（控制理论与控制工程专业论文）畸变电流检测方法和补偿电流控制方法的研究.pdf

中文摘要 有源电力滤波器作为种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置，能够对非 线性负载电流中的谐波、无功、负序以及零序电流进行动态补偿，弥补了无源滤 波器的不足，因而受到广泛关注。 有源电力滤波器的两大关键问题：一是对非线性负载电流中畸变电流的实 时、准确检测；二是对检测出来的补偿电流的精确控制。 本文在比较目前常用的畸变电流检测方法的基础上，研究了一种算法简单、 实时性好、自适应能力强的基于自适应线性神经元的畸变电流检测法，并将其拓 展应用到三相电路。利用m a t l a b 编写m 文件对其进行仿真研究，仿真结果证 明该畸变电流检测法完全符合有源电力滤波器实时性、准确性要求。 补偿电流的控制是实现有源电力滤波器的核心环节。针对传统p i 控制方法 对周期变化的畸变电流跟踪控制的不足，本文提出了一种改进的方法，将模糊控 制和递推积分p i 控制相结合的模糊递推积分p i 控制方法，以提高系统的动态和 稳态性能。利用m a t l a b s i m u l i n k 创建仿真模型，并进行相关的仿真研究，仿 真结果表明该方法使系统具有较小的稳态误差和很好的动态性能，滤波效果比传 统p i 控制方法要好。 另外，本文设计了一个基于d s p 的三相并联型有源电力滤波器，初步对系 统的软硬件进行了设计。 关键词：畸变电流检测 自适应线性神经元递推积分p i 模糊控制 a b s t r a c t a sa ni d e a ld e v i c et oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n di m p r o v ep o w e rf a c t o r , a c t i v ep o w e r f i l t e rc a l ld y n a m i c a l l yc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c ，r e a c t i v ep o w e r , n e g a t i v ea n dz e r o s e q u e n c ec u r r e n ti nt h en o n l i n e a rl o a d i tm a k e su pf o rm ed r a w b a c k so f t h ep a s s i v e p o w e rf i l t e r t h e r e f o r e ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oi t t h e r ea r et w ok e yp r o b l e m si nt h ea c t i v ep o w e rf i l t e r , o n ei st h er e a l t i m ea n d a c c u r a t ed e t e c t i o nf o rt h ed i s t o r t i o nc u r r e n ti nt h en o n l i n e a rl o a d ，也eo t h e ri st h e a c c u r a t ec o n t r o lf o rt h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tw h i c hw a sd e t e c t e d a f t e rc o m p a r i n gt h ec o m m o n l yu s e dd i s t o r t i o nc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sa t p r e s e n t ，ad i s t o r t i o n c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o dw h i c hi sb a s e do na d a p t i v el i n e a r e l e m e n ti ss t u d i e di nt h i sp a p e r i ti sa l g o r i t h m - s i m p l e d ，r e a l t i m ea n da d a p t i v ea n d c a nb ee x t e n d e dt ot h r e e - p h a s ec i r c u i t t h emf i l e sa r ec o m p i l e di nm a t l a bt o s i m u l a t et h ed i s t o r t i o nc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d , a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h em e t h o dc a nm e e tt h er e a l t i m ea n da c c u r a t er e q u i r e m e n t sf o rt h ea c t i v ep o w e r f i l e r t h ec o n t r o lm e t h o df o rc o m p e n s a t i o nc u r r e n ti st h ek e yt a c h et oa c c o m p l i s ht h e a c t i v ep o w e rf i l t e r c o n s i d e r i n gt h ed r a w b a c k so ft h ec o n v e n t i o n a lp ic o n t r o lm e t h o d f o rt r a c i n gt h ep e r i o d i cc h a n g i n gd i s t o r t i o nc u r r e n t , a ni m p r o v e dm e t h o di sp r o p o s e d i n t h i sp a p e rt oi m p r o v et h ed y n a m i cs t a t ea n ds t e a d ys t a t ep e r f o r m a n c e so ft h e s y s t e m t h ep r o p o s e dm e t h o di st h ec o m b i n a t i o no ff u z z yc o n t r o la n dr e c u r s i v e i n t e g e rp ic o n t r 0 1 as i m u l a n t i o nm o d e li se s t a b l i s h e du s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，a n d t h es i m u l 撕o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a l p im e t h o di np e r f o r m a n c e s o t h e r w i s e ，at h r e e p h a s es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r w h i c hi sb a s e do nd s p c o n t r o l l e ri sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：d i s t o r t i o nc u r r e n td e t e c t i o n , a d a p t i v el i n e a re l e m e n t ，r e c u r s i v e i n t e g e rp i ，f u z z yc o n t r o l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得蠢鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：王衷觞 签字日期： 功0 7 年月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王康彪 签字日期：二0 0 7 年月i 占日 导师躲力磊豸 签字日期：加哕年歹月，萝日 第一章绪论 第一章绪论 随着电力电子装置的应用日益广泛，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电流和电压发生畸变，这些非线性设备的 数量和额定容量的日益增大造成的危害越来越引起人们的广泛关注。在我国，近 年来由于电气化铁道的发展以及化工，冶金，钢铁，煤炭和交通等工业部门大量 引进了国外设备和应用电力整流和变流技术，谐波问题在电力系统中己经日趋严 重。为了抑制非线性设备给电网带来的谐波污染，出现了许多解决谐波问题的方 法，其中最受推崇也是目前较为实用的是有源滤波技术，各国学者对有源滤波的 相关技术进行了深入的研究。 1 3 谐波问题及其危害 在电力系统中希望交流电压和交流电流成正弦波形。正弦波电压施加在线性 无源器件，如电阻、电感或电容上时，其电流和电压仍为同频率的正弦波形。但 当正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网 阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。 谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的。在国际上公认的谐波定义 是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 由于 谐波频率是基波频率的整数倍，因此也常常称为高次谐波【l 】。 电网中的主要谐波源可分为两大类【l 】【2 】：一是含半导体非线性元件的谐波源； 二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交流调压装置、 变流设备、直流拖动设备整流器、p w m 变频器、相控调制变频器以及现代工业 设施为节能和控制用的电力电子设备等；后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光 灯和发电机、变压器及铁磁谐振设备等。家用电器设备分属上述两类谐波源，虽 然容量小，但数量很大，因此也是不可忽视的谐波源。所有这些都使得电力系统 的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。 谐波对公用电网及其它设备或用电系统的危害【2 】【3 】，主要有以下几个方面： ( 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，增加电网线损。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； 第一章绪论 ( 2 ) 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； ( 3 ) 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： ( 4 ) 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或是串联谐振，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 ) 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信系统产 生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。 谐波的诸多危害越来越受到人们的重视，不少国家制定了针对电力系统谐波 和用电设备谐波的国家标准( 4 1 。为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我 国相继发布了多项电能质量国家标准【5 】【6 】，这些标准的发布为提高我国的电能质 量水平起到了很大的促进作用。 1 2 谐波抑制方法 目前谐波抑制的方法可以分为两大类。一类是对产生谐波的谐波源装置本身 进行改造，使其不产生谐波且功率因数可控制为1 ，属于主动型谐波治理方法； 另一类是设置谐波补偿装置来补偿谐波，属于被动式谐波治理方法。第一类方法， 目前主要是增加整流相数、采用多重化技术、采用先进的控制技术、限制变流器 的容量、加入滤波环节等来实现，尽管这些措施可以有效地减少高次谐波，但由 电力电子装置的工作机理所决定，必然还会产生一些高次谐波。对于第二类方法， 目前国内外普遍使用无源滤波器和有源电力滤波器来实现。 1 2 1 无源滤波器 电力系统中并联无源滤波器是最主要的谐波抑制手段之一。无源滤波器 ( p a s s i v ef i l t e r 简称p f ) 由滤波电容器、电抗器和电阻适当组合而成，利用电 容、电感电路串联谐振原理，对某些谐振频率谐振形成低通路，使相应的谐波电 流流入无源支路而避免流入电网内。并联无源滤波器除了起滤波作用外，还兼顾 补偿无功功率。实际应用中常采用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波 装置。其结构简单，设备投资少，运行可靠性高，运行费用较低、维护方便等优 点，因此得到了广泛应用。 但由于结构原理上的原因，无源滤波器存在以下缺点【7 】： ( 1 ) 只能对特定谐波进行滤波，谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤 2 第一章绪论 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； ( 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 行工况随时改变，对谐波电流的滤波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，p f 可能与系统阻抗发生串联或并联 谐振，从而使装置无法运行，使该次数谐波分量放大，使电网供电质量下降； ( 5 ) 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次 谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流； ( 6 ) 体积大，重量大，占地面积大。 由于无源滤波器存在以上的缺点，有必要采用其他谐波治理方法来抑制谐 波。有源电力滤波器是一种能弥补无源滤波器不足的新型有效的谐波抑制设备。 1 i 2 有源电力滤波器 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称a p f ) 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。它能对频率和大小都变化的谐波及无功电流进 行补偿，弥补了无源滤波器的不足，具有比无源滤波器更好的补偿性能，是一种 理想的抑制谐波和改善功率因数的装置。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具 有以下优点【s 】： ( 1 ) 具有高度的可控性和快速的响应性； ( 2 ) 能够补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿变化的无功功率且大小连续可 调，有一机多用的特点； ( 3 ) 补偿无功功率时理论上不需要贮能元件，补偿谐波电流时所需的贮能 元件也不大； ( 4 ) 即使补偿对象的电流过大，也不会发生过载，仍能继续运行； ( 5 ) 受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振； ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响； ( 7 ) 控制电路容易实施限流保护，体积小，重量轻。 由于以上优点，有源电力滤波器已成为抑制谐波和改善功率因数的重要方 法，受到了极大的关注。随着容量的不断提到，有源滤波技术作为改善电能质量 的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能 质量的方向发展。 3 第一章绪论 1 3 有源电力滤波器的国内外研究现状 1 9 7 1 年，h s a s a k i 等首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。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，未能在工业中实 用。1 9 7 6 年，l g y u g u y i 等人提出了采用脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控 制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明 了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器。但由于当时电力电子技术发展水 平不高，缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器仍局限于实验研究。进入2 0 世纪8 0 年代以来，新型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，尤其是1 9 8 3 年日本的h a k a g i 等人提出了三相电路瞬时无功功率理论，以及该理论在三相有 源电力滤波器中的成功应用，都极大地促进了有源电力滤波器的发展。 有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等 发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生 产厂家有日本三菱电机公司、美国话屋电器公司、德国西门子公司等。据统计， 仅在日本，自1 9 8 1 年以来，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，其容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等 越来越丰富【9 】【1 0 】【l l j 。 国内对a p f 的研究也非常活跃，技术上已经比较成熟，但仍处于实验阶段。 有关a p f 的研究主要集中在并联型和混合型上。并联型a p f 的研究最成熟，主要 以理论和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义，各种谐波电流的检测 方法、a p f 的稳态和动态特性分析等。虽然在理论上取得了一定的进展，但由于 多方面条件的限制，至今未有并联型a p f 的正式产品用于实际。目前，以高速数 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 ) 为基础的实时数字信号处理技术的 迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字控制的电能质 量调节装置所取代。随着d s p 性价比的不断提高，用d s p 控制a p f 已成为当今和 未来技术发展的一个新热点。此外，大功率电力电子技术、控制技术的不断发展 使a p f 的成本也不断降低，加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用前 景1 1 2 1 1 3 1 4 。 1 4 本文的主要研究内容 本文在参考了大量国内外相关文献的基础上，以并联型有源电力滤波器为研 究对象，对其畸变电流检测方法和补偿电流控制方法进行了深入的研究，主要内 容包括： 4 第一章绪论 ( 1 ) 研究了一种算法简单、实时性好、自适应能力强的基于自适应线性神 经元的畸变电流检测方法，并将其拓展应用到三相电路。利用m a t l a b 编写m 文件对其进行仿真研究，仿真结果表明该方法具有较高的实时性和准确性，对负 载电流的变化具有较强的自适应能力。 ( 2 ) 针对传统p i 控制方法对周期变化的畸变电流跟踪控制的不足，本文提 出了一种改进的方法，将模糊控制和递推积分p i 控制相结合的模糊递推积分p i 控制方法，以提高系统的稳态性能和动态性能。利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建仿 真模型对其进行仿真研究。仿真结果表明，该方法使得系统具有q l 要d , 的稳态误差 和很好的动态性能，滤波效果比传统p i 控制方法要好。 ( 3 ) 初步设计了一个基于d s p 的三相并联型有源电力滤波器，包括主电路 的设计，控制电路的设计，以及流程图的设计。 5 第二章有源电力滤波器的结构与原理 第二章有源电力滤波器的结构与原理 2 1 有源电力滤波器的基本工作原理 a p f 的基本工作原理如图2 1 所示【3 】，从图中可以看出a p f 由两部分组成： 谐波与无功电流检测电路和补偿电流发生电路( 由补偿电流控制电路，驱动隔离 电路和主电路三个部分构成) 。前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功电 流等分量；后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电 流。其中补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环节，负责根据补偿电流 指令信号，由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲；驱 动隔离电路负责驱动主电路i g b t 开关；主电路用来产生补偿电流。与a p f 并联 的高通滤波器( h i g h p a s sf i l t e r ，h p f ) 能滤除川p f 所产生的补偿电流中开关频率 附近的谐波。 i a p f ! - 一i 图2 一la p f 基本工作原理 a p f 的基本工作原理是：谐波无功电流检测电路将负载电流屯中的谐波电流 么和无功电流k 分离出来，然后把它们反相并产生补偿电流f c 的指令信号e ，即 = 么+ k 。补偿电流控制电路根据的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路驱 动主电路的功率开关器件，使其产生补偿电流，要跟踪e ，所以有 = 屯+ f c = 屯一e = t 一( t 。+ k ) = ( 2 一1 ) 即电源电流之中只含有基波有功分量乞，从而达到补偿谐波与无功的目的。 6 第二章有源电力滤波器的结构与原理 根据此原理，对于三相a p f ，还能对电流的不对称分量进行补偿。另外，作 为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，在电网向 a p f 直流侧贮能元件充电时作为整流器工作，由于其既能工作在逆变状态又能工 作在整流状态，故可称作变流器。 2 2 有源电力滤波器的分类 根据有源电力滤波器接入电网的方式的不同，a p f 可分为并联型、串联型和 串并联型，其中并联型和串联型还可继续细分为不同的类型，如下图所示3 1 。 有源电力滤波器 并联型 单独使用 串联型 单独使用 与l c 滤波器混合使用l l 一与l c 滤波器混合使用 口鲨 巫圃 日纛 与旋转电机并用方式 图2 2 有源电力滤波器的分类 2 2 1 并联型有源电力滤波器 2 2 1 1 单独使用的并联型有源电力滤波器 ( 统一电能质 量调节器) 图2 3 单独使用爵并联型a p f 单独使用的并联型有源电力滤波器如图2 3 所示。由于有源电力滤波器的主 电路与负载并联接入电网，故称之为并联型，又由于其补偿电流基本上由有源电 7 第二章有源电力滤波器的结构与原理 力滤波器提供，为与其他方式相区别，称之为单独使用方式，这是a p f 最基本 的方式，也是目前应用最多的方式。 这种方式的a p f 只要采用适当的控制方法就能达到多种补偿目的，功能最 为丰富灵活，但是由于交流电源的基波电压直接或经变压器间接加在a p f 上， 故对开关器件的电压等级要求较高。当负载的谐波电流含量较高时，补偿电流基 本上由a p f 提供，此时要求a p f 具有较大容量。 2 212 与l c 滤波器混合使用 该方式的基本思想是：利用l c 滤波器来分担a p f 的部分补偿任务。由于l c 滤波器结构简单、易于实现且成本低，而a p f 的补偿特性好，两者相结合克服了 单独使用时容量大、成本高的缺点，使整个系统获得良好的性能。这种方式的 a p f 分为与l c 滤波器并联使用和与l c 滤波器串联使用两种类型，如下图所示 1 5 1 1 6 。 ( a ) 图2 4 与l c 滤波器混合使用的a p f ( a ) 与l c 滤波器并联使用( b ) 与l c 滤波器串联使用 图2 - 4 ( a ) q ，a p f 与l c 滤波器并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务。 l c 滤波器包含多组单调谐滤波器和一组高通滤波器，承担了绝大部分补偿任务。 a p f 的作用是改善整个系统的性能，其所需容量与单独使用时相比大大降低。理 论上，凡是使用l c 滤波器的场合均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在这 种并联使用方式中，需要对a p f 进行有效的控制来抑制可能发生的谐振。 图2 4 ( b ) 为a p f 与l c 滤波器串联使用的方式，这种方式的谐波与无功电流 主要由l c 滤波器补偿，而a p f 用来改善l c 滤波器的滤波特性，克服l c 滤波 器易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。该方式中，a p f 不承受交 流电源的基波电压，因而装置的容量小。由于a p f 与l c 滤波器一起仍与负载并 联接入电网，故仍将其归入并联型。 8 第二章有源电力滤波器的结构与原理 2 213 注入电路方式 这是为降低a p f 容量而提出的又一种方式。该方式利用电感电容构成注入回 路，利用电感电容电路的谐振特性，使a p f 只需要承受很小部分的基波电压，从 而极大地减小了a p f 的容量。根据电感电容电路谐振特性的不同，注入电路方式 又分为l c 串联谐振注入方式和l c 并联谐振注入方式，如下图所剥3 】【7 】【8 1 。 ( b ) 图2 5a p f 注入电路方式 ( a ) i _ , 1 2 串联谐振注入方式( b ) l c 并联谐振注入方式 图2 - 5 ( a ) 是l c 串联谐振注入电路方式，其中c 一工在电源电压的基波频率 处发生串联谐振，基波电压绝大部分降落在电容g 上。这样，有源电力滤波器 只需承受其余的很小部分基波电压。电容g 还起到无功补偿的作用。 图2 5 ( b ) 是l c 并联谐振注入电路方式，在有源电力滤波器和电网之间串入 在基波频率处谐振的厶c 回路，基波电压绝大部分加在该谐振电路上，有源电 力滤波器与厶一样只承受其余很小部分的基波电压。该方式还有一个好处是只 有很小的基波电流流过厶一c 及厶。 在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配置 注入电路中几个电感、电容的参数。此外，有源电力滤波器不能补偿基波无功功 率。 2 2 2 串联型有源电力滤波器 串联型a p f 是通过一个匹配变压器将a p f 串联于电源与负载之间，它与并联 型a p f 不同，主要用来补偿可以看作是电压源的谐波源，比如采用电容滤波的整 流电路。针对这种谐波源，串联型a p f 输出补偿电压，以抵消由负载产生的谐波 电压，使供电点的电压波形成为正弦波。串联型a p f 与并联型a p f 可以看作是对 偶关系。串联型a p f 包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式，如下图所示 1 7 t 1 8 o 9 第二章有源电力滤波器的结构与原理 图2 - 6 串联型有源电力滤波器 ( a ) 单独使用( b ) 与l c 滤波器混合使用 图2 - 6 ( a ) 为单独使用的串联型a p f 。由于串联型a p f 损耗较大，各种保护电 路也比较复杂，所以很少单独使用，多数情况下是与l c 滤波器混合使用，如图 2 - 6 ( b 1 所示，这种方式是在负载和l c 滤波器与电网电源之间串入a p f ，谐波基 本上由l c 滤波器补偿，而a p f 可以改善l c 滤波器的滤波性能，可以把a p f 看作是一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波呈现出高阻抗，迫使谐波电 流不流入电网，而流入l c 滤波器。这样，a p f 起到了谐波隔离的作用，可以抑 制电网阻抗对l c 滤波器的影响，避免了电网与l c 滤波器之间发生谐振的可能。 从而改善了l c 滤波器的性能。 2 2 3 串并联型有源电力滤波器 串并联型a p f 是串嗾型a p f 和并联型a p f 的有机组合，能解决电网中发生的 各种各样的电能质量问题，故又称为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e r , u p q c ) 。如下图所示【1 9 】【2 0 1 。 图2 7 统一电能质量调节器 图2 7 中串联部分相当与一个动态电压调节器，可以对电网输出电压的波动 和谐波进行补偿，并联部分负责对负载产生的谐波和无功电流进行补偿，二者通 过直流电容c 耦合。这种结构兼有串、并联型a p f 的功能，既能对电网电压波 1 0 第二章有源电力滤波器的结构与原理 动、跌落、浪涌和谐波进行补偿，又能对负载电流中的谐波与无功分量进行补偿， 从而消除了负载与电网之间的相互干扰和污染。 2 3 有源电力滤波器的主电路 ( a ) 图2 - 8 有源电力滤波器的主电路 ( a ) 电压型主电路( b ) 电流型主电路 根据a p f 直流侧储能元件的不同，a p f 主电路可分为电压型和电流型。图 2 8 ( a ) 为电压型a p f ，它的直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本不变，可 看作电压源，但为保持直流侧电压不变，需对该电压进行控制；图2 - 8 ( b ) 为电流 型a p f ，它的直流侧接有大电感，正常工作时其电流基本不变，可看作电流源， 但为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制。电压型a p f 变流器交 流侧输出电压为p w m 波；电流型a p f 变流器交流侧输出电流为p w m 波。 电压型a p f 损耗小，效率高，初期投资少，并且可以扩展为多电平结构， 故国内外大多采用这种结构。而电流型a p f 不会由于主电路开关器件的直通而 发生短路故障，但电流型a p f 直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大 电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少用之。不过随着超导储能磁体研究 的进展，一旦超导储能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型a p f 的应 用增多。 2 4 畸变电流检测方法和控制方法 有源电力滤波器的两大关键问题，一是畸变电流的检测问题，二是根据检测 出的畸变电流采取什么样的控制方法进行补偿的问题。畸变电流包括谐波电流， 无功电流，在三相电路中还包括负序电流和零序电流。 衡量一个畸变电流检测方法的好坏，要看其准确性，实时性。电网中的畸变 电流是时变的信号，如果检测方法的实时性不够强，就会造成很大的误差。目前 第二章有源电力滤波器的结构与原理 有源电力滤波器的畸变电流检测方法有很多，如瞬时无功功率法、傅立叶快速变 化法、神经元自适应检测法等。本文将在第3 章对有源电力滤波器畸变电流检测 方法进行研究，这里不再赘述。 有源电力滤波器控制方法问题最终可以归结为逆变器开关模式的求取问题， 目前控制方法的研究也很多，包括三角波控制、滞环电流控制、空间矢量p w m 控制、无差拍控制、单周控制、模糊控制、神经网络控制等，这些控制方法各有 其优缺点。本文将在第4 章对有源电力滤波器的控制方法进行研究。 1 2 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 3 1 有源电力滤波器畸变电流检测方法的比较 有源电力滤波器的工作性能很大程度上取决于对非线性负载电流中畸变电 流( 谐波、无功、负序、以及零序电流) 的准确、实时检测。按照补偿目的不同， a p f 有多种补偿方式：可以只补偿谐波电流，可以补偿谐波和无功电流，还可以 补偿包括谐波、无功、负序和零序在内的总畸变电流。目前用于有源电力滤波器 畸变电流检测的方法有很多，各具特点，常见的检测方法主要有以下几种： ( 1 ) 利用模拟带通滤波器或陷波器的检测法【2 l 】。这种检测方法由于滤波器 中心频率固定，当电网频率波动时滤波效果会大大降低。此外，滤波器的中心频 率对元件参数十分敏感，因此很难得到理想的幅频特性和相频特性。另外，该方 法不能同时分离出无功电流和谐波电流。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测法【2 2 1 。其原理是将负载电流分解为与电压波 形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。该方法的缺点 是由于f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功电流需 要对一个周期的电流、电压进行积分运算，再加上其他运算电路，要有几个周期 延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流 实际上是几个周期前的电流值， 其实时性较差。 ( 3 ) 基于频域分析的f f t 检测法【2 3 】。这种方法根据采集到的一个电源周期 的电流值进行傅立叶分析，最终得到所需的谐波和无功电流。此方法要求被补偿 的波形是周期变化的，否则会带来较大误差。该方法需进行两次f f t 变化，计算 量大，瞬时性较差，并且电压畸变将带来较大的非同步采样误差，特别是对高次 谐波的检测精度影响较大。 ， ( 4 ) 基于瞬时无功功率的检测法 2 4 1 【2 弱。该方法是目前a p f 中应用最多的一 种检测方法。最早由日本学者h a k a g i 于1 9 8 4 年提出的，经过不断改进，现包括 p q 法、f 。一屯法以及d q 法等。其中p q 法适合于电网电压对称且无畸变情 况下谐波电流的检测；一e 法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称 时也同样有效；而基于同步旋转坐标变化的d q 法可在电网电压不对称、畸变 情况下精确地检测出谐波电流，其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分 量( 基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量) 的检测电路比较简单。 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 ( 5 ) 其他检测法【2 6 】【2 7 1 。主要是指随着自动化技术和人工智能技术发展起来 的各种优化算法和预测算法。如小波变换法、神经网络法、自适应预测技术等。 这些智能算法的引入使得计算精度较高，响应较好，但是实现困难。 近年来人工神经网络发展迅速，且应用的领域日益广泛，在有源电力滤波器 中基于神经网络的检测方法和控制方法也得到了研究和应用。人工神经元是神经 网络的基础，它具有自适应和自学习能力，且结构简单，输入输出关系明了。 a d a l i n e 是自适应线性神经元的简称，本文以a d a l i n e 为基础，把自适应噪声对消 技术应用到有源电力滤波器畸变电流检测中，研究了基于a d a l i n e 的单相电路畸 变电流检测法【2 8 3 3 1 。在此基础上进一步研究了一种基于m a d a l i n e 的三相电路畸变 电流检测法【3 4 1 1 3 5 1 ，此时的m a d a l i n e 是一种具有三个独立a d a l i n e 神经元的特殊神 经网络。最后分析了基于神经元的畸变电流检测法的优点和局限性。 3 2 自适应线性神经元及其l m s 算法 1 9 6 0 年，w i d r o w 和h o f f 提出一种自适应线性单元模型，简称a d a l i n e ( a d a p t i v el i n e a re l e m e n t ) 模型，这是一种用l m s 算法操作的自适应线性神经 元模型。自适应线性神经网络由多个自适应线性神经元组成，也称为m a d a l i n e ， 本文中用到的m a d a l i n e 为具有三个a d a l i n e 组成的单层网络。 3 2 1 自适应线性神经元模型 玉 五 i ； 毛 图3 - 1 自适应线性神经元模型 自适应线性神经元( a d a l i n e ) 模型如图3 1 所示。图中，x lo = 1 ，以) 表 示神经元的输入信号，弼( f 1 9 * j - 9 功为对应输入信号的权值，y 表示神经元的 输出信号，d 为神经元的期望输出信号。神经元的激活函数厂( ) 取线性函数。如 果用向量表示，则 输入向量 x ( t ) = 五( f ) x 2 ( t ) ( f ) r ( 3 1 ) 1 4 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 权值向量 w o ) = 【叫p ) w 2 ( f ) p ) 】7 ( 3 - 2 ) 神经元的输出信号 y ( t ) = x r ( f ) w ( f ) = w7 ( f ) x ( f ) ( 3 3 ) 误差信号占( f ) 为 s ( f ) = d ( t ) - y ( t ) = d ( t ) - w 7 ( f ) x ( f ) ( 3 - 4 ) 该误差的平方为 。 占2 ( f ) = d 2 u ) 一2 d ( t ) x r ( f ) w ( f ) + w r ( f ) x ( f ) x r ( f ) w ( f ) ( 3 - 5 ) e 2 ( t ) 的数学期望，即均方误差，o ) 为 j ( t ) = 研占2 ( f ) 】= e d 2 ( f ) 卜2 研d ( t ) x r ( f ) 】w ( f ) + w r ( f ) 研x ( f ) ，( t ) 1 w ( t ) ( 3 6 ) 若神经元的输入信号和期望输出之间的互相关向量定义为 p 耐= 研d ( f ) x p ) 】= 研j ( f h ( f ) d ( t ) x 20 ) d ( ，) 毛( f ) 】r ( 3 7 ) 神经元输入信号的自相关矩阵定义为 r 。 五五五恐 叫x ( f ) x r m f ? 五毛 而毛 毛五吃 ( 3 - 8 ) 则式( 3 6 ) 可以写为 - 厂( f ) = e 1 6 2o ) = e d 2 ( f ) 卜2 p 二w ( f ) + w r ( f ) r 。w ( f ) ( 3 9 ) 由上式可以看出，均方误差j ( t ) ，是权值向量w ( f ) 的二次函数，根据二次函 数的特点，它表示一个凹的超抛物曲面( 即“碗状形”曲面) ，具有唯一的最小 值，并且可用最速下降法来求得。 最速下降法是利用超抛物线形曲面的梯度来搜寻它的最小值。在超抛物线形 曲面上任一点的梯度可以将式( 3 9 ) 对权向量微分来表示，梯度向量是 w=oe62(t)，警警=-20w, 旷2 r 。w 协 挑饥l 1 ”“ 将梯度置于零，可得最佳权值向量 w o o ) = r = ：p 对 ( 3 1 1 ) 将式( 3 1 1 ) 代入式( 3 9 ) ，可以得到最小均方差 e e 2 ( f ) 墒= 研d 2 ( t ，。材tw o ( f ) ( 3 1 2 ) 最速下降法使得在权值向量上的每一步变化都正比于均方误差函数的梯度 向量的负值 w + 1 ) = w ( 七) + u - v j ( k ) 】 ( 3 1 3 ) 式( 3 1 3 ) 意味着，在权值向量自适应调整的任意时刻，均方误差总是沿着 1 5 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 均方误差曲面的最陡的方向下降。由于均方误差曲面具有最小值，采用这种下降 策略在值选择适当时，可使均方误差趋于最小值，而不论它们的初值如何选取。 式( 3 1 3 ) 中的z 一般称为收敛因子，它控制着算法的稳定性和自适应速率。 3 2 2l m s 算法 最陡下降法不需要知道误差特性曲线的先验知识；其算法就能收敛到最佳 解，且与起始条件无关。但是最陡下降算法的主要限制是它需要准确测得每次迭 代的梯度矢量，这妨碍了它的应用。为了减小计算复杂度和缩短自适应收敛时间， 美国斯坦福大学的w i & o w 和h o f f 提出了l m s 算法。 l m s 算法是用均方误差的梯度估计值订 ) 来代替其精确值v j ( k ) 。图3 - 1 的自适应线性神经元的输出误差占( f ) 由式( 3 4 ) 给出。将单一的在k 时刻的输出 误差6 ( k ) 值平方并对其进行微分，可以得到一个很粗糙的梯度估计 咖= 降- a e 2 ( k ) 警1 攀o w n 1l 毗j 功 掣o w , 等筹j j - 勘m ， 协 l鹏叱j 用梯度估计值9 j ( 七) 代替其精确值v j ( k ) ，并将式( 3 1 4 ) 代入式( 3 1 3 ) 得到l m s 算法 w + 1 ) = w ( k ) + 2 p z ( k ) x ( k ) ( 3 1 5 ) 因为随着每一个数据样本( 每一时刻的输入信号) 都可以得到一个新的梯度， 这样随着每一个样本的到达就实现了自适应迭代。 值得注意的是，对给定的权向量w ( f ) ，有 e v j ( t ) 】- e - 2 6 ( t ) x ( t ) = - 2 【p 对- r 。w ( f ) 】 ( 3 - 16 ) 比较式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 6 ) 可得 e v j ( t ) 】= v j ( t ) ( 3 - 1 7 ) 即对给定的权向量w ( f ) ，梯度估计9 j ( f ) 的数学期望等于其真值v j ( t ) 。因 此，式( 3 1 4 ) 的梯度估计是无偏的。l m s 算法与最陡下降法有相同的精确数 学表达形式。为了使l m s 算法收敛于均值，收敛因子必须满足： o 三 ( 3 1 8 ) “ 上式中是i 匕的最大特征值。 1 6 第三章有源电力滤波器畸变电流检测方法的研究 3 3 基于a d a l i n e 的单相电路畸变电流检测及其仿真 3 3 1 自适应噪声对消原理 自适应噪声对消技术作为一种把信号和噪声分离的信号处理方法，在生物医 学和通讯等领域得到了成功广泛的应用。它能通过不断的自我学习和自我调整使 系统处于最佳状态，其基本原理如图3 2 所示。 图3 - 2 白适应噪声对消原理 由图3 - 2 可以看出，系统有两个输入：原始输入s + 和参考输入。原始 输入中除了信号s 外还有噪声n o ，s 和是不相关的；参考输入是噪声玛，啊和 s 是不相关的，但与是相关的。首先经过自适应滤波器处理，系统经过自适 应算法的调整，使自适应滤波器的输出信号y 逼近，经过相减抵消原始输入中 的成份，以达到抵消干扰的目的，并时刻将系统的输出( 误差信号g ) 反馈给 滤波器，以修正滤波器的参数使其工作于最佳状态。可以证明，此时系统的输出 z 是信号j 的最小均方估计。