（电力系统及其自动化专业论文）并联型有源滤波器直流侧电压控制.pdf

山东大学硕士学位论文 关键词：有源电力滤波器；补偿电流控制；直流侧电压控制；自适应预测；无 差拍控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i 也t h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a la n dp o w e re l e c t r o n i ce q m p m e n t s e x t e n s i v eu s i n g ，n o n - l i n e a rl o a d si ne l e c t r i cp o w e rs y s t e ml a r g e l yi n c r e a s e d t h eg r i d s y s t e mh a sb e i n gp o l l u t e d ，a n dp o w e rq u a l i t yh a sb e c o m ew o r ea n dw o r s e u s i n gt h e a p ft os u p p r e s st h eh a r m o n i ca n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ri sa ne f f e c t i v ew a y t o r e s o l v i n g t h eh a r m o n i cc o n t a m i n a t o ri n g r i ds y s t e m b yc o m p a r i s o n t o c o n v e n t i o n a lp a s s i v el c f i l t e r ，a p ph a st h ea d v a n t a g eo fq u i c kr e s p o n s e ，g o o do u t p u t w a v es h a p ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ef o c u so ft h i sp a p e ri sa b o u tt h ei n f l u e n c eo ft h ea p fd c - l i n kv o l t a g et o s y s t e mp e r f o r m a n c e d e a d b e a tc o n t r o lw i t ha d a p t i v ep r e d i c t o rf o rd cl i n k v o l t a g ei s p r e s e n t e d t h i sa r t i c l e f i r s t l yn a r r a t e dt h ed e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t i o no fh a r m o n i c s u p p r e s s i o na n dt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y ；t h eb a s i cp r i n c i p l e ， a s s o r t m e n t ，a n ds t r u c t u r eo fa p fa l ei n t r o d u c e d ，t h i sp a p e rp u te m p h a s i su p o n s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r t h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sa f f e c t e db yt h er e a c t i v ea n dh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nl i n ka n dt h ei n s t r u c t i o nc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o ll i n k t h e r ea r em a n y m e a s u r e m e n t st op i c k u pt h eh a r m o n i cc u r r e n ta n dr e a c t i v ep o w e r ，l o t so ft h e mb a s e d o nt h ei n s t a n tr e a c t i v ep o w e rt h e o r y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ep qa n dip 一 q m e t h o df o rt h ed e t e c t i n gc u r r e n t t h e , 一m e t h o di su s e df o rt h es i m u l a t i o n i n o r d e rt om a k et h ei n j e c t i n gc u r r e n ts i n u s ，w eh a v et ou s es o m ec o n t r o lm e t h o dt o m a k et h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tt r a c kt h ec o m m a n dc u r r e n t t h e r ea r es o m ew a y st o t r a c ec o m m a n dc u r r e n t ：l i n e a rc o n t r o lo ft r i a n g u l a rw a v ec a r r i e r ，h y s t e r e t i cc u r r e n t c o n t r o l ，t h ep e r i o d i cc u r r e n tc o n t r o la n dd e a d b e a tc u r r e n tc o n t r 0 1 i nt h i sp a p e r , a r o b u s ts l i d i n gm o d e lc o n t r o li su s e d ，a n dt h er e s u l t sa r es i m u l a t e d t h i ss e c t i o ne m p h a s e st h ee n e r g ye x c h a n g eb e t w e e nt h ed c l i n ka n da c s i d e ， a n dt h ei n f l u e n c eo fd c l i n kv o l t a g et o s y s t e m sc o m p e n s a t i n ga f f e c t i o n t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o di sd i s c u s s e d t h e n i i i 山东大学硕士学位论文 t h i sp a p e ra n a l y s i st h ef a c t o re f f e c t i n gd c l i n kv o l t a g e 、析廿lt h ee n e r g yb a l a n c e d i r e c t i o n t h em a t h m o d eo fa p fd c 1 i n kw a sb u i l d a n dd e a d b e a tc o n t r o lw i t h a d a p t i v ep r e d i c t o rf o rd cl i n k v o l t a g ei sp r e s e n t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c et h ep r i n c i p l e o f ( 1 e a dc o n t r o la n da d a p t i v ep r e d i c t ，a n dt h er e s u l t so fd c l i n kv o l t a g ec o n t r o la r e s i m u l a t ei nm a t l a b s i m u l i n k p l a t f o r m a tl a s t , t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea p f ，s l i d i n g - m o d e c u r r e n tc o n t r o la n dt h ed e a d b e a tc o n t r o lw i t ha d a p t i v ep r e d i c t o ro ft h ed c l i n k v o l t a g e ，a n dd e s i g nt h ed o u b l ec p uc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 812a n d a t 8 9 s 51o fp a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r ，a n di t sh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es y s t e m s o f t w a r ei sg i v e n k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；p e r i o d i cc u r r e n tc o n t r o l ；d c l i n kv o l t a g ec o n t r o l ； a d a p t i v ep r e d i c t ；d e a d b e a tc o n t r o l i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：如纽坐： e l期：垄翌星! 堇12 垄 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：勉翔盗导师签名 e l 期：丝翌整：圾期：鲤翌5 ：仗 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 随着国民经经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛的应用于 工业控制领域，其产生的谐波电流和谐波电压正污染着电网，造成电网的电能质 量下降、损耗增大、效率降低，影响了电力系统的安全稳定运行n 2 1 。另一方面， 我们已经进入了一个数字化信息时代，现代工业、商业和居民用户对供电质量提 出了更高的要求。因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最迫 切的问题之一。 1 1 谐波的危害及其治理 1 1 1 谐波的定义 国际电工( i e c ) 标准( i e c 5 5 5 - 2 ，1 9 8 2 ) 定义谐波d 4 1 为：谐波分量为周期 量的傅立叶级数中大于i 的h 次分量。谐波次数h 定义为：以谐波频率和基波频率 之比表示的整数。电气和电子工程师协会标准( i e e e 标准5 1 9 - 1 9 8 1 ) 定义谐波为： 谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。总结两者， 目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频 率的整数倍。 1 1 2 谐波的危害 谐波问题是随着电力电子技术的出现而伴随产生的。谐波的负作用带来了电 网谐波污染，他和功率因数降低、电磁干扰被称为威胁电力系统的三大电力公害。 谐波污染的危害n 5 1 主要有以下几个方面： ( 1 ) 引起旋转电机和变压器的附加损耗和发热，产生机械震动、噪声和谐波过 电压，缩短其使用寿命。 ( 2 ) 谐波谐振过电压造成电气元件( 如电容器和电缆) 和设备的故障与损坏。 ( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动装置误动作或拒动作。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 使原有的电能计量方法不适用，计量误差增大。 ( 5 ) 对通信系统产生电磁干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作。 ( 6 ) 从人体生理学来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础 上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁 辐射就会直接影响人的脑磁场和心磁场。 因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户 用电设备的安全、正常工作的角度，有效的治理谐波，将其限制在允许的范围之 内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网 已经迫在眉睫。我国谐波治 理水平还比较低，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。 1 1 3 谐波治理 谐波治理的措施主要有三种n 1 ：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系 统出发，提高他们抗谐波干扰的能力；主动治理，即从谐波源本身出发，使谐 波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；被动治理，即外加滤波器，阻碍谐 波源产生的谐波注入电网，或阻碍电力系统的谐波注入负载端。 目前对谐波进行治理主要是采用被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生 的谐波注入电网。 ( 1 ) 无源滤波器 传统的谐波补偿装置指的是l c 无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) 。它利用 电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向 电网的谐波电流。该方法成本低、技术成熟，还可以补偿无功功率，但存在以下 不足： 1 ) 只能对特定谐波进行滤波。谐波频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器 只能消除特定次数谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。 2 ) 滤波器参数影响滤波器性能。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。 l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。 山东大学硕士学位论文 3 ) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行后，如果 谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波器效果。并且需要根据高次谐波次 数的多少，需设计多个l c 滤波电路。 4 ) 滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工 况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。 5 ) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。p f 可能与系统阻抗发生串联或并联谐 振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。 6 ) 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波 电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流 7 ) 电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效 果并不理想。 ( 2 ) 有源滤波器 有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 的基本原理n 1 是从补偿对象中分 离出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电 流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值变化的谐波进行 跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，即不存在谐振的问题。与p f 相比， 其具体优点如下： 1 ) 具有一机多能的特点。不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿。 无功功率和负序电流等。 2 ) 谐波性能不受系统阻抗的影响。即使系统的结构或是运行状态发生了改 变，a p f 仍然会取得良好的滤波效果 3 ) 不会与系统发生串联或并联谐振，可以使己装载的p f 避免发生谐振。 4 ) 具有自适应功能，能对频率和幅值发生快速变化的谐波进行动态补偿。 5 ) 由于装置本身能完成输出限制，所以不会因为补偿电流过大而过载。 6 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 7 ) 可对多个谐波源和无功源进行集中补偿。 故此，有源滤波器成为当今研究热点之一。 山东大学硕士学位论文 1 2 有源电力滤波器概述 自1 9 7 1 年，日本的s a s a k i m a c h i d a 提出有源电力滤波器原始模型及基本原理 嘲，1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成p w m 逆变器 构成的有源电力滤波器来消除电网谐波，至u 1 9 8 2 年世界上第一台8 0 0 k v a 采用电流 源p w m 逆变器构成的并联型有源滤波器投入运行m 。电力系统有源滤波补偿这 一新型技术，终于从“实验室中的理论 逐步走向实际应用。a p f 经过二十多年 的发展，其技术已日益成熟。目前，有源电力滤波技术己在日本、美国、德国等 少数工业发达国家得到了广泛应用 1 0 o 与国外相比，我国对于a p f 的研究尚处在 起步阶段，一些高校和科研单位正积极进行这方面的相关研究。由于用电机制以 及成本等因素，在我国广泛应用a p f 还需要一段时间。 从近年来的研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展趋势n 妇： 1 ) 通过采用p w m 调制和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。 2 ) 从经济上考虑，可以采用有源滤波器与无源滤波器组成的混合型滤波系 统，以减少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。 3 ) 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低 成本的优势将逐渐消失，而并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是很有发展 前途的滤波装置 4 ) 随着电力电子器件耐压水平的提高和对电能质量的日益重视，a p f 也将在 工业系统中高压领域得到广泛应用。 1 2 1 有源电力滤波器的基本原理 图1 - 1 所示为最基本的a p f 系统构成原理图n 1 ，负载为谐波源( 即补偿对象) ， a p f 为有源电力滤波器。由图可见，有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指 令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路 三个部分组成) 。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐 波和无功等电流分量，故有时也称为谐波和无功检测电路。补偿电流发生电路的 作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电 山东大学硕士学位论文 流。目前主电路均采用p w m 变流器。 图l la p f 构成原理圈 a p f 的基本工作原理是，检测补偿对象( 即图中负载) 的电压与电流，经指 令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产 生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波既无功等电流抵消，最终得到 期望的电源电流。在图1 1 中，设负载的电流为“指令电流运算电路检测出其 中的谐波么作为a p f 的指令电流e ，补偿电流发生电路输出补偿电流屯跟随指令 电流的变化，之与么抵消，于是电网电流= 屯- i o = 0 ，即等于负载的基波电 流，是电源电流成为正弦波。若要同时补偿负载的无功电流，指令电流运算电路 需同时检测出谐波电流和无功电流作为a p f 的指令电流e ，由此产生的补偿电流 ，可使= 屯一= 0 即等于负载的基波有功电流，从而达到抑制谐波和补偿无 功的目的。 1 2 2 有源电力滤波器的分类 从不同的观点看，有源电力滤波器具有不同的分类标准n 2 1 幻，如i 羽：- 2 所示， 分别介绍如下： 1 根据主电路的储能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型 有源电力滤波器两种。 电压型a p f 的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本保持不变。 山东大学硕士学位论文 有 源 电 力 滤 波 器 交籼f 串联型a p f 并联型a p f 混合型a p f 单独使用方式 串联混合型 单独使用方式 并联混合型 注入回路方式 皇堕竺! i 图1 - 2 有源电力滤波器的分类示意图 与l c 串联 电流型a p f 的主电路直流侧接有大电感，正常工作时期电流基本保持不变。但由 于电流型主电路的直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的 损耗，因此目前较少使用。 2 根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型有源电力滤波器和 串联型有源电力滤波器。 并联型a p f 与负载并联接入电网，主要是用于电流型负载的谐波、无功和负 序电流补偿。串联型a p f 与负载串联接入电网，主要消除电压性谐波源对系统的 影响。串联型a p f 中流过的是正常负载电流，损耗较大；并且串联型a p f 的投切、 故障后的退出及各种保护也比并联型a p f 复杂，因此使用范围受到很大限制。 3 根据主电路所使用的p w m 变流器数不同，可以分为单个主电路有源电力滤 波器和多重化主电路的有源电力滤波器。后者可以提高a p f 的容量，降低单个器 件的工作频率。 4 根据接入系统的不同，可以分为单相a p f 和三相a p f 。后者有可以分为用于 三相三线制电路的a p f 和用于三相四线制电路的a p f 。 在各种a p f 中，单独使用的并联型有源滤波器是最基本的一种，也是工业实 际中应用最多的一种，它集中体现了有源电力滤波器的特点。因此，本文主要以 并联电压型三相a p f 为研究对象。 差一 山东大学硕士学位论文 1 2 3 有源滤波器的关键技术 有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 可应用于电力系统谐波、无功 电流的补偿，并联型有源电力滤波器的基本原理是使变流器产生实时跟踪指令电 流的补偿电流e ，从而使主电流i f 中不含谐波和无功成分。谐波电流的检测、谐 波电流的跟踪补偿控制和直流侧电容电压控制是有源电力滤波器的三个主要组 成部分。 1 2 3 1 谐波电流的检测 就谐波治理和无功补偿装置而言，实现对谐波和基波无功分量快速而准确的 检测是十分重要的。最早的检测方法是通过模拟电路来实现的，但因为由模拟滤 波器引起的相位和幅值误差都比较大，而且高精度的模拟滤波器很难设计，对电 网频率波动和电路元件参数十分敏感，因而已经很少采用；采用数字技术能很好 的克服模拟电路检测技术固有的缺点，因此得到越来越广泛的应用。 目前常用的谐波和基波无功的检测方法主要有：基波分量提取法、基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法、基于频域分析的f f t 检测法、基于自适应干扰对消 原理的自适应检测法及小波变换、神经网络等智能算法。这些算法均有一定的优 势，并在一些实际装置上得到了应用，但需要大量的计算时间，实时性较差，大 多数算法不能同时分离出无功电流和谐波电流，不适用于对频繁变化的负载进行 补偿。其中较为简捷的算法( 如基波分量提取法) 虽然计算量小，但中心频率固定。 电网频率波动时滤波效果会显著下降，且易受外界环境的影响。随着三相电路瞬 时无功功率的发展，基于瞬时无功功率的检测法以其良好的实时性、准确性及可 以同时检测谐波和基波无功电流的优点，得到了广泛的应用。目前在有源滤波器 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。 1 2 3 2 谐波电流跟踪补偿控制 有源滤波器产生一个与谐波电流等大反向的电流来使他们互相抵消，以达到 补偿谐波的目的，补偿电流对期望电流的跟踪情况直接关系到谐波的补偿效果 目前应用较多的补偿电流发生控制的方法主要有：电流滞环比较控制法、三 山东大学硕士学位论文 角载波调制法、电压空间矢量法等。其中电流滞环比较控制法实现简单、响应较 快，但是其开关频率不固定，高频纹波的幅度相对也大些j 电压三角载波调制法的 精确度较高，但响应速度慢些，对直流侧电压的利用率不高j 电压空间矢量法精确 度高，但一般需要进行较为复杂的坐标转换。 有源电力滤波器工作时等效于一个无功和谐波源，基于目前的一些常用控 制方法，在指令电流变化较大时补偿电流往往不能完全跟踪指令，从而在补偿后 的主电流中有比较大的“尖峰”现象出现，滑模变结构控制方法由于具有快速性、 鲁棒性、稳定性好和对外界的干扰不敏感等特点适合于滤波器的控制。本文在分 析电流控制回路时域数学模型的基础上得出了滑模变结构控制的控制律，提出基 于滑模变结构控制方法的三相三线制有源电力滤波器。 1 2 3 3 有源滤波器直流侧电压控制 由于电压源并联型有源电力滤波器直流侧一般采取直流电容，在控制有源电 力滤波器的补偿电流的过程中，由于线路阻抗和开关损耗的影响以及负载电流变 化引起的系统对有功功率需求的变化，都会导致直流侧电容电压的波动，使直流 侧电容欠电压甚至过电压，影响了对谐波电流的补偿效果，严重时甚至会危及滤 波器的可靠运行。所以在控制补偿电流的同时，必须要保持直流侧电压基本不变。 对直流侧电压进行控制的传统方法是为直流侧电容再提供一个单独直流电 源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流 侧电容的目的，但需要另设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了 系统的成本、损耗等。 目前常用一定的控制方法，根据有源滤波器直流侧电容电压同期望值之间的 偏差来控制主电路，使一定的有功功率从交流侧交换到直流侧，补偿电容储存的 能量。目前常用的控制方法是p i d 调节控制法，但是采用常规p i d 控制，电压控制 环节电压易出现超调等，而且p i d 的参数在实际控制难于整定，受精确数学模型 影响较大，抗干扰性能差等缺点。因此本文提出了一种跟踪无过冲、系统动态响 应快、易于计算机执行的基于自适应预测的无差拍控制方法。 山东大学硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 首先，介绍了谐波与无功功率的危害、有源电力滤波器的发展历史、国 内外研究现状及发展趋势，然后讨论了有源电力滤波器的基本原理、分类、系统 结构，并说明了本课题的研究意义。 ( 2 ) 接着，对三相系统中常用的谐波与无功电流检测方法，分析它们的基本 检测原理、特点；并对瞬时无功理论及基于瞬时无功理论的谐波检测方法进行了 详细的分析介绍，在比较p - q 和f p 一乇优缺点之后，选择了f p 一为课题的谐波 检测方法。然后，介绍了电流跟踪控制常用的三种方法：三角波比较控制方法、 滞环电流控制方法和周期采样法，并提出了一种鲁捧性强的滑模变结构控制方 法，分析了其优缺点，并仿真验证了采用滑模控制方法的有源滤波器的滤波效果。 ( 3 ) 分析了有源电力滤波器直流侧与交流侧的能量交换原理，阐明瞬时有功 和无功功率对直流侧电压的影响，建立了相应的数学模型，并基于此数学模型提 出了一种基于自适应预测的无差拍直流侧电压控制方法。使用m a t l a b s i m u l i n k 程序建立有源滤波器模拟模型，验证其滤波及直流侧电压控制效果，并采取了一 定的措施抑制有源滤波器投入使用过程中的启动电流对电网的冲击。 ( 4 ) 根据本文采用或提出的谐波采样、电流控制及电流控制方法，设计了三 相三线制并联电压型有源滤波器，给出了给出了采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和a t 8 9 s 5 1 双c p u 控制系统的有源滤波器硬件电路设计和软件电路设计。 山东大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器电流检测及控制 有源电力滤波器对负载谐波的跟踪补偿主要由谐波信号的检测和实际补偿 电流的产生两部分组成。有源电力滤波器通过检测电路检测出负载中或电网中的 谐波电流成分，然后通过采用某种控制方式控制主电路产生响应的补偿电流分 量，同谐波电流相抵消，以达到消除谐波的目的。 2 1 谐波及无功电流检测 由于电力系统中的许多非线性负荷对谐波的反应时间小于1 0 m s ，为了发挥滤 波器的快速性，提高其快速补偿能力，必须采用快速的谐波检测方法。按照定义 检测谐波的方法是最严格的方法，但这种方法无法实现快速性。因此我们需要针 对实际应用，改进谐波的定义以符合实际的需要。 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由日本学者h 砧【a g i 提出【3 l 】，此后该 理论经不断研究逐渐完掣3 2 。3 6 】，并且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a p f 中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法 最多。 2 1 1 三相电路瞬时无功功率理论 h a k a g i 所提出的理论也称为p q 理论n 1 ，是以瞬时有功功率p 和瞬时无功功 率g 的定义为基础的，p q 理论的出现标志着瞬时无功功率理论的诞生，但它并 不完善，主要是未对有关的电流量进行定义。下面将介绍的是以瞬时有功电流 和瞬时无功功率f g 为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路电压和电流的瞬时值分别为、巳和。毛、屯。为分析问 题方便，把它们变换到仿一两相正交的坐标系上研究。有下面的变换可以得到 山东大学硕士学位论文 筇两相瞬时电压、e p 并n a , a 两相瞬时电流o 。 ：豳 睁：豳 热争厉隧勤 七 t ? 。 。r i 艉- 鬻：云 图2 1 口一坐标系中的电压、电流矢量 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 在图2 1 所示的口一平面上，矢量稿易和乏、易分别可以合成为( 旋转) 电压矢量虿和电流矢量7 。 孑= 瓦+ = p 么纪 7 = 乏+ 不= i l q 伊j 式中，e 、i 为矢量虿、7 的模；仍、仍分别为矢量孑、7 的幅角。 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流i g 分别为： = i c o s 矽= i c o s ( q ，, 一仍) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 山东大学硕士学位论文 = i s i n q ，= i s i n ( 够, 一仍) 三相电路瞬时无功功率垡和瞬时有功功率p 分别为： p 2 e z p ( 2 6 ) ( 2 7 ) 9 2 e z q u 5 ) 把式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 及妒= 纯一仍带入式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 中，并写成矩阵形式得出： 乏址b 嘲 亿9 ， 拂= 臣玎 口、相的瞬时无功电流0 、k 和瞬时有功电流0 、讳分别为： 驴归s 纯。钐2 南p ( 2 1 0 a ) k = s i n 孕, , = e p i p e e = 孺e p p( 2 1 0 b ) 驴忡纯。鑫g ( 2 1 0 c ) - 口。毋 1 。0 q = - c o s 乎o , = - q e = 孺- e a g ( 2 1 0 d ) 下面分析三相电压和电流均为正弦波时的情况。设三相电压、电流分别为 乞= e s i n c o t (21la)smcot1 l a ) 乞2 以肘毕 e b = 露s i n ( c o t 一2 7 r 3 ) ( 2 1 l b ) 巳= z ms i n ( c o t + 2 z t 3 ) ( 2 1 1 c ) 毛= ls i n ( c o t 一伊)( 2 1 2 a ) = ls i n ( c o t 一p - 2 n - 3 )( 2 1 2 b ) t = ls i n ( c o t 一9 + 2 万3 )( 2 1 2 c ) 山东大学硕士学位论文 利用式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 对以上两式进行变换可得 计瓦： 盼厶：譬搋岛 仁柳 式中：匕：= 胁，l 2 - - - - 胁。 把式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 代入式( 2 9 ) 中可得： p = 丢既l c o s 华,( 2 1 5 a ) q = 丢已ls i n q ， ( 2 1 5 b ) 令e = 么、，= 乡么分别为相电压和相电流的有效值，得 p = 3 e i c o s ( o( 2 1 6 a ) q = 3 e i s i n q 珍 ( 2 1 6 b ) 从上面的式子可以看出，在三相电压和电流均为正弦波时，p 、g 均为常数，且 其值和按传统理论算出的有功功率尸和无功功率o 完全相同。 把式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 代入式( 2 9 ) 瞬时有功电流和瞬时无功电流 0 = 厶2 c o s 呼o s i n c a t( 2 1 7 a ) 乞= l 2s i l l 伊s i n ( 研一万2 ) ( 2 1 7 b ) 比较上式和式( 2 1 4 ) 可以看出，口相的瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式 与传统功率理论中a 相电流的有功分量和无功分量的瞬时值表达式完全相同。对 于相及三相中的a 、b 、c 各相也能得出同样的结论。这里计算有功和无功功 率只用了一个时刻的三相电压和电流的数值，因此称为瞬时有功功率和瞬时无功 功率。不难看出，瞬时无功功率理论包含了传统的无功功率理论，比传统理论有 更大的适用范围。 山东大学硕士学位论文 2 1 2 三相系统中基于瞬时无功功率理论的检测方法 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p 、g 或o 为出发点，即可 得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方式：p g 运算方式和o 运算方式。 2 1 2 1 p g 运算方式 p g 运算方式m 町的原理如图2 2 所示。图中上标一1 表示矩阵的逆。该方法根 据定义算出p 、g ，经低通滤波器( l p f ) 得到p 、q 的直流分量。电网电压波形无 畸变时，多为基波有功电流与电压作用所产生，虿为基波无功电流与电压作用所 产生。于是，由歹、虿即可算出被检测电流o 、f c 的基波分量0 、谚、0 。 将。毛、七与0 、磅、0 相减，即可得出。小乞的谐波分量乙、“、乙。 巳 巳 k i z 。 0 锄 0 1 薹t 2 - 2p g 运算方式原理图 屯吖阡砉圈 锄 ( 2 1 8 ) 当a p f 同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波 和无功电流。在这种情况下，只需要断开图2 2 种计算g 的通道即可。这时，由歹 即可计算出被检测电流。毛、之的基波有功分量锄、锄、锄为： 山东大学硕士学位论文 切 、唾 l c 吁 吒吖网 ( 2 1 9 ) 将锄、妨、切与乞、“之相减，即可得出o 、艺的谐波分量和基波无功 分量之和乞、幺。下标中的d 表示由检测电路得出的检测结果。 2 1 2 2 一岛运算方式 一运算方式1 3 刀的原理如图2 3 n n 。 k 虱2 - 3 一运算方式的原理图 在该方法中，口相电压经过一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦发生电路得到 与它同相位的正弦信号s i n a ) t 和余弦信号一c o s c o t ，根据瞬时无功功率理论可以计 算出、岛，经l p f 滤波得出、岛的直流分量亏、- 岛g - 。从而得到口一坐标下的 基波电流分量0 、协；再经过坐标变换得到被检测电流o 、乞的基波分量0 、 匆、0 ，最后将三相检测电流与基波电流分量相减进而得出三相谐波分量么、f 6 、 o 2 1 2 3 p g 运算方式和一运算方式的优缺点比较 下： 1 6 在三相三线制电力系统中，p g 运算方式和一i g 运算方式的优缺点口8 1 如 山东大学硕士学位论文 当电源电压无畸变或畸变可以忽略的情况下，p g 运算方式和一运算方 式均能够准确的检测出谐波电流。p g 运算方式需把三相电压变换至口一坐标 下，计算量稍大一些；一运算方式则只需用一个锁相环来产生正弦信号。 在电源电压畸变的情况下，p g 运算方式中，歹、虿不仅有基波电压电流 相作用的成分，而且还含有高次电压和电流相作用的成分，因此将歹、虿反变换 后得到的电流不仅包含基波电流，还包含谐波电流，故p g 运算方式不能准确 检测出谐波的大小。一运算方式用一个锁相环来产生正弦信号，与电压无关， 因此一乇运算方式在电压发生畸变是仍能准确地检测出系统的谐波电流。 比较两种运算方式的优缺点后，本文采用一运算方式对三相三线制电路 谐波电流进行检测。 2 2 有源滤波器电流跟踪控制 并联型有源电力滤波器的主要功能是根据非线性负载的谐波电流，产生相 应的补偿电流，防止谐波电流流入电力系统造成污染，检测出负载电流中的谐波 分量后，必须采用一定的控制方法控制功率主电路使其产生补偿电流注入连接点 补偿负载的谐波电流而使得电源电流正弦化。 电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路的第一个环节，其作用是根据补偿电 流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制主电路各个器件通断的 p w m 信号。 2 2 1 常用控制策略 有源滤波器系统的控制策略，可归结为在指令电流己知的情况下，如何控制 主电路逆变器桥臂的状态，使电源电流能跟随指令电流的变化，并且在开关频率 一定的前提下使跟随误差最小，或在跟随误差一定的前提下使开关频率最低，或 制定一定的控制目标，使跟随误差与开关频率的综合指标最优【3 9 】。 主电路补偿电流的产生通常采用基于p w m 的电压型变流器，从采用的电流 山东大学硕士学位论文 控制方法看，主要可分为以下几种类型【4 0 】。 2 2 1 1 周期采样控制 周期采样控制h 的原理如图2 4 所示，周期采样控制方法主要是根据有源电 力滤波器输出电流与参考电流的比较结果在采样时钟脉冲的上升沿改变p w m 脉冲的状态。如果在采样脉冲的上升沿补偿电流之 f ，则p w m 脉冲为正，控 制有源滤波器的逆变器开关使补偿电流减小；如果在采样脉冲的上升沿补偿电流 之 _ dq ：l o c k 耍碰时钟7 图2 _ 4 周期采样控制 图2 5 所示为以一相的控制为例，采用滞环比较器的瞬时值比较方式1 ，4 2 的原理图 图2 5 滞环比较控制 在该方式中，把补偿电流的指令信号乞与实际的补偿电流信号之进行比较， 两者的偏差越作为置换比较起的输入，通过置换比较器产生控制主电路中开关 山东大学硕士学位论文 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 电流的变化。 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。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。 滞环比较控制方式具有以下的特点： ( 1 ) 若用模拟电路实现，硬件电路简单； ( 2 ) 属于实时控制方式，电流响应很快，但电流脉动过大； 0 ) 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，但是电力电子器件 的开关频率是变化的。 在采用滞环比较控制方式中，滞环宽度对电流跟踪性能有很大的影响。若滞 环宽度过大，开关频率和开关损耗降低，但跟踪误差增大；若滞环宽度过小，虽 然跟踪误差减小，开关频率和开关损耗增加，受到开关器件工作频率的限制；若 滞环宽度固定，电流跟随误差范围是固定的，但是电力电子器件的开关频率是变 化的，这对子电力半导体器件的工作频率提出了过高的要求 针对滞环比较控制方式在环宽固定时的这一缺点，一种解决的方法是将滞环 比较器的宽度设计成可随电流心的大小自动调节；另一种方法是采用定时控制的 瞬时值比较方式。前一种思路的设计很复杂，后一种方法是用一个时钟定时控制 的比较器来代替滞环比较器。每个时钟周期对从判断一次，使得p w m 信号需要 至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一 半。这样时钟信号的频率就限制了器件的i 高上限频率，从而可以避免器件开关 频率过高的情况发生。而且这种方式很容易数字化实现。但该方式的不足是，补 偿电流的跟随误差是不固定的。 2 2 1 3 三角波比较方式 山东大学硕士学位论文 图2 - 6 三角波比较控制 图2 6 是三角波比较方式【1 】的原理图，这种方式与其他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乞与三角波比较，而是将指令信号与 之的偏差之，经放大器放大之后再与三角波比较。放大器往往采用比例放大器或 比例积分放大器。这样组成一个控制系统是基于把t 控制为最小来进行设计的。 与瞬时值比较方式相比，三角波比较方式有如下特点， ( 1 ) 硬件较为复杂； ( 2 ) 跟踪误差比较大； ( 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。 2 2 1 4 无