有源电力滤波器三角波比较方式SPWM控制技术研究

有源电力滤波器三角波比较方式SPWM控制技术研究

符丹，孙志勇，尹进田，周俊

（邵阳学院电气工程系，湖南 邵阳 422000）

摘要：本文重点分析有源电力滤波器三角波比较控制技术，在理论分析的基础上，基于PSIM仿真软

件的并联型有源电力滤波器模型，对并联型有源电力滤波器基于三角波比较方式的SPWM控制进行了仿真研究。并给出了在不同参数下的仿真结果，对仿真结果进行了详细的分析，仿真结果表明SPWM跟踪控制效果良好。

关键词：有源电力滤波器；三角波比较方式；SPWM跟踪控制

Comparison of active power filter mode triangular wave of

SPWM control

Fu Dan, Sun Zhi-yong , Yin Jin-Tian, Zhou Jun

(Department of electrical engineering, Shaoyang University, Shaoyang 422000,China)

Abstract: This paper focuses on the triangular wave comparison of active power filter control technology,

based on theoretical analysis, based on PSIM simulation software for parallel active power filter model of parallel active power filter based on triangular wave comparison method of SPWM control of a simulation study. Given in the simulation results under different parameters, the simulation results are analyzed in detail, the simulation results show that the tracking control of SPWM good effect.

Key words:active power filter; triangular wave comparison method; SPWM tracking control 1 前言 较复杂，本文主要介绍三角波比较电流控制

电力电子技术的飞速发展，一方面给电能的变换和应用带来了方便，另一方面又给电力系统带来了较严重的电能质量问题，如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量最有效的手段，已成为电力电子技术应用中一个比较新的研究热点。

电流的实时跟踪是有源滤波器整个电流控制的核心，电流控制方式的好坏直接影响整个有源滤波器的滤波效果。有源滤波器的电流控制方式有很多，主要包括滞环电流控制、各种载波调制电流控制(包括三角波比较电流控制方式)、预测控制和无差拍控制、基于空间矢量的电流控制和周期采样法电流控制等。其中滞环电流控制和周期采样法的频率不固定；无差拍计算量大且对系统参数依赖性较大，应用领域受到一定的限制，而基于空间矢量的电流控制实现起来比

方式。

2有源电力滤波器的工作原理

有源电力滤波器的基本原理图如图2.1所示，其工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到所期望的电源电流。通过分析，有源电力滤波器系统包含两个部分：一个是指令电流运算电路（谐波和无功电流检测电路），用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分量；另一个是补偿电流发生电路，即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。由图2.1可知，补偿电流发生电路包含三个部分：电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流的关系产生相应的PWM控制信

号；驱动电路是根据所得的控制信号直接驱动相应器件的开通和关断；主电路目前采用的是PWM控制的电压型逆变电路。

esicic*?icA非门驱动电路驱动电路isCiLic主电路指令电流运算电路负载图3.2 三角波比较方式

RLHPF4 有源电力滤波器的仿真研究

有源电力滤波器系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行精确的理论分析是比较困难的。而且新的控制算法应用于这样一个复杂系统往往需要花费大量的时间和精力。仿真实验可以验证控制系统结构的正确性，加深对其控制规律的认识和理解，而且仿真的一些重要参数对实验装置参数的选择具有一定的参考用。因此，在实际装置设计制作之前有必要对控制算法的有效性以及个系统的稳态性能和动态性能进行仿真分析。本章针对三角波比较控制方法，利用PSIM软件对有源电力滤器进行动态仿真和分析。

4.1 有源电力滤波器仿真模型的建立

本文所采用的并联型三相有源电力滤

电网ic*驱动电路电流跟踪控制电路APF 图2.1 有源电力滤波器结构原理图

3 有源电力滤波器SPWM控制技术

有源电力滤波器的控制本质是对 PWM 逆变器的控制，最终归结到求取逆变器的开关模型。通过对开关模型的控制使逆变器输出响应的电压或电流跟踪期望的参考电压或电流，从而根据 APF 的工作原理，达到实现治理谐波的目的。APF 控制系统的一般结构如图3.1 所示。 ii+控制器PWM发生器逆变器i0-if检测电路波器系统的模型主要有三部分组成:谐波源、谐波检测电路、控制电路。谐波源：主要用于产生谐波，典型的谐波源为整流电路；谐波检测电路：主要是检测负载侧的电流信号，并运用瞬时无功理论建立相应的电路模型，经仿真后得出所需补偿的谐波；控制电路：主要是控制逆变主电路发出与谐波等值反向的电流信号，以补偿电网中的谐波。

首先根据每个部分的等效电路，然后把几个部分组合在一起，组成总的仿真模型，最后得到详细的仿真结果。系统总电路图如图4.1所示。其中有源电力滤波器仿真参数表如表4.1所示。

图 3.1 APF 控制系统的一般结构图

目前应用于有源电力滤波器的电流跟踪控制电路一般采用两种方法:三角波脉宽调制电流控制方法和滞环比较电流控制方法。本文主要介绍三角波比较方式。

三角波比较方式的原理图如图3.2所示。这种方式与其它用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不直接将指令信号

i**而是将指令电流c与补偿c与三角波比较，

i电流ic的偏差△ic经放大器A后再与三角波比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把△ic控制为最小来进行设计的，该方法较适合模拟电路控制。

AabcIIIVIa1PIIb1PIIc1PIIa1Iaad`daI`bbqqbIb1IccoocIc1

图4.1 系统总电路图

表4.1 有源电力滤波器仿真参数表 电网电网滤波器截直流滤波电电 压 频率 止频率 电压 感 110V 50Hz 30HZ 600V 0.2mH 滤波PI放PI时间常载波载波电电 容 大系数 频 率 压幅 值 数 100 2 0.0001s 10020 10V μF HZ 4.2有源电力滤波及滤波功能仿真

为了对APF投入前后的电网电压波形进行对比，首先不将有源电力滤波器投入，得到APF未投入前的电网电压波形如图4.2所示。

图4.2 电网电流波形

为进一步分析电网中的谐波分量，对图4.2的波形进行快速FFT变换得到如图4.3所示的频谱图。

图4.3电网电流的频谱图

由上面的仿真得到的频谱分析图可以看出在未投入APF之前，电网中主要包含基波、5次、7次、11次、13次等6k?1次谐波。其中基波电流为400A,5次谐波85A左右，7次谐波25A,11次谐波8A，13次谐波5A。

APF投入后的电网电流波形和逆变器输出电流波形如图如图4.4、4.5所示。

图4.4 电网电流波形

图4.5 逆变器输出电流波形

为进一步分析谐波电流分量及有源电力滤波器的补偿效果，对图4.4、4.5的波形进行快速傅里叶变换的到图4.6、4.7的频谱图。

图4.6 电网电流的频谱图

图4.7 逆变电路输出电流的频谱图

从图4.6可以看出电网电流中基本上只含有基波分量，其谐波分量基本上已经被滤除，从逆变输出电流的频谱图可得APF主要补偿的是5次、7次、11次、13 次谐波等，其幅值分别为70A，35A，8A，16A。 为了分析有源电力滤波器的跟踪控制性能，用电流表测出电流误差曲线进行分析。该误差曲线如图4.8所示。

图4.8 电流误差曲线

由图4.8可知，在开始时，系统刚启动，并联型有源电力滤波器未进入稳定工作，从而出现了较大的差值信号。当并联型有源电力滤波器稳定工作之后，两个信号之间的差值未超过15。误差曲线的产生是因为系统延时造成的，误差一定是存在的，差值愈小，那么系统延时亦愈小，并联型有源电力滤波器

补偿性能愈好。

4.3控制器参数对滤波性能的影响分析

为进一步验证比例积分放大电路的放大系数和时间常数对逆变输出电流有直接的影响，依次改变PI参数，得出仿真波形，

分析各参数对逆变输出电流的影响。 （1）保持放大系数K不变,改变时间常数(分别取T=1s，0.01s，0.0001s)观察逆变输出电流的变化。

图4.9 时间常数为1s时输出电流波形

图4.10 输出电流的FFT变换

图4.11时间常数为0.01s时输出电流波形

图4.12 输出电流的FFT变换

图4.13 时间常数为0.0001s时输出电流波形

图4.14 输出电流的FFT变换

由上面三组输出电流波形及其FFT变换可以得出：随着PI时间常数的减少积分作用越强，稳定所需的时间越短，其补偿效果越好，逆变输出电流的谐波幅值越大，但是其稳定性下降。

（2）保持时间常数T不变,放大系数(分别取K=0.2，2，20)观察逆变输出电流的变化。

图4.15 K=0.2时逆变输出电流波形

图4.16 K=2时逆变输出电流波形

图4.17 K=20时逆变输出电流波形

由以上三组仿真结果可以得出，K值越大控制作用越强，达到稳定所需的时间越短，但是稳定性下降。而K越小时稳定性好，但反应速度较慢。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hv8f.html