（电气工程专业论文）有源电力滤波器瞬时值比较控制策略的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 # 线性负载的大量使用，造成电力系统中的谐波问题日益严重，迫切需要对 其进行治理。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 ) 是目前治理谐波 相当有效的装置之一，其谐波电流检测方法和控制方法是决定其性能的关键性环 节本论文就a p f 盼控制方法进行了研究，主要内容如下： 首先介绍了几种单周控制( o n e - c y c l ec o n t r o l ，简称o c c ) 策略在单相a p f 中的应用情况，分析了各自的原理，给出了各自的控制电路及电流波形，重点对 它们进行了稳定性分析分析结果显示，在相同的电路参数下，双向互补策略的 稳定性最好，能够达至0 全局稳定 针对定时控制瞬时值比较法应用于a p f 时存在局部稳定性问题，本文运用双 向互补思想，提出了一种双向互补的瞬时值比较法对其进行改进，并对此进行了 仿真研究。仿真结果说明，与传统的定时控制瞬时值比较法相比，将这种控制方 法应用于单相a p f 和三相a p f 中不仅能极大地扩展系统的稳定工作范围，而且能 减小补偿电流误差 同时，在此基础上，提出了一种不需电流检测电路的双向互补瞬时值比较控 制a p f ，这种a p f 参照双向互补单周控制a p f 结构，让电源电流跟随电压波形变 化，因而不需电流检测环节，极大简化了电路结构与双向互补单周控制a p f 相 比，这种不需电流检测的双向互补瞬时值比较控制a p f 电路简单，控制方便，而 且补偿效果好仿真结果验证，不管是单相还是三相系统，这种a p f 都能很好地 补偿谐波和无功电流 最后，在仿真基础上，对双向互补瞬时值比较控制的单相a p f 进行了实验研 究，并设计调试了试验样机，结果验证了这种a p f 的可行性。 关键词：有源电力滤波器，单周控制，双向互补，瞬时值比较 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ew i d e s p r e a du s eo fn o n l i n e a rl o a d si sl e a d i n gt oh a r m o n i cp r o b l e mb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u si np o w e rs y s t e m , s oi ti si nu r g e n tn e e do fc o m p e n s a t i o nf o rt h e h a r m o n i e s r e c e n t l ya c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p f ) i sa v i a b l ee q u i p m e n tt oe l i m i n a t et h e h a r m o n i e sa n di t sp e r f o r m a n c ed e p e n d so i lt h em e t h o da n dt h ec o n t r o lt e e h r t i q u e s t h i s p a p e rs t u d i e s c o n t r o lm e t h o d so f a p fa n dt h em a i nc o n t e n t s 黜雒f o l l o w s ： a tt h eb e g i n n i n g , s e v e r a lo n e , - e y e l ec o n t r o l ( o c c ) s 位a t e g i e si ns i n g l e - p h a s ea p f a 把i l l u s t r a t e da n dt h e i rp r i n c i p l e s 辨p r e s e n t e di nt h ep a p e r , t h es t a b i l i t yo fo c c a p p r o a c h e si sa n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tu n d e rs l e i m ec i r c u i t p a r a m e t e r sd o u b l e - d i r e c t i o nc o m p e n s a t i o ne o n t a o ls l r a t e g yi sm o s ts t a b l e ，b e s i d e s , b y m e a n so fd o u b l e - d i r e c t i o nc o m p c i l s j t l i o nc o n t r o ls t r a t e g yt h eg l o b a ls t a b i f i t yc 锄b e r e a l i z e d b e c a u s et h et i m e - c o n t r o li n s t a n t a n e o u sc o n l l i s o nm e t h o dh a sap r o b l e mo f l o c a l i z e di n s t a b i l i t yw h e ni ti su s e di na p f t h i sp a p e rp r e s e n t s 弛i m p r o v e dm e t h o d b a s e do nd o u b l e - d i r e c t i o no , o m p c n 鲥o ne o n l r o ls t r a t e g ya n dr e s e a r c h e si t ss i m u l a t i o n s i m u l a t i o nl 岱t t l t sv e r i 母t h a t , c o m p a r e dw i t ht h et y p i c a lt i m e - c o n t r o li n s t a n t a n e o u s c o m p a r i s o nm e t h o d , t h es t a b i l i t yr e g i o ni se n l a r g e da n dt h ee r l o rb c t w c c nc o m p e n s a t i n g c u r r e n ta n dr e f e r e n c e ds i s m li sr e d u c e db yt h ed o u b l e - d i r e c t i o ne o m p e m a t i o n i n s t a n t a n e o u sc o m p a r i s o ne o n l r o l l e da p fi ns i n g l e - p h a s ea n d t h r e e - p h a s es y s t e m f u r t h e r m o r e ，d o u b l e - d i r e c t i o nr , o m p c l l s a t i o l li n s t l m t l l l l l ：o u sc o m p a r i s o nc o n t r o l l e d a p fw i t h o u tc u r r e n t - d e t e c t i o nc i r c u i ti sp r e s e n t e d t h en o v e la p fc o n s u l t st h eo c c a p ft ol e ti n p u tc t m e n tf o l l o wi n p u tv o l t a g ec h a n g ea n di i e l n td e t e c tc u r r e n t , t h u st h e s y s t e mc i r c u i ts i m p l i f i c a t i o n i nc o n t r a s tw i t hd o u b l e - d i r e c t i o nc o m p e n s a t i o no c c c o n t r o l l e da p f , t h ed o u b l e - d i r e c t i o nc o m p e n s a t i o ni n s t a n t a n e o u sc o m l 咖 i s o nc o n t r o l l e d a p fw i t h o u tc t u r e n t - d e t e e t i o nc i r c u i th a sas i m p l ec i r c u i t , 翘e a s yc o n t r o la n dag o o d c o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h eh a r m o n i ca n dn 删v e c u l r e n ti se l i m i n a t e db yt h ep r o p o s e ds c h a n cn o to n l yi ns i n g l e - p h a s eb u ta l s oi n t h r e e - p h a s es y s t e m f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a l 玎葛e 砌o fs l n g l e - p h a s ea p fw i t hd o u b l e - d i r e c t i o n c o m p e n s a t i o ni n s t a n t a n e o u sc o l l l p t t j $ o nc o n l r o li sb u i l tb a s e do nt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m 跚ts a m p l ei so b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f l l t l lt h ef e a s i b i l i t yo ft l a i 8 s c h e m e 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 k e y w o r d ：a c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p f ) ，o n e - c y c l ec o n t r o l ( o c c ) ，d o u b l e - d i r e c t i o n c o m p e n s a t i o n , i n s t a n t a n e o u sc o m p a r i s o n i j i 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及取 得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：纨嚼 签字日期明年歹月上7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：徐i 签字日期：2 1 年f 月7 目 名；阀 辩醐。叩朋7 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 谐波问题与及其研究意义 目前，随着电力电子技术的发展，晶闸管整流器和换流器得到了广泛应用， 但这些电力电子装置含有大量可控硅元件，成为很大的谐波源，产生了大量的非 线性时交负荷，使注入电网的谐波分量增多，致使系统中电压，电流波形发生畸 变，造成电力系统的。谐波污染”i i j 电力系统谐波是电能质量中最为重要的指标之一田，日益突出的谐波污染问题 将会对电力系统的安全经济运行造成严重的危害，使某些设备无法正常工作或引 发重大事故1 3 - 5 因此，谐波问题已引起了世界各国的高度重视。 1 1 1 谐波的危害 目前，谐波危害主要表现为以下几个方面： ( 1 ) 增加发、输、供和用电设备的附加损耗：谐波中高频电流的集肤效应增 加了对谐波电流的有效电阻，使设备功耗、能耗增加，导体发热严重。谐波对旋 转电机的影响主要是产生附加的损耗和转矩，集肤效应、磁滞、涡流等随着频率 的增高使旋转电机的铁心和绕组中的附加损耗增加，雨供电系统中电动机负荷约 占总负荷的8 5 ，因此，谐波使附加损耗增加的影响最为显著；谐波电流对变压 器的影响主要是使变压器的铜耗增加，特别是3 次及其倍数次谐波，对三角形连 接的变压器会在其绕组中形成环流，使绕组过热，对全星形连接的变压器，当绕 组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容时， 可能形成3 次谐波振荡，使变压器附加损耗增加。 ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性：谐波严重影响电力系统中以 负序( 基波) 量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序( 基波) 量整定的保 护装置，整定值小、灵敏度高如果在负序基础上再叠加谐波干扰( 电气化铁道、 电弧炉等谐波源本身即负序源) 则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生 严重后果其它如变电站主变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、 故障滤波器、自动准同期装置等发生误动，都会严重威胁电力系统的安全运行 ( 3 ) 影响测量和计量仪器的准确性：电力计量装置按5 0 i - ! z 的标准正弦波设 计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。有谐波 源时，该处用户的电能表的记录为其吸收的基波电能减去小部分谐波电能，故谐 波源污染电网却反而少交电费；而线性负荷用户处电能表的记录是该用户吸收的 基波电能及部分的谐波电能，后者不但使线性负荷性能变坏，还要多交电费 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 4 ) 干扰通信系统的工作：电力线路上流过的3 、5 、7 、1 l 等幅值较大的奇 次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系 统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发 电话铃响，甚至在极端情况下威胁通信设备和人员的安全。高压直流换流站换相 过程中产生的电磁噪声( 3 1 0 k h z ) 会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用 载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。 ( 5 ) 影响用电设备的正常工作：谐波会使电视机，计算机的图形畸变，画面 亮度发生波动变化，并使机内的元件过热，计算机及数据处理系统出现错误。对 于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯则会在一定参 数的配合下，形成某次谐波谐振，损坏镇流器或电容器对于采用晶闸管的变速 装置，谐波可使晶闸管或控制回路误动。 ( 6 ) 影响产品质量，造成经济损失。例如，轧钢机带来的谐波问题会对轧钢 机自身钢铁产品质量造成影响，给企业造成很大的经济损失 1 1 2 研究谐波的意义 由于谐波危害十分严重。因此谐波问题成了一个十分迫切需要解决的问题 对谐波进行研究，可降低其在电网中的含量，减少其危害，对提高电能质量、消 除安全隐患等有重大的意义 研究谐波的另一个意义在于促进电力电子技术的发展。电力电子技术是未来 科学技术发展的重要支柱，然而现今，电力电子装置所产生的谐波污染问题已成 为阻碍电力电子发展的重大障碍要想大力发展电力电子技术，就必须克服其带 来的谐波问题，研究谐波治理的办法 1 2 谐波抑制方法 为了解决谐波污染问题，主要有两条基本的思路嘲；一条思路是降低谐波源的 谐波含量，即在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生，这条思路适用 于电力电子设备作为主谐波源的情况；另一条是利用谐波补偿装置来对谐波进行 补偿，这条思路对于各种谐波源都是适用的 ( 1 ) 降低谐波源的谐波含量 这种方法比较积极，能够提高电网质量，可节省因消除谐波影响而支出的费 用。具体方法有：增加整流器的脉动数整流器是电网中的主要谐波源，增加 整流脉动数，可平滑波形，减少谐波；三相整流变压器采用y ，或y 的接线， 可消除3 的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波最基本的方法 ( 2 ) 加入谐波补偿装置 传统的谐波补偿装置是采用无源滤波器这种方法既可以补偿谐波，又可以 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 补偿无功功率，而且结构简单，因此一直被广泛使用不过，这种方法的主要缺 点是其补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐 波放大，使无源滤波器过载甚至损坏另外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿 效果也不尽人意。 现在谐波补偿装置已逐渐由无源的装置转向有源的或有源无源相结合的装 置。目前，有源装置主要分为有源功率因数校正器( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ， 简称a p f c ) p ) 和有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) s q 0 加入有源功率因数校正器，可以提高功率因数，使电力电子器件装置不产生 谐波它在抑制谐波、用于谐波治理时，是用在用户端的，但有许多造成谐波污 染的用电设备已投入到了使用中，不可能再从用户端来进行治理。这时，可以采 用有源电力滤波器进行谐波治理，有源电力滤波器被认为是现阶段谐波抑制的一 种相当有效和很有前途的装置 1 3 有源电力滤波器 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成，直到8 0 年代以来，大 中功率全控型器件发展的成熟、p w m ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术的进步、 以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法的提出，有源电力滤波器才得以 迅速发展【l l - n 1 近几年，在国外有源电力滤波器已被应用于工业和民用设施中 1 3 1 有源电力滤波器的结构 有源电力滤波器主要由有害电流检测电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和 主电路构成，如图1 1 所示有害电流检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的 有害电流( 谐波电流，无功电流，或谐波和无功电流) 分量，因此有时也称之为 谐波和无功电流检测电路。主电路有电压型和电流型p w m 逆变器结构，常采用电 压型p w m 逆变器结构。 图1 1 a p f 工作原理图 f i g 1 1t h ew o r k i n gp r i n c i # eo f a p f 3 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 有源电力滤波器工作原理为：首先对负载电流进行检测，得到补偿电流的指 令信号，再由a p f 主电路产生一个与之相等的补偿电流“注入”电网，以改善电 源电流 1 3 2 有源电力滤波器的特点 与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有以下几方面的特点： ( 1 ) a p f 可同时对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象的变化有 极快的响应 ( 2 ) a p f 的补偿特性不受电网阻抗的影响，不易和电网阻抗发生谐振，能跟 随电网频率的变化。 ( 3 ) a p f 既可对一个谐波源进行单独补偿，也可对多个谐波源进行集中补偿。 ( 4 ) a p f 即可以补偿谐波，又可以补偿无功、抑制电压闪变，有一机多能的 特点。 因此，a p f 有着良好的应用前景，是现阶段谐波抑制的一个重要趋势，正越 来越受到人们的重视。 1 3 3 有源电力滤波器的分类 根据a p f 输出电压电流相数，可将其分为单相a p f 和三相a p f 。单相a p f 主要用于补偿单相负载所产生的谐波，如电力机车三相a p f 主要用于补偿三相 负载所产生的谐波，如三相轧钢机 根据a p f 接入电网的方式，可将其分为并联型a p f 和串联型a p f ，若其主电 路与负载并联接入电网，则称之为并联型a p f ，若其主电路与负载串联接入电网， 则称之为串联型a p f ，图1 1 所示即为并联型a p f 在多数情况下，并联型a p f 主要用于补偿可看作电流源的谐波源，典型的如 直流侧为阻感负载的整流电路此时，a p f 向电网注入滤波电流，抵消谐波源产 生的谐波，使电源电流为正弦渡。串联型a p f 主要用于补偿可看作电压源的谐波 源，如电容滤波型整流电路，这种电路从交流侧可看作电压源。针对这种谐波源， 串联型有源电力滤波器输出滤波电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电 压波形呈为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关系目前，因为电网中 可看作电流源的谐波源居多，所以并联型a p f 应用较多 1 3 4 有源电力滤波器的谐波电流检测方法 谐波电流检测方法和控制方法对a p f 有很大影响，是决定其补偿性能和效率 的两大关键性环节，各国学者对a p f 的研究也主要是围绕这两方面而展开的。 目前，从国内外的现状来看，谐波电流检测方法主要有以下几种【“1 6 1 t ( 1 ) 基于傅立叶变换的谐波电流检测方法 这种方法是根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得到谐波电 重庆大学硕士学位论文l 绪论 流它已由离散傅立叶变换过渡到了快速傅立叶变换。其优点是：精度较高，功 能较多，使用方便其缺点是需要进行多次变换，计算量大，计算时间长，从而 使得检测时间较长，检测结果实时性较差，而且信号频率与采样频率难以达到一 致，易产生频谱泄漏效应和栅栏效应。因此，常采用加窗的方法来改进谐波间的 泄露引起的误差，用插值算法来消除栅栏效应。 ( 2 ) 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 该方法是目前a p f 中应用最广的一种检测方法，最早是有日本学者赤木泰文 于1 9 8 4 年提出的，经过不断地改进，现在包括p - q 法，i p i q 法以及d - q 法。其中， 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；站i q 法不仅在电压畸 变时适用，在电压不对称的情况下也同样有效：基于同步旋转坐标变换的d - q 法也 能适用于电网电压不对称、畸变的情况，而且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) 的检测电路相对比较 简单。 ( 3 ) 自适应检测方法 该方法是基于自适应噪声对消原理，把电源电压作为参考输入，被检测的负 载电流作为原始输入，电流经自适应滤波器处理后输出一个与负载电流基波有功 分量幅值和相位均相等的信号，将此信号从负载电流信号中减除，即可得到谐波 和无功电流的总和目前已有人用神经网络或模拟器件实现的方法将白适应滤波 理论应用于谐波电流和基波无功电流的检测，结果表明，其系统工作特性几乎不 受元件参数变化的影响；当电压发生波形畸变或有基波偏差时，检测系统仍能正 常工作，具有良好的自适应能力，是一种有发展前途的方法，但将它应用于实践 构成完整的a p f 尚不多见。 ( 4 ) 基于小波变换的谐波电流检测方法 小波变换同时具有时域和频域的良好局域化性质，克服了傅立叶变换在频域 完全局部化而在时域完全无局部化的缺点它能将信号分解成交织在一起的多种 尺度成分，并对于大小不同的尺度成分采用相应粗细的时域或频域采样步长，从 而能够不断地聚集到对象的任意微小细节将小波变换应用于谐波电流检测，思 路是通过对含有谐波分量的电流信号进行正交小波分解，分析电流的各个尺度的 分解结果，并利用多分辨的概念将低频段上的结果看作不舍谐波的基波分量。 在以上检测方法中，基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法简单易行， 并已趋于成熟，今后将在a p f 谐波电流检测中占主导地位基于傅立叶变换的谐 波电流检测方法现今已比较成熟，但由于实时性较差不常用于a p f 中，常用于谐 波分析仪中；自适应检测法和基于小波变换的谐波电流检测方法尚处于研究阶段， 能否用于工程实际中，还需进一步验证 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 5 有源电力滤波器的控制方法 目前，有源电力滤波器控制方法主要有以下几种： ( 1 ) 瞬时值比较法 瞬时值比较法是a p f 最常见的控制方法，它主要包括采用滞环比较器和定时 控制的瞬时值比较法两种 0 3 。 采用滞环比较器的瞬时值比较法【1 7 】原理如图1 2 ( a ) 所示，它是不断地把补偿电 流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者的差作为滞环比较器的输入， 通过滞环比较器产生控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流保持在滞环内， 围绕给定电流值上下波动 鼍产b 号 l 滞环比较嚣 号 ( a ) 采用滞环比较器的瞬时值比较法( ”定时控制瞬时值比较法 图1 0 瞬时值比较法原理图 r i g 1 2t h ep r i n c i p l eo f i m t a m a n e o u s 群i r i s o nm e t h o d 该方法的优点是硬件电路简单，实时性好，电流响应快，不需要载波，控制 精度较高，而且不需要了解负载性质，其输出电压不含特定频率的谐波分量其 缺点是滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大的影响，存在极限环现象，有导 致很高的开关频率而损坏器件的危险【l s l 当宽度较大时，开关通断的频率较低， 使得跟随误差较大；当宽度较小时，则开关通断的频率较高，损耗增加，甚至可 能超过器件允许的最高工作频率而导致器件损坏针对频率不固定，文献 1 9 】提出 了一种恒频滞环电流控制算法，它通过调整环宽使开关器件频率达到恒定 定时控制的瞬时值比较法是为克服滞环比较法开关频率不周定这一缺点而提 出的，它是用一个有定时控制的比较器来代替滞环比较器，如图1 2 所示在此 方法中，每个时钟周期对补偿电流误差只判断一次，使得p w m 信号至少需要一个 周期才变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号 的频率就限制了器件的最高工作频率，从而避免了器件频率过高的情况发生其 不足之处是，补偿电流的跟随误差是不固定的，不容易控制，补偿电流波形中毛 刺较多 ( 2 ) 三角波比较法( 或称为三角波脉宽调制电流控制方法) 三角波比较法嘲是一种比较简单的电流跟踪控制方法，其原理如图1 3 所示 它与其它用三角波作为载波的p w m 控制方式不同，它不是直接将指令信号与三角 波比较，而是将指令信号与补偿电流信号的偏差经放大器a 之后再与三角波比较 放大器a 往往采用比例放大器或比例积分放大器这样组成的一个控制系统是基 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 于把控制作为最小来进行设计的。此方法可使器件的开关频率固定，线路简单， 但跟随速度较慢，电流误差较大，输出波形中含有与三角波相同频率的高频畸变 分量，开关损耗大，同时与瞬时值比较法相比硬件较为复杂，一般用于中小功率 逆变器中 图1 3 三角波比较法原理图 f i g , 1 3t h ep r i n c i p l eo f 订i a n g l e - w a v ec o m p a r i s o nm e t h o d 为减小补偿电流脉动误差，文献【2 0 】提出了一种改进的三角波比较法，它在传 统控制方法的输出指令电压中增加了一个与电源电压瞬时值成正比的量，可提高 交流器输出电压的准确性，使a p f 实际输出电流能够精确地跟踪指令电流的变化。 ( 3 ) 空间矢量控制 空间矢量控制( s p a c ev e c t o rc o n t r o l ，简称s v c ) 2 1 1 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局限于电机应用场合，但 现在它已发展成一种能够普遍应用p w m 技术。它将逆变器的三相电压输出、 l i b 、l 屯先通过d - q 变换，求得d - q 坐标下的参考向量c 厂埘，再根据矢量合成法则和 p w m 的面积原则，按照一定的顺序和作用时间发出8 种开关状态对应的8 个矢量 来合成期望的【k ，从而得到期望的地、蜥、，如图1 4 所示 图1 4 空间电压矢量控制原理图 f 嘻i at h ep r i n c i p l eo f s l m c ev o l t a g ev e c t o rc o m r o l 即实现了对三个变量的控制改为对一个矢量的控制，通过控制开关矢量组合 的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等。此方 法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，而对零矢量的合理控制可 以明显地降低逆变器的开关损耗但是，传统空间电压矢量控制算法复杂，运算 时间长，占用了大量的系统控制时间 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 文献 2 2 1 把空间矢量分析为基础的多电平滞环控制方法嘲用于a p f 中，提出 了一种基于最优电压矢量的a p f 电流控制方法。该方法的特点是以相间电流误差 作为控制对象，用三个滞环比较器构成参考电压矢量所在区域判别器，在此基础 上应用最优电压矢量实现滞环电流控制，不仅保持三相对称，而且可进一步降低 a p f 的开关频率，减少开关损耗 ( 4 ) 无差拍控制 无差拍控制( d e a db e a tc o n u o l ，简称d b c ) 阱甾1 是一种全数字化控制技术， 它实际上是一种预前控制，其基本原理如图1 5 所示 匝堕p 砸巫于唑 p 啊7 m j j 一逆变器输出预测模型 面再方 控制 f 、 一 图1 5 无差拍控制的原理框图 f i g 1 5b l o c kd i a g r a mo f d e a db e a tc o n t r o l 其基本工作过程是：在k 时刻利用预测模型，根据“d ，i h ( k - 1 ) ，联k - n ) 等不同历史时刻检测到的实际拓，预测出毛( 七+ 1 ) 在已知i g k ) 的情况下，利用逆 变器输出电流预测公式，预测出k + 1 时刻逆变器在不同开关模式下可能输出的补 偿值( 七+ 1 ) 。选取其中与毛( 七+ 1 ) 最接近的乏( 七+ 1 ) 所对应的开关模式作为k + l 时 刻逆交器的开关器件工作模式，并在k + l 时刻执行这样就可以在控制节拍上实 现无差拍补偿，并保证逆变器的实时最优开关模式( 假设预测的毛具有足够的精 度) 无差拍控制逆变器这种方法与传统的p w m 逆变器相比，由于脉冲宽度由控制 方程根据逆变器当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。无差拍 控制逆变器负载适应能力强，对负载切换造成的过渡过程短，对非线性负载输出 谐波失真小但它存在以下缺点：计算量很大；鲁棒性较差；稳态响应的 超调量大；对系统参数依赖性较大无差拍控制使一种基于电路方程的控制方 法，控制方程不仅决定于负载的性质，而且与负载的大小有关，因此控制系数需 要根据负载的变化做相应的调整另外，控制器为了达成在一个采样周期内消除 无差的效果，往往采取非常剧烈的控制动作，当理想模型与实际对象有差异时， 这样做不仅达不到无差拍效果，反而会引起输出电压的震荡，不利于a p f 的安全 运行 针对计算量大这个问题，文献【2 6 】在此基础上提出了一种改进的控制方法一 差拍控制法，可大大简化计算量 ( 5 ) 变结构控制 s 重庆大学硕士学位论文1 绪论 变结构控制( v a r i a b l es m m t u r ec o n t r o l ，简称v s c ) 口7 】理论是2 0 世纪5 0 年代 前苏联发展起来的。它的独特之处就是对系统的变化和对外部的干扰不敏感，具 有很强的鲁棒性，无论在设计方面还是实现起来都很容易。 文献【2 8 】应用此控制理论，在建立空间矢量数学模型的基础上，运用变结构控 制方法来控制混合型a p f ，能避免较复杂的谐波电流计算，实现对电源电流和电 容电压的闭环控制，具有良好的控制性能。另外，在此理论基础上，文献 2 9 - 3 0 提出了滑模变结构控制法，当电流发生突变时，用该方法能较快地跟踪电流的变 化，但它由于存在抖动、补偿后电源电流含有较大的高次谐波等问题，使得它到 目前为止还没有被广泛应用到工程实践中 ( 6 ) 单周控制 单周控制( o n e - c y c l ec o n t r o l ，简称o c c ) 作为一种新的非线性控制方法，最 早由k e y u em s m e d l e y 和s l o b o d a nc u k 提出【3 n ，具有调制和控制的双重性，它是 通过复位开关、积分器、触发电路、比较器来达到跟踪指令信号，在每个周期内 迫使可控开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例【3 2 j 该方法的优点 就是：能在一个开关周期内消除稳态和瞬态误差、反应快、开关频率恒定、鲁棒 性强、易于实现、控制电路简单等，电路如图1 7 所示。 图1 7 单周控制电路 f i g i 7o n e - o d ec o n t r o lc i r c u i t 文献【3 3 】开始把单周控制用到a p f 中，这样不仅控制精度高、结构简单，而 且不需要有害电流检测环节，引起了许多学者的关注，现已被应用到单相、三相 a p f 研究中【，。5 】但单周控制的a p f 会使补偿电流存在直流分量、局部不稳定， 并且不太适合电源电压畸变的情况，因此中外学者提出了很多改进方法，将在下 一章对其进行详细介绍 除了以上介绍的控制方法外，还有一些研究人员将模糊控制 3 0 1 、神经网络控 制 3 7 1 、重复控制口羽、预测控制1 3 9 、无源性控制h 1 1 等先进智能控制算法应用到a p f 控制中，并取得了一定的效果但目前都还处于初级阶段，还没有实际的应用实 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 例旧 1 3 6 研究有源电力滤波器控制方法的意义 a p f 控制方法对a p f 的性能和效率起着关键性的作用，但目前的控制方法都 存在一定的缺陷，在一定程度上影响a p f 性能对a p f 控制方法进行研究，能对 这些方法进行比较，分析出它们的补偿特性，得到它们的使用范围、不足之处， 为它们的改进指明方向，最终能提高a p f 的补偿性能和效率，改善它的使用环境， 对推广a p f 使用范围起一定作用。 1 4 本文所做的工作 a p f 控制方法对a p f 的补偿性能起着决定性的作用，是a p f 关键性环节之一 本论文对一些现有的a p f 控制方法进行分析研究，提出了相应的改进方法以改善 其补偿性能。具体而言，主要工作如下： ( 1 ) 对单周控制策略的a p f 进行了稳定性分析，比较了各种单周控制策略的 稳定范围，得出双向互补策略的稳定性最好，能达到全局稳定 ( 2 ) 针对定时控制瞬时值比较法的a p f 存在局部稳定性问题，运用双向互补 思想提出了一种双向互补瞬时值比较法对其进行改进，以扩展其稳定范围。 ( 3 ) 参照单周控制结构，对基于双向互补瞬时值比较法控制的a p f 进行了电 路结构简化，省去了有害电流检测环节，并用仿真验证其的可行性。 ( 4 ) 用实验验证了双向互补瞬时值比较控制单相a p f 的可行性。 重庆大学硕士学位论文2 单周控制单相a p f 稳定性分析 2 单周控制单相a p f 稳定性分析 单周控制是一种非线性的控制方法，具有调制和控制的双重性，它反应快、 开关频率恒定、鲁棒性强、控制电路简单，能在一个开关周期内抑制稳态和瞬态 误差。目前，单周控制已被成功应用于单相、三相a p f 中，下面对单周控制策略 在单相a p f 中的应用情况进行介绍。 2 1 双极调制单周控制的单相a p f 最先用于单相a p f 的单周控制策略称为双极调制单周控制。双极调制单周控 制的单相a p f 控制目标方程为嗍 。( 1 2 d ) ；足 ( 2 1 ) 式中；u 。= r s 配也，忍为电源输出电流测量电阻，d 为占空比，思为a p f 和负 载电路整体的等效电阻，以为a p f 直流侧电容电压 由式( 2 1 ) 可得到双极调制单周控制单相a p f 的原理图，见图2 1 ( a ) 所示，其电 源电流波形如图2 1 c o ) 所示 ( a ) 单周控制的单相a p f 电路图 熹亭守s奎f 7 7f _ _ - 辛， 一 ，| ； f fff迭支土土获 1 一_一 ( b ) 电源电流波形 图2 1 单周控制的单相a p f 电路及波形图 f i f 2 1t h e c o n t r o lc i r c u i t a n d w a v e f o r m s o f s i n g l e - p h a s e a p f w i t h o c c 重庆大学硕士学位论文2 单周控制单相a p f 稳定性分析 图中：u s 、矗分别为电源电压和电源电流；以、【栅分别为a p f 直流侧电容电 压及其参考信号；s i s 4 为功率半导体器件。为达到式( 2 1 ) 所示控制目标，图中积 分复位器积分时间常数正应等于时钟周期的一半 由图2 1 ( a ) 可知，单周控制的a p f 不需要有害电流检测电路，控制电路结构 非常简单，仅由一个积分复位器、比较器、触发器、p i 调节器和时钟信号c l k 组 成。每个时钟周期开始时，r s 触发器q 端输出高电平，驱使s 2 、s 3 导通，矗开始 上升，同时积分复位器开始对积分，当满足式( 2 1 ) 时，r s 触发器输出翻转，驱 使s i 、s 4 导通，f s 下降并使积分复位器复位。 在控制方程中把毛看成理想的正弦波，因此在理想情况下，单周控制的a p f 要求补偿的电流纹波为o 。但在实际中，补偿的电流纹波并非为o 。根据对式( 2 1 ) 和单周控制原理的分析可知，当电流单周积分到符合式( 1 ) 的时刻，开关信号发生 切换，因此用电源电流峰值跟踪电压的波形，得到图2 ，1 的电源电流由于纹波 的存在，毛向下偏移，存在直流分量。 由于电流直流分量的存在会引起继电保护装置误操作，甚至导致变压器发生 饱和等嗍，因此许多研究人员对单周控制提出了各种改进方法 2 2 单周控制的改进方法 2 2 1 引入纹波法 为消除直流分量，文献【4 3 】用电源电流峰值毛p k 与纹波屯之差代替式( 2 1 ) 中的 ，即 雄( 1 2 d ) = 墨( o a t ) ( 2 2 ) 式中a 屯= ( u 。- - u ) 2 ( 1 - d ) t , 】，其中t 为时钟信号的周期。则新控制目标方程为 2 0 u = 4 盟警丝= u , - r , i , r t + 学( 2 3 ) 将虬= o 一2 d ) u , 代入式( 2 3 ) ，得到另一个控制目标方程，即 一2 历。+ 墨警d ( 1 一d ) ：墨o ( 2 4 ) 根据式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 得到的控制电路和电流波形见图2 2 图2 2 ( a ) 中局和岛 分别为咒l 2 l 和r 。l 4 l ，图2 2 中足为置( 焉+ 恐) 2 r 2 l 比较图2 2 ( a ) 和图2 2 嘞的控制电路发现，控制电路2 无需对电源电压进行检 测，降低了控制电路的复杂性，避免了干扰的引入，稍优于控制电路1 从图2 2 ( c ) 可知，电源电流在正弦波上下变化，证明了该方法可以消除直流偏移。 重庆大学硕士学位论文 2 单周控制单相a p f 稳定性分析 嚣靼一 嚣；匝孓g 瀚 ，s ， s l ( b ) 控制电路2 二 - - r 飞 謇 _ 一_ - - r 一一兰 泛 il 誓么上 一 ( c ) 电源电流波形 图2 2 引入纹波法的控制电路及波形 f i g 2 2t h ec o n u o lc i r c u i ta n dw a v e f o r m so f c u r r e n tr i p p l ei n u o d u c t i o n 2 2 2 双环控制 焉 s l ，s ( 4 ) 控制电路 亲亭守蠢77ff 一k 可 ，l 孔 7 f f遗当 力 ，一l ( b ) 电源电流波形 图2 3 双环控制电路及波形 重庆大学硕士学位论文 2 单周控制单相a p f 稳定性分析 钱挺等m 彤1 提出采用双环控制对单周控制进行改进，其控制电路和波形如图 2 3 所示 与图2 1 ( a ) 相比，图2 3 ( a ) 加入了电流积分环节，当积分时间常数远大于工频周 期时，可实现对电源电流直流分量的闭环调节当电源电流直流分量调节到零时， 积分值，o 达到一个稳态值。加入积分器，可看成对f 。波形进行上移来消除其直流分 量，如图2 3 ( b ) 所示 这种改进方法电路简单，采用积分器不必增加采样通道，易于在控制上实现， 同时可根据控制电路的情况随时自动调整。 2 2 - 3 双向互补策略 若能在u , i e 半周采用原有控制策略，而在u s 负半周改变控制策略