng ( S c h o o l o f El e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Sci e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 03 0 0 2 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，t h e b a s i c p r i n c i p l e o f a c t i v e p o we r f i l t e r( APF ) ，t h e me t h o d s o f h a r mo n i c a n d r e a c t i v e c u r r e n t d e t e c t i o n a n d t h e c o mp e n s a t i o n c u r r e n t c o n t r o l i n c i r c u i t we r e i n t r o d u c e da n d a n i mp r o v e d me t h o d wa s p r o p o s e d Th e wh o l e s h u n t AP F s y s t e m wa s s i mu l a t e d b y MATLAB S i mu l i n k Th e r e s u l t s s h o w t h a t APF c o n t r o l l e d b y t r i a n g l e p u l s e c o mp a r i s o n me t h o d c a n c o mp e n s a t e t h e h a r mo n i c a n d r e a c t i v e c u r r e n t q u i c k l y Ke y wo r d s ：APF；t r i a n g u l a r wa v e c o mp a r i s o n c o n t r o l ；M ATLAB s i mu l a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m