基于SVPWM和平均电流法的三相四线四腿有源电力滤波器控制

摘要

摘要提出了一种将空间矢量脉宽调制(SVPWM)与三角调制相结合的三相四线四腿有源电力滤波器(APF)控制方法，以实现电力系统谐波的精确实时补偿。首先，简要介绍了有源滤波器的基本原理。然后根据瞬时无功功率理论导出谐波电流和无功电流。最后通过仿真和实验验证了该方法的有效性。仿真结果表明，补偿响应时间约为0.025秒，相位源电流的总谐波失真(THD)减小由补偿前的33.38%降至补偿后的3.05%。

1.介绍

随着电力电子设备在工业和商业领域的广泛应用，大量的非线性负荷如电机、静态功率变换器、电弧炉等已接入电力系统，导致电网电压、电流波形畸变，严重降低电能质量[1- - - - - -3.］.畸变电流和电压中含有大量谐波，这些谐波不仅会增加电力系统部件的发热和损耗，还会导致各自谐波频率的电压下降，从而导致共耦合点电压波形的畸变。有源电力滤波器(有源电力滤波器，APF)是一种能够动态抑制谐波、补偿无功功率、消除非对称负载、克服无源滤波器(LC滤波器)缺点的电力设备。

有源滤波器的补偿性能很大程度上取决于控制方法。文献[4总结了有源滤波器主电路的控制策略。三相四线有源电力滤波器主电路有三支分体式电容结构和四支逆变结构两种拓扑[5，6］.在分体式电容结构中，三相逆变器本质上是由三个信号相半桥逆变器组成，因此直流链路电压利用率不足。此外，三支路分体式电容结构的直流母线电容必须是共压的。所以控制策略非常复杂[7］.参考文献(8- - - - - -10分析了三维空间矢量脉宽调制(3D-SVPWM)控制理论，并介绍了基于三维空间矢量脉宽调制的控制策略坐标系或三相四脚分流APF的坐标系。这些策略虽然为解决零序电流补偿问题提供了很好的思路和措施，但也存在计算复杂度高、速度慢等缺点。因此，在工程应用中，基于这些控制算法产生的电流信号不能及时与电力系统谐波电流实现相位同步。

提出了一种基于三相四腿逆变器的并联有源滤波器控制方法。的三条腿及零线腿(腿)可分离和独立控制。该方法基于二维SVPWM控制算法和三角调制策略，不仅控制理论和计算非常简单，而且可以在三相四线制电力系统中实现工程应用。

2.工作原理

有源滤波器主要由测量谐波和无功电流的检测电路和补偿电流产生电路组成。补偿电路由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路组成。APF的拓扑结构如图所示1．

有源滤波器的工作原理是通过检测控制电路实时准确检测负载电流中相应的谐波分量()，同时补偿产流电路产生与谐波电流幅值相等、相位相反的电流信号，注入负载电流电路以抵消原负载电流的谐波分量，使源电流()只包含基极有功电流和少量谐波分量;即达到了消除谐波、补偿无功功率的目的。

3.基于瞬时无功功率理论的谐波提取方法

在本文中，我们选择方法(11- - - - - -13基于瞬时无功功率理论来检测谐波电流分量的比较该方法在电网电流畸变时不能有效分离基电流分量和谐波电流分量。谐波电流检测示意图如图所示2．考虑

在图2，，,为负载电流，其中包含零序分量。零序列分量为(1）.的，,是由(2)，只包含正序列和负序列分量。然后，,是否转移到瞬时有功电流瞬时无功电流通过以下坐标变换: 阶段电压输入锁相环()模块和正余弦信号电路模块。然后是正弦信号()及余弦信号()产生，它与．的和获取直流组件和通过低通滤波器()，对应于基本正序列分量，,的，,．然后通过逆变换得到三相电流的非谐波分量。的，,从基波分量中减去基准补偿电流值，,：

然后，,用于计算补偿电流发生电路中的电流信号。此外，本文采用传统的比例积分()控制方法，实现对逆变器直流电压的电压调节。

4.补偿电流产生电路的控制策略

4．1．-SVPWM基于坐标系统

三相四支路的主电路APF如图所示3.,在那里，,分别为逆变器侧电感、网侧电感和滤波电容。

如图所示3.，三相四腿逆变器的拓扑由四个腿组成:，，,，与三相三线三腿有源滤波器相比，增加了自由度。开关函数定义为（，，,）.在任何时候，在同一桥腿的开关中有且只有一个开关持续打开。也就是说，当上小腿是开的，下小腿是关的．相比之下,当，这指的是上肢脱下，下肢接上。因此，8个开关器件从0000到1111存在16种不同的开关状态，对应16个开关矢量:14个有源非零矢量()和两个零向量(和）.四脚变换器的交流侧电压之间的关系协调和坐标如下:

表格1显示开关状态，相应的四支腿的电压，以及根据不同开关状态的合成电压矢量。此外,图4显示了转换向量静态协调。

4.2。三相四腿有源电力滤波器的新控制方法

基于对表的分析1和图4，中性线腿的开关状态只影响其值当状态，,腿被决定。相比之下，开关状态的，,腿只对价值有影响，,但不影响象征除了零向量和当状态腿决心。在一个世界中，开关状态支腿刚好影响三相输出电压的零序分量，并且，,支腿决定三相逆变器输出电压的正序和负序分量。因此,，,腿和零线腿可以分开和独立控制。

为，,腿部，采用二维SVPWM控制算法生成6个互补波的协调驱动，,逆变器的腿。数字5给出了SVPWM控制算法的控制图。控制的本质腿是控制开关状态的使中性线电流跟踪三相负载电流之和。数字6控件的关系图腿部基于三角形调制策略。

5.仿真与实验分析

5．1.仿真分析

根据上述分析，在MATLAB/Simulink中基于SVPWM和平均电流法对三相四线四腿并联有源滤波器进行了仿真。Simulink仿真电路如图所示7．仿真系统参数如表所示2．数字8给出了补偿前负载电流的仿真波形。无有源滤波器时，负载电流和源电流是相同的。数字9给出了补偿后源电流的仿真波形。从图中可以看出9补偿的响应时间大约是0.025秒。此外，相位的源电流，,是平衡的，而电流的相位补偿后改善明显。数字10显示了相位电流的频谱分析补偿前后。观察图10，即该相负载电流的THD为33.38%，负载电流为相包含大量谐波波(特别是三次和五次谐波电流)而无有源滤波器。而是源电流的相位THDAPF降至3.05%，符合IEEE-519标准。

5.2。实验结果

为了验证理论分析和仿真结果的有效性，设计了实际样机。控制系统采用双核处理器TMS320F28335实现数据交换和实时性。如图所示11为电力系统三相四线电流补偿前后的实验波形。比较图9与图11 (b)，当系统稳定时，电流波形非常相似。仿真和实验结果表明，该方法能有效抑制谐波，改善电力系统电流波形。

6.结论

并联有源滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电子器件。本文简述了有源滤波器的基本原理，提出了一种基于SVPWM和平均电流法的三相四线四腿有源滤波器控制方法;然后搭建了有源滤波器的MATLAB/Simulink仿真和实验平台。最后，仿真和实验结果验证了该方法对有源滤波器的有效性;该方法可显著改善电能质量。具体来说，所提出的方法不仅对三相四线四腿有源滤波器进行了动态谐波抑制和无功补偿，而且简化了计算，在工程应用中具有良好的性能。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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