（检测技术与自动化装置专业论文）智能控制及其在有源电力滤波器中的应用研究.pdf

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果内容。对本文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后果由本人承担。 4 作者签名：磷戽锯 日期：西年o 月依日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科技 大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：鹤孵 日期：加眸j7 月j 影日 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。本人授权天 津科技大学可以将本学位论文的全部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。 保密 1 ( 请在方框内打“寸，) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i 婴( 请在方框内打“ ) 。 作者签名：茼聿铭 日期：伽绛矿j 月f 阳 导师签名：薛该 日期：嘶p 7 月晌 摘要 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 ) 是一种新型电力电子装置，可用来对电 力系统中的谐波和无功电流进行综合补偿。与传统的谐波和无功电流抑制方法相比，有 源电力滤波器具有很大的技术优势和良好的发展前景。由于有源电力滤波器需具有较强 的实时性和准确性等工作特点，因而有可能充分地吸取现代信号处理及智能控制技术等 众多学科的优点，在实现对有源电力滤波器功能优化的同时，提高有源电力滤波器的性 能。 本文首先介绍了谐波污染情况及其严重的危害性，综述了国内外有源电力滤波技术 的发展概况以及在谐波抑制中的应用前景。以三相并联型有源电力滤波器为研究对象， 对其工作原理、拓扑结构、主电路的形式、p w m 的控制策略等内容作了探讨，并针对 3 8 0 v 、补偿容量为5 0 k v a 的有源电力滤波器进行研究。在系统分析瞬时无功功率理论 的基础上设计了谐波电流的检测方案，并采用了一种将自适应线性神经网络理论应用于 非线性负载电流的谐波电流检测方法，在理论分析的基础上，本文对该方法进行了仿真 研究，仿真结果表明该方法具有很好的实时性和较高的检测准确度以及自适应跟踪负载 电流的变化等特点。 由于有源电力滤波器是非线性、强耦合的复杂系统，难以建立精确的数学模型，因 而使得智能控制技术在有源电力滤波器中的应用具有很大的潜力。本文将模糊控制与单 神经元控制用于有源电力滤波器直流侧的电压控制，仿真结果表明，与传统p i 控制方法 相比，这两种控制方法都起到了很好的控制效果。另外，、本文还设计一种结构简单、不 依赖被控对象模型的模糊神经网络控制器( f u z z yn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r - f n n c ) ，并 将其应用于有源电力滤波器的电流补偿电路中，对f n n c 在有源电力滤波器中的应用进 行了尝试，仿真结果验证了f n n c 具有比较优良的控制品质，在a p f 的控制上具有可 行性和有效性。因此，将智能控制技术应用于有源电力滤波器中，在实现对有源电力滤 波器功能优化的同时，也提高了有源电力滤波器的性能。 本文根据实际补偿情况，确定了系统的总体控制目标和总体结构。并以d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，提出了有源电力滤波器全数字化控制系统的实施方案，对控 制系统的硬件电路设计和软件控制流程给出初步设计方案。 关键词：谐波；有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；模糊神经网络控制器； d s p ： a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa na d v a n c e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c hc a nb eu s e df o r i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t s c o m p a r e dw i t hs o m ec o n v e n f i o n a l m e a s u r e s ，a c t i v ep o w e rf i l t e rh a sm a n ya d v a n t a g e sa n df a v o r a b l ep r o s p e c t s b e c a u s eo ft h e c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sr e a lt i m ea n da c c u r a t ec o m p e n s a t i o n ，i ti sp o s s i b l et ot a k ef u l la d v a n t a g e o fd i 舀t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ec o n t r o la n dm a n yo t h e rt e c h n o l o g i e s i fs o , n o to n l yc a nt h ef u n c t i o n so fa c t i v ep o w e rf i l t e r sb eo p t i m i z e d , b u ta l s ot h ep e r f o m m c e so f a c t i v ep o w e rf i l t e r sc a nb ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y f i r s t l yi nt h i sp a p e r , t h eh a r m o n i cp o l l u t i o na n di t sh a r ma l ei n t r o d u c e d , a n dag e n e r a l d e s c r i p t i o na b o u tt h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do f a c t i v ep o w e rf i l t e ri sg i v e n t h i sp a p e rt a k e st h et 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 ra st h e r e s e a r c ho 巧e 鸭a n dt h ep r i n c i p l eo fi t sw o r k , i t st o p o l o g y , m a i nc i r c u i tf o r ma n dp w mc o n t r o l s t r a t e g ya n ds oo nh a v eb e e nm a d et h o r o u g hd i s c u s s i o n a ne x p e r i m e n t a la c t i v ep o w e rf i l t e r w i t hc a p a c i t y5 i d l m i sd e v e l o p e d b a s e do nd e e p l ya n a l y z m gt h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r , d e t e c t i n gm e t h o df o rh a r m o n i cc u r r e n ti sp r e s e n t e d m a d a l i n ei su s e df o rd e t e c t i n gt h e d i s t o r t i o nc u r r e n t so fn o n l i n e a rl o a d s o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s o m ec o m p u t e r s i m u l a t i o n sa 聆d e v e l o p e d , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a ss o m ea d v a n t a g e s , s u c ha s r e a lt i m e , h i g ha c c u r a 四9a d a p t a b i l i t yt ol o a dc u r r e n t s ，e t a s i n c ea p fi san o n - l i n e a ra n di n t e n s i v ec o u p l i n gs y s t e m ，a n dh a r dt ob u i l dam a t h e m a t i c a l m o d e lp r e c i s c l gi tm a k e sb i gp o t e n t i a lf o rt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n s i ti s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e rt oa p p l yf u z z yc o n t r o la n ds i g n a ln u e r a lc o n t r o lt oa p fd c - l i n k v o l t a g ec o n t r o l , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wu se x c e l l e n tc o n t r o le f f e c t so fb o t hc o n t r o l m e t h o d sc o m p a r e dt op ic o n t r 0 1 b e s i d e s , t h i sp a p e ra l s op r e s e n t saf u z z yn e u r a ln e t w o r k c o n t r o l l e r ( f 】0w h i c hi ss i m p l ea n dd o e sn o td e p e n do nt h ec o n t r o l l e d0b j e c t i v em o d e l , w ea p p l i e si tt oa p fc o n t r o lc i r c u i t s , a n de v e n t u a l l ym a k e sa l li n i t i a lr e s e a r c ho nt h i s a p p l i c a t i o n i ti sv e r i f i e do ns i m u l a t i o nt h a tt h ef n n cp e r e o r m sg o o dc o n t r o lq u a a t y , a sw e l la s t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so na p fc o n t r o lh e n c e ，a p p l y i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt oa p f n o to n l yr e a l i z e st h e f u n c t i o no p t i m i z a t i o no fa p f , b u ta l s ob e n e f i t st h ea p fp e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc o m p e n s a t i o n , t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h eg e n e r a lc o n t r o l o b j e c ta n df l a m eo ft h es y s t e m , a n ds e tu pt h ed e s i g no fa p fc o n t r o ls y s t e mw i t hd s pc h i p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 h e n c e ，t h es o l u t i o no fa p fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e di nt h em e a n t i m et h a tt h ef l o wc h a r to ft h i ss o l u t i o ni sp r e s e n t e d , i nw h i c ht h ei n i t i a ld e s i g nc o n c e p th a s b e e ne s t a b l i s h e df o rh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ec o n t r o lp r o c e d u r e s k e yw o r d s ：h a r m o n i cc u r r e n t s ，a p f , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , f r 州c , d s p 目录 i 前言1 1 1 谐波污染与谐波治理1 1 1 1 谐波问题。1 1 1 2 谐波治理2 1 2 有源电力滤波器：。3 1 2 1 有源电力滤波器的发展过程及研究现状。3 1 2 2 有源电力滤波器中的测控技术及智能控制的应用。4 1 3 本文的主要工作。6 2 并联型有源电力滤波器研究基础8 2 1 有源电力滤波器的基本原理和系统构成。8 2 1 1 有源电力滤波器基本原理8 2 1 2 有源电力滤波器的分类9 2 2 并联型有源电力滤波器：。1 2 2 2 1 并联型有源电力滤波器系统的构成1 2 2 2 2 谐波电流检测电路。1 3 2 2 3 补偿电流控制电路1 3 2 3 主电路工作原理及参数设计1 5 2 3 1 并联型有源电力滤波器的数学模型1 5 2 3 2 主电路开关器件的选取1 6 2 3 3 交流侧电感的选取1 7 2 3 4 直流侧电压的设计。1 8 2 3 5 直流侧电容的计算1 9 2 3 6 有源电力滤波器的容量1 9 2 4 有源电力滤波器的系统仿真。2 0 2 5 本章小结2 2 3 有源电力滤波器的谐波电流检测。2 3 3 1 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法2 3 3 1 1 瞬时无功功率理论。：。2 3 3 1 2 p q 检测法。2 5 3 1 3f 。一t 检测法。2 6 3 1 4 d 一口检测法2 7 3 1 5 基于瞬时无功功率理论的三种检测方法的仿真比较。2 8 3 2 基于自适应线性神经网络的谐波电流检测方法3 0 3 2 1 自适应噪声对消原理3 0 3 2 2 自适应线性神经元模型31 3 2 3 基于自适应线性神经网络理论的三相电路谐波电流检测方法3 2 3 3 本章小结3 5 4 有源电力滤波器智能控制3 6 4 1 采用p i 控制的有源电力滤波器。3 6 4 2 有源电力滤波器直流侧电容电压控制3 8 4 2 1 有源电力滤波器直流侧电容电压模糊控制的研究3 8 4 2 2 有源电力滤波器直流侧电容电压单神经元控制的研究4 3 4 3 有源电力滤波器的补偿电流控制。4 5 4 3 1 模糊神经网络控制器的设计4 5 4 3 2 基于f n n c 的有源电力滤波器的补偿电流控制51 4 4 本章小结5 2 5 基于d s p 的有源电力滤波器控制系统设计5 3 5 1 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 主控板的硬件设计5 3 5 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 12 主控板5 3 5 1 2 通电电路设计方案5 6 5 1 - 3 主电路运行方案。5 6 5 2 控制系统的软件设计5 8 5 2 1 主程序5 8 5 2 2 中断服务子程序5 9 5 3 本章小结5 9 6 结论与展望。6 0 7 参考文献6 1 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 6 9j c 谢6 7 n 天津科技大学硕士学位论文 1 前言 电能是现代人类社会的主要能源，高品质电能的供给是现代人类赖以生存的必要条 件。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 的非线性工作状态和负载状况，给电能质量造成很大的影响，其中以谐波污染和无功功 率损耗尤为严重。有源电力滤波器作为解决这类问题的重要手段，正越来越受到电气工 程领域的重视【1 1 。 从八十年代以来，有源电力滤波器理论与应用方面均取得了很大的进展，而对其控 制方法的研究一直没有中断 2 1 。有源电力滤波器的控制技术是有源电力滤波器的关键技 术之一，为了更好地起到改善电能质量的作用，对有源电力滤波器的控制策略的研究有 着重大的理论和现实意义。为此本课题主要研究智能控制算法在有源电力滤波器中的应 用，以提高系统的鲁棒性和稳定性。近年来随着高速数字信号处理器d s p 的出现及其性 能价格比日益提高，有源电力滤波器的数字控制方案引起了人们的重视，为智能控制技 术的实现提供了广阔的发展应用前景。 1 1 谐波污染与谐波治理 1 1 1 谐波问题 理想状态下的公用电网应以恒定的频率，标准的电压和正弦波形对用户供电。同时 在三相交流系统中，各相电压和电流幅值应大小相等，相位对称且互差1 2 a o 。但各种非 线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源大规模的应用，办公自动化和 家用电器的日益普及，民用和商业用电在城市中的比例日益增大，使得理想状态并不存 在，此时就产生了谐波和无功问题。 目前国际普遍定义谐波为：“谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率 的整数倍 1 1 】。谐波对电力系统和其它用电设备可以带来非常严重的影响，主要危害可 归纳为以下几方面【1 1 1 2 3 ： 1 谐波使公用电网中元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的 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。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过 热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 3 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上 述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 4 谐波会影响计量仪表的测量精度，影响继电保护和自动装置的正常工作，甚至使 其产生误动作，导致重大事故。 5 谐波会对邻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。 1 前言 基于以上原因，电力系统的谐波问题引起了世界各国的关注。国际上召开了多次谐 波问题的学术会议，很多国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐 波的标准和规定。制定这些标准和规定的原则是限制注入电网的谐波电流，把电网的谐 波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电器设备免受谐波干扰而能正常工作。现 行的有关标准主要有：国际标? 塾4 1 i e c 6 1 0 0 0 - 2 - 2 、i e c 6 1 0 0 0 - 2 - 4 ，欧洲标准e n 6 1 0 0 0 - 3 - 2 ， e n 6 1 0 0 0 - 3 - 1 2 ，国际电工学会的建议标准i e e e 5 1 9 1 9 9 2 ，中国国家标准 s l o b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量共用电网谐波。g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 中规定，公用电网谐波电压( 相电压) 限值为 3 8 0 v ( 2 2 0 v ) 电网电压总t h d u 为5 ，各次谐波电压含有率奇次为4 ，偶次为2 。这 些标准和规定的制定对解决电力系统谐波危害和影响起到了很大作用。另外，对于不同 电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同，电压等级越高，谐波限制越严格。 1 1 2 谐波治理 谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题，也是现代电力生产发展的迫 切要求。目前谐波抑制主要有两种途径1 1 l ：一是主动型，即对谐波源本身进行改造，设 计不产生谐波的变流器，如增加整流装置脉动数、采用多重化技术和优化p w m 技术、 有源功率因数校正技术等，降低谐波源产生的谐波含量；二是被动型，即通过外部装设 谐波补偿装置来补偿谐波，这种方法对各种谐波都是适用的： 对于主动型抑制方案，大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将 多个方波重叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波 形越接近正弦波，当然电路结构也越复杂，因此一般只用于大容量场合。小容量整流器， 为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加p w m 斩波方式，即功率因数校正电 路，已经在开关电源中获得了广泛的应用。虽然减少谐波源的谐波含量是一种有效的谐 波抑制技术，但因需要对己投入使用的设备进行技术改造，代价昂贵，存在很大的局限 性，因此，安装电力滤波器显出其必要性和重要性。 本文的研究内容属于被动型抑制方案。由于此处的滤波器直接与电网相连，因此设 计时应考虑到邻近的谐波源对滤波器的影响、系统参数对滤波器的影响、负载对滤波器 的影响。 在本世纪初，有些学者就提出可以利用电容和电抗器组成的串联调谐电路( l c 调谐 电路) 吸收谐波，并取得良好的实践效果，该电路又称无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e r f i l t e r - p p f ) 。另外，p p f 在吸收谐波的同时，利用电容还能补偿无功功率，改善电网的功 率因数，结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运 行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此 外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍 然是补偿谐波的主要手段之一 目前，谐波治理的一个重要趋势是采用有源电力滤波双a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称 a p f ) 。在谐波源附近和公用网结点装设a p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用， 2 天津科技大学硕士学位论文 与传统的l c 滤波器相比，a p f 具有以下些优剧1 】： 1 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应； 2 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节； 3 补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大； 4 即使补偿对象电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； 5 受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振； 6 能跟踪电网频率变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； 7 既可对一个谐波或无功单独补偿，也可对多个谐波和无功集中补偿。 基于上述特点，有源滤波器受到广泛重视，成为电力电子应用研究极具生命力的发 展方向。 1 2 有源电力滤波器 ， ， 有源电力滤波器是近十几年发展起来的一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电 子装置，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 流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频 率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛 的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。 1 2 1 有源电力滤波器的发展过程及研究现状【1 】 1 9 6 9 年，且脱b i r d 和zem a r s h 发表的论文嘲中描述了向交流电网中注入三次谐波 电流，来抵消电源电流中谐波成分，从而改善电源电流波形。虽然没有明确提出有源滤 波器概念，但其所描述的方法可以认为是电力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1 年，且s a s a k 和zm a c h i d a 发表的论文1 7 1 首次完整地描述了有源电力滤波器基本原理。当时采用线性 放大方法产生补偿电流，系统损耗大，成本高，未能在工业中应用。1 9 7 6 年，l u s ：v 和es t r y c u t a 提出了采用p w m 变流器构成有源滤波器i s 。他们在论文中详细讨论了有 源滤波器的实现方法和控制原理，确立了有源滤波器基本概念，并建立了当今有源滤波 器的拓扑结构。由于受当时电力电子器件发展水平制约，有源滤波技术研究仅停留在实 验室内，并无工业化应用产品。 进入2 0 世纪踟年代，随着电力电子技术和p w m 控制技术发展，关于有源滤波器 的研究开始活跃起来。赤木泰文( h i r o f u m i 纰a g i ) 等人于1 9 8 3 年提出的瞬时无功功率 理论1 9 1 ，对有源滤波器的快速发展起到了很大的推动作用，并有工业化产品不断问世。 上世纪9 0 年代之后，有源滤波作为抑制电网谐波，改善供电质量的一项重要技术，在日 本、美国、德国等工业发达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 主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士 a b b 、德国西门子公司等。有源电力滤波器已广泛应用于工业、商业和机关团体的配电 网中，如：电弧炉、变频调速装置、电气化铁路、电信电源系统、证券交易供电系统、 3 1 前言 机场港口备用电源、医疗成像系统、高层建筑、u p s 发电机组、精密电子企业、电解电 镀企业、石化企业等。 与国外广泛应用a p f 相比，我国有源滤波技术还处在研究试验阶段。一些高等院校、 科研院所以及少数公司相继开展关于a p f 的研究，如清华大学、西安交通大学、哈尔滨 工业大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等。但是大多处于仿真和小容量实验室 样机研究阶段。工业上只有少数几台样机投入试运行，电压等级低，滤波器容量小，而 且谐波补偿效果还不尽人意，距离工业应用产品要求尚有一定差耐廿1 。这与我国目前谐 波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进 行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源电力滤波技术必将得到广泛的应用。同 时，随着微处理器、微控制器、数字信号处理器( d s p ) 的发展，a p f 也向着数字化检 测与控制方面发展。目前，国内从事有源滤波器研究和生产的企业主要有，上海宝钢安 大电能质量有限公司、西安赛博电子有限公司等【1 2 1 。 有源滤波技术的发展，主要涉及以下三个方面：电力电子器件不断向大容量、高频 率发展，使有源电力滤波器更趋实用；电路拓扑结构由单纯串联型、并联型向混合型发 展，以降低造价，提高容量：控制策略向性能好、精度高发展，以实现更多功能和更好 性能1 1 6 l 。 1 2 2 有源电力滤波器中的测控技术及智能控制的应用 随着对电网质量要求的不断提高，以及电力电子技术的飞速发展，有源电力滤波器 的应用领域不断扩大，对其要求也越来越高，这些都对有源电力滤波器补偿电流的检测 和控制方法不断提出新的和越来越高的要求。所以，对有源电力滤波器中补偿电流的检 测和控制方法的研究一直没有中断，各种新的研究文献不断出现【1 0 1 1 6 1 。虽然报道的检测 和控制方法很多，但其应用都存在一定的局限。因此，研究新的补偿电流的检测和控制 方法，提高检测精度与快速性，进一步改善补偿性能，对推动有源电力滤波器的应用， 治理电力谐波，提高供电质量，具有重要的理论和工程实际意义【埘。 所谓智能控制，即设计一个控制器( 或系统) ，使之具有学习、抽象、推理、决策等 功能，并能根据环境( 包括被控对象或被控过程) 信息的变化做出适应性反应，从而实 现由人来完成的任务。智能控制的概念和原理主要是针对被控对象、环境、控制目标或 任务的复杂性而提出来的。近年来，神经网络、模糊数学、专家系统、进化论等各门学 科的发展给智能控制注入了巨大的活力，由此产生了各种控制方法。智能控制的几个重 要分支为专家控制、模糊控制、神经网络控制和遗传算法。被控对象的复杂性表现为： 模型的不确定性，高度非线性、分布式的传感器和执行器，动态突变，多时间标度，复 杂的信息模式，庞大的数据量，以及严格的特性指标【坷； 1 2 2 1 谐波电流检测 准确、实时地测量出电网中瞬态变化的电压或电流信号是有源滤波器进行精确补偿 的关键。在有源电力滤波器的补偿分量检测方法的研究方面，经历着一个由频域、时域、 4 天津科技大学硕士学位论文 神经网络、自适应参数辨识的发展过程。 提取基波分量法与基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法是早期被采用的谐波电流 检测方法，但是这两种方法由于其各自的缺陷目前已较少采用【堋。 2 0 世纪8 0 年代由赤木泰文提出了三相电路瞬时无功功率理论，现在包括p q 检测 法、z 。一f 。检测法以及d q 检测法1 2 3 1 。文献【2 0 】【2 1 】表明，基于三相瞬时无功功率理论的 无功电流和谐波电流检测方法全部采用模拟电路实现，具有较好的实时性。但是，这种 方法使用了众多的模拟乘法器，计算量相对较大，调整困难，参数依赖性很大，难以保 证设计精度，另外，低通滤波器的截止频率、阶数等方面的选择对检测精度也有很大影 响，同时，模拟低通滤波器的使用会使检测结果产生一定的延时。该方法一般只适用于 三相系统，当用于单相系统时，会大大增加检测的复杂程度。即便是这样，该方法仍然 是目前最有影响及应用价值的方法，并且许多学者在该理论的基础上也提出了可行的改 进方法【捌l 。西安交大的杨君等人在文【2 5 】中提到了一种不需要测量电压值的电流检测 法，避开了电压畸变的影响。a n a b a e 、童梅等人为了避开坐标变换和高通( 或低通) 滤波， 分别提出了不需要坐标变换的检测方法吲l z 7 j 和不需要滤波环节的基于极坐标定义的检 测方法网。杨君等人又将瞬时无功功率理论由三相供电系统扩展到单相供电系统刚。 此外，2 0 世纪9 0 年代以后，随着数字控制技术的发展，尤其是d s p 的迅速发展， 无法利用模拟电路实现的一些检测方法得到了成功地应用，其中具有代表性的是基于傅 立叶分析的检测方法刚，该方法目前在有源滤波器中得到了很好地应用。但是当电网电 压波形畸变严重或者频率波动时，将会引起较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测 精度影响很大。 由于人工神经网络具有良好的自学习和自适应能力，因此人们将智能控制理论应用 到谐波电流检测上【3 1 - - , 7 1 。近年来将神经网络用于谐波检测的文献较多，并取得了一些工 程应用成果，概括起来主要有两个方面【1 0 】：其一，将自适应线性人工神经网络( m a e a l i n e ) 和自适应对消噪声技术相结合进行谐波检测【3 1 】【3 3 】：其二，提出了基于多层前馈网络自适 应人工神经网络( 1 沮王n 哪的电力系统谐波检测方法，该方法利用多层前馈网络的函数逼 近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络来进行谐波检测【3 2 j 。 1 2 2 2 有源电力滤波器的控制策略 有源电力滤波器的控制目标有两个：一是保持主电路直流侧电压的稳定直流侧 电压控制；二是保证有源电力滤波器输出的补偿电流跟踪其指令电流的变化一电流控 制。对于直流侧电容电压控制，可采用传统的p i 控制，但p i 参数的调试通常比较困难【3 3 】。 文【3 8 】将模糊控制应用于直流侧电压的控制，控制效果好于p i 控制器。 常见的补偿电流控制方式是滞环比较控制和三角载波电流控制。这两种方法各有优 缺点，滞环比较控制的优点是该方法简单、容易用模拟电路实现而且动态性能好，不需 要考虑系统参数和变流器内部的参数，具有强鲁棒性。其缺点是开关步骤不确定，不能 有机地产生零矢量，存在非优化的开关过程，在低调制比时会造成开关频率很高。三角 载波电流控制的优点是开关频率固定，响应速度快，对高开关频率的系统具有较好的控 5 1 前言 制特性；其缺点是跟踪误差大，并且由于高频的三角波使变流器始终以高频状态工作， 从而产生较大的开关损耗和高频失真，在大功率应用中受到限制。这两种方法虽然简单 易懂，但是跟踪误差都比较大，并且只有开关频率比较高的情况下，才有比较理想的补 偿效果。 随着现代控制理论和微处理器技术等方面的发展，p w m 变流技术出现了向全数字 化控制和智能化方法发展的趋势。在微处理器技术应用方面，随着微处理器性能日益增 强，电力电子装置的控制系统逐步数字化。并且由于具有高速运算能力的数字信号处理 器( d s p ) 的广泛应用，使得一些复杂的控制方式：例如空间矢量控制陟蛔、无差拍控 锘l j 4 3 的实现成为可能。文 4 0 4 1 说明了基于电压矢量控n - y 的滞环控制在降低开关频率 方面的优势。在现代控制理论和策略的应用方面，一些新的控制方式，如：迭代学习控 制f 4 5 】、滑模变结构控制 4 6 4 7 1 、模糊控制【秘习、内模控制【5 3 】、神经网络控制l 湖、自抗扰 控制器 5 7 - 5 8 1 等也逐渐进入电力电子系统的控制领域。文【蜘将自抗扰控制技术与日。控 制技术引入到有源电力滤波器系统中，具有较好的补偿效果。 模糊神经网络技术是智能控制的重要研究领域之一，具有学术理论意义和实际应用 价值。模糊神经网络控制器，由于其既具有模糊控制器的善于利用经验知识、推理能力 强等特点，又具有神经网络控制器的善于直接从控制数据中学习知识、学习能力强等特 点，所以将其应用于电力电子系统的控制方面具有可行性。 1 3 本文的主要工作 本文主要针对3 8 0 v 低压系统，补偿容量为5 0 k v a 且单独使用的并联电压型有源电 力滤波器进行研究。这是有源电力滤波器最为基本的形式，可以作为研究其它类型有源 电力滤波器的基础。本文主要研究内容如下： 1 介绍了谐波的产生、危害及抑制方法，概述了有源电力滤波器的提出、发展过程及 研究现状，给出论文的主要研究内容。 2 系统地分析了并联电压型有源电力滤波器的工作原理、系统构成、分类、补偿特性、 控制方式、主电路形式及其参数选择等基本问题，给出电压为3 8 0 v 、容量为5 0 k v a 的并联电压型有源电力滤波器方案设计。 3 对有源电力滤波器的谐波电流检测方法进行研究。叙述了瞬时无功功率理论的基本 思想，并对p g 检测法、f 。一i o t t 测法及其改进方法d q 检测法进行理论分析和仿 真研究。另外，采用一种基于神经网络的谐波电流检测方法并进行了仿真，仿真结 果表明该方法具有可行性和优越性。 4 分析、研究了有源电力滤波器的控制策略。对直流侧电压控制环节，给出了模糊p i 控制与自适应神经元控制两种方案，与传统p i 控制进行比较，这两种控制方法分别 在电流畸变率的抑制与实时性上占有优势。在补偿电流控制电路方面，本文提出模 糊神经网络控制策略，对模糊神经网络控制器在有源电力滤波器中的应用进行初步 探索，仿真结果验证了该控制器具有比较优良的控制品质。 6 7 2 并联型有源电力滤波器研究基础 2 并联型有源电力滤波器研究基础 2 1 有源电力滤波器的基本原理和系统构成 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 频率和大小都发生变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，其应用克服了传统的无源滤 波器谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点。本章首先介绍有源电力滤波器的基本工作原 理和分类，然后介绍并联型有源电力滤波器的系统构成、主电路结构及系统参数选择。 2 1 1 有源电力滤波器基本原理【1 】 图2 - 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中巳表示交流电源电 势，t 为交流电源电流，非线性负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生谐波，i ，为 负载电流，i 。为补偿电流，i ：为补偿电流的指令信号。有源电力滤波器由两大部分组成【1 1 ， 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补 偿对象电流中的谐波分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补 偿电流的指令信号产生实际的补偿电流，主要由电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路 三部分构成。与有源电力滤波器并联的高通滤波器f i p f 用来滤除有源电力滤波器所产生 的补偿电流中开关频率附近的谐波。 l - - - - - - 一j 图2 - 1 并联型有源电力滤波器的原理框图 f i g , 2 - 1 c o n f i g u r a f i o no f t h es h u n t a p f 以图2 - 1 所示并联型有源电力滤波器为例，有源电力滤波器的基本工作原理是，检 测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号e ，该信 号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流i c ，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流。 当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流f ， 的谐波分量i n ，将其反极性后作为补偿电流的指令信号f ：，由补偿电流发生电路产生的 8 天津科技大学硕士学位论文 补偿电流t 即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反。因而两者互相抵消，使 得电源电流中只含基波，不含谐波，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述 原理可用以下述原理可用如下的一组公式来描述： l l l 工+ z c 屯。+ 1 i k 。一 i 0 一屯+ 乞- 0 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中f ，负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器