基于空间矢量的有源电力滤波器仿真研究——毕业设计(编辑修改稿)

基于空间矢量的有源电力滤波器仿真研究——毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

控制的思想，进而发展产生了电压空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 的概念。 SVPWM 控制技术是一种优化了的 PWM 控制技术。 和传统的 SPWM 法相比，SVPWM 法具有直流利用率高 (比传统的 SPWM 法提高了约 15%)，谐波少，控制简单，易于数字化实现等优点。 而且电压空间矢量的不同调制方法在不同程度上可以缓解开关 频率与开关损耗之间的矛盾问题。 正是由于 SVPWM 控制的这些优点，使得本课题的研究具有现实意义。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 6 随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性挑特 性的用电设备使电网中的谐波污染状况日益严重。 电网中的高次谐波会对电力系统中的各部分设备造成严重影响，因此，必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波。 目前大量采用并联型无源滤波器来抑制谐波，但由于并联型的无源滤波器存在不少问题，影响到实际应用。 所以目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，这就是电力有源滤波器 ( APF)。 与无源滤波器 ( PF)相比 ,电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电网阻抗的影响。 有源电力滤波器是当前对电网中谐波污染补偿或抵消的有效手段，本文对有源电力滤波系统的工作原理进行了理论研究和分析。 MATLAB /SIMULINK提供的 SimPower 工具箱基本涵盖了电力系统建模和仿真的各个方面。 利用SimPower 工具箱对有源电力滤波器装置进行了建模和仿真，能够将有源电力滤波器的工作过程及有关波形准确直观地显示出来，验证了理论分析的正确性。 本文主要要完成以下几项任务： 详细分析空间电压矢量脉宽调制 (SVPWM)技术的基本原理。 简介有源电力滤波器的工作原理和结构种类，谐波检测方法。 对 SVPWM 的控制算法进行详细地分析和推导。 利用 MATLAB 中的 SIMULTNK 动态仿真工具实现 SVPWM 控制算法的动态仿真；同时在此基础上建立 SVPWM 逆变器有源电力滤波器系统仿真模型，详细分析了此种情况下系统的动态性能仿真。 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 7 第二章 空间矢量脉宽调制技术的理论基础 传统的 SPWM 控制技术主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，对电流波形一般只能采取间接控制。 而在 实际应用中，异步电机需要输入电流尽量接近正弦波，从而在空间上形成圆形旋转磁场，产生稳定的电磁转矩。 如果对准这一目标，按照跟踪圆形磁场来控制 PWM 电压，那么控制效果就会更直接。 这就是“磁链跟踪控制”的基本思想。 磁链的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以这种方法又叫做“电压空间矢量调制”，即 SVPWM。 SVPWM技术最初是应用在电机调速领域的，后来扩展成为一种在整流 /逆变领域应用广泛的 PWM 方法。 本节将从传统的磁链跟踪角度来介绍 SVPWM 技术的基本原理。 电压空间矢量的概念 电压空间矢量是按照电压所加 在绕组的空间位置来定义的。 电动机的三相定子绕组可以定义一个三相平面静止坐标系，如图。 图 这是一个特殊的坐标系， A, B, C 分别表示在空间静止不动的电机定子三相绕组的轴线，它们在空间互差 120176。 三相定子相电压 UA、 UB、 UC 分别加在三相绕组上，可以定义三个电压空间矢量 uA0 、 uB0 、 uC0 ，它们的方向始终在各相的轴线上，而大小则随时间按正弦规律做变化，时间相位互差 120176。 假设 U 为相电压有效值， f 为电源频率，则有：          322c o s2322c o s22c o s2tfUtUtfUtUtfUtUAAA （ 21） f2uA0uB0uC0)(tUABC安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 8 假设单位方向矢量  32j ，则电压空间矢量相加的合成空间矢量 tU 就可以表示为：          eUtUUtUU ftjCBA  22 2t32t  （ 22） 可见 tU 是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，为相电压峰值；当频率不变时，以电源角频率 f2 为电气角速度做恒速同步旋转，哪一相电压为最大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上。 三相逆变器的基本电压矢量 图 所示为三相电压型逆变器结构图。 利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形轨迹为目标，就可以产生谐波少的、且直流电源电压利用率较高的 输出。 图 中的 V1V6 是 6 个功率开关管，引入开关函数 SA, SB 和 SC，分别代表三个桥臂的开关状态。 图 三相电压型逆变器结构图 规定：当上桥臂开关管“开”状态时 (此时下桥臂开关管必然是“关”状态 )，开关状态为 1；当下桥臂开关管“开”状态时 (此时上桥臂开关管必然是“关”状态 )，开关状态为 0。 三个桥臂只有“ 1”和“ 0”两种状态，因此开关函数 SX(X=A, B, C)是一个二值变量，上桥臂器件导通时 SX=1，下桥臂器件导通时 SX=0 0 (SA, SB, SC)组合在一起，一共有 8 种基本工作状态 ，即： 100，110， 010， 011， 001， 101， 111， 000。 其中前六个工作状态是有效的，称做非零矢量；后两个工作状态称做零矢量。 可以推导出，三相逆变器输出的线电压矢量  TCABCAB UUU , 与开关函数  TSCSB,SA, 的关系为： SCSBSAUUUUdCABCAB101110011 (23) 三相逆变器输出的相电压矢量  TU,U,U CBA 与开关状态矢量  TSCSBSA , 的关系为： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 9 SCSBSAUUUUdCBA21112111231 (24) 式中， Ud 是直流电源电压或称总线电压。 式 (23)和 (24)的对应关系可用表 21来表示。 表 21 开关状态与相电压和线电压的对应关系 将表 21 中的八组相电压值代入式 (22)，就可以求出这些相电压的矢量和相位角，这八个矢量就称为基本电压矢量，可分别命名为 U0(000)， U1(001)， U2（ 010）， U3(011)， U4(100)， U5(101)， U6(110)， U7(111)，其中 U0， U7 称为零矢量。 图 给出了八个基本电压空间矢量的大小和位 置。 其中非零矢量的幅值相同 (模长为 2Ud/3)，相邻的矢量间隔 60176。 ，而两个零矢量幅值为零，位于中心。 表 21 中的线电压和相电压值是在图 所示的三相 ABC 平面坐标系中。 利用 clark 变换，可将三相 ABC 平面坐标系中的相电压转换到  平面坐标系中去。 其转换式为： UUUUUCBA232302121132 （ 25） 根据式 ((25)，可将表 21 中与开关函数 SA， SB， SC 相对应的相电压转换成 平面直角坐标系中的分量，转换结果见表 22 和图 SA SB SC UA UB UC UAB UBC UCA 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 3Ud 3Ud 32Ud 0 Ud Ud 0 1 0 3Ud 32Ud 3Ud Ud Ud 0 0 1 1 32Ud 3Ud 3Ud Ud 0 Ud 1 0 0 32Ud 3Ud 3Ud Ud 0 Ud 1 0 1 3Ud 32Ud 3Ud Ud Ud 0 1 1 0 3Ud 3Ud 32Ud 0 Ud Ud 1 1 1 0 0 0 0 0 0 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 10 表 22 开关函数与相电压在  坐标系的分量 SA SB SC U U 矢量符号 0 0 0 0 0 U0 0 0 1 Ud61 Ud21 U1 0 1 0 Ud61 Ud21 U2 0 1 1 Ud32 0 U3 1 0 0 Ud32 0 U4 1 0 1 Ud61 Ud21 U5 1 1 0 Ud61 Ud21 U6 1 1 1 0 0` U7 图 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 11 第三章 有源电力滤波器的研究 有源电力滤波器的数学模型 建立有源电力滤波器主电路的数学模型，并在此基础上确定其控制系统的控制方案，即电流内环与电压外环的控制方法。 电流内环通常采用滞环控制、三角波比较控制以及电压空间矢量控制等方法。 本章重点研究电压空间矢量控制并将其与无差拍控制结合作为电流内环的控制方法，以提高补偿电流跟踪控制的实时性。 为了维持直流侧电压的稳定，采用 PI 调节器对电容电压进行控制，并给出 PI 参数的设计方法。 三相三线制并联型有源电力滤波器主电路如图 所示，图中， ee cbae、 为三相电源电压，将点 O 作为零电位参考点得到的 A, B, C, N 这四个点的电压可以表示为 ua 、 ub 、 uc 、 un ， R 和 L 分别表示主电路交流侧的等效电阻和电感， ica 、 icb 、 icc 是有源电力滤波器的补偿电流， Udc 是直流侧电容两端的电压。 图 主电路 为了分析方便而忽略了主电路中功率开关器件的通态压降，交流侧接口感 的非线性，直流侧电压的波动，电源内阻抗与线路阻抗以及死区时间的影响。 根据基尔霍夫电压定律得到有源电力滤波器的数学模型为： idieuidieuidieucccccccbcbbbcacaaaRdtLRdtLRdtL （ 31） 并且有： uUSXu ndcx  (32) 将式（ 32）代入式（ 31）可得： 安徽工业大学 毕业设计（论文）说明书 12 euUidieuUidieuUididcccccbndccbcbandccacaSCRdtLSBRdtLSARdtL （ 33） 假设是三相对称系统，则有：    00e iii ee cccbca cba （ 34） 先把式 (33)中三个式子相加，再将式 (34 )代入整理后可得： U d SCSBSA 3u  （ 35） 将式（ 35）代入式（ 33）得： eUidieUidieUidicdcccccbdcc。