（电力电子与电力传动专业论文）基于单周控制有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ep r o l i f e r a t i o no fn o n l i n e a rl o a d ss u c ha sp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t s ，t h ea m o u n to fh a r m o n i cc u r r e n th a si n c r e a s e d t h et r a d i t i o n a lp a s s i v e f i l t e rc o u l dn o tm e e tt h eu s e rd e m a n do fp o w e rq u a l i t y a c t i v ep o w e rf i l t e rm a y o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a la p p r o a c h e sf o re l i m i n a t i n gh a r m o n i c s w i t ht h es u p e r e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，a p fh a so b t a i n e dm o r ea t t e n t i o n a c t i v ep o w e r f i l t e ro c c u rt h ec o m p e n s a t i v ec u r r e n tt h a ti se q u a lt oh a r m o n i cc u r r e n tb u to p p o s i t e d i r e c t i o nt h a ti sr e g a r d e da san e we q u i p m e n to fe l i m i n a t i n gh a r m o n i c ，a i m i n gt o e l i m i n a t et h eh a r m o n yc u r r e n ta n dr e a c t i v ec o m p o n e n tg i v e nt ob yt h el o a d o n e c y c l ec o n t r o lm a n n e ri sau n i q u et y p eo fn o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o dt h a ti s g o o da ts w i t c h i n gc o n t r o lc i r c u i t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h em e t h o di su s e di nm a n yf i e l d s ，w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g es u c ha sf a s tr e s p o n s e s ， s i m p l ea n d r e l i a b l eo ft h ec o n t r o lc i r c u i t t h ew a yo fo n e c y c l ec o n t r o lf o ra c t i v ep o w e rf i l t e ri sa r o u s e da f t e ra n a l y z i n g c i r c u i tt o p o l o g yc i r c u i t ，b a dc u r r e n ta n dc o m p e n s a t i v ec u r r e n tc o n t r o lt oa c t i v ep o w e r f i l t e ri nm yr e s e a r c h m a n yp e o p l eh a v ed i s c u s s e dt h ea p p l i c a t i o no fo n e c y c l e c o n t r o lt e c h n o l o g y t h es t u d ya c h i e v e m e n t so fo n e c y c l ec o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ep a p e ri su s e dt o c o n t r o lt h et h r e e p h a s ea n df o u r - l i n ew i t hf o u r - l e gs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rf o rt h e f i r s tt i m e t h es i m u l a t i o ni d e n t i f i e st h a tb a s e do no n e c y c l ec o n t r o lt e c h n o l o g y m e t h o dt h et h r e e - p h a s ea n df o u r - l i n ep a r a l l e l i n gr e a c t i v ep o w e rf i l t e rc a ne f f e c t i v e l y c o m p e n s a t i n gt h eh a r m o n ya n d r e a c t i v ea n dh a v ep e r f e c tc o m p e n s a t i n ga b i l i t i e s k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i c ；o n e c y c l ec o n t r o l ；m a t a l bs i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加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，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 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谢意。 学位做作者签名( 手写) ：怦草 签字日期 冲尼月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做储签名( 手瓢p 辑泉 签字日期：翔咿，月；日 导师签名( 搠：热净 签字日期：9 厂年y 月了矿日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 电力谐波产生的原因与危害 1 1 1 电力谐波产生的原因 伴随着电力电子技术的飞速发展，使得各种电力电子装置得到了广泛的应 用。利用晶闸管进行整流和使用的变频器进行调速，这些设备都是非线性负载， 他们将向系统注入谐波电流和吸收无功，因此使得电网发生电压畸变i 。 近几年来，公用电网受到了谐波的严重污染，并影响到用户使用的安全性 和供电质量，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。其中，电力电子装置 是目前主要的谐波电源。 1 1 2 谐波源 由于电力系统中使用了非线性设备导致系统中产生大量的谐波。这些设备 的非线性特性，在电网中造成了大量谐波的产生，我们常常把这些非线性设备 称为谐波源。但实际上，自从使用交流电作为电能的一种供电方式，谐波问题 已经引起了人们的思考。近几年来，伴随着非线性设备的大量使用，谐波问题 表现得尤为突出。 目前，通常谐波源可分三类 2 , 3 1 ：1 、电力电子装置即现代电力电子非线性设 备；2 、传统非线性设备，主要有：变压器、银光灯、旋转电机等；3 、电弧设 备，有电弧炉等。 1 1 3 谐波的危害 谐波的危害【4 】有如下五个方面： 1 ) 谐波使电网附加损耗增加 用电设备由于谐波的产生将会产生附加损耗，使得用电设备的使用效率降 低。特别对于三相四线制电网，中线中的谐波电流使得中线过热严重时甚至会 引起火灾。 2 ) 谐波使电能利用率减小 谐波使得系统中的无功增加，使得系统视在功率或电流增大，这些无功将 产生附加的损耗，从而使发电机、变压器等容量增大。 第1 章绪论 3 ) 谐波使电网的可靠性下降 谐波可能会使电力系统发生串、并联谐振，使谐波电流放大，严重时会导 致重大事故。 钔谐波严重时会对电气设备产生强烈的干扰 谐波电流产生将使得电机的机械振动和发出噪声，电机寿命将受到影响， 有可能损坏电机。谐波还会引起继电保护正常工作如：误动作或拒绝动作。 5 ) 谐波对通信的干扰 通信设备会由于谐波产生受到干扰，轻则产生噪声，降低通信质量；重则 导致信息丢失，甚至使通信系统不能正常工作。 1 2 电力谐波的治理方法 总体来看，抑制电力系统中的谐波除了从技术上采取合理有效的措施外， 还可以从管理、法规以及制度等方面采取综合措施。从工程技术角度来看，抑 制谐波的途径主要有两种：主动治理和被动治理。 ( 1 ) 、主动治理【5 】【6 】【7 】，就是使谐波源不产生谐波或减少谐波源产生的谐波。 从装置本身进行改善来看，研究开发新型变流器，尽量满足其功率因数接近于1 ， 使得其降低产生或基本上不会产生谐波，且不消耗无功功率。通常采用的方法 有：采用多重化技术、脉宽调节整流器和功率因数校正器等，此种类型的方法 仅适合于电力电子装置是主要的谐波源。 ( 2 ) 、被动治理，也就是说从整个系统来看对谐波源进行补偿和滤波，装设补 偿装置或者采取措施阻止电力系统的谐波注入负载，此种方法比较适用各类型 的谐波源。被动治理是当前非常有广阔前景研究方向之一。 1 2 1 主动治理方法 ( 1 ) 、增加变流器相数或者脉冲数。 ( 2 ) 、改变谐波的配置或者其工作方式。 ( 3 ) 、使用谐波叠加注入。 ( 4 ) 、使用多重化技术。 ( 5 ) 、采用或设计出高功率因数变流器。 ( 6 ) 、采用脉宽调制技术。 2 第1 章绪论 1 2 2 被动治理( 滤波与补偿方法) ( 1 ) 加装无源滤波器 通常情况下把电容、电阻和电抗进行串并联，他们的不同组合就构成无源 滤波器，该装置在电网中为谐波提供一个低阻通道，实现滤波作用。其具有如 下优点：经济性，简单，高效，维护方便和运行可靠等。 ( 2 ) 加装静止无功补偿器 装设静止无功补偿装置，用来补偿系统中由谐波产生的无功功率，从而可 以提高功率因数。近年来开发出来的以g t o 构成的换向变流器称为静止无功发 生器，次装置既能够向系统提供超前的无功功率，又能够向系统提供滞后的无 功功率。若想只单纯进行无功补偿，可以采用移相多重联结的方法来减少其补 偿电流中的谐波。加之适当的控制方法，静止无功补偿器能够在补偿无功功率 的同时还可以对谐波电流进行有效补偿。 ( 3 ) 采用有源电力滤波器 这种装置是一种对谐波和无功进行动态补偿的有效方法。该设备优点有： 对不同频率的谐波能够同时治理；在此同时还能对无功进行补偿，而且动态性 能较好；一般不会出现串并联谐振，因此不会使谐波放大；基本上不易受电网 结构等因素影响。采用有源电力滤波器来进行谐波治理和无功补偿是目前的发 展趋势。 1 3 基于单周控制技术的有源电力滤波器的发展与现状 在9 0 年代初美国加州理工大学k m s m e d l e y 提出一种大信号、非线性控 制方法一单周控制【8 】【9 】。这种方法的控制原理是尽量满足使得在一个开关内参 考量与平均值开关量成一定相关比例。 伴随着单周控制方法研究的不断向前发展，单周控制技术被人们逐渐应用 在有源电力滤波器方面。2 0 0 0 年2 月，单周控制在有源电力滤波器上的应用的 基本控制想法与建模方法被提出1 1 0 1 ，从此基于单周控制有源电力滤波器开始问 世。 自从单周控制方法理论被提出，到被应用在有源电力滤波器【l l 】【1 2 】【1 3 】方面， 大概经历了十几年。从目前学者们对单周控制的研究来看，大多数集中在单相。 对于三相三线和三相四线单周控制有源滤波器的研究几乎很少。 第1 章绪论 1 4 本文研究的主要内容 本文针对当前有源电力滤波器的现状，对单相滤波器进行详细地彻底研究， 第一次把单周控制使用于三相三线和三线四线制并联型有源电力滤波器中，然 后进行了大量的m a t l a b 仿真分析。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 、深入研究分析了有源电力滤波器的基本工作原理，和传统无源滤波器 进行比较，充分表明有源电力滤波器在无功补偿和治理谐波方面的越势。 ( 2 ) 、对有源电力滤波器的关键参数进行了的深入研究，分别详细地对谐波 检测和补偿控制方法进行了研究分析、横向比较和总结。分别介绍了以瞬时无 功理论为基础的p 、q 法和枞幻法，分析了它们的优缺点。同时对各种类型谐 波电流补偿的控制方法也进行了分析比较，分析得出他们的优缺点和应用场合。 ( 3 ) 、对单周控制进行详细阐述，更进一步分析研究了单相单周控制有源电 力滤波器，分别针对三相三线和三线四线制并联有源滤波器的单周控制进行了 彻底的分析研究。在理论上分别导出了单周控制关系，构造起了控制模型，然 后用m a t l a b 软件对模型进行了仿真分析。仿真表明：基于单周控制三相三线 及三相四线制并联有源电力滤波器能够对谐波和无功电流有效地实时地进行补 偿，补偿效果较好。 4 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 2 1 有源滤波器的基本原理 有源电力滤波器的基本原理图如图2 1 所示。其中交流电源为u s ，负载是 非线性负载，该负载产生谐波同时还消耗无功功率。该系统由指令运算和补偿 发生电路组成。 u s l 一一一一一卒f 、偿电流发生电足 一一一一一 图2 1 有源滤波器的基本原理图 工作原理是：通过指令电流运算电路检测负载中的谐波电流和无功电流， 然后把这些电流信号转换成相应的变流器触发信号，再通过电流跟踪控制电路 形成触发脉冲去驱动变流器，使变流器产生的电流为谐波电流和无功电流电流 之和，但极性相反，再注入到电网，与电网中的谐波电流和无功电流相抵消， 因此最后只剩下基波有功正序电流1 1 4 j 分量。 如果假设f 。表示为电源电流；表示为负载电流；e 代表为补偿电流；f ，。代 表为负载电流的谐波分量；f ，代表为负载电流的基波分量。 上述原理可用如下的一组公式描述： i s = i l + i c t = 0 + 么 毛。一7 曲 c = 屯+ f c = t l f ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 2 2 有源滤波器的结构与类型 ( 1 ) 根据接入电网的方式不同，电力有源滤波器可以分类嗍【1 6 1 为：并联型、 串联型和串并联型混合型。有源电力滤波器的分类如图2 2 所示。 有 源 电 力 滤 波 器 图2 2 有源电力滤波器的分类 图2 - 3 是有源电力滤波器、电力系统和负载之间联结图。图2 - 3 ( a ) 、( b ) 是单 独使用有源电力滤波器的补偿方式。 a 串联型a p f 6 一 一一 一 r h r h 式 混芘 式 混e 方 器括 方 矧 器蹦 一 一愀 一 僦 一瞅 使 滤辩 电 朗 滤摒 一 一湖 一 一 一蝴 厂illl厂l 混 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 a c b 并联型a p f c 串联混合型a p f d 并联混合型a p f g 统一电能质量调节器 图2 3 有源电力滤波器、电力系统和负载间的连接图 ( 2 ) 根据储能元件的不同，可以把有源电力滤波器分为电压型和电流型两种。 ( 3 ) 根据主电路所使用的p w m 变流器数目，有源电力滤波器又可以分为单 个主电路有源电力滤波器和多重化【1 7 】【1 8 】主电路的有源电力滤波器。 7 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 2 3 用于有源滤波器的谐波检测方法 2 3 1 三相电路瞬时无功功率理论 能否从电网中的畸变波形中准确、快速地检测出谐波和无功分量，已成为 有源滤波器研究中的重要内容之一。传统的谐波和无功分量的检测是建立在以 平均值为基础的功率定义，不容易达到实际的应用要求【1 9 】【2 0 】【2 1 1 。因而阻碍了有 源电力滤波器的进一步的发展。 三相电路瞬时无功理论被日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出之后，有助于有 源电力滤波器飞速发展，因此有源电力滤波器的研究就以瞬时无功功率理论作 为重要基础，经很多学者的不断讨论研究而逐渐完善【2 2 】【2 3 1 。h a k a g i 所提出的理 论也称p - q 理论，它是以瞬时有功p 和无功q 的定义为基础建立起来的。后来经 过多年研究，逐渐形成了以瞬时有功电流i p 和无功电流i q 为基础的理论体系。 假设三相电路中各相电流瞬时值为i a 、如、拓、各相电压的瞬时值分别和岛、 e b 、e 。，且有三相电流电压对称即：i + i b + j ：c = 0 ，p p 加产0 ，则可将他们分别变换 到两相正交的筇坐标系： ：| | i | ， 乏 = g ：l 圣i q 一6 ， 式中，c 3 ：为p a r k 变换矩阵的值。 5 - c 3 ：2 、亏 1 1 1 2 2 o 笪一笪 22 8 ( 2 - 7 ) 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 图2 - 4 口一坐标系中的电压、电流矢量 在图2 - 4 中， e o 、e p 和乞、i p 分别可以合成为p 和f ： e = + 勺= h 么仍 ( 2 8 ) 扛i o + 珞= i 叫么仍 ( 2 9 ) 上式中：纪、仍分别为矢量苫、了的辐角，p 、f 分别为矢量；、7 的模。 三相电路瞬时有功电流易和三相电路瞬时无功电流岛分别是电流矢量，在电 压矢量e 和电压矢量法线上的投影。即： i p = i c o s 缈 ( 2 1 0 ) 艺= i s i n ( p ( 2 - 1 1 ) 根据功率p 等于电压p 与有功电流f p 的乘积和无功功率g 等于e 的模与无功 电流拓的乘积。则有： p = p f 。 ( 2 - 1 2 ) q = p 乞 ( 2 - 1 3 ) 把式( 2 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) q b ，可以得出三相电路瞬时有功 功率p 和三相电路瞬时无功功率g 的矩阵表达式如下： 孑 = 窆乏 乏 = e 阳 芝 c 2 一4 ， 式中：矩阵c 岛定义为： 9 一笙! 童塑塑皇垄鲨鎏墨壑堂鎏丝型 = 巴乏 把式( 2 - 1 0 ) 、式( 2 1 1 ) , f - 蝴( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) q u ，从而可以得到三相电路瞬时 有功功率p 和三相电路瞬时无功功率g 的矩阵表达形式如下： p2 巳乞+ + 巳之 ( 2 1 5 ) g = 荨( 一巳) 乞+ ( 巳一乞) + ( 一) c ( 2 - 1 6 ) 从式子( 2 1 6 ) 可知， 口、相的有功电流分别为0 、k ；口、相的无功电流分别为k 、锄， 由此司得： 。2 归s 纯2 等f p2 南p ，( 2 1 7 ) 么和i i l 纪2 詈2 南p ( 2 1 8 ) k 2 c o s t a e = e p a _ # + 。2 蠢g ( 2 1 9 ) 锄一l qc o s q , 。孚2 南g ( 2 2 0 ) 一。亍2 赢g ( 2 由式( 2 1 7 ) 、式( 2 - 1 8 ) 、式( 2 - 1 9 ) 、式( 2 2 0 ) 可以得到a 、相的瞬时有功电流 如、锄和a 、相瞬时无功电流i o n 、锄具有以下性质： i 2 卵+ f 2 p = ，2 p( 2 2 1 ) i 2 叼+ f 2 励= f 2 9( 2 2 2 ) 乞p + 屯g = 乞( 2 - 2 3 ) + 么= e( 2 - 2 4 ) 仃、相的无功功率分别为吼、，口、相的有功功率分别为儿、乃， 则有： 它2 儿2 乞= 万兹p ( 2 1 2 5 ) 昂2 扫p = 万e 巧- a p ( 2 - 2 6 ) l o 笙! 童塑塑皇垄鎏鎏墨壑堕鎏竺型 。一 g = g 。= 惫g ( 2 - 2 7 ) 圹2 稳g ( 2 - 2 8 ) 从式( 2 2 5 ) 、式( 2 2 6 ) 、x - 武( 2 - 2 7 ) 、式( 2 - 2 8 ) n - 删： 耽+ p p 2 p q 。七q b = 0 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 由口、两相无功电流k 、k 通过口一f l 至：1 a b c 的坐标变换能够获得出 三相电路无功电流k 、k 、岛；由口、两相有功电流0 、轨通过口- 到口一6 一c 的坐标变换能够获得出三相电路有功电流k 、k 、f q p ，则有： 如嘲 = 嘲 ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) 式中，c 2 3 = c 2 。 把式( 2 1 7 ) 、式( 2 1 8 ) 、式( 2 1 9 ) 、式( 2 - 2 0 ) 代入式( 2 3 1 ) 、式( 2 - 3 2 ) 中得： 0=3g旦4(2-33) 锄咄三( 2 - 3 4 ) 0 = 3 gp -a-(2-35) k e b e c e c e 4 e 4 一e b g 4 g 4 g 彳 ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 式中 4 。= ( 一巳) 2 + ( 巳一乞) 2 + ( 乞一) 2 = 2 ( p 2 口+ e 2 b + p 2 ，一乞一吃巳一巳乞) 三相电路各相瞬时有功电流如，i 助，如和三相电路各相瞬时无功电流奶、 嘞、岛具有如下性质： ：仞：枷：坳j。轫枷枷 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 0 + 0 = i a ( 2 3 9 ) k + = ( 2 4 0 ) 乞+ 乞= i c ( 2 4 1 ) k + k + 0 = 0 ( 2 - 4 2 ) k + 奶+ k = 0 ( 2 - 4 3 ) 三相瞬时无功功率q a 、q t , ，q c 分别表示为三相瞬时电压与三相瞬时无功电流 之积；三相的瞬时有功功率p a ，p b 、p c 分别表示为三相瞬时电压与三相瞬时有功 电流之积，即有： 见= 巳幺= 3 p 2 。夤 ( 2 4 4 ) p b = e b 吒夤 ( 2 - 4 5 ) p c = e c t = 3 e 2 c 夤 ( 2 - 4 6 ) 吼2 巳2 巳 吼2 吃2 g c2 巳2 巳 e b e c 巳一气 e d e b g 彳 g 彳 g 彳 ( 2 4 7 ) ( 2 - 4 8 ) ( 2 - 4 9 ) 三相瞬时有功功率胁、p b ，仇和三相瞬时无功功率g 口，9 6 、吼具有如下性质， ( 2 - 5 0 ) ( 2 - 5 1 ) 2 3 2 基于瞬时无功理论的谐波和无功电流的检测法 三相电路瞬时无功功率理论首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了 成功的应用。目前有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电 流检测方法应用最岁2 4 1 2 5 i 。 采用基于瞬时无功功率理论的方法，在检测谐波电流时，因被检测对象中 谐波电流的组成和计算电路采用不同的滤波器，会有不同的延时，但最多延时 不超过一个电源周期。如对于电网中最典型的谐波源( 三相桥整流器) ，其检测 的延时约为1 6 周期。可见，该方法具有很好的实时性。 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法【2 6 】f 2 7 1 的原理是：把含有谐波的电流变 1 2 邓卸 以吼协吼 + + 以吼 有 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 换到沙g 坐标系，经变换后，基波无功、有功分量均变换为直流，可以用低通滤 波器分离出来。然后，用含有谐波和无功分量的被检测量减去基波有功分量， 即得到谐波和无功分量。 假设三相电路电压对称分别为： = 2 ks i n c a t ( 2 5 2 ) = 2 ks i n ( c o t 一2 7 3 ) ( 2 5 3 ) = 2 ks i n ( c o t + 2 刀3 ) ( 2 - 5 4 ) 式中，巧为电源电压基波有效值，0 3 为电源角频率。 三相负载电流分别为： 么= 4 2 i s i n ( n c o t + 吮) ( 2 - 5 5 ) r - 屯6 = 4 2 1 s i n n ( g o t 一2 州3 ) + 吮】( 2 - 5 6 ) 一 ， 也= 4 2 1 s i n n ( c o t + 2 州3 ) + 丸】 ( 2 5 7 ) 厶、为各次电流有效值大小，以为各次电流初始相角大小。 2 3 2 1p 、q 运算方法 p 、g 法检测负载谐波分量 把式( 2 5 2 ) 、式( 2 5 3 ) 、式( 2 5 4 ) 代入式( 2 6 ) 0 0 ，把三相电压v s a 、v s c 变换 到两相电压分量和，即： 卧卧如s i n 洌c o t j p 5 8 ， 把式( 2 5 5 ) 、式( 2 5 6 ) 、式( 2 5 7 ) 代入式( 2 5 ) ，把三相负载电流也、锄、如 变换为两相电流分量屯和p ，即： 除料压 曼厶s i n ( m o t + 织)厶+ 织) 竹= i 曼干厶 o t + s i n ( n c o t 纯)千厶纯) n = l ( 2 - 5 9 ) 将式( 2 5 8 ) 、式( 2 5 9 ) 代入式( 2 一1 4 ) ，可以得出无功功率留和有功功率p 即： 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 逆。 阡睁k 耋厶c o s ( 1 t - n ) o t t - ( a 。 n = 1 薹厶s i n ( 1 一刀) 咖 ( 2 - 6 0 ) 如图2 - 5 所示是用来检测负载谐波分量的p 呵电路，其中上标1 表示矩阵的 z k i l h b l l h c 图2 - 5 检测谐波的p g 电路 一 经过滤波器进行滤波，从图2 - 5 可以知道，可以得出有功功率p 和无功功率 g 直流分量： 即瞄毫妇 经过反变换后，可以得到电流基波分量分别为：锄、锄、锄，即： i l i a t l y b k咆- 1 圉 瓦s i n ( c a t + 够。) 旭s i n ( c o t 一2 州3 + 魏) 厄s i n ( c o t + 2 ；i r 3 + ( p i ) ( 2 - 6 2 ) 三相负载电流也、如、也经减去锄、锄、协，后得到屯l i l 口、锄6 、，那 么可以得到： 巨h 期 p 、q 法检测负载无功功率分量 一巨 如图2 - 6 所示是用于检测负载无功功率分量的p 留电路图。 1 4 ( 2 - 6 3 ) 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 z 印 t 哪 k 。 图2 - 6 检测负载无功f 拘p - q 电路图 如果对无功功率g 进行反变换后，能够获得无功功率分量、喝6 、锄。 l l q b l l 鼋c 吃吖嘲 ( 2 6 4 ) 利用mg 法同时检测无功和谐波 如果用有源电力滤波器同时检测补偿对象中谐波和无功功率时，只需断开 计算q 的通道即可，图2 7 所示为p q 电路用来同时检测负载谐波和无功功率。 图2 7 同时检测负载谐波和无功功率分量的p 叼电路 在图2 7 中，如果去除无功功率q 通道，然后再进行反变换，那么就能够得 出有功电流分别为：锄、锄、锄，则： l l 璃f a t 4 , # l 眯 咆吖圈 ( 2 6 5 ) 三相负载电流分别为也、l b 、以减去三相负载电流的基波有功功率分量锄、 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 i l p j b 、锄后，从而得到三相负载电流谐波分量和无功功率分量总和分别为也、 如、如，即有： 2 3 2 2i p 、i q 运算方法 i l b f a 锄 t 1 4 , f c ( 2 6 6 ) f ，、岛法检测负载谐波分量 如图2 8 所示是用来检测负载谐波分量扫、岛电路图。为了减少电源电压波 形对检测结果影响，函数发生器和锁相环电路是用来产生电源电压同相位的正 余弦信号。 k k 图2 - 8 检测谐波的岛电路图 图2 8 中，与电源电压同相位的正余弦信号构成矩阵c ，即： c ：i8 1 n 耐q 0 8 耐i( 2 - 6 7 ) l c o s ( o t s i n t a tj 。 把式( 2 5 5 ) 、式( 2 5 6 ) 、式( 2 5 7 ) 代入式( 2 5 ) ，将三相负载电流如、也、也 变换到两相电流分量分别为乇和嵇，即： 阱料压 把电流屯和p 以及矩阵c 进行相乘， 乏 = c 乏 = i 曼厶s i n ( n m t + 纯) 厶+ 纯) 量千厶 m o t + c o s ( n 缈t 织) 千厶织) ；1 即有： 主厶c o s ( 1 千甩) 缈，千纯 n f f i l n = l n 曼f f i l ls i n ( 1 一刀) 研一 1 6 ( 2 6 8 ) ( 2 - 6 9 ) 一 1_1 k k 。l = 1j k b k 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 阡压曙酬 弘7 。， 经过反变换，负载电流基波分量为：锄、劫、协，即有： i l a z 跏 i l f c 叫导 西s i n ( c o t + 妒t ) 弘s i n ( t o t 一2 ；r 3 + 仍) 厄s i n ( c o t + 2 l r 3 + c p l ) ( 2 - 7 1 ) 将三相负载电流匕、锄、屯。减去锄、勘、勘后可以得到：概、锄、k ， 刚纠 p 、岛法检测负载无功功率分量 _ l 摹 如图2 - 9 所示是用来检测负载无功功率分量易、岛电路图。 k l l b l l c i l q a k 6 l k c ( 2 - 7 2 ) 图2 - 9 检测负载无功功率分量的电路 使用拓、法对无功进行检测时，可t 进行反变换，就可以得出三相负载电 流无功功率分量分别为：翰、勘、酥，检测电路不必使用低通滤波器，检测也 不会导致时间延迟。 当、毛法用于检测无功功率分量时，直接将三相负载电流的无功电流分量 岛进行反变换，得到三相负载电流的无功功率分量锄、奶6 、奶。，检测电路无需 低通滤波器，检测无时间延迟。 l l q a i l q b c 叫： 、岛法用于检测负载谐波电流和无功功率分量 如图2 l o 所示是用来同时检测负载谐波和无功功率分量的易、岛电路图。 1 7 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 k k 图2 一l o 同时检测负载谐波和无功功率分量的岛电路 在图2 - 1 0 中，如果岛进行反变换后就能够得到锄、锄、锄，则： z 蚴 z 聊 z 坳 z 胁 z 肋 k 叫习 仁7 4 ， 把三相负载电流也、i l b 、也减去三相负载电流基波有功功率分量i l p f a 、i l r ：当、 锄后，就可以得出三相负载电流谐波和无功功率分量的总和分别为：锄、锄、 如，即： l 锄 i 一i 锄 if l z 加 ( 2 - 7 5 ) 2 3 3 其他几种的谐波检测方法 1 、频域分析的模拟带阻或带通滤波器的谐波检测法【2 8 】【2 9 1 该方法的原理：把基波分量从所检测的信号中分离出来出，将原信号减去 所分离出来的基波分量得到的差值就等于被检测系统中畸变电流的大小，从而 便能知道所需要补偿谐波大小。优点有：结构简单，造价低，功率因数容易被 控制。不足之处是只能进行谐波检测，不能用来进行无功电流检测。 2 、f r y z e 时域分析的有功电流检测方法【3 0 l 其基本原理是：分解负荷电流使它成为两个正交量：一个为有功电流，另 一个为无功电流。这种方法缺点：需要进行两次运算，首先计算有功电流，即 要算出上一个周期电流和电压的积分值大小，还要加上运算其他电路所需时间， 所以总的时间加在一起会有长达一个周期以上的延迟，不太适合频繁变化的负 载。 3 、小波变换谐波检测的方法 1j kk l = 1j k k k 。l 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 首先要对畸变电流进行采样，把采样结果作为小波变换的输入，把数据输 入进小波滤波器，经过滤波后，从中能够把基波电流分量分离出来。再把原来 总的电流减去分离出来的基波电流，便就可以得出谐波电流。缺点是检测结果 受到复杂结构的影响在某种程度上产生延时和附加相位差。 图2 1 2 基于小波变换的谐波检测原理 4 、神经网络谐波检测方法 这种方法目前被广泛应用在很多领域。优点有：存储、自我组织、自我学 习、分布运算和自我适应等功能，这些都是很多方法难以相比的。另外，它可 以采用很多来进行实现，具有很强的灵活性。也是一般方法难以替代的。 s i n c o t c o s c o t 图2 1 3 基于自适应神经元的谐波检测原理图 2 4 本章小结 本章分别介绍了有源电力滤波器的分类与组成以及谐波抑制原理，然后详 细讨论了瞬时无功理论，然后再分别阐述了谐波电流检测的方法p 、q 法与。 岛法。 本章还介绍了其他几种谐波检测法，分析比较了这些检测方法，同时总结 出各种方法的优点和缺点、用在不同检测目标和适用范围，即有：检测负载无 1 9 第2 章有源电力滤波器及谐波检测 功电流、检测负载谐波电流、同时检测负载谐波和无功电流。 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 3 1 有源电力滤波器的控制方法 有源电力滤波器补偿性能的好坏在某中程度上取决于补偿电流的控制方 法。由于控制方法f 3 l 】圈的不同，同时也会对有源滤波器补偿效果、工作性能有 着不同程度的影响。 3 1 1 三角波调制方式 如图3 - 1 所示是三角波调制法原理。这种方法是将与实际补偿中的电流信 号0 的偏差口t ，经比例积分放大器或者比例放大器放大后，与高频调制波进行 实时比较，然后得出变流器在不同时刻的开关关断或导通状态。当口t 比三角波 信号值值小时，控制电路相应就减小实际补偿电流值t ，使口之值增大；当口i c 三 角波信号值大时，控制电路相应就增大实际补偿电流值扛，使口t 值见效。通过 控制扛值来跟踪三角波信号，从而来控制电流跟踪补偿指令信号的大小。此时 有源电力滤波器变流器输出参考电压可表示为： u ：= k ( f ：一t ) ( 3 一1 ) 式中：k 为比例系数，通过p i 控制器调节。 比例 e l 瓦八 毛 积分 l 胁 一w 7 放大 7 丫 7 i ! 器 p w m 信号 图3 1 三角波比较方式法 3 1 2 滞环比较电流控制 滞环电流控制【3 3 1 是把实际需要补偿的电流信号如与补偿电流的指令信号f c 宰 进行比较，他们之差t 作为滞环比较器的输入，能够利用该种比较器产生脉宽调 节信号。通过此信号来控制开关的接通和断开，所以可以来控制补偿电流大小 的变化。 2 1 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 滞环电流控制法的原理如图3 2 所示。 滞环比较器 号 图3 - 2 滞环电流控制法的原理图 3 1 3 定时控制的瞬时值比较方法 如图3 3 所示为该种方法的原理图。 号 图3 - 3 定时控制的瞬时值比较法 该方法，是在上一种方法的基础上利用一个定时控制比较器代替前面所阐 述的滞环比较器。在任何一个周期内都对f c 进行判断一次，使调节信号在大于 一个周期时间之外才会发生变化，器件频率小于或等于时钟频率的二分之一。 同时对器件最高工作频率进行了限制，由此可以来避免开关频率过高。 3 2 有源滤波器容量的计算 目前应用最多的有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，而极少采用 电流型。 l 、主电路直流侧电压选取：一般情况下= 3 已，( 其中为主电路直 流侧电压值，e 为电网相电压的峰值) ，此时有源电力滤波器有较好的补偿特性。 2 、有源电力滤波器的容量的计算式：s 。= 3 必 其中：补偿电流的有效值为l ，e 为相电压的有效值 本文所研究的有源电力滤波器的容量为1 5k v a ，则能计算出补偿电流有效值： l = s 3 e = 1 5 x 1 0 3 3 x2 2 0 = 2 2 7 a 上式中要注意的问题是： ( 1 ) 有源电力滤波器的容量与补偿电流的大小有关，因而与补偿对象的容量 及补偿的目的有关。 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 ( 2 ) 主电路中功率开关器件的耐压由直流侧电压决定，而与e 的关系 由设计决定，一般要求3 e ( 已为相电压的峰值) ，但没有确定不变的对 应关系。 3 3 单周控制技术的理论基础 单周控制【3 4 】技术理论是美国学者、加利福尼亚大学学者k m s m e d l e y 于 1 9 9 1 年提出的一种通用型非线性大信号控制方法，比其他方法更适合应用开关 电路的控制方面。它是一种在任何一个周期内使得控制参考量与开关量都满足 成一定比例。 本节先阐述此控制技术p 5 j 的的原理，然后分析单周控制工作过程，为后面 各章打下理论基础。 3 3 1 单周控制 在图3 - 4 ( a ) 所示的电路中， 叱用来表示电源电压， v o 用来表示输出电压， 开关s l 、s 2 以不变的频率z = 1 r , 通和断。假设在一个周期内开关开通的时间为 乙，我们定义开关的占空比可以表示为d = 乙r , 。并且开关s l 、s 2 交替开通与 闭合。 v s ( a ) ( c ) 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 图3 - 4 单周控制概念 当s l 断开而s 2 闭合的时候，输出电玉, v o 为零；当s i 闭合而s 2 断开的时候， 输出电压为电源电压k 。很明显，在图3 - 4 电路中，输出电压v o 是开关对于电 源电压1 ，。经过斩波后到出的开关变量。若对输出电压进行滤波，那么可以得出 其中v o 的平均值。由图3 - 4 ( b ) 、( c ) 中可知，输出电压平均值瓦与电源( 电压叱 的关系式可以表示为：一v o = d v 。 经过仔细研究可知，输出电压1 l n 的平均值实际上就等于一个开关周期t s 内 曲线与横轴所围成的面积，因此有 。1 , 0 - - - - 等鬟哪t = 等卜d t ( 3 - 2 ) 3 3 2 单周控制的原理 如图3 5 所示，其中图( a ) 为输入信号v f ( f ) ，图( b ) 为时钟信号s ( ，) ，图( c ) 为开 关输出信号v o ( t ) 。如果通常情况下开关工作在不变的频率z = l r , 下，d 为开关 导通的占空比。所以，在一个周期内开关的导通时间为a t , ，那么断开时间就为 ( 1 一d ) t s 。 哟 ， ( a ) 输入波形( b ) 开关时钟脉冲 ( c ) 输出波形 图3 - 5 单周控制基本原理图 引入一个新的开关函数为 印) 器o t d t s d r st(1-d)ts(3-3)“d 1 0 由此图3 5 ( c ) 中的开关输出量v o ( t ) 就能够表达为： v o ( t ) = s ( t ) v i ( t ) ( 3 4 ) 那么输出信号的平均值就为： 虱胪f 1 知o ) a t = 争r 讹渺( 3 - 5 ) 假设开关频率比输入信号频率远远要大，那么我们就能够把输入信号e ( f ) 当作常数，则输出信号r 一0 ( r ) 能表达为： 2 4 第3 章有源滤波器控制方法及单周控制理论 酞，) _ 軎删r 防= d 州f ) ( 3 - 6 ) 分析上式( 3 6 ) 能够得出如下结论： ( 1 ) 输入信号v i ( t ) 和开关导通占空比d 均与输出信号的平均值有关。 ( 2 ) 由式( 3 6 ) 能够得到，占空比d 取决于一个常数积分，则有 d = 二r l 西 ( 3 7 ) t 句 ( 3 ) 取一个参考信号v 耐，设开关工作频率远远大于参考信号变化的频率，即 在一个开关周期内，把参考信号看作常数。如果要使开关输出信号v o ( t ) 与参 考信号成比例，只需满足下式即可 三，f 七- v o 衍= 争r d t = k o v oo d = ( 3 - 8 ) 3 3 3 单周控制开关的实现 从以上的推导分析可以知道，在单周控制过程中，有一个统一的时钟信号。 在每一个时钟周期中，开关导通和关闭一次。而开关导通或关闭的占空比的调 节依据两个要素：一是积分过程，二是与参考信号比较。在积分过程中把积分 输出与参考信号进行比较来确定积分过程是否完成。可以用积分器完成积分过 程，用比