（电力电子与电力传动专业论文）基于单位功率因数控制的有源电力滤波器研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rl o a d si nd i s t r i b u t i o nn d w o r k ，t h ep r o b l e m s o ft h r e ep h a s eu n b a l a n c e ，r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c sp o l l u t i o na r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa ni m p o r t a n t i n s t r u m e n tt o c o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec o m p o n e n tb e c a u s eo f i t se x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a i ma tt h ep r o b l e mo ft h ed e t e c tm e t h o d so fh a r m o n i cc u r r e n to fe x i s t i n ga c t i v e p o w e rf i l t e r , an e wc o n t r o lm e t h o dw h i c h i sb a s e do nt h eu n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r o l i sp r o p o s e d ，w h i c ho n l yn e e dt od e t e c tt h el i n ec u r r e n to ft h ep o w e rs u p p l ya n dt h e v o l t a g eo ft h ec a p a c i t o ra t t h ed cs i d eo ft h e i n v e r t e r , w i t h o u td e t e c t i n ga n d c a l c u l a t i n gt h eh a r m o n i cc u r r e n to ft h e1 0 a d i tc a nm a k et h e l i n ec u r r e n to ft i l e p o w e rs u p p l yt ob eas t a n d a r ds i n ew a v ew h i c hh a st h es a m ep h a s ea st h en e t w o r k v o l t a g e b a s e do nt h i sc o n t r o lm e t h o d ，as i n g l e - p h a s ea c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hh i g h p e r f o r m a n c ei sd e s i g n e d i t ss t e a d ya n dd y n a m i cb e h a v i o r sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so fc o m p e n s a t ec u r r e n ta r et h ep ic o n t r o la n dt h et r i a n g l ew a v e m o d u l a t i o n ，a n dt h eu n i p o l a rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) o ft h eh b r i d g e i n v e r t e ri sa c h i e v e d a t h r e e p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hf o u rb r i d g el e g s i sd e s i g n e d ， w h i c hi sa l s ob a s e do nt h eu n i t yp o w e rf a c t o rc o n t r 0 1 i ta l s oo n l yn e e dt od e t e c tt h e l i n ec u r r e n to f t h ep o w e rs u p p l ya n dt h ev o l t a g eo f t h ec a p a c i t o ra tt h ed c s i d eo f t h e i n v e r t e r , w h i c hc a nm a k et h el i n ec u r r e n to ft h ep o w e rs u p p l yt ob es t a n d a r ds i n e w a v ew h i c hh a st h es a m ep h a s ea st h en e t w o nv o l t a g e ，a n dc o m p e n s a t et h en e u t r a l l i n ec u r r e n tt oe l i m i n a t et h et h r e ep h a s eu n b a l a n c e t h ew h o l es y s t e mo fs i n 9 1 e - p h a s ea p fa n dt h r e e p h a s ef o u r 。w i r ea p fa r e s i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yo nc o m p m e ru s i n gp s c a d4 0s i m u l a t i n gs o f t w a r e t h e 1 1 a bst - act s i m u l a t i n gr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h a t t h i ss i n g l e p h a s ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a n c o m p e n s a t et h eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n te f f e c t i v e l ya sw e l l a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i tc a na c h i e v et h eu n i tp o w e rf a c t o r t h et h r e e p h a s e f o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hf o u rb r i d g el e g sc a nc o m p e n s a t et h en e u t r a ll i n e c u r r e n t , h a r m o n i c s ，r e a c t i v ec o m p o n e n ta n dt h r e ep h a s eu n b a l a n c ei nt r a n s i e n ts t a t e a n ds t e a d ys t a t ee f f e c t i v e l y i th a sg o o dd y n a m i c p e r f o r m a n c e i no r d e rt of u r t h e rv e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d ，a5 k v a e x p e r i m e n tp r o t o t y p e o f s i n g l e p h a s e a c t i v e p o w e r f i l t e ri s p r e p a r e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a nc o m p e n s a t et h e h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec o m p o n e n to fl o a dc u r r e n ti nt r a n s i e n ts t a t ea n ds t e a d ys t a t e e f f e c t i v e l y i ti se a s yt oc o n t r o la n dh a sg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r t h r e e p h a s ef o u r - w i r ef o u rb r i d g el e g s u n i t yp o w e rf a c t o r p ic o n t r o l 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： l t交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报： 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 缢廛l 痉日期：俎年三月堑目 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 盔团宝 曼童整 日期：型12 年l 月堑日 日期：鲨耻年上月卑日 第1 审绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着电力电子技术的飞速发展，工作在非线性条件下的各种功率器件得到 广泛应用，这些电力电子装置在节约能源、提高生产效率和人们生活质量等方 面起着重要作用，然而由于电力电子装置的非线性和多样性特点，大量的谐波 和无功电流注入电网，造成系统效率变低，功率因数变差，并对其他设备和装 置产生干扰，严重威胁电网的电能质量和用户设备的安全运行。 过去，国内外大量采用无源滤波装置来进行谐波抑制、无功补偿和提高功 率因数。传统的l c 无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成， 具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性高、运行费用较低和维护方便等特 点。但也存在不足和缺陷，如无源滤波器的谐波补偿频带窄，只能消除特定的 几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；滤波特性受系统参数的影响较大， 当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生串并联谐振现象；装置 笨重、体积大、损耗大等等。 随着电力电子技术和功率集成电路技术以及相关的谐波理论的发展，二十 世纪七十年代提出了应用电力电子装置进行谐波和无功补偿的方法，这就是有 源电力滤波器l lj 。其基本原理是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相 等方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网 的目的。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有明显的优越性。它能对变化 的各次谐波和无功同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响 较小，控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关 注。 1 2 有源滤波技术的历史发展和现状 二十世纪七十年代初有源电力滤波器的基本原理和电路拓扑结构就已确 东北j 乜力大学硕 学位论文 定，但由于受到当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波 器的研制一直处于试验研究阶段。直到进入八十年代以来，随着新型电力半导 体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于鼹时无功功率理论的谐 波电流瞬时检测方法的提出，使有源电力滤波器得到迅速完善和发展1 2 j 。 自1 9 8 2 年世界上第一台a p f ( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功且被正式投入使 用以来1 3 ，经过2 0 多年的研究和探索，a p f 技术得到了长足的发展，越来越多 的a p f 投入了运行，不论从实现功能还是运行效率上都有明显改善。其中在日 本，已投入使用的a p f 从5 0 k v a 到6 0 m v a ，功率范围越来越宽，从谐波补偿 到抑制闪变和电压调节，应用功能越来越丰富。目前，有源电力滤波器已用在 提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡 改善以及谐波消除和无功补偿等闯题上。 1 2 1 有源电力滤波器的分类 目前投入使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样1 4 】。图1 - 1 从不同 的角度对a p f 进行了分类。根据应用场合的不同，a p f 可分为有源直流滤波器 和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的 谐波电压1 5 1 ；后者则应用于交流电力系统。 图1 - 1 有源电力滤波器的分类 第1 章绻 论 根据逆变电路的储能元件不同，有源电力滤波器分为电压型和电流型两种。 电压型滤波装置效率高、初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，适 用于电网级谐波补偿。目前实用装置9 0 以上为电压型，技术相对成熟、完善。 电流型滤波装置作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构 简单、性能可靠，但损耗较大，不适用于大容量系统。 从与电网的连接方式看，有源电力滤波器可分为并联和串联型【6 ”。图1 2a ) 所示为并联型a p f ，它是最基本的方式。由于并联型a p f 并联接入电网，相当 于一个受控电流源，可消除负载引起的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相电 流。其适用于感性电流源型负载的谐波无功补偿，优点是它只流过补偿电流和 小部分基波有功电流，另外并联型a p f 可以并联使用以提供大的电流。但由于 a p f 是和被补偿的谐波负载并联在电网上，须承受电网基波电压，这使其容量 很大。而构成a p f 主电路的p w m 逆变器的容量和动态性能成反比，很难使a p f 在具有很大容量的同时还能具有良好的动态特性和较低的开关损耗。 串联型a p f 如图1 2b ) 所示。它的逆变器结构主电路不需要电流控制电路。 a p f 通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。其主要用于 消除电压源型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏 感负载的影响。串联型a p f 的主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电 压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并联a p f 相比，主要缺点是流过很高的 负载电流，使得变压器的额定参数上升，体积变大，损耗大；此外串联型a p f 投切、故障后的退出及各种保护也较为复杂。目前，应用装置中并联型占大多 数。 虽然a p f 能实现大容量和低损耗以及多功能，但由于受开关器件的限制， 容量的增大往往有限，而且造价随之增大。而无源滤波器具有结构简单、造价 低廉等特点，人们便提出各种a p f 和无源滤波器相结合的混合型a p f 来减小 a p f 的容量，提高装置的经济性。无源滤波器和串联型有源电力滤波器也可以 混合使用，如图l - 2c ) 所示。图1 - 2d ) 和e ) 所示分别为并联a p f 和无源滤波器混 合并联以及混合串联的使用情况。 东北电力大学硕卜学位论文 )f ) 图1 2 有源电力滤波器的各种拓扑结构 另外，为了充分发挥并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器各自 的特点，可以将二者结合起来使用，这就是统电能质量调节器( u p q c ) 的基 本结构 s l ，如图1 20 所示。串联型有源电力滤波器通过变压器接入主电路中， 具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变不平衡的补偿等作用，其变压器容量取 决于电压调节范围，容量很小。并联型有源电力滤波器直接与主电路相连，起 谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直流母线电压调节作用。这种结构虽然 功率开关较多，但开关应力较小，容量不大。两个有源电力滤波器都采用电压 型逆变器结构，共用直流平波电容器，损耗低，效率高；系统输入和输出波形 第1 章绪论 畸变小：电压调节动态响应时间短、范围宽、精度高；能适用于各种用电负荷， 能抑制电网三相交流电压不均衡。这种电路结构的控制方式改变后可以实现统 一潮流控制器和交流电网移相器的功能。对这种装置电路结构和控制方法研究 是目前电力电子技术领域的一个研究热点和发展方向。 i 2 2 有源电力滤波器的谐波检测方法 有源电力滤波器控制的第一个环节是补偿指令的获取，这一环节将直接影 响到有源电力滤波器的性能，因为如果不能准确地得到指令信号，电流的控制 将无从谈起。计算补偿电流指令，首先必须根据补偿目的将谐波和无功电流分 量或者正序、负序及零序等分量迸行分离。根据补偿目标，可以对电流进行不 同的分解。例如，在补偿所有高次谐波分量以及单位功率因数的条件下，只需 检测基波有功电流分量即可；如果只进行某些次谐波消除以及基波无功分量补 偿，则需要分别检测出各次谐波分量以及基波无功分量。在不对称的情况下， 还要检测出电流中的正序、负序以及零序分量( 三相三线制中没有零序分量) 。 谐波和无功分量的检测方法大致可以分为以下几种 9 - n ) ： 1 2 2 1提取基波分量法该方法是最早被采用的谐波电流检测方法，其原理 是使用带通( 或带阻) 滤波器将基波电流从检测的电流中分离出来，从而得到 高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但是所采用的高阶滤波器会产 生附加相移，造成输出信号畸变，影响补偿效果。此外，这种方法还存在设计 困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点，因而目前已较 少采用。有文献介绍利用小波变换技术提取基波分量实现谐波电流的检测“， 其具体效果如何还需深入研究和探讨。 、 i 2 2 2 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法该方法的基本原理是将负 载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全一致的电流分量，称 为有功电流分量；另一个分量为负载电流与有功电流的差值，包含基波无功和 东北也力大学硕卜学位论文 谐波，称为广义无功电流分量。该方法的主要缺点是必须计算负载的有功功率 和电网电压的有效值，这需要对电网电压和负载电流的乘积以及电网电压信号 的平方进行积分运算，再加上其他运算电路所需的计算时间，用该方法计算出 广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟，故不适用于频繁变化负 载的补偿。而且，这种方法仅仅区分有功电流和广义无功电流，却无法将基波 无功和谐波电流相分离，因此这种方法只能适用于全补偿的场合，对于需要将 基波无功电流和谐波电流分别补偿的情况，该方法无法应用。 1 ，2 2 3 基于频域分析的快速傅立时变换( f f t ) 检测法该方法1 1 ) j 是建立在 f o u r i e r 分析的基础上的，因此要求被补偿的波形是周期变换的，否则会带来较 大误差。通过f f t 将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得各次谐波的幅 值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变换器得到所需 的误差信号，再将该误差信号进行f f t 反变换，即可得补偿信号。其优点是可 以选择拟消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还可以通过电网电压基波 分量与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和基波无功 电流；而且受环境因素影响也较小。但是该方法需要进行f f t 变换及其反变换， 计算量非常大，因而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波 动时，将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。 1 2 2 4 基于采样保持原理的谐波电流检测法文献 1 4 1 中，jw d i x o n 等人提 出了一种应用采样保持电路来实现谐波、无功电流和不平衡负载的检测计算的 方法。此方案将负载电流经一带通滤波器得到相电流基波瞬时值，其经过整流 输入采样保持电路，采样保持电路与相电压峰值同步，采样保持电路获得的直 流信号正比于电流有功分量幅值。用同样的方法得到另外两相的直流信号，根 据负载的有功功率，对这三相直流信号进行平均，平均后的直流信号与三个对 称的正弦参考波形相乘，可以获得各相对称基波有功电流，然后它们与实际负 载电流相减就得到了所需的补偿电流值。此方法得到的检测电路既可用于谐波 抑制、补偿功率因数，又能平衡系统三相功率。它没有复杂的坐标变换和乘除 第1 章绪论 法数学运算，可以避免负载电流瞬变引起的电源电压波动和瞬变现象。但对电 路元器件精度要求较高，调整较为困难，且电压波形发生畸变时，无法实现有 效补偿。 1 。2 2 5 瞬时空间矢量法基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前 a p f 中应用最广的一种检测方法，最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 4 年提出的， 经过不断改进，现在包括p - q 法1 1 5 1 、i p - i 。法【嘲以及d - q 法【1 7 】。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；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；而基于同步旋转坐标变换的d - q 法可 在电网电压不对称、畸变情况下精确地检测出谐波电流，其优点是当电网电压 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) 的检测电路比较简单。 1 2 2 6 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法该方法利用信号处 理的自适应干扰对消原理，将t g 玉, 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，而得到所有谐波与无功电流之和。 按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统，故其运行特性与元件参数 几乎无关，对器件特性的依赖性也不大。当电网电压发生波形畸变以及频率波 动时，检测系统仍能正常工作，具有良好的自适应能力，但动态响应速度较慢。 由于人工神经元网络具有自学习和电流自适应的能力，因此人们将智能控制理 论应用到无功和谐波电流检测上。文献【1 8 】将人工神经网络理论与信号处理中的 自适应噪声对消技术相结合，提出了一种基于单个神经元的自适应谐波电流检 测方法。但这些方法大多停留在仿真研究，还没有应用到实际系统中。 1 2 2 7 基于神经网络的检测法该方法是随着神经控制理论在控制系统中 的应用而发展起来的一种新型智能控制手段。人工神经网络以自学功能性强， 进化算法和方向传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复 杂计算，且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性 东北也力大学硕f 1 学位论文 负载的a p f 系统。该方法具有以下优点：( 1 ) 可以通过模拟电路实现，硬件电 路简单且易实现；( 2 ) 对负载具有自适应的特点；( 3 ) 克服了采用电子滤波的 时延现象；( 4 ) 可以同时检测谐波、无功、基波负序和零序电流。 1 2 3 有源电力滤波器的控制策略 1 2 3 1三角载波线性控制三角载波线性控制( t r i a n g l ew a v e - l i n e a r c o n t r 0 1 ) 是最简单的一种控制方法，将电流实际值与参考值之间的偏差与高频 三角载波相比较，所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而 在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好，开关频率固定， 实现电路简单，缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量， 开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 1 2 3 2 滞环电流控制滞环电流控制【1 川( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一 个以给定电流为中心的死区或滞环，通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差 来控制逆变器的开关动作。 滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰 动的能力，控制精度较高，还可通过防止逆变器过流两保护功率开关器件。传 统滞环控制也有开关频率变化范围大、负载换路时被控制量常常不能得到有效 控制等缺点。 1 2 3 3 无差拍控制无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 是一种在滞环电流控 制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流 参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流 输出值，选择使电流误差最小的开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到 电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化，特别 适合快速暂态控制。缺点是计算量大，造成延迟，而且对系统参数依赖性较大， 第1 章绪论 影响整个系统的稳定性。近年来不断有新的改进方法出现。 1 2 3 4 特定消谐p w m 控制特定消谐( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n ，s h e ) p w m 因其优越的输出频谱特性而受到广泛地重视。1 9 7 3 年美国密苏里大学的 h a s m u k hsp a r e l 和r i c h a r dgh o l t 提出了特定消谐p w m 技术，它的基本原理 是在周期性输出波形的特定角度上设置合适的缺口，而且输出波形满足半周期 奇对称，四分之一周期偶对称，通过逆变器的斩控作用，将固定幅值的电压或 电流转换成基波含量极高、消除有限低次特定谐波的等效正弦波。在四分之一 周期的波形上，每设置一个缺口，就可以消除一神谐波。在相同的t h d 下，特 定消谐p w m 具有开关频率低且固定，开关延时小且开关损耗低，高次谐波相 对子基波的含量不变和次级滤波器易于实现的优点。特定消谐p w v i 可以分为 单极性和双极性两种。文献【2 0 】利用能量守恒原理实现了特定消谐p w m 开关角 的优化，在不提高开关角数目的情况下，将剩余高次谐波后推，提高了脉冲优 化的效率。 1 2 3 5 空间矢量控制空自j 矢量调制( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，s v m ) 是将 三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢 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；其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间 旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。 采用空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可有效降低开关频率和减小交 流侧线电流的总谐波畸变率；但受一般微控制器运算能力所限，该控制方法经 常要在实现速度与合成脉宽调制( p w m ) 波形质量之间进行折衷，应用d s p 可使该控制系统向高可靠、高性能的全数字化方向发展。 1 2 3 6 组合变流器相移s p w m 控制为了实现对无功电流和高次谐波电流的 有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率下。但大功率正弦波脉宽调制 ( s p w m ) 交流器开关频率会受限制，原因有二；( 1 ) 大功率半导体器件( g 1 o 东北电力大学硕十学位论文 等) 的开关频率较低；( 2 ) 高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低系统效 率。而多重化的功率变换器调节性能较差，不能完全满足现代电网的要求。 为此，文献 2 1 1 提出了组合交流器相移s p w m 技术。该技术的实质是多重 化和p w m 技术的有机结合，能够在低开关频率下实现大功率变流器相移s p w m 技术，而且显著地减少输出谐波，改善输出波形，从而减小滤波器的容量。同 时，相移s p w m 变流器具有良好的动态响应和较高的传输频带，使得许多先进 的控制手段得以应用，控制性能得以提高。 1 2 3 7 单周控制单周控制( o n e c y c l ec o n t r o l ，o c c ) 又称积分复位控制 ( i n t e g r a t i o nr e s e tc o n t r o l ，i r c ) ，是一种新型非线性控制法，最早由美国学者 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。基本思想是控制开关占空比，在每个 控制周期内使开关变量的平均值与控制参考信号相等或成比例，从而消除稳态 和瞬态误差。它主要有如下优点：( 1 ) 开关调制频率恒定；( 2 ) 控制系统简单。 仅由r s 触发器或d 触发器构成的控制器、比较器、积分器及时钟电路等几部 分组成；( 3 ) 可在一周期内消除开关变量和控制参考信号之间的稳态和动态误 差。但它也有些明显的缺点：( 1 ) 系统性能易受外界条件的影响，抗干扰性 能差，难于稳定工作；( 2 ) 补偿后的电源输出电流波形有畸变，轻载时畸变较 严重；( 3 ) 系统对电路参数要求十分精确，否则电网侧电路上有电流直流分量 产生。这些缺点极大地阻碍了它的应用推广。目前研究的单周控制a p f 仅仅适 合于中小功率场合。 1 2 3 8 滑模控制滑模控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) 是一种设计与分 析紧密结合、具有对模型不确定和对外界扰动不变化及鲁棒性强等特点的控制 方法，其原理是利用控制的不连续性，依靠其高频转换强制闭环系统到达并保 持在所设计的滑动面上。在一定条件下滑动模对干扰与系统参数的变化具有不 变性，这也是鲁棒控制所需解决的问题。 基于滑模控制技术的a p f ，首先利用瞬时无功理论对采样信号进行分析， 再进行滑模控制( 包括预设滑模面、测试滑模面的存在条件、滑模面内部的稳 第1 奄绪论 定性分析) ，最后实现p w m 驱动信号输出。d s p 的应用减少了获取参考信号以 及分离谐波电流所需的硬件，特另j j 是在功率器件的功率等级较高时，成本将会 大为降低；增强了系统的鲁棒性，即使在负载变化时直流侧电压也能保持稳定， t h d 较小且功率因数接近1 。然而滑模控制的不连续开关特性容易引起系统的 颤动，这种颤动可能将系统中存在的高频成分激励起来，甚至使系统不稳定。 i 。2 3 9 变结构控制目前，混合型电力滤波器( h a p f ) 是一种效率较高、 应用极为广泛的a p f 。其中，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供 定的基波无功补偿：而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。h a p f 以非常小容量的有源滤波器，就可以弥补无源滤波器特性的一些固有缺陷。这 样既可以改善无源滤波器的滤波效果，防止与电网之间发生谐振，又避免了并 联有源滤波器的谐波电流注入并联的无源滤波器形成谐波短路的现象，提高了 有源滤波器的有限容量的利用率。 h a p f 的控制策略，大多以瞬时功率理论为基础，通过对电力系统中无功 和谐波电流的检测计算来实现无功功率和谐波电流的补偿。不仅计算、控制复 杂，而且由于未对期望的电源电流实现闭环跟踪控制，测量和计算误差得不到 补偿，影响了其补偿性能的提高。变结构控制阱 ( v a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r 0 1 v s c ) 对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性，文献 2 3 1 应用v s c 理论， 在建立空间矢量数学模型的基础上，提出一种混合型电力滤波器的变结构控制 方法，避免了较复杂的谐波电流计算，实现了对电源电流和电容电压的闭环控 制，是一种简单有效且易于实现的控制方法。 1 2 3 1 0 模糊控制模糊控制斟l ( f l l z 珂c o n t r o l ，f c ) 系统是一种以模糊数学、 模糊语言形式表示知识，以模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制 技术构成的一种具有反馈通道闭环结构的数字非线性控制系统，核心部件为模 糊控制器。 文献 2 5 1 介绍了种基于d s p 的智能型混合有源滤波器，将负载谐波电流 通过模糊控制器转换为三角波调制信号，再经过变压器接入电网，通过在线调 东北电力大学硕十学位论文 整模糊控制实现模糊控制器的自适应控制，取得了良好的控制效果。该方法存 在的问题是，如何选择将实际的输入量变换为模糊集合的输入尺度变换因子， 取值过小将引起较大的稳态误差，过大则会使超调量变大。 1 2 3 1 1 重复控制重复控制( r e p e t i t i v e c o n t r o l ，r c ) 来源于控制理论中的 内模原理，它将作用于系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度反 馈控制系统，在系统周期不变的前提下重复控制器将上一周期的控制误差应用 到当前控制量的生成中，使其对周期性扰动具有良好的抑制能力。采用重复控 制的a p f ，控制部分由两条环路构成：内环为电流控制环，作用是通过重复控 制使电源电流与电源电压保持同相位；外环为电压控制环，作用是在负载变化 时保持a p f 的直流侧电压稳定。重复控制要求扰动信号是时间的周期函数，但 系统的实际运行是非周期波动的，直接应用重复控制的效果并不理想，文献 2 6 】 提出了基于重复控制原理的前馈动态补偿方案提高了系统的稳定性。 1 2 3 1 2 人工神经网络控制人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k ，a n n ) 是一个由简单处理单元构成的规模宏大的并行分布式处理器。神经网络控制的 主要特点是它的信息处理并行机制可以解决控制系统中大规模的实时计算问 题，且对复杂不确定问题具有自适应和学习能力。 目前神经网络在知识处理过程方面的应用研究规模还很小，还有许多问题 有待进一步解决。由于人工神经网络具有记忆能力，因此可将需要耗费大量时 间的复杂运算过程放到神经网络的训练过程中，实现各种测量和控制的实时性 和准确性。 基于神经网络控制【2 7 】的理想p w m 变换器通过前馈人工神经网络控制开关 触发角，最终可对2 9 次以下的谐波进行全补偿。该系统在主机的子程序进行仿 真，离线训练得到神经网络的权值分量和偏值分量并在初始化时下载到d s p 上， 初始输入值每改变一次，d s p 内相应的子程序就会被调用一次计算触发角，并 控制逆变器开关的通断。该方法使用分段线性神经网络避免了传统s 型函数中 复杂的指数和除法运算，降低了d s p 内的计算时延。但考虑到每次离线计算以 第1 审绪 论 及初始化所需要的时延，该方法不适于对时变负载进行补偿。 1 2 4 有源电力滤波器的发展前景 从近年来的研究和应用可以看出，有源电力滤波器作为净化电网污染、改 善供电质量的一种有效装置，有着广阔的发展前景： 1 为了降低成本、提高效率和扩大容量，有源电力滤波器与l c 无源滤波 装置组合的混合型有源电力滤波系统得到广泛的应用。 2 如何优化设计各部分电路参数，降低逆变器主电路的容量要求、损耗和 造价也是亟待深入研究的问题。 3 为了适应有源滤波器多功能复杂控制的需要，在有源电力滤波器走向实 用化的道路上，一些先进的控制策略包括智能控制和人工神经网络控制将得到 真正的应用以获得更好的控制性能和效果。 4 如何解决补偿电流的相位滞后。在有源电力滤波器的应用中，数字化控 制器以其灵活性和易实现性的优势而广泛被应用，但使用数字化控制器不可避 免地会引入更大的延时，这对有源滤波器的滤波效果会带来不良影响，严重时 会导致滤波系统的不稳定。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 1 针对目前谐波电流检测方法存在的问题，本文将提出一种只需检测电源 迸线电流及逆变器直流电容电压，而无需实时检测、计算负载谐波电流，直接 控制电源电流为与电网电压同相的标准正弦波的控制方法。因其无需检测负载 电流，故可大大简化谐波检测电路和电流跟踪控制电路。并通过逆变器直流侧 电压闭环控制保证当电源电压畸变时逆变器输出电流仍跟随负载谐波电流，从 根本上提高有源电力滤波器的性能。 东北电力大学硕1 1 学位论文 2 基于单位功率因数的控制方法，设计一种高性能的单相有源电力滤波器。 对其稳态和动态行为进行分析，并运用p s c a d4 0 仿真软件对整个系统进行数 字仿真，用理论分析和仿真结果证明该单相有源电力滤波器对于抑制谐波和补 偿无功功率的有效性。 3 将单位功率因数控制的方法用于三相四线制系统，设计一种四桥臂三相 四线制有源电力滤波器，它同样无需实时检测、计算负载谐波电流，只需检测 电源输入电流和逆变器直流侧电容电压，而直接控制电源电流为与电网电压同 相的标准正弦波，并可补偿零线电流、消除三相不平衡。用理论分析和仿真结 果证明该有源电力滤波器既可抑制谐波、补偿无功功率，又能消除三相不平衡。 4 对单相并联型有源电力滤波器的主电路和控制电路进行设计，并以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心处理器对控制算法进行软件设计。 5 制作一台额定容量为5 k v a 的单相有源电力滤波器实验样机，通过实验 进一步验证理论分析和仿真结果的正确性。 第2 章学相有源电力滤波器的研究 第2 章单相有源电力滤波器的研究 2 1系统组成和工作原理 2 1 1 系统组成 单相有源电力滤波器的拓扑结构如图2 1 所示，主电路采用电压型h 桥逆 变器，与负载并联，以受控电流源方式工作。它主要产生与负载电流中的无功 和谐波电流大小相同而方向相反的补偿电流，从而将电源电流补偿为与电源电 压同相位的正弦电流。同时还可通过p i 控制调节逆变器直流侧电容的电压。 图2 1 单相有源电力滤波器的拓扑结构 2 1 2 并联型a p f 的电流控制等效原理 如图2 1 的主电路，传统的并联a p f 谐波电流补偿原理为：谐波源负载电 东北电力大学预十学位论文 流i l 中含有基波电流f l f 和谐波电流“。当a p f 输出一个与谐波电流大小相同 方向相反的电流站时，则电网电流中就仅包含负载电流中的基波分量“。可 用如下的一组公式描述： 毛= i l + i c( 2 1 ) 瓦=ilr+flh(22) 令f c = 一l e a( 2 3 ) 则氏= 屯f( 2 4 ) 然而，一种与上述原理等效的方式是将上述式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 顺序颠倒，即： 如果控制电网电流矗为负载电流的基波分量觅f ，则a p f 的输出电流z ：自然就是 负载的谐波电流i l h o 事实上，由于a p f 的最终控制目标是使电网电流为基波正 弦电流，至于它是不是负载电流的基波分量并不重要，因此根本无需检测负载 的基波电流。 由于a p f 本身是由功率开关电路组成，其输出中总会含有开关电流误差成 分，此误差是a p f 固有的，不可能被消除，其幅值与开关频率、电路参数、电 网电压以及直流侧电容电压等有关f 2 8 】。 在传统的a p f 电流控制中有： 如= 如+ 彳如( 2 5 ) 电网电流控制中有： 毛= 毛+ 4 走 ( 2 6 ) 式中，屯+ 为a p f 的实际电流输出，彳屯为a p f 电流i 。中的开关电流分量误 差；矗+ 为电网中的实际电流，4 f 5 为电网电流式中的开关电流分量误差。 将式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 代入式( 2 - 1 ) ，得 毛= 屯+ i c + + ( 4 屯z l i d ( 2 - 7 ) 根据图2 1 显然有： 4五=彳屯(28) 由此可见，并联a p f 电流控制与电网电流控制在原理上是等效的。 第2 章学相有源电力滤波器的研究 2 1 3 工作原理分析 单位功率因数( u n i t yp o w e rf a c t o r ，简称u p f ) 控制的目标是在a p f 接入 点处获得单位功率因数，既要补偿非线性负载的谐波电流，又要补偿其无功电 流，获得整体上的单位输入功率因数，其容量比单纯补偿谐波电流时要大。 并联型a p f 的主电路及其p w m 控制信号如图2 2 所示。其控制系统采用 了电压电流双闭环控制，电压外环的控制目标是使直流侧电容电压保持恒定： 电流内环的控制目标是使电源电流为与电网电压同相的基波正弦电流。如图2 一l 所示，砜为单相a p f 直流侧电容电压的测量值，砜为电容电压的给定值，两 者之差经过p i 调节器后得到电压控制量。该电压控制量与和电网电压同相的标 准正弦波相乘后，得到电源电流的给定信号f s ，该给定信号与实际电源电流信 号f s 相比较后，得到最终的体现有电容电压调节和电源电流调节的综合控制信 号，即逆变器补偿的指令信号。将指令信号及其反向信号分别与单极性的三角 波调制后得到两路p w m 信号，再分别反相，共得到四路p w m 信号，经过隔 离和放大后驱动对应的功率器件工作，使逆变器产生与负载电流中的无功和谐 波电流大小相同而方向相反的补偿电流，从而将电源电流补偿为与电网电压同 相位的j 下弦电流。 师g 1 壮_ l l i l 0 2 矾硎g 3 圳g 4 图2 - 2 并联型a p f 的主电路