（控制理论与控制工程专业论文）并联型有源电力滤波器的电流控制.pdf

中文摘要 当今，随着现代化工业技术，特别是现代电力变换技术产品的大量应用，电 网中的谐波含量日益增高，功率因数下降，污染问题越来越严重。电网谐波不仅 使电能质量降低，而且产生了电磁兼容性问题。电网中的谐波严重威胁着电网的 安全运行和电力用户的用电安全，谐波的治理变得空前重要。有源电力滤波器作 为治理谐波污染和改善功率因数有效的方式之一，对提高其谐波补偿效果的研究 变得尤为重要。本课题针对目前应用最广泛的三相并联型有源电力滤波器，重点 对如何提高其谐波补偿性能作了深入研究。 7 本文建立了三相并联型有源电力滤波器在时域中的电路方程。在此基础上分 析了三相电流之间的相互联系，指出了传统的三相滞环控制方式由于没有考虑三 相间的关联，存在开关频率波动大、补偿效果不理想等缺点。为了解决这些问题， 使用了空间矢量滞环p w m 逆变方式，并提出了一种新的参考电压判断方式。并 采用双环空间矢量滞环方式加快响应速度。最后通过m a t l a b s i m u l i n k 和s 函数 对系统进行仿真分析，仿真结果表明谐波补偿效果较传统三相滞环控制法有显著 提升，证明了上述方法的正确性。 为了进一步改善有源滤波器的谐波补偿效果，将原有的三相时域电路方程变 换到d p 旋转坐标系下，通过分析选取适当的电流控制方法。从d p 轴上的方程分 析，发现了d p 轴上的电流之间的存在耦合关系，对其解耦并在d p 轴上对电流进 行p i 控制以提高谐波补偿效果。仿真表明，p i 控制显著的提高了并联型有源电 力滤波器的谐波补偿效果。在此基础上，本文又引入了基于内模原理的重复控制， 针对本课题的系统模型设计了重复控制器，并将其并联在p i 控制器上共同进行 电流控制。通过仿真结果证明，谐波补偿效果得到了进一步提高。可见，通过将 p i 、重复控制方式应用到谐波电流控制中，提升了系统的谐波补偿性能。 最后，改进并完成了以t i 公司数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为中央 处理器的并联电压型有源电力滤波装置。搭建了包括信号检测及调理电路、电源 供电电路及i p m 驱动电路等控制电路板和主电路，改进了过零检测电路，解决 了系统的相位不准确问题。编写了谐波检测及补偿算法的c 语言程序，并对该 并联电压型有源电力滤波器装置进行小功率实验，实验结果表明，该样机具有准 确补偿的性能。 关键词：有源电力滤波器空间矢量滞环p i 控制重复控制 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h em o d e r n i z a t i o no fi n d u s t r y , e s p e c i a l l yl a r g es c a l ea p p l i c a t i o n o fm o d e mp o w e rc o n v e r t e re q u i p m e n t ，t h ec o n t e n to fh a r m o n i cc u r r e n ti nt h e p o w e rn e t w o r ki n c r e a s e sg r a d u a l l y , d e c r e a s ei np o w e rf a c t o ra n de x a c e r b a t et h e p o w e rn e t w o r k h a r m o n i cc u r r e n tc a u s e sn o to n l yad e c r e a s ei np o w e rq u a l i t y , b u t a l s ot h ee m cp r o b l e m w h i l et h ee x i s t e n c eo fh a r m o n i cc u r r e n tt h r e a t e n st h es a f e t y o fb o t hp o w e rn e t w o r ka n du s e r s ，c o n t r o lt h eh a r m o n i cc u r r e n tb e c o m e sv i t a l l y i m p o r t a n t a p fi s o n eo ft h em o s te f f e c t i c ew a yt oc o n t r o lh o m o n i cc u r r e n t m e a n w h i l e ，r e s e a r c ho nt h ee f f e c to fi m p r o v i n gh a r m o n i cw a v ec o m p e n s a t i o nt h i t i s o u tt ob ee s p e c i a l l yi m p o r t a n t o u rp r o j e c tf o c u s e do nt h em o s tw i d l yu s e dt h r e e p h a s e ss h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dm a d ead e e pi n v e s t i g a t i o ni n t ot h em e c h a n i s mt o i m p r o v ei t sh a m o n i cw a v ec o m p e n s a t i o n + t h i sa r t i c l eb u i l tu pat e m p o r a lm a t h e m a t i cm o d e lf o rt h r e ep h a s e ss h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e r b a s e do nt h i sm o d e l ，w ea n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e ep h a s e s 、c u r r e n t ，a n dn o t i c e ds e v e r a ld r a w b a c k si nc o n v e n t i o n a lt h r e ep h a s eh y s t e r e s t i cc o n t r o l m o d e l ，s u c ha sl a r g ev a r i a t i o ni ns w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dp o o rc o n p e n s a t i o n , d u et oa n e g l e c ti n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e ep h a s e s t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，w e p r o p o s e dan o v e lr e f e r e n c ev o l t a g ej u d g e m e n tr u l eb yp w m ，a n df u r t h e rr e c r u i ta d o u b l ec y c l et oi n c r e a s er e s p o n s e s i m u l i n kr e s u l to ft h es y s t e mb ym a t l a b s i m u l i n k a n dsf u n c t i o ni n d i c a t e dh a r m o n i cw a v ec o m p e n s a t i o nw a ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h a nc o n v e n t i o n a lt h r e ep h a s e sc o n t r o l ，w h i c hf u r t h e rt e s t i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h e a b o v em o d e l t of u r t h e ri m p r o v et h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to fa c t i v ep o w e rf i l t e r , w et r a n s f o r m t h eo r i g i n a lt h r e ep h a s e st e m p o r a lm a t h e m a t i cm o d e li n t od pr o t a t i n gr e f e r e n c ef r a m e ， t os e l e c ta p p r o p r i a t em e t h o df o rc u r r e n tc o n t r o lb ym o d e la n a l y s i s b ym o d e la n a l y s i s o na pa x i s ，w ef o u n dc o u p l i n gb e t w e e nc u r r e n t so nd pa x i s w et h e nu n c o u p l e dt h e c u r r e n t sa n da d dp ic o n t r o lo nd pa x i st oi m p r o v et h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t s i m u l i n k s h o w e dp ic o n t r o ls i g n i f i c a n t l ye n h a n c e dt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to ft h r e ep h a s e s s h u n ta c r i v ep o w e rf i l t e r t of u r t h e ri m p r o v et h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t ，w ei n t r o d u c e d r e p e t i t i v ec o n t r o lb a s e do ni n t e r n a lm o l dp r i n c i p l e ，d e s i g n e dr e p e t i t i v ec o n t r o l l e r s p e c i f i ct oo u rs y s t e mm o d e l ，a n dc o n n e c ti tp a r a l l e l yt ot h ep ic o n t r o l l e rt oa c h i e v e c u r r e n tc o n t r o ls i m u l t a n e o u s l y s i m u l i n kr e s u l td e m o n s t r a t e sf u r t h e ri m p r o v e m e n to n t h eh a r m o n i cw a v ec o m p e n s a t i o ne f f e c t t h u s ，b y a p p r o p r i a t ep ia n dr e p e t i t i v e c o n t r o lo ft h ec u r r e n ti nc i r c u i t ，h a r m o n i cw a v ec o m p e n s a t i o ni sw e l li m p r o v e d f i n a l l y , at h r e ep h a s es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rw a sd e s i g n e da n db u i l tw i t ha d s pt m s 3 2 0 f 2 812p r o c e s s o rf r o mt ic o l t d z e r o c r o s s i n gd e t e c t i n gc i r c u i tw a s i m p r o v e da n dp h a s el a gp r o b l e mw a ss o l v e d t h ec p r o g r a mf o rm ew h o l eh a r m o n i c w a v ed e t e c t i o na n d c o m p e n s a t i o na l g o r i t h mp r o c e s sw a sd e v e l o p e d k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lb a s e do ns p a c e v e c t o r ，p ic o n t r o l ，r e p e t i t i v ec 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，也不包含为获得苤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：工踏 签字日期： u 年6 月砷日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎一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：王叫导师签名： 签字日期：工呷年白月牛日 v 易 啄嚷司 签字日期：力夕年月 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有源电力滤波器研究现状 1 1 1 电网污染及其危害 随着现代化工业技术，特别是现代电力变换技术产品的大量应用，电网中的 无功功率和谐波含量日益增高，污染问题越来越严重【l 】 2 1 。 谐波的危害主要体现在以下几个方面【3 】： 1 ) 使电网中的元件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热 增加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动转矩；另外降低了发电、输电 及用电设备的效率，大量的3 次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发生火 灾。 2 ) 谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变， 影响电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化，寿命缩 短，以致损坏。 3 ) 容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联 谐振，造成过压或过流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。据统计，由于 谐波问题引起的电容故障占电容器总故障的7 1 8 3 。 4 ) 导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测i t 仪表计量不准，影响 计量精度。 5 ) 对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 无功功率对电网的影响主要表现在以下三个方面【4 】【5 】： 1 ) 无功功率的增加，导致电流增大和供电设备视在功率增大从而使发电机、 变压器及其他电气设备容量和导线容量增加，同时，电力用户的启动及控制设备、 测量仪器的尺寸和规格也要加大。 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及 线路损耗增加。 3 ) 无功功率的变化会引起电网电压波动，使一些用电设备无法正常工作， 降低电能质量。 第一章绪论 1 1 2 谐波抑制和无功功率补偿 解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是 装设谐波补偿装置来补偿谐波，对于各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电 子装置本身进行改造，使其不产生谐波，其功率因数可近似为1 ，这当然只适用 于电力电子装置类型的谐波源。 合理的无功功率补偿方法是在需要消耗无功功率的地方产生补偿功率，即无 功补偿。常用的无功补偿装置主要有以下几种，同步调相机，并联电容器，柔性 交流输电技术( f a c t s ：即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性及 增大电力传输能力的交流输电系统) ，f a c t s 主要包括：静止无功补偿器( s v c ) ， 静止无功发生器( s v g ) ，晶闸管控制的串联电容器( t c s c ) 和静止同步串联补 偿器( s s s c ) ，前两种是并联补偿装置，后两种是串联补偿装置。统一潮流控制 器( u p f c ) 。 谐波抑制和无功功率补偿两者之间的联系密切。产生谐波的装置大都是消耗 基波无功功率的装置，抑制谐波的装置通常也是补偿无功的装置，因此有必要将 谐波抑制与无功补偿结合起来研究，在抑制谐波的同时提高功率因数。 不论是谐波还是无功功率，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐 波是工频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同。正是由于这种物理本质的 同一性，可以对电力系统中的谐波和无功电流进行综合补偿。有源电力滤波器就 是一种新型的谐波和无功电流综合补偿装置。随着电力电子技术发展，功率开关 器件的容量和开关频率越来越高，应用有源电力滤波器进行谐波和无功电流综合 补偿将是今后治理电网污染的主要发展趋势。 1 1 3 有源电力滤波器的原理及分类 有源电力滤波器的基本工作原理：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令 电流运算单元计算出补偿电流的指令电流信号，该信号经补偿电流发生电路放 大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最 终得到期望的电源电i j f c i 6 | 。 有源电力滤波器可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。有源直流 滤波器主要用来消除h v d c 系统中换流器直流侧的电压、电流谐波；而有源交 流滤波器( 即通常说的a p f ) ，则是应用于交流电力系统各个电压等级的谐波补 偿。对a p f 一般按如下几种方式的类： 1 ) 根据接入电网的方式分类 根据接入电网的方式分类，有源电力滤波器可分为并联型a p f 、串联型a p f 、 第一章绪论 串一并联型a p f 以及混合型a p f 。并联型a p f 主要适用于电流型负载的谐波、 无功和负序电流的综合补偿；串联型a p f 主要消除电压型谐波源对系统的影响。 与并联型a p f 相比，由于串联型a p f 中流过的是正常负载电流，因此损耗较大。 此外，串联型a p f 的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型a p f 复杂，因 此，它的使用范围受到很大的限制。近几年，出现一种将并联型和串联型有源电 力滤波器结合使用的新型有源电力滤波器，称之为统一电能质量调节器( u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) ，可兼有并联型和串联型有源电力滤波器的功能。 2 ) 根据主电路贮能元件的不同分类 有源电力滤波器可分为电压型和电流型两种。电压型有源电力滤波器的主电 路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变；电流型有源电力滤 波器的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，但由于 电流型主电路直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损 耗，因此目前较少使用。 3 ) 根据主电路所使用p w m 变流器的数量分类 可分为单个主电路有源电力滤波器和多重化主电路有源电力滤波器，后者可 以提高有源电力滤波器的容量，降低单个器件的工作频率。 4 ) 根据接入系统的不同分类 可分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤波器，其中后者又可分为三相 三线制有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器。 1 1 4 有源电力滤波器的发展趋势 从目前的研究现状和应用水平来看，a p f 的发展趋势主要有以下几个方面： 1 ) 增大器件容量、提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补偿效果。 此外，应用多重化技术也能提高器件的等效开关频率，实现对高次谐波的补偿。 2 ) 降低价格，提高性价比。当前大功率滤波装置从经济角度考虑，可采用 o f 与无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减少a p f 的容量达到降低 成本、提高效率的目的；从长远来看，大容量变流器应用于变频、调速系统使其 价格必然下降。同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广 泛应用，混合型a p f 系统低成本的优势将逐渐消失，而串、并联a p f 由于功能 强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源电力滤波装置。 3 ) 降低损耗，提高系统的可靠性。包括采用合理的开关频率，选择适当的吸 收回路以提高装置的使用效率：采用过流、过压保护技术、故障诊断技术以提高 系统可靠性等方面都是有待进一步研究的方向。 电力系统的谐波污染问题日益严重使其对a p f 的需求不断增加，随着我国 第一章绪论 对a p f 研究的不断深入和对电能质量治理工作的持续开展，利用a p f 进行电能 质量改善将会有巨大的市场应用潜力，在补偿谐波、中线电流、不平衡电流和功 率因数校正等方面，a p f 技术必将得到更加广泛的应用。 1 2 本课题研究的主要内容 1 本论文论述了电网中谐波和无功功率的起因、危害和治理措施。指出有 源电力滤波器是同时完成谐波治理和无功功率补偿的有效方式，势必会有广泛的 应用前景。简述了有源电力滤波器的研究现状，详细的介绍了几种常用的谐波电 流检测方式、电流控制方式和直流侧电压控制方法。 2 建立了三相并联型有源电力滤波器在a b c 坐标上的电路方程，针对普通 滞环控制方式忽略a b c 三相关联、补偿效果一般等不足之处，采用了一种基于电 压空间矢量滞环方法的p w m 逆变控制新方式，该方法将原来的a b c 空间中的三 相电路变换到q b 两相静止坐标系下，综合考虑三相之间的关系从而选择最优 的p w m 逆变开关逻辑，提高谐波补偿效果和直流侧电压利用率。在普通的空间矢 量滞环的基础上，为了提高响应速度，又应用了双环空间矢量滞环的方式，在原 来的基础上设立一个外环，使原系统在电流有较大变动的情况下，能迅速的减小 电流误差。最后，通过m a t l a b 中的s 函数编写了控制程序，并在s i m u l i n k 中进 行仿真分析，结果证明双环空间矢量滞环控制法比普通滞环法的谐波补偿效果更 完美。 3 将a b c 坐标下三相有源电力滤波器电路方程变换到d p 旋转坐标系下，对 d 轴和p 轴的电流进行解耦，并使用p i 控制器提升谐波补偿性能。在p i 控制的 基础上又加入了基于内模的重复控制，针对本课题的系统特性设计了重复控制 器，和原来的p i 控制器并联使用。通过m a f l a b s i m u l i n k 仿真验证，p i 控制能是 提升系统的谐波控制效果，在加入了重复控制器后，效果又有了进一步的改善。 总的谐波畸变率下降的同时，补偿效果的稳定性也有显著的提升。 4 以d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为主控制芯片，改进并完成了一套三相有源电力 滤波器的实验系统。编写c 语言控制程序，并改进了过零检测方式，实验结果 表明，谐波补偿效果较原先有了极大的提高。 - 4 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 第二章有源电力滤波器的关键技术 2 1 有源电力滤波器谐波检测方法 补偿指令的获取是有源滤波控制的重要环节，它的目的是将谐波和无功电流 或者正序、负序以及零序等分量进行分离。谐波检测主要有如下几种方法f 8 】f 9 】0 0 ： 2 1 1 基于瞬时无功功率的检测方法 赤木泰文最初提出的瞬时无功功率理论亦称阳理论，是以瞬时实功率p 和 瞬时虚功率q 的定义为基础，主要包括p - q 法、i ，一屯法。p - q 法适用于电网电 压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i 。一i 法不仅在电网电压畸变时适用，o 在电网电压不对称时也同样有效；目前，基于瞬时无功理论，又推出了其它一系 列算法，如基于同步旋转坐标变化的d q 法等，该方法可以在电网电压不对称、 畸变情况下检测出谐波电流。 1 ) p q 检测法 p q 谐波检测的原理如图1 1 所示。该谐波检测方法根据瞬时无功功率理论 定义，计算出三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 再经过低通滤波器( l p f ) 后，得到瞬时有功p 及瞬时无功q 的直流分量p 、g 。当电压无畸变时，p 为基 波有功电流与电压作用所产生，q 为基波无功电流与电压作用所产生。于是，经 过矩阵的逆变换，即可由p 、q 计算出三相电流的基波分量0 、0 、0 。 图2 - 1 p q 谐波检测法 其中= 厨 ：焉左二苫，2 ，= 臣羔 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 2 ) i p i q 检测法 如图2 2 所示，在i p i q 检测法中，使用了与a 相电网电压吃同相位的正弦 信号s i nt o t 和对应的余弦信号c o s o ) t ，它们由一个p l l 和一个正余弦信号发生电 ： 路产生。根据瞬时无功功率理论可以计算出瞬时有功电流p 和瞬时无功电流q ， 提取其中直流分量，、后，再经反变换即可计算出基波有功分量a t 、1 b y 、， 进而计算出谐波分量2 一、l b h 、2 c h 。当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开 图2 4 中计算q 的通道即可。 图2 2 其岷= 莎 ：) 篇二豺 一谐波检测法 2 1 2 基于频率分析的快速傅氏变换检测法 l c h 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，包含基波无功电流分量和谐波，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，故不适合用于 频率变化负载的补偿。而且，它仅仅区分有功电流和广义无功电流，却无法将基 波无功电流分量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。 2 1 3 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测方法 本方法建立在傅里叶分析的基础上，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f f t 将检测到的一个周期的谐波信号进行分解， 1 l 淼 一 一 研 蚴 口 一 = c 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 得到各次谐波的幅值和相位系数，将要滤除的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶 变化得到所需的误差信号，再将该误差信号进行f f t 反变换即可得到补偿信号。 该方法的优点是可以滤去特定次的谐波，通过附加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 无功电流，此方法受电网的影响较小。该方法的缺点是：需要进行f f t 变换和 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 2 2 有源电力滤波器控制技术 并联型有源电力滤波器的主电路采用电压源型p w m 逆变器，其输出电流控 制技术是关系系统性能的关键技术之一。由于有源电力滤波器中所需产生的补偿 电流主要是各高次谐波组成的畸变电流，所以有源电力滤波器及其电流控制器必 须能够跟踪变化很陡，即具有很高d i d t 值的补偿畸变电流信号。这对有源电力 滤波器及其电流控制器的动态性能提出了特殊的要求。 有源滤波器的控制方法可以概括为两大类】【眩】：一是传统的控制方法，如 滞环电流控制，空间矢量控制，单周控制等。另一种是新型智能控制方法，包括 自适应控制，迭代学习控制方法，预测控制等【嵋】【1 4 】。 2 2 1 三角载波控制方法【1 5 】 三角载波线性控制是最简单的一种电流控制方法。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。采用三角载 波线性控制法的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，有利于简化器件的选 择和器件保护的设计，而且动态响应好，实现电路简单，对高开关频率的系统有 较好的控制特点。缺点是逆变器始终处于高频工作状态，输出波形中含有与三角 载波同频率的高频畸变分量，开关损耗大，在大功率应用中受到限制。 2 2 - 2 滞环控制方法【1 6 】 滞环比较控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，它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，从而使逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值。其基本原理是以补偿 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 电流信号的参考值为基准，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。 滞环控制的特点是：两态调制，同时又具有脉宽和脉频调制的特点：滞环电 流控制定位于电流的暂态控制，算法简单。动态相应快，鲁棒性好。但是其开关 频率不固定，高频纹波的幅度也相对大些。此外，滞环电流控制输出频谱范围宽， 滤波较困难。当带宽固定时，调制频率随补偿电流变化而变化，容易引起较大的 脉动电流和开关噪声。 2 2 3 空间矢量滞环控制方法 空间矢量控制是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种控制策略，开始 时其使用范围仅仅是局限于电机应用场合但现在它已经发展成一种能够普遍应 用的p w m 技术，它将三相整流器作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最 接近三个开关矢量组合的作用时间是一个控制周期内开关矢量平均效果与参考 矢量相等，其基本思想是在空间矢量中用有限的静止矢量合成和跟踪调制波的空 间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息，此方法在电压利用率，电流 谐波和过调制等方面具有优势，而对0 矢量的合理控制可以明显降低逆变器的开 关损耗。为了解决传统的电压空间矢量控制算法复杂，运算时间长，占用了大量的 系统控制时间等不足之处，并针对有源滤波器控制的特点，常将空间矢量和滞环 控制结合起来使用。通过大量的实验和仿真证明，这种新控制方式的快速性和谐 波补偿效果均有很好的表现。 2 2 4 重复控制方法 重复控制是基于内模原理的一种控制思想。内模原理的本质是把系统外部信 号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。该原理指出：若要求 一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力( 即稳态时误差 趋于零) ，并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路内部必须 包含一个描述外部输入信号( 含指令信号和扰动信号) 动力学特性的数学模型。 重复控制要求扰动信号是时间的周期函数，但系统的实际运行是周期波动的，直接 应用重复控制的效果并不理想。实际中，常将重复控和p i 控制等其他控制方法 结合使用，来达到提高谐波补偿效果的目的。 8 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 2 2 5 预测控制方法 预测控制作为一种新型的计算机控制算法，它的算法种类多，表现形式多种多 样，但都具有三大本质特征：预测模型、滚动优化和反馈校正。其基本原理是：在当 前时刻，基于过程的动态模型预测未来一定时域每个采样周期的过程输出，这些输 出作为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数。按照基于反馈校正的某个优化 目标函数计算当前及未来一定时域的控制量大小。为了防止控制量剧烈变化及超 调，一般在优化目标函数中都考虑使未来输出以一定轨迹最优地去跟踪期望设定 值。计算出当前控制量后输出给过程实施控制，至下一时刻，根据新测量数据重新 按上述步骤计算控制量。所以预测控制是不断滚动地局部优化，而非全局优化。 通过预测控制法，不需要大样本就可建立有源滤波器的学习模型，不必知道系统 准确的动态模型的，简单，快速。 2 2 6 迭代学习控制方法 迭代自学习控制的基本思想是：基于多次重复训练，只要能保证训练过程的 系统不变性，控制作用的确定可以在模型不确定的情况下获得有规律的原则，使系 统的实际输出逼近期望输出。在迭代学习控制系统中，控制作用的学习是通过对 以往控制经验( 控制作用与误差的加权和) 的记忆实现的。算法的收敛性依赖于加 权因子的确定。这种学习系统的核心是系统不变性的假设以及基于记忆单元的间 断的重复训练过程。它的学习控制规律极为简单，可实现训练间隙的离线计算，因 而不但有较好的实时性，而且对干扰和系统模型的变化具有一定的鲁棒性。将迭 代学习控制方法应用于有源电力滤波器可减少实际装置的测量信号数目，大大简 化控制系统的复杂性，与传统的p i d 控制相比，迭代自学习控制原理简单，实现方便， 具有更好的跟踪谐波和抗干扰能力。 2 2 7 自适应控制方法 自适应控制系统可以分为模型参考自适应控制系统和自校正控制系统。模型 参考自适应控制系统中的参考模型的输出反映了设计者对被控对象的输出的要 求，调节机构根据某种设计准则来调节可调控制器的参数，使参考模型的输出和对 象的输出之误差趋于零。参数估计器利用对象的输入输出量的测量值所提供的信 息，迭代地估计对象参数，设计计算器根据选定的设计准则和获得的参数估计值， 来计算控制器参数，从而获得有效的控制作用。采用自适应控制方法调节有源滤 波器的p i 控制器的参数，让它根据电网的参数自动调节，能达到提高有源电力 滤波器谐波补偿的目的。 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 2 3 直流侧电压控制技术 为使有源电力滤波器正常工作，达到所要求的补偿效果，必须控制直流侧电 容电压维持足够高并且稳定，以保证有源电力滤波器在没有输出补偿电流时各桥 臂二极管的反向偏置，并能在进行动态补偿的任何瞬间根据控制要求输出所需的 补偿电流。但是由于补偿电流的时变性和逆变器的自身损耗，如不采取适当的控 制措施，直流侧电容电压将产生衰减或有很大的波动，这都会使逆变器不能正常 运行或补偿效果不理想。所以，直流侧电压的稳定是有源电力滤波器正常运行的 必要保证【1 7 】【1 8 】【1 9 】。 2 3 1 直流侧电压波动所造成的负面影响 根据无源两端口网络理论，并忽略逆变器的开关损耗，可得到三相逆变器的 理想模型，如图2 3 所示，其中u 。为直流侧瞬时电压。 三相逆变器 图2 3 三相逆变器理想模型 为分析方便，现定义直流侧电压的最大纹波比为 r u d c m a x - - u d c - 一 u d 。( 2 1 ) 式中：u d c r n 积直流侧电压波动的最大值； u d e 直流侧电压的期望值。 根据能量守恒定律，三相逆变器两侧瞬时功率应相等，即 p a r r ( t ) = p 。( t ) 也就是 u d c ( t ) c 掣翮 对上式积分，可得 c rq + r ) u 釜：j 1 i p a p f ( t ) i d tq + r ) u z = l。( t ) l d t 而有源逆变器的平均功率为 p a v f ( t ) = 3 k i 。h i c ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章有源电力滤波器的工作原理及理论基础 式( 2 5 ) 中：i s h = 4 i ；- i s 。；i c = i ：一i 己 其中l s h 为电网谐波电流，i s 为总的电流，i s l 为电网基波电流；i c 为有源逆变器 所发出的补偿谐波电流，i 为负载侧总的电流，i 。为负载侧基波电流，k 为有源逆 变器参考信号的比例控制系数。 又有 i i p a i , f ( t ) i d t = p a p f ( t ) t s ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 中，t s 为系统采样周期。 综合式( 2 4 ) ，( 2 5 ) ，( 2 6 ) 可得 c rq + r ) u 墨= 3 砜i c b ( 2 - 7 ) 由式( 2 1 ) 可得电压波动值 a u d 。= u d 一一u ：。= r u ：。 ( 2 - 8 ) 由式( 2 7 ) ，( 2 8 ) 可得 c u 孟+ c u ：。u d c 一3 k - i h i c t s = o ( 2 - 9 ) 考虑极值情况，有 u 出= t l 【1 + r ) ( 2 - 1 0 ) 由式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 可得 血出= 迎监芝半竖堕协 由式( 2 1 1 ) 可知，当直流侧电压波动的幅值较大时，电网中残余谐波电流会随 着发生改变，从而直接影响到有源滤波器的补偿效果。 2 3 2 直流侧电压控制方法 直流侧电压的控制方式可分为两种，一种是通过一个二极管整流器给直流侧 电容提供电源，另一种方法是通过适当的控制，使直流侧电容直接从电力有源滤 波器交流侧获取能量并维持其电压为给定值。第一种方法增加了装置的复杂性， 较少被应用。而第二种方法的应用比较广泛。 p i 控制是最为常用的控制算法，文献【2 0 】与和文献 2 1 1 分别将自适应预测的 无差拍控制和模糊控制应用直流侧电压的控制，仿真结果表明，新的控制方式的 响应速度更快、超调更小、稳定性更好。 第三章基于电压空间矢量的滞环电流控制方法 第三章基于电压空间矢量的滞环电流控制方法 本章建立了三相并联型有源电力滤波器的电路方程，通过对方程的分析得出 三相间存在耦合的结论，进而采用了双环空间矢量滞环控制方式来优化开关逻 辑，改善补偿效果。最后在m a t l a s i m u l i n k 仿真环境下搭建三相并联型有源电力滤 波器的仿真模型，通过s 函数编程实现双环空间矢量滞环p w m 逆变方式，仿真验 证双环空间矢量滞环相比于传统的滞环控制方式有更好的谐波补偿性能。 3 1 并联型有源电力滤波器电路结构和数学模型 3 1 1 并联型有源电力滤波器电路结构 本文的研究对象是三相三线制并联型有源电力滤波器，其电路结构如 u a l u b l u c l 图3 - 1 三相三线制并联型有源电力滤波器电路结构 图中的u 。l ，u b l ，u c l 为三相电源电压，u a i ，u b i * u 。i 为三相逆变器输出的电 压，u d c 为直流侧电压。l a l ，1 b l ，l c l 为三相电源侧电流，1 a i ，1 b i ，l 。i 为逆变器输出 的三相电流，i a 2 ，i b 2 ，i 。2 为负载侧三相电流。r ，k ，r c 为三相电路中每相的 内阻，三相逆变器的每相输出均有电感值l ，来实现p w m 功能。右侧上方的三相 整流桥为本课题的非线性负载，用于产生各次谐波。右侧下方为p w m 电路，用 第三章基于电压空间矢量的滞环电流控制方法 于产生补偿波，以滤除电路中的谐波。 在实际应用中，检测i 科i b 2 i c 2 ，通过各种的谐波计算方式计算出电路中除 基波外的其他任意次谐波含量。然后通过控制p w m 电路产生补偿谐波， i 。i ，ib i ，i 。i ，以保证电源测电流i 。l ，i b l ，i c l 为正弦波。 3 1 2 并联型有源电力滤波器电路方程 并联型有源电力滤波器的结构复杂，为了建立电路方程，我们对原有的拓扑 结构进行一些简化，在不影响有源滤波器主要特性的前提下，使得建模工作相对 简单直观，简化的部分如下： 1 ) 将主电路的开关器件i g b t 和反并联的续流二极管理想成一个双向开关， 即不考虑它的通态压降 2 ) 认为直流侧电压u d c 为一理想的电压源，即认为直流测电压没有波动 3 ) 认为输出上串联的电感是线性的 4 ) 不考虑i g b t 的死区影响 基于上面的假设和图3 1 的电路拓扑结构，我q y 0 出如下的等式： u 。l + 鼬a i + l d d i t , = s 。u d c - - v n = u a i 棚一l 挚s a c v n 砘 。， u c l 删c i + l 等= s c t l d c - - v n _ u 。i u 。1 c 警= i d 。- ( s 。i a i + s b i b i + s c i c i ) 凡= k = k = r ，为电路内阻s a ，s b ，s c 为三相桥臂的开关函数，s ：1 表示相应的上 桥臂开通，下桥臂关断，s = o ，表示相应的相的下桥臂开通，上桥臂关断。 三相三线制情况下，三相电流之和始终为0 。 i 。j + i b i + i 。i = o ( 3 - 2 ) 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可以得出 1 1 v n = 妄u d c ( s 。+ s b + s 。) - l ( u 。1 + u b l + u 。1 ) ( 3 - 3 jj 大多数情况下，三相电网电压是平衡的，本课题目也是基于这个条件的 u a l + u b l + u c l2 0 ( 3 4 ) 第三章基于电压空间矢量的滞环电流控制方法 由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 可以得出： v n = j 1 u d 。( s 。+ s b + s 。) 将式( 3 5 ) 代入式( 3 1 ) 可以得出： ( 3 5 ) 堕+ 盟：! 垫二兰二竺竺二竺堂二竺! ! 堕+盟：sb-3(sr+sb+sc)udc-ubi：旦竺二监 堕+盟：sc-3(sa+sb+se)udc-ubl：兰生二鳖皇一。卜旦=二!二二型 c d d t u d e = i