（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电力系统有源滤波器研究.pdf

西华大学硕上学位论文 仿真和试验结果验证了本文提出的并联型有源电力滤波器的谐波检测算法 和控制策略的正确性和有效性。 关键词：谐波抑制有源滤波器数字信号处理器智能功率模块 i i 西华大学硕士学位论文 s t u d y0 fa c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do nd s p p o w e re l e c t r o n i c sa n dt e c h n o l o g y p o s t g r a n d u a t e ：w a n g l e i a d v i s e r ：z h a n g g u a n g y is h u x i n m e i t h ew i d eu s eo f p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n tm a k e sh a r m o n i cp r o b l e m d e t e r i o r a t e di n c r e a s i n g l y ，a n dh a r m o n i cb e c o m e st h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n g p o w e rq u a l i t y a c t i v ep o w e rf i l t e ri sc o n s i d e r e da st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt o r e s t r i c th a r m o n i c r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n a r e w i d e l y s t u d i e d w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sc o m p o n e n t s ，c o m p u t e r , a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , t h em e t h o do fu s i n ga c t i v ep o w e rf i l t e r ( a e f ) h a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e da n d w i d e l yu s e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h es i g n i f i c a n c ea n dw a yo fh a r m o n i c - s u p p r e s s i o na tf i r s t ， t h e nt h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n df u t u r ep r o s p e c to fa c t i v ep o w e rf i l t e ri s d e s c r i b e di nd e t a i l t h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec l a s s i f i c a t i o n sa n dt h es t r u c t u r eo f t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r s e s p e c i a l l yf u r t h e ra n a l y s e sa r em a d eo nt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h es h u n t a c t i v ep o w e rf i l t e r t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e sr e a lt i m eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sw h i c ha r eb a s eo ni 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 y a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i san e wm e t h o dt or e a l i z eh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n d v a r c o m p e n s a t i o nw h i c hu s e st h el cf i l t e r s a f t e rg r o u n d w o r ko fd e e pa n a l y s i so f t h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rd e t e c t i n gm e t h o d sd i v e r s i f i e ds c h e m e sf o r h i g l lf r e q u e n c yh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti sp r e s e n t e da n dt h ed i a g r a m so f i i i 西毕大学硕士学位论文 a c t u a l i z a t i o na r ep u tf o r w a r d t h e ns i m u l a t i o no fs i g n a lp r o c e s s i n gs e c t i o ni si m p l e m e n t e db ys e l e c t i n go n e t y p ei ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r e 。f i n a l l ye x p e d m e n td e v i c e a p p l i e st m s 3 2 0 f 2 8 1 2w h i c hi sp r o d u c e db yt e x a si n s t r u m e n tc o r p o r a t i o na sa c p ua n dp s 2 1 8 6 7w h i c hi su s e da sam a i nc l r c u i t t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n d e x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f yv a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s s o ft h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d s ：h a r m o n i ce l i m i n a t i o n ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；d s p ；i p m i v 西华人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 谐波污染与研究谐波的意义【1 1 1 2 3 l 随着电力电子技术的飞速发展和电力电子装置应用的日益广泛，电能得到 了更加充分的利用。在理想电力系统中，电能是以单一恒定的工业频率和规定 的电压水平向用户供电，对电能质量也是用频率和电压来衡量。除此之外，波 形畸变电压闪变和三相交流电力系统及供电系统中的电压和电流的不平衡也是 影响电能质量的重要因素。 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍”。 变频调速装置和高压直流输电中的换流站等这些典型非线性负荷自身的非 线性使得电网电压、电流发生畸变，谐波电流和无功电流的注入使电网的安全 运行和电气设备的正常使用受到威胁。其中，采用整流装置的电力电子装置成 为目前最主要的谐波源。 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪就已 经奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电 力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。随着信 息产业和新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及新的控制技术 的应用，对供电可靠性和电能质量敏感的负荷所占的比重越来越大，用户对电 能质量的要求越来越高。电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子 技术发展的重大障碍，它迫使人们必须对谐波问题进行更为有效的研究。近三 四十年来，各种电力电子装置迅速普及使得公共电网的谐波污染日益严重，由 谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的 关注。 谐波的危害主要表现在以下方面： 1 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和 噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。 2 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，破坏电网 的稳定性，甚至引起严重事故。 西华大学硕士学位论文 3 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。 4 过量三次及其倍数次的谐波流过供电系统中线可能导致中线过热甚至引起火 灾。 5 谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，干扰严重时会引起信 号的丢失。谐波还会引起自动控制系统的误动作，干扰计算机的正常运行。 研究谐波的意义，除了因为它的危害十分严重以外，还在于它对电力电子 技术自身的发展也有重要的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支 柱。而电力电子装置产生的谐波已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。 它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。 另外一个方面上讲，对于电力系统环境说，谐波就是“绿色”的主要标志 之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也是越来越高。 目前，对地球环境的保护已经成为了人类的共识。研究谐波问题可以上升到从 治理环境污染、维护绿色环境的角度上来认识。 1 2 谐波治理h i 5 l 解决谐波污染问题的主要从一下两个方面进行考虑：一是利用谐波补偿装 置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用；二是对电力电子装置本身进行改造和 完善，如采用多重化技术、p 瓤整流技术以及有源功率因数校正技术等，控制其 功率因数趋近于l ，使其尽量减少产生或不产生谐波，且不消耗无功功窄。 谐波补偿装置可分为无源滤波器和有源电力滤波器两种。传统方法就是采 用l c 调谐滤波器，它是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置， 与谐波源并联，起旁路滤波的作用。l c 滤波器具有结构简单、设备投资少、运 行费用较低等优点，它既可补偿谐波，又可补偿无功功率，已被广泛采用，是 当前补偿谐波的最主要手段。但，l c 滤波器只能补偿固定频率的谐波，而且补 偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大， 使l c 滤波器过载甚至烧毁。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，简称a p f ) 。有源电力滤波器是一神电力电子装置，这种滤波器实现了 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 西华大学硕士学位晗文 偿对象的变化有极快的响应；它可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无 功功率的大小可做到连续调节；它在补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时 所需储能元件容量也不大：即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发 生过载，并能正常发挥补偿作用；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗 发生谐振；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；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。可以克 服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，因而受到了广泛的重 视。 有源滤波器将系统中所含的高次谐波电流、无功电流及零序负序电流检出， 并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路中有害电流的半导体变流装置。 补偿装置所产生的电流波形正好与有害电流的频率幅值完全相同，而相位正好 相差1 8 0 。，从而达到了补偿谐波电流的效果。 1 3 有源滤波器发展及现状【6 】 电力系统谐波问题，早在2 0 世纪2 0 年代德国使用静止汞弧变流而造成 了电网电压和电流波形的畸变，谐波电流和谐波电压的出现，对公共电网是一 种污染。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行了一些研 究，并有一定的认识，但那时谐波污染不严重，没有引起足够的重视。 2 0 世纪8 0 年代后，新型电力电子器件的出现、p w v l 控制技术的发展以及 瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。有源电 力滤波器是8 0 年代以来电力电子技术应用于供用电系统进行谐波抑制和无功 补偿的一个研究热点，目前国外已有很多工业应用实例。随着容量的逐步提高， 其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向改善整个电力系统电能质量的方向发 展。 随着大功率电力电子技术、控制技术的不断发展，有源电力滤波器的成本 不断降低，加上其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用前景。 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器并联 使用的混合型有源滤波系统，以减少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的 目的。随着快速、大功率电力电子开关器件的研制成功，基于瞬时无功理论的 西华大学硕i 学位论文 瞬时空问矢量法的提出，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断发展， 有源电力滤波技术也得到了快速发展。有源电力滤波器作为改善供电质量的一 项关键技术，在日本、美国、德固等工业发达国家得到了高度重视和日益广泛 的应用。根据我国国情，结合当前技术水平，采用小额定值的并联型有源电力滤 波器配以无源滤波器的混合型电力滤波的方式，是切实可行的。随着电力有源滤 波技术的发展，逐步向大功率、高频率有源滤波器发展。 1 4 论文的主要工作 本文以有源电力滤波器为研究对象，主要进行有源电力滤波器的工作原理、 分类、补偿特性、控制方式、谐波电流检测方法、补偿电流控制方法、直流侧 电压控制、主电路形式及其参数选择等基本问题的研究，并研制一台基于数字 信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p ) 的并联型有源电力滤波器。 在控制电路的设计中，采用了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心部分，充 分发挥数字信号处理器( d s p ) 快速、灵活等优势：并将直流侧电压控制环节引 入反馈，以保证良好的补偿电流跟随特性。设计、制作以全控型器件i p m 为开 关器件的并联型有源电力滤波器主电路；并对并联型有源电力滤波器补偿特性 进行仿真研究。 4 西华大学硕士学位论文 第二章有源滤波器工作原理 2 1 有源滤波器的基本结构m i 图2 - l 是有源滤波器结构原理图图中，e j 表示交流电源电势，为交流 电源电流，负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生谐波，t 为负载电流。 为补偿电流，为补偿电流的指令信号，h p f 为无源高通滤波器。 图2 - 1 有源滤波器结构简图 有源电力滤波器系统由谐波电流检测电路和补偿电流发生电路两大部分组 成，其中补偿电流发生电路由补偿电流控制电路、隔离与驱动电路和主电路三 个部分构成。谐波电流检测电路的任务是检测出补偿对象电流中的谐波电流分 量。补偿电流发生电路的作用是根据谐波电流检测电路得出的补偿电流信号， 产生实际的补偿电流。补偿电流控制电路的作用是根据检测到的各个电压和电 流，由控制算法计算得出补偿电流的指令信号。主电路用来产生补偿电流，目 前均采用p w m 变流器。与有源电力滤波器并联的高通滤波器h p f 用来滤除有 源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波， 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但 不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充 5 西华人学硕士学位论文 电时，它就作为整流器工作。因此，可称之为变流器。 图2 - 1 所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和 电流，经指令电流运算计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生 电路放大，得出补偿电流，补偿电流和负载电流中要补偿的谐波电流抵消，最 终得到期望的电源电流。 例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿 对象负载电流的谐波分量i 将其作为补偿电流的指令信号，由补偿电 流发生电路产生的补偿电流f ，即与负载电流中的谐波分量屯大小相等，也就 是说，电源只向负载提供基波电流，而谐波电流由有源电力滤波器的补偿电流 发生电路提供。从而使得交流电源电流t 中只含基波，不含谐波。这样就达到 了抑制电源电流中谐波的目的。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只 要在补偿电流的信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流 的基波有功分量。 根据同样的原理，有源电力滤波器还可对不对称三相电路的负序电流等进 行补偿 2 2 有源滤波器补偿原理 2 2 1 谐波分析l b 】 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。设正弦 波电压为： ( f ) 。- us i n ( m t + 口) ( 2 - - 1 ) 当正弦波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分 别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非 线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会 使负载端的电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时， 电流也是非正弦波。对于周期为t ：2n w 的非正弦电流f ) ，一般满足狄里赫 利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数 两华大学硕士学位论文 i ( w t ) = n 。+ ( 。c o s ，l r + b 。s i n 月f ) ( 2 - 2 ) 月一l 在式( 2 - 2 ) 的傅立叶级数中，频率和工频相同的分量被称为基波 ( f u n d a m e n t a l ) ，谐波就是频率为基波频率整数倍( 大于1 ) 的分量，谐波次 数为谐波频率和基波频率之比。 电流谐波总畸变率反映了电力系统谐波的大小 啪= 等1 0 0 ( 2 - 3 ) “，j 。分别表示谐波电流有效值和基波电流有效值。国家标准要求 t h d 5 。 2 2 2 无功功率分析1 1 8 1 在正弦电路中，电路的有功功率就是其平均功率，即 p - 去弘( 耐) ( 2 - 4 ) 妨- 5 、 功率因数a 定义为有功功率p 与视在功率8 的比值 九= p | s 此时无功功率q 与有功功率p 、视在功率的关系为 s 2 = p 2 + q 2 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 对于含有谐波的非正弦电路的无功功率情况比较复杂。在非正弦情况下， s ：一p ：+ q2 ，引入畸变功率d ，使得 s ：p z + q ，：+ d z ( 2 7 ) 当电压为正弦波谐波时 一_ 胪廿2 _ q ，2 。叫荟l 2 ( 2 - 8 ) 这种情况下，q ，为由基波电流所产生的无功功率，d 是谐波电流产生的无功功 7 西华大学硕士学位论文 率。 对于含有谐波的非正弦电路，功率因数为： a ：；u 百 1c o s l ：争c o s 妒l ：y c o s 妒1 ( 2 9 ) s u li ” 其中，7 为基波因数，c o s 砂i 为位移因数。 2 2 3 有源电力滤波器的补偿 有源电力滤波器的实质就是一个波形发生器，可以产生任意波形。通过一 定的算法检测到负荷侧所需要的谐波电流，就发出相应的谐波电流，从而达到 补偿的目的。经补偿后系统电流i 。将接近理想的正弦波。本文采用p w m 控制逆 变主电路。其理论基础是采样控制理论中的一个重要结论：冲量相等而形状不 同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面 积；所说的效果相同指环节的输出响应波形基本相同。通过计算得到需要补偿 的谐波分量后，对补偿电流进行p w m 调制来控制开关的通断，从而在逆变电路 的输出端得到一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，经出口滤去载波后即得实际 补偿电流。这就是补偿的基本原理。 f i 9 2 2t h ei l l u s t r a t i o no fa p fs y s t e m 图2 2 有源电力滤波器系统原理图 有源电力滤波器系统构成的原理图如图2 - 2 所示图中，虬表示为交流电 源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器由全控型电力 西华大学硕士学位论文 电子元件组成。 图中三相电源电压为 9 “( m t ) = u ，s i n 【f o r 一( m 一1 ) 三玎】 ( 2 - 1 0 ) j 式中u 。为电压幅值；k = a ，b ，c ，对应m = 1 ，2 ，3 三相负载电流为 f n ( m f ) = f 脚( f ) + i l 幻( o j t ) + f ( c o t ) ( 2 1 1 ) 式中i 。( o ) t ) 为三相基波电流的有功分量 i l 扣( o ) t ) = ，1c o s 妒ls i n 【m t 一一1 ) 詈口】 ( 2 - 1 2 ) j 妒，为负载各相基波电流与电源对应相电压之间的夹角： f m ( f ) 为三相基波电流的无功分量 i 灯( f ) = 一，l 1s i n 伊1c o s 【c o t 一( m 一1 ) 詈玎】 ( 2 一1 3 ) i 。( c o t ) 为各相高次谐波电流 i ( t o t ) = 罗i hs i n ( nc o t + 伊m ) ( 2 1 4 ) 妒。为负载各相n 谈谐波电流的相位角。 而有源滤波器的输出电流满足 f “( t o t ) = b ( t o t ) + f ( t o t ) ( 2 1 5 ) 故有 f ( o ) t ) = i m ( f ) ( 2 1 6 ) 这样，电网只提供负载的基波有功电流，从而达到补偿无功功率和消除 谐波的目的。 2 3 有源滤波器的分类【4 1 有源电力滤波器可以按照主电路使用的变流电路类型、拓扑结构和电源相 数来分类。按变流器类型分为电流型和电压型；按拓扑结构可分为并联型、串 联型和串、并联混合型：按电源相数可分为：单相、三相三线、三相四线等。 作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，a p f 能对大 小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。它的主电路一般由p w m 逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同可分为电压型a p f 和电流型 9 西华大学硕士学位论文 a p f 。电压型a p f 直流侧接有恒压大电容；电流型a p f 的直流侧接有恒流大电感。 电压型a p f 在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而 逆变器交流侧输出为p w m 电压波。而电流型a p f 在工作时需对直流侧电感电流 进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为p w m 电流波。 电压型a p f 的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数a p f 采用 的主电路结构。虽然电压型a p f 在降低开关损耗、消除载波谐波方面占有一定 优势，但电流型a p f 能够直接输出谐波电流，不仅可以补偿正常的谐波，而且 可以补偿分数次谐波和超高次谐波，并且不会由于主电路开关器件的直通而发 生短路故障，因而在可靠性和保护上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研 究，一旦超导储能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型a p f 的应用增 多。2 3 a 、b 分别是电压型和电流型有源滤波器简图。 f i 9 2 3 aa p fo fv o l t a g em o d e 图2 3 a 电压型a p f 根据a p f 与电力系统的连接方式可将其分为并联型、串联型及串一并联混 合型。并联型a p f 由于与系统并联，可等效为一个受控电流源。并联型a p f 可 产生与负载谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，从而将电源侧电 流补偿为正弦波。并联型a p f 主要用于感性电流源型负载的谐波补偿，目前技 术上已相当成熟，投入运行的a p f 多为此方案。 1 0 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 3 ba p fo fc u r r e n tm o d e 图2 3 b 电流型a p f 串联型a p f 通过变压器串联在电源与负载问，可等效为一受控电压源，主 要用于消除带电容的二极管整流电路等电压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 中流过的是正常负 载电流，损耗较大，而且故障后退出及各种保护也较复杂。并联型有源电力滤 波器也可以与l c 滤波器混合使用，分为两种电路形式：一种是有源电力滤波 器与l c 滤波器并联；另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器串联，这里的l c 滤波器由多组单调谐滤波器和高通滤波器组成。不论是并联混合型有源电力滤 波器，还是串联混合型有源电力滤波器，都是由较小容量的有源电力滤波器和 较大容量的无源滤波器配合使用，无源滤波器主要起谐波抑制作用，而有源电 力滤波器充当改善补偿特性的作用，能很好的补偿大容量谐波源注入电网的谐 波。这种方案结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点，具有很好的滤波效 果，在前是一种性价比较高的方案。 另外，有源电力滤波器可以按照单相和三相电源或负载系统分类。三相电 源又分为三相三线制电源和三相四线制电源。 图2 4 是有源电力滤波器的分类示意图。 1 1 西华大学硕士学位论文 f i 9 2 - 4d l a g r a m m a t i cs k e t c ho f p fc l a s s i f i c a t i o n 2 4 有源电力滤波器分类示意图 2 4 瞬时无功功率理论与谐波检测2 7 脚1 【3 5 】【m 谐波电流检测电路的作用是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。若有源电力滤波器的补偿目的是只补偿谐波，补偿电流的指令 信号t 应与负载电流中的谐波分量相等。当有源电力滤波器的补偿目的是同 时补偿谐波和无功功率，补偿电流的指令信号t + 应为负载电流的谐波及基波 无功分量之和相等。当有源电力滤波器只补偿无功功率时，补偿电流的指令信 号f ，+ 应与负载电流的瞬时无功分量相等。 谐波电流检测电路的核心是谐波电流实时检测方法，实时、精确地检测出 电网中瞬时变化的谐波电流，是提高a p f 补偿精度的一个关键问题。 为了准确地补偿谐波，需要实时计算检测信号中的谐波成份。目前采用的 检测方法主要有：基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法，基于f f t 的 数字化分析方法，基于a k a g i 三相瞬时无功理论的检测方法，同步测定法和自 适应检测法。在本文中采用三相瞬时无功理论的检测方法。 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 西华大学硕士学位论文 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多。 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波 电流分量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测 电流相减得到谐波分量。这种方法存在许多缺点，如难设计、误差大、对电网 频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而已极少采用。 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅里叶分析的方法来检测谐波 和无功电流。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得 出所需的谐波和无功电流。 它的缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花 费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间的延迟，检测的结果实际 上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。 8 0 年代以来，c z a r n e c k i 等人对非正弦情况下的电流进行了新的分解。这 些电流的定义虽然十分严格，但据此构造的检测方法，仍然需积分一个周期才 能得出检测结果，同样存在实时性不好的缺点。 三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成功 的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时 无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源 电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。 三相电路的瞬时无功功率理论作为谐波电流实时检测算法的理论基础，它 首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文 最初提出的理论亦称p - q 理论，是以瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 的定 义为基础的。在瞬时有功电流i 。和瞬时无功电流为基础的理论体系中，设三 相电路各相电压和电流的瞬时值分别为巳、气、巳和、，为分析问题 方便，把它们变换到两相正交的坐标系中研究。这一检测方法在有源电力滤波 器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是目前a p f 中应用最广的一种检测方 法。该方法将三相电气矢量变换到a 、b 坐标，并重新定义瞬时有功、瞬时无 功等，再将这些功率逆变为三相补偿电流。主要有f 。一f 。运算方式和p - q 运算 方式。 西华夫学硕士学位论文 由下面的变换可以得到q 、p 两相瞬时电压气、和q 、b 两相瞬时电 流f 、i 。 m z 引 上式中，铋据 卅：斟 c z 一 l一!一三 22 。拄一层 f i 9 2 5v o l t a g ea n dc u r r e n tv e c t o ri nc o o r d i n a t es y s t e m 图2 5 坐标系中的电压电流矢量 在图2 - 5 中所示的n b 平面上，矢量、勺和、。分别可以合成为 电压矢量e 和电流矢量i 。 e 2 勺+ 勺2 e 致 ( 2 1 8 ) i 2 + 2 i 识 ( 2 1 9 ) 1 4 西华大学硕士学位论文 式中，e 、i 为矢量e 、i 的模；钇、仍为e 、i 的幅角。 三相电路瞬时有功电流f 。和瞬时无功电流t 分别为矢量i 在矢量e 及其法 线上的投影。即 f 。5 ixc 0 8 妒 ( 2 2 0 ) i 。2 i xs i n o ( 2 2 1 ) 其中的妒= 让一识 三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量e 的模和三相电 路瞬时无功电流( 三相电路瞬时有功电流i ，) 的乘积。即： p = - - e xi 。 ( 2 2 2 ) q - - - - e i q ( 2 2 3 ) 基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地 得出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波 器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。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l 6 周期。可见，该方 法具有很好的实时性。 并联型有源电力滤波器以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p ( 有 功功率) 、q ( 无功功率) 或f ，( 有功电流) 、( 无功电流) 为出发点即可以 得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称为p - q 运算方式，i p 一 方式。 使用p - q 运算方式需要同时采样两路电压和两路电流信号，且这种方式受 电压畸变和三相电压不平衡的影响，检测的误差较大，i p 一方式采用参考正弦 信号来代替p - q 运算方式中的电压信号，这样，在对称三相系统中，运用i p 一 运算方式只需同步采样两相电流信号即可算出三相的谐波电流。 p - q 方法参与运算的量为三相瞬时相电压和瞬时线电流，而f 。一方法参与 运算的不是三相瞬时相电压本身，而是与它们同步的三相对称单位正弦量和余 弦量，在硬件电路实现上，p - q 方法需要1 0 个乘法器和2 个除法器，而f ，一 方法只需8 个乘法器和相应同步三相正弦余弦发生电路。 当电源电压对称无畸变，负载电流对称时，两种方法都能准确检测出基波 电流有功分量、无功分量和谐波电流分量。 西毕大学硕士学位论文 当电源电压和负载电流均畸变时，f 。一t 运算方式仍能准确检测出谐波电 流，而p q 运算方式就存在误差。当三相电压或三相电流不对称时，直接应 用f 。一t 运算方式或pq 运算方式都存在检测误差。在此理论基础上有些文献 又提出一些新的检测方法，如三相电压不对称时谐波和负序电流的检测方法， 适用于存在畸变电源电压的三相三线电路的有源电力滤波器输出电流的获得和 控制方法等等。该方法不能用于单相系统，只适用于三相系统。图2 - 6 为指令 电流运算电路原理框图。 f i 9 2 6c i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a mo fd i c t a t ec u r r e n to p e r a t i o n 图2 - 6 指令电流运算电路原理框图 2 5 并联型有源滤波器的控制策略【1 5 j 【1 9 】【2 l 】【训圳 并联型有源电力滤波器的控制系统采用两个闭环进行控制，即电压外环控制 和电流内环控制。电压外环控制的作用是控制有源滤波器直流侧电压，使其稳 定在一个合适的值：电流内环控制的作用是按补偿电流指令进行电流控制，使 补偿电流跟踪其指令信号变化。图2 7 是并联型有源电力滤波器的控制系统结 构图。 西华大学硕士学位论文 f i g2 - 7s k e t c hm a po fc o n t r o ls y s t e m 图2 7 控制系统示意图 d s p 实现虚线内的控制部分。 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号 的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p 删 控制方式。 电流跟踪控制方法是把希望输出的电流作为指令信号t ，把实际电流丘作 为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定功率开关管的通断，使实际的电流 跟踪指令电流信号变化。目前跟踪型p w m 控制的方法主要有两种，即滞环比较 p w m 电流控制和三角波比较p w m 电流控制。 滞环比较p w m 电流控制方式的原理图如图所示： 西华大学硕士学位论文 2 - 8 滞环比较控制方式原理图 在该方式中，把补偿电流的指令信号t + 与实际的补偿电流信号t 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中开关器 件通断的p w m 信号，该p w m 信号经驱动电路来控制开关器件的通断，从而控制 补偿电流t 的变化。 当t l 器件( t c b t 或二极管) 导通时，t 减小；而当t 4 器件导通时，t 将增 大。用h 表示滞环比较器的环宽，当l f ，( h 时，滞环比较器的输出保持不 变；而当f c _ t h 时，滞环比较器的输出将翻转，使正的p w m 驱动信号由0 变1 ，假设后面的驱动电路和主电路无延时，则z 导通，补偿电流t 将随之减 小；而当_ 一h 时，滞环比较器的输出将翻转，使t l 的p w m 信号由1 变 0 ，t 4 的p w m 信号由0 变1 ，此时t 4 导l 通，补偿电流t 将随之增大。如此 开关器件反复通断，迫使t 在i h 和+ h 之间的范围内呈锯齿波状地跟随i o 变化。 这种控制方式中，滞环的宽度h 对补偿电流的跟随性能有较大的影响。h 和开关频率相反方向变化。当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，虽然跟随误差小，但是开关频率较高。 根据上述原理及分析，此控制方式有下面的特点： ( 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； 西华大学硕士学位论文 ( 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 件的丌关频率是变化的。 在滞环比较p w m 电流控制方式中，滞环的宽度h 通常是固定的，由此导 致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是当t 变化的范围较大 时，一方面，在i 值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过 大；另一方面，在t 值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高， 甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。 三角波控制方式不直接将指令信号i 与三角波比较，而是通过闭环来进行c 控制的。 f i 9 2 9c l o s e dl o o pc o n t r o ls k e t c hm a p 2 - 9 闭环三角波控制示意图 从图2 9 中可以看出，把补偿电流指令和实际补偿电流进行比较，求 出偏差电流，通过放大器a 后得到调制波“。，h 。和高频三角波进行比较，产 生p 1 l m 波形，作为功率开关器件的控制信号，从而获得所需的补偿电流。放大 器a 往往采用比例放大器或比例积分放大器，比例系数或比例、积分系数将直 接影响着电流跟踪特性。这样组成的一个控制系统是基于把l t 控制为最小来 进行设计的。 1 9 西华大学硕士学位论文 第三章并联型有源滤波器硬件结构设计 3 1 主电路结构研究1 3 2 1 1 3 5 】i n l 并联型有源电力滤波器所采用的主电路应能产生_ - - f l 可控电流，对外相当 于三相可控电流源。 通常采用的主电路，根据其直流侧的贮能元件的不同，可分为电压型和电 流型。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 前较少采用。不过随着对超导贮能磁体研究的进展，一旦超导贮能磁体实用化， 必然可以取代电感器，促使电流型p w m 变流器的应用增多。本文主电路采用三 相电压型p w m 变流电路，其结构如图3 - 1 所示。 y i v 5 j ( j j 电：j t j i j 曩：j 曩 吩 咯 呼 f i g3 - 1m a i nc i r c u i to f3 - p h a s ec o n v e r t e r 图3 - 1 三相变流器主电路示意图 图中a 、b 、c 接至三相电源，v 1 、v 3 、v 5 和v 4 、v 6 、v 2 为各组开关器 件的代号。图中所画的电力电子开关器件为i g b t ，实用中可在g t o 晶闸管、 b j t 、i g b t 、p w m 逆变器电力m o s f e t 等器件中选择 6 个桥臂中每个桥臂均由一个i g b t 和一个二极管反并联而成，其中仅 i g b t 是可由p w m 信号控制的，所以补偿电流控制电路发出的p w m 信号是用来 控制i g b t 的。二极管的通断实际上由i g b t 的通断所控制，所以控制了i g b t 西华大学硕士学位论文 也就控制了二极管。 电压型p _ l v m 逆变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 逆变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。为保持直流侧电压不变，需要对直流侧 电压进行控制电压型p w m 逆变器的交流侧输出电压为p w m 波 忽略主电路中电力电子器件的通态压降和主电路中直流侧电压的波动，等 效为一理想直流电压源同时假设主电路与系统间连接的电感为一理想电感，并 忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响且不考虑死区的影响，可以得到有源滤波器 的数学模型： f i g3 - 2m a t h e m a t i cm o d e lo fa p f 图3 - 2a p f 的数学模型 图中巳、气及巳为电网电压，v c 。、及。为a p f 输出电流，l 为注入电 感。三对器件看作理想开关，并工作于互补开关状态，即上桥臂通则下桥臂断， 反之亦然。令前者状态1 ，后者状态则为0 。u 。为直流电容电压。假设电容量 足够大，可看作恒压源。i 3 为电网中性点，n 为直流侧电容的负端。 3 2 主电路的设计1 3 2 】f 3 5 1 f 3 8 2 1 西华大学硕士学位论文 3 2 1 主电路的容量 并联型有源电力滤波器的容量s 。由下式确定 式中e 是a p f 交流侧相电压的有效值；f 是a p f 交流侧相电流的有效值， 即补偿电流的有效值。 有源电力滤波器与谐波源负载并联连接，其交流电压是相同的，因此装置 容量s 。主要由补偿电流，。的大小决定。而j 。的大小与补偿对象的容量及补偿的 目的有关。 当有源电力滤波器只补偿谐波时有，= l ，即补偿电流与负载电流的谐波 分量有效值相同，此时，装置容量s 取决于负载电流中谐波的大小。以三相整 流电路为例，其交流侧电流中的谐波分量有效值约为总有效值的3 0 ，因此有 源电力滤波器的容量就需要为负载容量的3 0 。当谐波源不同时，要求有源电 力滤波器的容量也不相同。若有源电力滤波器在补偿谐波的同时还补偿无功功 率，则要求的容量比只补偿谐波时大。在主电路的设计中，包括对功率器件的 选取、直流侧电容容量的确定、交流侧电感值的确定等几部分。 3 2 2 主电路电感的设计 对于并联型有源电力滤波器来说，交流侧电感具有十分重要的作用，是正常 工作时必不可少的。它可以平衡有源电力滤波器主电路中各点电压；进行能量 存储和双向馈送；调整补偿电流的相位，并使补偿电流连续；缓冲各相电压中 谐波的无功功率。 电感的选择必须满足并联型有源电力滤波器对期