（电力电子与电力传动专业论文）基于电流跟踪控制的有源电力滤波器的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电流跟踪控制的有源电力滤 波器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 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了谢意。 学位论文作者签名 缉鸯i 数日 期：坦生：! ： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 筮萎! ! 、 日期：趔6 ：i ：f 歹 导师签名： 日期：区堡：生f 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义和目的 第一章引言 电力电子技术发展带来了诸多的经济效益，如装置体积的减小，能量转换效率 的提高等，但同时也带来了一系列的问题，最主要的是对电网的谐波污染。为了抑 制对电网的谐波污染，可以采取两种方法：一种是采取主动的方式，即应用先进的 技术将电力电子装置产生的谐波降低至最低水平；另外一种是被动的方式，即装设 谐波补偿装置来补偿谐波，对已经投入运行的电力电子装置可以通过这种方法进行 改造。早期使用的补偿装置是l c 无源滤波器，其主要思想是根据l c 的串并联谐 振原理，为谐波分量提供一个低阻通路，同时提供定的无功补偿。l c 无源滤波 器由于其构造简单，一直被广泛使用。但其只能补偿固定频率的谐波，而且补偿特 性易受电网阻抗和运行状态的影响，容易与系统发生谐振。为解决传统无源滤波器 的局限性，人们做了很多的研究和探索，其中最有代表性的是有源电力滤波技术的 提出u - 2 1 。 与传统的无源滤波器相比，有源电力滤波器( 简称a p f ) 有自己的特点： ( 1 ) 具有自适应能力，能自动跟踪补偿频率和大小都变化的谐波和无功分量， 响应速度快，可控性能较高，补偿效果好。有源电力滤波器采用瞬时的谐波检测理 论，能快速检测出所要补偿系统的谐波和无功分量，荠通过有效的控制进行补偿， 它的实时性好，而且在理想的情况下，可以实现完全补偿。 ( 2 ) 补偿特性受系统参数的影响不大，不易于电网阻抗发生谐振，且能抑制由 于外电路的谐振产生的谐波电流。相比于无源滤波器在某些条件下可能与系统发生 谐振，导致事故，有源电力滤波器从根本上解决了这个问题，这是有源电力滤波器 受到重视的原因。 ( 3 ) 补偿功能、补偿方式多样化。有源电力滤波器不仅可以补偿谐波、无功和 负序电流，还可以抑制电压闪变、平衡三相电压等，有一机多能的特点，在性价比 上较为合理。另外有源电力滤波器不仅可以对单独的谐波和无功源进行补偿，也可 以对多个谐波和无功源进行集中补偿。 由于有源电力滤波器的诸多优点，自它提出以来一直受到广泛的重视。但是， 由于理论研究深度不足的制约、功率器件容量的限制、经济因素的影响、可靠性问 题的困扰，另外有源电力滤波技术集合了检测，控制和实时补偿于一体，内容相对 比较复杂，对于检测的准确性、控制的稳定、补偿的快速性以及各个环节的相互协 调等要求，有源电力滤波器的应用远没有达到预期的广泛程度，在谐波抑制中没有 华北电力大学硕士学位论文 起到应有的作用。因此，加强有源电力滤波器及相关技术的研究，提高滤波装置的 性能，满足实际应用的需要，使其成为电力谐波治理的有力手段，还有许多问题有 待于进一步研究。从目前国内外的情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功 补偿以提高电能质量的技术仍是今后的一个发展趋势。因此，对于有源电力滤波器 的研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 有源电力滤波器的发展历史和研究现状 1 2 1 有源电力滤波器的发展历史 有源电力滤波器从提出到投入实际应用，经历了几个发展阶段【3 1 。 1 基本原理的提出和概念的形成。有源电力滤波的想法最初于1 9 6 9 年出现在 b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中，在文章中提出了向交流电网注人三次谐波 电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。虽然这种方 法还不足以使电源波形成为正弦波，但可以认为是有源电力滤波思想的诞生。1 9 7 1 年，日本长岗科技大学h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中首次完整地描述了有 源电力滤波器的基本原理。1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的l g y u g y i 等人提出了用 四象限p w m 变流器构成有源电力滤波器，他们还讨论了有源电力滤波器的实现方 法和相应的控制原理，确立了有源电力滤波器的基本概念，并建立了当今有源电力 滤波器的基本拓扑结构，这标志着有源电力滤波器基本概念的形成。但在上世纪七 十年代，由于受半导体功率器件研制水平的制约，有源电力滤波器的研究没有取得 突破，仅限于实验研究。 2 快速发展。进入上世纪八十年代，有两大因素促进了有源电力滤波器的研究 进展：一是大功率可关断器件的研制和应用，如大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 和绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 等的逐步应用，性价比不断提高，使逆变器产生 大功率电流电压成为可能；二是1 9 8 3 年h a k a g i 等人提出了“三相电路瞬时无功功 率理论”，为三相系统畸变电流的实时检测提供了理论依据，该理论在有源电力滤 波器中得到了成功的应用。随后，h a k a g i 等人又研制出7 k v a 的有源电力滤波器， 用于补偿2 0 k v a 的三相整流器在交流侧产生的高次谐波和无功电流，使有源电力滤 波器开始进入工业应用阶段。 3 持续发展。从上世 i ：t , j t 十年代末至今，有源电力滤波器一直是电力电子技术 领域的研究热点之一，关于有源电力滤波器研究的论文在国际刊物和国际学术会议 上不断发表，这些论文从有源电力滤波器的主电路结构、谐波电流检测、电流跟踪 控制等方面分别进行研究和改进，这标志着在该领域研究的持续发展，不断深入。 为适应不同的补偿对象和实现补偿的多功能化，人们先后提出了并联型结构、串联 型结构和混合型结构等。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 2 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器在国外已经进入工业实用化阶段。世界上有源电力滤波器的主 要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。其中有 源电力滤波器技术在日本已经成熟，自上世纪八十年代以来，已有1 0 0 0 多台有源电 力滤波器投入市场，其容量越来越大，已经发展至i j m v a 等级，功能也越来越丰富， 除补偿谐波电流外，还补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。1 9 8 6 年，日本的t ( o m a t s u g i $ 口i m u r a 研制了一套用于三相整流器补偿的1 5 k v a 两重型a p f ， 能够补偿1 9 次以下的高次谐波电流，补偿率可以达到9 0 。另外还有将4 8 m v a 的并 联型有源电力滤波器安装于向“子弹头”列车供电的某电站，用于补偿无功电流和 负序电流，抑制电压闪变和三相电压不平衡。 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到上世纪八十年代末才有论文 发表。之后一些高等院校和科研机构逐步开始进行有源电力滤波器的研究，但有关 研究主要以理论研究和实验为主。虽然在理论上取得了一些进展，但由于多方面条 件的限制，有源电力滤波器未能在我国的工业领域得到广泛应用。我国实际应用并 经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学研究院共同研制成的用于3 8 0 v 三相 系统的5 0 k v a 电力有源电力滤波器。西安交通大学己研制出1 2 0 k v a 并联型有源 电力滤波器的实验样机。随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发 展，电能质量问题会越来越引起人们的关注，因此有源电力滤波器有着良好的发展 前景和潜在的技术经济效益1 4 。j 。 1 2 3 有源电力滤波器研究存在的主要问题 ( 1 ) a p f 的实际成本价格太高，受目前电力电子器件参数、价格的限制，要 实现大容量的工业谐波补偿需要a p f 具有较大的容量，这势必使装置造价过高。 ( 2 ) 在无功和谐波电流的实时检测方面，现有方法均存在难以克服的缺点， 特别是电网电压波形畸变情况下的检测方法还有待于进一步研究。另外对于多电平 电路结构的谐波和无功检测方面的研究并不多见。 ( 3 ) 在控制策略方面，在满足系统实时控制要求的同时，还必须满足控制系 统稳定性，目前的控制策略很多，但是有些方法比较复杂，实现起来比较困难。另 外在主电路产生复杂补偿电流的同时，要将直流侧电容上的电压维持到一定范围内 也是十分困难的。 1 3 论文的主要工作 本文主要以并联型有源电力滤波器为研究对象，根据其发展现状与存在问题， 将以下几方面作为主要研究内容： 3 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 有源电力滤波器的结构和原理分析 为了适应不同的补偿需要，有源电力滤波器的结构形式多种多样，本课题对目 前主要的结构形式作全面分析，指出不同结构的优缺点及其使用范围。 并联型有源电力滤波器的接线方式比较简单，可以实现的功能也最为丰富灵 活，是目前应用最多的结构。本文将其作为重点研究的内容，对其工作原理进行深 入分析，对主电路、谐波检测电路、电流跟踪控制电路分别进行研究，并进行仿真 验证。 ( 2 ) 电流跟踪控制策略的比较分析和仿真研究 电流跟踪控制的目的是使有源电力滤波器输出的补偿电流跟踪指令电流变化， 是决定有源电力滤波器稳态和动态性能的一个关键因素。 目前，用于有源电力滤波器的控制技术比较多，其中滞环电流控制和三角波比 较控制的控制方式简单，实际应用也最多，本文将对这两种控制策略进行较为深入 的比较分析，给出相应的仿真结果，为将主电路结构扩展到多电平提供理论依据。 ( 3 ) 级联多电平逆变器在有源电力滤波器中的应用研究 在大容量装置中使用有源电力滤波器必须解决全控型电力电子器件的开关频 率和装置的容量之间的矛盾。采用多电平变换器是提高装置容量的一个方法，也可 以使系统等效的开关频率得以成倍的提高。 本文将多电平结构应用到有源电力滤波器中，分析其拓扑结构，给出相应的数学模 型。由于h 桥级联型变流器各级联单元的直流电容相互独立，电容电压的稳定和平衡问 题成为其应用的最大障碍，本文在传统谐波检测理论的基础上，对独立电容电压的平衡 问题进行重点分析，提出一种新的参考电流的获取方法。 在电流跟踪控制策略上，根据主电路的特点和前面的原理分析，选取最适合的控制 方案和调制方法进行仿真验证。 ( 4 ) 有源电力滤波器的参数设计研究 为了达到预期的补偿效果，有源电力滤波器的参数选取是一个关键。本文在对有源 电力滤波器的主电路进行研究的基础上，给出功率器件的选取原目, l l n 主要电路参数的计 算方法，并在仿真中进行验证。 ( 5 ) 研制实验系统，进行谐波补偿。 搭建实验系统对理论分析及仿真结果进行验证，给出相应的实验波形，为有源 电力滤波器的实际应用提供有益的探索。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的理论分析和仿真研究 有源电力滤波器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 能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。为了更深入了解有源电力 滤波器，有必要介绍有源电力滤波的基本原理，建立其数学模型。目前有源电力滤 波器的种类繁多，需要分析各种有源电力滤波器结构的适用范围。考虑到有源电力 滤波器的实时性，需对其跟踪控制策略进行详细分析。 2 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器的基本原理如图2 1 所示，图中，p 。表示系统的等效电源，提供 的电流为f 。，非线性负载产生的电流为i l ，有源电力滤波器并联在负载端，产生的电 流为丘。根据基尔霍夫定律得： f s = t + 七 圈2 1 并联型有源电力滤波器系统构成原理图 ( 2 1 ) 假设负载电流含有谐波和无功分量，如式( 2 - 2 ) 所示，式中i l f p 、i k f q 和f l h 分别 负载电流的基波有功分量、基波无功分量和谐波分量。 f l = i l f d + l r q + l h ( 2 2 ) 当需要补偿负载电流产生的谐波电流时，只需要有源电力滤波器产生的补偿电 流与负载电流的谐波分量f l h 大小相等、方向相反，如式( 2 - 3 ) 所示，代入到式( 2 - 1 ) ， 与谐波分量相互抵消，则电源电流中只含基波分量，不含谐波，如式( 2 - 4 ) ，这样 就达到了抑制电源电流中谐波的目的。当要求补偿谐波的同时，补偿负载的无功功 率，则只需要在有源电力滤波器的输出中增加基波无功分量i l f a 的反极性分量就可以 了。这样，电源电流只提供负载电流的基波有功分量i l 如，最终电源电压和电流同相 华北电力大学硕士学位论文 位。 乇= 一t h ( 2 3 ) 2 t + o c 2 2 l f d + 2 l 自 ( 2 - 4 ) 所以有源电力滤波器的基本工作原理是根据补偿目的，检测出需要补偿的电流 作为参考量，然后根据有源电力滤波器的控制电路，产生一个与参考量大小相等， 方向相反的谐波或无功量注入到系统中去，使系统电流最终满足要求。从另一个角 度讲，有源电力滤波器向系统注入的量是谐波分量，所以有源电力滤波器也可以看 成是一个谐波源。 通过分析，有源电力滤波器系统应该包含两个部分：一个是指令电流运算电路 ( 谐波和无功电流检测电路) ，用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分 量；另一个是补偿电流发生电路，即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产 生实际的补偿电流。由图2 1 所示，补偿电流发生电路包含三个部分：电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路是根据补偿电流的指令信号和 实际补偿电流的关系产生相应的p w m 控制信号：驱动电路是根据所得的控制信号直 接驱动相应器件的丌通和关断；主电路目前采用的是p w m 变流器，在图中是个电 压型变流器，它通过电容提供逆变用的直流电压。与有源电力滤波器并联的小容量 一阶高通滤波器( 或采用二阶高通滤波器) ，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿 电流中开关频率附近的谐波。 2 2 有源电力滤波器的系统构成分析 用户所使用的电源是直流电源和交流电源，所以有源电力滤波器的系统构成按 供电的类型可分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器；根据有源电力滤波 器接入电网的方式，有源电力滤波器主要分为三大类，即并联型、串联型和串一并 联型。目前。有源电力滤波器的研究主要集中在交流有源电力滤波器上，直流有源 电力滤波器的研究也在逐步开展，典型的研究之一是在高压直流输电系统中的应 用。图2 2 给出了有源电力滤波器的基本分类图。下面对比较常用的有源电力滤波器 分别介绍如下： 2 2 1 交流有源电力滤波器的分析 ( 1 ) 并联型有源电力滤波器 a ) 单独使用的并联型有源电力滤波器 1 9 8 6 t g ，h a k a g i 提出用并联有源电力滤波器消除谐波的方法，如图2 3 所示， 该方式是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。由于其补 6 华北电力大学硕士学位论文 偿电流基本上由有源电力滤波器提供，故称之为单独使用的方式。这是有源电力滤 波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一十。在这种方式中，有源电力滤波器 相当于谐波电流发生器，其电流值为所要补偿的电流值。该图和后面介绍的原理图 均以单线图画出，它们均可用于单相或三相系统。 r r 甄面丽习 有 源 电 力 滤 波 器 交流a p f 墨匾 叫串联混合型l 罐薰霍 壅酣压回善三 叫注入回路方式f l 一 统一电能质量调节器 赢习严型 u 翮 图2 2 有源电力滤波器的分类 图2 - 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 这种方式的优点是：通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不对称分量等 进行补偿，因此补偿功能较多，且连接方便：对于电流源性质的谐波源，补偿特性 不受电源阻抗的影响。 这种方式的缺点是：电源电压宜接加在逆变桥上，对主电路中开关器件的电压 等级要求较高。有源电力滤波器全部承担负载的谐波补偿，当负载电流含量高时， 要求有源电力滤波器容量较大，补偿频带宽。而p w m 变流器的容量和动态性能成反 比，很难使a p f 在保证容量的同时，还具有良好的动态特性和低的开关损耗。 适用的场合：主要用于电流源性质的谐波源( 如带感性负载的整流器) 。 华北电力大学硕士学位论文 b ) 与l c 滤波器并联的混合有源电力滤波器 与l c 滤波器混合使用的有源电力滤波器的基本思想是利用l c 滤波器来分担有 源电力滤波器的部分补偿任务，这主要是为克服有源电力滤波器补偿容量大而提出 的。另外l c 滤波器的成本低，结构简单，可降低整个装置的造价。 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人首先提出用l c 滤波器和有源电力滤波器并联的混合型有 源电力滤波器方案。其原理图如2 4 所示。这种方案有两种补偿方式：一种是l c 滤 波器主要补偿较高次谐波，而大部分谐波由有源电力滤波器补偿，这对减低有源电 力滤波器的容量起不到明显的作用，但因为其对有源电力滤波器主电路中器件的开 关频率要求不高，实现大容量相对容易些；另一种方式是l c 滤波器分担大部分谐波 补偿的任务，而有源电力滤波器是为了改善整个系统的性能，那么所需容量与单独 使用方式相比可大幅度降低，在这两种方式中，有源电力滤波器都相当于电流控制 电流源。 这种方案的缺点是：电网与有源电力滤波器及有源电力滤波器与l c 滤波器之间 存在谐波通道，特别是有源电力滤波器和l c 滤波器之间的谐波通道，可能使有源电 力滤波器注入的谐波又流入l c 滤波器及系统中连接的滤波电容。 图2 - 4 有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式 c 、与l c 滤波器串联的混合有源电力滤波器 19 9 0 年，h f u j i t 等人提出将有源电力滤波器与l c 滤波器相串联后与电网并联的 混合型方案，其原理图如图2 5 所示，其中有源电力滤波器相当于一个电流控制电 压源。该方式中，谐波和无功功率主要i 主t l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用 是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网发 生谐振等缺点。 这种方案的优点是：有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容 量小。有源电力滤波器与l c 滤波器通过变压器连接，电压隔离和保护比较方便。有 源电力滤波器发生故障不会危及电网。 这种方案的缺点是：对电网中的谐波电压非常敏感。 华北电力大学硕士学位论文 适用的场合：适于高压电力系统。 目前已大量使用的l c 滤波器，均可采用图2 - 4 或图2 5 的方式进行改进，以提高 性能。 图2 5 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式 ( 2 ) 串联型有源电力滤波器 a ) 单独使用的串联型有源电力滤波器 图2 - 6 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。在这种方式中，有源电力 滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。相比于并联型有源电力滤波器，串联 型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。这种谐波源的一个典型例 子是电容滤波型整流电路，这种整流电路从交流侧可被看作是电压源。针对这种谐 波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电 点电压波形成为正弦波。因此串联型与并联型可以看作是对偶的关系。对于电压源 性质的谐波源，补偿特性不受电源阻抗的影响。 图2 6 单独使用的串联型有源电力滤波器 b ) 与l c 滤波器并联的混合有源电力滤波器 1 9 8 8 年，f z p e n g 等人首先提出了串联有源电力滤波器加并联l c 滤波器的结 构，其结构图如图2 7 所示。这种方式中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对 工频分量呈现低阻抗，因此有源电力滤波器相当于电源和负载之间的一个谐波隔离 园 i 9 岛 育* 上 茸一砸i | 华北电力大学硕士学位论文 装置，电网的谐波电压不会加到负载和l c 滤波器上，而负载的谐波分量也不会流入 电网。 。 这种方式的优点是：运行效率高，有源电力滤波器的容量i t , d , ，投资少。 图2 7 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式的缺点是：由于有源电力滤波器串联于电路中，很难把电源和有源电 力滤波器分开，易发生短路，绝缘比较困难，而且维修也不方便。有源电力滤波器 一旦发生故障也将危及电网。在正常工作时，耦合变压器流过所有的电流，不能抑 制电源电压的闪变。 ( 3 )串一并联型有源电力滤波器 一 -。一一。 二r 、一 上 u p 口c 图2 8串一并联型有源电力滤波器 为实现有源电力滤波器的多功能补偿，1 9 9 4 年，ha k a g i 等人提出一种综合了 串联a p f 和并联a p f 的混合型滤波器，称之为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r 简称为u p q c ) ，可兼并二者之间的功能，其结构如图2 8 所示。 串联有源电力滤波器用于对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，并在电压波动 时进行电压调节，同时它可以防止电力系统内阻抗和无源滤波器之间发生谐振。并 联型有源电力滤波器主要进行谐波和无功功率的补偿，它同时还用于调节并联型和 串联型有源电力滤波器所共用的直流侧电容的电压， 这种方式的优点是：具有良好的动态性，对电压和电流、无功功率都有补偿。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 这种方式的缺点是：控制和功能比较复杂，而且并联有源电力滤波器负担谐波 补偿的任务，所需容量大，消耗大。具体的工作和实用性有待于进一步的研究。 适用的场合：用于电力配电系统和工业电力系统。 2 2 2 直流有源电力滤波器的分析 有源电力滤波器应用于高压直流输电系统的起步较晚，1 9 8 8 年，c w o n g 和n m o h a n 等人首次提出将有源电力滤波器用于高压直流输电系统，并与隔年进行了可 行性的验证。到二十世纪九十年代初，直流有源电力滤波器取得实质性的进展，最 有代表性的是1 9 9 1 年1 2 月首次将并联混合型直流有源电力滤波器样机在瑞典丹 麦的2 5 0 k v 直流输电k o n t i s k a n 2 工程中投入工业试运行，取得了满意的结果。此后 直流有源电力滤波器受到了广泛的重视。 直流有源电力滤波器和交流有源电力滤波器类似，随着不断的发展，也产生了 不同的类型，以补偿不同的要求，主要分为并联型和串联型两大类，其特点与交流 滤波器相似。 2 3 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测 谐波检测主要由指令电流运算电路完成。在有源电力滤波器中，谐波检测是最 关键的一部分。实时精确地检测出谐波电流分量是进行谐波补偿的重要前提。1 9 8 3 年，赤木泰文提出的瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义， 其应用顺利地解决了谐波电流的实时检测的问题，是目前应用最为广泛的检测方 法。 2 3 1 瞬时无功功率的基础理论 假设在三相三线制系统中，各相电压和电流的瞬时值分别为e 。、e b 、e 。和f a 、i b 、 i 。，将其变换到旺一b 两相正交的坐标系中，具体如图2 9 所示。由下面的变换可得到旺一d 两相瞬时电压e 。、e o 和两相瞬时电流i 。b 。 p 卢 j 却 0一外、， 枣；-oo 图2 9 一b 坐标系中的电压、电流矢量 华北电力大学硕士学位论文 ：= 厉随 由矢量图可知 爱 圈 ( 2 5 ) ( 2 6 ) = i c o s 妒 ( 2 - 7 ) = i s i n p ( 2 - 8 ) 在上述公式中，i p 和i 。分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流，它们为矢量i 在矢量；及其法线上的投影，式中妒= 妒。一妒i 。 定义三相电路瞬时有功功却( 瞬时无功功率g ) 为电压矢量e 的模和三相电路 瞬时有功电流f p ( 三相电路瞬时无功电流f q ) 的乘积，即 p = p ( 2 - 9 ) q = p ( 2 1 0 ) 联立上面几个公式，得出 乏e pl i o 1 = 圈 把式( 2 - 5 ) 、式( 2 - 6 ) 代入上式，可得出p 、g 对于三相电压、电流的表达式 f p = e 。t + + t q 刊1 魄_ 肘( 州州m 。2 下面分析三相电压和电流均为基波正序分量时的情况，设三相电压、电流分别 为 i 巳= e ，s i n c o t = 瓯s i n ( c o t 一2 万3 ) ( 2 - 1 3 ) 【e 。= 毛s i n ( o u t + 2 ；, r 3 ) 1 2 1j 。l 2q 一一 1j l 华北电力大学硕士学位论文 i = k ( s i n w t 一劝 = ( s i n w t p 一2 ，r 3 ) 【f c = l ( s i n c o t 一6 p + 2 z r 3 ) 利用式( 2 - 5 ) 、式( 2 - 6 ) 对以上两式进行变换，可得 瓦： ! 施， ：=l：。一sin。(c。o。t珊-，一o)伊， 式中瓯22 4 3 2 e 。 厶2 = 4 3 2 1 。 把式( 2 - 1 5 ) 和式( 2 - 1 6 ) 代入式( 2 - 1 1 ) 中可得 p = 丧e m l 。c o s 妒 q 。毛e m i 。s i n q ( 2 一1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) 令e = 瓯2 、，= l 4 5 分别为相电压和相电流的有效值，得 p 叫e 8 p( 2 1 8 ) 【q = 3 e s i n 妒 可见在三相电压和电流均为基波正序分量时，p 、仃均为常数( 直流分量) ，且 其值和按传统理论算出的有功功率和无功功率完全相同。值得注意的是，这里计算 有功功率和无功功率只要同一时刻三相三线制系统的三相电压和电流的值，而传统 的有功功率定义和无功功率定义却需要一个周期的值才能计算出来。因此采用这种 计算方法可以大大节省计算时间。 2 3 2 基于瞬时无功功率的谐波和无功电流检测 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，主要有p 、q 运算方式和i p 、i q 运算方式两 种检测方法。由于f o 、f 0 运算方式更简单，其检测结果受电压波形畸变影响较小，应 用比较广泛，因此本文采用这种方法，该方法可以由公式( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 15 ) 联立 求得，原理如图2 1 0 所示。其思想是把满足i a + i 6 + f 。= d 的三相电流经过不含零序分量 的p a r k 变换得到了i 。、i 。该方法中，需用到与a 相电网电压电同相位的正弦信号s i n c o t 和对应的余弦信号c o s w t ，它们由一个锁相环p l l 和一个正、余弦信号发生电路得到。 根据定义可以计算出i p 、i q ，经l p f 滤波得出i p 、i q 的直流分量一、。这里，、0 是 由f a f 、i b f 、f 。所产生的，因此由一i 、一即可计算出、 、 ，进而计算出a h 、 、 。pi q i a fi b fi c f i i b hi c h 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 0 谐波和无功电流的实时检测原理图( of 。运算方式) 2 4 直流侧电容电压的控制 f 曲 根据文献 1 】可知，在三相三线制系统中，各相的瞬时无功功率只是在三相之间 交换，其交换的程度由4 表征。因此在瞬时无功功率在没有损耗的理想情况下，有 源电力滤波器与系统之间不进行基波有功功率的交换，即直流侧电容电压不会发生 变化。但实际情况下有源电力滤波器存在开关和导通损耗，因此会导致有源电力滤 波器直流侧电容电压的变化。直流侧电容电压变化过大会危及有源电力滤波器的安 全，为此需要提供给有源电力滤波器一定的基波有功功率以补偿这部分损耗，使直 流侧电容电压稳定在一定的范围之内，具体的控制方法见图2 1 1 所示。 圈2 1 1 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算 2 5 两电平有源电力滤波器的仿真研究 2 5 1 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，建立精确的数学模型是比较困难 的。为分析方便起见，作如下假设： ( 1 ) 忽略主电路中功率器件( 包括可控开关器件及与其反并联的二极管) 的通 态压降，而将之等效为一理想的双向开关； 1 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 忽略主电路中直流侧电容电压的波动，则其等效为一理想直流电压源： ( 3 ) 忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响： ( 4 ) 有源电力滤波器补偿电流输出所串联的电感为一理想电感； ( 5 ) 有源电力滤波器在正常工作时，同一桥臂上下两个开关器件工作在互补状 态，不考虑死区的影响。 有源电力滤波器的完整系统图如图2 1 2 所示，根据上述假设，有源电力滤波器 系统可以简化如图2 1 3 所示。可以看出，有源电力滤波器的补偿电流是由主电路 中直流侧电容电压酞和交流侧电源电压“”“b 及“c 的差值产生的。主电路的工作 模式由六个开关器件的通断组合所决定。由图2 1 3 可以得到 i 一一。一 图2 - 1 2 并联型有源电力滤波器的系统图 i c 口i c b + i = 0 “口+ “6 + “c = 0 图2 - 1 3有源电力滤波器系统简化模型 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 容易列出下列微分方程 ( 2 。2 1 ) 式中乜阢、凰u 。、k 。乩一一主电路各桥臂中点与系统电源中点之间的电压 恐、凰、绞一一开关系数，恐+ 凰+ 墨= o ，疋、k b 、k c 的值与主电路工作模式之 间的关系如表2 一l 所示。 表2 1 主电路工作模式和开关系数 工作工作模式 开关系彭 模式v 1v 3v 5v 4v 6v 2 恐k b殷 序号 1 通通通2 3一l 3一l 3 2 通通 通 一l 32 31 3 3通 通通 1 31 32 3 4 通通通1 3 1 3 2 3 5 通通通1 32 31 3 6通通通一2 31 3l 3 由表2 1 可知，通过开关管上下桥臂的组合，可以改变主电路各桥臂中点与系统 电源中点之间的电压，且各开关系数的绝对值不是1 3 ，就是2 3 ，只要适当的控制 电容电压的值，就能控制补偿电流的流向，以达到较好的跟踪补偿效果。 2 5 ，2 两电平有源电力滤波器的仿真研究 由于有源电力滤波器装置的复杂性，对其进行理论分析比较困难，因此进行计 算机仿真研究有着重要的意义。m a t l a b 是目前世界上较为流行的一种用于科学计 算的软件工具，其仿真环境s i m u l i n k 是m a t l a b 中的一种图形化模型输入与仿真 工具，利用它可以方便地建立各种仿真模型。如不特别说明，本文中所有的计算机 仿真都是基于m a t l a b 进行的。针对前面所说的原理，使用m a t l a b 中提供的 s i m u l i n k 仿真环境可以不再考虑前面数学模型中的一些假设条件，使仿真过程和 结果和实际情况更加吻合。s i m u l i n k 提供了丰富的模型库，尤其是电力系统模型 库( p o w e rs y s t e mb l o c k e s t ) 可以提供电力系统中常见的装置及器件模型，用其对 电力系统进行仿真研究非常方便。 屹 一 一 一 u 虬 u 弛 碱 弛 生m亟出生出 华北电力大学硕士学位论文 根据图2 1 2 所给出的系统图搭建相应的仿真模块，具体如图2 1 4 所示，图2 15 给出了基本的仿真结果。其中仿真条件为： 电流检测方法：基于瞬时无功功率理论的检测方法； 非线性负载：三相桥式整流电路，带阻感负载( 为了和实验系统吻合，所取电 感值很小) ： 电源相电压和频率：2 2 0 v ，5 0 h z ： 电源侧电抗：墨：0 1 q ； 有源电力滤波器直流侧电压：1 0 0 0 v ： 有源电力滤波器的出线电感：5 m h ； 在仿真中所采用的参数的设计方法详见第四章。图2 1 4 中，有源电力滤波器仿 真模块主要有指令电流运算模型、电流跟踪控制模型和主电路三部分构成，本节主 要介绍指令电流的运算模型，对于电流跟踪控制的模型在下一节将详细介绍。 指令电流运算电路的仿真采用基于瞬时无功功率理论的f d 、i q 运算方式，具体的 仿真框图如图2 1 6 示。 ( a ) 有源电力滤波器的外部系统图 华北电力大学硕士学位论文 2 v 煺 ) a ( b ) 有源电力滤波器的内部结构 图2 1 4s i m u l i n k 环境下的有源电力滤波器仿真模型 一4 q j j f 0 7 5i 一一d i r 五i r 1 厂芒百百5 6 时问( s ) ( c ) 指令电流波形 图2 1 5 基本的仿真结果 图2 1 6 指令电流运算仿真模型 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 7 ) b a b c p q 变换的仿真模块，该模块完成三相到两相的变换，图2 1 8 给出了 仿真结果，其中负载电流波形只给出a 相的波形。p q a b c 的仿真模块与图2 一1 7 基本相 似，所以本文未给出。 u 媛 雹 图2 1 7 a b c p q 变换仿真模块 | | 瓤耐一 2 0 0 ：_ 5 图2 18 a b c p q 变换的仿真波形 为了完全补偿谐波和无功，本文只取i 。的基波分量。在指令电流运算中，低通 滤波器的选择对检测结果有很大的影响，常用的滤波器有f i r 和i i r 滤波器。f i r 滤波器和i i r 滤波器相比，实现阶数高，对于实现相同要求的数字滤波器，一般前 1 9 华北电力大学硕士学位论文 者是后者的5 一1 0 倍左右。本文低通滤波器的作用是通过直流、滤除交流，故可以 选择对相位要求不高、运算量小的i i r 滤波器。一般而言，低通滤波器截止频率越 低则延迟时间越长、滤波后失真越小，因此需要在延迟时间和精度上做折衷处理， 一般截止频率选择2 0h z 3 0 h z 比较合适。在本仿真中采用了b u t t e r w o r t h 二 阶低通滤波器，采样频率为1 2 8 k h z ，截至频率为2 0 h z 。数字低通滤波器前后的波 形如图2 1 9 所示。 6 5 6 0 , - ， 5 5 ；： 5 a 4 5 0 5 i6 0 三 4 0 _ 2 0 - f fi j ；7 nf 、厂、f 、厂、八、n 厂、八、4 i 一0 0 划，必 05 lo5 205 30 5 40 5 505 6 ( a ) i p 的波形 0 5 1 0 ，5 205 3 0 5 40 5 50 5 6 时间( s ) ( b ) 滤波后的波形 图2 1 9 低通滤波器滤波前后的波形 2 ，5 3 电流跟踪控制策略的比较分析 a p f 系统可以被看作是一个典型的跟踪控制问题，由于获得的电流指令信号是 一个时变的复杂信号，所以电流跟踪控制策略是决定稳态和动态性能的个关键因 素。目前，用于有源电力滤波器的控制技术很多，相比之下传统的控制策略，如滞 环比较控制和三角波比较控制，控制方法简单，控制速度快，因此本文主要对两种 控制方法进行比较分析。 ( 1 ) 滞环比较控制 滞环比较控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，它集电流控制与p w m 于体。该方 法将实际电流与指令电流的上、下限相比较，其交点作为开关点。指令电流的上、 下限形成一个滞环，具体原理图如图2 2 0 所示，在该图中，把补偿电流的指令信号f 。+ 与实际的补偿电流信号矗进行比较，两者的偏差毛作为滞环比较器的输入，通过滞环比 2 0 华北电力大学硕士学位论文 较器产生控制主电路开关通断的p w m 信号，该p w m 信号经驱动电路来控制开关的通断， 从而控制补偿电流f 。的变化。 下面以a 相为例进一步讨论。设f 。的方向如图2 1 所示，则当v l 器件( i g b t 或二极 管) 导通时，f 。将溅小；而当v 4 器件导通时，f 。将增大。用轾表示滞环比较器的环宽， 当1 a i 。i 时，滞环比较器的输出将o h 翻转，假设后面的驱动电路和主电路无延时，则补偿电流矗的变化方向随之改变。 这样，l t 1 就在- h 年t l + 驼间变化，即f 。就在f 。隼- 日和f 。+ + 日之间的范围内呈锯齿波状的 跟随i 。+ 的变化。图2 2 1 示出了仿真得到的f 。跟随f 。t 变化的一个例子。 2 0 0 2 0 图2 2 0 滞环比较控制的原理图 k 。，伊鼯妥篡一 w 粥7 、。j l m s 23 图2 - 2 1采用滞环比较控制的i c n 随i c + 变化一例 根据上述原理，给出了图2 2 2 所示的仿真模块，图2 2 3 示出了不同滞环宽度时 输出电流对指令电流的跟踪情况。从图2 2 3 看出，通过瞬时比较控制，能够实现有 源滤波装置输出电流对谐波电流的跟踪，且具有动态响应快的特点。图中实际输出 电流含有高次谐波，这是由滞环比较的误差带宽不为零引起的，并且滞环带宽越大， 所引起的误差也越大，如图2 2 3 ( b ) 和( c ) 比较所示。另外，滞环带宽定时， 其开关频率会随着补偿电流的变化而交化，如图2 2 3 ( c ) 所示，其开关频率不均匀， 这样会引起较大的脉动电流和开关噪声。 图2 2 2 滞环比较控制的仿真模型 2 1 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 检测的参考电流( t 2 m s d i v ) ( b ) 补偿的实际电流( 滞环带宽= 0 2 ) ( t 2 m s d i v ) ( c ) 补偿的实际电流( 滞环带宽= 2 ) ( t 2 m s d i v ) 图2 2 3 瞬时比较控制时的实际电流对谐波电流的跟踪 根据上述原理及分析，将这种控制方法的特点总结如下： a ) 硬件电路十分简单： b ) 属于实时控制方式，电流响应很快； c ) 不需要载波，输出电压中不含特定的谐波分量； d ) 属于闭环控制方式，这是跟踪型p w m 控制方式的共同特点； e ) 若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的 开关频率是变化的。 ( 2 ) 三角波比较控制 图2 2 4 所示为三角波比较控制方法的原理图，它不直接将指令信号f 。+ 与三角波比 较，而是将f c + 与f 。的偏差f 。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于把毛控制为最小来进行设计 的。 图2 2 4 三角波比较控制的原理图 图2 2 5 给出了三角波比较控制的的仿真模型，图2 2 6 为不同的三角波频率时实 际电流对谐波电流的跟踪。 华北电力大学硕士学位论文 三角嵌发生嚣 图2 2 5 三角波比较控制的仿真模块 暑 罢 呈 4k ij ) 翻 肉 驴 ( a ) 检测的参考电流( t 2 m s d i v ) ( b ) 补偿的实际电流( t 2 m s d i v ) 图2 2 6 三角波比较时的实际电流对谐波电流的跟踪 与滞环比较控制的波形相比，三角波比较控制的动态跟随性能比较差，但是其 开关频率固定，且输出的波形所含的谐波分量较少。如图2 2 6 所使用的开关频率周 期是4 k h z ，而在图2 2 3 中开关频率不固定，当滞环带宽= 2 时，最高开关频率可以达 到i m h z ；滞环带宽更小时，其最高开关频率更高。这对于现代的电力电子器件的 开关水平是达不到的，因此为控制其开关频率，目前常用的是定时滞环比较控制。 综上，三角波比较控制具有如下特点： 曲硬件较为复杂； b ) 跟随误差较大； c ) 输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波； d ) 放大器的增益有限； e ) 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率： d 电流响应比滞环比较控制慢。 华北电力大学硕士学位论文 2 6 本章小结 本章首先分析了有源电力滤波器的基本原理，对主电路、谐波电流的检测方法 等进行了深入的研究，总结了目前各种有源电力滤波器的优缺点和应用范围，搭建 了两电平的有源电力滤波器仿真模块，进行了相关的分析。在电流的跟踪控制策略 上，重点研究了瞬时比较控制和三角波比较控制这两种控制方法，并给出相应的仿 真结果，为下面的分析提供理论参考。 2 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章级联型多电平有源电力滤波器的控制方法研究 大容量的工业装置所产生的谐波对电网危害很大，要实现大容量的谐波补偿需 要a p f 具有较大的装置容量。采用多电平变换技术是提高装置容量问题的一条捷径， 也可以使系统等效的开关频率成倍提高。在已提出的多电平电路结构中，单元级联 ( h 桥级联) 式结构易于扩展，应用最为广泛：针对级联多电平有源电力滤波器的 特殊结构，详细分析其数学模型，在电容电压的稳定控制问题上，对提出的新方法 进行深入讨论。在控制策略上，为选择合适的控制方案进行了分析。 3 1h 桥级联型逆变电路的数学模型 本文所研究的方法主要是基于三电平h 桥级联电路，其数学模型是后面研究 p w m 控制方法的基础。由于各单元结构相同，并且在控制上具有一定的独立性， 其数学模型的建立并不复杂。 3 1 1 三电平h 桥的数学模型 级联型逆变电路以h 桥为基本单元，首先应