（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的有源滤波器谐波检测及其控制方法的研究.pdf

中南大学硕+ 学位论文 摘要 摘要 本论文以江西省贵溪冶炼厂l o k v 变电站电网谐波治理为研究对 象，旨在研究基于数字信号处理器为主控制器的有源电力滤波系统 谐波检测和控制方法，提高系统的实时性和动态跟踪性能，实现对 电网谐波的有效治理。 论文首先对有源电力滤波器的研究现状和发展趋势作了简要的 分析，阐述了现有有源电力滤波器拓扑结构在大功率电网上运行存 在的优劣之处，针对课题治理对象提出了新的应用拓扑结构谐 振型混合有源电力滤波器，并详细分析了其性能特点；根据数字信 号处理器的特点，分析了常规的有源电力滤波器谐波检测方法不适 于实际工程应用的原因，在此基础上提出了一种基于离散傅立叶变 换的滑窗迭代谐波检测算法，该算法能通过简单的计算实时有效地 检测出谐波参考指令电流，论文从频域滤波器的角度在理论上证明 了该算法的可行性和有效性；谐波电流跟踪的控制算法直接决定了 有源电力滤波器的谐波补偿性能，文章针对一般具有稳定性负载的 电网谐波具有重复周期性以及参考给定信号为交流的特点，提出了 一种基于p i 型学习律的迭代学习控制算法，通过实施遗忘因子学习 律增强系统鲁棒性的同时，引入在最优目标选择下模糊参考电流误 差的d 型学习律前馈环节，提高了系统的跟踪精度；文章最后详细 阐述了整个有源电力滤波系统的具体研制及其现场应用情况。 关键字：有源电力滤波器，数字信号处理器，谐波检测，p i 律迭代 学习控制 中南大学硕七学位论文摘要 a b s t r a c t t a k i n gt h eh a r m o n i ca t t e n u a t i o no ft h ep o w e rd i s t r i b u t i n e t w o r k a tt h es m e l t e r yo fg u i x ia st h eo b j e c to fs t u d y , t h ep a p e ra i m st o r e s e a r c ht h ea l g o r i t h m so fh a r m o n i cd e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t i g i e sf o r a c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , w h i c hw o u l d i m p r o v et h e r e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s y s t e m a t i cd y n a m i c p e r f o r m a n c e s ，r e a l i z i n gt or e s t r a i nt h eh a r m o n i co ft h ep o w e rs y s t e m e f f e c t i v e l y f i r s t l y , t h ep a p e rb r i e f l yp r e s e n t st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n d so f a c t i v ep o w e rf i l t e r a f t e rc o m p a r a s i o no ft h ee x i s t i n ga c t i v ep o w e rf i l t e r s t r u c t u r e sf o rh i g hv o l t a g ep o w e rs y s t e m ，an o v e lr e s o n a n tt y p eh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( r t h a p f ) i sp r o p o s e dh e r et om e e tr e q u e s t so ft h e s m e l t e r yh a r m o n i ce l i m i n a t i o n , a n di t sf u n c t i o n si sa n a l y z e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i g i t a ls i e ：叫p r o c e s s o r , t h e r e s u s o n so fs o m eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d sw h i c ha r en o ts u i t a b l ef o r t h ea c t u a lp r o j e c ta r eg i v e n , a n dt h e nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa n e wh a r m o n i cc u r r e n tc o m p u t a t i o nt e c h n i q u ef o ra c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do nas i m p l i f i e dd i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r mi sp r e s e n t e d t h e c o m p u t a t i o np r o c e s s i n gu s i n gas l i d i n g - w i n d o wi t e r a t i v ea l g o r i t h mc a n e f f i c i e n t l yc a l c u l a t et h ei n s t a n t a n e o u sh a r m o n i cc o m p o n e n t si nr e a lt i m e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fr e - p e r i o do fc u r r e n th a r m o n i c sw i t h s t e a d y - l o a di np o w e rs y s t e m , t h ep a p e rp r e s e n t sa na l g o r i t h mo fh - t y p e i t e r a f i v el e a r n i n gc o n t r o la p p l i e df o rh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw i t ha f o r g e t t i n gf a c t o rt oe , q l h a n c es y s t e mr o b u s t n e s s ，a n di n t r o d u c i n gaf e e d f o r w a r db a s e dd t y p el e a r n i n gl a wo ff u z z yi n f e r e n c e dc u r r e n te r r o rt o i m p r o v ei t st r a c k i n gp r e c i s i o nu n d e rt h eo p t i m a lo b j e c t a tt h el a s t ，t h e p a p e r d e s c r i b e st h ep r o c e s so f t h ee q u i p m e n td e v e l o p m e n ta n di t sr e s u l t s u s e d i ns p o l k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，h a r m o n i c d e t e c t i o n ，p ii t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的 说明。 作者签名：上她日期：丝年上月上日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：皿耸导师签名盐日期盟年蜘- 日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但 电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高 度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严 重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的 影响；而另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要 求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。如何有效的治理 谐波，将谐波控制在允许限值以内，是摆在科技工作者面前的具有重要现实意 义的课题。 1 1 谐波问题研究概述 在i e e e 标准5 1 9 - - 1 9 8 1 中谐波定义为；“谐波为一周期波或量的正弦波分量， 其频率为基波频率的整数倍” 在电力系统中电流、电压波形出现较大畸变，或者说当电力系统中存在较 严重的谐波污染时，许多问题无法用传统的正弦电路理论，如相量分析方法进 行解释按传统正弦理论设计的电力系统已不毙安全可靠的运行，故障率大大 增加。所以，近十年来，电力谐波问题已引起世界各国政府和科技界的广泛关 注。许多国家相继颁布了限制带有电力电子控制器件的低压电器和家用电器产 生谐波的标准，国际电工委员会( i e c ) 、电气和电子工程师协会( i e e e ) 等国际会 议专题定期对谐波研究进行学术交流和讨论近十多年来对电力谐波问题的研 究已经大大超过了电力系统自身的研究范围，渗透到电工理论，非线性系统理 论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未 有的进展，并有了许多重要的发展。谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的 原因、计算方法的分析、危害与影响机理、测量与评估标准的制定，以及研究 综合治理的措施等方面的探索也在不断深入但由于谐波问题复杂，设计领域 宽，目前仍存在大量的问题亟待解决概括起来，可以划分为四个方面“1 ： ( 1 ) 谐波功率理论研究； ( 2 ) 谐波分析及谐波危害和影响分析； ( 3 ) 谐波的补偿和抑制： ( 4 ) 与谐波有关的测量问题及限制谐波的标准 这四个方面是按照谐波研究本身的内在规律分类，它们相互关联，相互促 进而发展。其中，谐波的抑制和补偿，也即谐波治理技术是谐波研究的核心和 关键问题综上可见谐波问题的研究已成为一门新兴的跨学科的领域和亟待加 强的重点研究方向。 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 2 谐波的危害 由于电力谐波造成的影响机理非常复杂，涉及的内容非常广泛，早期的研 究大多仅是对危害原理和途径分析。所得的结论中定性描述居多。近十年来随 着对谐波研究的不断深入，对谐波危害和影响更为细致的定量分析和研究越来 越迫切和必要。因此详细定量研究的报道也逐渐增多。目前电力谐波的危害主 要表现在以下几个方面“”： ( 1 ) 电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此 在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电 流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大， 也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可 引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏 ( 2 ) 增加旋转电机的损耗谐波电压或电流会在电机的定予绕组、转子回 路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗由于涡流和集肤效应的关系，定子和 转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大另外，谐波电流还会 增大电机的噪音和产生脉动转矩 c 3 ) 增加输电线的损耗，缩短输电线寿命谐波电流一方面在输电线路上 产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电 损耗在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质 的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电 缆的使用寿命平均下降约6 0 c 4 ) 增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效 应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3 的 倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使 绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有 直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分 量 c 5 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作 特性，这与继电器的设计特点和原理有关当有谐波畸变时，依靠采样数据或 过零工作的数字继电器容易产生误差谐波对过电流、欠电压、距离、周波等 继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定零序三次谐波 电流过大，可能引起接地保护误动作 c 6 ) 引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如 果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差比如。感应式电能表对设计参 数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约 2 中南大学硕士学伊论文 第一章绪论 为1 0 0 0 上b 时，电度衰将会停止转动 ( 7 ) 干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急 剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包 含的谐波频率较高，甚至达到1m h z ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通 信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平 行的通讯线路，谐波的影响都很大。 因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用 户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围 之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经追在眉睫。我国谐 波治理的水平还比较低，对科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重 大的理论和现实意义。 1 3 谐波治理的措施 目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从 产生谐波的谐波源装置本身入手在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法， 增加谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能 大大减小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工 作方式，不可能完全消除电网谐波所以，谐波治理的第二个重要方面就是研 究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施下面分别简要介绍这两 方面工作的现状和发展 1 3 1 治理谐波源 近年来，随着几种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流器在电力 系统中的应用越来越普遍。这类型整流器在带大电感( r l ) 负载时电流近似为方 波。带大电容( r c ) 负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为 目前电力系统中主要谐波源，也是目前治理的重点针对这一类整流器减少谐 波、提高功率因数的方法和措施，概括起来主要有一下几种；。 ( 1 ) 多相整流技术 采用增加整流相数的方法，如采用十二及十二以上的相数整流方式，通过 适当的控制。可大大地减少整流装置注入电网的谐波电流，但装置变得更加复 杂 ( 2 ) 脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hi o d u l a t i o n ) 整流技术 采用脉宽调制p w n 技术进行整流，使得变流器的工作电流所含谐波的频率 较高，幅值小，从而容易滤除，但功率器件需要是自关断器件，成本高，不适 合大功率应用。 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 功率因数校正器( p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r ，p f c ) 家用电器作为产生谐波主要来源之一，具有单个容量小、数量多和分布广 的特点，对其难以进行集中治理。近年来，人们采用在整流二极管与滤波电容 之间插入一个p f c 来减小单个电器产生的谐波该方法缺点是电能经过两次处 理，功耗较大另外，装置成本也增高，产品性价比差。 1 3 2 谐波滤波与补偿 采用主动治理谐波源的方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多 样性，要完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对电网谐波进行有效的 滤波和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向进行被动谐波治理措施主要有 以下几种： 传统的抑制谐波的方法使使用无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) p f 利 用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小 流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率它具有结构简单、一次性投 入低、运行费用也低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用 中存在以下难以克服的缺点： ( 1 ) 只能对特定次数谐波进行滤波谐振频率依赖于元件参数，因此单调 谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波 安装多条无源滤波器支路会使整个滤波装置的成本和体积增加； ( 2 ) 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤 波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效 果l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； ( 3 ) 滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运 行情况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大； ( 4 ) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。对于特殊的谐波、或者系统阻抗和 频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐振而产生“谐波放大现象”，使电路无 法正常工作。 由于无源电力滤波器的上述缺点，使它很难满足现代电力系统的要求。七 十年代以来，人们开始致力于有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 的 研究，以弥补无源电力滤波器存在的问题a p f 的基本工作原理是将电网系统 中所含谐波电流( 电压) 检测出来，并产生与其相反的补偿电流( 电压) ，以抵 消输电线路中的谐波电流( 电压) 。与p f 相比，a p f 具有以下一些优点： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响； ( 2 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理 效果： 4 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 原理上比p f 更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理； ( 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化； ( 5 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿； ( 6 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 随着大功率快速自关断器件的不断发展，谐波检测方法的不断完善，以及 微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术已得到了极大的 发展，成为提高电能质量的最有效的工具m ” 1 4 有源滤波器的发展现状 1 9 7 1 年，h s a s a k i 等首次完整地指述了有源电力滤波器的基本原理嘲， 但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅 在实验室研究，未能在工业中实用1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大功率 晶体管p w m 逆变器构成的有源滤波器啊，并正式确立了有源滤波的概念，提出 了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法从原理上看，p w m 变流器是 一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高， 全控型器件功率小、频率低，因而有源滤波器仍局限于实验研究用有源滤波 器对电力谐波进行动态治理真正进入实用阶段还是在8 0 年代。各种新型电力半 导体器件的相继问世、p w m 技术的发展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，都极大地促进了有源滤波技术的发展。 如今用于有源滤波的半导体电力变换装置一般是逆变器，包括电压型和电 流型两种。电压型有源滤波器可以采用多电压源逆变器串联的结构，便于扩大 补偿容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适合于构成大容量 有源滤波器而电流型有源滤波器不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态 性能好、滤波精度高，但直流端电感损耗大因此，现在普遍采用的是电压型 逆变器。 有源滤波器一般由三大部分组成：检测电路、控制电路和功率变换电路 因此，有源滤波器的研究主要是围绕这三个方面而展开的。国外以日本和美国 为代表，有源滤波器的研究已进入实用化阶段，但在理论和应用两方面还存在 许多问题，需进一步研究和解决 1 j 1 p f 的拓扑结构研究 a p f 在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由 补偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕a p f 如何适应大容量、高电压、低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波 器的拓扑结构来适应不同场合工程应用的需要 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 根据有源滤波器和电网的连接方式，a p f 可以分为并联型和串联型两大类 1 9 8 6 年a k a g ih 提出了并联型a p f 单独使用方式嘲，它是最早期的有源滤波装 置。 图1 - 1 单独使用的并联型a p f 这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成 本高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电 压的要求，人们利用p f 的成本低的优点，提出了各种a p f 与p f 混合使用方式 1 9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联型a p f 和并联p f 相结合的混合型a p f 阱 图1 - 2 并联型a p f + 并联p f 的h a p f 该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较 小，且p f 能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以 功率开关器件的耐压等级并没有降低1 9 9 0 年f u j i t ah 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案n 町 图1 - 3a p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 6 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波 电压小，适合于高电压系统的应用但由于流过无源部分的基波电流都流入逆 变器，所以不能利用p f 提供大容量的无功功率。利用无源元件l c 的串、并联 谐振特性，人们提出了注入式a p f 的结构“”1 将l j c 对基波串联谐振电路作为 有源部分的注入电路，能够大大降低a p f 承受的基波电压和容量，且可以利用 无源元件提供无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有 限。随着电力电予技术的发展，全控型功率开关器件( 如可关断晶闸管6 1 0 和 绝缘栅双极性晶体管i g b t ) 的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人 们从双或多逆变器的方向提出了各种a p f 的拓扑结构，来满足工业应用的要求。 1 9 9 4 年，a k a g it t 等提出一种将串联型a p f 和并联型a p f 进行混合的方式，也 称为统一电能质量调节器( o n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ，u p q c ) “” 图1 - 4 并联型 p f + 串联型 p f 的h p f 这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变，电压波动、不对称和谐波，但 由于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点 上述描述了并联型a p f 的发展现状，有源滤波器还有另外一大类一串联 型a p f ，图卜5 为典型的串连a p f 拓扑结构“” 图卜5 单独使用的串联型”f 串联型 p f 单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量 小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能 进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器， 其工程实用性受到限制。在串联型a p f 单独使用方式基础上发展出的串联型a p f 混合型结构呱蛔，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点，本文 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 在此就不一一阐述了。 1 4 ，2 检测和控制理论的研究 根据a p f 的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过 检测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率 变换电路因此，检测和控制算法直接影响到 p f 的补偿精度和补偿速度，是 a p f 的关键环节。 通常a p f 需要实时补偿电网的谐波分量和无功电流( 如果需要补偿无功功 率) ，所以，对检测电路的快速性和准确性要求很高。但是这种检测任务和一般 的谐波分析不同，它只需将基波或有功分量与谐波分量分离即可。目前，研究 谐波检测方法的文献有很多最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实 现，即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过这种方法存在难以 设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而己很少使用。 随着数字化技术的发展，分别出现了基于频域分析的f 盯算法“”、基于f r y z e 功率定义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法腿蚺剐、 基于瞬时无功功率理论的检测方法叭蕊嘲，这些谐波检测方法经过不断的改进， 已经比较成熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方 法都有一定的适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中 有源滤波器通过检测获得参考信号后，a p f 的接下来的任务就是实时跟踪 参考信号了，这就要求对a p f 的控制有很好的快速性和准确性从传统控制理 论的角度来看。参考信号获取是给定。p 嘲逆变器是功率放大器，主电路中的 无源部分是执行机构，电网及负载是被控对象，控制要做的工作只是设计控制 器来提高控制系统的性能文献溉锄介绍的滞环控制方法以参考信号为基准， 设计一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作， 使实际补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动这种方法相当于在 求取开关模式时引入了b a n g - b a n g 控制算法，具有控制电路简单，响应速度快 的优点，是应用最广泛的电流跟踪控制方法之一魄明但这种方法存在开关频 率不固定、稳态误差不可消除的缺点许多近期文献汹1 提出各种措施，对这种 方法有一些改进。文献魄钔”分别提出了几种不同拓扑结构a p f 的滑模变结构控 制方法，通过判别电流跟踪误差在切换曲面两侧中的哪一侧，直接选取相应的 开关模式，控制率简单，系统响应迅速而且，由于滑动模具有不变性腿捌， 使得系统的鲁棒性较强。但是，现有的a p f 滑模变结构控制中，均是以跟踪误 差为0 构造切换曲面，控制率中只定义了误差不为0 的情况。因此，该控制率 类似于环宽为0 的滞环控制率，属于有差调节，即误差为0 时没有控制量产生， 直到误差不为0 时控制器才会被激活另外常见于相关文献报道的控制算法包 中南大学硕+ 学位论文 第一章绪论 i r i i j i i i i i i i i 嗣 括基于无差拍控制方法咖、线性电流控制方法嘲、单周控制法以及近年来一些 智能控制算法溉研。这些算法的出现对于a p f 的发展起了很大的促进作用 ，4 3a p f 的数字化控制技术发展 传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制的缺点也是显而 易见的。例如现在许多有源电力滤波器采用基于瞬时无功功率理论的d q 方法脚 计算谐波和无功电流，采用模拟器件需要八个硬件乘法器。为满足精度要求， 通常需选用高性能的四象限模拟乘法器。因此电路复杂，且性能不稳定 为了改善有源电力滤波器的控制性能，有人开始使用单片机对有源电力滤 波器进行控制，将非线性负载的三相电流送入a d ，转换后的信号送入单片机 进行数字控制算法处理，计算出指令电流，通过i 0 口或p 哪口直接发出开关 控制信号。单片机的应用向数字化迈进了一步，但由于单片机运算速度的限制， 影响计算精度和控制实时性 高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 的出现使采用数字 方法实时计算谐波和无功电流变得更为现实在基于d s p 控制的有源电力滤波 器中，将非线性负载的三相电流直接送入d s p 内部的a d ，d s p 进行处理后通过 控制算法计算出的控制指令电流，从p w m 输出口直接发出开关控制信号用数 字的方法实现谐波和无功电流的计算，能很好的解决模拟方法由于元器件老化 和温漂带来的问题，抗干扰能力也大大增强；由于d s p 芯片强大的运算能力， 先进的控制理论可以得以实现，由于只需更改软件，系统变得更加简单。 图l - 6 给出了一个典型的d s p 控制a p f 系统的结构图。 图i - 6 典型的d s p 控制a p f 系统结构 采用d s p 来控制有源电力滤波器，主要具有以下优点： ( 1 ) 运算速度快由于通常的d s p 都具有2 0 m i p s 以上的指令执行速度，用来计 算谐波和无功指令电流延迟很小，同时可以在较短的时间内实现复杂的控制算 法： ( 2 ) 可重复性好。d s p 系统中设计人员在开发过程中可以灵活方便地对软件进 9 中南大学硕七学位论文第一章绪论 行修改和升级，甚至算法的改变，而模拟系统要改变算法的工作量将是巨大的； ( 3 ) 稳定性好d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小， 可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 为数字信号处理器精度可达l 旷； ( 5 ) 集成度高。一块d s p 芯片基本无需外接扩展芯片即可完成系统的信号的采 集、控制算法以及p w m 的调制输出。 1 5 论文研究的背景、内容和意义 本论文研究的课题属于国家科技攻关计划项目电网谐波分析与治理一 体化系统( 2 0 0 2 b a 2 1 8 c ) ，同时还得到了湖南省发展计划委员会重点项目基金 和贵溪冶炼厂的大力支持，针对该冶炼厂1 0 k v 变电站电网进行无功补偿和谐 波治理，进行基于d s p 的数字化检测与控制策略系统研制 论文共分6 章第1 章是论文的绪论部分，第2 章到第5 章是论文的主体 部分，第6 章是论文的结束语部分 第1 章为绪论。首先介绍了谐波的产生及其危害、电网谐波抑制措施及发 展状况，综述了有源电力滤波器在拓扑结构、谐波检测及控制策略三方面的相 关情况，以及本文的组织结构 第2 章阐述了应用滤波器进行被动滤波的一般原理，对谐振型混合有源电 力滤波器脚f 进行了原理分析，并分析了r t i a p f 在各种情况下的补偿性能； 第3 章先简述了现有的几种谐波检测方法，并针对有源电力滤波器的谐波 检测特征提出了一种基于d f t 的滑窗迭代算法，给出了算法的仿真及其d s p 的 软硬件实现； 第4 章针对有源电力滤波器谐波参考给定的正弦周期性特征，提出了一种 基于p i 型学习律的迭代学习控制算法，通过实施遗忘因子学习律增强系统鲁棒 性的同时，引入在最优目标选择下模糊参考电流误差的d 型学习律前馈环节， 提高了系统的跟踪精度； 第5 章为基于d s p 的a p f 装置具体实现，给出了控制电路、缓冲回路以及 无源滤波器的优化设计和实现过程； 第6 章为结束语，对本论文的研究工作进行总结，指出进一步研究工作的 重点和方向 由于数字控制固有的优点以及d s p 芯片强大的功能，以d s p 芯片为核心控 制芯片的a p f 数字检测和控制系统成为当今a p f 产品设计的潮流，因此，研究 基于d s p 的a p f 检测和控制系统具有十分重要的现实意义 i o 中南大学硕+ 学位论文 第二章谐振删混合有源电力滤波器 i i i i i i i j i i i i 自i i i i i _ | i | _ 1 1 1 i i i i i i i i i i i i 离 第二章谐振型混合有源电力滤波器 由于l c 单调谐无源滤波器在滤波性能方面存在固有的缺陷，进入8 0 年代 以后，随着有源滤波技术的不断深入和用户对谐波问题的重视，以及电力电子 技术的飞速发展，大功率可关断器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步，有源 电力滤波器a p f 作为抑制电网谐波、补偿供电系统无功功率的新型电力电子装 置得到迅速发展。 受开关器件容量和成本方面的限制，单独使用有源滤波器并入高压电网运 行的情况比较少，解决这一瓶颈问题的方案就是与l c 无源滤波器同时使用， 构成混合型大功率有源滤波器( h i g h - c a p a c i t yh y b r i dp o w e rf i l t e r ，r a p f ) 大部 分谐波补偿任务由无源滤波器承担，而有源滤波器只承担小部分的谐波补偿任 务两者联合使用，既可克服有源滤波器容量要求大、成本高的缺点，又可使 整个滤波系统获得良好的性能。 2 1 滤波器的滤波原理 事实上，无论是无源滤波器p f ，还是有源滤波器a p f ，包括混合有源滤波 器h a p f ，从根本上讲，它们都是基于简单的电路原理的在众多的滤波器中， 它们的滤波原理只有两种：分压原理和分流原理。同时，这两种原理也对应着 不同的滤波目的，分压原理的目的是减小谐波电压，而分流原理的目的是减小 谐波电流。 ( 1 ) 分压原理 + 一 冒2 - 1 分压原理 如图2 1 所示，首先假设虚框内阻抗为零，系统的电路方程为 玑=u=z1(2-1) 这里以大写字母表示电量的向量形式( 本章节以下与此同) 。为了减小阻抗 z i 承受的电压蚝，在虚框内串入阻抗厶，此时系统的电路方程为 i u = z d + u l i 卜焘 协2 中南大学硕士学位论文 第二章谐振型混合有源电力滤波器 由此可得 ：土u z l + z t ( 2 - 3 ) 可见，此时甜m d , t ，乙起到了分压的作用 同理，如果甜为谐波电压源，为了减小加在阻抗为z l 的负载或者电网支路 上的谐波电压，也可以在该负载或电网支路串联一个谐波阻抗，以起到分压的 作用。 图2 - 2 利用分压原理的串联 p f 如图2 _ 2 ，在现有的滤波器当中，单独使用的串联型有源滤波器以及包含 直接接入电网的串联有源滤波器的混合有源滤波器都是采用了分压原理的，这 些混合有源滤波器包括串联a p f + 并联p f 的混合有源滤波器，以及统一电能质 量调节器u p q c 等。这种滤波器相当于在负载端与系统电网之间串连一个很大的 谐波阻抗，使得负载端产生的谐波电压绝大部分降落在这个等效阻抗上而不进 入系统电网，因此，这种滤波器能很好地对谐波电压源进行治理。 ( 2 ) 分流原理 圉2 - 3 分流原理 由图2 - 3 ，系统的电路方程为 i i = + ，2 u 。z 【u ；z 2 由此可得 ( 2 - 4 ) 中南大学硕士学伊论文 第二章谐振型混合有源电力滤波器 7 工= = l j( 2 5 ) z i + z 2 可见，可以通过增大主支路的阻抗z i 和减小分流支路的阻抗z 2 来减小流入 主支路的电流。阻抗z 2 起到了分流的作用 同理。若电流源f 为负载端产生的谐波电流源，通过在负载与系统电网之间 并联谐波阻抗，只要并联支路的谐波等效阻抗磊足够小，就可以使得负载端产 生的谐波电流i 绝大部分通过并联支路滤除而不流入系统电网。该并联阻抗起到 了支路分流的作用。 在现有的滤波器中，几乎所有的谐波电流滤波器都是采用这种原理，其中 最基本的r i c 单调谐无源滤波器p f 如图2 - 4 。 u 一一、- l l r j 。 ( a )( b ) 图2 - 4l l c 串联谐振支路及其幅频特性曲线 图2 - 4 ( a ) 的r l c 阻抗为 z ：i t + ，们+ 士：五+ j w 2 1 c - _ _ _ _ _ _ l l ( 2 - 6 ) w e w 其对应的幅频特性曲线如图2 - 4 ( b ) 所示当输入频率 l 厶5 罚厉( 2 - 7 ) 对，阻抗取得最小值。 。 在实际工程应用中，将r l c 根据现场的谐波和无功功率补偿情况调谐为某 特征次数谐振，与负载对象并联，因为r 值一般为电感l 的等效电阻，当r i 乙，+ z 。l 时，由“。产生的谐波电流将不会很大，不会造成p f 的过载。 。 根据叠加原理，由式( 2 1 1 ) 、( 2 一1 2 ) 和( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可得，当z 。非 常大时，r t - t a p f 可达到理想的滤波特性，如下所示； ：o ，( 2 - 1 6 ) p c = z h l a + u 。 1 7 中南大学硕士学位论文 第z - 章谐振犁混合有源电力滤波器 墨审i 宣葺i 置崔i i i 宣i i 薯皇| i | 宣i 鼍i 叠i _ i i i i i i i - f 毫i i i 鼍 图2 - 1 0 r t l l a p f 对材f 的单相等效电路 对基波电压甜，而言，r t h a p f 的单相等效电路如图2 一1 0 。由式( 2 - 8 ) 可知， 有源部分只流过谐波电流，而没有基波电流流入同时，因为p f 要进行无功补 偿，有一定的基波无功电流岛流过z 0 由于r 硎a p f 的有源部分被控制为谐波 电流源，对基波而言相当于断路，而f s r c 的基波阻抗磊近似为0 ，所以妨将 全部流入f s r c ，即 i v = 0 ( 2 - 1 7 ) 则加在有源部分的基波电压为 u g | z v l 吁* 0 t 2 - 1 8 ) 可见，理论上k i h a p f 的有源部分既不承受基波电压，也没有基波电流流入， 基波容量为0 。因此，其开关器件的功率等级可以大大降低，从而减小初期投 资 2 3r t i i a p f 的补偿特性分析 2 3 1 有源部分作为谐波电压源时的补偿特性 冒2 1 1r t h a p f 控制为谐波电压源时的单相等效电路 将r t h a p f 有源部分电压控制为电压源 却c=zmi(2-19) r t f l a p f 的单相等效电路如图2 1 1 可以看出，此时的r t h a p f 相当于在电 网支路串联了一个阻抗z 。因此，在如式( 2 - 1 9 ) 的控制方式下，由谐波源产 生的谐波电流将更多地流入p f ，当z 。足够大时，注入电网的谐波电流将接近 中南大学硕士学位论文 第二章谐振型混合有源电力滤波器 于零。 但是，由于f s r c 的谐波阻抗z 。随谐波频率的不同而不同，并不是一个固 定值，也没有一个以整体谐波( 各次谐波分量之和) 为自变量的一个表达式， 所以式( 2 1 9 ) 只适用于对少数几个含量较大的谐波分量迸行选择性治理。比 如，对2 次、3 次、5 次谐波，可以有 t 0 = z 舰：+ z 届，+ 2 - 。 ( 2 2 0 ) 这必须将需要补偿的各谐波分量单独检测出来，比较复杂。因此，式( 2 - 1 9 ) 实现起来是比较困难的。 图2 - 1 2r t i i p fm u 掌的单相等效电路 r t i i a p f 的有源部分若控制为一个理想的谐波电压源，则对于基波电压盯。而 言，它相当于短路( 如图2 - 1 2 ) ，虽然并联的f s r c 的基波阻抗也非常小，但是 流过p f 的基波电流仍将全部流入r t l a p f 的有源部分 实际上，有源部分有一定的阻抗，包括逆变器的损耗、输出滤波器、耦合 变压器等，因此只要这些部分的等效基波阻抗z 。远远大于z 。，流过p f 的基 波电流就将全部流入f s r c 由于z 。是非常小的，因此2 0 不用很大，就可以满 足要求 田2 - 1 3 基波环流 但是，r t h a p f 的有源部分与f s r c 之间还会出现基波环流问题。在实际当 中，若将r t h a p f 有源部分控制为电压源，有源部分的输出电压难以避免地会存 在一定的误差，当输出电压中包含相对很小的基波分量时，此时r t h a p f 的 基波单相等效电路如图2 - 1 3 所示对于材g 而言，p f 、电网支路、负载等是与 1 9 中南大学硕士学位论文 第二章谐振型混合有源电力滤波器 f s r c 并联的，由于z 。是f s r c 的基波阻抗，是非常小、接近于0 的，因此 ， 厶，封一生塑( 2 - 2 1 )q z 口+ z 簟z 仃 相对搿。很小，而相对z 0 就不一定很小了从式( 2 - 2 1 ) 可以看出，在 有源部分和f s r c 之间存在基波环流。如果在输出控制电压中会有较大的基波电 压时，基波环流将会很大 因此，为了使得流入有源部分的基波电流较小，就必须增大z 0 ，不能仅仅 满足远远大于z 。的要求了，要视系统电压等级和控制系统误差而定，可能会比 较大由于耦合变压器的有源部分侧的等效阻抗一般呈感性，因而基波阻