工业电力系统的单周期控制有源滤波技术

工业电力系统的单周期控制有源滤波技术–Matlab/Simulink的方法摘要：本文设想在一个周期的仿真控制（OCC）的并联型有源电力滤波器（APF）用于补偿谐波产生的工业电力系统的非线性负载，如控制的并联型有源电力滤波器对谐波含量降低的一个更好的解决方案。模拟不同的负载进行非线性类型使用MATLAB/Simulink软件。OCC的并联型有源电力滤波器补偿谐波电流允许，功，不平衡负载，和零—序电流，呈现良好的动态和稳态性能，因为它可以观察到的仿真结果。仿真结果也证明减少%的THD使用基于单周期控制的并联型有源电力滤波器。1.介绍当今社会，由于能源市场的自由化，电力系统变得越来更加一体化和相互依赖。因此，设备的电能质量会对整个电力系统的性能重要的影响。工业电力系统的特点往往是作为功和显着的大用户因为大多数发电机的谐波负载一般由感应电动机和静态功率变换器组成。有一个严重的功率因数在工业电力系统的谐波问题非线性负载。有利的低功率电子技术，如静态补偿和有源滤波可以用来提高功率在现有的功率因数和减轻谐波系统和新的设计。并联型有源电力滤波器（APF）是一种装置是在一个非线性负载并联连接作为图1所示。有源电力滤波器谐波反应和取消由负载引起的电流使电源电流正弦。有源电力滤波器起着至关重要的作用在当今开放的能源市场。活跃的电力滤波器用于执行不同的探讨功率调节功能的同时与谐波消除由于增加非线性和不平衡负载。图1.并联有源电力滤波器拓扑结构大的单源的设备如电弧炉，可调速驱动器，导致大多数这些问题。这些负载绘制非正弦电流不平衡从电源，造成谐波注入，功的负担，过多的中性点电流和交流电源的负载不平衡。进一步造成低功率因数，效率低，中性导体爆裂，并与附近的通信相互干扰，因此严重的电能质量问题的造成所谓的“电气污染”。这迫使补偿特性需要提升以满足更严格的谐波标准。大多数的重要的国际标准定义下的权力质量的电物理特性供应提供了正常操作条件确保不破坏或干扰顾客的操作。由于这种脆弱性，增加工业和商业设施的数量试图通过投资更多的保护自己先进的设备，提高供电质量。两种方法可以有效地解决质量问题。第一种方法称为负载空调，以确保设备减少对电源干扰的敏感性，允许操作在显着的电压失真下进行。其他的解决办法是安装空调管路系统抑制或抵消电力系统扰动。电源质量（PQ）是电力系统的一个重要指标。长期PQ的手段意味着保持纯粹的正弦电流波形与一个纯粹的正弦电压波形。电源在发电站产生的是纯粹的正弦在本质上。电力质量恶化的是主要原因是由于电流电压谐波以静电力电子技术广泛的应用变换，零和负序分量由单相的使用和不平衡负载，功，电压骤降，电压骤升，闪变，电压中断等。为了解决工业电源的电能质量问题系统，过去二十年以来，研究和开发专家研究出一种解决方案，以电力电子技术为基础，叫做“有源滤波”。一个活跃的有源电力滤波器（APF）基本上提供了一个动态的和减少/消除谐波调解在电源和功率。有源电力滤波器已被证明是一个重要的选择对于补偿电流和电压扰动配电系统。通常，一个有源电力滤波器在一个非线性负载并联连接，它产生抗谐波取消这些所产生的负载[2]。单周期控制（OCC）有源电力滤波器是基于定频积分控制[3]。这方法采用一个积分器作为磁芯复位组件。它控制的交流–直流脉冲宽度转换器，从而得出当前正相反功及谐波电流引起的非线性负载。与所有先前提出的方法相比，无需产生电流用于控制转换器。这消除了对于交流电压的需要，APF电流和非线性负载电流[16]。只有一个电流传感器和电压传感器（电阻分压器）用于感测主交流电流和直流电容器两端的电压。它提供了一个低成本，高性能的解决方案，为电能质量控制。单周期控制（OCC）技术[3]建立了大信号非线性PWM方案，这种方案具有电路简单，高性能和通用应用程序的特点。OCC已成功实现在电力电子技术的许多分支对直流/直流转换器，放大器，直流/交流在单相PFC和APF和三—三相电路。OCC控制器通常使用复位，力控制变量为满足控制目标，在每个开关周期。它具有快速响应和高精度。一个三相位矢量操作首次在文献[4]报道。2.有源滤波技术有源电力滤波器在过去的三几十年中被设计，改进和商业化。它们适用于补偿电流—基于扭曲如电流谐波，反应功率，和中性线电流。它们也可用于基于电压的失真补偿电压等谐波，电压闪变，电压骤降和骤升，电压不平衡[6]。有源电力滤波器分为两个主要群体即单相和三相。三相有源电力滤波器可以带或不带中性线连接。单相有源电力滤波器用于补偿电能质量通过单相负载，如直流引起的问题电源[16]。三相有功功率过滤器用于大功率非线性负载如可调速驱动器，电弧炉和直流/交流转换器。有源电力滤波器是基于PWM转换器[7]。它们被连接到低、中低压配电系统并联或串联。系列有源电力滤波器必须与操作并联无源滤波器以补偿负载谐波电流。并联型有源电力滤波器的工作作为一个可控电流源的串联型有源电力滤波器作为一个可控电压源。两计划的实施，最好用电压PWM逆变器，具有反应性的直流母线元件，如电容器。有源电力滤波器可以提高一个或多个要求补偿电力系统的功能并提高供电质量。有源电力滤波器的性能取决于额定功率和响应速度。有源电力滤波器改善电能质量的类型选择取决于问题的类型。项目：“谁负责的目的安装有源滤波器”被归纳为以下两组：有源滤波器安装由个人客户他们自己的房屋附近的一个或多个识别谐波产生负载。有源滤波器安装的电力事业在变电站或配电馈线。主要目的的有源滤波器安装个人消费者是补偿电流谐波和/或电流的不平衡谐波产生负载。另一方面有源滤波器的安装的主要目的在不久的将来事业是补偿电压不平衡，或提供谐波的阻尼在配电系统。此外，有源滤波器在权力的公共耦合点实用消费者谐波隔离功能分配系统。有两种类型的用于电源电路有源电力滤波器，电压馈源或电压源逆变器（VSI）和一个电流或电流源逆变器（CSI）。这是类似于用于交流电源电路电机驱动器。然而，他们是不同的行为由于APF作为非正弦电流源或电压源。VSI通常是首选CSI由于较高的效率和较低的成本。一个这样的逆变器并联结构如图2所示。用于有源电力滤波器实现逆变器作为一个电流控制电压源。传统上，两个水平PWM-VSI已被用于实现有源电力滤波器5。然而，在过去的几年中的多级VSI—PWM逆变器提出了发展的有效性中等电压的应用。同时，APF多逆变器并联实现在一系列的直流母线通过一个变压器或级联，在技术文献中已提出的79。3.单周期控制的拓扑结构这个性能仿真技术是参考来自加州理工大学APF的梅德莱博士参考[3，8]，用于单相和三相的分别。该控制方案具有以下特点：电源电流是感应，这是APF提供的负载电流和电流的总和。空载电流检测的非平凡的任务计算谐波和功组件被淘汰。无乘法器用于控制回路。该控制器由一个积分器复位和几个逻辑和线性比较器，加法器等开关频率恒定。不需要锁相环。这是一个简单的，可靠的和成本有效的技术单周期控制用于功率因数校正在一个低功率谐波补偿随着非线性负荷[4]的分销网络。它同时使用电流反馈。工作周期调制在一个比较的基础上进行集成的直流环节电压误差信号和一个信号式的成比例的的源电流。恒定的通过通过开关频率该控制器脉冲复位信号进行维持。A.单循环控制理论单循环控制按钮的原理框图已在图3中标出。该单循环控制按钮采用了带复位积分器的积分电路作为核心来控制脉冲宽度，并且进一步控制S开关。图3.单周期控制开关如果开关频率被假设为fs=(fs=1/Ts)，并且由时钟发生器的频率和带有重置按钮的单积分电路的参数所控制，由此我们可得[10]公式v0(t)=S(t).vi(t)…..(3.1)S(t)是开关函数，并且可以表达为：公式图4开关功能如果fs的频率比vi(t)的频率要大，那么vi(t）就被认为在Ts中是常数。所以输出v0(t)的平均值可以被写作：...............................如果Vref是参考基准信号的理想输出值，可以控制占空率来使v0的积分和vref的积分值在一个Ts周期中严格保持一致如果参考信号Vref(t)比单循环控制开关的频率低很多，那么参考电压Vref(t)可以被认为是一个常数，结合公式3.3和3.4我们可得：结合公式3.3,3.4,3.5可得：如果参考信号比单循环控制开关的频率低很多，可以控制占空率δ来使v0(t）的积分和vref的积分值在一个Ts周期中严格保持一致。这是单循环控制的原理。占空率δ被单循环控制中的参数所决定。肯定的说，占空率是由全过程的时间所决定的，它可以被表达为：所以单循环控制按钮有一个复位积分器来作为核心来控制脉冲宽度。复位积分器的作用就是来控制占空率的。图5.单周期控制的有源电力滤波器该方案的优势在于1）基于constantswitching-frequencymodulation，使用integratorwithreset。2）仅需检测输入源电流而不需要检测三相负载电流3）无需检测三相线电压4）仅需要简单的计算就可得到所需数据，而不需要使用方程解算器5）使用通用原件即可得出简单明了的类比解决方案，从而大大节省开支和原件计数6）三相与单相系统均适用4.模拟实验结果模拟实验数据结果是通过MatlabSimulinkSimPowerSystemToolbox得出的，如Fig7所示，该结构为threephasepowersystemwithashuntAPF。threephaseloadwithAPF由恒频技术控制，源电流、源电压如Fig8所示，Fig9列出了源电流的谐波分析，Fig10列出了实际中性电流和补偿中性电流。Fig11记录了三相APF的DC电容电压。在该模拟实验结果中，动力系统污染负荷可分为以下几个类别：1）线性三相不平衡负载：包含三个R-Lload连接starRa=15ΩRb=5ΩRc=3ΩandLa=Lb=Lc=14mH2）非线性不平衡负载：包含三个单相二极管整流器连接不同的phrases，导致不同的R-L负载，在DC端Ra=15Ω,Rb=5Ω,Rc=3ΩandLa=Lb=Lc=14mH.3)非线性平衡三相负载，它包含了三相晶体管控制的整流器，附带R-L负载，.......(这里完全看不懂）最初理想电源会拥有不使用有源电力滤波器的27.6%的总谐波失真。有源电力滤波器的完整模型已经被植入进MTALAB软件数据包中，基于OCC的APF在平衡相中补偿谐波和反应力。如果需要的话，源电流中的高频谐波可以被小过滤器轻松的过滤掉。同时，中性线电流也会被有效补偿。可以看出，OCC方案提供了出色的动态响应。为APF服务的直流母线电容电压在最初短暂的时间里几乎保持了恒定。因此，该方案提供了所需稳定情况和瞬间变化情况性能下的条件。从模拟结果发现，单周期控制（OCC）可以使用来以经济的方式实现简单的模拟电路。该单周期控制的成本（OCC）方案甚至可以用来减少通过减少开关在单数和三相系统来降低成本。此外APF是一般工作在约10kHz的开关来达到良好的性能。通常使用的开关是MOSFET和IGBT。计算机仿真验证了该控制方案（OCC）的有效性。仿真结果证明以下目标已成功实现：□降低电源电流谐波（减少10％THD）。APF的下动态和稳态操作的良好表现。的多功能（无功补偿，谐波和零线电流消除）图6.三相OCC基于APF的Matlab/Simulink的模型与工业电力系统的负荷图7.工业电源三相电流源与APF系统图8.工业电源三相电压源与APF系统图9.工业动力系统三相电流源的谐波分析图10.中性线电流与APF图11三相APF的直流电容电压图12.OCC的APF基于工业电源系统提到的开路特性基于有源电力滤波器的安装对于电力系统在非线性过载的操作在图12中有示范。到的开路特性基于有源电力滤波器可以有效的满足ieee519在和铉层次上所有非实际电压情况。源电流在总谐波失真补足够是1.37%。ieee-519的提议是：提到的方法有很好的协和限制。5.总结本文基于单周期控制的有源电力滤波器已经呈现。该方案的主要优点是在中压和高压电力系统的直线前进的应用。该