基于dq0变换的三相串联有源电力滤波器的附Simulink模型SAPF

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🔥 内容介绍

随着电力电子技术的飞速发展和其在电力系统中的广泛应用，非线性负载的增多导致了电网电流和电压波形畸变日益严重，谐波污染成为了亟待解决的问题。传统的无源电力滤波器虽然结构简单，但存在补偿效果受电网阻抗影响、易发生谐振等缺点。有源电力滤波器（APF）因其动态响应快、补偿效果好、能够主动抑制谐波和无功功率等优点，受到了广泛关注。其中，三相串联有源电力滤波器（SAPF）作为一种重要的APF类型，通过在电网中串联注入补偿电压来改善电能质量。本文将深入探讨基于dq0变换的三相串联有源电力滤波器（SAPF）的建模方法，旨在为SAPF的控制策略设计和性能优化提供理论基础。

1. 引言

电力系统中的谐波问题源于电力电子装置、电弧炉、变频器等非线性负载在运行过程中产生的非正弦电流。这些谐波成分会引起电网电压波形畸变、设备损耗增加、继电保护误动作以及通信干扰等一系列问题，严重威胁电力系统的安全稳定运行和电能质量。为了抑制谐波，提高电能质量，电力工作者们提出了多种解决方案，其中有源电力滤波器凭借其卓越的性能脱颖而出。

有源电力滤波器根据其在电网中的连接方式可分为并联型、串联型和混合型。并联有源电力滤波器主要用于补偿谐波电流，而串联有源电力滤波器则主要用于补偿谐波电压，从而隔离上游电网与下游负载之间的谐波耦合，改善负载侧的电压质量。在实际应用中，串联有源电力滤波器在处理电压型谐波源、电压不平衡以及电压跌落等问题时具有独特优势。因此，对串联有源电力滤波器的深入研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文将聚焦于三相串联有源电力滤波器，特别是其基于dq0变换的数学建模方法。dq0变换作为一种常用的坐标变换方法，能够将三相交流量转换为直流分量，极大地简化了控制系统的设计和分析。通过建立准确的数学模型，可以更好地理解SAPF的工作原理，为后续的控制算法开发和系统性能评估奠定基础。

2. 三相串联有源电力滤波器（SAPF）的基本原理

三相串联有源电力滤波器通过一个串联变压器或直接串联的方式，将一个与电网电压谐波分量或补偿电压相等的电压源串联到电网中。其基本工作原理是：实时检测电网电压，分离出其中的谐波分量、不平衡分量或电压跌落分量，然后通过控制逆变器产生一个与这些分量大小相等、相位相反的补偿电压，并将其串联注入到电网中，从而抵消掉电网中原有的有害电压分量，使负载侧获得高质量的正弦电压。

SAPF的主要功能包括：

• 谐波电压补偿：

   抑制电网电压中的谐波分量，改善电压波形质量。

• 电压不平衡补偿：

   当电网电压出现不平衡时，SAPF可以注入补偿电压，使负载侧三相电压保持平衡。

• 电压跌落/暂升补偿：

   在电网电压发生跌落或暂升时，SAPF可以快速响应，注入补偿电压以维持负载侧电压的稳定。

• 谐振抑制：

   通过主动控制，SAPF可以有效抑制电力系统中的谐振现象。

3. 基于dq0变换的SAPF数学模型

为了便于控制系统的设计和分析，需要建立SAPF的精确数学模型。dq0变换是一种将三相交流坐标系（abc坐标系）下的量转换为同步旋转直角坐标系（dq0坐标系）下直流量的常用方法。这种变换能够消除交流分量的周期性，将复杂的交流动态过程转化为直流小信号模型，从而简化了控制器的设计。

4. SAPF的控制策略概述

基于dq0变换的SAPF数学模型为控制器设计提供了坚实的基础。典型的SAPF控制系统通常包括以下几个主要模块：

4.1 谐波电压检测模块

如前所述，该模块负责从电网电压中准确提取谐波电压分量。

4.2 直流母线电压控制模块

该模块通过调节SAPF注入有功功率，维持直流母线电压的稳定。通常采用PI控制器，以直流母线电压的偏差作为输入，输出为控制SAPF有功功率的指令。

4.3 电压补偿控制模块

该模块根据检测到的谐波电压分量和直流母线电压控制器的输出，生成SAPF的补偿电压指令。通常在dq0坐标系下采用PI控制器，对d轴和q轴的电压分量进行独立控制，并通过解耦技术消除交叉耦合项的影响。

4.4 PWM调制模块

该模块将控制模块输出的电压指令通过脉冲宽度调制（PWM）技术生成逆变器的开关信号，驱动逆变器产生所需的补偿电压。

5. 结论

本文详细探讨了基于dq0变换的三相串联有源电力滤波器（SAPF）的数学建模方法。通过将SAPF的主电路、直流侧电容以及谐波电压检测等环节转换到同步旋转dq0坐标系下，获得了便于分析和控制的数学模型。dq0变换的运用将复杂的交流动态过程转化为直流小信号模型，极大地简化了控制器的设计。

精确的SAPF模型是设计高性能控制策略的基础。未来研究方向可以包括：

• 优化控制算法：

   进一步研究基于模型预测控制、滑模控制等先进控制策略在SAPF中的应用，以提高系统的动态响应速度和鲁棒性。

• 参数辨识与自适应控制：

   针对电网参数变化或系统老化等问题，研究SAPF的参数辨识和自适应控制方法，提高系统的环境适应能力。

• 混合型APF研究：

   结合串联APF和并联APF的优点，研究混合型APF的建模与控制，以实现更全面的电能质量治理。

• 多功能SAPF研究：

   探索SAPF在电能质量治理的同时，集成其他功能，如能量管理、故障限流等，提高其附加价值。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 李亚峰.串联型有源电力滤波器的一种新型谐波检测方法[J].机械制造与自动化, 2008(02):129-133.DOI:10.3969/j.issn.1671-5276.2008.02.046.

[2] 李亚峰.串联型有源电力滤波器的一种新型谐波检测方法[J].机械制造与自动化, 2008, 37(2):5.DOI:JournalArticle/5aebdad8c095d710d4f76ca0.

[3] 程启明,张宇,谭冯忍,等.电容中点式三相四线制SAPF混合无源非线性控制策略[J].电力系统自动化, 2017, 41(19):10.DOI:10.7500/AEPS20170109008.

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