有源電力濾波器的Matlab仿真

高 勇

(四川省電力公司信息通信公司，四川 成都 610041)

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使得各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，然而，由諧波所造成的危害也越來(lái)越嚴(yán)重了。由于諧波的存在，不僅會(huì)使得電能在生產(chǎn)、傳輸和利用過(guò)程中的效率降低，而且還會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備的使用壽命因過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲、絕緣老化而縮短，甚至還可能引起電氣設(shè)備故障或燒毀［1］。同時(shí)，諧波的存在也常常會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作從而引起電能計(jì)量出現(xiàn)混亂［2］。在電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。因此，諧波問(wèn)題受到了世界各國(guó)的普遍關(guān)注，諧波的治理成為了一大研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)于諧波的治理主要有采用無(wú)源濾波裝置和有源濾波器(active power filter，APF)。有源電力濾波器的濾波效果非常好，在其額定的無(wú)功功率范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)完全濾波。然而，有源電力濾波器是一個(gè)復(fù)雜非線(xiàn)性的控制系統(tǒng)，要對(duì)其進(jìn)行精確地理論分析是比較困難的，所以通過(guò)用模擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)就顯得非常必要［3，4-7］。

在Matlab中有許多實(shí)用的工具箱，如控制系統(tǒng)工具箱、濾波器設(shè)計(jì)工具箱、通信工具箱等。Simulink是基于Matlab的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，可以用來(lái)對(duì)各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和仿真，而且Simulink還提供了豐富的功能塊以及不同的專(zhuān)業(yè)模塊集合［6］。因此，這里擬采用利用Matlab對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)仿真。

1 Matlab仿真簡(jiǎn)介

Matlab及其Simulink環(huán)境下的仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)仿真中應(yīng)用很普遍，仿真環(huán)境界面簡(jiǎn)單。

Simulink是一個(gè)能對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。它支持線(xiàn)性和非線(xiàn)性系統(tǒng)連續(xù)和離散時(shí)間模型，或者是兩者混合的模型，可方便迅速地建立起各種非線(xiàn)性或線(xiàn)性的模型。Simulink模型不僅能讓用戶(hù)知道具體的環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，隨時(shí)觀察仿真過(guò)程中系統(tǒng)各處的動(dòng)態(tài)變化，而且能清晰地了解各器件、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響［3，5-7］。

2 諧波計(jì)算仿真模型

要對(duì)諧波進(jìn)行計(jì)算，則設(shè)計(jì)了諧波計(jì)算仿真模型、三相/兩相的轉(zhuǎn)換模型和兩相/三相的轉(zhuǎn)換模型。

諧波檢測(cè)模型采用ip-iq方式算法。如圖1所示，非線(xiàn)性負(fù)載電流 ia、ib、ic經(jīng)過(guò)3/2變換、C運(yùn)算后得到有功電流ip和無(wú)功電流iq;經(jīng)低通濾波器濾波得到其直流分量，然后進(jìn)行C反變換、2/3變換得到基波電流，然后負(fù)載電流與基波電流相減后便得到諧波電流分量。

圖1 諧波計(jì)算模型

在該運(yùn)算方式中，需要與A相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)sinωt和余弦信號(hào)cosωt，在仿真模型的建立中，用鎖相環(huán)和正余弦信號(hào)發(fā)生電路模型產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 PLL與正余弦信號(hào)發(fā)生模型

圖3為三相負(fù)載電流經(jīng)過(guò)C32C變換后得到兩相有功電流和無(wú)功電流的過(guò)程，其中模型中的sincos為與A相電壓同相位的正、余弦信號(hào)。

在ip-iq方式算法來(lái)進(jìn)行諧波電流檢測(cè)時(shí)，有一個(gè)低通濾波環(huán)節(jié)，用于從有功和無(wú)功電流中檢出其直流分量。低通濾波算法的性能直接決定著諧波檢測(cè)的精確性和動(dòng)態(tài)跟蹤速度，影響著有源電力濾波器諧波補(bǔ)償?shù)男阅堋ＴO(shè)計(jì)的基本原則是:應(yīng)保證對(duì)直流分量的增益為1，并盡可能衰減交流分量。目前常用的濾波器形式有FIR濾波器(非遞歸模型)和IIR濾波器(遞歸模型)。FIR濾波器的優(yōu)點(diǎn)是可以精確到線(xiàn)性相位，但維數(shù)一般很高，而IIR濾波器在維數(shù)不需要很高的情況下就能滿(mǎn)足一定的指標(biāo)。這里選用的是2階ButterWorth濾波器，在低頻段，該濾波器具有較好的檢測(cè)精確性。

圖3 三相/兩相轉(zhuǎn)換模型

兩相/三相變換的仿真模型如圖4所示，有功和無(wú)功電流的直流分量經(jīng)過(guò)C-1C23變換后，輸出三相負(fù)載電流的基波分量 iaf、ibf、icf。

圖4 兩相/三相轉(zhuǎn)換模型

3 PWM信號(hào)控制主電路仿真模型

有源電力濾波器的主電路由逆變器組成，主要用于在特定PWM脈沖的控制下補(bǔ)償交流電網(wǎng)存在的諧波電流［8］。PWM信號(hào)產(chǎn)生及控制變流器的仿真模型如圖5所示，該模型的輸入電流為ipwm，它是諧波電流與逆變器輸出電流的差值，通過(guò)滯環(huán)比較來(lái)控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷，從而產(chǎn)生補(bǔ)償諧波電流。

圖5 PWM信號(hào)控制模型

4 系統(tǒng)仿真模型及參數(shù)設(shè)置

(1)系統(tǒng)仿真模型

圖6 APF系統(tǒng)模型

該仿真模型主要包括了諧波源產(chǎn)生電路、諧波計(jì)算模塊、PWM信號(hào)產(chǎn)生并控制變流器產(chǎn)生補(bǔ)償電流的模塊。

(2)參數(shù)設(shè)置

圖7 APF系統(tǒng)的仿真波形

采用相電壓為220 V，頻率為50 Hz的三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。為了使有源電力濾波器在工作時(shí)有一個(gè)較好的補(bǔ)償效果和較快的反應(yīng)速度，變流器直流側(cè)的電壓要超過(guò)其線(xiàn)電壓的2倍以上［9］，這里控制直流側(cè)的電壓選擇為750 V。

選定的電容值為2000 μF，輸出電感值為2 mH。

5 仿真結(jié)果與分析

仿真結(jié)果如圖7(a)、(b)、(c)、(d)所示。

由仿真波形可以看出，原來(lái)由于非線(xiàn)性負(fù)荷所造成的電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變，在接入APF進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償以后，該系統(tǒng)電流的波形基本上為一個(gè)正弦波形，從而達(dá)到了濾波效果。通過(guò)進(jìn)行FFT頻譜分析之后，得到諧波含量和總諧波畸變率:總諧波畸變率在補(bǔ)償前達(dá)到了近18.5%，補(bǔ)償之后不到2.1%;各次諧波的補(bǔ)償率均達(dá)到了90%以上。由此可見(jiàn)該仿真濾波器系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了諧波補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/p>

6 結(jié)論

根據(jù)有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的組成，搭建了基于Matlab-Simulink仿真環(huán)境下的系統(tǒng)模型，并對(duì)各個(gè)模塊分別給予仿真結(jié)果以及結(jié)論分析。通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，各仿真模塊能夠完成模塊的功能，整個(gè)系統(tǒng)能夠完成濾波任務(wù)。

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