（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t t h eh a r m o n i cp o l l u t i o no fp o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s w i t ht h eu s i n go fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti np o w e rs y s t e m t h eh a r m o n i cs h o u l d b ee l i m i n a t e db e c a u s ei tc a nd om u c hh a r mt ot h ep o w e rs y s t e m a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) w h i c hi san e wh a r m o n i ca n dd y n a m i cr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e s i n t r o d u c e di nr e c e n ty e a r s ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp a s s i v el cf i l t e r ，i th a st h e a d v a n t a n g e so ff a s tr e p o n s e ，g o o dc o m p e n s a t i o na n dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n d i g i t a l c o n t r o l l e da p fb e c o m e san e wr e s e a r c hf o c u si nt h ep o w e re l e c t r o n i c sw i t ht h ef a s t d e v e l o m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr e c e n ty e a r s f i r s t l y , w i t ht h er e s e a r c ho fs h u n tv o l t a g ea p f , s o m eb a s i cp r o b l e ma b o u ta p f a led i s c u s s e di nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e ，m i a nc i r c u i ts t r u c t u r ea n d m a t h e m a t i c a lm o d e lo fa c t i v ep o w e rf i l t e r m o r e o v e r , t h ep - qm e t h o db a s e do nt h e 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 dt h ei m p r o v e dh a i m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n i p i qm e t h o db a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h o r y a r ea n a l y z e d s o m e c o m m o nc o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sa r ei n t r o d u c e de m p h a t i c a l l ys t u d i e s t h et r i a n g u l a rw a v ec o n t r o la n dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u eo fp a r a l l e la p f a n ds u m m a r i z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s m a k e sar e s e a r c ha b o u tt h e s t a b i l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yo fm a i n c i r c u i td c - l i n kv o l t a g e t h e n ，i tc h o o s e st i st m s 3 2 0 f 2 8 12c h i pa st h ec o r ec o n t r o lc h i p ，a n dd e s i g n s t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fa c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m f o c u s e do nt h ed e s i g no ft h e m a i nc i r c u i to fa p f , i n c l u d i n gc a l c u l a t i o no ft h ec a p a c i t y , d c l i n kv o l t a g e ，c a p a c i t a n c e a n ds e l e c t i o no fs w i t c h i n gd e v i c e s ；t h es i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i tm o d u lo fs y s t e ma n d d s ph a r d w a r es y s t e ma r ed e s i g n e di nt h i sp a p e r , t h ep w mp u l s ep r o g r a mo ft h e s y s t e mi sa l s og i v e ni nt h ep a p e r t h es o f t w a r ed e s i g no fs y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sr e a l i z e di nt h ec c s s o f l e r w a r ee n v i r o n m e n t ，i n c l u d i n gt h ef l o wd e s i g no ft h em a i np r o g r a m ，i n t e r r u p t s u b r o u t i n ep r o c e s sa n dh a r m o n i cc u r r e n tc a l c u l a t i o np r o c e s s ；t h ed e s i g no fl o w p a s s f i l t e ra n dt h er e a l i s a t i o no fp w mp u l s eg e n e r a t o rb a s e do nf p g aa r eg i v e ni n t h e i l f i n a l l y , t h ep a p e rs i m u l a t e st h et h r e e p h a s e s h u n tv o l t a g ea p fs y s t e mi n m a t l a b s i m u l i n ki no r d e rt on o to n l yc o n f i r mt h ep e r f o r m a n c ea n dc o r r e c t i o n o fd i f f e r e n td e t e c t i o nb u ta l s oc o n t r o lo fm e t h o d s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t a p fc o u l da c h i e v eg o o dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eb a s e do nt h ea p p r o p r i a t e p a r a m e t e r s k e yw o r d s ：h a r m o n i ce l i m i n a t i o n ；s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ：d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ；s i m u l a t i o n 独0 ：i j 性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了文中特另j l d i ：i 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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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 贡献均己在论文中作了明确的 兑明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 p l 期：塑f ! ：塑 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：堇夸埤导师c 签名，：弛日期：2 盟划 第1 章绪论 1 1 研究本课题的目的与意义 随着各种电力电子装置应用的= 1 益广泛，特别是电力整流，电弧炉，交直 流换流装置，电气化轨道等，在使电能得到充分利用的同时，也给电网带来了 较大的危害。电力电子装置自身具有的非线性会使电网的电压，电流发生畸变， 从而产生谐波电流和无功电流，而谐波电流及无功电流的大量注入会对电气设 备的正常使用和电网的安全运行带来严重的威胁，谐波的含量越高，电网波形 畸变越严重，电能质量也就越差h 1 。 研究有源电力滤波装置的意义，首先在于谐波的危害十分严重，它会使各 种电气设备过热，绝缘层老化，使用寿命缩短；谐波还会使电能的利用效率降 低，电能计量出现混乱，还会引起自动装置误动作；谐波还可能引起电力系统 局部串联谐振或并联谐振，使谐波含量放大，甚至导致设备烧毁。 研究谐波的意义，更可上升到保护环境，促进社会和谐的角度末理解。对 于电力系统来说，没有谐波就是绿色的重要标准之一；在电力电子领域，也要 求实现“绿色电力电子”。当前，对地球的环境保护已成为全人类的j 冬识。对电 力系统谐波污染的治理也已经成为电工科学领域所必须解决的问题。 因此，对电网中谐波，无功电流进行滤波和补偿已成为电力电f 技术，电 气自动化，电力系统，理论电工等领域内的重要研究课题，尤其是在电力电子 技术领域，研究凿波及其补偿技术，有着极其重要的意义。电力电f 技术是一 门很前沿并有很大发展潜力的技术，是未来科学技术发展的重要支柱，但电力 电子装置本身所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的霞人障碍。为 抑制谐波污染问题，出现了许多抑制谐波的办法，其中，有源电力滤波器是一 种比较理想的，补偿效果好，动态性能好的装置，是一种很有发展i j ，j 景的谐波 抑制技术，代表了今后谐波抑制技术的发展方向。 自上世纪八十年代来，不管是在理论方面还是实际应用方面，彳丁源电力滤 波器都得到了很大的进展，可对频率和幅值大小都发生变化的的谐波和无功进 行补偿。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，现在 对其研究仍方兴未已。传统有源电力滤波器一般模拟控制，模拟控制存在一些 缺点，如电路复杂，控制性能差，易受环境干扰等。近些年来，随着微处理器 及数字信号处理器的d s p 快速发展，有源电力滤波器的数字化控制方案也越来 越受到人们的高度关注。数字控制相对于模拟控制技术来说，有很多优点，如 可靠性更强，精度更高，更灵活等，可以预见在不久的将来，以d s p 为核心的 数字控制策略将成为主流。 1 2 谐波的危害及其抑制方法 1 2 1 谐波的基本概念及产生原因 对于谐波基本概念的描述，国际上公认的定义为：“谐波是一个周期电气量 的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在中华人民共和囤国家标准中， 谐波的定义为：“谐波是对周期性的交流量进行傅里叶级数分解，得到的频率大 于l 的整数倍分量”。啦3 由定义可知：谐波次数必须是正整数，如我阁电力系统 的额定频率为5 0 h z ，那么n 次谐波的频率为n * 5 0 h z ；因此也常常把谐波成为高 次谐波。 电网中的高次谐波主要是由于各种电力电子装置以及其它非线性负载而 产生的。电力系统中产生谐波的主要原因有：h 儿射 ( 1 ) 工频电流或电压直接作用于非线性负载，产生谐波分量。 ( 2 ) 电网本身存在周期性的非j 下弦独立电源，当这些电源注入线性时不变 系统时，输入的畸变造成了输出的畸变。 ( 3 ) 电力系统中时变负载的作用产生谐波。 1 2 2 谐波的危害 自一卜世纪7 0 年来以来，伴随着电力电子技术的快速发展，各种电力i 乜f 装 置在各领域内的应用越来越广泛，使得谐波造成的危害也日益严重。基j - ：这个 原因，许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，国际电工委员会制定了i e c 一1 0 0 0 3 2 ，i e c 一1 0 0 0 3 6 标准。中国 水力电力部于1 9 8 4 制定电力系统谐波暂行规定，国家技术监督局于1 9 9 3 年 颁布公用电网谐波国家标准哺1 。 2 谐波对公用电网造成污染，也会使得其它用电设备的使用环境恶化，还会 导致一系列的故障与事故。高次谐波对公用电网以及其它系统的危害主要有以 下五个方面h 1 ： ( 1 ) 因为谐波的存在，造成公用电网中的元件有附加的功率损耗，降低发电， 输电及用电设备的使用效率和电能的利用率； ( 2 ) 谐波对邻近的通信系统造成干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则 导致通信系统无法正常工作。 ( 3 ) 谐波会影响电网中各种电气设备的正常工作，如：使变压器局部严重过 热；使电缆，电容器等过热，绝缘老化，寿命缩短；使旋转电机发热，产生脉 动转矩和噪声等。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动作，还会使电气测量仪表的 计量不准确。 ( 5 ) 谐波会引起电网中局部串联谐振和并联谐振，从而使谐波放大，使得谐 波的危害扩大，容易引起更严重事故。 1 2 3 谐波的抑制方法 目前谐波的抑制方法主要可以分为两种途径：第一一类是主动型，即从谐波源 装置本身出发，对其自身进行改造，使其不产生谐波并且功率因素可控制为1 ； 第二种是被动型，即装设谐波补偿装置来对谐波进行补偿。 对于第一类方法，目前主要有增加整流相数法，波形叠加法，脉宽调制法， 有源功率因素校正器( a p f c ) 等。尽管这些方法可以有效的减少商次谐波，但 由于受电力电子装置本身的限制，必然还会产生些谐波。 第二类方法主要有：l c 无源滤波器，有源电力滤波器( a p f ) l c 无源滤波器，它是由电容，电抗和电阻元件等构成的，基本【作原理足 利用l c 谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波f f i 流。由于l c 无源滤波器结构 简单，技术成熟，运行可靠，因此得到了广泛的应用。但它也存在些问题： 如对电网阻抗和频率的变化十分敏感：而且在某些条件下还会和系统发生并联 谐振，导致谐波放大；另外，滤波效果不够理想，其设计只能针对特定频率的 谐波只能滤除特定次数的谐波。 为解决无源滤波器的这些局限性，人们作了许多研究和探索，其中具有代 表意义的就是有源电力滤波器的出现，有源电力滤波器本身也是一种电力电子一 设备，它的基本思想是从先补偿对象中检测出谐波电流分量，再由补偿控制电 路产生一个与谐波电流分量大小相等但极性相反的补偿电流，从而使得电网电 流只含有基波。它将是今后谐波抑制发展的重要趋势，并且在同本，美困等国 家已得到广泛应用。相比较无源滤波器而言，有源电力滤波器具有以下特点。： ( 1 ) a p f 具有自适应功能，可实现动态补偿，能对幅值和频率都变化的谐波 及变化的无功进行动态补偿，对补偿对象的变化也有迅速的响应： ( 2 ) 可实现对电网频率变化的跟踪，故补偿性能不受电网频率变化的影响； 受电网阻抗影响小，不容易与电网阻抗发生谐振； ( 3 ) 可实现对谐波和无功电流同时进行补偿，也可单独补偿谐波，无功电 流，使用起来更加灵活。 1 3 有源电力滤波器的发展历史及研究现状 1 3 1 有源电力滤波器的发展历史 有源滤波器的基本思想最早可追溯到1 9 6 9 年j f m a r s h 和b m b ir d 发表 的论文，论文描述了向电网中注入三次谐波电流以减少电源中的谐波电流成分， 从而改善电源电流波形的的思想协1 。一九七一年，r 本的m a c h i d a 和s a s a k i 发 表的论文，第一次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理。然而由于当时采 用线性放大器产生补偿电流，损耗大，成本高，因此未能获得实际应用一3 。 1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的l 6 y u g y i 等人提出采用p w m 变流器构成有源 电力滤波器，引起普遍关注，从而确定了有源电力滤波器的基本概念，并建立 了有源电力滤波器的主电路拓扑结构n 0 1 。但是，由于2 0 世纪7 0 年代电力电子 技术发展水平和大功率可关断器件的限制，幸r 源电力滤波器还只停留在实验室 研究阶段。 进入上世纪8 0 年代以来，随着新型电力半导体器件的出现和p w m 控制技术 的发展，有源电力滤波器的研究进入了快速发展阶段。1 9 8 3 年，同本学者赤木 泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，门相当大的促进了有源电力滤 波器的发展，并使之向工业实用化阶段发展。在之后不久，赤木泰文( h a k a g i ) 等人研制出一台7 k v a 的有源电力滤波器试验装置，并获得成功，实验结果验证 4 了有源电力滤波器的可行性以及实用性。 从上世纪九十年代初至今，随着电力电子技术的飞速发展，电力电子器件 的容量，丌关频率等性能得到了大大提高，p w m 控制技术办同趋成熟，有源电力 滤波器的容量和性能也不断的得到提高。另外随着微处理，数字信号处理器( d s p ) 的不断发展，各种数字化的检测与控制方法不断出现，标志着有源电力滤波器 朝向数字化方向发展的趋势。 1 3 2 有源电力滤波器的研究现状 在国外，a p f 的研究以日本为代表，由于其理论研究比较早，已进入工业实 用化阶段，有很多工业应用方面的实列。随着有a p f 容量的不断提高，其应用 范围和性能也得到扩展。当前，在技术层面来说，国外的研究主要集中在：改 善补偿效果，降低损耗和成本，增大容量，多功能化和智能化等方面；在应用 方面，主要针对不同谐波源制定相应的补偿措施，解决最优配置，有源电力滤 波器的相互干扰电磁兼容和其对电网中装设的无源滤波器的影响等问题。 目前，a p f 在同美等发达国家已经得到了高度的重视和广泛的应用，一些产 品已经相当成熟，并开始大量进入实用化阶段。在r 本，a p f 的使用已很普遍， 并联型的a p f 容量已经达到5 0 m v a ，采用的丌关器件是g t o ，s c r ，用来抑制电弧 引起的闪变。 我国在有源电力滤波器的研究起步比较晚，直到上世纪8 0 年代未才有论 文发表，9 0 年代来，一些高等院校和科研机构丌始对有源滤波器展开研究。近 些年来，国内对有源电力滤波器的研究十分活跃，主要集中在并联型，混合型， 也开始致力于串联型的研究，其中并联型的研究最为成熟。虽然技术上已经相 当成熟，但到目前为止，有源电力滤波器还未在：i ：业领域得到广泛的应用。 目前，随着以高速数字信号处理器( d s p ) 为基础的实时数字信号处理技术的 快速发展和广泛应用，a p f 的数字化控制技术一被广泛研究和积极采用。运用数 字量控制的a p f 讵逐渐替代传统的模拟量控制，这钉以下几点优点：可以提高 系统的稳定性，可靠性和灵活性，系统不受温度影响；可实现程序控制，改变 控制算法而不必改变控制电路；容易调试，易实现批鼍生产和智能化控制。 1 4 本论文的主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 第l 章介绍了谐波的危害及其抑制方法和a p f 的发展历史及国内外的研究 现状。 第2 章对有源电力滤波器的基本工作原理，数学模型进行了讨论，并介绍 几种常用的谐波电流的检测方法，研究了有源电力滤波器系统的数字化控制策 略，介绍了几种指令电流的控制方法，并分析了他们的优缺点；最后确定了以 d s p + f p g a 的数字化系统控制方案。 第3 章完成了基于d s p 的三相并联有源电力滤波器硬件系统设计，包括整 体硬件的构架，主电路的参数计算，开关器件的选型，d s p 芯片的介绍及硬件系 统的设计等 第4 章完成了基于d s p 控制系统的软件设计，包括主程序，中断子程序及 谐波电流检测子程序的流程设计。 第5 章在m a t l a b 的s i i u l i n k 仿真环境f 对本文所论述的有源电力滤波器 系统进行建模，并进行系统仿真，以验证有源电力滤波器原理的正确性和控制 方案的可行性。 6 第2 章有源电力滤波器基本问题研究 2 1 有源电力滤波器的基本结构和原理 因为，并联型有源电力滤波器在实际应用中占主导地位，故下面就以并联 型有源电力滤波器为例，来介绍其基本工作原理： 、r1业+ 非线性负载 l 一一一一一一 1 i i i a p f _ _ 一 图2 一l有源电力滤波器的基本结构原理图 如图2 一l 所示，即为一个有源电力滤波器系统的基本原理图，虚线框内为 一个有源电力滤波器系统，可认为由两大部分组成，即谐波电流检测电路和补 偿电流发生电路，f ； 者的主要功能是从系统中提出所需补偿的谐波和无功等电 流分量，后者的作用是以喈波电流检测电路得出的补偿电流为参考信号，控制 产生实际所需的补偿电流。补偿电流发生电路又dj 补偿电流控制电路，驱动电 路和主电路三部分构成。因上面图列中主电路与负载并联接入电网，故称之为 并联型。 有源电力滤波器的基本原理是先检测出系统中的谐波电流，然后由补偿装 置控制产生一个大小与偕波电流相等但方向相反的补偿电流，从而达到消除电 网中谐波的目的，使电网l 乜流只含有基波分量。以图2 1 为n - 其中e s 表示交 流电源，i 。为交流电源电流，负载为谐波源( 即补偿对象) ，i 。为补偿电流，i 。 7 路路一一电电一一离动一 一隔驱一 为负载电流，i 。为补偿电流指令信号。 当需要补偿系统中的谐波电流时，检测补偿对象的电流i b 并分离出谐波电 流i ，将其作为补偿电流的指令信号i 。，控制主电路，使其产生与i 大小相等， 极性相反的补偿电流i 。，i 与i 。抵消，从而达到了抑制谐波的目的。 由基尔霍夫定律，可得： i 。+ i 。= i 。 ( 2 一1 ) 若要同时补偿的无功功率，只需分离i 卟的同时分离出无功电流，然后再补 偿电流信号i 。中增加其反极性的成分。如此，补偿电流i 。与负载电流中i 中的 谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流中的基波有功分量，可使电网 功率因素为1 。 2 2 有源电力滤波器的主电路结构 有源电力滤波器主电路基本结构如下图2 2 所示： 图2 - 2 有源电力滤波器主电路基本结构图 首先检测电路从补偿对象中检测并分离出谐波电流，然后由控制电路产生所 需补偿电流的脉冲信号去控制丌关元件，从而得到所需要的补偿电流，经过输 出电路输入系统中。可控丌关元件，既可实现逆变功能，也可实现整流功能， 实为一个p w m 变流器；储能元件的作用是充当直流电源，当其为电容时，相当 于一个电流源，当其为电感时，相当于电压源。 根据主电路氲流侧储能元件的不同，可分为电压型主电路和电流型主电路， 下面分别加以讨论： 2 2 1 电压型主电路拓扑结构 如下图2 3 所示，为一电压型p w m 变流器的主电路拓扑结构图，直流侧为 大电容，工作时电压基本不变，可视为电压源。可控丌关元件一般有g t o ，i g b t 8 等大功率电力电子元件构成，输出部分为电感。电压型主电路的特点是，不会 产生较大的损耗，但当主电路丌关器件直通时会发生短路故障，因此需采取一 些保护措施。 a b c 图2 - 3 三相电压型主电路拓扑结构图 2 2 2 电流型主电路拓扑结构 u 电流型主电路的p w m 变流器直流侧储能元件为大电感，在j 下常工作时，其 电流保持基本不变，可看作是电流源。电流型主电路的特点是：当主电路丌关 器件直通时，不会因此而发生短路故障，但因为直流侧大电感上始终有电流通 过，会产生较大的损耗，因此电流型主电路结构实际使用的较少，本文主要就 电压型有源电力滤波器为例进行讨论研究。电流型主电路拓扑结构如下图2 4 所示所示。 a b ，一 c 一 图2 - 4 = 三相电流型主电路拓扑结构图 9 2 3 有源电力滤波器的数学模型 有源电力滤波器是一种复杂的电力电子装置，要想对其建立精确的数学模 型目前还是比较困难的，为了方便分析问题，建立合适的模型，首先要进行一 下假设： ( 1 ) 忽略主电路中直流侧电容电压的波动，等效为理想直流电压源； ( 2 ) 忽略主电路中电力电子元件的通念压降，等效为一理想的双向丌关； ( 3 ) 忽略电源内阻和线路阻抗的影响； ( 4 ) 假设主电路与系统i 日j 连接的电感为理想电感； ( 5 ) 主电路同一桥臂上下两个丌关正常工作时为互补状态，且不考虑死区影响。 在上述假设的基础上，我们可以得到有源电力滤波器系统的简化数学模型， 如图2 - 5 所示。 u a 仄、i s a 。 i l a _ 夕 非线 u b 仄、i s b ，i l b 斗 性负 夕 载 u c 仄、i s c _ i l c 呻 、乡 f + i c c i c b i 曼垒厂1 ! ，： o m1 o 1 m 0 u d e abc 图2 5 并联型有源电力滤波器的数学模型图 上图中，将丌关器件看作为双向丌关，用以表示三相桥臂上的六个开关器 件的通断状态。当同一桥臂的上丌关导通，下开关关断时，等效双向开关投向 ，。状念：反之，上丌关关断，下丌关器件导通时等效为双向，r 关投向0 状念。 由分析可知，有源电力滤波器的补偿电流时由三相交流电源u 。，u b ，u c 和主 电路直流侧电容电j j iu d 。的筹值产生的，故可列出以下方程： 一+ u b + 1 c - 0 ( 2 2 ) 【乙+ 乙+ t = 0 l o a 出i c o = k ( ，1 ) 一“。 l a 出i c b = k ( 刀) 一 ( 2 3 ) 等= 卿) 一 式中k a ( n ) ，k b ( n ) ，k c ( n ) 为对应主电路工作模式的丌关系数，具体数值如下表 所示。 表2 一l 主电路工作模式和开关系数对应表 主电路电力电子器f ，l l ：作状态开关系数 j ：作模式 abc k ( n ) k b ( n )k ( n ) n lo0l1 31 32 3 2ol0l 32 31 3 30ll2 31 31 3 4l 0 o2 31 3l 3 5l o 11 32 3 1 3 6ll01 31 32 3 2 4 常用的谐波电流检测方法 谐波电流的提取是有源电力滤波器的关键技术之一，其精确度很大程度上 影响着有源电力滤波器的补偿性能，只有准确的检测出补偿对象中的谐波分量 才能较好的进行补偿： 谐波电流的检测方法主要有：模拟带通滤波器法，基于f f t 的数字化分析 方法，臼适应检测法以及基予瞬时无功功率理论的谐波检测法等，目前应用最 多的还足基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，下面本文着重介绍下基f 瞬时 无j 力功率理论的谐波电流检测法的基本原理。 2 4 1 三相电路瞬时无功功率理论 三柑瞬时无功功率理论首先是日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出来的，此 后该理论得到不断发展与完善，三相瞬时无功功率理论也称作p q 理论。 假定所研究的系统为三相三线制系统，三相电流，电压的瞬时值分别用 i 。，i 。，i 。和u 。u 。，u 。表示，则三相电流与电压满足i 。+ in + i 。= 0 ，u 。+ u n + u 。= 0 。 因而三相三线制系统中电流和电压信号实际上只有两项足独立的，则可用电力 系统分析中常用的q b 变化，将三相电流，电压信号变换为正交的q b 坐标 系中的向量。 令： 丘 c 3 z2 、j 1 l一 2 o 鱼 2 l 2 压 2 则三相电流，电压可以变换为q b 坐标系中的向量，即 r 乞 h 刮3 2 阱 朝 “口 “c ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 三相电压u 。，u 。，u 。和电流i 。，i 。，i 。变换到两相坐标系f 后，将u 。，u - ，i 。，ip 在q b 平面上合成旋转电压矢量五和旋转电流矢量了，如图2 - 6 所示，则： “= “口+ = u l r p , ( 2 - 7 ) i = 屯+ i p = i l 缈i ( 2 8 ) 6 h8 0 广一一一一一另u ： r 关勤? 一1 一 哆l 一 1q 图2 - 6a b 坐标系下电压电流矢量图 1 2 三相电路瞬时有功电流i ，无功电流i 。为电流矢量f 在电压矢量上的投影， 则有： 式： l ，= z c o s q ， z g = z s i n 缈 上式中，1 i ，= 1 l ，。一1 l r ； 则三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 可以表示为： p = u q = u 宰i q ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 - 9 ) ，( 2 1 0 ) 分别代入上式可得： 阡n a 一u p e ij = 嘲 ( 2 - 1 3 ) 其中，c 阳：卜l l u p 一j 再把式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 代入上式，即可求得p ，q 对于i 梢电流电压的表达 p 2 u 口乞+ u b l b + u c l c g = 击叫) + u c - - u a ) + ( u o - u a ) i 2 4 2 基于三相瞬时无功功率的p - q 检测法 设三相电路电压和电流分别为： “口= u m s i n r a t = u ms i n ( c o t - 2 z r 3 ) u c = 虬s i n ( a ，t - 4 n 3 ) 乞= j 。s i n ( 纠一妒) = ls i n ( 刎一2 万3 一妒) f c = ls i n ( 研一4 万3 一缈) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 其中i - _ 相电流的最大值 u 广相电压的最大值 将上式( 2 1 6 ) ，( 2 - 1 7 ) 分别代入到式( 2 6 ) ，( 2 5 ) 可得 u p = 廖旧- c o s 刎c o t 沿8 ) ( 屯i p 、= 臣( - s i c n o s 国( c o ft一-缈cp) 。2 。9 ， p = 丢u 。i 。c o s ( 2 2 0 ) q = 丢u 。i 。s i nc p ( 2 - 2 1 令i j - - u j 2 ，i = i m 2 分别为相电压和相电流的有效值，有 p = 3 u i c o s 矽( 2 - 2 2 ) q = 3 u is i n 缈 ( 2 - 2 3 ) 由上式可以看出，当三相电流和电压都为币弦波时，p ，q 均为常数，这种情 况下的无功，有功理论和传统理论下的功率理论完全相同。由上面的分析可以 其中，歹，虿为直流分量，对应于i 三相电流中基波的有功分量和无功分量， 这种方法又称p - q 检测法，原理如下：根据式( 2 - 2 2 ) ，( 2 - 2 3 ) 计算出有功 功率p 和无功功率q ，经低通滤波器( l p f ) 后得到其中的直流分量歹，q 一，再 通过反变换，可计算出三相电流中的基波分量i a f ，i b f ，i 。f 。 1 4 0 z 蟛 z d f , r f , - if - 万1 2 、一3 2 l 肿l 虿j ( 2 2 6 ) 然后将三相电流i 。，i 。，i 。与基波分量“i b f ，i 。f 相减，即可得出三相电流 的谐波分量，i b h ，i c h 。其原理方框图如下所示： 1 - 1 b l c 图2 - 7p q 谐波电流检测法原理图 由于上述检测方法中用n - - 相电压信号参与计算，而推论时假设三相电压 时对称的，故当电压信号发生畸变时，会影响谐波电流的检测结果，导致检测 精度不高，检测结果出现误差；故这种方法仅适用f 三相电压对称无畸变情况 下的谐波电流检测，应用范围不广。 2 4 3i p i q 检测法 因为实际电网中，三相电压通常不是对称的，故人们对p - q 法进行了改进， 提出了i ，一i 。检测法，该方法是以计算i 。，i 。为出发点，由上面的分析推导，可 以得出： 鼢l ：三北 协2 7 ， 对上式进行变形，将等式左边的u 移到等式右边仃： 限i ：三北 协2 8 ， 将式( 2 1 8 代入上式) ，并且“= 3 2 u 。，可得： = 矧肾嘲 协2 9 ， 其忆c ：i s i i l 研8 i m f l c o s o t s i n 0 9 ti 将式( 2 2 9 ) 算出的基波电流经l p f 滤波后，可得到其直流分量亏，亏- 再 经过反变换，便可得到基波分量i 。f i b f ，i c f ，变换公式如下： 0 1 6 ， l c ， 销一网 协3 。， 然后将三相电流i 。，i 。，i 与基波分量i a f i b f ，i c f 相减，即可得出三相 电流的谐波分量i a h ，i b h ，i c h 。其原理方框图如下所示： 图2 8i d i a 检测法原理图 i 。一i 。检测法也是建立在三相电压对称情况下的，但其检测法中只取了电压 信号同相位的正弦信号和余弦信号s i nut ，c o sut 参与运算，畸变电压的谐波 成分在运算中不出现，因此检测结果不受电压波形畸变的影响，可以保证检测 结果的准确性。 对于不对称的三相电压，电压中包含零序分量和负序分量，由于正余弦发 生电路和锁相环( p l l ) 得到的余弦及f f ：弦信号的干 1 位是由u 。确定的，正弦信号 要与u 。同相，即期望正弦信号s i nut ju ，的j f 序分最同相。也就是当电压不对 称时，实际检测的正弦信号与期望所得到的正弦信号之i n j 有相位差。而这个相 位差最终不影响检测结果的正确性旧“。 1 6 2 5 有源电力滤波器的数字化控制策略 对于有源电力滤波器来 兑，其控制方案及算法的选用是其滤波效果好坏的 关键环节。传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制不仅电路 复杂成本高且控制性能也不佳。 高速d s p 芯片的出现使得用数字化方法实时计算检测谐波不再只是空想。 首先非线性负载的电流检测送入a d ，转换后的信号送入d s p 芯片的指令计算器 进行处理计算，得出指令电流信号。下一步一般有两种处理办法：一种是采用模 拟控制方法，将由d s p 芯片计算出的指令电流信号再通过d a 转换器送给外部 的指令电流跟踪控制电路，然后由电流跟踪控制电路来产生发生所需开关p w m 信号；另外一种方法是直接在d s p 芯片中通过软件计算，实现数字控制算法， 然后通过p w m 口或通过其它的脉冲发生器发出开关控制信号。 这样就可以通过软件计算实现谐波和无功电流的检测，很好地解决了因为 传统模拟方法带来的元件老化和温漂等问题，大大增强了其抗干扰能力。d s p 芯 片的运行速度很快，运算能力十分强大，便于实现先进的控制理论、复杂的算 法。而且，实现不同的控制算法只需更改软件，这就使得系统变得更加简单， 经济和灵活。 2 5 1 补偿电流的控制方法研究 补偿电流的控制又是一个关键的环节，在前面第二章介绍过，有源电力滤波 器可分为两大部分，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路，当从检测电路 得到指令电流信号后，补偿电流发生电路产生补偿电流。补偿电流的控制基本 原理是根据指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，束控制补偿电流发生电 路中主电路的开关元件的通断，从f 酊产生所需要的p w m 波形，控制的结果应保 证实际补偿电流信号能跟随其指令信号变化。 目前常用的补偿电流控制方法有：三角波比较控制法，滞环比较控制法， 无差拍控制法。 ( 1 ) 三角波比较方式 三角波比较控制方式是一种简单的电流控制法，它与传统的正弦脉冲宽度 调制( s p l i r m ) 方法不同，三角波比较控制方式不直接将指令信号i 。+ 与三角波进 1 7 行比较，而是将指令电流i 。+ 与实际补偿电流i 。的偏差i 。经放大器乘以系数k ， 进行误差放大后，再与三角波进行比较，得到p w m 信号，用此信号控制主电路 开关器件，使得实际补偿电流快速的跟踪指令电流的变化。放大器往往采用比 列放大器或者比列积分放人器。显然放大器的比列系数k 越大，三角波载波的 频率越高，补偿电流的跟踪性能就越好；但若比列系数k 过大，使得k i 。的大 小超出了三角波的幅值，则就失去了脉冲宽度调制的作用，会导致系统失控。 故实际时，需根据具体情况来选取适当的比列系数k 和三角波频率。图2 9 所 示为三角波比较方式的原理图。 三角波 图2 9 三角波比较方式的原理图 根据上面分析，可知 三角波比较方式的特点如下： 1 ) 电流的跟随误差较大； 2 ) 硬件电路较为复杂： 3 ) 电流响应速度较慢； 4 ) 输出电流中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波； 5 ) 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率； 6 ) 放大器的放大系数k 有限。 ( 2 ) 滞环比较控制方式 滞环电流比较控制法足f 1 日玎应用较为广泛的一种电流跟踪控制方式，它实 际上式一种简单的b a n g - b ；m g 控制。它利用滞环比较器，先设定一个滞环宽度h ， 也即允许误差范围，然后但当补偿电流和指令电流的差值超过所允许的误差范 围时，控制主电路丌关器什动作。其工作原理如图2 一1 0 所示。 滞叫：比较器 p w m 信号 图2 1 0 电流滞环控制原理图 在这种方式中，首先把补偿电流的指令信号i 。与实际的补偿电流信号i 。进 行比较，把两者的差值i 。作为滞坏比较器的输入，假设h 为滞坏比较器的坏宽， 当l i 。i h 时，滞环比较器的输出保持不变；当1 i 。l h 时，滞环比较器的输 出将翻转，则补偿电流i 。的变化方向也随之改变。这样一来，i 。就在h ，一h 之间变化，即i 。在i 。十h ，i 。+ 一h 之间的范围内，呈锯齿波形状地跟随i 。变化。图 2 - 1 1 所示，即为一i 。跟随i 。+ 变化的列子。 图2 1 li 。跟随i 。的波形变化示列图 此种控制方式中，滞环控制器的滞环宽度h 对补偿电流的跟踪性能有很大 的影响。当h 较小时，电流跟随误差小，但开关器件通断频率较高，故对电力 半导体元件的要求高，反之，当h 较大时，开关通断频率低，但电流跟随误较 大。 根据上述分析，可知滞环控制方式的特点有： 1 ) 硬件电路十分简单，控制方法简单易实现； 2 ) 属于实时控制，电流响应很快； 3 ) 属子闭环控制，这是跟踪型p w m 控制方式的共同特点； 4 ) 滞环宽度确定了电压跟随误差； 5 ) 不需要载波，输出电压中不含特定频率的潴波成分； 。 6 ) 开关工作频率不固定，变化范围大。 1 9 在采用滞环比较控制方式时，滞环的宽度是固定的，由此导致主电路中开 关元件的丌关频率是变化的。尤其是当i 。变化的范围比较大时，一方面，在i 。 的值小的时候固定的环度可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面，在 i 。值大的时候，固定的环宽又可能使器件的丌关频率过高，甚至可能超过主电路 刀：关器件的最高允许工作频率，从而导致元件损坏。 针对固定环宽的滞环控制方式的这一缺点，本文采用一种定时控制滞环比 较控制方式，其原理图如图2 1 2 所示。 采用定时控制的滞环控制方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞 环比较器。每一个时钟周期对i 。判断一次，这样使得p w m 信号至少要一个时钟 周期才会变化一次，则主电路丌关器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一 半。 如此一来，时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免开关 元件的丌关频率过高的情况发生。这种控制方式，结构简单，动态响应快，对 电路参数变化不敏感；但此方式的不足之处在于，补偿电流的跟随误差不是固 定的，跟随误差不可控制。滞环电流比较控制方式目前在有源电力滤波器中应 用比较普遍，技术也已经比较成熟，本文的补偿电流控制方式采用此种方法。 i 时钟信号 图2 1 2 定时控制的滞环控制方式 ( 3 ) 无差拍控制控制方式 无筹拍控制是一种在电流滞环比较控制方法基础上发展起来的全数字控制 技术，实际上是一种预测方案。该控制方法是利用前一时刻的补偿电流的