matlab如何仿真递推型dft算法,并联型有源滤波器的设计与仿真

川长思鸟来 2023-01-17 02:29 136阅读 0赞

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摘 要：随着电子技术的飞速发展，各种电力设备在为人们提供高速，高效的便捷的生活的同时，也产生各种电网污染问题。该文以并联型有源滤波器作为研究对象，分析其工作原理，利用改进的瞬时功率理论检测谐波电流及划窗递推方法，并且运用重复控制与无差拍控制相结合的方法来进行电流跟踪并且实现谐波电流的补偿，净化电网。

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关键词：有源滤波器；并联型；瞬时功率检测；重复控制；无差拍控制

中图分类号：TM743 文献标识码：A

0.引言

改善电网质量，必须要控制电网中的无功与谐波，因此提高功率因数与抑制谐波就推动了各种谐波抑制与无功补偿技术的大力发展。针对谐波抑制，目前国际上有两个方面，一是从谐波源出发，对非线性负载使用合理的电路结构，使负载产生较少的谐波，甚至不产生谐波。二是增加外部电力电子设备来补偿谐波，这种方案适用于所有的谐波源。有源滤波器就是一种能够对电网中的谐波进行抑制与无功补偿的设备。文以并联型APF来介绍滤波器的原理。

1.并联型有源滤波器

并联型APF与非线性负载在电网中是以并联电路接入的，并联型有源电力滤波器的主电路由变流器，电感以及直流侧储能元件所构成，并联型有源滤波器相当于一个受控电流源，主要用于补偿电流型的谐波和无功电流，能够对谐波与无功功率同时进行补偿也能够单独补偿。并联型APF安装方便，损耗较小，成本相对较低，而且补偿性能好，所以目前是应用最为广泛的一类滤波器。

1.1 并联有源滤波器原理

有源滤波器主要由指令电流运算部分，电流跟踪控制部分，驱动电路，主电路及必要的保护及辅助电路构成。指令电流运算部分即谐波与无功电流检测电路，将负载电流中的谐波电流及无功电流分离出来，将两者经过一定计算得出需要补偿的电流指令信号ic\*。电流跟踪控制部分电路即补偿电流控制电路，根据指令信号，得出控制主电路各器件通断的PWM信号，对补偿电流进行PWM信号调制。通过驱动电路驱动功率变换电路中的开关，使主电路输出实际补偿电流ic。由基尔霍夫定律可得，ic是用来补偿负载电流中的谐波与无功电流，因此，可以将负载电流看作是基波电流与谐波及无功电流构成，达到补偿的目的。

1.2 算法

以瞬时功率理论为基础延伸出不同的一类算法，算法，只取正弦，余弦参与计算，并不依赖于系统的电压信息，因此检测结果并无误差。本文中我们主要是运用基于算法的检测，如图1所示。

PLL锁相环：检测得到与电压ea同步旋转的角速度θ。

iaL，ibL，icL：三相负载电流。

iα，iβ：将三相负载电流从静止坐标系转换成两相静止α―β坐标系得到。

ip，iq：ip为瞬时有功电流分量，iq为瞬时无功电流分量，包含所有基波与谐波电流，将iα，iβ从两相静止坐标系转换成两相同步旋转cpq坐标得到。

LPF：低通滤波器

基波电流产生的有功直流分量与无功直流分量，ip，iq经过LPF得到。

iαf，iβf：两相基波电流，将有功与无功直流分量从同步旋转坐标系转换到两相静止的α―β坐标系中。

iaf，ibf，icf：三相基波电流，有功与无功直流分量从两相α―β坐标系转换到三相静止坐标系。

iah，ibh，ich：三相谐波电流，由负载电流与基波电流相减所得。

1.3 滑窗FFT递推算法

DFT及其快速算法FFT是数字信号处理领域的核心组成部分。FFT算法多种多样，按数据组合方式不同一般分时域法和频域法，按数据抽取方式的不同又可分为基2和基4等。各算法的优缺点视不同的制约因素而不同。FFT的实现方法也多种多样，可以用软件实现，也可以用硬件实现。在数字通信系统中，经常用到信号谱线技术，这种技术利用离散傅里叶变换将信号从时域变换到频域，达到信号检测、信道估值、同步和调解的目的。

2.电流控制策略

对电流的控制是有源滤波器中另一关键因素，存在于APF中的电流跟踪控制部分，控制主电路中的变流器产生与谐波大小相等，方向相反的电流。

2.1 无差拍控制

无差拍控制电流是采样控制系统中一种特有的控制方式，在每一个开关周期内计算变流器在下一个开关内的占空比，其原理是利用下一个采样时刻指令电流的预测值和当前时刻采样电压和电流值，计算当前指令电压或指令电流，以达到电流跟踪误差为零的目的，如图2所示。

无差拍控制属于开环控制，存在稳态误差，对于环境及参数依赖较强而产生误差。其良好的电流跟踪效果需要有合适的电流预测方案来保证，而这种不进行预测的无差拍控制实为差一拍或差几拍控制，由频谱分析可知，补偿之后电源电流的低次谐波含量较高。

2.2 重复控制

重复控制策略是基于内模原理的，在一个周期性的信号中，它能将每个周期中的误差存储下来，并且进行逐周期累加，是一种有效的波形校正技术，能够消除周期性扰动的影响。

2.3 重复控制的无差拍控制电流

由于无差拍控制对参数依赖性较强，其滤波效果受预测方案影响较大，而重复控制最大的缺点即是动态响应速度过慢，因此可以将二者结合起来对电流进行控制。

在电网中，非线性负载产生的谐波无功电流各不相同，但是由于谐波电流的出现具有重复性和周期性，平推算法的预测值与实际值之间的误差也将以固定的波形重复出现。采用重复控制结合无差拍控制电流的方法，利用重复控制对电网电流进行超前一拍的预测，由于无差拍控制对于电流预测值总是会产生延时，因此将二者结合在一起，可以改善无差拍控制电流的性能。

将重复控制器置于无差拍控制之前，通过对上一开关周期误差信息的收集，能够在下一周期到来时，给予正确的幅度，相位补偿值，然后迅速的消除该周期的误差。重复控制减小谐波失真，改善系统误差，无差拍控制提高系统的动态响应。将两者结合在一起能够对变化的电流有很好的适应能力，当电网中的参数变化，两种控制方法能够很好地对变化的电流进行跟踪，从而准确得出控制主电路的开断信号。

3.仿真

利用MATLAB对并联型有源滤波器利用瞬时功率检测方法并将无差拍与重复控制运算结合在一起的算法方式进行谐波补偿，可以看到含有谐波的电流经补偿已经接近于正弦波图形如图3和图4所示。

结论

为达到补偿谐波电流，使电网电流为正弦波电流的目的，在无差拍控制电流的基础上对其缺点进行了改进，采用无差拍控制与重复控制相结合的控制策略，能更好地控制谐波电流。通过实验仿真我们可以看到电网电流经两种控制算法的结合，谐波电流大大减少，达到净化电网的目的，证明了该方法的正确性与可行性。

参考文献

\[1\]王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿\[M\].北京：机械工业出版社，2006.

\[2\]胡伟.基于技术的混合有源滤波器仿真研究与设计\[D\].长沙：湖南师范大学，2008.