（控制理论与控制工程专业论文）基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器.pdf

基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 万书红( 控制理论与控制工程) 指导教师：刘润华教授 中文摘要 随着非线性负载的大量应用，电网中的谐波含量目益增加，造成电 能质量恶化。电力有源滤波器以其优越的补偿性能，已成为电力电子技 术领域的研究热点之一。 本文首先介绍了电网中谐波问题的定义、产生与危害，以及谐波治 理的主要方法。然后介绍了并联型电力有源滤波器的工作原理。在介绍 目前常用的并联型电力有源滤波器的补偿分量检测方法的基础上，采用 了基于等功率法的补偿分量检测方法。论文对比分析了并联型有源滤波 器的几种控制策略，指出它们在工程实现上的优缺点。将应用于变频器 中的电压空间矢量控制法作为本文并联型有源滤波器的控制策略。仿真 结果证明了检测及控制方法的正确性。 最后，介绍了本人设计的基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制的并联型 三相三线电力有源滤波器实验装置，对硬件电路及其参数进行了设计和 计算，控制算法通过编程实现。实验结果与分析结果一致，进一步验证 了所提出的简单数字化控制方法的正确性和有效性。 关键词：谐波，电压空间矢量控制，仿真，检测方法，电力有源滤波器， d s p l i a c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o l l e db ys p a c e v o l t a g ev e c t o r w a n s h u 。h o n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl ur u n h u a a b s t r a c t w i t ht h ep r o l i f e r a t i o no f n o n l i n e a r l o a d s ，t h ea m o u n to f h a r m o n i cc u r r e n t h a si n c r e a s e d t h i sc a u s e st h ep o w e rq u a l i t yb e y o n d a c c e p t a b l el e v e li nm a n y s i t u a t i o n s t h e r e f o r e ，t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) w i t hi t sp r e d o m i n a n t c o m p e n s a t ep e r f o r m a n c e ，h a sb e e nah o tr e s e a r c hs p o ti np o w e re l e c t r o n i c s a r e a t h ed e f i n i t i o n ，g e n e r a t i o n ，e n d a n g e r m e n to fh a r m o n i cp r o b l e mi np o w e r s y s t e ma n ds o m et r a d i t i o n a ls o l u t i o n sa r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n s e c o n d l y ，t h ef u n c t i o no fs h u n ta p fi si n t r o d u c e d b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o n o fs e v e r a lw i d e l yu s e dd e t e c t i n gm e t h o d so fc o m p e n s a t i n gc o m p o n e n t si n s h u n ta p f ，a l le q u a lp o w e r - b a s e dd e t e c t i n gm e t h o di sa d o p t e d t h e ns e v e r a l k i n d so fc o n t r o lm e t h o d sa p p l i e db ys h u n ta p fa r ec o n t r a s t e da n d a n a l y z e d ， a n dt h e i ra d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g ea r ep o i n t e do u t t h em e t h o do fs p a c e v o l t a g ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) u s e di nt r a n s d u c e r , i s t a k e na st h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs h u n ta p fi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h es i m u l a t i o n o ft h et h r e e - p h a s ea p fi sd o n e ，a n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v et h e c o r r e c t n e s so fm em e t h o d sf o rh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n g a n dc o n t r o i s t r a t e g y a tl a s t at m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p b a s e ds h u n tt h r e e p h a s et h r e e w i r e a p fi sd e v e l o p e d t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dp a r a m e t e r so ft h e i i l a p fs y s t e ma r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o la l g o r i t h mi sr e a l i z e db yp r o g r a mi n d s p t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ea c c o r dt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，a n dv e r i f y t h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo f t h ep r e s e n t e ds i m p l i f i e dd i g i t a lc o n t r o lm e t h o d k e yw o r d s ：h a r m o n i cc u r r e n t ，s v p w m ，s i m u l a t i o n ，d e t e c t i n gm e t h o d ， c o n t r o l ，a p f , d s p 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 伽形年j 月，7 日 如矿6 年5 - 月7 日 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 第1 章前言 随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子装置被广泛应 用于电力系统、传统工业、交通运输和家电行业等领域，已极大地推进 了现代工业文明的发展。但同时也将大量的谐波注入电网。电网中谐波 的危害极大，它会使电网供电电压波形发生畸变而使供电质量下降。电 力系统的能量损耗增加。供用电设备寿命缩短，还会对其它电子设各造成 电磁干扰。因此，国际上公认谐波污染是电网公害，必须采取措施加以 限制。 本文介绍了并联型电力有源滤波器的工作原理，并着重对其检测和 控制部分的理论和实现方法进行研究分析，得到了具有实际应用价值的 检测和控制方法。本章首先对电网中谐波的产生和危害进行论述，然后 对传统无源谐波抑制方法以及电力有源滤波器的发展进行介绍，最后简 述本文所作的主要工作。 + 1 1 概述 1 1 1 谐波的产生 供电系统中谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分 解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波 频率的分量，这部分分量称为谐波。谐波实际上就是一种干扰量，使电 网受到“污染”。而向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波 电压的电气设备则称为谐波源。当前，电力系统的谐波源，按其非线性 特性主要分三大判1 1 】： a 铁磁饱和型：各种铁心设备，妇变压器、电抗器等，其铁磁饱和 特性呈现非线性。 b 电子开关型：主要为各种交直流换流装置，如整流器、逆变器， 以及双向晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山、电气铁道等大 量工矿企业以及家用电器中广泛使用：在系统内部，如直流输电中的整 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 流阀和逆变阀等。其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性。 c 电弧型：各种炼钢电弧炉在高温熔化期间以及交流电弧焊机在高 温焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，导致电流不 规则地波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的随机变化 的伏安特性。 1 1 2 谐波的危害 谐波对公用电网及其它设备或用电系统的危害，大致可以归纳为以 下几个方面o o a 2 1 ： ( 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网、输电 及用电设备的使用效率，增加电网损耗。在三相四线制系统中，零线会 由于流过大量的3 次及其倍数次谐波电流，造成零线过热。 ( 2 ) 无功功率的增加使整个电力系统的效率降低，加剧能源紧张状 况。 ( 3 ) 谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化， 降低设备的使用寿命。 ( 4 ) 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。 使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连 的电抗器、电阻器的损坏。 ( 5 ) 谐波会引起一些保护设备误动作，同时也会导致电气测量仪表 计量不准确。 ( 6 ) 谐波会对附近的通信系统产生干扰，轻者引入噪声，降低通话 质量，重者导致信号丢失，使通信系统无法正常工作等等。 谐波研究的意义更可以上升到治理环境污染，维护绿色环境的角度 来认识。对电力系统这个环境来说，其“绿色”的标志主要是“无谐波”， 汽车工业领域的研究人员和工程师为维护“绿色”空气环境做出了贡献， 电气电子工程师和研究人员有责任为治理电力系统的谐波污染尽自己的 最大力量。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 谐波的消除及其研究现状 目前，对电力电子装置和其它谐波源谐波污染问题的解决方法，可 分为预防性和补救性两类【1 0 , 1 2 1 。 预防性的解决方法主要是指避免谐波及其后果出现的各种技术。包 括： ( 1 ) 开发有效的控制方法来减小或消除电力系统设备，主要是电容 器，变压器和发电机工作时所产生的谐波。 ( 2 ) 对于电力电子装置谐波源，在完成其自身主要功能的同时，对 装置本身结构进行改造，使其工作时不产生或少产生谐波，并同时进行 功率因数校正。如有源功率因数校正技术和各种p w m 整流技术。 补救性的解决方法主要是指在电力系统中通过使用各种无源和有源 滤波补偿装置完成谐波抑制与无功补偿的功能。本文所做工作是采用有 源滤波技术进行谐波治理。 1 2 1l o 无源滤波器 在电力系统中装设l c 无源滤波器一直是补偿无功抑制谐波的主要手 段。这种装置由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，它与负载 并联，除了可以滤除一定频率的谐波之外，还可进行无功功率补偿。这 种滤波器具有结构简单、容易实现、便于维护、既可补偿谐波又可补偿 无功等优点，但其本身所固有的缺陷限制了其发展【1 2 】： ( 1 ) l c 滤波器是根据调谐的原理，用于特定次谐波进行补偿的，因 此它对电网频率和网络阻抗的变化十分敏感，滤波效果不易保证。 ( 2 ) l c 滤波器可能会跟电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大， 从而导致系统不能正常工作。 ( 3 ) 由于电网中谐波的频率范围通常较宽，因此一般要设置多个l c 滤波器。 由于l c 无源谐波抑制装置治理的局限性，发展至今已经越来越不能 满足用户对电能质量的要求。而随着电力电子技术的发展和新一代大功 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 率电力电子器件的产生，使电力有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , 简称 a p f ) 治理电网谐波成为可能，只要额定功率等级选得正确，即可彻底改 变常规谐波抑制装置的局限性。 1 2 2 有源滤波技术 目前，利用电力有源滤波器进行谐波抑制与无功补偿是一种趋势。 电力有源滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装 置。其补偿原理是向电网中注入与谐波电流相位相反、幅值相同的补偿 电流来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。采用电力有源滤 波器可以获得比传统方式更好的补偿性能，可以克服上述无源滤波器的 各项缺点，并且具有以下优点： ( 1 ) 它在对频率和大小都在变化的谐波以及无功电流进行补偿时， 对补偿对象的变化有很快的相应，可实现动态补偿。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿程度连续可调。 ( 3 ) 补偿无功功率时理论上不需要储能元件，补偿谐波电流时所需 的储能元件也不大。 ( 4 ) 受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可以对多个谐波和无 功源集中补偿。 可见，采用电力有源滤波器可以获得比以往的方法更优越的补偿特 性，并且随着电力电子技术的发展，电力电子器件成本的逐步下降，电 力有源滤波器的成本也会下降，应用前景比较乐观。 1 2 3 电力有源滤波技术研究现状 电力有源滤波器的发展最早可以追溯n 6 0 年代，但直n 7 0 年代才真 正提出了电力有源滤波器的原理，到了8 0 年代，随着电力电子技术以及 p w m 控制技术的发展，对电力有源滤波器的研究逐渐活跃起来，特别是 在赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功理论”后【i l ，电力有源滤波器 的研究也取得了新的突破，逐渐在工业得到广泛应用。国外的研究主要 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 以日本为代表，已步入大量实用的阶段唧。随着容量的逐步提高，其应用 范围也从补偿用户端谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展【4 ，5 】。 我国在电力有源滤波器方面的研究起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末 才有文章发表【”】。2 0 世纪九十年代以来，一些高等院校和研究机构开始 进行有关电力有源滤波器的研究。由于各方面条件的限制，在我国电力 有源滤波器刚刚得以进入实际工业现场，还有待提高实际应用水平。 目前，关于电力有源滤波器的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 建立更为完善的非正弦功率理论 现有的畸变电流的检测方法大多数都是以瞬时无功功率理论为基 础，但在瞬时无功功率理论中，一些量的物理概念比较模糊，有些场合 会出现检测误差大甚至检测失效的情形。 ( 2 ) 进一步降低补偿装置容量 电力有源滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接点 ( p c c ) 的电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型电力有源滤波器 与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决 定。而补偿电流的大小和装置的补偿目的有关，即电力有源滤波器仅仅 是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时，电力有源滤 波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有 效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波电流的 大小。如果要求电力有源滤波器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补 偿对象中谐波及无功电流的总和决定。 由于电力有源滤波器的价格要远远高于同容量的无源滤波器，为降 低补偿装置的投资，主要办法就是降低电力有源滤波器的容量。目前的 主要思路是将电力有源滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤 除谐波源中主要的谐波电流，用电力有源滤波器来提高总体的补偿效果， 这就是混合型电力有源滤波器。还有学者提出其他方法，如注入回路方 式等，其主要目的也是降低有源滤波器的容量，但尚未进入实用阶段。 ( 3 ) 控制系统的简化 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 电力有源滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波 电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。基于 瞬时无功功率理论的各种检测计算电路，用传统的模拟电路实现时，其 线路较为繁琐、结构较为复杂、电路调试困难。随着高速数字信号处理 器( d s p ) 的出现，采用数字化方法来控制电力有源滤波器己成为电力有 源滤波器的发展趋势之一。采用数字化控制的电力有源滤波器具有运算 速度快、编程方便、稳定性及可重复性好、精度高、集成方便等优点。 ( 4 ) 补偿装置的多功能化 电力有源滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造 还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分 的研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果。 1 3 本文的主要工作 近年来电力用户对电能质量的要求越来越高。谐波问题的治理，是 电力系统工作者面临的重大任务。同时，以电力电子技术、计算机技术 和控制技术为基础的各种形式有源滤波器的发展，为实现谐波抑制和无 功补偿带来新的前景。本论文所做的主要工作有： 第1 章介绍了谐波的定义，产生、危害及主要的抑制方法，并简要介 绍了电力有源滤波器的研究现状。 第2 章介绍了电力有源滤波器的基本理论。分析了并联型电力有源滤 波器的工作原理，阐述了目前常用的补偿分量检测方法及其常规控制思 想和控制方法。 第3 章从总体上介绍了本文所研究的“基于电压空间矢量控制的电 力有源滤波器”。系统采用了一种算法简单的补偿电流检测方法，并对电 压空问矢量的控制方法进行了详细论述，运用m a r l a b s i m u l i n k 仿真 软件对系统的控制方案进行了仿真，证明了控制方案的可行性，其中也 对仿真软件进行了简单介绍。 第4 章设计了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为控制核心的电力有源滤波 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 器的硬件系统。介绍了滤波器主要参数的计算，系统外围的交、直流电 压、输入电流和同步信号的检测与调理电路，同时说明了电路原理和工 作特点。 第5 章选用1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为控制核心，设计了基于电压空 间矢量控制的电力有源滤波器的控制系统软件，介绍了实验系统的组成， 给出了实验结果。最后总结全文得出结论，并对后续的内容作了展望。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 第2 章电力有源滤波器的基本理论 电力有源滤波器作为一种改善电力系统电能质量的装置，可以动态 地抑制谐波、补偿无功，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，其应用可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法 的缺点。本章分析了电力有源滤波器的工作原理，对电力有源滤波器常 用的补偿电流检测方法和控制方法进行了介绍。 2 1 电力有源滤波器的分类 电力有源滤波器发展至今，已派生出了许多种类型，它们的工作原 理也不尽相同。电力有源滤波器可以从以下两个不同的角度来分类睇j 。 1 、根据接入电网的形式分类【l o l 根据电力有源滤波器接入电网的形式，可将其分为两大类，即并联 型( s h u n t a p f ) 和串联型( s e r i e s a p f ) 。目前并联型电力有源滤波器占 实用装置的大多数。其详细分类如图2 l 所示。 图2 1 电力有源滤波器的分类 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 2 、据变流器直流侧储能元件的不同分类 对于电力有源滤波器，为了能与交流侧交换能量以达到补偿的效果， 直流侧必须具备储能元件，该元件即可以是电感元件，也可以是电容器。 因此电力有源滤波器的主电路可以分为直流侧采用电感元件的电流型和 直流侧采用电容器的电压型两种。如图2 2 所示。 稠帮韶 a ) 电流型 b ) 电压型 图2 - 2 电力有源滤波器的主电路 电压型有源滤波器的变流器控制方法是根据要求控制输出电压，使 之与电网电压在输出电抗器端相减而得到所需要的补偿电流。电压型变 流器具有电路结构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、控制易 于实现等优点。但它存在一个严重的缺点：由于直流侧为电容，一旦发 生某个桥臂短路，就会造成直流贯通短路。 电流型有源滤波器的变流器是将直流电流调制成一个脉冲列，再通 过交流输出端上的交流滤波器解调成所要求的电流。其直流侧电流应与 最大补偿电流相匹配。由于电流型变流器直流侧的储能元件是电感，故 在装置发生贯穿短路等故障时，有限制故障电流急剧增加的作用。电流 型变流器的缺点是由于在装置中始终有一个与需要补偿电流最大峰值相 当的电流流过，损耗较大，另外由于是对屯流进行调制，需要设置解调 滤波器。 2 2 并联型电力有源滤波器的工作原理 本文所研究的电力有源滤波器为并联型，故本小节将详细介绍其工 作原理。并联型电力有源滤波器主要是用来补偿可以看作电流源的谐波 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 源，它通过向交流系统中注入与谐波源的谐波和无功电流大小相等、方 向相反的补偿电流来完成谐波和无功的补偿。在这种情况下，其本身表 现出电流源的特性。 如图2 3 所示，并联型电力有源滤波器实际上可以称为任意波形发 生器，或者可称为可控非线性元件。其工作原理是：实时检测所需补偿 对象的补偿电流，通过控制系统使电力有源滤波器产生与补偿电流大小 相等、方向相反的输出电流，以实现谐波及无功补偿的目的。 图2 - 3a p f 的原理及控制思想框图 将图2 3 中的负载电流按傅立叶级数展开为： = l 如，g 研+ 以) h i l = i t 删b j 加n ) f + 厶s 加bc o s o j t + 主i 。s i n ( n c a t + o 。) ( 2 一1 ) 2 i i p + i i g 七t m 其中：，= i ic o s o , s i n c o t ，为基波有功电流； f i 。= 1 1s i n o , c o s c o t ，为基波无功电流； 屯= ls i n ( n c o t + o ) ，为高次谐波电流。 由图2 3 可知f j = + t ，既负载电流由电网电流f j 和有源滤波器输 出电流共同提供，如果控制有源滤波器的输出电流，使= 一如，则电 网中就只有基波电流了，即= i 。，+ i 埘，这样就达到补偿谐波的目的。简 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 言而之，并联型有源滤波器相当于并联在电网上的受控电流源，它实时 检测负载中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向相反的谐波电流， 使流入电网的谐波电流基本为零。进一步分析式( 2 - 1 ) 还会看到，有源滤 波器也可以同时用来补偿无功功率，这时只需使i c = 一【f l 。+ 屯) ，则= i 。， 即电网中就只含基波有功电流分量。 2 3 电力有源滤波器补偿分量检测方法 2 3 1 补偿分量检测方法的研究现状 由上节所论述的电力有源滤波器的原理可以看出，要达到精确的补 偿效果，快速、准确地检测出负载电流中的谐波及无功对于补偿的效果 是非常重要的。本节介绍一下电力有源滤波器补偿分量检测方法的研究 现状。 最初的谐波检测方法是采用模拟滤波器来实现的，即采用陷波器将 基波电流分量滤除，让谐波分量通过。或采用带通滤波器得到基波分量， 再与被检测电流相减得到谐波分量。但是这种方法存在诸多缺点，如硬 件电路难以设计、误差大、实时性差、对电网频率波动和电路元件参数 十分敏感等，现在已经很少使用了。 基于f r y z e 时域分析的有功电流分离法，是将负荷电流分解为两个正 交分量：一个是与电压波形完全一致的有功电流分量i p ( t ) ，另一个是广 义无功电流分量p ) ，则( r ) = 6 ( 0 一( ，) 。该方法补偿电流计算直接， 电路实现较容易，其缺点是检测到的广义无功电流有个周期以上的时 间延迟，故不适于频繁变化的负载，而且此方法不能将无功电流和谐波 电流分开。 随着计算机和微电子技术的发展，人们开始采用傅立叶分析的方法 来检测谐波和无功电流【1 3 1 。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流 值进行计算，最终得到所需的谐波和无功电流。这种方法缺点是需要一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 定时间间隔的电流值，并且要进行两次变换，计算量大，需花费较多的 计算时闻，从而使得检测过程具有较长时间的延时，检测的结果实际上 是较长时间前的谐波和无功电流，因而实时性不好。 8 0 年代，日本学者a k a g i 提出了基于瞬时无功功率理论的p 、q 检 测方法【1 , 4 l ，在这种方法的基础上又陆续出现f ，运算法【3 】。这两种方法 是目前较为实用的检测方法。下节将详细对其进行介绍。 随着各种新的算法的出现，近几年还出现了基于神经网络的自适应 谐波电流检测法l m j ，对于某一种畸变情况，运用神经网络的学习算法， 进行离线训练得到检测补偿量，其缺点是适用范围小，无法实时适应各 种突变情况。 2 3 2 三相电路基于瞬时无功功率理论的检测方法 由2 3 1 节的介绍可知，目前在三相电路中广泛应用的基于瞬时无功 功率理论的检测方法有两种，下面首先介绍瞬时无功功率理论，然后分 别对基于瞬时无功功率理论的两种检测方法进行介绍。 l 、三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出【1 1 ，此后 该理论不断研究，逐渐完善。赤木最初提出的理论也称p 、g 理论，是以 瞬时实功率p 和瞬时虚功率g 的定义为基础。设三相电路各相电压和电流 的瞬时值分别是、e b 、e c 和艺、，把它们变换至l j c c - p 两相正交 的坐标系上研究。由下面的变换可得口一两相瞬时电压气、e , a 和两相瞬 时电流t 、i 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 图2 - 4 口一口坐标系中的电压电流矢量 融 | ； ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 舯印罐兹瑚 如图2 - 4 所示，在搿一卢平面上，矢量气、和、如可进一步合成 电压矢量e 和电流矢量f ，在口一坐标系中两相总的瞬时功率为 p = e 。i 。+ e 毋8 将之写成点积的形式，并定义瞬时实功率为 定义瞬时虚功率为 p 。l 口e 口七1 8 e 口 q = i 口。+ i p e a 1 3 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 1j 0b0 r“叫l g i i 1j隆 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 设口一一y 为相互垂直的右手坐标系，则g 与y 轴重合。定义g 在，轴 上的投影g 为 q = e 丸一e ，i bi 研 将式( 2 4 ) 和( 2 7 ) 写成矩阵形式 阡i ；e , 灿1 f 屯 ， 其反变换为 匕 = 臣羔 ? 圈= e a 羔 。嘲+ 巴羔i i 。o = 阱隆 ( 2 - 9 ) 舯印 ：甜皆臣玎 其中0 、和、分另被定义为口相和相的瞬时有功电流、瞬时无 功电流，定义盯相和卢相的瞬时有功功率、瞬时无功功率分别为该相瞬 时电压与相瞬时有功电流、瞬时无功电流的乘积，并分别记为p 。、p 。和 p 印、p 厨，考察其与各相瞬时功率儿、如的关系，可得 p 。= + p w( 2 - l o a ) p 卢= p 摩- i - p 冉( 2 - 1 0 b ) p 单+ p 席= p ( 2 - 1 0 c ) p 田+ p 肉= o ( 2 l o d ) 可见各相的瞬时无功功率对总的瞬时功率( 瞬时实功率) 没有什么 贡献，而是在各相之间相互传递，这也正是赤木给出瞬时实功率、瞬时 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 2 、p 、g 检测方法 1 9 8 3 年a k a 西提出的三相电路瞬时无功功率理论，最初亦被称为p 、 q 理论。按照上节介绍的口一理论我们可以得到三相电压电流的盯一 分量，从而可以计算出三相瞬时实功p 和虚功q ，将p 、q 经低通滤波 器( l p f ) 得p 、q 的直流分量f 、虿。电网电压无畸变时，f 为基波有 芦、虿可以计算出检测电流、厶、的基波分量0 、0 、0 。 阱i a 矧【习= 古叫习 ， 其中：c 2 3 = g 2 4 f l j k i a 、，中减去0 、0 、0 即可得到电流中的谐波电流如、“、 。如果须同时补偿谐波电流和无功电流，只须将滤波通道的q 断开即 可。如果只须检测无功电流则只须将无功g 进行变换即可。其原理如图 图2 - 5p 、q 运算方法的原理框图 3 、i p , 。电流检测法 t 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 l c h 图2 - 6 i p 、i g 运算方法原理框图 i p 、运算方法的原理图如上图所示，图中c = j 翩玎研- - 。0 s c o t i 。 i c o s 研一s l y l o ) tl 该方法中，不是直接利用采样得到的三相系统电压进行变换，而是利用 一个与a 相电网电压e 。同相的正弦信号s i n c o t 和对应的余弦信号一c o s ( t 。 根据定义可计算出i p 、i q ，经l p f 滤波可得出i p 、i q 的直流分量、己。 这里、己是对应于电流基波分量0 、0 、0 的，因此由、一i q 可计算 出0 、0 、0 ，进而可以计算出乙、i b 。、如a 上述两种方法既可用模拟电路实现，也可用数字电路实现。当用模 拟电路实现时，p 、叮检测方式需用l o 个乘法器和2 个除法器，i p 、运 算方式需用8 个乘法器，电路结构较复杂，检测精度难以保证。较好的 方案是采用数字化控制，当采用数字化控制时，因涉及较多的乘法和坐 标变换运算，普通的m c s 5 1 ，9 6 等c p u 较难胜任这样大量的运算和控 制，随着半导体工业的飞速发展，数字信号处理器( d s p ) 芯片在速度和 功能方面的进展使其在声音、语音、仪器、通讯、医学、军事、机器人、 工业等方面的应用日益广泛，已有成功将d s p 芯片用于有源滤波器的文 献报道，相信随着d s p 芯片价格的进一步降低，以及我们对这一产品的 进一步熟悉，d s p 在电力电子及有源滤波器方面的应用会越来越多。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 2 4 常用的变流器控制策略 电力有源滤波器系统的控制策略实际上就是对电压型变流器的p w m 电流如何控制的问题，可以归结为在补偿电流已知的情况下，如何控制 变流器桥臂的状态，使电网电流能跟随指令电流变化，并且在开关频率 一定的前提下使跟随误差最小，或在跟随误差一定的前提下使开关频率 最低，或制定一定的控制目标，使跟随误差与开关频率的综合指标最优。 目前，从采用的电流控制方法看，主要可分为以下三种类型。 1 、三角载波线性控制【 】 三角载波线性控制( t r i a n g l ew a v e 1 i n e a rc o n t r 0 1 ) 是最简单的一种控 制方法。通过将检测环节得到的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，其原理如图2 - 7 所示。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，在大功率应 用中受到限制。 士 图2 _ 7 三角载波线性控制原理图 2 、滞环比较控制 滞环比较控制( h y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 是一种应用较为普遍的方法，它 的工作原理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的目的，其原理如图2 - 8 所示。 与三角载波线性控制相比，滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快 等特点。缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章电力有源滤波器的基本理论 带宽影响。滞环带宽固定时，开关频率会随补偿电流变化而变化，从而 引起较大的脉动电流和开关噪声。 滞环比较器 r 1 一 p w m 信号 2 c 彻a t 一u 一 刖一 一 zi 图2 - 8 滞环比较控制原理图 3 、基于预测的电流控制方法 基于预测的电流控制方法( p r e d i c t i v ec u r r e n tc o n t r 0 1 ) 的总体思路是： 依据系统现有的信息，包括电压、电流以及变流器的状态，按照一定的 性能指标，规划变流器在随后一段时间内的状态或状态序列。按照控制 的目标和实现的方式不同，又可分为无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 、 空间矢量控制( s p a c e v e c t o rc o n t r 0 1 ) 、模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 、人工 神经网络控制( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 ) 等方法。 这类方法有下列优点：将变流器的状态作为控制的手段，能够实 现各相之间的关联控制，便于优化开关过程，提高开关动作的效率；系 统中a d 采样、指令电流计算、变流器状态的确定与输出等环节造成的延 迟可以通过预测控制算法进行补偿；便于实现多个性能指标的切换。 缺点是计算量较大，需要高速运算逻辑器件的支持。 以上三类方法中，基于模拟控制技术的三角波调制控制法和滞环控 制法是目前电力有源滤波器中普遍采用的方法，可以通过多重化技术、 自适应滞环控制等改进措施来克服其固有的缺陷，提高其使用效率。但 随着微机控制技术的不断发展以及数字信号处理器( d s p ) 运算速度的 不断提高，基于预测的电流控制方法在电力有源滤波器中的应用正在不 断的扩大，各种新型的控制策略也不断涌现。 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 本章主要对本文所研究的基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 做总体论述，首先对系统的总体结构进行分析，然后分别论述系统所采 用的补偿分量检测方法和控制方法，并进行了仿真验证。 3 1 系统结构分析 1 、系统结构图 图3 - l 系统结构图 本文所设计的滤波器选用三相三线制、电压型并联结构。图3 1 为系 统结构图，电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其 电压基本保持不变，可看作电压源；交流侧的输出电压为p w m 波。由于 采用的是并联结构，负载输入电压和有源滤波器输入电压都是电网电压， 它们是独立运行的，有源滤波器的运行对负载的运行没有影响。 2 、a p f 系统拓扑结构 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空问矢量控制的电力有源滤波器 jv l2 ( 髟一& ) 吃( 3 - 1 ) e 襄r 蚋- - v 2 制- - 三二：摹：s 国 卜哮一k( 。圳h 等嘞一o v 卅 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 由于如= 一( 0 + ) ，则由上式可得到 p 。d 出i c a _ i 。足= 矿哮吨r = 。一哮肛 ! 塑! 生! 丝j 兰蔓= 兰 33 e + e s b + e y l + 1 屹 33 1 翌! 生! 兰j ! 生= ! 1 33 ( 3 3 ) 对于三相三线系统，应有p 。+ + p 。= 0 ，将式( 3 1 ) 带入到上式中可得 ( 3 - 4 ) 其中， 7 i v 。= ( 2 s o s s c ) 吃3 y c b = ( 2 既一只一只) 3( 3 - 5 ) 【v 。= ( 2 一咒一s o ) 吃3 式( 3 - 4 ) 和式( 3 - 5 ) 分别揭示了有源滤波器各相输出电流变化的独立性 和相关性，即：一方面，在变流器状态确定的前提下，各相电流的变化 由各相的电源电压及变流器的输出电压决定，与其它相的电压无关；另 一方面，变流器各相的输出电压由三个桥臂的状态共同决定，任何一个 桥臂的状态都不能单独决定某一相的输出电压。因此，在确定有源滤波 器的控制策略时，既要利用各相的独立性所确立的数值关系，又必须考 虑并利用三相之间的关联性。由式( 3 4 ) 描述的三相三线电压型并联电力 有源滤波器系统模型如图3 3 所示。 2 1 = = = r r 足 k k 一 一 一 也百瓯百丸百 c 一 一 一 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 图3 - 3 电力有源滤波器系统模型 3 2 基于等功率法的补偿分量检测方法 通过第2 章的介绍我们可以知道，耳前应用在有源滤波器中的补偿 分量检测方法主要是以基于瞬时无功功率理论为主的，但这种检测方法 在软件编程时存在计算量大的问题，本文从系统有功功率平衡的角度出 发，采用了基于等功率法的补偿分量检测方法。该方法不需要大量的计 算，简化了程序设计，下面就将详细介绍其检测原理。 由前文对瞬时无功功率理论的阐述可知，对于三相电路，其瞬时有功 之和与瞬时无功之和为 笔笼：q 三0 p c 。一e ， 【9 4 + 口6 + c = 由上式可知，三相电路的瞬时无功功率之和为零，它对总的瞬时功率没 有什么贡献，而只是在各相之间相互传递的，而各相有功功率之和等于 三相电路的瞬时有功功率。也可以说，对于有源滤波器，如果忽略器件 损耗，则其直流侧和交流侧的能量交换取决于瞬时有功功率。那么，从 功率平衡的角度看，在三相电路中有功功率可以看成是从电网侧直接传 递给了负载和有源滤波器直流侧。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 只= 毋+ 只 ( 3 7 ) 式中只为电网提供的有功功率； 只为负载消耗的有功功率： 只为有源滤波器输入的有功功率。 再对电力有源滤波器直流侧电压作进一步分析，对于一个无损的有 源滤波器，电网提供的功率必须等于负载消耗的有功功率，因此，变流 器直流侧电容的平均电压将保持为一个恒定值。当系统功率不平衡时， 交流器的直流电容将提供电网与负载间的功率差，这将导致直流电容平 均电压的变化。如果电网提供的功率低于负载需要的功率，那么直流电 容的平均电压将降低，此时，需要提高电网电流幅值以增加电网提供的 功率；反之，直流电容平均电压将升高，此时，需要减小电流的幅值以 降低电网提供的功率。直流侧电容平均电压的变化能够反映出电网与负 载问功率转换情况。因此，可以通过控制直流侧电容电压来获得电网侧 电流幅值1 8 9 】。 如果忽略电力有源滤波器的损耗，那么根据能量守恒，有源滤波器 传输的瞬时有功功率为 见= c 警( 3 - 8 ) 式中c 为滤波器直流侧电容。则可计算出有源滤波器传输的瞬时有功功 率平均值为 只= 专k d r = 瓦c 吃 ( 3 9 ) 式中互采样时间间隔 吃o 时刻和l 时刻直流侧电压平方差 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章基于电压空间矢量控制的电力有源滤波器 又由 p | = 3 e , i | 综合式( 3 7 ) 、( 3 - 9 ) 并1 ( 3 - 1 0 ) 可得到，表达式为 ( 3 - 1 0 ) l 3 壶峦4 吃+ 毋) ( 3 - 1 1 ) 从式( 3 “) 可以看出，在电网电压不变的情况下，电容上电压的变化，直接 反映了输入有功电流的变化。负载消耗的有功功率可以认为是基本不变 的，所以通过对有源滤波器直流侧电压进行p i 调节使吃保持不变的同 时，也就得到了在当前负载条件下整个系统所需的有功电流。基于上述 原理，系统的控制框图如图3 4 所示。 图3 - 4 等功率检测法 该系统采用双闭环控制，外环为电压环，一方面能够控制直流侧的 电压使其稳定在给定值附近，另一方面，根据有功功率的流动利用功率 平衡获取参考电流的幅值，：，与同步信号相乘后作为电网电流参考信号 。内环是电流环，检测电网实际电流，将