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基于三相VSI型APF系统仿真

基于三相VSI 型APF 系统仿真

摘要：通过研究有源滤波器(APF)的结构与控制策略，给出应用最为广泛的三相VSI 型APF 的结构参数及直接电流控制方案。PSIM 仿真结果证明该种控制方案下APF 具有良好的动态响应特性与静态补偿效果。关键词：有源滤波器；直接电流控制；电流检测中图分类号：TM761

0 引言

随着电力电子装置的广泛应用，谐波对电网的影响日益严重。谐波的存在使电网功耗增加，效率降低，并会导致电力系统局部谐振，造成电力设备损坏，同时谐波对通讯设备及电力电子设备产生严重的干扰，降低系统的稳定性[1-7]。目前，采用有源电力滤波器是治理谐波污染，改善电能质量的最有效手段。APF 具有响应速度快，谐波消除率高，补偿连续和动态跟踪能力强，不与系统发生谐振等优点。并联型APF 的广泛应用对保障供电系统可靠性、降低干扰、增长设备寿命、减少设备损坏等方面发挥了重要作用[8,9]，其建模、控制策略的研究成为电力电子学的研究热点。

本文在PSIM 中建立有源电力滤波器的仿真模型，研究应用最为广泛的基于瞬时无功功率理论的直接电流控制策略，给出了三相VSI 型有源电力滤波器的最佳参数。仿真结果证明该策略能够连续、快速、准确的对谐波电流进行补偿，具有良好的动态响应特性和静态补偿效果,说明主电路及其参数和控制策略的选择是正确的。

1 APF 主电路结构及参数确定 1.1 主电路结构设计

图1. 三相VSI 型APF 主电路结构图

基于三相VSI 型APF 主电路结构如图1所示。自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，通过Ip-Iq 电流检测算法检测出负载电流中的谐波含量，采用直接电流跟踪技术使变流器发出一个与谐波电流幅值相等，相位相反的补偿电流，从而实现对系统中畸变电流的动态补偿。图中,TA :电流互感器;

辽宁科技大学校青年教师基金团队项目 TV :电压互感器;L :平波电抗器;C :电容器。 APF 工作时，其内部的控制器根据实时检测到的负载电流和它的直流侧电压，基于瞬时无功功率理论的Ip-Iq 电流检测算法计算出需要补偿的谐波分量瞬时值。通过对交流电流的直接控制得到调制波指令

信号，然后采用三角波比较方式的PWM 脉宽调制方法产生六路IGBT 控制信号,经过隔离与功率放大控制IGBT 的开通与关断，在变流器的交流侧得到相位与幅值可调的三相电流,从而实现对电力系统中畸变电流的动态补偿。

1.2 主电路中元件参数的设计

1.2.1直流侧电压参考值的确定

直流侧电压的控制是APF 的关键技术之一。直流侧电压的大小将影响APF 的功率损耗和补偿性能。Udc 过低，将会导致交流侧电流畸变，影响系统稳定性；而Udc 过高，将会提高开关器件的耐压额

定值，增加成本的同时也会降低系统可靠性。直流侧电压的确定一般遵循公式[10]：

()()V U U U P l dc 62223

2max max ==≥

(1) 式中U L(max)为APF 交流侧线电压最大值，U P(max)为U L(max)对应的相电压最大值。这只是APF 正常工作的最小值，实际上还要适当的增大电容取值。文献[11]指出，当变流器运行在不同状态(整流、逆变)时，对网侧最大相电压基波峰值的大小要求是不一样的。但是无论何种状态，一旦式(1)条件不能满足，则变流器交流侧线电压必然含有低次谐波，进而使网侧电流发生畸变。本文仿真参数选择Udc =750V 。 1.2.2 直流侧电容器参数确定

电压型逆变器需要有一个稳定恒压源作为它的逆变源，通常使用直流电容器做恒压源来稳定直流侧电压。电容器的选择通常需要考虑以下几个方面因素：一、电容器电压幅值波动大小;二、APF 的动态响应特性;三、防止电抗和电容之间形成谐振;四、尽量减小输出电流的谐波含量。储能电容选择的近似计算公式 [12,13]：

300N

dc S C U U

π=

??? (2)

式中，ΔU 为直流侧电压波动幅值的1/2；S N =75kVA 。从公式可以看出，在无功补偿容量、直流侧电压参考值和电压允许波动范围确定后，电容的最小值就确定。当实际电容大于计算值时，电容电压的波动幅值会减小，因此，本文仿真参数选择C=5640μF 。

1.2.3 平波电抗器参数确定

平波电抗器的主要作用有：抑制冲击电流和开关器件开通过程中di/dt 的变化率；滤除APF 交流侧的谐波；平波电抗器不仅影响电流环的动、静态性能，而且还制约着系统的输出特性及功率因数。电抗器的最小值选取一般遵循公式[13,14]，即：

9dc M U L ≥

(3)

式中U dc 为直流侧电压；M 为三角波幅值；f 为三角波频率。这里取M=10；f=3k 可求L ≥2.77mH 。在实际仿真中选择的电感参数为3mH 。

图2 APF 基于瞬时无功功率理论的直接电流控制原理图

2 基于瞬时无功功率理论的直接电流控制

瞬时无功功率理论直接电流控制算法如图2所示：它通过直接检测APF 的网侧电流和负载电流，通过运算求出交流输入的指令值，通过对交流电流的直接控制使其跟踪指令电流值，实现了直流侧电容电压与瞬时电流构成的双闭环控制。直接电流控制过程如下:一、控制器应用数字锁相环技术根据TV 实时检测到的系统电网电压Ua 对电网基波电压进

行相位锁定，产生供d-q 变换所需的Sinωt ，Cosωt ；二、检测到的负载电流I Labc 采用d-q 变换算法得到负载电流的有功分量I p 、I q ，经低通滤波器得到基波分量I p-、I q-；三、根据检测到的直流侧电压U dc 与直流侧参考电压值U dc_ref 做差PI 调节后得到的ΔI p 叠加到基波有功分量支路使直流侧电容能和交流侧交换能量，控制直流侧电压稳定；四、通过I p -I q 电流检测

算法计算出谐波补偿电流指令信号I har_ref ；五、指令信号I har_ref 与APF 交流侧电流反馈信号I apf 进行比较PI 调节后产生调制波信号。六、调制波信号与三角波进行PWM 脉宽调制产生的控制信号经死区控制

模块驱动开关器件（IGBT ），在变流器交流侧产生相位与幅值可调的三相电流,实现电力系统谐波的动态补偿[13]。

图3 基于直接电流控制的三相VSI 型APF 的系统仿真结构图

3. 三相VSI 的APF 系统仿真结果 3.1 仿真模型结构及其参数设置

根据图1所示的结构与参数以及图2所示的直接电流控制结构在PSIM 中建立的APF 系统仿真模型如图3所示。主要由三相电压源，电力二极管全桥整流模块，谐波电流检测模块，控制模块, PWM 脉冲触发模块，死区控制模块组成。其中主要参数如下：

三相电源电压：380V/50Hz

直流测电容：5640μF ，初始电压540V 滤波电感：3mH ，

直流测参考电压：750V

PWM 脉冲触发模块的三角波频率: 3KHz 电压外环PI 参数Kp =4,Ki =0.001 电流内环PI 参数Kp =3,Ki =0.2， 3.2 APF 仿真结果分析

图4为APF 仿真效果图。图中可以看出，在0-0.1s 时间内系统工作在无APF 补偿状态。此时直流侧电

压为电容的初始值540V 。电网电流谐波含量较大，电流发生畸变。在0.1s 时APF 投入系统，经过3个周波的调节过程，系统重新恢复稳态。在此期间，直流侧电压在双闭环控制下进行充电，直流侧电压由540V 充电到750V 。电网电流经过3个周波的调整重新稳定，并且电网电流完全正弦化。使电网中的谐波的到完全补偿。图4（c ）可以看出APF 实际发出的谐波补偿电流能够完全跟踪谐波电流指令信号，实现对电网谐波的全补偿。在0.3s 时刻，电网中投入谐波源负载。经过半个周波的调节，系统进入稳态。直流侧的电压波动在30V 左右，系统进入稳态后，直流侧电压波动在5V 以内。电网电流经过半个周波的调节实现谐波的全补偿。在0.3s-0.5s 内系统稳定运行。另外，从图4（e ）电网电流的FFT 可以看出，电网中的谐波得到补偿，谐波含量低。验证了该控制系统的可行性与高效性。

a ．直流侧电压波形 b. 电网电流波形

c. APF 实际补偿的电流波形与谐波电流指令信号波形

d. 负载电流波形

e. 电网电流的FFT 波形

图4 APF 补偿效果波形图

4 结论

本文通过在PSIM 中仿真研究目前应用广泛的三相VSI 结构的APF 主电路参数与直接电流控制算法，得到了系统的电网电流、直流侧电压、负载电流、电网电流中谐波电流与APF 补偿电流以及电网电流的FFT 仿真波形,完全满足电力系统的动态无功补偿和谐波抑制的要求,具有良好的动态响应特性和静态补偿效果。结果表明本文所设计的APF 主电路参数与直接电流控制策略是正确的与可行的。参考文献

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接电感选取及设计[J].电力电子技术，2009,08(43)：7-9

三相交流电基础知识

第四节三相交流电路工业上应用最多的交流电是三相交流电。单相交流电实际上也是三相交流电的一部分。三相交流电有很多优点：例如三相电机比同尺寸的单相电机输出功率大，性能好；三相交流电的输送比较经济；既节约了有色金属又降低电能损耗等。一、、三相交流三相交流三相交流电电的产生三相交流电一般由三相发电机产生。其原理可由图1-46说明。发电机定子上有U1-U2、V1-V2、W1-W2三组绕组，每组绕组称为一相，各相绕组匝数相等、结构一样，对称地排放在定子铁芯内侧的线槽里。在转子上有一对磁极的情况下，三相绕组在排放位置上互差120o 。转子转动时U1-U2、V1-V2、W1-W2绕组中分别都产生同样的正弦感应电动势。但当N极正对哪一相绕组时，该相感应电动势取得最大值。显然，V相比U相滞后120o ，W相比V相滞后120o ，U相比W滞后120o 。三相电动势随时间变化的曲线如图1-47所示。这种大小相等、频率相同、但在相位上互差120o 的电动势称为对称三相电动势。同样，最大值相等、频率相同、相位相差120o 的三相电压和电流分别称为对称三相电压和对称三相电流。图1-46 三相交流电发电机示意图图1-47 三相交流电波形三相交流电动势在时间上出现最大值的先后次序称为相序。相序一般分为正相序、负相序、零相序。最大值按U—V—W—U顺序循环出现的为正相序。最大值按U—W—V—U顺序循环出现的为负相序。如令三个相电压的参考极性都是起始端U1、V1、W1为正，尾端U2、V2、W2为负，又令U1—U2绕组中的电动势e u ，为参考正弦量，那么，三个相电压的函数表达式为：

交流三相电的颜色标准

交流三相电的颜色标准文件编码（GHTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-8968）

交流三相电的颜色标准一般来说，只要求母线必须遵循相色的规定；相色规定：A相为黄色，B相为绿色，C相为红色，中性线（即零线）为淡蓝色，保护中性线（地线）为黄和绿双色。在你所见的配电线路中，你只需记住，水平排列的，靠近房屋一侧的那条是零线，垂直排列的，最下面的那条是零线就可以了（因为室外的配电线路，一般都采用同一种颜色的）。至于插头上的L，是代表火线，N代表零线，当插头面对人体时，要求左边的接零线，右边的接火线（目的是为减少发生触电时所产生的危害性，因为电流从左手流经大地的途径是危险的，这个途径流经心脏的电流最大）。照明电路里的两根电线，一根叫火线，另一根则叫零线。火线和零线的区别在于它们对地的电压不同：火线的对地电压等于220V；零线的对地的电压等于零（它本身跟大地相连接在一起的）。所以当人的一部分碰上了火线，另一部分站在地上，人的这两个部分这间的电压等于220V，就有触电的危险了。反之人即使用手去抓零线，如果人是站在地上的话，由于零线的对地的电压等于零，所以人的身体各部分之间的电压等于零，人就没有触电的危险。如果火线和零线一旦碰起来，由于两者之间的电压等于220伏，而两接触点间的电阻几乎等于零，这时的电流非常大，在火线和零线的接触点处将产生巨大的热量，从而发出电火花，火花处的温度高到足以把金属导线烧得熔化。地是电器设备安全技术中最重要的工作，应该认真对待。那种不加考虑随意接地的做法常常会给计算机设备造成不良的后果，严重时会烧毁整个设备应用系统，甚至造成人身伤害。正确接地可提高整个系统的抗干扰能力。目前，我们使用的电源插座大多是单相三线插座或单相二线插座。单相三线插座中，中间为接地线，也作定位用，另外两端分别接火线和零线，接线顺序是左零右火，即左边为零线，右边为火线.凡外壳是金属的家用电器都采用的是单相三线制电源插头。三个插头呈正三解形排列，其中上面最长最粗的铜制插头就是地线。地线下面两个分别是火线（标志字母为"L"LiveWire）线（标志字母为"N"Naughtwire），顺序是左零右火，（插头背面对着自己本人时）。使用中千万不要将零线端和定位用的地线端连在一起，因为有的设备采用二线插头如果设备的电源火线、零线接反或使用中插错位置，必将造成火线、零线短路，烧坏设备，造成不右弥补的损失。因此，即使家里或单位的三线插座中没有接地，也最好使用三线电源插头和三线插座

三相交流电的基本概念和三相负载的连接方式

课题：4-1三相交流电的基本概念4-2三相负载的连接方式班级：08级时间：3-4周课时：2节课型：新授教具:挂图及三角板教法：灵活授课法教学重点：了解三相交流电的产生,掌握三相负载的连接方法. 教学难点：掌握三相负载的连接方法及计算. 教学目的: 了解三相交流电的产生,掌握三相负载的连接及特点授课过程: 组织教学：清点人数整顿教学秩序（1分钟）复习相关内容;(5分钟) 三相发电机的绕组主要是星形接法,三相负载有星形连接和三角形连接法, 进行提问： 1.纯电感电路电压与电流的相位关系 2.纯电感电路电压与电流的相位关系本节授课内容（170 分钟）： 3-4三相交流电的基本概念

一、交流发电机简介发电机的基本组成部分是磁极和线圈(线圈匝数很多，嵌在硅钢片制成的铁心上，通常叫电枢)。电枢转动、而磁极不动的发电机，叫做旋转电枢式发电机。磁极转动、而电枢不动，线圈依然切割磁感线，电枢中同样会产生感应电动势，这种发电机叫做旋转磁极式发电机。不论哪种发电机，转动的部分都叫转子，不动的部分都叫定子。旋转电枢式发电机，转子产生的电流必须经过裸露着的滑环和电刷引到外电路，如果电压很高，就容易发生火花放电，有可能烧毁电机。这种发电机提供的电压一般不超过500 V。旋转磁极式发电机克服了上述缺点，能够提供几千伏到几十千伏的电压，输出功率可达几十万千瓦。所以，大型发电机都是旋转磁极式的。发电机的转子是由蒸汽机、水轮机或其它动力机带动的。动力机将机械能传递给发电机，发电机把机械能转化为电能传送给外电路。二.交流电的产生及正弦交流电的概念 1．对称三相电动势振幅相等、频率相同，在相位上彼此相差120?的三个电动势称为对称三相电动势。对称三相电动势瞬时值的数学表达式为第一相(U相)电动势：e1=E m sin(ωt)

交流三相电的颜色标准

将产生巨大的热量，从而发出电火花，火花处的温度高到足以把金属导线烧得熔化。地是电器设备安全技术中最重要的工作，应该认真对待。那种不加考虑随意接地的做法常常会给计算机设备造成不良的后果，严重时会烧毁整个设备应用系统，甚至造成人身伤害。正确接地可提高整个系统的抗干扰能力。目前，我们使用的电源插座大多是单相三线插座或单相二线插座。单相三线插座中，中间为接地线，也作定位用，另外两端分别接火线和零线，接线顺序是左零右火，即左边为零线，右边为火线.凡外壳是金属的家用电器都采用的是单相三线制电源插头。三个插头呈正三解形排列，其中上面最长最粗的铜制插头就是地线。地线下面两个分别是火线（标志字母为"L"Live Wire）线（标志字母为"N"Naught wire），顺序是左零右火，（插头背面对着自己本人时）。使用中千万不要将零线端和定位用的地线端连在一起，因为有的设备采用二线插头如果设备的电源火线、零线接反或使用中插错位置，必将造成火线、零线短路，烧坏设备，造成不右弥补的损失。因此，即使家里或单位的三线插座中没有接地，也最好使用三线电源插头和三线插座

三相交流电路心得体会[工作范文]

三相交流电路心得体会篇一：三相交流电路实验报告课程名称：电路与模拟电子技术实验指导老师: 成绩: 实验名称：常用电子仪器的使用实验类型: 同组学生姓名： 3 5 6 7 篇二：三相交流电路实验报告中国石油大学（华东）现代远程教育实验报告课程名称：电工电子学实验名称：三相交流电路实验形式：在线模拟+现场实践提交形式：在线提交实验报告学生姓名：姚贵阳学号：12806143004 年级专业层次：网络12春油气储运专升本学习中心：提交时间： 20XX 年 6 月 9 日篇三：三相交流电路实验报告课程名称：___电工电子学_______指导老师：___张冶

沁___成绩：__________________ 实验名称：____三相交流电______实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 1、学习三相交流电中三相负载的连接 2、了解三相四线制中线的作用 3、掌握三相电路功率的测量方法二、实验内容和原理（必填）图一：图二：图三：三、主要仪器设备（必填） 1、实验电路板 2、三相交流电源（220V） 3、交流电压表或万用表 4、交流电流表 5、功率表 6、单掷刀开关 7、电流插头、插座四、操作方法和实验步骤 1、三相负载星形联结按照图一接线，途中每相负载采用三只白炽灯，电源线电压为220V。（1）（2）按照表二内容完成各项测量，并观察实验中各白炽灯的量度。表中对称负载时为每相开亮

表二 2、三相负载三角形联结按图二连线。测量功率时可用一只功率表借助电流插头和插座实现一表两用，具体接法见图三所示。接好实验电路后，按表三内容完成各项测量，并观察实验中白炽灯的亮度。表中对称负载和五、实验结果与分析（必填） 1、根据实验数据，总结对称负载星形联结时相电压和线电压之间的数值关系，以及三角形联结时相电流和线电流之间的数值关系。 2、根据表二的数据，按比例画出不对称负载星形联结三相四线制（有中线）的电流相量图，并说明中线的作用。 3、根据表三的电压、电流数据计算对称、不对称负载三角形联结时的三相总功率，并与两瓦特表法的测量数据进行比较。 1、U1=√3Up I1=√3Ip 2、在有中性线时，每相的负载电压等于电源的相电压。若中性线断开，虽然线电压仍然是对称的，但由于没有中性线，负载的相电压就不等于电源的相电压。由于Unn’的存在，因而各负载相电压不同，可能使有的相电压比额定电压高，有的相电压比额定电压低，结果造成负载不能正常工作，甚至使电气设备损坏。因此在三项负载不对称时，必须要有中

交流三相电的颜色标准

交流三相电的颜色标准 Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-

三相交流电路

6.1 三相交流电源一、教学目标 1、了解三相交流电的产生。 2、理解三相正弦量、相序的概念。 3、了解中性线的概念。二、教学重点、难点分析重点： 1、三相电路中相电压、线电压的关系。难点：同重点。三、教具正弦交流电的产生示教模型；三相交流发电机模型；灵敏电流计；交流电压表；三相电路示教板；电池；小灯泡；安培表；伏特表等．电化教学设备。四、教学方法演示法、讲授法，多媒体课件。五、教学过程 Ⅰ.导入一、复习提问通过提问讨论的方式共同复习“正弦交流电的产生”过程，以及正弦交流电的重要的参数及表示方法，提问： 1．在交流电产生的过程中，矩形线圈转到什么位置时线圈中的电流最大？什么位置电流为零？（线圈平面平行磁感线：中性面） 2．两个完全相同的交流发电机，其矩形线圈也以相同的转速匀速转动，那么这两个发电机所产生的交变电动势有何异同？（交变电动势的频率、最大值相同；达到最大值的时刻不同） 3．如果把三个相同的矩形线圈固定在同一轴上，并使之在匀强磁场中转动，这三个线圈是否都产生电动势？为什么？（产生，穿过每个线圈回路

的磁通量都发生变化）二、引入三相交流电三相交流电路的优点： 1、三相交流发电机的铁心及电枢磁场较单相发电机利用充分； 2、作为三相交流电负载的三相电动机比单相电机性能好，易维护，运转时比单相发电机的振动小； 3、理论和实践证明：在输电距离、输送功率、电压相等的条件下，三相输电是单相输电所用导线量的四分之三； 4、采用三相四线制输电，用户可得两种不同的电压； 5、工农业生产大量使用交流电动机，三相电动机比单相电动机性能平稳可靠。 II.新课三相交流电源：简言之，三相交流电源是三个单相交流电源按一定方式的组合，这三个单相交流电源的频率相同、大小相等，相位彼此相差120°。一、三相交流电动势的产生 1．三相交流电的产生．利用“提问3”引入新课，出示三相交流模型发电机，简介其构造后，演示三相交变电流的产生：将三个灵敏电流计分别接到发电机的三个线圈上，摇动发电机的线圈，三个灵敏电流计都将摆动．归纳实验现象说明：三个线圈均能产生交变电动势（电流计指针来回摆动）．引导学生比较单、三相交流发电机的异同．（1）单相交流发电机和三相交流发电机单相发电机：只有一个线圈，产生一个交变电动势。三相发电机：有三个互成120°的 1 V 1 W 2图1 三相交流发电机原理示意图