并联型有源电力滤波器的电流数字控制毕业论文

分类号学号2003611310061学校代码10487密级硕士学位论文并联型有源电力滤波器的电流数字控制技术学位申请人方昕学科专业电力电子与电力传动指导教师康勇教授戴珂副教授答辩日期ATHESISSUBMITTEDINPARTIALFULFILLMENTOFTHEREQUIREMENTSFORTHEDEGREEOFMASTEROFENGINEERINGTHEDIGITALCONTROLONCURRENTOFPARALLELACTIVEPOWERFILTERCANDIDATEFANGXINMAJORPOWERELECTRONICSANDELECTRICDRIVESUPERVISORPROFKANGYONGVICEPROFDAIKEHUAZHONGUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYWUHAN,HUBEIPRCHINA430074APRIL,2006独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名指导教师签名日期年月日日期年月日摘要电力电子技术为工业设备提供了高速、高效和节能的控制手段，但同时也给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。在众多谐波抑制和无功功率补偿技术中，以有源电力滤波器的应用最为广泛。本文在研制一台三相三线制并联型有源电力滤波器的基础上，对其谐波指令的产生、滞环比较控制进行了介绍和初步的分析。重点对电流环的数字控制方式，包括数字PI调节器的设计、重复控制器的应用做出了比较详细的分析。本文首先给出了三相三线制并联型有源电力滤波器的系统构成以及工作原理。详细地介绍了瞬时无功功率理论，选择检测负载电流的方式以提取谐波。提出了用滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，以快速分离负载电流中的基波分量得到谐波指令。在有源电力滤波器的电路结构上建立了数学模型，分析了并网电感对补偿电流的影响。对电流滞环控制的方式进行了介绍和仿真，分析了传统滞环的不足并介绍了两种改进方法。以全数字控制为重点，本文提出了有源电力滤波器的电流PWM载波控制方式,建立了交流侧带RC滤波器的对象模型。分析了PI参数对系统性能的影响，指出了纯PI调节器在有源滤波中的局限性。进而提出了在数字电流环中引入重复控制技术以提高系统的稳态性能，给出了重复控制器各个环节的设计过程。并建立了重复控制器与PI调节器并联的系统模型，给出了相应的仿真。最后本文通过实际系统的各种实验对所论述的内容进行了验证，并对结果进行了相关分析，实验结果证明了这种数字控制方式的有效性。关键词谐波抑制无功功率补偿有源电力滤波器瞬时无功功率滞环控制数字PI调节器重复控制技术ABSTRACTBEINGTHEFAST,POTENT,ANDECONOMICALCONTROLMEANSTOINDUSTRIALDEVICES,POWERELECTRONICS,HOWEVER,HAVEALSODETERIORATEDPOWERQUALITYBYINJECTINGTHENONNEGLIGIBLEHARMONICSANDREACTIVECURRENTTOTHENETWORKAMONGTHOSETECHNOLOGIESINHARMONICSUPPRESSIONANDREACTIVECOMPENSATION,THEACTIVEPOWERFILTERAPFISTHEMOSTFAMOUSONETHISTHESIS,FIRSTOFALL,HASINTRODUCEDTHEHARMONICREFERENCEGENERATIONOFAPFANDTHETYPICALHYSTERESISCONTROLBASEDONTHEDESIGNANDREALIZATIONOFTHETHREEPHASETHREEWIREPARALLELAPF,ANDTHENCHOSENDIGITALCONTROLASITSCENTRECONTENTWITHDETAILEDANALYSISONPICONDITIONERANDREPETITIVECONTROLFIRSTLY,THISTHESISHASPRESENTEDTHESYSTEMSTRUCTUREANDOPERATIONPRINCIPLESOFTHREEPHASETHREEWIREPARALLELAPFSPECIFIEDINTRODUCTIONSOFTHEINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERTHEORYAREGIVEN,ANDASLIDINGWINDOWRECURSIVEMETHODASTHELOWPASSFILTERISPROPOSEDWHICHISSUPPOSEDTODEPARTTHEFUNDAMENTALCURRENTFROMTHELOADANDGETTHEHARMONICREFERENCETHEINFLUENCEONTHECOMPENSATIONCURRENT,CAUSEDBYTHEINDUCTANCECONNECTINGTOTHENETWORK,ISGIVENINTHISTHESISAFTERTHEESTABLISHMENTOFMATHEMATICMODELOFAPFTYPICALHYSTERESISCONTROLONCURRENTISINTRODUCEDANDITSSIMULATIONRESULTSHAVEDEPICTEDITSCOMPENSATIONCHARACTERISTICS,WHICHAREFOLLOWEDBYTWOIMPROVEDMETHODSINBRIEFASTOOVERCOMETHEINNERDEFICIENCIESOFTRADITIONALHYSTERESISCONTROLTAKINGTHEDIGITALCONTROLASITSCENTRECONTENT,THISTHESISHASPROPOSEDAPWMCONTROLWAYONCURRENTTHECONTROLPLANTWITHARCFILTERPLACEDONTHEACSIDEOFAPFISESTABLISHEDWHATSMORE,THETHESISHASANALYZEDHOWPIPARAMETERSAFFECTTHESYSTEMOFAPFANDPOINTEDOUTTHELIMITATIONOFSIMPLEPICONDITIONERINACTIVEFILTERINGINORDERTOACHIEVEBETTERCHARACTERISTICSINTHESTEADYSTATEOFAPF,THISTHESISHASPROPOSEDAWAYOFADDINGTHEREPETITIVECONTROLTECHNOLOGYTOTHEDIGITALCURRENTLOOPDETAILEDPROCEDURESOFDESIGNINGEVERYBLOCKOFTHEREPETITIVECONTROLLERAREGIVEN,ANDTHESIMULATIONMODELOFANIMPROVEDCURRENTCONTROLLERWITHPICONDITIONERANDREPETITIVECONTROLLERWORKINGINPARALLELISPRESENTEDINTHISTHESISTHESIMULATIONRESULTSAREPROVIDEDAFTERTHATINTHEEND,EXPERIMENTSHAVEBEENCARRIEDOUTINDIFFERENTCONDITIONSWHICHAREDISCUSSEDINTHISTHESIS,ANDTHEIRRESULTSHAVEPROVEDTHEEFFECTIVENESSOFTHISDIGITALCONTROLMETHODKEYWORDSHARMONICSUPPRESSIONREACTIVEPOWERCOMPENSATIONACTIVEPOWERFILTERINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERHYSTERESISCONTROLDIGITALPICONDITIONERREPETITIVECONTROL目录摘要IABSTRACTII1绪论111电力电子技术概述112有源电力滤波器APF简介313本文主要研究内容82并联型APF的工作原理和谐波检测方法1021并联型APF的基本原理1022谐波检测位置及其相应控制1223谐波指令的提取与瞬时无功功率理论1524低通滤波器与滑窗迭代法2025本章小结233并联型APF的滞环控制方式2531并联型APF的电路结构和数学模型2532并联型APF的滞环比较控制分析2933本章小结334并联型APF的载波控制方式3441APF电流环的控制结构3442电流环PI参数对系统的影响4143电流环PI控制下的系统仿真4544本章小结515重复控制在APF中的应用5251重复控制的基本思想和结构5252APF电流环的重复控制应用5653本章小结636实验与结果6461实验台架介绍6462实验结果分析6963本章小结737全文总结7571本文所进行的研究工作7572存在的不足7673未来工作展望76致谢78参考文献79附录1攻读硕士学位期间发表的论文841绪论11电力电子技术概述以电力为对象的电子技术称为电力电子技术（POWERELECTRONICS）,它是一门利用电力电子器件对电能进行控制和变换的学科。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，其中以电力电子器件的制造技术为核心1。作为电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，电力电子技术随着科学技术的发展，又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前，它已逐渐成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。电力电子技术使用电力电子器件，通过电力电子变换电路及相应的控制理论，实现对电能的高效变换和控制，具体包括对电压、电流、频率、相位、波形、相数、有功以及无功等参数的变换和控制25。如今许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的变换与控制相关，现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和和高效率的处理,为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因而，它不但本身是一项高新技术，而且还是其它多项高新技术的发展基础。电力电子技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并对现代生产和现代生活带来深远的影响。电力电子技术在世界范围内已有40年的历史，由于它对生产的明显作用，如优化性能和节能等，世界各国都很重视这一技术，因而发展速度很快。至1980年，传统的电力电子器件已由普通晶闸管衍生出了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等，形成了一个SCR家族，同时各类SCR的性能也有很大改善。但是实际上由于SCR为半可控器件，而且工作频率低，所以，以SCR为代表的传统电力电子器件的发展日趋缓慢。80年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术进入了新的发展阶段。首先，各种高频化全控型器件如雨后春笋般地不断问世，并得到迅速发展。这些器件有功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘门极晶体管（IGBT）等。其次是电力电子变换电路及控制系统随着新器件的问世不断革新。如各种各样的脉宽调制（PWM）电路，零电流零电压开关谐振电路以及高频斩波电路等。与新型电路相适应的新一代交流电机调速装置、不间断电源（UPS）以及其他电力电子装置随之相应出现。这些运行可靠的电力电子装置在机电一体化的载体上开始进入各个应用领域，电力电子已成为世界范围内的一项重要产业。目前，电力电子技术正朝着以下几个方向发展高频化、模块化、多功能化以及控制技术数字化。PWM电路、谐振电路及高频斩波电路这些本来用于弱电领域的电路，今已成为电力电子电路的主要形式，而控制这些电路的技术正朝着全数字化的方向发展67。随着电力电子技术的飞速发展，各种大功率开关器件被大量应用到各种电源装置和电动机的调速中，为工业装置提供了高速、高效、节能的理想控制手段。但是，利用开关动作对电能进行有效变换的同时，装置本身产生了无功电流和高次谐波，对电力系统产生了很大的危害8。无功功率将增大设备容量，在公用电网中增加设备和线路的损耗，使线路和变压器的压降增大，冲击性的无功还会使电压产生巨大的波动，严重影响了供电质量。高次谐波电流流入用电设备会引起诸如旋转电机和电力电容器的噪音、过热和振动以致损坏就是这个所导致的。高次谐波电压则会对数字系统产生干扰，使其误动作。另外，谐波电流流经高压线路的时候还会造成线路损耗，通过感应电势对临近的通讯线路造成干扰。当谐波引起公用电网中的并联谐振和串联谐振时还会使谐波放大，从而加剧谐波的危害，恶化电网供电质量。当今世界科学技术日益更新，电力电子装置被广泛应用，从改善电力系统电能质量，保证系统可靠性出发，提高功率因数，抑制谐波这两大课题推动了各种谐波抑制和无功补偿技术的竞相发展914。在谐波抑制方面有LC调谐滤波器，有源电力滤波器ACTIVEPOWERFILTERAPF，统一潮流变换器，多重化技术，与PWM配合技术等。对于无功补偿有同步调相机，并联电容器，静止无功补偿，静止无功发生器等。过去，国内外大量采用无源滤波装置来进行谐波抑制、无功功率补偿和提高功率因数。传统的无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性高、运行费用较低和维护方便等优点。但也存在不足和缺陷，如谐波补偿频带窄，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会发生放大作用；滤波特性受到系统参数的影响较大，当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生串联或者并联谐振现象；装置笨重、体积大、损耗大等等。随着功率集成电路技术以及相关的谐波理论的发展，七十年代提出了应用电力电子装置进行谐波和无功补偿的方法，这就是有源电力滤波器1518。其基本原理就是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的。与无源滤波器相比，有源滤波器具有明显的优势。它能对变化的各次谐波和无功同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小，控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。12有源电力滤波器APF简介121有源滤波技术的历史发展七十年代初有源滤波器的基本原理和电路拓扑结构就已经确定，但是由于受到当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验研究阶段。直到进入八十年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发掌、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，使得有源电力滤波器得到迅速完善和发展。自1982年世界第一台APF（800KVA）在日本研制成功而被正式投入使用以来，经过20多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论从实现功能还是运行效率上都有明显改善。其中在日本，已经投入使用的APF从50KVA到60MVA功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调节，应用越来越丰富。与国外广泛应用APF相比,我国的有源滤波技术的工业化应用还不够成熟。这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展,利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力,有源滤波技术必将得到广泛的应用。122有源滤波器的分类目前投入使用的APF种类繁多，其分类方法也多种多样。图11从不同角度对APF进行了分类。根据应用场合的不同，APF可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流测的谐波电压；后者则应用于交流电力系统。根据逆变电路的储能元件不同，有源滤波器可以分为电流源型和电压源型两种。电压源型滤波装置效率高、初期投资小、可任意并联扩容，易于单机小型化，经济实用，目前实用装置90以上为电压源型，技术相对成熟、完善。电流源型滤波装置则相对结构简单、性能可靠，但损耗较大。从与电网的连接方式来看，有源滤波器可以分为并联型和串联型。并联型的APF相当于一个受控电流源，可以消除负载引起的谐波电流，也可以补偿无功和平衡三相电流。其适用于感性电流源型负载的谐波无功补偿，优点是它只流过补偿电流和小部分基波有功电流，另外并联型的APF可以多台并联使用以提供大的电流。但由于APF是和被补偿的谐波负载并联在电网上的，须承受电网的基波电压，这就使其容量很大，开关损耗也比较高。串联型的APF通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。其主要用于消除带电容二极管整流电路等电压源型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型APF的主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并联有源滤波器相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使得变压器的体积变大，损耗大；此外串联型APF投切、故障后的退出以及各种保护也较为复杂。目前，应用装置中并联型占有大多数。虽然APF能实现大容量和低损耗以及多功能，但由于受到开关器件的限制，容量的增大往往有限，而且造价随之增大。而无源滤波器具有结构简单、造价低廉等特点，人们便提出各种APF和无源滤波器相结合的混合型APF来减小APF的容量，提高装置的经济性。有源滤波器直流APF交流APF串联型APF并联型APF串联混合型单独运用型单独运用型并联混合型注入回路型与LC并联与串联串联谐振式并联谐振式串并联混合型图11有源滤波器的分类123有源滤波器的检测技术有源滤波器控制的一个重要环节是补偿指令的获取，这一环节将直接影响到有源滤波器的性能，因为如果不能准确地得到指令信号，电流的控制将无从谈起。计算补偿指令，首先必须根据补偿目的将谐波和无功电流分量或者正序、负序以及零序等分量进行分离。根据补偿目标，可以对电流进行不同的分解。比如，在补偿所有高次谐波分量以及单位功率因数的条件下，只需检测基波有功电流分量即可；如果只是进行某些次谐波消除以及基波无功分量补偿，则需要分别检测出各次谐波分量以及基波无功分量。在不对称的情况下，还要检测出电流中的正序、负序以及零序分量（三相三线制中没有零序分量）。分离谐波和无功分量的方法大体上有以下几种基于频域分析的模拟带通或者带阻滤波器检测法带通（或者带阻）滤波器用于分离出被检测信号中预定的某一单一频率分量，是用模拟的方法实现频域分析的一种方法，也是最早被采用的谐波电流检测法，该检测方法的优点在于电路结构简单、造价低廉、输出阻抗低、品质因数易于控制1921。但是这种滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性；当电网频率发生波动的时候，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源电力滤波器的补偿容量和运行损耗。此外，这种方法只能区分负载电流中的不同频率分量，无法将基波有功和无功电流相分离，因而目前很少采用。基于FRYZE时域分析的有功电流检测方法该方法的基本原理是将负载电流分解为两个正交分量一个是与电网电压波形完全一致的电流分量，称为有功电流分量；另外一个分量为负载电流与有功电流的差值，包含基波无功和谐波，称为广义无功电流分量。这种方法的主要缺点是必须计算负载的有功功率和电网电压的有效值，用该方法计算出广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。而且，它仅仅区分有功电流和广义无功电流，却无法将基波无功和谐波电流从基波电流中分离出来，因此这种方法只能适用于全补偿的场合22。基于频域分析的快速付氏变换（FFT）检测法该方法建立在FOURIER分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大的误差。通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变换得到所需的误差信号，再将该误差信号进行FFT反变换，即可得到补偿信号23。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还可以通过电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和基波无功电流；而且受电网的影响也比较小。但是这种方法需要进行FFT变换及其反变换，计算量非常大，因而有较大的时间延迟。而且当电网波形畸变严重或者频率波动时，将引入较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响很大。基于采样保持原理的谐波电流检测法此方法将负载电流经过一个带通滤波器得到相电流基波瞬时值，经过输入采样和保持电路得到相应的数字信号。采样保持电路与相电压峰值同步，获得的直流信号正比于电流有功分量幅值。用同样的方法得到另外两相的直流信号。根据负载的有功功率，对这三相直流信号进行平均，平均后的直流信号与三个对称的正弦参考波形相乘，可以获得各相对称基波有功电流，然后它们与实际负载电流相减就得到了所需的补偿电流值2425。该方法得到的检测电路既可以用于谐波抑制、补偿功率因数；又能平衡系统三相功率。没有复杂的坐标变换和乘除数学运算。但对电路元器件精度要求较高，调整较为困难。基于AKAGI三相瞬时无功功率理论的检测方法这一检测方法在有源电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是目前在APF中应用最广的一种检测方法2631。它最早由日本学者HAKAGI于1984年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断的改进现已经包括PQ法，IPIQ法以及DQ法等等。其中PQ法最早应用，它仅适用于对称且无畸变的电网；而IPIQ法不仅对电源电压畸变有效，也适用于不对称三相电网；基于同步旋转PARK变换的DQ法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称有畸变的电网。本论文将在第二章对瞬时无功功率理论进行更详细的介绍。自适应检测法该方法是根据信号处理技术中的自适应干扰对消的原理发展起来的3233。自适应检测法对于市电电压畸变，频率偏移以及市电参数变化有较好的自适应调整能力，且电路简单，可以应用于三相或者单相电路。但是他的动态响应速度还不够快。基于神经网络控制法该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段34。人工神经网络自学功能性强，将进化算法和反向传播用于神经网络的训练，避免了对于给定补偿电流的复杂计算。从以上检测方法看，目前占有主导地位的还是基于瞬时无功功率理论的检测方法，其性能良好，并且已经趋于完善和成熟。自适应检测法和基于神经网络控制法等新型检测法目前在理论研究中比较多，是否能应用于工程实际，还有待进一步的研究验证。124有源滤波器的控制技术补偿电流通常是由PWM的电压源型变换器产生，从电流控制的角度来看，目前有以下几种方法，三角载波线性控制35，无差拍控制3637，滞环比较控制3840等。三角载波线性控制通过将检测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较,所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号,从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好,开关频率固定,实现电路简单,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大。但是由于其开关频率固定，如果采用合适的滤波电路可以将输出中的开关噪声滤除。无差拍控制无差拍控制是一种全数字化控制技术。该技术利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值,计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值,选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化，缺点是对系统参数依赖性较大。滞环比较控制是将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器,通过比较器的输出来控制开关的开合,从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值。采用滞环比较器的瞬时值比较方式的优点是硬件电路比较简单；属于实时控制方式，补偿量响应快。但是传统滞环控制没有运用载波，在逆变器的输出中不含特定频率的开关噪声，对用于滤除噪声的高通滤波器带来了很大的设计难度。在以上的控制方法中，三角载波法和滞环比较控制法是目前应用最为广泛的两种方法，可以通过多重化技术、自适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高其适用效率。基于全数字化控制技术的无差拍控制法随着数字信号处理器（DSP）运算速度的不断提高，也将在APF中得到广泛的应用。近年来，一些学者又提出了基于内模控制、滑模控制及神经网络控制等的非线性控制方法应用于有源滤波器的电流控制中。这些非线性控制具有良好的应用前景，但在各种负载条件下的补偿特性尚需要进一步研究。125有源滤波器的发展趋势随着现代社会对电能质量要求的日益提高，APF的应用也将日益广泛。但目前APF对电网电能质量进行补偿时还存在许多缺陷，有许多需要进一步研究解决的问题。如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高补偿效果及提高性价比等等。基于解决这些问题的要求，APF的发展近期主要在以下几个方面4146。（1）通过采用PWM调制及提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现高次谐波的有效补偿。当APF的容量小于2MVA时，通常采用IGBT及PWM技术进行补偿。当容量大于5MVA时，通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿。（2）降低成本和提高补偿效率，将APF和LC无源滤波器联合使用，这样既能克服无源滤波器的缺点，又可以提高有源滤波器的补偿功能，取长补短，相得益彰。（3）为适应APF多功能复杂控制的需要，采用一些先进的控制策略包括变结构和智能控制，以得到更好的控制性能和效果。（4）开发多点谐波抑制的新型APF，通过向网络中的几个优选点注入电流，实现多点谐波电压的综合治理，是谐波治理更为有效的手段。13本文主要研究内容本文以研制一台三相三线制并联型有源滤波器为基础，对这种电压源型的有源滤波器进行了以下几个方面的研究。（1）介绍了三相三线制并联型有源电力滤波器的系统构成以及其工作原理；从谐波检测位置的角度出发，对检测电流的控制方式和检测电压的控制方式分别进行了简单的分析；详细地介绍了瞬时无功功率理论；提出了一种以滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，并给出了相应的仿真。（2）给出了三相三线制并联型有源电力滤波器的电路结构，建立了相应的数学模型。推导了一相补偿电流的时域解，分析了并网电感对补偿电流的影响。介绍了有源电力滤波器的滞环控制方式，由仿真给出了补偿效果。通过对其跟踪原理的分析，指出了传统滞环控制存在的问题，并简单地介绍了两种改进型的控制方式。（3）以全数字控制为本文的核心内容，提出了有源电力滤波器电流环的PWM载波控制方式。首先以有源电力滤波器的基本电路结构和数学模型为基础，给出了以PI调节器为核心的控制结构，并通过该结构开环传递函数和闭环传递函数的频率特性分析了其系统性能。建立了有源滤波器交流侧带C型滤波器时的补偿电流与控制电压及电网扰动之间的关系，并在此基础上推导了此时带PI调节器的电流环开环传递函数及其闭环传递函数。通过对两种结构的闭环特征方程以及各自频率特性分析，指出了PI参数对系统性能的影响。在离散域中建立了整个系统的仿真模型，通过仿真说明了这种数字控制方式的谐波补偿效果，同时指出了PI调节器在有源滤波中的局限性，在非理想因素影响下，其补偿效果可能下降。（4）基于PI调节器对周期信号无法实现无静差补偿的局限性，提出了以内模原理为核心的重复控制技术。介绍了重复控制的基本原理及其控制结构的基本环节。在对控制对象进行频率特性分析的基础上，给出了重复控制器各个环节的设计过程，并通过此时电流环的闭环特征方程分析了重复控制增益对系统稳定性的影响。最后对重复控制器模型与PI调节器并联的系统建立了仿真模型，并通过仿真验证了重复控制可以改善系统的稳态性能，提高谐波补偿的精度，也验证了PI调节器在动态过程中能够快速响应。对重复控制在非理想因素影响下的补偿效果也做出了仿真分析。（5）最后本文介绍了本项目的实验台架，同时以论文所讨论的基本内容为基础，给出了不同情况下的实验结果，验证了这种电流数字控制的有效性。2并联型APF的工作原理和谐波检测方法有源电力滤波器是一种用于抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。在各种有源电力滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一种，也是工业实际中应用最多的一种，它集中体现出了有源电力滤波器的特点。21并联型APF的基本原理图21所示为并联型APF的系统构成原理图，也是最基本的有源电力滤波器的系统结构图。图中VS代表电网电压，负载则为谐波源，它产生谐波并消耗无功。虚线所框起来的部分就是APF，由于它是以一种与负载并联的方式接入电网，故被称为并联型APF。它主要由图示三个部分组成谐波和无功电流检测电路，控制脉冲驱动电路和PWM变换器。谐波和无功电流检测电路根据补偿要求提取出谐波和无功电流，产生补偿指令。当检测电流时，所检测的位置可以是负载侧（K2合上，K1打开），或电源侧（K1合上，K2打开），或两者的综合（K1，K2均合上）。检测电压是近年来所提出的一种检测控制方式，其选择的检测点在APF与电网所连接的点，即检测公共耦合点PCC（POINTOFCOMMONCOUPLING）的电压。通过电压与电流图21并联型APF的系统构成原理图RLCHPF谐波和无功电流检测电路PWM变换器控制脉冲驱动电路负载PCVSILICI1K2KSV之间的关系，转换出对应的谐波电流指令。不同的检测方法和检测位置所使用的控制策略是不同的，稍后将作具体分析。根据检测电路所产生的补偿指令，控制脉冲驱动电路将采用适当的控制方法，如绪论中提到的滞环比较控制，三角载波控制等方法，实时地跟踪补偿指令，产生相应的谐波和无功电流对应的脉冲以驱动后面的PWM变换电路。图中的PWM变换电路的模型是一个逆变电路，由电容作为储能元件。在产生补偿电流的时候，能量由直流侧传递到交流侧，类似于逆变器工作。但是当电网向APF直流侧的电容充电的时候，能量从交流侧传递到直流侧，又类似于整流器工作。因此我们一般不称之为逆变器或者整流器，而称为PWM变换器。作为系统的主电路，它负责产生实际的补偿电流。当补偿电流与负载电流中要补偿的谐波以及无功等电流抵消的时候，就可以得到期望的电网电流，达到改善电网电能质量的目的。例如，将负载电流分为基波电流和谐波电流，电网电流为负载电流和APF产生的补偿电流之和。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，APF首先检测出补偿对象负载电流中的谐波分量，根据图示的电流方向，将该谐波电流反极性后作为补LILHI偿电流的指令信号，当补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电流中的谐波分CCI量大小相等、方向相反时，两者互相抵消，使得电源电流中只含有基波，不含谐波。这样就达到了电源电流中谐波抑制的目的。用公式可以这样表达（2LFLHII1）（2CHI2）（2SLCFII3）其中表示负载电流的基波分量，表示谐波分量。LFIHI如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波以及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量，实现电网侧单位功率因数。在图21中还有一个部分就是由RCL组成的高通滤波器（HIGHPASSFILTER），简称HPF。它主要是用来滤除开关噪声附近的谐波电流，以平滑补偿电流。22谐波检测位置及其相应控制221检测电流的控制方式如前面所提到的根据被检测电流的位置不同，APF对应的控制方式亦不同，可以分为三种检测负载电流的控制方式，检测电源电流的控制方式，和复合控制方式47。为了便于分析，我们以图21为对象，给出并联APF的单相等效电路，其中各个变量意义与图21一致。即为电源电压，为电源侧电流，为并联APF产生SVSICI的补偿电流，为负载电流。如果定义为负载电流与并联APF产生的补偿电流之LICL和，即，可以把APF与负载一起等效为一电流源，也就是说APF相当C于负载的一个可调并联阻抗。将图21中用于消除开关噪声的高通滤波器用一个与APF并联的阻抗来表示。HPFZ检测负载电流的控制方式是最基本的，也是通常使用的一种控制方式，它以检测的负载电流为电流运算电路的输入信号。在图22中，断开开关K1，闭合K2即为检测负载电流的等效电路。令IS相对ICL的传递函数为GPS，如果以IS为输出，IL为输入，那么它们之间的控制框图可以由图23表示。由于用于产生补偿电流的电力电LZS1K2KHPFZGLICLICISISV图22并联型APF一相等效电路LICLISICIPGIGS图23检测负载电流的控制框图子变换器通常工作在高频开关通断状态下，为了消除开关频率附近的高次谐波，通常在电网并联电力有源滤波器的同时设置RCL滤波器并联在电网中。在图23中，GPS主要是由主电路的外部参数，包括与APF并联的高通滤波器HPF的RCL参数决定的。而GIS是补偿电流发生器的传递函数，它的核心是电流控制器和PWM变换器。一般情况下可以用一个一阶惯性环节来等效。这种控制方式，结构简单，意义明了。但是从图中我们也可以看出这里以电源电流为输出，但是并没有引入电源电流的反馈，而是通过检测负载电流以产生希望的补偿电流去改善电源电流的波形。这种控制方式对电源电流，即我们最终希望控制的对象来说，实际上是一种开环控制。那么对于环外的传递函数GPS，其控制效果是有限的。对于HPF来说，因为滤波次数很高，所以其容量并不要求很大。它的引入能够很好地消除高次谐波，但是在检测负载电流的方式下来控制APF，并联的HPF可能会引起谐振，造成电源电流畸变，使补偿特性变差。这也正是因为产生谐振的传递函数在环外，不能得到有效控制而造成的。但是作为最基本的控制方式，检测负载电流的APF仍然是值得学习和研究的重点，本论文所讨论的有源电力滤波器即采用了这种检测方法。针对检测负载电流控制方式的缺点，提出检测电源电流的控制方式。既然有源电力滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源电流成为正弦波，那么可以把电源电流处作为检测点，目的即是通过电源电流的反馈将GPS包含在闭环内，见图24，选择适当的校正环节GCS即可以很好地抑制由HPF引起的谐振。但是为了获得良好的补偿特性，要求GCS有比较大的放大倍数以增大系统的开环增益，这又给系统的稳定性带来了新的挑战，因为过大的放大倍数有可能造成闭环系统不稳定。综合这两种方式的优缺点，提出复合控制方式，即同时引入负载电流和电源电流。其中指令电流主要来自负载电流，补IGSPSCGSLICICLISI图24检测电源电流的控制框图IGSCGSPGSLICLICSI图25复合检测的控制框图偿负载中的谐波成分，电源电流通过其校正环节，主要是抑制HPF和电网阻抗的并联谐振。此时，电源电流并不需要承担补偿谐波电流的主要任务，所以不需要太大的放大倍数，这样就容易保证系统的稳定性了。复合控制方式综合了前两种控制方式的优点，是一种比较合理的控制方式。其控制框图如图25所示。222检测电压的控制方式在应用中大多数有源电力滤波器都是通过检测相关节点的电流来计算谐波指令进行谐波补偿，这种滤波器在指定的工况下足够实现要求的补偿性能。然而在电网的分布情况复杂时，这种检测电流方式的APF将带来很多实际问题48，如当电网带载的情况比较复杂时，检测某一位置的电流就显得不太合适了。近年来，国内外许多文献提出基于检测公共耦合点的电压来产生谐波指令的高适用性新型有源滤波器。简单来说，这种检测控制方法的基本原理是通过调制公共耦合点电压达到使电网电流正弦化的目的。以图21为例，对于电网来说，通常存在线路阻抗，即图中电网侧的电感以及线路电阻。如果没有有源电力滤波器的作用，当谐波源投入电网以后，由于非线性负载引入了谐波电流，该谐波电流必定在电网侧的线路阻抗上产生谐波压降，从而导致了PCC点的电压发生畸变。如果能够使PCC点的电压跟随电网电压，即将其正弦化，那么很容易理解由于此时落在电网侧线路阻抗上的电压为正弦，必然使得电网侧的电流为正弦，保证电网侧的电能质量。所以这种控制方式是通过将PCC点电压正弦化，或者说将电网电压与PCC点电压的压差正弦化（当电网电压本身存在畸变时），以改善电网侧的电流波形。最初提出来这种有源滤波器是以降低公共耦合点的电压畸变为目标，以非线性最优化理论为基础计算出需要由有源电力滤波器注入电网的补偿电流。这种结构的前提是电网的畸变电压可以被量化，同时通过实际测量或者计算就能够获得网络的阻抗矩阵49。然而由于以上存在一些前提的理想化，使得这种结构的实用性不佳。有文献提出了一种以减弱谐波传播为核心思想的检测控制方法，这种方法在减弱谐波传播的同时也减少了谐波含量。这种检测电压的控制方式相对于检测电流的控制方式来说，最大的好处即是它具有更广泛的适用性，而且从系统开环传递函数来分析，这种检测电压的控制方式比检测电流的控制方式具有更高的稳定性48。23谐波指令的提取与瞬时无功功率理论三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。这一节将比较详细的介绍一下瞬时无功功率理论。三相瞬时无功功率理论首先由日本学者HAKAGI于1984年提出，此后经不断研究逐渐得到完善。现已包括PQ法50、IPIQ法51和DQ法52。其中PQ法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的市电电网；IPIQ法不仅对电源电压畸变有效，而且在不对称三相市电电网的检测中，相对于PQ法来说，检测误差要小一些；基于PARK变换的DQ法，不仅简化了电网对称无畸变的电流检测，而且也适用于不对称、有畸变的市电电网检测。假设三相电路的电压和电流瞬时值分别为、AE、和、。为了分析方便，将他们都变BECAIBCI换到两相正交坐标系中。有如下表达式（232ABCEC4）（232ABCIII5）（2321032C图26瞬时电流和瞬时功率示意图6）上式中，和，分别是旋转电压矢量和电流矢量在坐标系相对EIEI于和的投影，图26给出了在坐标系中的电压、电流相量，以及后面将要定义的瞬时有功电流、瞬时无功电流等变量的示意。（2|EE7）（2|III8）分别表示相量模长，分别表示相量的幅角。|EI、EI、EI、EI、根据图26，定义三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为相量在向量PQI及其法线上的投影，即（2COSPI9）（2INQ10）（2EI11）定义三相电路瞬时有功功率（瞬时无功功率）为电压相量的模和三相电路瞬时PQE有功电流（瞬时无功电流）的乘积，即PIQI（2PEI12）（2QI13）将方程（29）、（210）和（211）代入方程（212）、（213）中可以推出（2COSCOSSINPEIEIEIEIEI14）（2ININICOQEIEIEI15）写成矩阵形式即为（2IEPQ16）再将（24）和（25）代入上式，即可得出和对于三相电流的表达式Q（2ABCPEII17）（213BCACABBCQIIEI18）式（217）表明三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值的基础上定义的，它们只适用于电压、电流的波形都是正弦形式的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的26。因此，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程。基于瞬时无功功率理论的检测法，在只检测无功电流的时候，可以无延时地得出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波构成和所采用的滤波器的不同，会有不同的延时。总的说来，基于瞬时无功功率理论的检测方法具有很好的实时性，这对有源滤波器的检测环节而言是十分重要的。下面将具体介绍几种检测方法，即前面所提到的法、法和法。PQPQID对于法和法将给出相应的控制框图，以详细说明。PQID法法是根据瞬时无功功率理论，计算出所定义的瞬时有功功率和瞬时无功功率，经过一低通滤波器（LPF）后得到的直流分量。市电电压无畸PQ、PQ、变时，为基波有功电流与电压的作用产生，为基波无功电流与电压作用产生。P于是通过即可计算出的基本分量。将与相减，Q、,ABCI,AFBCFI,AFBCFI,ABCI即可以得到检测点电流中的谐波分量。当有源滤波器需要补偿无功H和谐波的时候，则只需要分离出基波有功电流，由计算出三相电流中的基波有P功分量，并将其从中减去，即可得到中的谐波分量和无功,APFBCPFII,ABCI,ABCI分量之和了。对于三相三线制电路只要市电电压波形发生畸变时，不论三相电压、电流是否对称，法检测的结果都有误差，只是误差情况有所不同而已。文献2中对此Q有比较详细的分析。法PQI这种方法需要用到与相市电电压同相位的正弦信号和对应的余弦信AAESINT号，它们由一个锁相环PLL和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可COST以计算出经过低通滤波器后得出的的直流分量、。这里、是由PQI、PQI、PIQPIQ三相电流的基波分量产生的，因此由、即可以计算出，进而,AFBCFI,AFBCF计算出三相电流中的谐波电流。图27给出了这种控制的框图表示，其中,AHBCI（2SNOSITTC19）注意,见式（26），为的转置。TC3223与法相似，如果要检测谐波和无功电流之和时，则只需要分离出基波中的PQ有功电流分量，图27中可以表示为断开的通道，那么经过和出来后的电QITC23流即为基波有功电流，将他们分别从中减去，同样可得到,APFBCPFII,ABCI中的谐波分量和无功分量之和了。根据图21中定义的电流方向，对图27中,ABCIIIPIQIPIQIFIFIAFIBIACFIBFCAHIBHCHIAE_CTC23C32CLPFPLCOSIN图27法检测原理图PQI提取出来的谐波取反，即可得到APF的谐波电流指令值。由于法只取了、参加运算，畸变电压的谐波乘法在运算过PQISINTCOST程中没有出现，但是电压的畸变会影响到锁相的正常进行，对检测结果仍然有影响。基于变换的法PARKD法是目前谐波实时计算的主要方法，该方法的特点是不仅简化了对称无畸DQ变下的电流检测，而且也适用与不对称有畸变的市电电压检测，其基本原理如下，将瞬时三相电流或者电压通过变换，转换到坐标轴下。变换是将PARKDQDQ静止坐标系中的相量变换到以基波角速度旋转的坐标系中，变