（农业电气化与自动化专业论文）有源电力滤波系统的仿真研究及lms算法的dsp实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 有源电力滤波器是用于抑制谐波、补偿无功的有效手段之一。本文在分析有 源电力滤波器基本原理的基础上，对有源电力滤波系统进行仿真研究，并应用 d s p 芯片田订s 3 2 0 f 2 4 0 实现基于【m s ( 最小均方) 准则的自适应谐波电流 检测。 首先，对l m s 谐波电流检测算法进行讨论，提出并重点介绍一种新的变步 长l l s 算法。通过单相电流的检测仿真，分析比较定步长与变步长l m s 算法 的初始收敛速度、检测精度与负载突变跟踪，仿真结果表明：变步长l m s 算法 既有较快的初始收敛速度，又有较高的检测精度。同时分析变步长l m s 算法在 三相电流对称、不对称及三相四线制情况下的谐波电流检测，验证算法的有效性。 其次，对电压型并联有源电力滤波系统进行仿真研究。采用定时控制的瞬时 值比较方式进行指令电流的跟踪，并通过检测负载侧电流的控制方式实现系统仿 真。仿真结果表明：并联型有源电力滤波器对三相负载对称、不对称情形下产生 的谐波电流均能起到很好的补偿作用，具有良好的动态补偿特性。 最后，基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 、应用汇编语言实现定步长与变步长l ，m s 算法的谐波电流检测。比较两者的初始收敛速度，并通过负载突变比较两者的实 时性，实验结果表明：变步长l m s 算法的初始收敛速度和实时性明显优于定步 长l m s 算法，且有较好的检测精度。 关键词：有源电力滤波器 谐波检测；l m s 算法；电流跟踪控制；d s p 控制 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c t j v ep o w 盯f i l t 盯( a p f ) i so n eo ft h ce 强x t i v em e 嬲u r 肌e m st om i t i g a l e h a n o i l i cp r o b l la n dc o m p e l l s a t ef e a c t i v ep o w 既t h ea p fs ) r s t 锄i ss 叫i c d 柚d s i m l l l a t e d i n 也i sp 盯o n n l e b 船i so f t l l e a p f p 血l c i p l e a 1 1 d l e h a n n 砌c 啪t i s d c t e d e db ya p p l y i i i gt h el m s ( 1 e a s t - m e a n s q u a r c ) a 1 9 0 r i l i nb 船c do nt l l ed s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 f i r s to fa l l ，t h eh 姗o n i cd e t e c t i n gm e t h o db 勰e do nl m si sd i s c l l s s e d t h e na n e wv a r i a b l es t e p s i z el m sa l g o r i m mi si n 们d u c c d h il l l ep a p e r ，i tc o m p a r e st h e f i x e ds t 印一s j z el m sa l g o r i t h mw i mm ev 撕曲l es t e p s i z el m sa l g o r i t h mb y s i m l l l a t i n gt 1 1 es i n 百e p h a s ed r c u i ta n dt 圮r e s u l t ss h o wt h a tt h el a t t e rc a np r o v i d ea 缸td ”帅i cr e s p o n s ea i l de 1 1 s u r eah i 班d e t e c t i n gp r e c i s i o n a l s om es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v ev 谢f i e dm ee f f e c t i v e l l e s s 锄dp r a c t i c a b i l i t yo ft h en e wa l g o r i t l h li nt h e s i n 王a t i o n so ft h e3 一p h a s es y m m e 嫡c a lc u r r e n t ，t h e3 - p h a s ed i s s y m m e t r i c a lc u r r c r l t a i l dt h e3 一p h a s e4 w i r cs y s t c i l l s e c o n d l y m es h u n tv 0 1 t a g ea p fs y s t e mi ss i m u l a t e d c o m p 咖a t c dc i l e n ti s 订a ：k e db ya p p l y i n gt h ct i m e - c o n t r o li 1 1 s t a n t 钔l e o u sc o m p a r i s o nm e c l l o da i l dt h ew h o l e s i m u l a t i n gs y s t e mi sr e a l i z e db ym 啪so fd 酏哪i n gt h e 哪to ft l l el o a d n l e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td ”锄i cc o m p e a t i o nc a nb ea c h j “c di nm es i t i l a t i o no f 3 - p h 硒es ”r l l “c a lc i r c u i ta n dt h e3 - p h a s ed i s s y m m e 矾c a lc i r c l l i t f i 王1 a l l y ，m e 伽od e t e c t i o na l g o r i t 姐st l l a tm ef i x c ds t e p _ s i z el m sa l g o r i t h m 如d t h cv 丽a b l e 啦c p s i z el m sa l g o r i t l l ma r er e a l i z e db y 印p l y i i l ga s s 锄曲l el a n g u a g eo n l eb 勰i so fd s p r e s p e c t i v dy b yc o m p a r i n gt h e 柳oi l l i t i a lc o n v e 嚼n gs p e e d s 锄d f h e r e a l t i m ep r o p e r t i 嚣o fm ef b t 仃柚s i e n t 咒印o 】惦髑，m ee 】【p 口i i i 瑚tr e s u l t ss h o wt h a t t l 地v a r i a b l es t 印一s i z el m sa 1 9 0 r i t h mi sm u c hb e t t e rm 锄吐”f i x e do n ei i lt l l e 钿o r e s p e c t s k e y w o r d s ：a 砸v ep o w 盯f i n h 咖o l l i d 咖c t 岵l m sa l g 嘶t i i l l l ，c u i t 龃t t r a 出n gc o n 昀l ，d i 百t a lc o n 们l 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， 同意学校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。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：乐懿 加8 年6 月幢日 指导教师签名：谚7 圉多伊 。k 亨年5 月t 。日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，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：旋媳 日期：删年6 月阻日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来随着电力电子器件的广泛应用，电网谐波污染问题日趋突出，严重影 响电网的电能质量和用户设备的安全运行。有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f il t e r ，a p f ) 作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置而广受关注，它能对频 率和幅值均变化的谐波进行跟踪补偿，并且其补偿特性不受电网阻抗的影响。从 国外特别是日本等国目前的研究乖使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波 抑制和无功补偿是今后的一个重要趋势【堙】。 1 1谐波的产生及危害 国际上公认的谐波含义为p j ：“谐波是一个周期电气量的j 下弦波分量，其频 率为基波频率的整数倍。”谐波产生的根本原因在于电力系统中某些设备和负荷 的非线性特性，即所加的电压和产生的电流不成线性关系而造成的。当电力系统 向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递( 如变压器) 、变换( 如交 直流换流器) 、吸收( 如电弧炉) 系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部 分基波能量转换为谐波能量，大量向系统倒送，使系统正弦波形畸变，产生谐波， 造成对电网的“谐波污染”。 谐波的危害非常严重，主要表现在以下几个方面h q ： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电和 用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时，会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波会使电机产生机械振动、噪 声和过电压，使变压器局部严重受热；还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老 化、寿命缩短，以致损坏。 ( 3 ) 谐波会造成公用电网的局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 大大增加上述的危害，并可能引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，甚至引起严重事故。 ( 5 ) 谐波会对通信系统和电子设备产生严重的干扰，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。 ( 6 ) 谐波会降低供电系统的功率因数。 1 2 谐波抑制措施 由于谐波对电网和用电设备造成诸多危害，许多国家制定了电力系统和用电 设备谐波和波形畸变的国家标准或电力部门规定。国际电工委员会制定了 江苏大学硕士学位论文 i e c 1 0 0 0 3 2 、i e c 1 0 0 0 3 6 标准。我国原水利电力部于1 9 8 4 年制定了电力系 统谐波管理暂行规定，国家技术监督局于1 9 9 3 年颁布了中华人民共和国国家标 准g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波这两个标准主要对电压总谐波 畸变率和注入公共连接点的谐波电流允许值做出规定。 解决电力电子装置和其它负载的谐波污染和无功功率问题，主要有两种途径 u 圳：主动型和被动型。 主动型是指对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，且功率因数控 制为1 ，适用于作为主要谐波源的电力电子装置。在低功率场合，主要采用功率 因数校正技术( p o w e rf a c t o rc o f i 优疽o n ，p f c ) ；在中大功率场合，主要有多脉 整流技术和p w m ( p l u s ew i d mm o d u l a t i o n ) 整流技术。主动型的谐波抑制和功 率因数校正代表了电力电子技术的发展方向，但无法用于己投入运行的设备。 被动型是指装设谐波补偿与功率因数校正装置，适用于各种谐波源。传统方 法是采用无源滤波器( p f ) ，通常是电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求适 当组合，在系统中为谐波提供并联低阻通路，起到滤波作用。p f 的优点是投资 少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，是目前广泛采用的谐波补偿装置。 其缺点在于【l 1 2 l ：其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比决定，只能消除特定的 谐波，而对其它次谐波会产生放大作用，在特定情况下可能与系统发生谐振；谐 波电流增大时滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；有效材料消耗多，体 积大。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器a p f ，其基本原理是： 从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、极 性相反的补偿电流，使电网电流中仅含基波分量。其滤波特性不受系统阻抗影响， 可消除与系统阻抗发生谐振的危险。与p f 相比，具有高度可控性和快速响应性， 不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功电流，性价比较为合理。另 外，有源电力滤波器具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。 1 3 有源电力滤波器的发展历史、研究现状和趋势 1 3 1有源电力滤波器的发展历史 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1 9 6 9 年 b m b 硼和j e m a 袖发表的论文【拈1 中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电 流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。1 9 7 1 年， h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文1 1 4 l 中，首次完整地描述了有源电力滤波器的基 本原理。但由于当时采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大、成本高，仅在 2 江苏大学硕士学位论文 实验室中研究。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 变换器构 成的有源电力滤波器【l5 】，并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源电 力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。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，有源电力滤波器仍然局限于实验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。国外有源 电力滤波器的研究以日本为代表，已进入大量实用化阶段。1 9 8 7 年，m 诎e d a 等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混合型有源电力 滤波器方案【l 。在这种电路中，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤 波器容量很小，但这种有源电力滤波电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存 在谐波通道。1 9 9 0 年，f 1 本的h f u j i t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器 相串联的综合有源滤波方案，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电 源电流中谐波分量成比例的电压，由于注入变压器联结在y 型联接的无源滤波 器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适合于高压系统应用。该电路的缺点是 对电源中的谐波电压非常敏感1 1 7 j 。1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联 有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波系统，该方案从拓扑上实 现了两种方法的综合1 2 j ”。1 9 9 8 年，国外学者又提出一种新型有源电力滤波器， 其名称尚未统一，文献 1 9 ，2 0 】称之为统一电能质量调节器( u p q c ) ，目前还处于 试验阶段。 1 3 2 有源电力滤波器的研究现状 近几年来，国外学者已经将有源电力滤波器实际应用于系统端与用户端同时 抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善了电力系统的供电质量，并针对不同 的谐波源，研究最优配置有源电力滤波器和无源滤波器的结合方式以及有源滤波 器各种拓扑结构，取得了一定的成效 2 m 5 1 。 谐波电流检测直接关系到有源电力滤波系统的性能，高精度实时性好的谐波 电流检测方法的研究一直是很多学者关注的焦点，除了对基于f f t 、瞬时无功理 论的传统谐波检测法进行改进外【2 9 1 ，还将小波变换、自适应【3 “、神经网纠3 2 1 等理论运用于谐波电流检测。另外，用于a p f 的各种控制策略如神经网络控制 【3 3 】、模糊预测控制3 4 1 、自适应滞环控制 3 5 】、滑动模控制等的研究正逐渐兴起。 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在理论研究不断深入的 同时，已应用于生产实际。近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理 技术的发展，特别是g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应 用，有源电力滤波器已经进入实用阶段，在日本、美国、德国等工业发达国家得 到了日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、 3 江苏大学硕士学位论文 美国西屋电器公司、德国西门子公司等。据文献 3 7 】介绍，自1 9 8 1 年以来，仅 在日本已有l o o o 多台a p f 投入运行，容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 。功能也越 来越丰富，除补偿谐波电流外，还具有补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压 闪变等功能。 我国对谐波问题的研究起步比较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统 谐波是我国有关谐波问题较有影响的著作【4 j 。此外，唐统一等人和容健纲等人 分别独立翻译了j a r r i 】l a g a 等的电力系统谐波，也在国内有较大的影响。在 有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文章【蚓，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验3 9 1 ，国内的研究基本处在理论及 实验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在逐渐增加【4 “，主要集中在一些 高校和少数研究机构，以理论研究和实验为主，这些研究有的已达到或接近国际 先进水平。 3 3 有源电力滤波器的发展趋势 从近年来国内外研究和应用的情况可以看出有源电力滤波器具有如下的发 展趋势f 2 4 7 。1 】： ( 1 ) 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术， 实现对高次谐波的有效补偿。当a p f 的容量小于2 m 、，a 时，通常采用i g b t 及 p w m 技术进行谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g 1 o 及多重化技术 进行谐波补偿。 ( 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器 并联使用的混合型有源滤波系统来减小a p f 的容量，达到降低成本、提高效率 的目的。从长远角度看，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一 并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。 目前一个应用的新趋势是在供电系统的供电侧安装一种称为“统一电能质量调节 器”的有源电力滤波器的新系统构成形式。 ( 3 ) 通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的有源线路调 节器( a c t i v ep o w e rl i n ec o l l d i t i o n c r ，a p l c ) 可以适用于高压、大容量谐波系 统的补偿，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。 ( 4 ) 高速数字信号处理器d s p 的出现使a p f 的数字化控制成为一种趋势。 采用数字方法可以实时计算谐波和无功电流，而且在d s p 中还可以实现数字控 制算法，通过m 口或p w m 口直接发出开关控制信号，有效地解决了模拟方法 由于元件老化和温漂等因素带来的问题同时提高了系统的抗干扰能力。另外，实 现不同的控制算法只需更改软件，使得系统简单经济，维护方便。 ( 5 ) 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降 4 江苏大学硕士学位论文 低成本和损耗，进一步改善补偿性能，多功能化，有源装置小型化等。在有源电 力滤波器的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源 滤波器的相互干扰，有源滤波器对电网上已装设的l c 滤波器的影响，有源和无 源滤波器结合方式等。 1 4 本文内容安排 本文共分为六章，安排如下： 第一章为绪论。 第二章介绍有源电力滤波器的基本原理、构成、分类，及常见指令电流检测 与电流跟踪控制算法，并介绍了主电路形式，给出主电路设计中涉及的直流侧电 压、交流侧电感等参数的选取依据。 第三章介绍基于最小均方( l m s ) 准则的自适应谐波电流检测，提出并重点 介绍了一种新的变步长l m s 算法，通过对单相及三相电流的检测仿真，验证算 法的有效性。 第四章对电压型并联有源电力滤波系统进行仿真研究。重点实现定时控制瞬 时值比较算法的电流跟踪控制，及三相负载对称、不对称情况下系统的谐波抑制 与无功补偿。 第五章重点介绍基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 的l m s 谐波电流检测法的软硬 件实现。通过实验结果，进一步验证算法的有效性。 第六章总结本论文所做的主要工作，并对今后些需要进一步研究的问题进 行简述与展望。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置， 它能对大小和频率均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 波器等传统方法的缺点。本章介绍有源电力滤波器的基本工作原理及构成，并分 别对各个主要部分进行重点介绍。 2 1有源电力滤波器的构成和基本原理 在各种有源电力滤波器中，占主导地位的是并联型有源电力滤波器。这种有 源电力滤波系统由两大部分组成：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。补偿 电流发生电路又由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。图2 1 是并联型有源电力滤波器的系统构成框图。其中，q 表示交流电源，负载为非线 性的谐波源( 即补偿对象) ，其主电路和补偿对象并联接入电网，因此称为并联 型。 图2 1 并联型有源电力滤波嚣的系统构成框图 该有源电力滤波器的基本工作原理是：检测出负载电流的谐波分量也， 将其反极性后作为补偿电流的指令信号f ：，再由补偿电流发生电路产生实时精确 跟踪f ：的补偿电流。和大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使电源 电流f j 中只含基波电流分量，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原 理可用一组公式描述： 6 江苏大学硕士学位论文 = + f c i l = l f + i n ：三。 ( 2 1 ) i l = t l + i c = i 【! r 式中，函为负载电流的基波分量。 若要同时补偿无功功率，只需在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基 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及无功分量 相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。 2 2 有源电力滤波器的分类 按照不同的划分标准，a p f 有多种分类方法，分别介绍如下。 ( 1 ) 根据接入电网的方式不同，可将a p f 分为两大类，即并联型和串联型 i l l 舯，这两种类型又分别可以分为多种类型啊。并联型a p f 与负载并联接入电网， 主要适用于补偿可以看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路，此 时并联型a p f 本身表现出电流源的特性。串联型a p f 主要适用于补偿可以看作 电压源的谐波源，如电容滤波型整流电路，此时串联型a p f 作为电压源工作。 ( 2 ) 根据主电路的贮能元件不同，可将a p f 分为电压型和电流型两种。电 压型a p f 的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其直流侧电压基本保持不变。 电流型a p f 的主电路鸯流侧接有大电感，正常工作时其直流侧电流基本保持不 变，该电流在大电感的内阻上产生较大的损耗，目前较少使用。但是这种有源电 力滤波器不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，关于它的研究正在逐 渐增多i 灿5 4 1 。 ( 3 ) 根据主电路所使用的p w m 变流器数量，可以分为单个主电路a p f 和 多重化主电路a p f 。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 频率从而减小器件的开关损耗。 ( 4 ) 根据接入系统的不同，可以分为单相a p f 和三相a p f 。后者又可以分 为三相三线制和三相四线制两种类型。 2 3 指令电流运算及电流跟踪控制电路 有源电力滤波器的性能主要由指令电流的运算( 谐波及无功电流检测) 和 补偿电流的发生两部分决定。 7 江苏大学硕士学位论文 2 3 1指令电流运算电路及检测方法 指令电流运算电路的核心是谐波电流实时检测方法，实时、精确地检测出电 网中瞬时变化的谐波电流，是提高有源电力滤波器补偿精度的一个关键问题。 目前采用的检测方法主要有以下几种： 1 、基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法 该方法的原理是在检测的信号中提取出基波分量，它与原信号之差即谐波电 流。其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，缺 点是误差大、对电网频率波动较敏感。 2 、基于f f t 的数字化分析方法m 6 l 该方法建立在f o u r i e r 分析的基础上，通过f f t 将检测到的一个周期的谐波 信号分解，得到各次谐波分量的幅值和相位系数，再通过带通滤波器或傅立叶变 换器得到所需误差信号，将该信号进行f f t 反变换得到补偿信号。其优点是可 选择需要消除的谐波次数，缺点是瞬时性较差，特别是对高次谐波的检测精度影 响较大。 3 、基于a k a 西三相瞬时无功理论的检测方法【7 4 9 ，5 7 l 由日本学者a j ( a g i 提出的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a p f 中应用最广的一种检测方法。该方法将三相 电气矢量变换到口，p 坐标，并重新定义瞬时有功、瞬时无功等，再将这些功率逆 变为三相补偿电流。该方法具有较好的实时性，在三相电路中得到了成功的应用。 但是这种方法使用了大量的模拟乘法器，计算量相对较大，调整困难，参数依赖 性很大，很难保证设计的计算精度，且该方法不能用于单相系统。 4 、自适应检测法【3 1 j 8 ，5 9 】 该方法是根据自适应干扰对消的原理，将自适应干扰对消信号处理技术用于 谐波和无功电流的检测。构成闭环连续调整检测系统，其运行特性几乎与元件参 数无关，当电源电压产生畸变和基频偏移时，检测系统仍能正常工作，有优良的 自适应能力。 5 、基于小波交换的检测方法【3 0 舯，6 l 】 由于电网谐波是各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都突然的信号， 在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下可发挥小波变换的优势，即对 谐波信号采样离散后，利用小波变换对数字信号进行处理，实现谐波的精确测定。 6 、基于神经网络的的谐波测量口列 利用神经中枢网络最优化理论，依据自适应原理，建立谐波分量自适应测量 的人工神经网络( a l 叮n ) ，可以在线对谐波分量的幅值和初相位进行逐个测定。 该方法准确度高，模拟电路简单，具备在线应用的能力。 8 江苏大学硕士学位论文 2 3 2电流跟踪控制电路及控制策略 电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路中的第一个环节，其作用是根据补偿 电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中 主电路各个器件通断的p w m 信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号 的变化。目前p w m 控制的方法主要有： l 、滞环比较控制方式 这种方法将补偿电流参考值f ：与逆变器实际补偿电流输出值之差f 。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 输出电流实时跟踪指令电流值。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带宽影响。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。 2 、三角波比较方式 三角载波控制是最简单的一种控制方法，通过将检测环节得到的指令电流值 与实际补偿电流值f 。之间的偏差出。经放大器a 之后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 合适的补偿电流。该方法的优点是输出电压中所含谐波较少，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。 3 、空间矢量调制法【6 2 】 空间矢量调制法( s p a c e v b c t o r m o d u l a t o r s ) 的原理是将三相整流器作为整体， 通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时问，使一个控制周期内 开关矢量输出的平均值与参考矢量相等；也即在矢量空间内用有限的静止矢量去 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。采用 空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可以有效降低开关频率和减小交流侧线电 流的总谐波畸变率。但是受一般微控制器运算能力的限制，该方法经常要在实现 速度和合成脉宽调制波形质量之间进行折中。 4 、无差拍控制方式【6 3 删 无差拍控制( d e a d b e a tc o n 们1 ) 是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展 起来的全数字化控制技术。该方法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。缺点是计算量大，而且对系统参数依赖性较大， 近年来不断有新的改进方法出现。 9 江苏大学硕士学位论文 2 4 有源电力滤波器的主电路 2 4 1 主电路形式 单个p w m 变流器主电路形式是有源电力滤波器基本的主电路形式。图2 2 和2 3 分别给出了可应用于三相三线制系统的电压型和电流型两种基本主电路形 式。图中，4 ，6 ，c 接至三相电源，s 。，墨，s ；和s ：，只，s 。为各组开关器件的代号， ，如，f 。分别是三相实际补偿电流。图中所画的电力电子开关器件为i g b t ，实 用中可在g t 0 晶闸管、b j l 、i g b t 、电力m o s f e t 等器件中选择。图2 4 和2 5 分别给出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式，其中t 是单相补 偿电流。 图2 2 三相电压型主电路图2 3 三相电流型主电路 图2 4 单相电压型主电路图2 5 单相电流型主电路 为了解决电力半导体器件容量和工作频率之自j 的矛盾( 容量越大，器件工作 频率越低) ，出现了多重化主电路的形式【7 】。一方面，容易实现a p f 的大容量， 提高其等效的开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能。另一方面，由于等效开 关频率提高，可以降低单个器件的工作频率，减小器件的开关损耗。 2 4 2 主电路工作原理 对照图2 2 ，补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差 值作用于交流侧电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中6 组开关器件的 通断组合决定的。通常，同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件是导通的。 假设三相电源电压之和p d + + 巳= o ，并根据电路理论有+ 屯+ k = 0 ，可得 l o 江苏大学硕士学位论文 出如下微分方程： 式中，置。，丘。，丘是开关系数。表2 1 给出主电路各工作模式对应开关系数的值。 其中对于每一相，上管开通对应状态“1 ”，下管开通对应状态“o ”。 表2 1 主电路工作模式与开关系数 主电路各相的工作状态开关系数 工作模式 a bck ak bk c l0o1“3一l ，32 3 2ol01 3一l 3 3o112 3 1 3 l 3 41oo2 31 ，31 ，3 5l0ll ，3圳31 3 6110l 3l 3狮 2 4 - 3 主电路设计 在设计主电路时，首先应确定主电路的形式。目前电力有源滤波器的主电路 绝大多数采用电压型，采用电流型的极少，日本电气学会的调查结果表明，两者 在实际应用中所占的比例分别是9 3 5 和6 5 。在电压型的主电路形式中，采 用单个变流器方式和多重化方式的分别占4 2 4 和5 1 1 ，基本相当。这里选择 电压型、单个变流器的方式。 确定主电路形式之后，主电路设计解决的问题有： ( 1 ) 对补偿电流的跟随性能起决定作用的几个参数：直流侧电压以，交流 侧电感，电流控制周期t 的设计； ( 2 ) 开关器件的选择； ( 3 ) 主电路容量s 。的计算。 1 、主电路参数的设计 对于常用的并联电压型三相a p f 来讲，主电路的主要参数不仅决定系统能 否正常工作，而且影响系统的补偿性能和整个系统的成本【吲，因此主电路参数 的确定尤为重要。以下的分析将为主电路参数的选取提供理论依据。 芍 虬 虬 以 矾 弛 弛 一 一 一 吃 = = = 吒百盟出瓯百 l 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 直流侧电压的确定 有源电力滤波器j 下常工作时，输出的补偿电流在指令电流两侧呈锯齿波状跟 随其变化。对于图2 2 的a 相，有： 。 鲁= 圭( 巳一吒虬) 当乞 o ( 2 5 ) 根据式( 2 4 ) ，要完全满足( 2 5 ) ，必须有： q 3 瓦( 2 6 ) 其中，已为电网相电压的峰值。 由此可以看出，主电路直流侧电压值应该大于电网相电压峰值的3 倍。在此 基础上，直流侧电压越大，补偿电流的跟随性能越好。但是器件耐压要求也越高， 成本加大，需要综合考虑。 ( 2 ) 交流侧电感的选取 对于并联型有源电力滤波器来说，交流侧电感具有十分重要的作用，是正常 工作时必不可少的。其作用有：平衡有源电力滤波器主电路中各点电压；能 量存储和双向馈送：调整补偿电流的相位，并使补偿电流连续；缓冲各相电 压中谐波的无功功率。 电感的选择必须满足并联型有源电力滤波器对期望谐波电流的跟踪能力，电 感电流的动态指标丸出决定了补偿电流跟踪指令电流的效果。从理论上来讲， 一定范围内，电感电流的动态变化率越大，补偿效果越好。但是啦出越大，会 在补偿电流中产生过大的纹波电流，从而影响补偿效果。因此应确定a p f 可以 跟踪的指令电流最大变化率i 以叫。 由式( 2 3 ) 和( 2 6 ) ，对于a 相有： 随。= 圭咕以圳 ， l 西| 。、3 。 + 如果要求a p f 可以跟随指令电流最大变化率，则有： 乩= 圭扭耻睫 1 2 江苏大学硕士学位论文 所以主电路交流侧电感的最大值为： k = c 弦乜卅乱 即电感的选取应满足如下条件： 斛弦玩) 凤 ( 2 9 ) ( 2 1o ) 上式中，指令电流最大变化率i 盛胁l 一与补偿参考电流的具体表达形式密 切相关，文献 6 6 】给出了计算p 二出i 一的经验公式： 随卸。喇一 ( 2 1 1 ) 上式中，厂为电源频率，且： 川一兹嚣喜篡篇分量时 亿四 式中，艺为指令电流的有效值。 ( 3 ) 电流控制的周期f c 的设计 电流控制的周期乙越长，t 纹波越大，开关频率越低，开关过程中的损耗也 随之减小；反之，越短，纹波越小，开关频率也越高，开关过程中的损耗也 随之增大。另外，乞的长短还决定了有源电力滤波器所能补偿的谐波的最高次数。 设开关器件所支持的最大开关频率为矗，则： 1 了( 2 1 3 ) j r 对于矗= 1 0 舷的开关器件，有i 1 0 0 j 。 2 、开关器件的选择 在实际应用中，为了使有源电力滤波器的补偿电流能快速地跟随指令电流的 变化，必须采用开关速度快的器件。同时，要根据有源电力滤波器容量的大小来 选取器件的电压和电流等级。此外，要根据实际补偿要求选择器件的开关频率。 目前，有源电力滤波器主电路所采用的电力电子器件多为g r i 0 和i g b t 。 近几年出现的新型电力电子器件i g c t 有望用于有源电力滤波器的主电路。表2 2 给出了三种器件的性能比较1 6 7 ，6 8 1 。 1 3 江苏大学硕士学位论文 表2 2 ( n d 、i g b t 、i g c t 三种器件的陛能比较 性能 g t o】g b ti g c t 可靠性一般低高 损耗一般高小 最新发展水平 6 0 0 0 a 6 5 0 0 v 1 0 0 k h z6 0 0 0 a 6 0 0 0 v 之2 5 k 价格一般一般 高 所需外围电路一般复杂简单 大容量( 1 0 0 k v a 以上) 的有源电力滤波器一般选取g ，r o 作为其主电路器件， 但因其工作频率较低，对较高次谐波的补偿效果较差，一般采用多重化技术来提 高其等效开关频率。对于中、小容量( 1 0 0 k v a 及其以下) 的有源电力滤波器一 般选取i g b t 作为其主电路器件，由于其工作频率较高，所以对较高次的谐波补 偿效果也很好，但当其工作在较高丁二作频率情况下，其损耗将加大，有源电力滤 波器的效率将随之降低。i g c t 在器件容量、控制手段等方面具有一定的优势， 可用于大容量的有源电力滤波器，但目前较高的价格可能会限制其使用范围。 有源电力滤波器主电路器件的电压是根据主电路直流侧电压以来选取的， 通常由以再考虑一定的裕量：器件的电流可根据最大补偿电流值丘一，再考虑 一定的裕量来选取；器件的工作频率由实际补偿对象和具体补偿要求来确定。 3 、主电路的容量 有源电力滤波器的容量只由下式计算： 只= 3 点l( 2 1 4 ) 式中，e 为三相电源相电压幅值；为补偿电流有效值。 从上式可知，有源电力滤波器的容量与补偿电流的大小有关，因而与补偿对 象的容量及补偿的目的有关；主电路中器件的耐压由直流侧电压址决定，而址 与e 的关系由设计决定，没有唯一的对应关系。 当有源电力滤波器只补偿谐波时有l = 。，其* 2 5 厶，故此时有源电 力滤波器的容量影约为补偿对象容量的2 5 。若有源电力滤波器在补偿谐波的 同时还补偿无功功率时，要求的容量比只补偿谐波时大。 2 5 衡量有源电力滤波器补偿性能的指标 从理论上讲，a p f 可使非线性负载电流中的谐波、无功和负序电流得到完全 补偿，但实际中很难做到。从电流检测到主电路产生实际需要的补偿电流的过程 中，都不可避免带来误差，因此需要一个衡量有源电力滤波器补偿性能的指标。 1 4 江苏大学项士学位论文 a p f 对高次谐波电流补偿的效果可以用补偿前后电源电流的总谐波畸变率 ( t 0 t a lh a r n l o l l i cd i s t o n i o n ，t h d ) 来衡量，t h d 定义为： 彻=1 0 0 ( 2 1 5 ) 式中，( h = 1 ，2 ，- ) 为基波( 聍= 1 ) 和各次谐波( n 2 ) 电流的有效值。 当补偿后电源电流总的谐波畸变率小于补偿前的谐波畸变率时，可以认为有 源滤波器对谐波电流进行了有效补偿。补偿后电源电流总的谐波畸变率越小，补 偿效果越好。当补偿后电源电流总的谐波畸变率为零时，谐波电流得到彻底补偿。 按日本电气学会电力用有源滤波器调查专门委员会定义： 补偿率= ( 2 1 6 ) 式中，t 、l 分别为系统和负荷侧n 次谐波电流的有效值。 实际运行a p f 的补偿率一般为8 0 一8 5 。 有源电力滤波器对基波无功和负序电流的补偿效果可以用电源电流中无功 电流和负序电流的残留情况来衡量。若补偿后电源电流中无功电流和负序电流的 有效值和幅值明显减小，即可认为有源电力滤波器对无功电流和负序电流进行了 有效补偿。补偿后电源电流的无功电流和负序电流越小，补偿效果越好。当补偿 后电源电流的无功电流和负序电流为零时，无功电流和负序电流得到彻底补偿。 2 6 本章小结 本章介绍了有源电力滤波器的基本原理、构成、分类，及常见指令电流检测 与电流跟踪控制算法，重点介绍了主电路形式，并给出主电路设计中涉及的直流 侧电压、交流侧电感等参数的选取依据。 1 5 江苏大学硕士学位论文 第三章基于l m s 算法的谐波电流检测 有源电力滤波器的工作性能在很大程度上取决于对谐波电流的准确、实时检 测，其检测一般只需检测出除基波电流( 或基波电流的正序分量) 之外的总畸变 电流 6 9 l 。除了要求检测算法有较高精确度和较好实时性外，还要求在负载发生 变化时有良好的自适应跟踪检测能力。本章介绍自适应l m s 谐波电流检测算法， 其优点在于作为闭环检测系统，对电网参数变化具有自适应能力，且对单相、三 相系统具有通用性【4 2 ，m 2 】。 3 1 基于l m s 准则的自适应算法 l m s 算法是线性自适应滤波算法。一般来说，它包含两个基本过程：( 1 ) 滤 波过程，包括：( a ) 计算线性滤波器输出对输入信号的响应；( b ) 通过比较输出 结果与期望响应产生估计误差。( 2 ) 自适应过程：根据估计误差自动调整滤波器 参数。这两个过程一起工作组成一个反馈环，如图3 1 所示。 图3 1自适应横向滤波器框图 图中，d ( n ) 为期望信号，y ( n ) 为滤波器输出信号，表示为当前和过去输入 x ( n ) 的线性组合： 一1 y 仰) = w ( 昨) 工。一f ) = 矿7 ( n ) z ( n ) ( 3 1 ) i = o 式中，x ( 胛) = x ( h ) ，工( 万一1 ) ，工m 一+ 1 ) 】2 为自适应滤波器输入信号向量， ( h ) = 【w o ( ) ，w i ( n ) ，w 一。( n ) 】1 为滤波器的系数向量。 p ( 以) 为期望信号与滤波器输出信号之间的误差，即： “n ) = d ( n ) 一_ ) ，( n ) ( 3 2 ) 滤波器系数的自适应调整就是根据该误差信号，采取一定的准则，在线优化 1 6 江苏大学硕士学位论文 校正