（电气工程专业论文）有源电力滤波器的仿真研究.pdf

。 o 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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：础啊 导师签名： 向视吗 签字日期： 如o 年7 月p 日签字日期：加l 。年多月移日 l 中图分类号：t p l 8 3 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 有源电力滤波器的仿真研究 s i m u l a t i o nr e s e a r c ho na c t i v ep o w e rf i l t e r 作者姓名：张瑜 导师姓名：汤钰鹏 学号：0 8 1 2 2 0 3 6 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：电力电子与电力传动 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ，1 致谢 光阴荏苒，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心 支持我的亲人、老师、同学们表示由衷的谢意。 首先对我的导师汤钰鹏副教授表示深深地感谢。有幸投其门下，从我进实 验室的第一天起，汤老师就十分关心我的科研、学习和生活。学习上，老师深 厚的理论知识，丰富的实践经验使我所获颇深。在课题研究中，老师在大方向 上把关，鼓励我们充分在自己感兴趣的领域发挥，尽所有可能让我们得到充分 锻炼，同时这篇论文的完成也倾注了老师很多心血，甚至错字标点都一一校正。 生活中，老师极强的责任心和豁达的人生态度一直是我学习的榜样。深知老师 平日对我们要求不高但期望很高，所以每一次老师的认可和肯定就是推动我做 的更好的原动力。 其次，刘志刚老师、王立德老师、张和生老师、金新民老师、葛宝明老师、 叶晶晶老师等曾担任过我的授课老师，他们治学严谨、一丝不苟的科研作风深 深地影响了我，成为我人生中一笔宝贵的财富。在此对所有电气学院的老师和 领导表示衷心的感谢。 再次，我还要感谢实验室已经毕业的张晔师姐，王文军、刘承宗师兄，是 他们无私的帮助和指导让我很快融入实验室的科研项目中。还有一起在实验室 工作和学习的李丽娜、王蒙蒙、黄佐林等同学对我论文的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情。 最后，我要深深感谢我的家人，他们的牵挂是我奋斗的动力源泉，他们的 理解和支持使我在学校专心完成我的学业。 。 再一次向北京交通大学电气学院的全体老师致敬，是你们用辛勤的汗水和 无价的知识把我们培养出来。铁打的营盘流水的兵，在即将离校之际，衷心的 祝愿所有老师身体健康，阖家幸福。 ， 中文摘要 中文摘要 摘要：电力电子技术的飞速发展，一方面给电能的变换和应用带来了方便，另一 方面又给电力系统带来了较严重的电能质量问题，如谐波污染、无功问题、电压 波动及不平衡等。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 ) 是一种补偿谐波电 流和无功功率的现代电力电子设备，对比其他无源滤波等装置有不可比拟的优势。 本文选择三相并联型有源电力滤波器作为研究对象。利用m a t l a b 仿真软件搭建仿 真模型，重点研究了谐波电流检测方法和电流跟踪控制策略。 本文研究了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法的朋法、f 。一f 。法和 d q 法以及基于神经元自适应干扰对消的自适应谐波检测法。研究了采用f 。一f 。谐波 检测法时，低通滤波器的截止频率不同，对a p f 系统的动态响应和检测精度的影 响。通过搭建仿真模型，对f 。一法和自适应检测法的稳态性能和暂态性能进行分 析与比较。针对a p f 电流控制问题，提出了四种电流跟踪控制方法：周期采样控 制，三角波比较控制，滞环比较控制和基于空间矢量的滞环控制方法。对三角波 比较法和滞环比较法两种控制方法进行仿真并对补偿效果进行比较。 本文还研究了a p f 主电路参数的选取方法。通过理论分析推导出直流侧电压 和电容值的选择方法，提出了基于自适应谐波检测法的直流侧电压p i 控制方法， 仿真结果验证其可行性。 关键词：有源电力滤波器；自适应谐波电流检测；电流跟踪控制；直流电压控制 分类号：t p l 8 3 v a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , o no n eh a n d ， m a k e sp o w e re n e r g yt r a n s f o r m a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n v e n i e n t l y , a n do nt h eo t h e rh a n d , l e a d st ot h es e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si nt h ep o w e rs y s t e m , s u c h 嬲h a r m o n i c c u r r e n t sp o l l u t i o n ，r e a c t i v ep o w e rp r o b l e m ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n du n b a l a n c e a c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) i so n ek i n do fm o d e mp o w e re l e c t r o n i c se q u i p m e n tw h i c hc a n c o m p e n s a t eh a r m o n i cc u r r e n ta n dr e a c t i v ep o w e r i th a sm u c hm o r ea d v a n t a g e st h a n o t h e rp a s s i v ef i l t e r s t h i sp a p e rc h o o s e st h r e ep h a s es h u n ta p ft os t u d y t h et h e s i s b u i l d ss i m u l a t i o nm o d e lo fa p fu s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，a n df o c u s e so nt h eh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o na n dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o ls t r a t e g y t h et h e s i sr e s e a r c h e sh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o no fp q ，f p 一a n dd qb a s e do n 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 ya n da d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e do n n e u r o na d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gc o n c e p t b e s i d e s ，t h et h e s i sr e s e a r c h e st h ei n f l u e n c eo f d i f f e r e n tc u t - o f ff r e q u e n c yo fl o wp a s sf i l t e r ( l p f ) o nd y n a m i cr e s p o n s ea n dd e t e c t i o n p r e c i s i o no fa p fs y s t e m i ta l s oc a r r i e so u ts i m u l a t i o na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h e s t e a d y 。s t a t ep e r f o r m a n c e a n dt r a n s i e n t p e r f o r m a n c e i n i p 一 m e t h o da n d s e l f - a d a p t i v ed e t e c t i o nt h r o u g hs t r u c t u r i n gs i m u l a t i o nm o d e l s p e c i f i ct oc u r r e n tc o n t r o l p r o b l e mi na p f , t h et h e s i sp r o p o s e sf o u rk i n d so fc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d s i n c l u d i n gp e r i o d i cs a m p l i n gc o n t r o l ，t r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o nc o n t r o l ，h y s t e r e s i s c u r r e n tc o m p a r i s o nc o n t r o la n dh y s t e r e s i sc o n t r o lb a s e do ns p a c ev e c t o r w h a ti sm o r e , t h et h e s i ss i m u l a t e st r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o nc o n t r o la n dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o m p a r i s o n c o n t r 0 1 i ta l s oc o m p a r e st h ec o m p e n s a t i o ne f f e c t s t h et h e s i sr e s e a r c h e st h es e l e c t i o nm e t h o do fp a r a m e t e r si nt h em a i nc i r c u i to fa p e i td e d u c e st h es e l e c t i o nm e t h o d so fv o l t a g ea n dc a p a c i t a n c ei nd cs i d e t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s f i n a l l y , t h et h e s i sp r o p o s e st h ep ic o n t r o lm e t h o da b o u td cs i d e v o l t a g eb a s e do na d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v ei t sf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：a p f ；a d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n ；c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l ； d c v o l t a g ec o n t r o l c l a s s n 0 ：t p l 8 3 v 一j 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t 。v 1 弓i 言1 1 1 谐波及无功的产生原因及危害1 1 2 谐波及无功的抑制2 1 3 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势3 1 3 1 有源电力滤波器的分类。3 1 3 2 并联型有源电力滤波器的工作原理- 6 1 3 3 有源电力滤波器的发展趋势8 1 4 本文所做的工作及意义8 2 有源电力滤波器谐波电流的检测1 1 2 1 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法1 1 2 1 1 瞬时无功功率的基础理论1 1 2 1 2 三相电路谐波和无功电流实时检测1 2 2 2 基于d q 变换的谐波电流检测1 4 2 3 自适应谐波电流检测16 2 3 1 自适应干扰对消原理1 6 2 3 2 自适应谐波检测原理。1 7 2 3 3 自适应谐波和无功电流检测建模仿真：19 2 4 各种检测原理优缺点分析及改进优化2 1 3 有源电力滤波器的控制策略2 3 3 1 有源电力滤波器补偿电流控制策略2 3 3 1 1 周期采样控制。2 3 3 1 2 滞环比较控制2 4 3 1 3 三角波比较方式2 5 3 1 4 基于空间矢量的滞环控制方法2 5 3 2 直流侧电容的选择与电压的选择、控制。2 6 3 2 1 直流侧电容量的选择2 7 3 2 2 直流侧电压的选择2 9 3 2 3 直流侧电压的p i 控制方法3 3 3 3 本章小结3 6 北京交通大学硕士学位论文 4 并联型有源电力滤波器的仿真研究3 7 4 1m a t l a b 仿真软件3 7 4 2m a t l a b 软件中的电力系统元件模型。3 7 4 2 1 电源模型3 8 4 2 2 元器件模型3 8 4 2 3 电力电子器件模型3 8 4 2 4 电机模型3 8 4 2 5 测量仪器模型3 9 4 - 3 并联电力有源滤波器的仿真3 9 4 3 1 负载模型3 9 4 3 2 有源电力滤波器的主电路4 1 4 3 3 基于不同电流检测方法的并联型a p f 仿真4 3 4 3 4 基于不同电流跟踪控制方法的并联型a p f 的仿真5 3 4 4 本章小结5 5 结论5 7 参考文献5 9 作者简历6 1 独创性声明6 3 学位论文数据集6 5 引言 1 引言 1 1 谐波及无功的产生原因及危害 无功电流和谐波含量逐渐增加是一个共同的趋势，这与用电负荷中大量使用非 线性负载和设备有着直接关系。一般而言u 1 ，具有非线性电气特性的设备均成了谐 波源，在电力系统中，波形的畸变主要来源于两大因素。第一是接入电网的电阻、 电容、电感元件的非线性，即阻感负载，比如发电机，变压器、异步电动机等设备。 第二是大量使用的电力电子装置。利用变流器对电压、电流及能量进行控制与变换 可以提高电力装置的性能，但同时引入了波形的畸变。随着电力电子技术在电力系 统中的不断推广使用，产生大量的谐波和无功电流，使电能质量下降，影响用电设 备的安全经济运行。 无功问题的研究历史可追溯到1 8 8 8 年，已有文献指出n 2 1 ，在正弦交流电路中， 负载引起的电压、电流间的相位移导致电能在电源与负载间的往复传输，这一现象 被认为是无功功率的表征。电网中的无功平衡对提高全网的经济效益和改善供电质 量，增加系统稳定性至关重要。目前，电网中绝大部分负荷需要消耗无功，这就要 求系统提供一定量的无功，以支撑供电点的电压。 若系统中出现无功不足或倒送现象，会引起电压波动，负荷所需无功完全由送 电端经长距离提供是不经济的，一般在受电端附近安装无功补偿设备以平衡系统无 功。 谐波与无功是两个相对对立的问题，但两者之间有紧密联系。在正弦系统中， 谐波与无功各有固定的概念和定义。在畸变系统中，谐波同时影响了系统的无功功 率和功率系数。并且产生谐波的装置一般也要消耗基波无功。因此谐波与无功不可 分离。 谐波对各种电力设备、通信设备都会产生有害的影响，严重时会造成设备的损 坏和电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅速增长，谐波的危害日趋严重。 谐波对公用电网和其它系统的危害主要有以下几个方面瞳副： ( 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电设 备的效率。在三相四线制电网系统中，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，甚至引发火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发 热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、 北京交通大学硕士学位论文 绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表 的计量不准确。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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， 这就使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 无功功率对公用电网的影响主要由以下几个方面： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，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，电力用户的起动及控 制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率增加，则总电流增大，因而设备及线路的 损耗增加，这是显而易见的。设线路总电流为i = i 。+ l ，线路电阻为r ，则线路损 耗p 为： a p ：，z r ：( ，；+ 薯) r ：! 享箬尺 ( 1 1 ) u 式中，( q 2 u 2 ) 尺这一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压 产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 1 2 谐波及无功的抑制 为了解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条 是采取主动方式，即对电力电子装置本身进行改造，使其产生谐波很少或者不产生 谐波，且控制功率因数为l ( 只适用于作为主要谐波源的电力电子装置) ；另一条是 采取被动方式，即装设谐波补偿装置来补偿谐波。 传统的抑制高次谐波的方法，是使用l c 无源电力滤波器，一般是根据谐振原理 来工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低，它在很宽的频率范围内呈 现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补偿无功功率，还 具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因，在应用中存在以下难以 克服的缺点n 2 1 ： ( 1 ) 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，并且还存在滤波器过负荷的可能 2 引言 性。 ( 2 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必 须同时加入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 ( 3 ) 随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过 负荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投入 运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预 期的滤波效果。 ( 6 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流动的平衡是 很困难的。 ( 7 ) l c 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而 使装置无法运行。 ( 8 ) 对于特殊的谐波，或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联 谐振而产生“谐波放大现象 ，使电路无法正常工作。 由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题，人们做了许多研 究和探讨，其中最有代表意义的是有源滤波器。有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ， 缩写为a p f ) 是一种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 大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波 器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置，它是目前电力电子技术领域研究热 点课题之一。 1 3 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 1 3 1 有源电力滤波器的分类 有源滤波器有多种分类方式，根据a p f 接入电网的方式不同分为串联型a p f ， 并联型a p f 和混合型a p f ，他们分别适应不同的补偿对象。每一大类下面根据不同 的使用方式又可分为几类，如图1 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 图1 1 有源电力滤波器的系统构成分类 f i g 1 1c l a s s i f i c a t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e r 并联型a p f 等效为一个受控电流源，它向系统注入与谐波电流大小相等，方向 相反的电流，从而达到滤波的目的，图1 2 a 为单独使用的并联型a p f 。并联型a p f 主要适用于电流源型负载的谐波补偿。对于单独使用的并联型a p f ，它具有投切方便 灵活、保护简单、便于多重化等优点。但由于电源电压是直接加在变流器上，所以 对开关器件耐压等级要求较高；负载谐波含量较高时，这种有源滤波装置容量也必 须很大，投资也较高。而将其与l c 滤波器并联，然后再与系统并联的有源电力滤波 器，如图1 2 b 所示，在补偿相同谐波的情况下可以尽量减少a p f 的容量，从而扩 大了补偿装置的补偿容量。 a 单独使用的并联型a p fb 与l c 混合使用的并联型a p f 图1 2 并联型有源电力滤波器 f i g 1 2s h u n t - t y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r 4 引言 串联型a p f 经耦合变压器串接入电力线路，可等效为一个受控电压源，主 要是消除电压型谐波。图1 3 a 为单独使用的串联a p f 。与并联型a p f 相比，由 于串联型a p f 中流过的是正常负荷电流，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。目前单独使用的串联型 a p f 例子较少，研究主要集中在其与l c 滤波器所构成的串联混合型有源电力滤 波器上，如图1 3 b 所示。 0 厂逦 l 一兰j a 单独使用的串联型a p fb 与l c 混合使用的串联型a p f 图1 3 串联型有源电力滤波器 f i g 1 3s e d e s - t y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r 图1 4 所示为串并联型有源电力滤波器，也称为统一电能质量调节器 ( u p q c ) 。在此系统中，一个串联a p f 和一个并联a p f 通过公共直流母线组合 到一起。将串联a p f 控制为电压源来补偿电网基波电压和谐波电压，并联a p f 被控制为电流源吸收负载谐波电流。通过这样的补偿策略，负载端的电压变为标 准正弦电压，并且电网输入电流也变为与电网电压同相的正弦电流。对电网而言， 就如同给纯阻性负载供电一样。 谐波源 u r p 姆譬 j 图1 4 串并联型a p f f i g 1 4s e r i e s - p a r a l l e lt y p ea p f 有源电力滤波器根据主电路直流侧储能元件类型，分为电压型a p f 和电流 型a p f 。电压型a p f 直流侧有大电容，为保持直流侧电压基本不变，需要对直 流侧电压进行控制，交流侧电压为p w m 波；电流型a p f 直流侧接有大电感，为 5 北京交通大学硕士学位论文 保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制，交流侧电流为p w m 波形。 与电流型a p f 相比，电压型a p f 效率高，初期投资少，可任意并联扩容，易于 单机小型化，成本低适用于电网级谐波补偿；与电压型a p f 相比，电流型a p f 的一个优点是不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，但是电流型a p f 的直流侧大电感上始终有电流通过，该电流将在电感的内阻上产生较大损耗，而 且电感较电容体积大，用铜损耗多，因此目前使用装置9 0 以上是电压型a p f 。 a b c a b c 图1 5 三相电压型a p f f i g 1 5t h r e ep h a s ev o l t a g et y p ea p f 7少0 、一 +。 x t 上 y t ， z 77 0 、一l 图1 6 三相电流型a p f f i g 1 6s e r i e s p a r a l l e lt y p ea p f 有源电力滤波器根据电源相数还可分为单相，三相三线和三相四线等形式。 1 3 2 并联型有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器的基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流，然后由补偿 装置产生一个与该谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流，从而消除电网中的 6 引言 谐波电流，使电网电流只含有基波分量。图1 7 为并联型a p f 基本原理框图。 图1 7 并联型有源电力滤波器系统构成 f i g 1 7s y s t e ms t r u c t u r eo fs h u n t - t y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r 上述原理可用如下的一组公式描述： 毛= 屯+ 乞 ( 卜2 ) 吒= 7 盯+ l l h ( 卜3 ) z c = - - l l h ( 卜4 ) z j = t + 1 c = 7 三厂 ( 卜5 ) 其中为电源电流，i l 为负载电流，也为负载电流中的谐波及无功含量，t 为补偿电流，0 为负载电流的基波有功分量。 与传统的l c 滤波器相比，有源滤波器优点如下： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率进 行迅速的动态跟踪补偿。 ( 2 ) 滤波器特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。 ( 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不大。 ( 4 ) 可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节，既 可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿， 性价比合理。 7 北京交通大学硕士学位论文 1 3 3 有源电力滤波器的发展趋势 随着各国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力”的呼声越来越高，有 源电力滤波器将会得到广泛的推广应用。自8 0 年代以来，由于新型电力半导体 器件的出现和p w m 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时检 测方法的提出，有源电力滤波技术得到了迅速发展。近年来，国外已开始在工业 和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用 领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。从应用的 情况来看，关于有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 对谐波理论的进一步研究，完善现有的谐波检测理论体系并建立新体 系，提出新的检测方法和控制策略，进一步发展在线测量谐波电流的技术和产品； ( 2 ) 随着电力电子器件的发展、微机控制技术的完善、数字信号处理器 ( d s p ) 运算速度的提高以及补偿控制策略的不断改进，将会逐步实现滤波器控 制系统的简化与数字化，进一步提高装置的可靠性； ( 3 ) 随着谐波检测向智能化，多功能实用化发展，a p f 将会实现多功能化， 不仅可以补偿系统谐波，还可以补偿无功电流，抑制闪变，稳定系统电压等； ( 4 ) 采用混合型有源电力滤波器系统，减小装置容量以达到降低成本和提 高效率的目的。 1 4 本文所做的工作及意义 a p f 被公认为是治理电网谐波及无功污染、改善电能质量的最有效手段，但 a p f 在国内的应用还远没达到成熟阶段，还有很多问题有待于进一步的研究和完 善。因此，为了实现a p f 在国内的早日普及与应用，对a p f 的检测、控制及实 现技术进行研究具有重大的现实意义。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 研究了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法阳法和f 。一f 。法以 及d q 法，根据f 。一f 。法原理，利用m a t l a b 仿真软件搭建基于f 。一乞法的有源电 力滤波器的仿真模型，通过仿真结果给出了不同截止频率下的低通滤波器对系统 动态响应和检测精度的影响。本文还研究了基于神经元自适应干扰对消的自适应 谐波检测方法，在理论推导的基础上，建立基于自适应检测法的有源电力滤波器 的仿真模型，对其检测性能进行深入分析。最后通过仿真比较了基于f 。一艺法和 自适应检测法的稳态性能和暂态性能。 8 引言 ( 2 ) 针对a p f 电流控制问题，研究了四种a p f 电流控制方法：周期采样控 制，滞环比较法控制，三角波比较控制和基于空间矢量的滞环控制方法。搭建滞 环比较控制方式和三角波比较控制方式的仿真模型，通过仿真结果进行更直观的 比较验证。 ( 3 ) 研究了a p f 直流侧电压控制的基本原理，通过理论分析推导出直流侧 电压和电容值的选择方法，并通过仿真分析了直流侧电压取值对a p f 补偿性能 的影响。本文提出了基于自适应谐波检测方法的直流侧电压的p i 控制方法，仿 真结果验证其可行性。 ( 4 ) 本文对有源电力滤波器主电路进行研究，给出了主电路容量计算方法、 交流侧电感和开关器件的选择方法。通过计算和仿真给出了有源电力滤波器补偿 容量、负载容量与负载晶闸管触发角的关系。 9 有源电力滤波器谐波电流的检测 2 有源电力滤波器谐波电流的检测 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是有源电力滤波器进行精确 补偿的关键。谐波电流的检测方法可分为频域和时域两大类，基于频域的检测方 法主要有带阻滤波器检测法和快速傅里叶变换法等，这种方法优点是可以选择拟 消除的谐波次数，但是具有较长的时间延迟，实时性差，已很少采用；基于时域 的检测方法主要有p - q 法、i p - i q 法、d q 法和a n n 法。以下将主要介绍时域法检 测谐波电流。 2 1 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 2 1 1 瞬时无功功率的基础理论 三相瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，此后该理论经过不断 研究逐渐完善l l 】。赤木泰文最初提出的理论亦称p q 理论，是以瞬时实功率p 和瞬 时虚功率q 的定义为基础。下面介绍瞬时电流i p 和i q 为基础的理论体系。 设三相电路各相电压和电流瞬时值分别为e 。，e c 和f 。，t 。为分析问 题方便，把它们变化到口一两相正交的坐标系上研究，口一坐标系如图2 1 所示。 由下面的变换可得到口、两相瞬时电压e 。、e 。和两相瞬时电流f 。、f 疗。 式帆= 历巴 讣岛目 舭：豳 才彪2 二等2 压一压 l ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 在图2 1 所示的口一平面上，矢量瓦、勤和乏、易分别可以合成为( 旋转) 电压矢量虿和电流矢量亍，e 、i 分别为虿、7 的模。根据矢量图可得： 舌= 瓦+ 易= e 么唬 i p = ic o s 矽 i = 乞+ p = 以办 1 9 = z s l n 矽 ， 北京交通大学硕士学位论文 ； = 乏e l e ；l = ( i 阳 乏 c 2 3 ， 其中= 巴寸 有源电力滤波器谐波电流的检测 l 口| i z 6 j d i 图2 2p 、q 运算方式的原理图 f i g 2 2i l l u s t r a t i v ed i a g r a mo f p 、qo p e r a t i o nm o d e 当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功功率时，就需要同时检测出被补偿 对象中的谐波和无功电流。这种情况下，只需要断开图2 2 计算q 的通道即可。这 时，由p 即可计算出被检测电流乞，i b ，t 的基波分量切、l 。b p f 、0 为： z 珂 l b f f l 万 r - - c 2 ，吲 ( 2 - 5 ) 由于采用了低通滤波器( l p f ) 求取万、石，故当被检测电流发生变化时，需 要经过一定的延时。但当只检测无功电流时，则不需要低通滤波器，而只需要将q 反变换即可得出无功电流，这样就不存在延时了，得到的无功电流如式( 2 6 ) 所 示： l 凹 z q 毒乞翻 ( 2 6 ) 从图2 2 我们可以看出，这种谐波电流检测方法的精度受电网电压影响，当电 网电压为非对称、发生畸变时会导致检测不准，为克服这一缺点，有学者提出i 。、 f 。运算方式的谐波电流检测【2 】。 2 f 。、f 。运算方式 该方法的原理如图2 3 所示。图中c ：ls m 研。一? s 竺i ，c ：c 3 ：z 。 义计算出i p 、q ，经l p f 得出i p 、的直流分量f p 、i q ，这里f p 、i 口是由0 、 0 经过坐标转换得到的，进而计算出么、。 余弦 据定 1 6 ，、 与p 、q 运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需要断开图2 3 i q 即可。而如果只需检测无功电流，则只要对进行反变换即可。 当电网电压对称且电网电压为正弦波时，采用i r 、运算方式和p 、q 运算方 式均能准确地检测出所需的谐波和无功电流分量；当电网电压波形畸变时，i p 、 运算方式的检测结果准确，而p 、q 运算方式有误差。 2 2 基于d q 变换的谐波电流检测 上述基于、i q 的检算方法，在实际装置测量电压时，不可能完好的调节锁相 环使输出与输入信号无相位差，所以存在一定缺陷。因此有学者提出基于d q 变换 的谐波电流检测方法n 引。这种方法能够在三相电流为非对称畸变波形的博况t ! 实现谐波电流的检测。它将n 次电流谐波分解为正序、负序、零序分量：，。、，。、 0 ，。其中n 为谐波次数；+ ，一，0 表示正、负、零序。则： + i 。 一 i 。 o i ， ：丁一1 i 。 ib t l 1 4 ( 2 - 7 ) 有源电力滤波器谐波电流的检测 其中：r = 三 i ；2 - 5 2 ，口= p 等 于是对于三相三线系统，有： i k ( t ) ：主k ( f ) + 删】 j 艺= 驹咖咖( 驴1 ) 等堋 【i l ( 垆驷咖斛( 舻1 ) 等+ 孵】 式中k = - a b ，c 表示相序。 经d q 变换得： 嘲 i 艺( f ) l l = d c lt ( f ) l + d c i n = l i 艺( f ) i ”1 其中：d ：ic 0 s ! 耐s m 耐i ，c ： i 一8 1 1 1 m t c o s c o tl ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 料豳 l1 22 矗压 22 嘲= 店利竺岩二捌 协 嘲= 握喜讲竺：嚣墨 ) 协 【若若】7 表示正序分量的p a r k 矢量；【石】r 表示负序分量的p a r k 矢量。 因此d q 变换将第f 1 次正序分量变成d q 坐标中第n - 1 次分量；将第f 1 次负序 分量变成d q 坐标中的第n + 1 次分量；只有基波正序分量在d q 坐标中为直流分量， 用低通滤波器即可将其分离。在d q 坐标中，最低次谐波分量的频率为工频两倍， 因此低通滤波器的截止频率z ( i o o h z 。通过d q 反变换，可得到基波正序有功分量 和无功分量，与负载电流相减，可获得负载电流的谐波分量。这种方法同样可用 于分解电压中谐波分量。 利用d q 变换计算基波电流的原理图如图2 4 所示： 北京交通大学硕士学位论文 3 2 d q回d q 2 3 变换 变换 。p 反变换 反变换 图2 4 利用d q 变换计算基波电流的框图 f i g 2 4b l o c kd i a g r a mf o rc a l c u l a t i n gf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc u r r e n tu s i n gd qt r a n s f o r m 通过上述变换获得负载电流的谐波分量后，即可获得指令信号，利用该指令 信号对补偿器主电路进行适当的控制，即可实现对谐波电流的补偿。 2 3 自适应谐波电流检测 现有的谐波电流检测方法主要有带阻选频法、f r y z e 时域分析法、基于快速傅 里叶分析法、基于瞬时无功理论方法等。尽管这些方法各有特点，但都存在着难 以克服的问题口5 1 ：检测系统是开环的，所以对元件参数变化和电网频率变化比较 敏感，特别是没有自适应能力，不能较好地跟踪检测。基于自适应干扰对消原理 的自适应谐波检测方法能够克服这些缺点，是一种性能较好，检测精度较高的检 测方法1 6 。 2 3 1 自适应干扰对消原理 自适应干扰对消技术最近几年得到广泛重视，这种方法通过不断自学习和自适 应将检测系统始终保持在最佳状态。图2 5 为自适应干扰对消原理图。检测系统有 两个输入，原始输入s + n o 和参考输入信号是不相关的，且s 与n 。、n ，也是不相 关的，但聆。和是相关的。参考输入信号n l 经过自适应滤波后，产生一输出信号n ：， 刀：无限接近噪声信号，然后用原始信号s + i 1 。减去输出信号刀：，得到系统的输 出信号y = s + 刀o - - r l ：。 参考输入信号珐通过最小方差算法自动调整自身响应，使误差信号e 达到最小 值。当自适应滤波器使误差信号功率e ( 6 2 ) 最小时，则可证明滤波器输出n ：是噪声 信号n 。的最小方差估计。 1 6 有源电力滤波器谐波电流的检测 图2 5 自适应干扰对消原理图 f i g 2 5a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gc o n c e p t 2 3 2 自适应谐波检测原理 根据自适应噪声抵消原理得到自适应谐波电流检测电路如图2 6 ，此系统由 自适应滤波器和9 0 。移相器组成。 负载电流f ( f ) = ( f ) + ( f ) + i h ( t ) = ( f ) + i h ( t ) 作为原始输入，f l ( f ) 为基波 电流，o ) 为基波有功电流，i q ( t ) 为基波无功电流，i h ( t ) 为谐波电流总和。u ( t ) 茭t j 交流电源电压。r l ( f ) ，r 2 ( t ) 代表i z i 个正交的参考输入，f 。( f ) 为系统输出。 图2 6 自适应谐波检测原理图 f i g 2 6a d a p t i v ed e t e c t i n gb l o c kd i a g r a mf o rh a r m o n i cc u r r e n t s 现以r 。( f ) 反馈支路为例来说明其工作原理，r ：( f ) 支路原理与其一样。输出电 流i o ( t ) 与r ，( f ) = d s i n c o ，f 相乘，只有与r ，( r ) 同频率的基波电流的有功分量与其相 乘后才为直流信号，其它信号与冠( f ) 相乘结果为交流信号。直流信号经周期积分 后得到基波有功电流平均值，砌，而交流信号经周期积分后为零。j r 砌再与蜀( f ) 相 乘得到瞬时基波有功电流f 彦( f ) ，同理r ：( r ) 支路会得到瞬时基波无功电流f 向( f ) ，其 北京交通大学硕士学位论文 相加取反后与f ( f )