三相四线制有源电力滤波器控制方法及仿真

第２８卷第４期　２００７年８月　电力电容器　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｖ０１．２８　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２００７　

三相四线制有源电力滤波器无差拍控制策略研究　

刘　斌，曾国宏　

（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）　

摘要：首先对三相四线制有源电力滤波器的四桥臂主电路拓扑结构进行了电路分析。基于　

此．提出一种能适用于三相四线制有源电力滤波器的无差拍控制方法。最后用ＭＡＴＬＡＢ对无　

差拍的控制策略在三相四线制有源电力滤波器中的应用进行了仿真实验。　

关键词：三相四线制；　有源电力滤波器；　无差拍控制　

中图分类号：ＴＮ７１３，８文献标识码：Ｂ文章编号：１００２－０３４９（２００７）０４－００２２－０４　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｄｅａｄｂｅａｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　Ａｐｐｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅ　Ｆｏｕｒ－－ｗｉｒｅ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　

ＬＩＵ　Ｂｉｎ，ＺＥＮＧ　Ｇｕｏ—ｈｏｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ—ｌｅｇ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａ　ｄｅａｄ—　

ｂｅａｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｆｏｕｒ—ｗｉｒｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）、Ａｔ　

ｌａｓｔ，ａ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｔｕｄｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｏｆ　ＭＡＴＬＡＢ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅａｄｂｅａｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　

ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ｆｏｕｒ—ｉｒｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｏｎｅ．　

电力自动化设备ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

0引言

随着现代工业的发展

，非线性负载开始广泛使用

，

谐波及无功电流对电网的污染已不容忽视

，有源电

力滤波器APF（ＡctiveＰowerＦilter）的诞生为此提供

了有效的解决方案

。目前三相三线制APF应用已较

为成熟

，而对于我国大多采用三相四线制线路的市

政电网

，三相四线制并联APF

［1鄄2］由于能够补偿网侧

三相和中线上谐波及无功电流

，开始逐步受到关注

。

目前

，APF电网电流检测算法主要有如下4种

。

①基于瞬时无功功率理论的实时检测法

［3］，其主要

包含p鄄q法和i

p鄄i

q法

。这2种方法补偿效果都比较

明显

，但由于其原理是建立在对称的三相三线制电

路基础上

，三相电流不含零序分量

，故而在应用广泛

的三相四线制线路中并不适用

。②基于傅里叶级数

的变换法

［4］。该方法具有较高的检测精度而且可以

对基波和指定谐波进行检测

，但由于对周期数据的

分析

，不适宜快速实时控制

。③基于dq0坐标变换

的广义瞬时无功功率法

［5］。由于该方法可对零序电

流进行运算变换

，故而适用于三相四线系统

。假设

应用该方法进行同步坐标变换并断开瞬时无功q轴

滤波通道得到指令电流

，其补偿后三相网侧电流只

含对称的基波正序有功分量且中线电流为0，这将导

致APF向网侧注入大量基波电流不对称分量

，严重

增加了开关器件流通电流大小

。④基于瞬时无功功

率理论改进的单相谐波检测方法

［6］，该方法在单相

APF中有过应用

。本文考虑到三相四线制系统可以

看作3个依次滞后120°的单相系统组合

，故而可分

别通过低通滤波器获得每相的基波有功电流

，使得APF仅需补偿无功及谐波电流

，并使中线补偿后只

含基波电流

。而FBD（FryzeBuchholzDpenbrock）［7］、

自适应

、神经网络检测

、小波检测等其他检测手段也

曾是APF研究的热点

［8鄄10］。

在控制算法层面

，基于PI调节的三角载波比较

控制法在传统的APF控制中被广泛应用

第４８卷第１期　２０１４年１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４８，Ｎｏ．１　Ｊａｎｕａｒｙ　２０１４　

三相四线有源电力滤波器的仿真及实验　

刘景远　，张忠杰　，万玉良　，张　伟　（１．内蒙古东部电力有限公司电力科学研究院，内蒙古呼和浩特０１００２０；　２．内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司，内蒙古通辽０２８０００；　３．内蒙古东部电力有限公司，内蒙古呼和浩特０１００２０）　

摘要：对有源电力滤波器（ＡＰＦ）的基本原理进行了简要说明，然后对ＡＰＦ的数学模型进行推导，通过瞬时无功　功率理论的算法获取谐波指令，最后搭建了Ｍａｔｌａｂ仿真模型及实验柜机，对ＡＰＦ的算法进行了验证，结果证明　了该算法的正确性。　关键词：有源电力滤波器；谐波；瞬时无功功率理论　中图分类号：ＴＭ７１３￣．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１４）０１—００４３－０２　

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅ　Ｆｏｕｒ・－ｌｉｎｅ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　

ＬＩＵ　Ｊｉｎｇ・ｙｕａｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｏｎｇ￣ｉｅ　，ＷＡＮ　Ｙｕ—ｌｉａｎｇ３，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ　

（１．Ｐｏｗｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ｅａｓｔｅｒｎ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｏｈｈｏｔ　０１００２０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｂｒｉｅｆ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ），ｔｈｅｎ　ｄｅｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｍａ—　ｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＰＦ．Ｆｏｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｏｂｔａｉｎｓ　ｉｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｔｈｅ　Ｍａｔｌａｂ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｆｏｒ　ＡＰＦ　ａｔ　ｌａｓｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｖａｌｉｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃ；ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ　ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｔｈｅｏｒｙ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｓｅｄ　ｂｙ　Ｓｔａｔｅ　Ｇｒｉｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．３６ＫＪ０４０１０１Ｃ２００２５２０１２００００）　

２０１０年第１９期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　０电力与能源。　科技信ＪＩ　基于３ＤＳＶＰＷＭ调制的三相四线制　有源滤波器仿真研究　周睿’程超然　孑Ｌ令军’　（１．中国矿业大学信电学院江苏徐州　２２１００８；２．山东华聚能源公司东滩矿电厂　山东　邹城２７３５００）　【摘要】详细推导了３Ｄ－ＳＶＰＷＭ空间调制技术，介绍了三维空间中电压矢量的分布以及空间矢量脉宽调制的实现方法。利用ＭＡＴＬＡＢ／　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ构建了电容中点式有源滤波器的补偿模型。对建模过程中的难点给出了必要的说明．最后分析仿真波形验证了３Ｄ—ＳＶＰＷＭ控制策　略的有效性。　【关键词】３Ｄ—ｓｖＰｗＭ；脉宽调制；空间矢量；有源滤波　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３ＤＳＶＰＷＭ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　Ｆｏｕｒ－ｗｉｒｅ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｓｈｎｕｌａｆｌｏｎ　ＺＨｏＵ　Ｒｌｌｉ０　ＣＨＥＮＧ　Ｃａｏ－ｒａｎ　ＫＯＮＧ　Ｌｉｎｇ－ｊＵＢ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ，２２１００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｈｕａｊｕｎｅｎｇｙｕａｎ　Ｄｏｎｇｔａｎｋｕａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｌａｎｔ，Ｚｏｕｃｈｅｎｇ　Ｓｈａｎｄｏｎｇ，２７３５００，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｄｅｔａｉｌｅｄ　ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　３Ｄ——ＳＶＰＷＭ　ｓｐａｃｅ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｒｅｅ—－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｓｐａｃｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｖｅｎ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　ＭＡ１１－ＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｂｕｉｌｔ　ｍｉｄ—ｐｏｉｎｔ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃａｐａｃｉｔｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ１．Ｄｉｆｉｃｕｌｔｉｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｒｅ　ｇｉｖｅｎ　ｔｈｅ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ．ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｖｅｆｏｒｍｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｓ　ｔｈｅ　３Ｄ—ＳＶＰＷＭ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉＳ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】３Ｄ—ＳＶＰＷＭ；Ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；Ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ；Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｏ序言　２　３Ｄ—ＳＶＰＷＭ控制策略　由于三相四线制电力系统在生产和生活中的广泛应用．使用三相　四线制有源电力滤波器改善系统中的谐波越来越受到人们的重视。而　三相四线制系统中零线的存在，使系统中有源电力滤波器主电路及控　制电路的构成与三相三线制系统时有所不同，对零线电流补偿方法的　不同也产生出不同的主电路结构形式和控制方式。其中电容中点式有　源滤波器由于使用较少的电力电子器件，简化了触发脉冲的设计和系　统成本。是当前研究的重点。　在三相三线制系统中．补偿方法一般采用二维空间矢量脉宽调制　（２Ｄ—ＳＶＰＷＭ）技术，但它无法解决三相四线制系统的中线电流问题，这　使得三维空间矢量脉宽调制３Ｄ—ＳＶＰＷＭ（Ｔｈｒｅｅ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｓｐａｃｅ　Ｖｅｃｔｏｒ　Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）技术应运而生。　１　电容中点式有源滤波器数学模型　图１　电容中点式有源滤波器拓扑结构　￡旦≥：　一￡　一　ｄｔ　兰　：　乩一　ｄｔ　￡兰　＝　一　：一　（１）　ｄｔ　ｃ。　＝　ｃ２旦　＝（１一　（１～　州１　其中，如，如和　为ＡＰＦ输出电流；　和　为定义的开关函数；　，　和　为电网电压；￡为ＡＰＦ输出电感。采用ｐａｒｋ变换，得到同　步旋转由。坐标下的数学模型　在图３—７并联型三相四线制有源电力滤波器电路中。直流侧零线　与系统中线连接。假定上半桥臂和下半桥臂电容电压分别为　Ｉ＝￡　＝　。由于系统直流侧零线与系统中线相连接，则某相桥臂导通时，该相　桥臂中点电压即为　；若该相下半桥臂导通，则该相桥臂中点电压即　为一　，依此可定义开关函数为：　ｓ：ｆ　６ｃ　（２）ｌ＿１下桥臂导通，　。，　ｔ　Ｊ　桥臂中点电压即为：　Ｖｊ＝Ｖ￣ｊ　ｊ＝ａ，ｂ，Ｃ　（３）　此时利用ｄ—　一Ｏ坐标系变换：　１一．　１　０　２　１　１　ｉ　ｌ　２　、／３　々　１　、／２　（４）　并将式（３－１６，）代入，可得卿坐标下的瞬时电压矢量为：　叫　）　㈤　其中：　ｆ　１　一　１　１　一＆　（６）　＼Ｓｏ＝ｓ　ｓ　ｓ：　由（３）、（６）可列出三维空间电压矢量的开关参数如表１所示。　表１　三维空间电压矢量开关参数表　‘　开关函数　电压矢量　＆　Ｓｃ　＆　１　１　一ｌ　一１　２　Ｏ　－１　２　ｌ　１　—１　ｌ　２　ｌ　一１　Ｉ　一１　一ｌ　２　一ｌ　—ｌ　１　ｌ　－２　Ｏ　１　ｌ　—ｌ　ｌ　—ｌ　－２　—１　６　ｌ　—ｌ　１　ｌ　－２　１　１　１　１　０　Ｏ　３　ｌ　一１　—１　０　０