有源电力滤波器的电流检测与控制方法的研究.pdf

产 l 品 l 技 l 术 I C 斗 C - - - 一 有源 电力滤波器的电流检测与控制方法的研究 顾 春宁 ( 南 京 邮 电 大 学，南京 市 2 1 0 0 0 0) 李 刚 ( 南京亚派科技 实业有 限公 司，南京市2 1 0 0 0 5 ) S t u d y o f Cur r e n t De t e c t i o n a n d Co n t r o l M e t h o d s o f Ac t i v e P o we r Fi l t e r Gu C h u n n i n g ( N a n j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t s a n d T e l e c o m m u n i c a t i o n s ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 0 ，C h i n a ) Li Ga n g ( Na n j i n g AP E X S c i e n c e&T e c h n o l o g y C o ， L t d ， N a n j i n g 2 1 0 0 0 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h e o p e r a t i n g p rin c i p l e o f a c t i v e po we r fil t e r i S p r e s e n t e d， a n d t h e c u r r e n t d e t e c t i o n a n d c o n t r o l me t h o d s o f a c t i v e p o we r fil t e r b y u s i n g s i mu l a t i o n s o f t wa r e P S CAD EMTDC a r e s i mu l a t e d I t i S s h o wn b y t h e s i mu l a t e d r e s u l t s t h a t a g o o d h a r mo n i c c o mp e n s a t i o n e f f e c t c a n b e a c h i e v e d b y c u r r e n t d e t e c t i o n me t h o d a n d c o mp e n s a t i o n c u rre n t c o n t r o l me t h o d d e s c rib e d i n t hi s a r t i c l e f o r a c t i v e p o we r fil t e r Ke y wo r ds Ac t i v e p o we r fil t e r Ha t n o n i c De t e c t j o n Co n t r o 1 S i mca l a t i o n 摘 要 介 绍有 源 电 力滤波 器 的工作 原 理 用 P S C AD E MT DC仿 真软件对有源 电力滤波器 电流的检 测方 法和控制 方法进行 了仿真 仿真结果表 明 ，有源 电力滤波器采用本文所述 电流检测方 法和补偿 电流产 生的控制方法具 有很好 的谐波补偿 效果 关键 词 有 源 电力 滤 波 器 谐 波 检 测 控 制 仿 真 1 引 言 近年来 有源 电力滤波器( A P F )作 为滤除 电网 谐波 的新 型电力 电子装置得到了快速的发展 谐波 电 流 的检测 和补偿 电流产生 的 P WM ( 脉宽调 制 )控 制 策略决定 了有源 电力滤波器 的整体性能 谐 波信号检 测方法主要有提取基波分量法 此方法用 于补偿要 求 不高的场合 ：基于傅立叶级数分析 的频率分析 法 ，此 方法计算量大 ：瞬时无功功率 理论法 1 1 ，此方法是应 用最广泛的一种谐波检测方法 它能够实时检测 出补 偿 电流 同时不受电网参数和负载的影响 但是 系统 成本 高 ，损 耗大。本文论 述的有 源电力滤波器 的谐波 电流检测方法原理 简单 实现方法简单 。可 以达到谐 波 电流 的实时检测的要求 补偿 电流产生 的 P WM 控制方法 12 J主要有 滞环电 流控制方法 和空 间电压矢 量控制 方法 滞环控 制响应 速度快 ，硬件实现简单 。不受负载参数 的影 响 ：本文 采用 基于线 电压 的空 间 电压 矢 量 的 P WM 控制 方法 F T B 1 在终端配 电系统中的应 用 F i g Ap p l i c a t i o n o f FF B 1 i n t h e t e r mi n a l d i s t r i b u t i o n s y s t e m 6 结语 随着 房地产业 、建筑业 的发展 新建小 区和 旧城 改 造 以及 居 民们 对用 电质量 需求 的提 高 每 家每户 的电表 箱或 住宅 配 电箱 内都有安装 带 选择 性保护 的小 型断路器 的需 求 法泰公司的 F T B 1可以很 好地 解决越 级跳 闸的问题 必 将为 我 国快 速发展 的电工行 业 作出应有 的贡献 2 0 0 90 9 1 0来稿 2 0 0 9 1 1 2 0修回 有源电力滤波器的电流检测与控制方法的研究 ( 顾春宁 李刚) 建 虢电乞。 _ _ _ _ _ _ _ 8Ui D NG 2 r - t 1 r - t 年 第 1期I ELE C RI CI TY 该方法 的优点是直流电压利用率高 开关损 耗小 易 于数字 实现 。 同时 由于实际应 用 中相 电压不 易于 测 量 ，该方法对线 电压进行检测 和控制 因此 实际应用 中更容易操作 P S C AD E MT DC_ 3 _是适用于电力系统暂 、稳态 电 磁 机 电过 程 的仿 真 工具 。P S C A D是 其可 视化 界 面 E MT D C是基于 F 0 R T R A N语 言的图形仿真工具 该仿 真工具广泛应用 于高压直 流输 电、F AC T S控制器的设 计 、电力系统谐波 分析及 电力 电子领域 的仿真计 算 。 本 文将采用 P S C A D E M T D C电力 系统仿真 软件来 建 立并联 型有源电力滤波器 的仿真模型 然后对仿真结 果进行分析 2 并联型有源电力滤波器的基本原 理 图 1 所示 为有源电力滤波器系统构成 的原理图 图 中，e 表示交流电源 ，负载为谐波源。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 组成 ) 。其 中 ，指令 电流运算 电路的作 用是 检测 出补偿 电流 对象 中 的谐 波 和无功 等 电流分 量 补偿 电流发 生电路 的作用 是根据指令运算 电路得 到的补偿 电流 的指令信号 产生实际的补偿 电流 图 l 并联型有源 电力滤波器系统构成原理图 F i g 1 T h e s c h e ma t i c d i a g r a m o f p a r a l l e l c o n n e c t i o n ac t i v e p o we r fil e r 有 源 电力滤 波器 的基 本原 理是 ：检 测补 偿对 象 的电压和电流 经指令 电流运算 电路计算得 出补偿电 流的指令信号 该信号经补偿 电流发生电路 放大 得 出补偿 电流 补偿 负 载 中的谐波 及无 功 电流 最 终 得 到期 望的电源电流 3 指令 电流运算 电路 的仿真模 型 有 源电力滤波器 的关键技术包括补偿电流的检测 和补偿 电流 的产生两部分 它们决定着有源电力滤波 图 2指令 电流运算 电路 的原理 F i g 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f i n s t r u c t i o n c u lT e n t a r i t h me t i c c i r c u i t 器的整体性能 我们知道 完全 补偿谐波 电流和无功 电流 就要 使得 电网侧的电流信号完全为正弦信号 并且保持 电 压信号和 电流信号的同相位 。即 ：分别检测 出电网三 相 电压的相位信 号 、 、 ，然后根 据 电网侧 有功 功率和 电压 、电流之间的运算关 系得到 电流信号 的有 效值 ， ，最后根据式( 1 )得到基波 电流信号 ： i =、 ， s i n 0 ( 1 ) 但 是 此种检 测 电流信 号方 法 的前提 必须 是 电 网电压波 形没有 畸变 的情况下 才可 以使用 图 2为指令 电流运算 电路的原理图 ，其 中e 6 、 e 。为 电网侧 的电压 信号 ， 、 6 、 为电 网侧 电压 信 号的相位值 ，P为 电网侧的有功功率 ，e 一 口、e b、 e c为电网电压信号的有效值 ，i 。、如 、i 为检 测到 的补偿 电流信 号 。图中符号 N D 表示 除运算 ，S I N 表示求正 弦函数 ，S Q R T ( 2 )表示开根号。 4 补偿 电流发生 电路的仿真模型 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组成 电流跟踪控制电路的作用是根据检测到 的补偿 电 流 的参 考信号 i ：与 电流跟踪控制 电路实 际产 生的 电 流信号 i 之 间的关系 ，发 出控制电力电子器件导通 和 关断 的逻辑信号 驱动 电路将 由电流跟踪控 制电路产生 的逻辑信号 变换为主 电路 中电力电子开关 器件 的驱动信 号 控制 开关器件的导通和关断有信号转换和放大的作用。 主 电路 的作用 是根 据驱 动 电路发 生 的驱动 信号 来 产 生 跟踪 补偿 电流参 考信号 i 的实 际补偿 电 流 信号 i 主电路采用电压型 P WM逆变器结构 见图 3 。 一 f l 墨 图 3 P WM 逆 变 器 结构 图 Fi g 3 Th e s t r u c t u r e d i a g r a m o f PW M i n v e r t e r 根 据 图 3日 】 以写 出 基 于线 电压 的状 态 方 程 组 ： U + Ri a b + L l 一 + 一+， ( 2 )g 五 枷 一b c “ l L 二 二 + 鲁 图中电力 电子 开关器 件 的开关 状态一 共有 8个 并假设各相桥臂 的开关 函数 ： r 1 上桥臂导通下桥臂关断 K 1 0下 桥 臂 导 通 上 桥 臂 关 断 ( 3 ) 则 电压 空 19矢 量 可 以表 示 为 0 0 0、0 0 1 、0 1 0、 0 1 1 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0、1 1 1这 8种 基本工作 状态 。空 间 电压矢 量 V x的分布如 图 4所示 。空间 电压矢 量 的 基本思想 就是在 每一个 区间里 选择 相邻的两个 电压 Ol 1 O1 0 1 1O u1 图 4 的 空 间分 布 Fi g 4 Th e s pa c e di s t r i but i o n o f r 二=( K 。 一 K 6 ) 。 Ub 。 = ( Kb ) 。 = ( ) 矢 量 和 零 矢量来合成 每个扇区内 的 任 何 电 1 O O 压矢量 。 根据 上 面 的 分 析 可 以 得 到 逆 变 器 的 输 出 电 压为： ( 4 ) 为直流侧 电压 那 么 当有 源电力 滤波器并 联接人 电网 系统 时 ， 理论 上可 以直接通过 求得 参考 电压 U 但 是 由 于 实际 中检测 会很 困难 而且 会造 成 很大 的误 dt 差 ，因此采 用把式( 2 )离散化 的方 法来得 到输 出参 考 电压 。那 么 ，将式( 2 )离 散 化 ，然 后 测 量 电 网 侧 的三 相线 电压 e a b 、e b 、e c 。 ，就可 以得到逆变器应 该输出的三相线电压u 三 6 、 。 根据得到的 参考输出电 压 ： 6 、 ： 。 、 ： 。 之间的 关系 由下表 可以得到参考矢量 处 于图 4中的哪 一 个 区域 根据 ： u ： 。 的关系确定U 的位置 T a b U l o c a t i o n d e t e r mi n a t i o n b a s e d o n r e l a t i o n s h i p a m o n g U o , ， ： 。 a n d u ， 二 、U b 、 U c a 的关系 U 的位置 u 0 ， u ： 0 I U a 6 0 ， u ： o 0 Ub 0 ，u 0 。 0，Ua b 0 v ： o 0 ， 二0 V V c0 ，U 0 假定参 考矢量 在 区间 I ，用 空间矢 量 和 来 合成参考矢量 ，即： -+ = U4 +U6 T 6+ 0 ( 5 ) 式 中 r， 0 、 、 为矢量 o、 4、 在控制 周期 内的作 用时 间。在任 意时刻 ，逆 变器输 出 的 电压矢量 只有一个 ，输 出矢 量的顺序如 下 ： 一 一 一 一 ( 0 该矢 量合成 的方法将 零矢量 均 匀地 分布在 参 考矢量的起点和终点 ，在每个控制周期 里 由 2 个 有 效空间矢量来跟踪参考 电压的输 出值 。同时 在一 个 开关周 期里 。开关动作是 4次 ，波形也对称 。所 以开 关损耗 比较小 ，P WM谐 波分量 也 比较低 ，是 一种 比 较理想 的矢量合成 的方法 由图 3可 以知道 ，在 时段 ，直 流 电源 接在逆 变器 的 a 相和 b相 ，在 时段 ，直流 电源接在逆变器 有 源 电 力 滤 波 器 的 电 流 检 测 与 控 制 方 法 的 研 究( 顾 春 宁 李 刚 ) 建 虢电乞。 _ _ _ _ _ _ _ I 1 BUI I_ Dt NG Z口 1口 年 第 1 期l E E CT I CI TY 图 5 仿真环境 下的有源电力滤波器系统构成图 Fi g 5 Th e s t r uc t ur e di a g r a m o f APF s y s t e m 的 b相和 C相 ，则可 以得到 l 6 _ ： 一 6 = c ( 6 ) L 。 = T 6 Ud 。 从式( 6)可 以看 出逆变器输 出的线 电压的最 大 值 为 ，逆变器 输 出的相 电压 的最大值 u a V 一 ， 已经最大限度地利用 了直流电压 那么 由式 ( 5 )和( 6)可以得到 、 、r， 6 ，再 根 据矢量作用 的顺序 就可 以得到开关器件的触发脉 冲信号 。综上所 述 ，该方法 具有 开关损 耗小 ，P WM 谐波分量小 直流电压利用率高的优点。 5 仿 真 结 果 图 5 为 在 P S C A D E MT D C 仿 真 环 境 下 的 有 一 一 堪 一 一 赔 图 6补偿前 的 a 相 电流 F i g 6 T h e c u r r e n t o f a p h a s e b e f o r e c o mp e n s a t i o n 图 7补偿后的 a相 电流 F i g 7 The c ur r e n t o f a p ha s e a f t e r c o mpe n s a t i o n 源 电 力 滤 波 器 系统 的总 构成 图 电网侧 相 电压 为 2 2 0 V 5 0 H z 逆 变器输 出侧 电感 为 1 5 m H直 流侧 电容为 3 1 3 3 3 Ix F负载 为 二极 管 整流 器 开关 管 为 I G B T ，开关 频 率 为 1 0 k Hz ，T a 、死、 为计 算 得 到的开 关管 的导通 时 间。 图 6 、图 7分别 为 补偿 前后 的 a相 电流仿 真 从仿 真 的结果 可 以看 出 本 文所论 述 的有 源 电 力 滤波器 的 电流 的检测 和控制 方法 能较好 地完 成有 源 电力 滤波器 电流 的实 时检测 和控 制 有 源 电力滤 波 器可 以有效 地滤 除 电网 中的谐波 净 化 电网 ，是 一 种很好 的 电力 系统谐 波补偿 装 置 盏 曲 1 王兆安 李民等 三相 电路瞬时无功功率理论 的研 究 电 工技 术学 报 ，1 9 9 2 ( 3 ) ：5 55 9 2吴非 张延迟 等 电力有源 滤波器 的技 术现 状 华东电力 ，2 0 0 6 ， 3 4 ( 7 ) ：7 1 7 4 3 林 良真 叶林 电磁 暂态 分析 软件 包 P S C A D， E MT D C 电网技术 ，2 0 0 2 ，2 4 ( 1 ) ：6 5 ，6 6 4 王兆安 等 谐 波抑制和无功功率补偿 北京 ： 机械工业 出版社 ，2 0 0 2 ：2 4 5 ，2 4 6 5 姜俊峰 刘会金 空间矢量控制在有源滤波器 中 的 应 用 继 电器 ，2 0 0 4，3 2 ( 5) ：2 73 0 6 陆红波 赵成勇 有源电力滤波器的空间矢量控 制方法研究 电力情报 ，2 0 0 1( 3 ) ：4 3 4 5 2 0 0 91 2 0 4来稿 2 0l 00 1 0 7修 回