(最终)基于MATLAB的APF和SVG的仿真研究1

PLLtsin-tcosilailbilcTc11cLPFLPF---++iahibhichae基于MATLAB的APF和SVG的仿真研究何永珍1，杨帅2（1中北大学太原市030051，2中北大学太原市030051）摘要：基于瞬时无功理论，对APF和SVG做了系统仿真，提出了算法的优化方案。通过比对不同电感值对系统的影响，优化仿真系统，最后给出实验结果和分析图。仿真结果表明该仿真对于程序的优化和硬件的选择有指导意义。关键词：APF；SVG；瞬时无功理论；低通滤波器中图法分类号：TP712文献标识码：BStudyofthesimulationofAPFandSVGbasedonMATLABHeYongzhen1,Yangshuai2(1NorthuniversityofChina,Taiyuancity,CityProvinceZipCode:030051。2NorthuniversityofChina,Taiyuancity,CityProvinceZipCode:030051)Abstract:Basedoninstantaneousreactivepowertheory,thesimulationmodelofAPFandSVGisbuiltandthealgorithmoptimizationplanisproposed.Bycompareiingtheimpactofdifferentvalueofinductance,thesimulationsystemisoptimized.AtlastTheexperimentalresultsandanalysisdiagramareshowed.TheresultindicatedthatthissimulationhastheguidingsenseregardingtheprocedureoptimizationandtheselectionofhardwareKeywords:APF;SVG;Instantaneousreactivepowertheory;Low-passfilter0引言随着现代电力电子等技术的发展与应用，给人们的生活带来诸多改善。但是伴随而来的是电网电压和电流波形发生畸变，谐波污染日益严重；由于大多数电力电子装置功率因数较低，要消耗大量的无功功率，极大的影响了供电质量，对其治理的技术也成为人们关注的热点。基于瞬时无功理论的APF和SVG的设计很多，但是对于参数的设置及在实际中的应用未给予充分说明。1瞬时无功理论日本学者赤木泰文（AkagiH）于1983年提出了三相瞬时无功理论，该理论较好地解决了三相电路谐波和无功电流的实时检测问题，在三相系统中得到了成功应用。经过改进发展成为现在的qpii检测法和qdii检测法。本文采用的是qdii检测法，其算法框图如下图所示：图1qdii检测法框图图1中的坐标变换公式如下：1c=32212121)32sin()32sin(sin)32cos()32cos(costttttt-1PIPIPIabc/dqdq/abc三角波比较产生PWM波IQrefIdrefUdUdref去SVG主电路驱动---IaIbIcIqIdTc1=3221)32sin()32cos(21)32sin()32cos(21sincosttttttai1、bi1、ci1进过1c坐标变换得到qdii，然后通过低通滤波滤掉谐波，只剩基波，然后再通过Tc1坐标变换，再与ai1、bi1、ci1做差就得到谐波指令电流。此运算方式较简单，延迟少，实时性好，但要求锁相环产生的tsin、tcos准确无误。2APF和SVG算法的仿真分析APF和AVG两者工作原理基本相同，APF是补偿谐波，SVG是补偿无功。2.1运算电路APF意在处理电网电流中谐波电流问题，通过采集负载电流，然后经过滤波得到谐波电流，将其反量实时的补偿回系统电网，抵消负载电流中的谐波电流，使系统电流波形保持为正弦波。APF的控制算法包括三个部分：谐波的检测、直流电压控制和指令信号生成。仿真示意图如下图2所示。图2APF指令电流运算电路图2中，输入信号1为负载电流，信号2为直流电压，输出为指令电流。图中对于锁相未做处理，因为仿真时主系统和控制回路是同时运行的。在仿真研究中对于补偿谐波电流次数的选择通常未做过多考虑，通常是全补。但在实际设计中，全补所涉及的计算量太大，难以在一个周期内实现，无法实现实时跟踪控制。几乎没有全补的成功案例，多数是对于谐波含量较大的几次谐波进行补偿，使总的谐波含量低于5%即可。2.2补偿电流的算法处理SVG意在处理电网中无功电流问题，通过采集负载电流，经过处理得到无功电流，将其反量实时的补偿回系统电网，抵消负载电流中的无功电流，提高系统电流功率因数。SVG的控制策略主要有两种：直接控制和间接控制。在本次仿真中采用的是直接控制法，如图3所示。图3电流直接控制法SVG的控制算法也包括三个部分，无功检测、直流电压控制和指令信号生成。仿真示意图如图4所示。图中，输入信号1为负载电流，信号2为直流电压，输出为指令电流。图4SVG指令电流运算电路di由直流信号直接给定，qi乘以一个系数，然后再进行坐标反变换。在SVG算法中，关键在于对qi乘以的系数进行调节。当系数大于1时，系统可对感性无功进行补偿；当系数小于1时，系统可对容性无功进行补偿。0.50.510.520.530.540.550.560.570.580.590.6-800-600-400-2000200400600800考虑到一般负载功率因数在0.5~0.8之间，选择一个最优值，使得功率因数接近1。但在此过程中要注意，不能过补偿。经过上述算法处理，可得到对应的谐波电流和无功电流，APF负载电流波形和谐波电流波形。3补偿电流的算法处理APF和SVG，大都是采用电流闭环控制的。在仿真过程中，对于补偿电流的处理方法有两种，一种是补偿电流直接与指令电流做差，然后产生PWM波；另一种是两者进行坐标变换，在直流侧做差，再反变换取得指令信号。如图5所示。通过仿真表明，后者可以使补偿效果提升1个百分点。图5补偿电流反馈处理在瞬时无功理论的应用中，较多采用的是巴特沃斯二阶低通滤波器和滑动窗式低通滤波器。在本次仿真中，采用的是巴特沃斯二阶低通滤波器。对于巴特沃斯二阶低通滤波器，仿真过程中，截止频率越低效果越好，但截止频率较低在实际应用中难以实现，通常选为20Hz或30Hz。在MATLAB的命令窗口输入[b,a]=butter(x,y),（其中x为低通滤波器阶数，y为截止频率与采样频率的一半的比）,即可得到相关参数直接编程，在实际系统中再进行优化。4系统硬件的仿真分析APF和SVG的硬件拓扑结构基本相同，不同点是SVG的直流侧电容值不需要太大，因为SVG不考虑谐波，直流侧只需提供IGBT损耗即可，不用考虑因谐波造成的直流侧和交流侧之间的能量浮动。如图6所示，电容采用两串两并、电阻分压方式连接，电容16和17为无感电容，意在吸收IGBT产生的高频谐波。图6APF及SVG的硬件主电路对于直流侧电压的选取，考虑到硬件特别是IGBT的耐压程度，通常选取750V，但仿真过程中，若电压提升到900V时，补偿结果可以提高1个百分点。选取电感时，由于仿真建立在理想的环境下进行，实际应用中又需要考虑电抗的材质等很多因数，通常选取电感值在200~700uH之间，并且随着系统容量的增大，即谐波电流的增大，电抗的取值可以适当减小。5仿真结果经过上述优化，可得补偿后APF系统电流波形，与负载电流比较，如下图7、8所示图7负载电流波形图8补偿后系统电流波形0.40.410.420.430.440.450.460.470.480.490.5-800-600-400-200020040060080000.050.10.150.20.250.30.350.40.450.500.511.522.53x10500.050.10.150.20.250.30.350.40.450.501234567x1040.350.360.370.380.390.40.410.420.430.44-600-400-20002004006000.350.360.370.380.390.40.410.420.430.44-600-400-2000200400600经上述优化，SVG系统补偿效果分析，补偿前与补偿后比较，如下图所示：图9频谱分析图(1)图10频谱分析图(2）图11补偿前系统电压与系统电流波形图12无功功率波形、有功功率波形分析图图12补偿后系统电压与系统电流波形图13无功功率波形与有功功率波形分析图结束语基于瞬时无功理论对APF和SVG进行仿真，通过对算法的改进，确认算法的可行性及相关参数配置，提高系统的补偿能力。通过仿真比较，得出在基于三角波载波控制的APF和SVG系统中，可以减小电抗值，从而在实际应用中减少成本，优化系统结构。同时还对硬件的选取提供参考。通过以上方案的优化，使得提升系统自身的性能。参考文献[1]王兆安,杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版.1998.[2]赵小英,王平基于MATLAB的并联有源电力滤波系统的仿真研究[J]《自动化技术与应用》2005[3]曾菊容杨小雪用于谐波检测中的数字低通滤波器的设计[J]中国集成电路2007.9:53-57[4]王兴明基于DSP的静止无功发生器的研究与开发沈阳工业大学硕士学位论文2009.7[5]吴勇万淑芸谐波和无功电流检测的MATLAB仿真研究[J]筑龙网2005.1[6]唐忠,陈永炜,廖代发,江友华谐波检测电路低通滤波器参数的优化[J]上海电力学院学2009.8:374-378[7]马晓军,陈建业,王仲鸿,韩英铎,陈伟基陈永红单相并联型有源滤波器的研究[J]清华大学学报(自然科学版)1997年第37卷第7期第39～43页作者简介：何永珍（1988_）、女、河南新乡人、中北大学信息与通信工程学院研究生杨帅（1986_）、男、山西太原人、中北大学信息与通信工程学院研究生作者联系方式：何永珍，联系电话：[phone]杨帅，联系电话：[phone]