亚太经合组织 主动和被动电子元件 1563 - 5031 0882 - 7516 Hindawi出版公司 10.1155 / 2015/528360 528360年 研究文章 基于SVPWM控制的三相四线四条腿APF和平均电流的方法 李 Xiangshun 陆 Jianghua 汗 伊克巴尔。 自动化学院的 武汉科技大学 205年公司道路、红山、武汉、湖北 中国 whut.edu.cn 2015年 16 3 2015年 2015年 30. 08年 2014年 03 03 2015年 16 3 2015年 2015年 版权©2015 Xiangshun李和Jianghua路。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

提出了一种新的控制方法为三相四线四条腿型有源电力滤波器(APF)实现准确、实时补偿电力系统的谐波,并结合空间矢量脉宽调制(SVPWM)三角调制策略。首先,简述了APF的基本原则。谐波和无功电流瞬时无功功率理论推导。最后仿真和实验构建来验证该方法的正确性和有效性。仿真结果表明,补偿约0.025秒的响应时间和总谐波失真(THD)阶段的电流源 一个 减少与APF补偿前的33.38%到3.05%。

 1。介绍

随着电力电子设备被广泛应用于工业和商业领域,大量的非线性负荷如电机、静态功耗转换器,和电弧炉已经连接到电力系统,导致电网电压和电流的波形失真,严重降低了电能质量 1- - - - - - 3]。扭曲的电流和电压含有大量的谐波,这不仅导致电力系统组件的额外的加热和损失,但同时也导致电压降在他们各自的谐波频率扭曲共同耦合点的电压波形(PCC)。有源电力滤波器(APF)是一种电子设备,它可以动态抑制谐波、补偿无功功率,消除不对称加载,克服无源滤波器的缺点(LC滤波器)。

APF的补偿性能很大程度上取决于控制方法。文献[ 4)总结了APF的主电路的控制策略。有两种类型的拓扑结构,三条腿分裂电容结构和四条腿逆变器结构,主电路的三相四线APF [ 5, 6]。分裂电容结构,三相逆变器本质上是由三个信号相位半桥逆变器,所以患有利用直流环节电压不足。另外三条腿分裂电容结构的直流母线电容器必须均压。因此,控制策略是非常复杂的 7]。参考文献( 8- - - - - - 10]分析了三维空间矢量脉冲宽度调制(3 d-svpwm)控制理论和引入3 d-svpwm策略的基础上 α β γ 坐标系统或 一个 b c 坐标系统的三相四条腿并联APF。虽然这些策略提供好的想法和措施来解决零序电流补偿,他们想出一些缺点如高复杂性和计算速度缓慢。结果,生成的电流信号基于这些控制算法不能及时实现相位同步在工程与电力系统的谐波电流。

本文提出了一种新颖的控制方法基于三相四条腿逆变器并联APF。的 一个 B C 三条腿和基准线的腿( N 腿)可以被分离和独立控制。不仅是该方法的控制理论和计算非常简单,这是基于二维的SVPWM控制算法和三角调制策略,也是工程应用在电力系统三相四线可以成真。

 2。工作原理

APF主要由测量谐波和无功电流检测电路和补偿电流产生电路。和补偿电路是由控制电路的补偿电流,驱动隔离电路,主电路。APF的拓扑如图 1。

APF的拓扑。

APF的工作原理是通过检测控制电路实时准确检测相应的负载电流的谐波成分( 我 l ),同时补偿电流产生电路产生电流信号在幅值和相位相反的谐波电流,负载电流注入的电路来抵消原来的负载电流的谐波分量,这源电流( 我 年代 )只包含基本有功电流和少量的谐波分量;也就是说,消除谐波和补偿无功功率的目的。

 3所示。的基于瞬时无功功率理论的谐波提取方法

在本文中,我们选择 我 p - - - - - - 我 问 方法( 11- - - - - - 13)基于瞬时无功功率理论检测谐波电流与组件 p - - - - - - 问 方法,该方法不能有效分离基本电流分量和谐波电流分量,当电网当前的扭曲。谐波电流检测的图如图 2。考虑 (1) 我 0 = 我 一个 + 我 b + 我 c 3 , (2) 我 一个 ′ = 我 一个 - - - - - - 我 0 , 我 b ′ = 我 b - - - - - - 我 0 , 我 c ′ = 我 c - - - - - - 我 0 。

谐波电流检测的图。

在图 2, 我 一个 , 我 b , 我 c 负载电流,它包含零组件。并给出零组件( 1)。的 我 一个 ′ , 我 b ′ , 我 c ′ 计算了( 2),它只是包含正序和依靠组件。然后 我 一个 ′ , 我 b ′ , 我 c ′ 转移到瞬时有功电流吗 我 p 和瞬时无功电流 我 问 通过以下坐标转换: (3) 我 α 我 β = 2 3 1 - - - - - - 1 2 - - - - - - 1 2 0 3 2 - - - - - - 3 2 我 一个 ′ 我 b ′ 我 c ′ , 我 p 我 问 = 罪 ω t - - - - - - 因为 ⁡ ω t - - - - - - 因为 ⁡ ω t - - - - - - 罪 ω t · 我 α 我 β 。 阶段 一个 电压 e 一个 输入锁相环( 锁相环 )模块和正弦和余弦信号电路模块。然后正弦信号( 罪 ( ω t ) )和余弦信号( - - - - - - 因为 ⁡ ( ω t ) )生产,这是在阶段 e 一个 。的 我 p 和 我 问 获得直流分量 我 ¯ p 和 我 ¯ 问 通过低通滤波器( 通滤波器 ),它对应于基本正序分量 我 一个 f , 我 b f , 我 c f 的 我 一个 ′ , 我 b ′ , 我 c ′ 。然后推导出三相流的非调和当前组件通过逆变换。的 我 一个 , 我 b , 我 c 减去从参考补偿电流的基波分量值吗 我 一个 h , 我 b h , 我 c h : (4) 我 一个 h = 我 一个 - - - - - - 我 一个 f , 我 b h = 我 b - - - - - - 我 b f , 我 c h = 我 c - - - - - - 我 c f 。

然后 我 一个 h , 我 b h , 我 c h 用来计算当前信号补偿电流产生电路。此外,本文采用传统的比例积分( π )控制方法实现电压调节逆变器的直流电压。

 4所示。控制策略的补偿电流产生电路 4.1。< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M51 " > < mml: mn > 3 < / mml: mn > < mml: mi > D < / mml: mi > < / mml:数学> < / inline-formula > svpwm基于< inline-formula > < mml:数学xmlns: mml = " http://www.w3.org/1998/Math/MathML " id = " M52 " > < mml: mi >α< / mml: mi > < mml: mi >β< / mml: mi > < mml: mi >γ< / mml: mi > < / mml:数学> < / inline-formula >坐标系统

主电路的三相四条腿 拼箱 APF图所示 3,在那里 l 1 , l 2 , C inverter-side电感器,grid-side电感,滤波电容器。

主电路的三相四条腿APF。

如图 3三相四条腿逆变器的拓扑结构,由四条腿组成: 一个 , B , C , N ,增加自由度与三相三线三条腿APF。被定义为的切换函数 年代 k ( k = 一个 , b , c , n )。任何时候都有一个且只有一个开关保持打开的开关桥腿。也就是说,大腿和小腿是关闭的 年代 k = 1 。相比之下,当 年代 k = 0 ,这指的是大腿和小腿。所以存在16不同开关状态从0000年到1111年的8转换设备,它对应于16个开关向量:14个活跃的非零向量( V 1 - - - - - - V 14 )和两个零向量( V 0 和 V 15 )。之间的关系的四条腿变换器交流侧电压 α β γ 协调和 一个 b c 协调如下: (5) U α U β U γ = 2 3 1 - - - - - - 1 2 - - - - - - 1 2 0 3 2 - - - - - - 3 2 1 2 1 2 1 2 U 一个 U b U c 。

表 1显示开关状态,相应的四条腿的电压,并合成电压矢量根据不同的开关状态。此外,图 4显示下的开关矢量 α β γ 静态协调。

开关状态和相应的电压。

年代 一个 年代 b 年代 c 年代 n U 一个 n U b n U c n U α U β U γ
V 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
V 1 0 0 0 1 - - - - - - U 直流 - - - - - - U 直流 - - - - - - U 直流 0 0 - - - - - - 6 / 2 U 直流
V 2 0 0 1 0 0 0 U 直流 - - - - - - 6 / 6 U 直流 - - - - - - 2 / 2 U 直流 6 / 6 U 直流
V 3 0 0 1 1 - - - - - - U 直流 - - - - - - U 直流 0 - - - - - - 6 / 6 U 直流 - - - - - - 2 / 2 U 直流 - - - - - - 6 / 3 U 直流
V 4 0 1 0 0 0 U 直流 0 - - - - - - 6 / 6 U 直流 2 / 2 U 直流 6 / 6 U 直流
V 5 0 1 0 1 - - - - - - U 直流 0 - - - - - - U 直流 - - - - - - 6 / 6 U 直流 2 / 2 U 直流 - - - - - - 6 / 3 U 直流
V 6 0 1 1 0 0 U 直流 U 直流 - - - - - - 6 / 3 U 直流 0 6 / 3 U 直流
V 7 0 1 1 1 - - - - - - U 直流 0 0 - - - - - - 6 / 3 U 直流 0 - - - - - - 6 / 6 U 直流
V 8 1 0 0 0 U 直流 0 0 6 / 3 U 直流 0 6 / 6 U 直流
V 9 1 0 0 1 0 - - - - - - U 直流 - - - - - - U 直流 6 / 3 U 直流 0 - - - - - - 6 / 3 U 直流
V 10 1 0 1 0 U 直流 0 U 直流 6 / 6 U 直流 - - - - - - 2 / 2 U 直流 6 / 3 U 直流
V 11 1 0 1 1 0 - - - - - - U 直流 0 6 / 6 U 直流 - - - - - - 2 / 2 U 直流 - - - - - - 6 / 6 U 直流
V 12 1 1 0 0 U 直流 U 直流 0 6 / 6 U 直流 2 / 2 U 直流 6 / 3 U 直流
V 13 1 1 0 1 0 0 - - - - - - U 直流 6 / 6 U 直流 2 / 2 U 直流 - - - - - - 6 / 6 U 直流
V 14 1 1 1 0 U 直流 U 直流 U 直流 0 0 6 / 2 U 直流
V 15 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0

下的开关矢量 α β γ 坐标。

 4.2。这部小说三相四条腿APF的控制方法

基于的分析表 1和图 4,中性线的开关状态的腿只是影响的价值 U γ 时的状态 一个 , B , C 腿被决定。相比之下,开关的状态 一个 , B , C 腿只有影响的值 U α , U β , U γ 但不影响的象征 U γ 除了零向量 V 0 和 V 15 时的状态 N 腿决心。在这样一个世界的开关状态 N 腿就影响三相输出电压的零序分量,和 一个 , B , C 腿的正序和依靠组件确定三相逆变器输出电压。因此, 一个 , B , C 腿腿和零位线可以被分离和独立控制。

为 一个 , B , C 腿,二维SVPWM控制算法用于生成6互补 脉宽调制 波的 α β 协调驱动 一个 , B , C 逆变器的腿。图 5显示了SVPWM控制算法的控制图。控制的本质 N 腿是控制的开关状态 年代 n 使中性线电流跟踪三相负载电流的总和。图 6显示了图的控制 N 腿基于三角调制策略。

SVPWM的控制图。

图的控制 N 腿基于三角调制策略。

 5。仿真和实验分析 5.1。仿真分析

根据上述分析,三相四线四条腿的模拟并联APF在MATLAB / Simulink建立基于SVPWM和平均电流的方法。仿真软件仿真电路如图 7。并给出仿真系统的参数表 2。图 8之前显示了负载电流的仿真波形补偿。负载电流没有APF和源电流是相同的。图 9显示了补偿后的源电流的仿真波形。它可以看到从图 9补偿,响应时间约为0.025秒。此外,源电流的阶段 一个 , B , C 平衡,当前阶段的 N 是补偿后明显改善。图 10显示当前的频谱分析的阶段 一个 之前和之后的补偿。观察图 10官,负载电流的阶段 一个 高达33.38%,负载电流的阶段 一个 含有大量的谐波(尤其是第三和第五谐波电流)没有APF。但源电流THD的阶段 一个 与APF减少到3.05%,满足ieee - 519标准。

仿真参数。

源、负载电压大小 380 V / 50 Hz
主电路的频率 10千赫
直流母线电容( C 1 和 C 2 ) 9600年佛罗里达大学
过滤阻力( l 1 , l 2 ) 0.3 mH, 0.05 mH
滤波电容器( C ) 80年佛罗里达大学
阻尼电阻( R d ) 0.5 Ω
不平衡非线性负载 R = 3 Ω, l = 2 mH R 1 = 2 Ω, l 1 = 1.5 mH

仿真软件模拟电路为三相四线四条腿APF。

补偿前的负载电流波形。

补偿后的源电流波形。

谐波频谱分析的阶段 一个 前后补偿和赔偿。

% (THD没有APF

% (THD APF

 5.2。实验结果

确认的有效性提出了APF的理论分析和仿真结果,我们设计实际的原型。控制系统采用双芯的处理器TMS320F28335为交换数据和实时性能的功能。什么显示在图 11是电力系统三相四线的实验波形电流之前和之后的补偿。比较图 9与图 11 (b),当前波形非常相似时,系统是稳定的。仿真和实验结果表明,该方法可以抑制谐波,提高电力系统的电流波形。

实验前后的波形补偿。

电流波形补偿之前在负载端

补偿后的源电流波形

 6。结论

并联APF是一种新的电子设备,用于动态抑制谐波和补偿无功功率。本文简要描述了APF的基本原理,提出了一种新型三相四线四条腿APF控制方法基于SVPWM和平均电流法;然后APF的MATLAB / Simulink仿真和实验平台。最后,仿真和实验结果证明有效APF的该方法的有效性;也就是说,该方法可以显著提高电能质量。具体来说,该方法不仅为三相四线四条腿APF动态抑制谐波和补偿无功功率,而且简化了计算和工程应用具有良好的性能。

 利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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