（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与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i gno fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e re l e c t r o n i c s ，p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s h a v eb e e nu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n st h e ne v e r t h ep o l l u t i o nc a u s e db yt h ep o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t si np o w e rs y s t e mi sg e t t i n gs e r i o u sn o w a d a y s ；a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) i sag o o dm e t h o df o rr e a l - t i m eh a r m o n i ce l i m i n a t i o nw h i c hh a sb e e n d e v e l o p e ds i n c e19 8 0 s t h es t u d yo na p f h a sb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d t h ed e v e l o p m e n t , c l a s s i f i c a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r sa 托 i n t r o d u c e d t h ep - qa n di p - i qh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nw h i c ha l eb a s eo 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 yh a v eb e e na n a l y z e d , t h es i m u l a t i o ni sm a d eb y u s i n gm a t l a b t h eh y s t e r e t i cl o o pc o m p a r a t o rc o n t r o lm e t h o da n dt h et r i a n g u l a r w a v ec o m p a r i s o nc o n t r o lm e t h o dh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o na n d c o m p a r i s o ni sm a d e b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t e dr e s e a r c h , t h e s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e ro nt m s 3 2 0 l f 2 812h a sb e e nd e s i g n e d , m e a n w h i l et h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a v eb e e ni n t r o d u c e di nd e t a i lt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t m s 3 2 0 l f 2 812i su s e di nt h ec o n t r o lu n i t t h ec i r c u i to fv o l t a g ez e r o - d e t e c ta n dt h e c i r c u i to fs a m p l i n gs i g n a lp r e - p r o c e s s i n ga r ed e s i g n e d m o s f e tw a ss e l e c t e da st h e s w i t c hd e v i c ea n dt h ep o w e rs u p p l yc i r c u i ti sd e s i g n e dt h e n a sf o rs o f t w a r e ，t h ec l a n g u a g ei su s e dt oc o m p i l ep r o g r a mt oa c h i e v es a m p l i n gc l o c kc o n t r o l ，t h ef l o w c h a r t o fm a s t e rp r o g r a m ，h a r m o n i cc u r r e n tc a l c u l a t i o na n dp w mh a v eb e e nc o m p i l e d b a s e do nt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o ls o r w a r ea b o v e ，t h e e x p e r i m e n t a la p fd e v i c eh a sb e e nd e v e l o p e d t h es i m u l a t i o nf o rs h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e rs y s t e mh a sb e e nm a d e ，a n di n i t i a le x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h es h u n ta c t i v ep o w e r 矗l t e rh a sb e e nd o n e k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i ce l i m i n a t i o n ；i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e r t h e o r y ；d i s t a ls i g n a lp r o c e s s o r 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 似磋叉 删年石 学位论文使用授权说明 月3d 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 弘驭名：了拿别寸游乡月秒 广西大昔明弧士学位论文基于d s p 的有嗣l 电力滤波署l 的研究号设计 致谢 衷心感谢导师陈延明教授和何益宏教授对我的精心指导和培养。不仅 为我提供了良好的科研条件，而且在学习、生活各方面给予我无微不至的 关怀与指导。他们的言传身教将使我终生受益。在此还要感谢广西工业职 业技术学院电子系实验室的老师，他们为我提供了很多试验设备，使我的 论文最终得以完成。 特别要感谢我的父母和家人，尤其是年近古稀的双亲，他们为了我仍 然在家辛勤务农劳作，谢谢他们多年来给予的巨大支持和理解，以及生活 上无私的关怀和照顾。 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 昌= = = = = = = = = = = = = = = = = = = 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果 不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期： | i 于d s p 的有漂电力滤波器的研曼 胃设计 第一章绪论 1 1 引言 在电力系统中，由于电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使电网电压 和电流波形发生畸变产生谐波【l 】。谐波使得电能的产生、传输和利用效率降低， 使电器设备因电流中高频成分的增加导致涡流损耗增加，从而引起设备过热， 并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁2 】p 】。谐波对电力系统环境 造成了污染，而且谐波对电网的污染也日趋严重1 4 】。 因此，对电力系统中谐波污染的抑制和治理己刻不容缓1 l 【4 1 【卯。谐波作为影 响电能质量的主要因素之一，受到越来越多的关注。改善电力系统的供电电能 质量，减少电力部门的经济损失，规划电力系统的电力谐波治理方案具有非常 重要的意义，是一项相当重要的技术储备。 1 2 谐波的产生及危害 国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波倍数一。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称为高次谐波【5 】。 电网谐波来源于三个方面【1 】 2 1 【3 】【5 】：其一是电源质量不高产生谐波；其二是 输电网产生的谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波 最多。 产生谐波的用电设备主要有：一是整流设备，晶闸管整流设备的广泛应用( 如 电力机车、铝电解槽、电池充电器等) ，给电网造成大量的谐波。二是电弧炉、 电石炉，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使 得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流经变压器注入电网。三是 变频装置，变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，它含的输入电流波形 为尖峰状，其谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，随 着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。四是家用电器，如电视机、 录像机、电子调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇 次谐波。 谐波对电力系统以及电子设备产生极大的危害，主要是： i i 于d s p 的有嗣电力滤波器的研， 茸设计 l 、恶化绝缘条件，缩短设备寿命，在较高频率的谐波电场作用下，绝缘的 局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升提高；当电压畸变波形出现尖项 波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。 2 、使电网中的元件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热 增加，过载能力、实用寿命和效率降低，产生脉动转矩；另外降低了发电、输 电及用电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中性线会导致中线过热甚至发 生火灾。 3 、容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联 谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。 4 、导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准，影响 计量精度。 5 、对临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。 现代电力电子技术的飞速发展给我们的生活带来极大的便利，但是由其引 起的谐波也对电网以及其他设备造成很大的危害，因此必须对电网中存在的谐 波进行抑制。 1 3 谐波抑制装置的发展 1 3 1 主动型谐波抑制方案 即对接入电网的设备本身进行改进，限制其产生谐波的含量或不产生谐波 4 1 【5 1 。具体方法有：开发新型变流器，使其不产生谐波且功率因数为1 ，这种变流 器被称为单位功率因数变流器( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t o r ) 在中小功率电力 变换装置中，采用脉宽调制技术的整流电路的有功功率因数校正( p o w e rf a c t o r c o r r e c t p f c ) 电路，已经在开关电源中获得了广泛应用；在大功率电力变换装 置中，采用多绕组变压器的多脉整流或将多脉整流与控制移相相结合构成准多 脉整流。 这种技术的缺点在于成本高、效率低。同时，在运用脉宽调制技术的电力 电子系统中，还会产生高次谐波，还要抑制高次谐波。 1 3 2 被动型谐波抑制方案 | l 于d s p 的有嗣e 电力滤波器的研究与设计 通过外加设备达到谐波抑制的目的，即装设无源电力滤波器( p o w e r f i l t e 卜- p f ) 、有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e 卜a p f ) 或混合型电力滤波器 进行滤波。采用这些电力滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐 波污染的有效措施，也是电力系统中抑制谐波广泛采用的方法。 1 3 2 1 无源电力滤波器 无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段，是一种用并联 滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器、 电抗器和电阻组合而成 6 1 。一个简单的串联l c 电路与谐波源并联，应用其谐 振原理，使某一次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流 不再流入电网，达到抑制该次谐波的目的，如图1 1 所示。如果要滤除若干次谐 波，就用若干个单调谐l c 滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计 成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，如图1 2 所示；还可以设计成高通滤波 器，以滤除某一次以上的谐波。 旺产 ) j l l 5 t ， 0r 士 图1 1 单调谐滤波器 f i g 1 - 1s o l ef r e q u e n c yt u n e - i nf i l t e r 图1 - 2 双调谐滤波器 f i g l - 2t w of r e q u e n c yt u n e i nf i l t e r 广西大掌硕士掌位论文 基于d s p 的有嗣e 电力滤波景l 的研， 号设计 无源电力滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做得很大，在吸 收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数；维护方便；造价低，运行费 用也低；对某一次高次谐波吸收效果明显；设计和制造经验成熟。因此成为传 统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。 无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤 波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因， 在应用中存在着一些难以克服的缺点i l j ： ( 1 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波 器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工 程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。 ( 2 ) 滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当 系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分 敏感，在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此 一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。 ( 3 ) 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而 会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。 ( 4 ) 当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。 ( 5 ) 装置体积大，损耗大。 ( 6 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。 基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研 究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使 用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必 要采用其它滤波方式来抑制谐波。 1 3 2 2 有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设 备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变 化的谐波以及变化的无功进行补偿 6 1 【7 】【羽。它的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。其应用可克服l c 无源滤波器等传统谐波抑制 和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来 基于d s p 的有嗣【电力滤波器的研究与设计 主要有【7 l ： ( 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，补偿无功功率时不需要储能元件， 补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调 节。 ( 3 ) 即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥 补偿作用。 ( 4 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 6 ) 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。 基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一 个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性 和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。 1 3 国内外研究现状 有源电力滤波器的基本思想在2 0 世纪6 0 年代就已经形成，但是由于当时 科技条件所限，发展较为缓慢。 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【9 】。 1 9 8 3 年，日本学者h a k a g i 提出“三相电路瞬时无功功率理论 【6 】，以该 理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应 用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。 h a k a g i 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器消除谐波【i o j 。有源电力滤波 器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量， 产生与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为正弦 波。1 9 8 7 年，m 附( 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【1 1 1 。 麓于d s p 的有嗣【电力滤波嚣的研究与设计 e z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结 构，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低 阻抗1 7 j 。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网 的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。 1 9 9 0 年，日本的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m 】。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【1 2 1 。 1 9 9 2 、1 9 9 5 年，l g y u g y i 等人先后提出了串联有源滤波器( s a p f ) 和并联 有源滤( p a p f ) 混合的有源滤波器结构，并命名为“统一电能质量调节器( u p q c ) 【1 3 】【1 4 1 。这种a p f 兼有串、并联a p f 的功能，可解决配电系统发生的绝大多数 电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐 波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压 直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。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 l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国 内有较大的影响。而作为一种新型的谐波抑制技术，有源滤波器在我国的研究 同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章【1 5 1 ，1 9 9 3 年才见到试验性 的工业应用实验。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，主要集中在一些高等院校和少数研究机构【1 7 】f 1 8 】f 1 9 11 2 0 l 。 从发表的文章看，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【1 7 】【2 0 】。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一 定的研究，以瞬时功率理论为基础提出了i p i q 谐波检测算法【1 7 】，同时还对基于 d s p 芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究。清 华大学的朱东起等和浙江大学的钱照明等都做了一些很有意义的研究【2 们。近年 来，我国学者提出了基于优化特定消谐p w m 技术的广义有源滤波器【2 。通过 改变逆变器输出波形的频谱分析，使其接近于正弦波，从而达到消谐的目的。 从原理上看，广义有源滤波器是一种新型非跟踪型有源滤波器，其控制系统比 较简单，是一种构思较新颖的有源滤波器。 1 4 本文研究的意义及主要工作 | i 于d s p 的有毒e 龟，力渣波嚣的研舅穹苗时f 有源电力滤波器作为一种动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装 置，能很好地克服传统l c 无源滤波器的缺点。因此加强对有源滤波技术的研究， 推动其在工业中的实际应用，是一个具有重要意义的课题。 论文的主要工作包括一下几个方面： l 、对基于瞬时无功功率理论的谐波检测法进行研究分析，并利用m a t l a b 进行仿真。 2 、设计以电力电子开关器件m o s f e t 为基础的a p f 主电路。 3 、对新型数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的特性和性能进行分析研究，并 以此为基础设计和制作了a p f 的硬件控制电路和控制软件。 4 、编写并介绍了基于d s p 的c 语言控制程序。 5 、利用m a t a l b 对并联型有源电力滤波器进行总体系统仿真，并通过实 验来验证装置和控制方法的效果。 通过上述工作做成的有源电力滤波器，拥有基于1 m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的高速控 制电路，以及基于c 语言编写的模块化控制程序，既保证了运算及控制速度， 又增强了程序的可读性和可移植性。 广西大掌硕士掌位键譬| i 于d s p 的有毒【电力滤波嚣的研囊可设计 第二章有源电力滤波器的分类及工作原理 2 1 有源电力滤波器的种类 有源电力滤波器根据其与系统连接的拓扑结构可以主要分为并联型有源电 力滤波器和串联型有源电力滤波器【捌。 2 1 1 并联型有源电力滤波器 图2 1 所示为并联型有源电力滤波器的拓扑结构，图中负载为产生谐波的 谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件( 图中为电容) 共同组成并联 型有源电力滤波器的主电路。 ， 并联型有源电力滤波器结构原理图如图2 1 所示： ia p t = i j 图2 - 1 并联型有源电力滤波器 f i g 2 1s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型i 矧刚 2 5 1 。此方案中，a p f 相当于受控电流源，电流值为所要补偿的电流。对于电流 源性质的谐波源，补偿特性不受电源阻抗的影响【2 6 】。 2 1 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器结构原理图如图2 2 所示： | 0 于d s p 的有嗣l 电力滤波器的研璺巴一与设计 图2 - 2 串联型有源电力滤波器 f i g 2 - 2s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r 这种方式是在负载和电源之间串入有源电力滤波器，所以称之为串联型【2 7 】 【2 8 】例。这种方式的特点是有源电力滤波器作为受控电压源串联在电源和负载之 间。主要用于补偿可看作电压源的谐波源，如带容性负载的二极管整流器，从 交流侧可被看作电压源【3 0 】。 串联型有源电力滤波器与无源滤波器组成的混合型有源电力滤波器也可以 达到很好的性能【3 l 】1 3 2 ，但是由于a p f 串联在主电路中，正常情况下均要流过 全部基频电流，因此所需容量会有所增大。同时由于a p f 与电网串联，其投切、 故障后的退出及各种保护都比较复杂并且a p f 一旦发生故障还会危及整个系 统。 并联型有源电力滤波器与无源滤波器组成的混合型有源电力滤波器，则会 给实际设备运行带来很多的便利【7 1 【3 3 1 。例如有源电力滤波器的投切、故障后的 退出以及各种保护都简单得多。由于a p f 通过p f 与电网并联，即使a p f 出现 故障也不会危及系统，况且并联型有源电力滤波器不通过基波负荷电流，因而 其容量上可以进一步减小。 纵观两种结构的特点，并联型有源电力滤波器更适合应用；本文采用的是 并联型有源电力滤波器。 2 2 有源电力滤波器的工作原理 并联型有源电力滤波器的总体构成如图2 3 所示。 i i 于d s p 的有嗣【电力滤波器的研囊，旨设- h - 图2 3 有源电力滤波器总体构成框图 f i g 2 - 3t o t a ls t r u c t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 3 中检测及控制电路部分对负载电流进行检测，分离出谐波及基波无功 电流部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流i 蚓 3 5 1 。对主电路输出的电流进 行检测是为了使主电路输出的电流更好地跟踪由于负载电流的变化而引起的谐 波大小的变化【3 6 1 。负载电流i l 按傅里叶级数展开为： 而2 善厶s 访。国+ 或) 2 枷最s 证耐+ 柚佃耐+ 荟枷国+ 幺( 2 - 1 ) = ，+ 屯+ 式( 2 一1 ) 中，口= 厶c o s o ms i n c o t 是基波有功电流； ( 2 - 2 ) 口= 1 1s i n o , c o s o ) t 是基波无功电流； ( 2 - 3 ) = 厶s m 伽缈+ 或) 是高次谐波电流。 ( 2 - 4 ) 日为基波电流初相位，以为n 次谐波初相位，c o 为系统电源基波角频率。 图2 3 中，= f 。+ f c 即负载电流由系统电源电流t 和有源电力滤波器输出的电 流之共同提供，如果控制有源电力滤波器的输出电流，使屯= 厶，则系统电源中 就只需供给基波电流( 有功与无功) 了，即= p + “，从而达到抑制谐波的目的。 简而言之，有源电力滤波器产生一个与负载谐波幅值相等，相位相同的谐 波注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。由上述分析我们 还可看到，有源电力滤波器可同时补偿无功功率，这时只需使= + 。则 , l g g ld s p 的有罚【电力滤波器的研舅 号设计 = ，即系统电源中就只需供给负载电流中的基波有功电流，这样图2 - 3 中的 就是补偿了谐波和基波无功电流后系统电源供给的电流。 2 3 有源电力滤波器的主电路及数学模型 2 3 1 有源电力滤波器的主电路 采用单个p w m 交流器的有源电力滤波器主电路，根据其直流侧储能元件 的不同，可分为电压型和电流型两种d 7 】【3 羽 3 9 1 。图2 _ 4 和图2 5 分别示出了可应 用于三相三线制系统的电压型和电流型两种主电路，图中a , b ，c 接至三相电源， v i ，v 3 ，v 5 和v 4 ，v 6 ，v 2 为各组开关器件的代号。图中画的电力电子开关器件 为m o s f e t ，实用中还可选用g t o 晶闸管、b j t 、i g b t 等器件。就其结构而言， 两种电路与变频器、s v g 等的主电路基本相同，只是应用场合不同，要求不同， 控制方法不同。图2 6 和图2 7 分别示出了应用于单相系统的电压型和电流型两 种主电路形式。 图2 - 4 三相电压型p w m 变流器 f i g 2 - 4t h r e e - p h a s ev o l t a g e5 0 1 1 r c ep w m c o n v e r t e r 图2 5 三相电流型p w m 变流器 f i g 2 5t h r e e p h a s ec u r r e n ts o u r c ep w m c o n v e r t o r | i 于d s p 的有嗣【电力滤波嚣的研冀可设计 图2 - 6 单相电压型p w m 变流器 f i g 2 6s i n g l e p h a s ev o l t a g es o u r c ep w m c o n v e r t o r 图2 7 单相电流型p w m 变流器 f i g 2 - 7s i n g l e p h a s ec u r r e n ts o u r c ep w m c o n v e r t o r 下面简要概述电压型和电流型变流器两种主要电路的基本特点。 1 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本 保持不变，可看作电压源；电流型p w m 变流器的直流侧接有大电感，在正常 工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源： 2 对于电压型p w m 变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压 进行控制；对于电流型p r i m 变流器。为保持直流侧电流不变，需要对直流侧 电流进行控制。 3 电压型p w m 变流器的交流侧输出电压为p w m 波，电流型p w m 变流器 的交流侧输出电流为p w m 波。与电压型p w m 变流器相比，电流型p w m 变流器的一个优点是，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p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内 阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。不过，随着对超导磁体研究的进展， | i 于d s p 的有湄【电力滤波嚣的研究与设计 一旦超导储能磁体实用化，必将取代大电感，促使电流型p w m 变流器的应用 增多。 2 3 2 并联型有源电力滤波器的数学模型 如图2 - 4 ，e a 、e c 分别为三相电网电压，乙、乙、乞为相应的三相补 偿电流，甜口、分别为a 、b 、c 三点处的电压，交流侧滤波电感为l 。三 相功率开关管损耗等效电阻以及交流侧电感等效电阻合并在一起，用r 表示。 直流侧电容为c ，电容电压为，直流侧的电流为屯。 针对三相并联型有源电力滤波器一般数学模型的建立，通常做以下假设【1 j ： ( 1 ) 电网电压为三相平稳的纯正弦波电压。 ( 2 ) 网侧滤波电感l 是线性的，即不考虑饱和。 一般数学模型的建立可采用以下两种形式： ( 1 ) 采用开关函数描述的一般数学模型。 ( 2 ) 采用占空比描述的一般数学模型。 2 3 2 1 采用开关函数描述的一般数学模型 为分析方便首先定义单极性二值逻辑开关函数& 为 轳器嚣需嚣 p 5 ， io 上桥臂关断，下桥臂导通 v 一wp 叫 采用基尔霍夫电压定律建立三相有源电力滤波器a 相回路方程为 g g i l ，c a + r i m e 。一甜。= p 。- ( u n + u n o ) ( 2 - 6 ) 当上桥臂导通而下桥臂关断时s 口= l k u 州= ；当上桥臂关断而下桥臂导 通时开关函数屯= o _ x u 删v = o ；由于u a u = s a 式( 2 - 6 ) g 改写成 三= 争+ 足乙= p 。一( + 1 , l r o ) ( 2 - 7 ) 同理，可得b 相，c 相方程如下： l l l “c b + r 么= e b - ( v d s b + “加) ( 2 8 ) l - 1 ，o 。o + r 乞= p 。一( u d s 。+ u u o ) ( 2 9 ) 考虑三相对称系统，则： 巳+ + 巳= 0乞+ 乙+ 乞= 0 ( 2 - 1 0 ) 广西大掌硕士掌位论文i i 于d s p 的有酒【电力滤波暑的研舅 茸设计 联立式( 2 - 7 ) 式( 2 - 10 ) 得 u n o = 一警。勤 = 一 己 直流测电流可描述为 ( 2 1 1 ) = c 警却。哪。饥 ( 2 1 2 ) 联立式( 2 7 ) 式( 2 1 2 ) 可得采用开关函数描述的并联型有源电力滤波器一般 数学模型为 三o o三 o 0 0 0 o 0 o0 三 o 0c d 出 i l c b j c c u d r0o oro 00一r s 4s bs c + p 口 巳 o ( 2 1 3 ) 2 3 2 2 采用占空比描述的一般数学模型 为消除开关函数描述的并联型有源电力滤波器一般数学模型中的高频分 量，在开关函数模型中引入傅立叶变换，任一周期函数的傅立叶展开式如下 f ( c o t ) = a o + s i i l 仍研) + 吮c o s 研耐) ( 2 - 1 4 ) n = ln = l & i lli 峨 l i l l | ( 1 + 以弦 ( 1 一以弦 一n 0 1 2 n a , v 图2 8p w m 开关函数波形 f i g 2 - 8w a v e f o r mo fp w m s w i t c hf u n c t i o n 若三相并联型有源电力滤波器采用三角载波p w m 控制，当以规则采样法生 成p w m 信号时，p w m 开关函数波形如图2 8 所示，可见一个开关周期内p w m 波形是对称的 kk l 1j 、j、j、， i 七 七 s s s 郇卸砒 七 七 七 l 一3 l 一3 1 3 0 一 一 一 s s s | ；于d s p 的有嗣【电力滤波嚣的研舅 与设计 图2 8 中，q = 2 矾，其中，z 为p w m 开关频率；d k 为对应相的p w m 占 空比，且以1 。如图所示开关函数吼及占空比以 = a , b ，c ) 间的关系为 = 0 ( 七= a ，b ，c )( 2 1 5 ) = 1 ( 1 一反) 万 吃f ( 1 + d k ) 2 万( 七= 口，b ，c ) ( 2 - 1 6 ) 由图2 8 及以上关系式表明，p w m 占空比畋实际上是一个开关周期开关函 数的平均值，故 a o - - 万1 胎t d ( c o t ) ( 2 - 1 7 ) i= 0 l，2 几j - 、 ( 2 - 1 8 ) l 吮= ( 一1 ) ”二s 证( 喊万) 卜 由于p w m 开关频率远高于电网频率，可忽略式( 2 - 1 8 ) 中的谐波项， 即 吼= 以 ( 2 - 1 9 ) 将式( 2 1 9 ) 代入式( 2 1 3 ) ，可得采用占空比描述的并联型有源电力滤波器低 频数学模型为 三0 o三 0 0 0 0 00 o o 三0 oc d d t r0o or0 0o一只 s 4s bs c + p 口 巳 o ( 2 - 2 0 ) 显然这一低频数学模型将有助于简化并联型有源电力滤波器控制系统的分 析及设计。 采用开关函数描述的一般数学模型，是对有源电力滤波器开关过程的精确 描述。然而这种数学模型由于包括了其开关过程的高频分量，因而很难用于指 导控制器设计；当有源电力滤波器开关频率远高于电网基波频率时，为简化， 一般数学描述可忽略开关函数描述模型中的高频分量，即只考虑其中的低频分 量，从而获得采用占空比描述的低频数学模型。这种采用占空比描述的有源电 沙幼巩 卜q ( 卜矿 细一峨p m kkk 1旷iiiijiijjll 、一、，、 以，以，以芦都嘶却 1 3 1 3 l 一3 o 一 一 一 以 以 以 广西大掌硕士掌位论文 力滤波器低频数学模型非常适合于控制系统分析，并可直接用于控制器设计。 2 4 本章小结 本章从接入电网方式对有源电力滤波器进行分类，简要分析了各种有源电 力滤波器的特点，阐述了并联型有源电力滤波器的系统构成以及工作原理，并 对有源电力滤波器的数学模型进行了分析，为以后的章节奠定了理论基础。 | i 于d s p 的有嗣【电力滤波累l 的研究与设计 第三章谐波电流检测方法的研究 对于有源电力滤波器来说，谐波电流的检测是有源电力滤波器实现谐波补 偿的关键，只有准确地检测出负载电流中的谐波分量才能更好地实施补偿，从 而使得电源电流正弦化。这种检测不同于一般的谐波检测仪，它不需要分解出 各次谐波分量，只需检测出除基波外的谐波电流。 自从有源电力滤波器原理被提出以来，谐波电流的检测便引起了广泛的研 究，至今已发展了多种方法。 ( 1 ) 模拟滤波器检测法【帅】，利用模拟的带通或带阻滤波器用于分离出被检 测信号中预定的某一单一频率分量，一般采用采用5 0 h z 的带通或带阻滤波器把 被测电流中的5 0 h z 基波分量分离出来从而得到谐波电流：该方法只能区分负载 电流中不同的频率分量，无法将基波有功和无功电流相分离，目前较少采用。 ( 2 ) 小波变换法【4 1 】【4 2 】 4 3 】，小波变换作为一种新兴的理论，时域特性具有 良好的局部性，而且由于其高频段采取逐渐精细的时域步长，可以聚焦到分析 对象的任意细节，但由于连续小波变换的快速算法和重构难以实现，因此该方 法还有待深入研究和探讨。 ( 3 ) 基于频域分析的快速傅立叶变换法】 4 5 】嗍，该方法是根据采集到的 一个周期的电流值进行快速傅立叶变化( f f t ) ，得到各次谐波的幅值和相位系 数，再进行f f t 反变换，合成总的谐波和无功电流。该方法需要检测一个周期 的电流值，且需要进行两次变换，计算量大，实时性不好。 ( 4 ) 基于神经网络的自适应检测法【4 7 】 4 8 】，这种方法是将电压作为参考输入， 负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到 需要补偿的谐波与无功分量。该方法的特点是在电压波形畸变的情况下也具有 较好的自适应能力，缺点是动态响应速度比较慢。 ( 5 ) 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法【l 】 4 9 - 5 5 i ，最早是由日本学者 h a k a g i 于1 9 8 4 年提出的【6 】，经过不断改进，现包括p q 法和i p - i q 法。其中， p q 法适用于电网电压对称且不畸变情况下谐波电流的检测；i p i q 法不仅在电网 电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。该理论方法可检测出除基 波分量外的所有高频分量，同时可检测出无功电流分量。在检测无功电流时， 可以完全无延时地得出检测结果。检测谐波电流时，因被采用滤波器的不同， | k 于d s p 的有胡l 电力滤波鞠的研究与设计 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，即p - q 理论，是以 瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础的。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值为别为乞、e 6 、p 。和i o 、ot 。由下 面的变换可以得到口、两相的瞬时电压气、和口、两相的瞬时电流乞、知： 小：圈 p ， 舭：豳 p 2 ， 桃：= 搬委 图3 - 1 口一坐标系 f i g 3 1 一8 c o o r d i n a t e s 墓于d s p 的有漾电力滤波嚣的研究与设计 在图3 - i 所示的口一平面图上，矢量p 口、e p f 阳i a 、绉分别可以合成为( 旋 转) 电压矢量e 和电流矢量i ： e = e 口+ p 口= e l p , ( 3 3 ) i = 屯+ p = f 么仍 ( 3 - 4 ) 式中，e 、i 为矢量e 、i 的模；眈、仍为别为矢量e 、i 的幅角。 三相瞬时有功电流f p 和瞬时无功电流为别为矢量f 在矢量p 及其法线上的 投影。即： i p = i c o s q 7 ( 3 5 ) = i s i n 伊 ( 3 - 6 ) 式中，缈= 纪一仍，口一平面图上的和如图3 - i 所示。 三相瞬时无功功率p ( 瞬时有功功率q ) 为电压矢量p 的模和三相瞬时无功 电流乞( 三相瞬时有功电流f p ) 的乘积。即： p = e i 口 ( 3 - 7 ) g = p ( 3 8 ) 把式( 3 5 ) 、式( 3 6 ) 及伊= 仍一仍代入式( 3 - 7 ) 、式( 3 8 ) 中，并写成矩 阵形式得： 。 乏三e h 习 p 功 式中= 臣甜 将式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 代入上式，可得出p 、口对于三相电压、电流的表 达式： p = e o + + e c i c ( 3 - 1 0 ) g = 去【( 一巳) 屯+ ( 一巳) i b + ( 巳一) t 】 ( 3 - 1 1 ) 从式( 3