基于MSP430的有源电力滤波器控制方法的研究-电力电子与电力传动硕士论文

西安理工大学 硕士学位论文 基于MSP430的有源电力滤波器控制方法的研究 姓名：赵团昌 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：曾光 201203 删删l J l I I l | j l | 】I l l l | I I l J l | | 删 Y 2 11 7 6 2 9 论文题目：基于M s P 4 3 0 的有源电力滤波器控制方法的研究 学科专业：电力电子与电力传动 研究生：赵团昌 指导教师：曾光教授 摘要 签名： 签名： 随着现代电力电子技术的高速发展及装置的广泛应用，公用电网的谐波污 染F 1 益严重，危及到了电网的安全经济运行。有源电力滤波技术作为一种新的 谐波治理措施，能够动态抑制谐波，并提高电网的功率因数，已成为当前谐波 抑制技术的发展趋势。 本文首先分析了电力系统谐波的产生及其危害。在此基础上，研究了国内 外为限制电力系统谐波所制定的一系列主要的谐波限制标准，阐述了研究谐波 问题的必要性和紧迫性。并比较分析了目前常用的一些谐波抑制方法。最后， 通过对有源电力滤波器结构原理的分析，搭建了基于T I 公司M S P 4 3 0 单片机的 有源电力滤波器的实验平台。 同时分析比较了有源电力滤波器的各种谐波电流检测，补偿电流跟踪控制 以及直流侧电容电压的控制算法，重点研究了基于瞬时无功功率理论的谐波电 流检测算法、定周期瞬时值比较的跟踪控制算法以及基于模糊P I 控制的直流侧 电容电压的控制算法，并设计了主电路的结构参数。 最后在设计了基于M S P 4 3 0 单片机的全数字化控制平台基础上，完成了整 个系统的主电路及控制系统的设计。借助P S I M 和M A T L A B S I M U L I N K 仿真工 具对主电路参数、谐波检测算法和控制策略进行了仿真研究并编写了软件程序， 对谐波检测算法和补偿电流跟踪控制算法进行了实验验证。仿真和实验结果表 明：基于瞬时无功功率理论的的谐波检测方法能够满足有源电力滤波器对于谐 波检测精度和实时性的要求；定周期瞬时值比较跟踪控制算法能够限制开关频 率，具有很好的指令电流跟踪性能；直流侧电压的模糊P I 控制策略相比于传统 的P I 控制策略，能够很好的改善系统的动态性能，具有较强的适应性。 关键词：谐波电流； 模糊P I 控制；有源电力滤波器： M s P 4 3 0 蓑 望童堡三垄兰翌圭堂堡笙查 一一 _ 一一 T i t I e ：T H ER E S E A R C HO FA P F C O N T R O LM E T H O D SB A S E D O NM S P 4 3 0 M a j o r ： P o w e rE I e c t r o n i c sa n dE I e c t r i c a ID r i V e N a m e ：T u a n c h a n g Z h a os i g n a t ur e I 堕幽 S u p e r 、，i s o r ：P r o f Z e n gG u a n g S i g n a t u r e ： A b S t r a C t T h eh a r m o I l i cp o l l u t i o no ft h eu t i l i t y 铲i di sb e c o m i n gm o r ea n d m o r es e r l o u S ，w l m t h eh i 幽s p e e dd e v e l o p m e n ti nm o d e m p o w e re l e c t r o n i ct e c h n 0 1 0 9 ya n dt h e w l d eu s e o fD o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t A san e wk i n do fe d e c t i V e s o l u t i o n st oc o n t r o l h a r m o n i c s ，A c t i v eP o w e rF i l t e r ( A P F ) c a ns u p p r e s s h a n n o n l c sd y n a m l c a 儿y2 m d i m p r o v em ep o w e rf a c t o re 仟e c t i v e l y T h e r e f o r e ，A P Fh a Sb e c o m e at r e n do tc u r r e n t h a 咖o n i cc o n t r o l t e c h n o l o g y T h ep a p e ra I l a l y z e st h ep r o d u c i n ga n dd a n g e ro f h a 衄o n i c sf i r s t l y B a S e do nt h e s e ， r e s e a r c h e sas e r i e so fm 萄o rs t a n d a r d sa td o m e s t i ca n da b r o a dt o1 1 m l t t h ep o w e r s v s t e mh 踟o n i c s ， a n dd e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t ) ， a n du r g e n c yo th a m e s s l n g h a n n o n i c S C o n t r a s ta 1 1 da n a l y z es o m eh a r r n o n i cc o n t r o lm e t h o d su s e dc u l l r e n t I y F i m l l V ，a n a l y z et h ep r i n c i p l ea n ds t m c t u r e o fA P Fa n db u i l tA P Fe x p e r i m e n t a l p l a t 蕾D mb a s e do nT Ic o m p a n yM S P 4 3 0 m i c r o c o n t r o U e r A n a l y z ea n dc o m p a r ea l lk i n d so fa c t i V ep o w e rf i l t e r h a m l o l l i cc u r r e n td e t e c t l o n ， t h ec o m p e n s a t e dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l a n dt h ec o n t r o la l g o n t h mo fc 印a c l t o r v o l t a g ei nD cs i d e E m p h a s i z eo nd i s c u s s i n ga l g o r i t h m s a b o u tt h em s t a n 协e o u s r e a C t i v ep o w e rt h e o r yo ft h eh 黜o n i cc 岍e n td e t e c t i o n ，t l m l n gc y c l ec u r r e n tt r a c k l n g c o n t r o la n dt h ef u z z yP Ic o n t r 0 1D Cs i d ec a p a c i t o rV o l t a g e D e s i g nt 1 1 e m a i nc l r c u l t s t m c t u r ep a r a m e t e r s F i n a l l V ，d e s i g nd i g i t a l c o n t r o lp l a t f o r mb a S e do nt h es i n g l e 。c h i pm i c r o c o m p u t e r M S P 4 3 0 ，c o m p l e t e dm ed e s i g no fs y s t e m m a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t W i t hP S I M a I l dM A T L A B S I M U L I N K ，s i m u l a t i o np a L r 锄e t e r s o fm a mc l r c u l t ，t h eh 锄o m c d e t e c t i o na l g o r i m n l a I l dc o n t r o ls t r a t e g i e s a r es i m u l a t e d V e r i n e dm eh a r m o m c d e t e c t i o na l g o r i t h ma n dc o m p e n s a t e dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mb y t e s t sb y c o d i n gt h es o R w a r ep r o g r a m T h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o 、e rt h e o 叮o ft h eh a 肋o n i cd e t e c t i o nm e t h o d c a l ls a t l s t y a c t i v ep o w e rf i l t e r ，sr e q u i r e m e n tw i mh 跗1 1 0 n i cd e t e c t i o np r e c i s i o na n dr e a l 。t l m e 摘要 T i m i n gc y c l ec u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o Ia l g o r i t c a nl i 而ts w i t c h 舶q u e n c ya n dh a st h e v e r ) ，g o o di n s t m c t i o nc u r r e n tt r a c k i n gp e r f o r m a I l c e T h eV o l t a g eo fD C s i d eu s i n gt h e m z z yP Ic o n t r o ls t r a t e g yi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l ，w h i c hc a I li m p r o V e t h ed y n a m i c 如n c t i o no ft h es y s t e ma n dh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t ) r K e yw o r d s ：h a r m o n i cc u r r e n t ；f u z z yP Ic o n t r o l ；A P F ；m s p 4 3 0 西安理工大学硕士学位论文 l V l 绪论 1 绪论 1 1 引言 电力电子装备在国民经济各领域的广泛应用加重了工业电网中的谐波污染， 影响了用户电气设备的安全运行。此外，人们环保意识的增强促使建设“绿色无 污染的电网”成为电网发展的必然趋势。有源电力滤波器相比早期的谐波治理方 法，谐波抑制效果良好，越来越引起学者专家的关注。 1 1 1 谐波的产生及危害 通常情况下，谐波频率为基波的整数倍。其傅里叶级数展开式为： i L ( t ) = I o + q 2 InS i n ( n t + 9 n ) = Io + i L ( t ) + i ，( t ) 2 = ，o + 2 ，ls 砌r 国f + 9l 夕+ 2 ，。J 砌r 门，+ 妒。) ( 1 1 ) 打= 2 式中，厶为直流分量，俐为其基波分量，为第n 次谐波分量。 电网中各种非线性设备不仅从电网吸收基波能量，同时向电网注入大量高次 谐波，成为主要的谐波源。按污染类型，谐波源可分为电压型谐波源和电流型谐 波源。图1 1 为其对应的等效电路2 q 1 。谐波源的类型关系到滤波方法的选取。 r jr r jr 1 7 e ，斗E l Z s 二，广 么( i ! 篓奎妻璺篓 i ! 垫鬯婆璺鎏零l ! 苎奎受粤塑- j 竺搿! 学婆竺翌i 图1 1两种谐波源等效电路图 F i g 1 一lE q u i V a l e n tc i r c u i td i a g r 锄o f t h et w oh a m o n i cs o u r c e s 对于电压型和电流型谐波源，只需相应抑制电压和电流谐波分量流入电网， 即可改善电网供电质量。当前，电力系统的谐波源主要包括以下几大类： ( 1 ) 电抗器，变压器，电机等各种铁磁饱和特性呈非线性的含铁芯设备。 ( 2 ) 整流器，逆变器等各种电力电子换流装置。 ( 3 ) 易导致电流不规则波动的各种电焊机设备。 ( 4 ) 各种家用电器等日常生活设备。 早在上世纪初，人们就已经对电力系统谐波及其危害进行过一些研究，并有 一定认识。随着谐波污染问题日益突出，人们也更加重视这方面研究。目前，电 力系统谐波所造成的危害主要有睁盯： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备温升。通常情况下，谐波电流小于基波电流， 但谐波频率较高，使谐波电阻相比基波电阻要大，因此谐波所引起的附加损耗也 西安理工大学硕士学位论文 较大。在一些带铁芯的电气设备中，如电机，变压器等，铁芯的涡流损耗和磁滞 损耗也将增大。这些损耗将使设备温升增加，加速设备绝缘老化。 ( 2 ) 恶化绝缘条件，减短设备寿命。除附加的发热影响设备绝缘寿命外，还 因为谐波使绝缘局部放电加剧，导致温升提高。 ( 3 ) 引起电机的机械振动。当电机旋转磁场和谐波电流相互作用产生的脉动 转矩引起电机机械系统共振时，极可能损坏电机设备，危及人身安全。 一( 4 ) 无功补偿电容器组使谐波电流放大，甚至产生谐振，加剧了谐波的危害。 ( 5 ) 对自动控制装置，计算机和继电保护产生干扰，严重时造成误动作或拒 动作，使其无法正常工作。还会使仪表和计量装置出现较大误差。 ( 6 ) 谐波会对电力系统外部的电子设备和通信设备产生严重干扰。 为了保障电网的安全经济运行和其他用户设备的正常工作，世界各国都制定 了一系列限制电网谐波的标准和规定1 8 1 。我国也参照国际标准制定了一些相应 的标准。 由此可见，谐波的危害十分严重，研究谐波问题具有突出的现实意义。 1 1 2 谐波的治理 目前，电力系统谐波治理主要采用加无源滤波器的方式，其原因是：无源电 力滤波器具有结构简单，运行费用低，一次性投入低等特点。但出于原理结构上 的原因，在应用中存在一些自身难以克服的缺点睁1 ： ( 1 ) 由于残余电阻和失谐的存在，调谐滤波器的等效阻抗不可能完全为0 。 阻抗变化影响了滤波效果。 ( 2 ) 只能抑制特定次的谐波成分，因为高次谐波的成分较多，为了同时抑制 多个谐波成分，必须配置多个滤波器。这将使整个滤波器的体积和成本增加。 ( 3 ) 当谐波电流超量时，将有可能引起滤波器过负荷。 ( 4 ) 设置多个滤波电路以滤除多次谐波时，如果高次谐波的大小和次数发生 变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网参数影响较大，很难获得预期的滤波效果。 ( 6 ) 当电网阻抗和频率发生变化时，可能会与电网阻抗并联谐振，使特定次 谐波放大。 由于无源滤波器自身存在的难以克服的固有缺陷，而有源电力滤波器能对大 小和频率都变化的无功和谐波进行动态补偿，弥补了无源滤波器的不足，是一种 理想的谐波补偿装置，成为电力系统谐波治理的新热点。 1 2A P F 研究现状及趋势 有源电力滤波器的概念自上世纪7 0 年代提出以来，引起了无数专家和学者 的广泛关注，并对其进行了深入的研究。其中日本学者赤木泰文的瞬时无功功率 理论的提出对有源电力滤波器的实际应用奠定了基础。在主电路拓扑和连接方式 2 1 绪论 的发展上也取得了很大的成就1 2 。1 钉，如1 9 8 6 年A k i g a 提出了并联型A P F 的连接 方式，这是目前最常用的连接方式；为了降低A P F 的容量，1 9 8 7 年并联A P F 加 P P F 混合型有源电力滤波器拓扑被提出；后来，F z P e n g 又在1 9 8 8 年提出了串 联型A P F 加并联型滤波器( P F ) 的混合滤波器拓扑。9 0 年代后期，并联型A P F 在 日本，美国等国开始进入实际应用阶段。1 9 8 8 年，一台容量达2 0 0 K V A 的用s I T H 实现的A P F 开始投入使用。同年，基于I G B T 的1 0 0 K V A 的A P F 也被用于补偿 建筑物中供电系统谐波。用G T o 实现的A P F 也于1 9 9 0 年被用于电弧炉的谐波 抑制，容量可达2 0 M V A 。国内的一些重点高校也在积极研究，并取得了阶段性 成果。 目前，工业负荷中各种谐波源愈来愈多，要求A P F 朝着大容量的方向发展。 而单个器件的容量又是有限的，解决这个问题的一个方案就是实现开关器件的串 并联。但这样做往往会引入均压和均流的问题，而且单个器件的容量也难以发挥 到极限。另外一种方案就是采用多重化的方案。该种方案能够降低单个器件的开 关频率，而提高装置的等效开关频率。 1 3 本文主要研究内容， 本文以研制一台适合于三相三线制的并联型有源滤波装置为主要目标，对三 相三线制有源滤波器进行了以下基础研究： 1 本文首先给出了有源滤波器的基本工作原理和系统构成，具体阐述了有 源滤波器的历史及发展趋势，详细分析了有源滤波器的各种主电路拓扑及连接方 式。在此基础上，搭建有源电力滤波器的实验平台。 2 详细分析了三相三线制下有源电力滤波器各种谐波检测方法的优缺点。 在此基础上，针对有源电力滤波器对谐波检测精度和实时性的要求，本文选用了 基于瞬时无功功率理论的i p i q 的谐波检测方法。对基于p q 和i p i q 的两种谐 波检测方法进行了详细分析，通过仿真比较了两者的优缺点。并编写程序，在搭 建的实验平台上实验验证基于瞬时无功功率理论的i p i q 谐波检测方法的有效 性。 3 比较了电压型和电流型两种主电路的基本结构，分析其优缺点，给出了 电压型主电路的数学模型，详细的介绍了主电路的参数设计及其参数对补偿效果 的影响。 4 比较了有源电力滤波器的各种谐波电流跟踪控制算法的优缺点，实验验 证了定周期瞬时值比较控制算法的优越性。 5 建立了有源电力滤波器直流侧电容电压控制的数学模型，比较了模糊P I 控制和传统的P I 控制的优缺点，验证了其可行性和有效性。 西安理工大学硕士学位论文 2 有源电力滤波器的基本工作原理和结构 有源电力滤波器( A P F ) 能够动态抑制大小和频率都变化的谐波，补偿变化的 无功，是一种新型的谐波治理装置。它的基本任务是精确实时的检测负载电流中 的谐波和无功分量，并用P w M 方式对其进行补偿。 2 1 有源电力滤波器的基本工作原理 图2 一l 为目前工程上实用的并联型有源电力滤波器系统结构原理图n 6 1 。图中， 巳为交流电网电压。并联型A P F 系统主要由指令电流运算电路，电流跟踪控制 电路，补偿电流发生电路三大部分组成。其中，补偿电流发生电路包括主电路和 驱动电路，电流跟踪控制电路为其控制部分。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统结构原理图 F i g 2 一lP r i n c i p I ea n ds t r u c t u r ed i a g r u T Io fs h u n tA P F 其基本运行原理是：精确检测补偿对象的电流和电压，通过指令电流运算电 路实时计算补偿电流指令信号，补偿电流发生电路实时跟踪产生一个与此指令信 号大小相等，方向相反的实际补偿电流以抵消负载电流中的谐波分量，达到谐波 抑制的目的。 2 2 有源电力滤波器的分类、结构及应用 有源电力滤波器根据其接入电网方式的不同，可分为串联型和并联型两大 类。两者又各包括许多不同的类型，如图2 2 所示。 4 2 有源电力滤波器的基本工作原理和结构 图2 2A P F 的系统构成分类 F i g 2 2C l a s s i n c a t i o no f A P F ( 1 ) 单独使用的有源电力滤波器 1 ) 并联型A P F 1 7 。1 8 1 。并联型A P F 出现早，技术成熟，连接方便( 见图2 - 3 ) 。 吖、厂吨 豫 图2 3并联型A P F图2 4串联犁A P F F i g 2 3S h u n t A P F F i g 2 - 4S e r i e sA P F 2 ) 串联型A P F “螂。串联型是有源滤波器的另外一种形式( 见图2 4 ) 。 ( 2 ) 混合使用的有源电力滤波器 单独使用的并联型和串联型A P F 开关器件的等级较高，存在初期投资大， 运行效率低等缺点，混合补偿方案可以有效降低有源装置容量。 1 ) 与P F 混合的混合型有源电力滤波器D 卜捌 并联型有源滤波器+ 并联型无源滤波器( 见图2 5 ) 。这种电路中，A P F 仍 起着补偿谐波的作用，P F 滤除大部分谐波，因此A P F 容量很小。 图2 5 并联型有源滤波器+ 并联型无源滤波器 F i g 2 - 5S h u n tA P F + P F 西安理工大学硕士学位论文 注入型有源电力滤波器。可使有源电力滤波器不承受基波电压，进而降 低其容量( 见图2 6 和2 - 7 ) 。 图2 6 串联谐振注入型A P F F i g 2 6S e r i e sr e s o n a n tc i r c u i tA P F 串联型A P F + 并联P F ( 见图2 8 ) 。 图2 7 并联谐振注入型A P F F i g 2 - 7P a r a l l e lr e s o n a n tc i r c u i tA P F 串联A P F 相当于一个电流控制电压源， 产生与电网支路中谐波电流成正比的谐波电压。这种方案结合了有源滤波器和无 源滤波器各自的优点，装置的补偿容量可以做的很大，装置成本相对较低。其缺 点是：对电网中的闪变分量用该方法不能实现隔绝；绝缘较困难，维护也不方便。 图2 8 串联型A P F + 并联P F图2 - 9 A P F 与P F 串联后并联接入电网的H A P F F i g 2 8S e r i e sA P F + S h u n tP F F i g 2 9S h u n tA P Fi ns e r i e sw i t hP Fi n t os y s t e m A P F 与P F 串联后并联接入电网( 见图2 9 ) 。其中A P F 为电流控制电压源， 产生与线路中谐波电流成比例的电压，该方式中谐波主要由L C 滤波器滤除，而 有源电力滤波器的作用是改善L C 滤波器的滤波特性。 2 ) 与其他变流器混合的混合型有源电力滤波器2 2 7 1 并联型有源电力滤波器+ 串联型有源电力滤波器( 见图2 1 0 ) 。这种方式结合 了两种A P F 的优点。其中串联型A P F 将电源与负载隔离，阻止电源的谐波电压 串入负载端和负载的谐波电流流入电网。并联型A P F 提供了一个零阻抗的谐波 支路，把负载中的谐波电流吸收掉。但其只能补偿一定量的无功功率，初期造价 也较高。 6 T；I_：。1 2 有源电力滤波器的基本工作原理和结构 图2 1 0 并联型+ 串联型有源电力滤波器 F i g 2 - 1OS h u n t + S e r i e sA P F 2 3 影响有源电力滤波器实际补偿性能的因素 有源电力滤波器主要由谐波检测环节、谐波指令电流跟踪控制环节和补偿电 流发生主电路三部分组成。这三部分的性能都会对有源电力滤波器的实际补偿性 能产生很大的影响。 ( 1 ) 谐波检测环节对有源电力滤波器实际补偿性能的影响 目前，应用于有源电力滤波器的谐波检测方法很多。为了实现对负载电流谐 波的精确补偿，首先必须要求谐波检测方法具有高的稳态检测精度。对于快速变 化的负载，对检测算法的实时性也提出了很高的要求。检测算法中的低通滤波器 的性能在很大程度上影响着检测算法的精度和实时性2 争2 钉。 - ( 2 ) 指令电流跟踪控制环节对有源电力滤波器实际补偿性能的影响 指令电流跟踪控制环节要求完全无误差跟踪指令电流信号，同样要求很高的 实时性。目前常用的电流跟踪控制算法有滞环比较控制算法，三角波比较控制算 法和无差拍控制算法跚1 。这些算法各有优缺点，任何的过补偿或者欠补偿都会 影响有源电力滤波器的实际补偿性能。 ( 3 ) 主电路参数设计对有源电力滤波器实际补偿性能的影响 有源电力滤波器的补偿电流需要通过控制主电路的功率开关器件而发出，因 此主电路参数的设计会在一定程度上影响补偿性能3 卜3 ”。直流侧电容电压的高低 决定了其补偿能力；连接电感对其补偿电流的跟踪精度和速度都会产生很大的影 响；同时开关器件的开关频率也是一个很重要的影响因素。 2 4 本章小结 本章主要介绍了有源电力滤波器的基本原理和结构。有源电力滤波器就是通 过谐波检测环节实时精确的检测负载电流的谐波分量获得谐波电流指令信号，然 后通过补偿电流产生电路产生一个与此大小相等，方向相反的实际补偿电流，以 抵消负载电流中的谐波分量，补偿后的网侧电流只含有基波分量，不含谐波分量， 达到了谐波抑制的目的。根据有源电力滤波器的系统连接方式，应用场合可以有 不同的分类和拓扑结构，并分析了其优缺点及适用范围。最后简单的介绍了有源 电力滤波器的各个环节对补偿性能的影响。 7 西安理工大学硕士学位论文 3 模糊控制的基本理论 模糊逻辑相比于经典的二值逻辑更加接近人类思维和自然语言。在原理上， 模糊逻辑提供了一种更为有效地方式来描述现实世界中近似和不精确的特性。语 言规则集是模糊系统中最基本的部分。模糊控制在本质上提供了一种把基于专家 知识的语言规则转化成自动控制行为的方法。在解决一些不精确，不确定性问题 时，模糊系统方法相比于传统方法往往具有更多的优越性。 3 1 模糊理论的基本概念 ( 1 ) 模糊集合 模糊集合的概念与古典集合的概念相对应，是古典集合论的推广。模糊集既 区别于古典集，又与古典集有密切的联系。古典集用于描述“非此即彼”的清晰 概念。而模糊集合包含隶属不精确的元素。Z a d e h 于1 9 6 5 年首次提出了模糊集 合的概念n “ 。古典集合和模糊集合的映射图见图3 1 。 隶属函数 古典集合 “1 模糊集合 一 歹 N 霸 爻 _ ，、 l 一 l 、 2 一 一一 U 图3 1古典集合和模糊集合的映射图 F i g 3 - lM a p p i n gd i a g r 锄b e t w e e nc l a s s i c a ls e ta n d 俞J z 巧s e t ( 2 ) 隶属函数 在古典集合中，特征函数只取0 、1 两个值；而在模糊集合中，特征函数取 值扩大到在【0 ，1 区间取值。为了区分这两个概念，故把模糊集合的特征函数称隶 属函数。隶属函数是特征函数的扩展和一般化。隶属函数定义了如何将输入空间 ( 又称“论域“ ) 上的点映射到O 到1 之间的隶属度值3 4 1 ，它是一条曲线。这两种 函数的关系如图3 2 所示。 8 3 模糊控制的基本理论 古典集合 图3 2 扩展函数和隶属函数的关系 F i g 3 2R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne x t e n d e df u n c t i o na n dm e m b e r s h i pf u n c t i o n 隶属函数分为连续和离散两种。选择不同语言变量和对应的隶属函数，即可 构造不同模糊控制器。常见的隶属度函数有三角隶属度函数和高斯隶属度函数。 其数学表达式可表述如下： 三角隶属度函数 肿) ： 卜掣肛叫l o ( 4 8 ) d t _ “ 即 3 吒( 4 9 ) 在此基础上，需要根据实际应用情况综合考虑直流侧电容电压的取值。在本 实验平台上，考虑到电网相电压一定的波动范围，最严重时高达2 4 0 V 左右。所 西安理工大学硕士学位论文 以 U 如 3 U 口= 7 2 0 矿 ( 4 1 0 ) 本实验平台选直流侧电容电压给定值为8 0 0 v 。 b 主电路功率开关器件的选择 主电路功率开关器件的耐压水平和通态最大电流是其最主要的两个参数，首 先应该根据装置容量和直流侧电容电压的大小来选择。根据上文直流侧电容电压 给定值为8 0 0 V ，则有源电力滤波器工作中主电路功率开关器件可能承受的的最 大工作电压为8 0 0 V 。为了提高器件工作的可靠性，器件的耐压水平需留有2 倍 余量，选1 6 0 0 V 的开关器件。通态最大电流应大于最大输出补偿电流，并留有 一定余量，选1 5 A 。 主电路功率开关器件的另一个重要参数：器件的工作频率由需补偿的谐波次 数的大小来决定。根据香农采样定理，功率开关器件的开关频率必须选为需补偿 的最高次谐波频率的2 倍以上。实际上，当开关频率小于最高次谐波频率的7 1 1 倍时，就会发生混叠，波形出现失真。本课题需补偿1 3 次以内谐波，所以开关 频率需大于1 3 x 5 0 7 = 4 5 5 0 H z ，本文丌关频率选1 0 k 。从理论上来看，主电路功 率丌关器件的开关频率越高，可以补偿的谐波次数越高，补偿效果越好但随之而 来的损耗越大，对散热器的设计要求越高，功率开关器件的成本也相应增加。 目前实际应用中，并联型有源电力滤波器多采用G T R 、I G B T 、G T O 等全控 型器件。器件选择应考虑装置对器件容量和工作频率等性能的要求。为提高补偿 电流跟踪性能，需根据实际要求选择工作频率高的器件。在大容量应用场合多采 用G T O ，但其工作频率较低，对高次谐波补偿性能较差，常采用多重化主电路 方案提高其等效开关频率。在中小容量场合，多采用I G B T 、I G C T 等新型器件。 本实验平台采用英飞凌I G B T 单管。 c 交流侧连接电抗器的设计 实际输出补偿电流对指令电流的跟踪控制能力决定了有源电力滤波器补偿 性能的高低。因此，连接电抗器应使有源电力滤波器能够跟踪补偿指令电流的最 大变化率。在各次谐波中，基波电流的波形最平坦，可据此计算连接电抗器的最 大值。图4 6 为一段正弦波波形，图中T 为P W M 开关周期，t 0 为任一工作时间 起点。 1 6 4 有源电力滤波器的硬件实验平台 图4 6 正弦波形 F i g 4 6S i n ew a V e 因为T 很小，所以在一个P W M 周期中，正弦曲线可以近似认为是直线，有 幻门日：竖三二塾 2 t l S t 州i ( o ( tq + T ) 】一S i n to ) r 蔓型鱼塑竺鱼! 竺竺! 二兰塑竺! 12 丁 疋Mc o s t os i n T r e 删似c D s 耐o f ，当丁一o ) 所以 m 盘x ( t n n e ) = 乏讹H ( o 上式中，f ：一为指令电流的峰值，为其频率。 根据有源电力滤波器A 相数学模型 = 哪妊也1口f L ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 在相当长时间内，交流电网相电压【，。的平均值为o ，开关系数吃的平均值为4 9 ， 代入得 L = 孝= 去 d i 豫d t9 d i c d d t - ” 要使实际补偿电流能够跟踪补偿指令电流的最大变化率，须有 拿 所似细a ，) ( 4 1 5 ) 冼 V 7 所以连接电抗器最大值为 删d c 9 聊似似加，) 9 f ：一 ( 4 1 6 ) 实际中，1 5 2 0 次以上谐波很小，所以可把连接电抗器取值上限定为： 1 7 西安理工大学硕士学位论文 。卷志 切 设实际补偿电流允许波动率，则 仃= 厶吒( 4 1 8 ) 式中，I 。为功率开关器件造成的谐波电流幅值，I 。为输出补偿电流幅值。由式( 4 1 8 ) 可得 L = 等 ( 4 1 9 ) 上式中，气为开关工作周期，结合式( 4 1 8 ) ，( 4 1 9 ) 则 r 、划d ts L 瓦 ( 4 2 0 ) 9 ，1 小7 结合上面分析，根据实际情况，选取连接电抗器值为0 6 m H 。 4 3A P F 主电路参数对补偿性能的影响 有源电力滤波器主电路参数的选取极大地影响着补偿的性能，为了更进一步 验证主电路参数对补偿性能的影响，本文做了以下的仿真研究： ( 1 ) 连接电抗器取值对A P F 实际补偿性能的影响 根据上文解析分析，可知连接电抗器的取值对有源电力滤波器的跟踪能力有 很大的影响，下面在L 分别取0 1 I T I H ，0 6 m H ，1 1 1 1 H 情况下对其跟踪能力进行研究， 结果分别如图4 7 、4 8 和4 9 所示。从图中对比不难看出：当连接电抗器取值 为0 6 I I l H 时，其跟踪精度最好，补偿电流纹波最小；当连接电抗器取值过小时， 将使补偿电流纹波增大；相反，取值过大时又会使跟踪的动态性能变慢。 矗实嘎补偿电流 惫 一 1 f 牌 泰 惦 0 。厂+ _ V r 一w 图4 7L = o 1 m H 时的跟踪电流波形 F i g 4 - 7T r a c k i n gc u 盯e n tw a V ew h i l eL = 0 1m H 4 有源电力滤波器的硬件实验平台 图4 8L = O 6 m H 时的跟踪电流波形 F i g 4 - 8T r a c k i n gc u 丌e n tw a V ew h i l eL 2 0 6 m H 实际补偿电流 图4 - 9L = 1 m H 时的跟踪电流波形 F i g 4 9T r a c k i n gc u 丌e n tw a V ew h i l eL = lm H ( 2 ) 直流侧电容量对A P F 实际补偿性能的影响 直流侧电容量通过影响直流侧电压的响应来影响有源电力滤波器的补偿性 能。图4 一1 0 、4 1 1 和4 1 2 为直流侧电容分别取1 3 0 0 u F 、2 2 0 0 u F 和3 0 0 0 u F 时的直 流侧电压响应波形。对这几幅图进行对比很容易可以看出：直流侧电容取值为 2 2 0 0 u F 时，直流侧电压动态响应速度较快，波动较小，很好的满足了有源电力 滤波器对直流侧电压的稳定性要求；当其值选择过小时，会引起直流侧波动较大， 1 9 丑 、，；i；，一t；一 一；一 西安理工大学硕士学位论文 降低装置补偿性能；反之，选择过大时，又会引起直流侧响应速度降低，同样降 低补偿性能。 。?：产6 一 ，、h _ ，、，、一 f y 图4 1 0C = 1 3 0 0 U F 时的直流电压波形 F i g 4 - l0D CV o l t a g ew a v ew h i l eC = l3 0 0 U F 图4 I lC = 2 2 0 0 U F 时的直流电压波形 F i g 4 1 1D CV o I 魄ew a V ew h i l eC = 2 2 0 0 U F 图4 - 1 2 C = 3 0 0 0 U F 时的直流电压波形 F i g 4 12D Cv o l t a g ew a v ew h i l eC = 3 0 0 0 U F 4 有源电力滤波器的硬件实验平台 4 4A P F 控制器外围电路设计 基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法需要检测三相负载电流i l a ，i l b ， i l c 和电网A 相电压U a 。负载电流的检测需要采用电流互感器先将其变为电压信 号，再经过比例放大和抬升，变为0 3 3 V 的电压信号，适应单片机采样的要求。 图4 1 3 、4 1 4 和图4 1 5 分别为电流、电压采样调理电路和信号抬升电路。 图4 1 3电流采样调理电路 F i g 4 一l3C u r I e n ts a m p l i n gc i r c u i t 图4 一1 4 电压采样调理电路 F i g 4 l4v o l t a g es a m p l i n gc i r c u i t 图4 一1 5 信号抬升电路 F i g 4 15L i f I i n gc i r c u i t 2 l 西安理工大学硕士学位论丈 为了准确地获得电网A 相电压的相位信息，设计了如图4 一1 6 所示电压过零 比较电路。此电路输出一个在电网A 相电压过零点发生翻转的方波信号，可送入 单片机捕获端口，获取电网电压相位信息。 图4 1 6 电压过零比较电路 F i g 4 一l6C r o s s z e r oc O m p a r s o nc i r c u i t 4 5 本章小结 本章主要介绍了有源电力滤波器硬件平台的设计，重点阐述了主电路形式的 选取和数学模型的建立，并在此基础上，解析计算了有源电力滤波器的主电路参 数。为了进一步的确定各主电路参数对有源电力滤波器补偿性能的影响，本章也 对各主电路参数进行了详细的仿真研究。仿真结果也进一步支持了解析计算的结 果。最后，本章也以T I 公司M S P 4 3 0 为主控制器设计了有源电力滤波器的控制系 统及其外围主要调理电路，完成了实验平台的搭建工作。 5 有源电力滤波器算法仿真及实验研究 5 有源电力滤波器算法仿真及实验研究 有源电力滤波器的算法主要包括谐波检测算法，补偿电流跟踪控制算法和直 流侧电容电压的控制算法。本文对这三部分算法都进行了详细的分析和研究。 5 1 基于i p i q 法的谐波检测算法研究 谐波检测的精确性和实时性极大地影响着有源电力滤波器的补偿性能，特别 对于快速波动负荷。目前用于有源电力滤波器的谐波检测方法有很多种，其中最 为常用的是基于瞬时无功功率理论的i p i q 法和p q 法。 5 1 1p q 谐波检测算法的理论基础 该方法需先算出p 、q ，经低通滤波后，得到其直流分量p ，g 。当电网电 压无畸变时，p ，口分别为基波有功和无功电流和电网电压作用所产生。则由 ；，；即可得到三相负载电流屯，屯，C 的基波分量。，。，。再将各基波分量分 别与相应负载电流相减，可得各相总谐波电流o ，“，o 。其检测原理如图5 1 所示。 图5 1 p q 谐波检测算法原理图 F i g 5 - lP r i n c i p l ed i a g r a mo fp qh a n n o n i cd e t e c t i o n ；j = c 妄1c ： ； c 5 ， 印l l I r 一1r l 印1I 一。3 2 。朋 I 印l _ J 旧 ( 5 2 ) 其中0 。，嘞，f 印，为三相基波有功分量。由于使用了低通滤波器，所以便不可 避免的引入延时，当只补偿无功时，可以去掉低通滤波器，只将q 反变换即可。 则 西安理工大学硕士学位论文 叼 l l r 一1r l 幻I u 3 2u 冈 I c 碍I 5 1 2i p i q 谐波检测算法的理论基础 该方法的原理如图5 2 所示。图中 印坪缓或 S i n 钡 = I。 1 I C D S 6 游 L 吲 ( 5 3 ) 图5 - 2 i p - i q 谐波检测算法原理图 F i g 5 - 2P r i n c i p l ed j a g r a mo fi p i qh a 啪o n i cd e t e c t i o n 该方法首先需要利用锁相环P L L 和正余弦发生电路产生一个与电网A 相电压 眈同相位的正弦信号s 切耐和对应的余弦信号c D s 埘，同时分别检测电网三相负 载电流屯，t ，经过c 3 ：变换到两相静止a 一卢坐标系，得到屯，如，再经过c w 变 换得到瞬时有功电流f p ，瞬时无功电流。这样负载基波电流便被变换为直流分 量，经低通滤波器滤波后得到直流分量，再反变换即可得到三相负载电流的基波 分量，f 。总的负载电流减去对应基波电流即为对应相谐波总电流 o ，k ，o 。上面过程可用以下算式描述： 2 4 胂缓珊 ( 5 4 ) = 二珊扣g 圈 5 ， 1J 耐 耐 剃 咖 一 一 目前， 5 有源电力滤波器算法仿真及实验研究 嘲 ( 5 6 ) ( 5 7 ) 但在某些场合，也有 对特定次谐波检测的需求。对一般的i p i q 谐波检测算法进行改进，即可用于对 特定次谐波的检测。 传统的i p i q 法将电流矢量i 在电网基波正序电压合成矢量u 及其法线上投 影。在0 【p 两相静止坐标系中，只有基波电流和基波电压合成矢量同步旋转，相 对静止，而其他所有的电流分量都是相对动态的。提取其中的直流分量，反变换 即可得到电网基波正序电流分量。根据上述原理，若要检测某次( 如k 次) 谐波电 、 流分量，只需将参考电压矢量选为k 次谐波的正序电压合成矢量即可。 蹦= ，二；器瑚 一s 砌砜fII 如l s 砌慨