（电力电子与电力传动专业论文）采用空间矢量法作为滞环电流控制的apf软硬件设计.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 e s e r i o u sw i t ht h ew i d eu s eo 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 a s o n eo ft h em o s te f f e c t i v es o l u t i o n st os u p p r e s sh a r m o n i c s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) t h a tc a nt r a c ea n dc o m p e n s a t eh a r m o n i c sw h o s ef r e q u e n c i e sa n d a m p l i t u d e sv a r ya n d i t s c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i si m m u n et ot h e i m p e d a n c e v a r i a t i o no ft h e u t i l i t y , a t t r a c t sm o r e a t t e n t i o nf r o m p e o p l e t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho na p fh a sm o m e n t o u st h eo r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg r e a t p r a c t i c a lv a l u e a sf o rt h ef a u l ti n c o m p e n s a t i v ec u r r e n tc o n t r o l l i n g ，a d v a n c e ds p a c e v e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) b a s e do nh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r , w h i c hh a s f a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dh i g hp r e c i s i o n ，i sa d o p t e di nt h i st h e s i s at i m e r c o m p a r a t o ri n s t e a do fh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r i su s e dt ol i m i ti t s m a x i m u ms w i t c h i n gf r e q u e n c i e sa n dd e c r e a s ei t sa v e r a g es w i t c h i n gf r e q u e n c y a tt h es a m et i m e a tf i r s tt h ep a p e ra n a l y z e si nd e t a i lt h ep r i n c i p l e so fs p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t e ( s v p w m ) ，a n dt h e ni tr e s e a r c ho nt h ep r i n c i p l e h o wt h ef u n d a m e n t a lv e c t o rc o n s t i t u t et h ev e c t o ro fr e f e r e n c ea n dh o wi tc a n l i m i tt h es w i t h i n gf r e q u e n c y f u r t h e rc o m b i n i n gt h ea b o v eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o da n ds v p w mc o n t r o ls t r a t e g yt oc o m p o s ea c t i v ep o w e rf i l t e r s y s t e m ，a n dc a r r yo u to v e r a l ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n s i m u l m i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mw h i c ho w n st h ea d v a n t a g eo f r a p i dr e s p o n s ea n dh i g hp r e c i s i o n c a na c c u r a t e l ya n dr a p i d l yd e t e c ta n dc o m p e n s a t et h eh a r m o n i cc u r r e n ta n d d e c r e a s ei t sa v e r a g es w i t c h i n gf r e q u e n c y ，w h i c hi sb a s e do nt h ec o m p a r i s i o n w i t ht h et r a d i t i o n a lh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r b a s e do nt h ep r o g r a m so fc u r r e n td e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o n ，d e s i g no f t h ew h o l ea p fs y s t e mf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sf i n i s h e d t h em a i np a r to f t h eh a r d w a r et e s tc i r c u i ti sb u i l t r e s p e c t i v ea n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y i s c o m p l e t e d i n t e g r a t i o nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ep r o c e s s ，h a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o n ，s v p w ma n do t h e rp r o c e d u r e sa led e v e l o p e da n da c h i e v e di nt h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s pt m s 3 2 0 f 2 812 ) 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 ，s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ， h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r ，d s p 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：苴至 醐：型年耸日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。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。 作者签名：型臣导师 ：埤年月毕 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 电能的使用是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的重要标志之一，随着电力 电子技术的发展，电力网络负荷的急剧加大，冲击性、非线性负荷容量的不断增长， 电网中出现了电压电流波形畸变、电压波动与闪变以及三相不平衡等电能质量问题。 理想状态的公用电网是以恒定的频率、标准的电压和j 下弦波形对用户供电，但因 为非线性电力负荷的大量应用，产生了大量的谐波电流、谐波电压和无功，引发了各 种问题，如损耗增加、效率降低、噪声和过压过热等，严重恶化了电力生产环境。于 是各国的电力科技人员对谐波抑制和无功补偿这方面的课题研究产生了浓厚的兴趣。 并且随着电力电子技术的飞速发展，在这方面取得了一些突破性发展。其中美同两国 的科研人员取得了巨大的成就，而国内目前多处在起步阶段，但也有了不小的进步， 因此这个课题的研究是很有潜力的。另外从维护绿色环境的角度来看，无谐波就是电 力系统环境“绿色 的主要标志之一，所以选择这个课题研究也是很有实际意义的【l l 。 “谐波 这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循 环( 或基波) 频率倍数频率振动。对电气信号也与此相仿，谐波被定义为一个信号量， 该信号的频率是实际系统频率( 即发电机产生的频率) 的整数倍。国际上公认的谐波含 义为：“谐波是一个周期电气量的j 下弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。 由于谐 波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波i z j 。 1 8 世纪和1 9 世纪的好几位数学家，特别是j b f o u r i e r ( 1 7 6 8 1 8 3 0 ) ，为谐波计 算奠定了基础。他提出的傅立叶分析是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅 立叶分解对畸变波形的各种分量进行检查，是该方法的重要内容之一1 3 j 。 一般来说，任何周期的波形都可以被展开为傅立叶级数，即 巾) = 4 + a he o s ( h c o o t ) + b hs i n ( h t o o t ) 】 ，= l = 4 + c hs i n ( h a o o t + 够h ) ( 卜1 ) 式中，m 卜一个频率为f o 的周期函数，其角频率国o _ 2 刀f o ， 周期t = l r o = 2 刀； s i n ( h o o t + 仍) 基波分量； 中南人学硕十学位论文 第一章绪论 s i n ( h a ，o t + 饩) 第h 次谐波，它的幅值g ，频率h f o ，相位为( p h 。 和许多其它形式的污染一样，谐波的产生影响整体电气环境，而且可能影响到距 其源点较远的距离之处。 电力系统谐波最常见的后果也许是因感应谐波噪音所引起的电话通信的劣化。但 是还有其它的较少出现、然而却常常有更为灾难性影响的情况，例如重要的控制和保 护装置引起系统的误动作以及电力设备的过载。波形的污染存在常常仅在代价昂贵的 事故( 例如无功补偿电容器的损坏) 之后才被发现。此外，在没有电气福利的国家，上 述损坏必须由用户来修复和更换，即便采用由用户安装保护设备的滤波器这一措施， 也只是对整体电气环境进行了少许改善1 4 。 还有，在现代工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加。首先是硅整流和换 流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采用单相交流 整流供电的机车；冶金和矿山部门大量用可控硅整流电源作拖动；高压大容量直流输 电中的换流站；家用电器( 如电视机，洗衣机) 中广泛采用硅整流等等。其次是冶金、 机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台容量由过去几吨发展到三、四百吨， 相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到几十甚至一、二百兆伏安。此外，工业 中广泛使用的电弧和接触焊设备，硅铁炉、高频炉等等均属非线性负荷。电力变压器 容量在不断发展，也成为电力系统的一个重要的非线性负荷，随着工业的发展预计非 线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，不 对称的波动谐波源( 例如电弧炉、电气化铁道) 还引起电压波动、闪变和负序分量，使 电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行，并影响某些用户的正常生产。 综合来看，谐波污染对电力系统的危害主要概括为1 5 j ： ( 1 ) 在感应电机和同步电机中发生过度的损耗发热，甚至引起感应电机和同步电机 的机械振动； ( 2 ) 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当大的程 度； ( 3 ) 系统中谐波电压和电流谐振造成过电压和过电流会引起电缆介质绝缘的破坏； ( 4 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或对谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷 或过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰减 时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都 很大，更容易引起继电保护的误动作； ( 6 ) 干扰大电机的控制器和发电厂的励磁系统( 曾引起过发电机故障和不对称输 出) ； ( 7 ) 干扰脉动控制和电力载波系统，引起遥控转换，负荷控制和仪表显示功能的系 2 中南人学硕1 ：学位论文第一章绪论 统误动； ( 8 ) 电度表出现测量误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源从 系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受害的用户既从系统中吸收基波功 率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付费，而受害的用 户多付电费1 6 j 。 当然这些影响取决于谐波源的类型：谐波源在系统中的位置和促进谐波传播的网 络特征。 目前国际上公认，谐波的“污染是电力系统的公害，必须采取措施加以限制， 因此对谐波污染及其治理的研究是具有很强的现实意义的。与此同时抑制谐波的技术 一直处于快速发展状态，各种新技术层出不穷，其效果和效率也随之不断提高。 1 2 国内外研究现状 传统的抑制高次谐波的方法，是使用l c 无源电力滤波器，一般是根据谐振原理 来工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低等特点，它在很宽的频率范围 内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补偿无功功率， 还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因，在应用中存在以下难以 克服的缺点 ( 1 ) 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不 可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。 ( 2 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必须 同时加入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 ( 3 ) 随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过负 荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投入运行 之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预期 的滤波效果。 ( 6 ) 对于特殊的谐波，或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐 振产生“谐波放大现象 ，使电路无法正常工作。 由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题，人们做了许多研究 和探讨，其中最有代表意义的是有源滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和 补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可 以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐 波装置，它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。 中南人学硕上学位论文第一章绪论 有源滤波概念早在上世纪7 0 年代就被提出。经过十多年的发展，特别是在瞬时 无功功率理论提出后，有源滤波器才进入实际应用阶段。上世纪9 0 年代之后，有源 滤波器成为抑制电网谐波、改善供电质量的一项重要技术，在r 本、美国、德国等工 业发达国家已得到了高度重视和只益广泛的应用。目前世界上a p f 主要生产厂家有 日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士a b b 、德国西门子公司等。1 9 8 3 年， a b b 公司在加拿大某铝电解厂安装6 3k w 7 0 m v a 工业用谐波滤波系统；1 9 9 1 年同 本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了1 5 4 k v 8 0 m v a 的a s v g ，随之又研制了 2 0 m v a 的a p f 来抑制电弧炉产生的谐波【8 】。自1 9 8 1 年以来，日本己有1 0 0 0 多台有 源滤波器投入市场。有源电力滤波器的容量范围越来越宽，从5 0 k v a 到6 0 m v a 不 等。功能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电压、抑 制电压闪变等功能。 与国外广泛应用相比，我国有源滤波技术还处在研究试验阶段。一些高等院校、 科研院所以及少数公司相继开展关于a p f 的研究，如西安交通大学、清华大学、哈 尔滨工业大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等。但是大多数处于仿真和小容 量实验室样机研究阶段。哈尔滨工业大学电力电子研究所与其他单位合作完成了 h v c 1 0 0 k v a r ( 无功功率的单位) 广义电力有源滤波器，西安交通大学已经研制出 1 2 0 k v a ( 视在功率的单位) 并联型有源滤波器的试验样机。目前设备运行取得了圆满成 功，已进入试运行阶段。同时利用多重化技术西安电子科技大学已成功地将一台 1 2 0 k v a 的有源电力滤波器应用于重离子加速器励磁电源的谐波治理。工业上只有少 数几台样机投入运行，电压等级低，滤波器容量小，而且滤波补偿效果还不尽人意， 距离工业应用产品要求尚有一定距离。目前，国内从事有源滤波器研究和生产的企业 主要有，上海宝钢安大电能质量有限公司、深圳波宏电力铝箔设备公司、南海市樱花 电气有限公司、西安塞博电子有限公司等一1 。 从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下发展趋势【lo 】： 1 数字化趋势 有源电力滤波器对谐波检测分离和谐波补偿的实时性有非常高的要求，一般单片 机微处理器的速度难以满足实时要求，故以前较多采用硬件模拟电路实现。但模拟器 件可靠性不高，工作不稳定和处理速度慢，会使系统性能变差。随着电子技术特别是 数字信号处理器( d s p ) 技术的发展，a p f 的谐波检测和系统控制逐渐由模拟走向数字。 数字信号处理器是一种适合进行数字信号处理运算的高速微处理器，其主要应用是实 时快速地实现各种数字信号处理算法。它在2 0 世纪8 0 年代初诞生以来就发展迅速， 在通信、信息处理、电器控制等许多领域得到广泛地使用。它采用了哈佛结构、专用 的硬件乘法器、特殊的d s p 指令，大大提高了其处理速度。在a p f 中采用d s p 进行 电流检测和复杂的数据处理及补偿控制等，完全能够满足a p f 对快速性和精确性的要 4 中南人学硕l ：学位论文第一章绪论 求。因此，d s p 在有源电力滤波器中的应用越来越广泛和成熟。 2 进一步降低装置容量 并联型有源电力滤波器其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值和补偿电 流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器的交流电压与谐波源负载所接的交流电压相 同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，补偿电流的大小和装置的补偿目的有关， 即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时，有 源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量幅值大小相等，方向相反，这种情况 下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐 波和无功，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的无功电流共同决定。 由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主 要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要解决方案是将有源电力滤波器和 无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波 器来提高系统动态性能以改善总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。 3 开关器件的多重化技术 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次 谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 技术进行 谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐波补偿。 ， 4 补偿装置的多功能化 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补偿基 波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许多学者的关 心并取得了许多研究成果。 5 滞环电流控制技术的新发展。 滞环电流控制一直是a p f 的主流控制技术。电流控制的两态调制技术又是滞环 电流控制的新兴技术，而两态调制技术根据策略不同又分为三态d p m 电流滞环控制 技术和三态准p w m 电流滞环控制技术。 整个电流控制两念调制系统由两个反馈坏路构成。内环是电流环，参考输入为电 流给定信号，功率输出电流为反馈信号；外环是电压环，将输出电压和基准电压信号 进行比较，经过限幅放大，误差信号作为电流内环的给定。 在电流控制两念调制技术中，若采用反馈网络为固定电阻的迟滞比较器，则迟滞 比较器的指环宽度是固定的，而开关频率却在大范围变化，从而构成三态d p m 电流 滞环控制技术。三态d p m 电流滞环控制逆变器具有如下特点：( 1 ) 系统具有快速的瞬 间响应及高度的稳定性；( 2 ) 较高的输出电压精度；( 3 ) 较理想的变换频率：( 4 ) 输出频 谱特性不理想；( 5 ) 音频噪声较大。 若在电流控制两态调制技术中，采用的反馈网络不是固定电阻的迟滞比较器，而 中南人学硕i ：学位论文第一章绪论 是采用一恒定频率的时钟信号及鉴频鉴相电路来控制迟滞比较器的反馈量大小，则迟 滞比较器的滞环宽度是变化的，而开关频率始终跟随恒定的时钟信号频率，变化范围 大大减小，从而构成三态准p w m 电流滞环控制技术。该技术较大地抑制开关频率的离 散变化，进一步提高逆变器的效率，但是该技术实现比较复杂l l l l 。 1 3 论文的主要工作 本论文的主要工作分为以下几个部分： 1 阐述了并联a p f 的工作原理和拓扑结构，介绍和分析了当前流行的谐波电流检 测算法( 如f f t 和瞬时无功理论等) 和补偿电流控制算法( 如三角波电流控制法和电压 空间矢量法等) ，并对其优缺点进行比较。 2 详细阐述采用电压空间矢量法的滞环电流控制的原理和具体实现步骤，运用 m a t l a b 软件建立并联电力滤波器的模型，详细分析研究电压空间矢量法的模块构建过 程和运行原理，得出仿真结果，并与传统滞环方法进行比较，分析其中的异同，总结 出该方法的优点。 3 以实验室f a c t s 项目为基础，基于d s p 的控制核心介绍与本课题相关的硬件和 软件设计原理和过程。详细分析所采用的空间矢量电压法的滞环电流控制策略在降低 开关频率和提高电流响应速度方面的优点。并对空间矢量电压法提出自己的改进意见， 做出理论上的发展预测。 6 中南人学硕1 ：学位论文第二章基于i 毡k 窄闻矢量法电流滞环控制的研究 第二章基于电压空间矢量法电流滞环控制的研究 2 1 并联有源电力滤波器的基本原理及应用 有源电力滤波器的英文名称是a c t i v ep o w e rf i l t e r ，从英文名称中就可以看出它 是一种主动性质的电力滤波器。a p f 根据系统结构不同有多种类型，按其接入电网的 方式分类，包括串联型、串联混合型、并联型和并联混合型等1 1 2 】。不同类型的a p f 对 同一谐波源的补偿特性也不相同。在电网中，产生谐波的谐波源月# 线性负载又分为电 流型和电压型，它们注入电网时的谐波性质也不一样。a p f 的补偿特性与负载性质和 所选a p f 的类型密切相关。在不同负载性质条件下的不同类型的a p f 有不同的补偿 特性。 图2 - 1 有源电力滤波器分类 并联型有源电力滤波器主要用于补偿感性电流源型负载的谐波，即直流侧含有大 电感滤波的整流电路，其本身表现出电流源的特性，由于其与系统相并联，故可等效 为一受控电流源。并联型有源电力滤波器原理框图如下图： 中南人学颁l ：学位论文第二章摹于电胜窄问矢量法电流滞环控制的研究 图2 - 2 并联型有源滤波器原理框图 因 串联型有源电力滤波器主要用于补偿容性电压源型负载的谐波，即直流侧含有大 电容滤波的整流电路，其本身表现出电压源的特性，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。它主要用于消除带容性负载的二极管整流电路等电 压谐波源对系统的影响，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 有源电力滤波器原理框图如下图： 图2 - 3 串联型有源滤波器原理框图 有源电力滤波器的检测控制系统有如下两个特点：一是检测处理的变量多，需要 检测系统三相电压、系统电流或者负载电流，在电压检测方法中还需要检测负载的电 压。为了实现良好的控制效果，有时还需要检测逆变器的输出电流。此外，为了控制 直流侧电压，还需要检测直流电容的电压，以实现闭环控制；二是计算工作量大，在 检测控制过程中要进行大量的乘法和除法运算，尤其是对于复杂的控制算法，还需要 有微分或积分运算，需要对各项采样数据进行递推存储。这都需要处理器能有很快的 计算速度，尽量减少计算时延，实现实时补偿。数据信号处理器( ( d s p ) 从8 0 年代初发 展到现在，已经经历了四代，发展速度极快。d s p 是一种特别适合数字信号处理的微 处理器，具有很高的处理速度和丰富的硬件资源，d s p 为数字信号处理和其它精密计 8 中南人学硕：i ：学位论文 第二章幕于电k 窄问矢量法i 乜流滞环控制的研究 算的应用提供了如快速傅罩叶变换、数字滤波、频率合成及卷积等信号处理算法及其 它良好的软、硬件工具。以上这些优点可以满足精确、快速地完成有源电力滤波器的 控制和采样计算的要求。 因此，为避免模拟系统的局限性，本文提出了使用高速d s p ( 数字信号处理器) 芯 片为核心的系统来实现谐波和无功电流检测及分离、产生p w m 信号驱动逆变器柬生成 补偿电流，以满足有源滤波器的精确性和实时性要求。下图为本论文所设计的基于d s p 控制的并联型有源电力滤波器系统构成i l 3 1 。 图2 - 4 基于d s p 控制的并联型有源电力滤波器系统构成 整个有源电力滤波器可认为由两大部分组成：即指令电流运算电路和补偿电流产 生电路。补偿电流产生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。指 令电流运算电路主要是指d s p ，d s p 具有很高的处理速度和丰富的硬件资源，其强有 力的指令系统，内在的灵活性，高速数据处理能力和革新结构使之成为高性能的、价 格经济的处理器。该电路不仅包括对负载电流的检测，还包括对负载电压、实际补偿 电流的检测。检测电压是为了产生一个与电源电压同步的标准信号，供d s p 中断及用 于补偿无功功率，而检测逆变器输出电流是为d s p 的控制指令提供反馈比较信号。总 的流程就是d s p 运用算法检测负载电流中的谐波和无功分量，并根据有源电力滤波器 的补偿目的得出补偿电流的指令信号。补偿电流产生电路则根据补偿电流的指令信号 和反馈比较信号产生跟踪指令电流以达到补偿谐波和无功的目的。 如图2 4 所示，系统通过电流互感器检测非线性负载的电流f ，。、。和f 幻经电流信 9 中南人学硕i ：学位论文 第二章基十电骶窄问矢量法i 乜流滞环控制的研究 号调理后送入d s p 的a d 端口。d s p 计算出要补偿的谐波和无功电流后通过外部d a 送给电流跟踪控制电路。电流传感器检测出有源电力滤波器主电路的电流t 一、之。， 经信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令 电流进行滞环比较后送出门极开关信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的 p w m 信号并经隔离和放大后驱动主电路中逆变器的开关管，以控制主电路电流跟随 指令电流的变化。为了控制直流侧电压，两个电压传感器分别检测变流器直流侧的总 电压和上部电容电压，经电压信号调理后送入d s p ，通过合理的控制以调节直流侧电 压的稳定以及上、下电容电压的均衡。 2 1 1 谐波检测算法 获取补偿指令信号是a p f 运行的第一个环节，这一环节将直接影响到a p f 的性 能。快速、精确地检测出负载电流中的谐波和基波无功分量，是确保a p f 补偿效果和 精度的关键。计算补偿电流指令，首先必须根据补偿目的将负载电流按基波有功电流 分量、基波无功电流分量和谐波分量进行分离，而基波电流分量还可分为正序、负序 和零序分量。例如，在需要补偿所有高次谐波及基波无功电流情况下，只需检测基波 有功电流分量即可；当需要消除特定次谐波和基波无功分量时，则必需分别检测出各 次谐波分量和基波无功分量；在不对称时，还要检测出基波电流中的正序、负序及零 序分量。按这一点分类，a p f 分离谐波和基波无功分量的方法主要有基于频域的傅立 叶分析的方法、基于瞬时无功理论的方法以及基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环 检测法等【1 4 】。下面分别予以介绍： ( 1 ) 基于频域分析的f f t 检测法 该方法以傅罩叶分析为基础，要求被补偿的信号波形是周期变化的，否则误差较 大。采用通常的f f t 方法计算负载电流的谐波分量时，将检测到的一个周期的非正弦 信号分解，得到各次谐波的幅值和相位，将欲消除的谐波分量进行f f t 反变换，即得 到补偿参考信号。该方法的优点是消除特定次数的谐波分量，还可计算出负载电流的 基波有功和基波无功分量，而且受环境因素影响较小。 缺点是需要进行f f t 变换及其反变换，计算量大，而且有较大的时间延迟。当电 网电压波形畸变严重或者频率波动时，谐波电流的检测误差比较大。 ( 2 ) 基于三相瞬时无功功率理论的检测方法 在众多的有源滤波及无功补偿控制算法中，基于三相瞬时无功功率理论的有源滤 波及无功算法应用最为广泛，该理论首先于1 9 8 3 年由日本的赤木泰文提出，此后该理 论经不断研究逐渐完善，该方法的提出和完善极大地推动了a p f 技术的迅速发展。该 方法包括f 。一t 法和p q 法。该理论的核心是将三相电路各相电压和电流的瞬时值交换 到口两相正交的坐标系上研究。当电源电压对称无畸变且负载电流对称时，两种方 i o 中南大学硕1 ：学位论文 第一二章基于l 乜k 窄问矢量法电流滞环控制的研究 法都能准确检测出基波电流的有功、无功分量和谐波电流分量。当电源电压和负载电 流均畸变但对称时，一法仍能准确检测出谐波电流，而p - q 法存在误差。该算法的 流程图如下所裂1 5 j ： 图2 5 瞬时无功功率算法流程图 ( 3 ) 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法 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。人工神经网络自学功能强，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，并且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三 线或三相四线非线性负载的a p f 。 上面介绍了几种不同的补偿电流检测方法，其中运用三相对称系统的瞬时功率法 只需要一点的数据就可以计算出系统负荷电流中的谐波电流成分，这样它的时延理论 上只需要一个采样周期，实时性比较好。本文在后面所讲的项目方面的检测算法也将 用到瞬时无功功率法作为电流检测算法。 2 1 2 补偿控制策略 a p f 工作性能的另一个决定性因素是主电路构成元件及其控制系统，a p f 的主电 路一般由p w m 逆变器组成，p w m 控制原理是控制功率器件的通断，把直流电压或电 流变成一系列的电压或电流脉冲，使a p f 中的静止变流器产生所需的谐波补偿电压或 电流。当a p f 主电路确定后，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键【1 6 j 。 对于补偿电流谐波而言，a p f 是作为一个受控电流源工作的，因此如何控制逆变 器产生与指令电流相同的补偿电流是决定a p f 补偿性能的一个重要方面。理想的a p f 电流控制应该满足以下要求： 曲 抽 曲kkk 卜 ， 一一 一 一事斗 易一；1：_1 中南人学硕l ：学位论文第二章基于电压窄问矢量法哇三流滞环控制的研究 1 在很宽的频带内，没有幅值和相角误差； 2 很好的动态性能； 3 有限的或是恒定的开关频率以保护功率开关器件； 4 较高的直流母线电压利用率。 下边从p w m 的产生方式进行区分，介绍目前常用的方法有下面几种： ( 1 ) 三角波调制法 三角波调制方式即为三角波比较方式，图2 - 6 所示为三角波比较方式的原理图。 这种方式与其它用三角波作为载波的p w m 控制方式不同，它不直接将指令信号f 与三角波比较，而是将e 与t 的偏差f ，经放大器a 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f j 控制为最 小来进行设计的。与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点【1 7 1 ： 1 硬件较为复杂； 2 跟随误差较大； 3 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； 4 放大器的增益有限： 5 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率； 6 电流响应比瞬时值比较方式的慢。 、 i 。 和l 啦发器攀蚓驱动电路i l 信号 觯三角波 图2 - 6 三角波比较方式原理图 ( 2 ) 滞环控制法 图2 7 为一单相的控制电路，采用滞坏比较器的瞬时值比较方式的原理图。在该 方式中，把补偿电流的指令信号c 与实际的补偿电流信号i 。进行比较，两者的偏差i c 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的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t 的变化。对于采用 模拟电路实现电流检测的方式，该部分采用硬件实现。若采用数字电路方法，该部分 可以通过编程实现。 这种控制方式中，滞环比较器的宽度h 对补偿电流的跟随性能有较大的影响。当 1 2 中南人学硕l ：学位论文第- 二章基于哇三爪窄问矢量法电流滞环挖制的研究 h 较大时，开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件 的要求不高，但是跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当h 较小时，虽 然跟随误差较小，但是开关频率较高。 根据上述原理及分析，将这种控制方式的特点总结如下： 1 硬件电路十分简单； 2 属于实时控制方式，电流响应很快； 3 不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量； 4 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； 5 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。 潞环比较器 l ，。ii -p w m 俄纠橱确t l l 毂 r 一 ii 一 一l 一7 。 图2 - 7 滞环控制方式原理图 ( 3 ) 空间矢量控制法 空间矢量控制法技术是目i j i 一种非常流行的p w m 控制技术，用于三相有源电力 滤波器。通常，该技术将三相变流器作为一个整体来控制，很好地协调了p w m 主电 路各相问相互作用。 在该方法中，有源电力滤波器系统为控制对象，检测到的谐波指令电流作为参考 电流，有源电力滤波器产生的补偿电流作为反馈电流，从而构成了一个闭环控制系统， 并使得实际电流跟随指令电流的目标被转化为跟随一个指令电压量。根据参考电压空 间矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻基本矢量的占空比以合成 该电压空间矢量。当有源电力滤波器产生该电压空间矢量时，实际电流与指令电流的 误差将被最大限度减小i l 引。 该方法优点是p w m 脉冲的频率与空问矢量计算的采样频率相同，因此器件的开 关频率是恒定的。该方法在参考电压空问矢量变化极快情况下仍能跟踪及确定所在区 域，从而有效减小电流补偿误差，改善滤波器性能，具有很好的稳定性、实时性。 在本文的后面的硬件软件设计中，我们用到的控制策略就是电压空间矢量法，因 此该方法的具体实现过程和运行结果和结论在本文的后面的章节中将会详细讲到。而 为了突出电压空间矢量法的优势所在，故论文首先研究传统滞环电流控制策略。 1 3 中南人学硕 ：学位论文第二二章基于也压空间矢量法电流滞环控制的研究 2 2 传统滞环电流控制 2 2 1 滞环电流控制原理 三相四线制的电压型变流器结构如图2 8 所示： 图2 - 8 三相四线制电容中点式电压型变流器结构 如图3 - 2 以单相的控制为例，来分析滞环控制p w m 调制方式实现电流跟踪的原理。 在该控制方式中，指令电流计算电路产生的指令信号o t t 与实际的补偿电流信号f 。进行 比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路的p 1 j | m 的 信号，此信号再通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件， 从而实现对电流i 。的控制【1 9 l 。 i + c 。愈觚。 厂_ t r e w m f d 号 死区产生和l 7 ￥ 7 _ l 一7 驱动i u 路l i 图2 - 9 滞环控制p w m 调制方式实现电流跟踪的原理图 如图2 - 1 0 中，开关元件s l 和s 4 组成三相逆变器的a 相，电容c 1 和c 2 为储能 元件。甜，和z ，为相应电容上的电压。为了能使乙正常跟踪指令电流，应使其电压u c 。 和”，大于输入电压的峰值。如图2 - 1 0 ( a ) 所示，当电流t 0 时，若s 1 关断，s 4 导 通，则电流流经s 4 使电容c 2 放电，同时，由于”，大于输入电压的峰值，故电流增 大( 矾a t o ) ，对应于图2 - 11 中的，n 一，时间段。当电流增大到t + 万时( 其中艺为指 令电流，万为滞环宽度) ，在如前所述的滞环控制方式下，使得电路状态转换到图 1 4 中南人学硕i ：学位论文 第二章基于i 乜胝窄问矢量法电流滞环控制的研究 2 1 0 ( b ) ，即s 4 关断，电流流经s 1 的反并二极管给电容c 1 充电，同时电流乙下降 ( d i 。d t o ) ，对应于图3 4 中的，i 一，2 时间段。 r 1 - 8 1 厶d 1 ( a ) ( c ) s 1 驱动 s 2 驱动 ( b ) 图2 - 1 0 电压型逆变器a 相工作过程 ( d ) jl ，i c a + 8 裂彳叉r 、一 i 黼釜影浮一 门il几l厂n t ot t 2 t 3t t 6 图2 - 1 1 滞环控制p w m 调制器的工作状态 同样的道理可以分析乙 0 的情况。通过整个电路工作情况分析，得出在滞环p w m 调制电路的控制下，通过半桥变换器上下桥臂开关管的开通和关断，可使得其产生的 电流在一个差带宽度为2 8 的范围内跟踪指令电流的变化2 0 1 。 中南人学硕i ：学位论文 第_ 二章嬉于电胍空间矢量法电流滞环挖制的研究 当有源滤波器的主电路采用电容中点式拓扑时，a ，b ，c 三相的滞环脉冲是相对 独立的。其它两相的工作情况与此相同。 2 2 2 滞环控制下开关频率 我们下面以a 相为例，分析滞环控制下的开关频率，设任意一个开关周期瓦中， 占空比为d ，厶为交流侧电感值，假定厶= 厶= t = 厶。 由图3 - 3 分析，假定艺和分别代表乞在上升期间和下降期间的值。可知当下 管s 4 ( d 4 ) 开通时，电流乙增加，处于上升期，如图2 1 0 ( a ) ( c ) 有： 丘警= 乞+ 警 ( 2 - - ) 而当上管s l ( d 1 ) 开通时，电流乞减小，处于下降期，如图3 - 3 ( b ) ( d ) 有： 丘鲁= 巳一等 2 ， 由上两式化简可得式( 3 3 ) 2 q 。 睁扣班功 伊3 ， i 鲁= 去( 屹一钞吨川刃 负载电流直流侧平均值。设为交流侧电流基波有功分量的幅值，则：筝l 。 i l c 可| 2n t 图2 1 2 三相不可控整流负载交流侧a 相电流及基波分量 1 6 中南人学顾l ：学位论文第- 二章基于电压空间矢量法电流滞环控制的研究 可以得到一个工频周期( o ，2 万) 内，a p f 的a 相指令电流为： k = 一l + 坐l s m 耐 l + 坐l s i n 耐 坐l s i n 研 c 詈 硝 詈， c 等 0 f a l s et r u et r u ef a l s ef a l s et r u e u r 3 0 f a l s ef a l s ef a l s et r u et 】r u et l m e 扇区l5o3 24 2 3 2p w m 波生成算法 由于图2 - 1 4 电路中等效尺，非常小，所以r 可以忽略。因此根据式( 2 1 0 ) 可得： 所以也存在方程组