基于Matlab的谐波抑制技术的仿真研究.pdf

1、电子科技2008年第21卷第11期收稿日期:2008201228作者简介:王红然(1979-),女,硕士研究生。研究方向:电力电子技术及应用。刘田翠(1979-),女,硕士研究生。研究方向:基于APF的谐波检测方法研究。洪乃刚(1945-),男,教授,硕士生导师。研究方向:电力电子和电力拖动控制系统。基于Matlab的谐波抑制技术的仿真研究王红然,刘田翠,洪乃刚(安徽工业大学 电气信息学院,安徽 马鞍山 243002)摘 要 提出了一种谐波抑制的新思路 基于变压器磁路控制的谐波抑制技术。在传统电力变压器上附加控制绕组,通过控制绕组注入相应的谐波电流,抑制负载绕组引起的谐波,从而使变压器原边电流

2、不含相应的谐波。该方案使变压器在电网中不仅起电能传输和变压的作用,并且可用于电能质量控制。利用Matlab中的电力系统仿真工具箱对该方案进行建模和仿真,理论分析和仿真研究验证了该方法的有效性。关键词 变压器磁路控制;谐波抑制;瞬时无功功率理论;仿真中图分类号 T M30112 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2008)11-045-04Si mulation of the Harmon ic Suppression Technology Based on MatlabWang Hongran,Liu Tiancui,Hong Naigang(School of Electrica

3、l Engineering&Information,AnhuiUniversity of Technology,Maanshan 243002,China)AbstractA novel harmonic suppression method,harmonic suppression based on magnetic circuit controlof the transformer,is proposed.Controlwinding is added to the traditional transformer,which is input throughthe controlwindi

4、ng to suppress the harmonic brought by the load winding so that no relevant harmonic is con2tained in the source current.By this scheme,the transformer plays not only the role of power transmission andtransformation,but also that of power quality control.The scheme is built into models and simulated

5、 by thePower System Blockset,toolbox ofMatlab.The validity of the method is proved by theoretical analysis and sim2ulations.Keywordsmagnetic circuit control of transformer;harmonic suppression;instantaneous reactive powertheory;simulation 由于电力电子装置的大量投入使用,电网的谐波污染问题越来越严重。有源滤波器由于其优越的补偿性能得到广泛应用1,2。该方法直接

6、与电网相连,用在电网线路上分流或注入谐波的方法来减少和消除谐波,电路结构复杂,而且对变压器运行造成影响。文中提出的谐波抑制方案不但能够有效抑制电力系统的谐波,而且简化了电路,减轻了变压器的负担,同时降低了成本。1 基于变压器磁路控制的谐波抑制原理基于变压器磁路控制的单相谐波抑制原理,如图1所示。图中Na和Nb分别是变压器的原、副边绕组,Nc是增加的变压器控制绕组,1为变压器的基波磁链,2为负载产生的谐波磁链,3为控制绕组产生的谐波磁链。对于三相变压器,只需在每相各增加一个控制绕组、电流检测器和谐波发生器,连接方法与单相变压器相同。负载电流包含基波(50 Hz)和谐波两种分量,它们在通过变压器副

7、边绕组时分别产生基波磁势F1和谐波磁势F2,从而在变压器的磁路中分别产生基波磁链1和谐波磁链2。在负载侧通过电54基于Matlab的谐波抑制技术的仿真研究 Electronic Sci1&Tech1/Nov115,2008流检测器检出负载电流I2中需要滤除的谐波分量I3,然后将其接入控制绕组Nc,产生相关次谐波磁势F3=WI3(其中,F3为控制绕组的谐波磁势,W为控制绕组匝数)。通过改变控制绕组的连接方式和控制绕组匝数W,使谐波控制绕组产生的相关次谐波磁势F3与负载侧产生的谐波磁势F2大小相等而方向相反,从而使得由F3产生的谐波磁链3和由F2产生的谐波磁链2相互抵消。由于在变压器的磁路中消除了

8、谐波的磁势和磁链,因此在变压器原边绕组中不会感应产生相关次谐波电流,使得由负载侧产生的谐波电流不会对变压器原边电网产生影响,从而达到治理电网谐波的目的3。图1 基于变压器磁路控制的单相谐波抑制原理图2 原理验证基于以上分析,通过研究负载绕组和控制绕组的谐波电流对电源电流的影响来验证上述方案的正确性。用Matlab中的电力系统仿真工具箱对该方案进行建模和仿真4-6。211 负载绕组的谐波电流对电源电流的影响变压器负载绕组中的谐波分量在通过变压器副边绕组时产生谐波磁势F2,从而在变压器的磁路中产生谐波磁链2,使得变压器原边电流发生畸变。以整流负载为例,研究变压器负载绕组谐波电流对电源电流的影响。仿

9、真模型,如图2所示。图2 负载侧谐波电流的影响模型图为了便于比较,可让变压器作等压变换。假定电源电压没有发生畸变,变压器参数为:V1=V2=220 V,R1=R2=01002,L1=L2=0108 H。R=10,L=011 mH。负载电流和电源电流的各次谐波如表1所示。表1 负载电流和电源电流的各次谐波(单位:A)谐波次数13579111315负载Il23137 5190 3107 1176 1101 0157 0135 0127电源Is23129 5190 3107 1176 1101 0157 0135 0127可以看出,电源电流由标准的正弦波变成了含3,5,7等奇次谐波的畸变电流。也就是

10、说,负载绕组中的谐波电流会使电源电流发生畸变。在变压器作等压变换时,除基波外,电源电流Is和负载电流Il的各次谐波大小相等。说明在电源电压没有发生畸变的情况下,负载绕组的谐波电流对电源电流有直接影响。当变压器的参数变化时,用电流折算的方法,仍可得出该结论。212 控制绕组注入的谐波电流对电源电流的影响与负载电流相似,控制绕组电流的变化(包括畸变)也必然会通过变压器在电源电流中有所反映。在控制绕组注入理想的谐波电流源,并适当调整其幅值和相位,研究变压器控制绕组谐波电流对电源电流的影响。仿真模型如图3所示。图3 控制绕组谐波电流的影响模型图滤波前后电源的各次谐波电流,如表2所示。注入3次谐波后,I

11、s中的3次谐波由5190减小到0160,注入3,5次谐波后,Is中的3次谐波由5190减小到0186,5次谐波则由3107减小到0171。由于谐波电流源的幅值和相位很难精确控制,因此很难将某次谐波的幅值减小到零。说明如果能产生与变压器原边电流的谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流,就能消除变压器原边电流中的该次谐波。64基于Matlab的谐波抑制技术的仿真研究 电子科技/2008年11月15日表2 控制绕组注入谐波电流后,电源电流的各次谐波(单位:A)谐波次数13579111315滤波前Is23137 5190 3107 1176 1101 0157 0135 01273次滤波23162 01

12、60 3115 1179 1101 0154 0128 01175次滤波23155 5199 0124 1181 1104 0157 0130 01177次滤波23148 5198 3117 0109 1108 0160 0132 01193,5次滤波23176 0186 0171 1190 1110 0162 0134 01193,5,7滤波23182 0189 0176 0166 1121 0173 0143 01263 系统仿真与结果分析311 负载绕组的谐波检测负载绕组中谐波电流的检测采用以瞬时无功功率理论为基础的单相电路谐波检测方法。由于从单相构造构造三相时,有240 的延时,这一延

13、时影响了检测方法的实时性。为减小这一延时,文中由单相电流直接构造两相电流,即令I=Il,I延时90 为I。然后按照Ip-Iq方式计算负载电流的谐波。其原理,如图4所示,LPF为低通滤波器,PLL为锁相环,其后为正弦、余弦信号发生电路。这部分电路能消除负载电压波形畸变对检测结果的影响,使得检测结果比较准确7。图4 单相电路谐波检测原理图312 控制绕组的谐波注入无源滤波器只能滤除特定次谐波,并且可能与变压器阻抗发生谐振,使该次谐波放大。有源滤波器则克服了上述缺陷,并能实现动态补偿。因此,控制侧的谐波注入采用有源滤波方式。其仿真模型,如图5所示。把图4中检测出的谐波电流I1h作为补偿电流的指令信号

14、与实际的补偿电流信号Ic进行比较,两者的偏差 Ic作为滞环比较器的输入。通过滞环比较器产生主电路中开关通断的PWM信号,该信号经驱动电路控制开关的通断,从而控制补偿电流Ic的变化。图5 控制侧的谐波注入模型图313 结果与分析图5的参数设置如下:DC1=DC2=700 V,L=5 mH,变压器参数不变。注入控制绕组中的谐波电流Ic和注入Ic前变压器原边电流Is的波形如图6所示。Is的THD由29195%降为0148%,功率因数由0180提高到0196,Is的波形如图7所示。注入控制电流前后电源电流的各次谐波,如表3所示。由图7可以看出,注入Ic后,变压器原边电流Is在一个周期左右达到稳定状态。

15、由表3所示,Is基波基本不变,但各次谐波大大减小。说明控制绕组逆变产生的谐波电流和变压器原边电流的谐74基于Matlab的谐波抑制技术的仿真研究 Electronic Sci1&Tech1/Nov115,2008波分量方向相反,抵消了电源电流中的大部分谐波分量。仿真结果和理论分析一致,进一步验证了文中谐波抑制方案的可行性。表3 控制绕组注入谐波前后,电源电流的谐波(单位:A)谐波次数13579111315控制Ic9187 6180 3184 2151 1174 1126 0190 0171注入前Is23137 5190 3107 1176 1101 0157 0135 0127注入后Is241

16、43 0100 0100 0100 0100 0101 0101 01014 结束语文中通过研究变压器负载侧和控制侧的谐波电流对电源电流的影响,提出了在变压器电源电压无畸变的情况下,通过变压器磁路控制抑制电源谐波电流的方案。理论分析和仿真结果表明,通过变压器磁路控制能有效抑制电力系统谐波。消除谐波的过程在变压器内部完成,可以取得更好的谐波抑制效果。由于控制绕组注入的谐波电流抵消了电源电流的大部分谐波,减小了电源电流,因此减轻了变压器的负担。在电网线路上注入谐波的方法在注入谐波时需要专门的变压器,而文中提出的谐波抑制方案只需在传统电力变压器上附加控制绕组,通过控制绕组注入相应的谐波电流来抑制由负载绕组引起的谐波。因此,该方案不但简化了电路,而且降低了成本。当然,对变压器的制作也提出了更高的要求。参考文献1Akagi H.New Trends in Active Filters for Power Condi2tioning J.IEEE Transaction on Industry Applications(S0093-9994),1996,32(6):1312-1320.2 杨 君,