（电力系统及其自动化专业论文）并联型有源电力滤波器研制及其应用仿真研究.pdf

郑州大学工学硕士论文 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r s ， i n v e r r t e r sa n do t h e r e l e c t r i c a la p p l i a n c e sw h i c hb a s e do np o w e re l e c t r o n i c sh a v ec o m ei n t oe v e r y d a y1 i f e w h i l em e s ea p p l i a n c e sc o n s 啪ea c t i v ep o w e r ，a st 1 1 e ya r en o n l i n e a rl o a d s ，t h e ya l s o o u t p u th a m l o n i c s 髓dc o n s u m er e a c t i v ep o w e r a n dt h e s ep o l l u t et l l ep o w e r 酣d a tt h e s 锄et i m e ，a p p l i a l l c e sw h i c hr e q u i r el l i g l lp o w e rq u a l i t ys u c ha sp r e c i s i o nm a c b j n e 巧 h a v ec o m ei n t oi n d u s t r i a lu s e 1 1 1 ep o l l u t e dp o w e r 鲥dw i l lc a u s ea b n o m a l 时o f 廿1 e s e a p p l i 粗c e s ，s u c ha sm a l f i l i l 砸o na n db r o k 饥d o w n t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l 锄h a s b e c o m eah o ts p o ta 1 1 dh a ss p r e a d 枷锄u 1 1 dt 1 1 ew o r l d t l l e r ca r em a i n l y2w a y st os o l v e 1 ep r o b l e m ：a c t i v ew a y ，f o c u so nt h ed e 访c e i t s e l i tm e a i l st l l a tt od e s i g ne q u i p m e n t sm a td on o tp r o d u c eh a r m o i l i c s ，d on o ta b s o r b r e a 嘶v ep o w e rw h i l ei ti sa l s os y n h n e t r i c ； p a s s i v ew a y ， w h i c hm e a l l st oa d d c o m p e n s a 戗o ne q u i p m e n to u t s i d e ，f o re x 锄p l e ，t oi n t r o d u c el c6 l t e r so ra c t i v ep o w e r f i l t e r s ( a p f ) i np o w e rs y s t 锄t h el 撒e rw a y i sm o r ef e a s i b l ea tt h i ss t a g e 1 1 1 i st l l e s i sa i m sa tt l l ed e s i g n i n ga j l da p p l i c a t i o no fs h u n ta p f ，i td e c i d e st h e 龇枷t e 咖r ea 1 1 dc o n 仃o lm e t h o do ft l l ep r o p o s e da p f t 1 1 em a i nc i r c u i ta 1 1 dt h ec o n t r o l c i r c u i ta r ei l e v e l o p e da r l dt h es p e c i f i c a t i o n so fm ec o m p o n e n t sa r ei d e n t i f i e d an e w p r o g m m m i n gm e m o di s 印p l i e dt od e v e l o ps y s t e ms o r w a r e t h ep r i o rw o r ki sd o n ea 1 1 d s i m u l a t i o ni sd o n et o 锄a l y z et h ee 自f e c to ft l l ep r o p o s e da p f t h et h e s i s i n v e s t i g a t e d t l l ec u r r c i n t d e t e c t i n gm e m o d ， c u r r e n t t r a c i n g m e t l l o d ，、，o l t a g ec o n t r 0 1m e t h o do fd c s i d ea j l dt h es p e c 谲c a t i o n so ft h ed c s i d e c a p a c i t o r t h ep a r a m e t e r so fd c s i d ev o l t a g e ，d c - s i d ec a p a c i t a l l c e 趾dt h eo u t p u t r e a c t o ra r ed e c i d e dt h r o u 曲t h e o r ya l l ds i m u l a t i o n m a i nc i r c u i t ，c o n n 0 1c i r c u i ta 1 1 dd a t a a c q u i n gc i r c u i ta r em a d e t h em e t h o do fu s i n gm a t l a b7 2 ( r 2 0 0 6 a ) e m b e d d e dt ，唱e tf o rt h et i t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ( e t t i c 2 0 0 0 ) v r e r 2 0a n dl i n kf o rc o d ec o m p o s e rs t u d i ov r e r 1 5t o c o n s t l l j c tm em o d e l i ns i m u l i n ka 1 1 dp r o d u c ep m 黟a m m i n gc o d er e a l t i m ei s 印p l i e dt o m a k e t h ep r o 黟锄f o r d sp s i m u l a t i o nm o d e lo fa p fa n dr e s i s t a n c e 如m a c ea r ed e v e l o p e da i l ds i m u l a t i o no f t h ee 骶c to fa p fi sd o n e s i m u l a t i o n so fd i 虢r e n t f i n ga j l g l e ，s y l l l m e t r i ca n d a s y m m e t r i c c o n d i t i o na r ed o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt l l ed f e c ti s g o o df o r 1 i 一一 并联型有源电力滤波器研制及其应用仿真研究 c o m p e n s a t i n gh a 肌o n i c sa j l da s y n 1 i i l e t r i cc u m m t k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，t 1 1 e o 叫o fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ， m a t l a b d s p i i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者。：劣山亏系 1 1 课题研究背景及意义 1绪论 随着我国国民经济的高速发展和先进自动控制设备的广泛采用，供电系统中 增加了大量的非线性负载，导致电网污染。此外，冲击性、波动性负荷，如电阻 炉、大型轧钢机、电力机车等在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且使得电 压波动、闪变，三相不平衡日趋严重。这些对电网的不利影响使电气设备寿命缩 短，网损加大，增加了电网发生谐波谐振的可能性，导致仪表指示和电度计量不 准，计算机和通信受干扰，一些对电源特性变化敏感的用户设备不能正常工作， 甚至还可能使继电保护和自动装置不能正常动作或者误动。电网污染产生的危害 逐步严重，劣质电能带来的巨大损失使人们对其关心程度不断加强。研究改善电 网供电质量以及抑制用户对电网产生的不利影响具有重要的意义【l 引。 1 1 1 电能质量的概念 电气与电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l l i t y ( 电能质量) ”这一术语，并给出了相应的技术定义：合格电能质量的概念，是指 提供给敏感设备的电力和设置的接地系统是适合于该设备正常工作的【3 1 。 1 1 2 电能质量的分类 为了系统地分析研究电能质量问题，从而找出引起电能质量问题的原因并采 取针对性的解决办法，将电能质量扰动进行详细的分类是很重要的。由文献 3 、4 】， i e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r d sc o o r d i n a t i n gc o m m i t t e e2 2 ) 和其他国际学 术委员会最新采用1 1 种专用术语来表述电能质量的主要扰动： ( 1 ) 电压中断或断电( i n t e m l p t i o n ，o u t a g e ) ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) ( 3 ) 电压凹陷或电压下跌( s a g ，d i p ) ( 4 ) 电压上升( s w e l l ) ( 5 ) 瞬时脉冲或突波( i i l l p u l s e ，t r a j l s i e n t ) 1 郑州大学工学硕士论文 ( 6 ) 电压波动与闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o na 1 1 df l i c k e r ) ( 7 ) 电压切痕( n o t c h ) ( 8 ) 谐波( h a 瑚o n i c s ) ( 9 ) 间谐波( i n t e r h 锄o n i c s ) ( 1 0 ) 过电压( o v e rv o l t a g e ) ( 1 1 ) 欠电压( u n d e rv o l t a g e ) 为了更有针对性地满足所有电力负荷( 或用户) 的供电要求，保障对其可靠 供电，由文献【3 ，按电力负荷对电能质量的不同要求将其分成三类： ( 1 ) 普通负荷 此类负荷受不良的电能质量的影响不明显，只对持续时间较长的幅值较大的 电压下跌、电压上升、断电才会感受到影响。 ( 2 ) 敏感负荷( s e n s i 晰el o a d ) 此类负荷对电能质量的不良相当敏感并会受到损害，因此其对电能质量有一 定的要求且必须采取一定的对策以确保达到此要求。但不同类型敏感负荷的敏感 程度不同，因此要在综合分析费用收益比的基础上作出最佳的电能质量改善程度 的要求，以采取相应的合理措旌来保障其对电能质量的高要求。 ( 3 ) 要求严格的负荷( c f i t i c a ll o a d ) 此类负荷在电能质量不良时会产生严重后果，有的会造成巨大经济损失，有 的会发生不可挽回的损害，因此必须要十分确保其所提出的严格的电能质量要求。 1 1 3 电能质量问题的解决 改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能 质量也是很有必要的，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波 动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户 必须采取措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用户侧抑制用户产生的 谐波电流、电压波动( 闪变) 以及电流不对称等电能质量问题。 电压波动( 闪变) 主要是由工业负荷的无功功率引起的，可以通过无功补偿 进行改善；谐波问题可以通过滤波解决；电流不对称是由三相间负荷分布不均匀 所产生的负序分量导致的，可以通过补偿负序分量的方法解决。 抑制电压波动、闪变、电压不对称、电网谐波等不利影响有两种途径： ( 1 ) 装设改善电能质量装置，如同步调相机、静止型无功补偿装置、l c 滤 波器、电能质量调节器等，这是一种被动的方法。 ( 2 ) 实施电网调度自动化、无功优化、负荷控制以及对设备进行改造，使其 不产生谐波和无功，如设法提高整流装置的相数或采用高功率因数整流器，这是 一种主动的方法。本文仅对第一种途径进行讨论。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机( s y l l c h f o n o u sc o n d e n s e r s c ) 。由于是旋转电机，损耗和噪声都比较大，运行维护复杂，响应速度慢，7 0 年代以来，开始逐渐被静止型无功功率补偿装置( s t a t i c v a r c o m p e n s a t o r s v c ) 所取代。目前，改善电能质量的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r a p f ) 。 1 2 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器是一种动态的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化 的谐波和无功进行补偿，是一种理想的电能质量解决方案。 有源滤波器的基本工作原理是：检测控制对象而得到的电压和电流，经指令 电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，根据此信号由补偿电流发生电路产 生补偿电流，该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波、负序和无功电流同相位， 而极性相反，它们互相抵消。在这个过程中，电流检测技术的好坏起决定性作用。 由文献 3 3 】，常用的电流检测技术主要有： ( 1 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法 其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全 一致的有功电流分量；另一个是负载电流与有功电流的差值，包括基波无功和谐 波，称为广义无功电流分量。此方法计算广义无功电流瞬时值至少有一个周期以 上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。并且此方法只能区分有功电流 和广义无功电流，不能将基波无功和谐波电流分离出来，所以只能用于全补偿场 合，无法实现基波无功和谐波电流的单独补偿。 ( 2 ) 基于频域分析的f f t 检测法 该方法以f o 嘶e r 分析为基础，要求被补偿的波形是周期变化的，否则误差较 大。通过f f t 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 是可以选择欲消除的谐波次数，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，因 而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时，谐波电流的检 测误差较大。 ( 3 ) 基于赤木泰文三相瞬时无功功率理论的检测方法 此方法在a p f 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 的方法，它包括f ，、f 。法和ng 法。当电源电压对称无畸变且负载电流对称时， 两种方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 一1 压和负载电流均畸变但对称时，f 。、f 。法仍能准确检测出谐波电流，而ng 法存 在误差；当三相电压或三相电流不对称时，直接应用这两种算法都存在检测误差， 不能实现非有功电流的完全补偿。基于该理论的瞬时无功电流检测法具有较好的 实时性，其时间延迟仅取决于低通滤波器的性能。在检测基波无功电流时基本上 是无延迟的，故在三相平衡正弦系统中得到了成功的应用。本方法将在后面的章 节详细阐述。 ( 4 ) 基于白适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法 该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电 流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，而得到所有谐 波与基波无功电流之和。此检测系统是一个闭环调节系统，其运行特性与元件参 数几乎无关，当电网电压发生波形畸变或频率波动时，检测系统仍能正常工作， 具有良好的白适应能力；其缺点是动态响应速度较慢。 1 9 7 6 年g y u g y i 最早提出a p f 。8 0 年代中期，发达国家已在有源电力滤波器 领域取得进展。9 0 年代后期，并联a p f 在日本、美国等开始应用【5 j 。在国内，西 安交通大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、湖南大学等高校正在积极研究并取得 可喜的进展。 1 3 本文所做工作 本文设计了一种并联型有源电力滤波器，能补偿非线性负载所产生的谐波和 无功功率。本文所做工作如下： ( 1 ) 确定有源电力滤波器的总体结构。分析其工作原理，确定系统容量，确 定了主电路拓扑结构和元件的参数，并对系统硬件部分进行开发。 ( 2 ) 分析有源电力滤波器补偿原理，比较各种控制策略的优劣，建立有源电 力滤波器的仿真模型。 ( 3 ) 应用m a t l a b7 2 ( r 2 0 0 6 a ) 的e t t i c 2 0 0 0 ( e m b e d d e d 协g e tf o r t h e t i t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ) v e r 2 o 和l i l l l ( f o rc o d ec o m p o s e rs t u d i ov e r 1 5 在s i m u l i i l l ( 中进 行直接图形编程并实时生成代码的方法，编写了有源电力滤波器d s p 软件。 ( 4 ) 结合实际应用，建立了某企业的电阻炉仿真模型以及电能质量控制系统 的仿真模型，通过仿真试验检验了不同工况下的补偿效果。仿真结果表明，本文 设计的电能质量控制器是可以达到补偿电流和矫正波形的作用。 并联型有源电力滤波器研制及其应用仿墓盟窒 2 有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装置， 利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电 流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的【以8 1 。本章将详细介 绍有源电力滤波器的结构和补偿原理。 2 1 有源电力滤波器的补偿原理 2 1 1 有源电力滤波器的特点 有源电力滤波器利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值 相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目 的【6 8 j 。有源电力滤波器具有以下特点 ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波、无功和负序进行补偿； ( 2 ) 补偿无功功率时不需要贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大； ( 3 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； ( 4 ) 可对一个及多个谐波和无功源进行补偿。 a p f 图2 1 有源电力滤波器原理图 f i g 2 1t h ep r i n c i p l ed i a g r 锄o f a p f 5 一 郑州大学工学硕士论文 2 1 2 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可分为纯粹有源滤波器( p u r ea c t i v ef i l t e r ) 和混合有源滤波 器( h v b r i d a c t i v ef i l t e r ) 。混合有源滤波器由纯粹有源滤波器和无源滤波器构成， 它能显著地减小其中有源部分的容量，但结构较为复杂。纯粹有源滤波器分为并 联型和串联型两种。在现阶段，基于结构形式和功能，并联型比串联型更值得推 荐。尽管串联型有源滤波器对单纯抑制谐波的效果特别好【l0 1 。图2 1 为有源电力滤 波器原理图。 本文所研究的是并联型有源电力滤波器( 简称并联型有源滤波器，下同) 。 2 1 3 并联型有源滤波器的补偿原理 并联型有源滤波器主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发 生电路，其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变电路。 并联型有源滤波器的基本工作原理：检测控制对象而得到的电压和电流，经指令 电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，根据此信号由补偿电流发生电路产 生补偿电流，该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波、无功和负序电流同相位， 而极性相反，他们互相抵消。其中指令电流运算电路的核心是谐波电流、无功电 流和负序电流检测方法，由于并联有源滤波环节采用输出电流闭环控制，可以将 其看作电流源。设三相负载电压为： ， “t ，( 缈f ) = u i ，s i n 缈f 一伽一l 夕刀】 ( 2 1 ) j 式中 卜表示口，6 ，c 相，对应聊= 1 ，2 ，3 ；u 。，负载电压幅值，v 。 假设负载电流三相对称，可以表示为： ，( 缈f ) = ，p ( 国f ) + t ，。( 缈f ) + ， ( 缈f ) ( 2 2 ) 可见，各相负载电流可以分为三部分。其中，三相基波有功电流为： r1 i ，p ( 缈f ) = 厶，p c o s 仍s i n f 缈f 一1 ) 导万l ( 2 3 ) l j j 式中 仍负载各相基波电流与对应负载相电压夹角；，m 负载各相基波电 流的幅值，a 。 三相基波无功电流为： 42l 1j 万 2 3 、i i ， 一m ，j、 一f彩 。l soc 缈 ns g ， i l 、l ， f p 叮 k 为流电波墨皿次一两 】j村备 h ( 缈f ) = j 胁s i n ( 脚f + ) ( 2 5 ) n = 2 式中 缈眦负载各相阼次谐波电流的相位角；，m 负载各相胛谐波电流的 幅值，a 。 若各相输出补偿电流满足： 。( 彩t ) = ，。( 缈f ) + 屯， ( 缈f ) ( 2 6 ) 则三相有源电流： ，( 缈f ) = f m ( f ) ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 表明，三相电源只提供负载的基波有功电流，从而达到补偿负载谐 波、负序和无功电流的目的。 并联型有源滤波器采用的检测方法不同，对不同的实际情况获得的性能指标 也不相同。本文设计的并联型有源滤波器目的在于保证三相电源进线电流成为与 对应负载电压同相的对称正弦电流。这时无论负载对称与否，从电源侧看，三相 非线性负载和并联型有源滤波器一起相当于三相对称电阻性负载【2 】。 2 2 并联型有源电力滤波器的组成结构 并联型有源电力滤波器由两部分组成：指令电流运算电路和补偿电流发生电 路。指令电流运算电路的核心是检测出需要补偿的非线性负载电流中的谐波、无 功和负序分量。从而生成补偿信号的参考电流信号。补偿电流发生电路的作用是 根据指令运算电路送出的参考电流信号产生实际的补偿电流，包括控制电路和主 电路，主电路一般采用三相p w m 电压型逆变器，控制回路根据参考电流和实际补 偿电流的关系控制逆变器功率开关元件的导通与截止【6 1 。图2 2 为并联型有源滤波 器原理图。 并联型有 源滤波器 图2 2 并联型有源滤波器原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs h u n ta p f 7 郑州大学工学硕士论文 2 2 1 指令电流运算电路 指令电流运算电路的作用是检测出非线性负载电流中的谐波、无功和负序分 量，也可以称为谐波、无功和负序电流检测电路。有源电力滤波器的关键技术是 如何实时检测非线性负载电流中的谐波、无功和负序分量以获得控制电路所需的 补偿电流指令信号。其准确性将影响到整个有源电力滤波器的补偿特性【6 j 。 随着有源滤波技术的发展，涌现出了很多谐波及无功电流的检测方法：采用 频域分析的方法、基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法、采用白适应滤波 结合神经网络实现对谐波及无功电流的检测和基于自适应噪声抵消技术的自适应 谐波电流检测方法。 2 2 2 补偿电流发生电路 2 2 2 1 有源滤波器的主电路 有源滤波器的主电路通常采用p w m 变流器。根据直流侧贮能元件的不同，可 分为电压型和电流型两种。图2 3 和2 4 分别示出可用于三相三线制系统的电压型 和电流型p w m 变流器。电压型p w m 变流器的直流侧接有电容器，在正常工作时， 透过算法的支持使直流侧的电压基本保持不变，可看作电压源，在交流侧的输出 电压为p w m 波；电流型p w m 变流器的直流侧接有电感器，在正常工作时，透过 算法的支持使直流侧的电流基本保持不变，可看作电流源，在交流侧的输出电流 为p w m 波。 图2 3 三相三线制系统的电压型p w m 变流器 f i g 2 3v b l t a g em o d ep w mi n v e n e ro f3 - p h a s e3 w i r es y s t e m 图2 4 三相三线制系统的电流型p w m 变流器 f i g 2 4c u n e n tm o d ep w m i n v e n e ro f3 i ) h a s e3 - w i r es y s t e l l l 2 2 2 2 电流跟踪控制电路 电流跟踪控制电路的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，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的p w m 信号，控制 结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化p j 。 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 w m 控制方 式。目前跟踪型p w m 控制方式主要有两种：滞环比较控制和三角波比较方式。 ( 1 ) 滞环比较控制 滞环比较控制( h y s t e r e s i sc o n 仃0 1 ) 是将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出 值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开通与关 断，从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值。与三角载波线性控制相比， 滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快等特点。缺点是系统的开关频率、响 应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。带宽固定时，开关频率会随补偿电 流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪纠7 】。 ( 2 ) 三角波比较方式 三角波比较方式( t r i a l l 舀ew a v ec o n t r 0 1 ) 是最简单的一种控制方法。通过将检 测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到的矩 形脉冲作为逆变器各开关元件的开通与关断信号，从而在逆变器输出端获得所需 的波形。该方法的优点是动态响应好，开关频率固定，实现电路简单，缺点是输 出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应 用中受到限带0 【7 j 。 2 3 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文( h i r o 鼬l i a k a 昏) 提出， 9 此后该理论经不断研究逐渐完善。根据文献【9 ，一f 面要介绍的是以瞬时硐功电流l ， 和瞬时无功电流f 。为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为p 。、巳和i 。、i 。为分析 问题方便，把它们变换到6 【一p 两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到 。【、夕两相瞬时电压p 。、和仅、两相瞬时电流f 。、略。 讣引 汜8 ， 肾z 刚 眩” 式中舒历墨兹 或 可以根据( 2 8 ) 式和( 2 9 ) 式引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有 式中 c 加= ( 2 1 0 ) 三；甜社朋嘲 眩， 矿 印l 。可得 一e a 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 定义仅、相的瞬时无功电流i 叼、锄( 瞬时有功电流i 印、锄) 分别为三相 电路瞬时无功电流f ，( 瞬时有功电流f p ) 在仅、p 轴上的投影，即 驴o s 纯2 。南p z 印刮pc o s 纯2 ： 2 j 口。j 呼了p e8 e 8 一芦m 织。吉z j p2 万磊p 铲i n 舻詈铲蠢g z 钾刮口s l n 敛2 2 口2j 了g ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 哆 + 一 k k = i l p g ，j【 22 弦 一 p + 弦 巳 一 t p 巳 + + k以巳 托 一。 k 办_， = i | p g ，【 铲巾s 依。孚卜焘g ( 2 1 6 ) 定义三相电路各相的瞬时无功电流f 凹、i 印( 瞬时有功电流印、k 、f 印) 是a 、两相瞬时无功电流f 脚、f 内( 瞬时有功电流i 印、i 助) 通过两相到三相变 换所得到的结果。即 阱捌 阱韪 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中 c ：，= c 互 定义口、6 、c 各相的瞬时无功功率g n 、g 。、g 。( 瞬时有功功率儿、p 。、p 。) 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积，即 儿= p 。i 。， ( 2 1 9 ) p b = p 6 f 幻 ( 2 2 0 ) p 。= e 。乙 ( 2 2 1 ) g 。= e 。f 。 ( 2 2 2 ) 9 6 = ( 2 2 3 ) g 。= e 。i 。 ( 2 2 4 ) 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义 的，他们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概 念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和 任何过渡过程的情况。 2 4 三相电路谐波电流、无功电流和负序电流的实时检测 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，用ng 法或f ，、i 。法得出三相电路谐 波和无功电流。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1 6 周期。可见，该方法具有很好的实 时性【2 】o ( 1 ) 队g 运算方法 1 1 郑州大学工学硕士论文 因为ng 运算方法有三相电源电压参与计算，因此当电源电压出现畸变时， 不论三相电压、电流是否对称，ng 运算方式的检测结果都有误差。这里不再对 这种算法进行详细的分析。只给出它的算法原理图，如图2 5 所示 图2 5p ，g 运算方法原理图 f i g 2 5p 血c 枇6 9 u m o fp ，g 叩e m t i o nm e l o d ( 2 ) f ，、f 。运算方法 该方法的原理图如图2 6 。图中c 的式子如式( 2 2 5 ) 。该方法中，需用到与a 相 电网电压岛同相位的正弦信号s i n 缈f 和对应的余弦信号一c o s 缈f ，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。当要检测谐波、无功和负序电流时只需 断开图2 6 中的f 。通道即可。而如果要检测无功电流，则只要对f 叮进行反变换即可。 ( 1 ) 对称三相电路电流检测情况 a 电网电压波形无畸变时的检测结果分析 c ：i8 1 蚴弋0 8 引l ( 2 2 5 )c = l( 2 2 5 ) l c o s 缈f s m 国fl 图2 6 i j p ，f 口运算方法原理图 f i g 2 6p r i n c i p l ep i c n l r eo ff 口，i g o p e r a t i o nm e t h o d 按i p 、f 。运算方式过程如下： 二掰信隧季 c o s ( 1 千九如f 干妒。 。s i n 【( 1 一n 】) f 一妒。 i p 、i 。经低通滤波器( ”f ) 得 阡压 篡黧； 再由图2 6 求得式( 2 2 8 ) ： 悱 l0 1压 22 1 一压 22 西ls i n ( 国f + 仍) 西。s i n ( 国f 一孥蝴) j 旭咖( 等+ 仍) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 可见，f ，、f 。运算方法准确地算出了0 、i d ，从而准确地算出如、乙。 b 电网电压波形畸变时的检测分析结果分析。 从图2 6 可以看到，按f 。、f 。运算方式检测时，由于只取s i n 国f 、一c o s 缈f 参与 运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的 影响，检测结果是准确的。 ( 2 ) 不对称三相电路电流检测情况 a 三相三线制，电网电压对称情况 利用对称分量法，可以把f 。、oi ，分解为正序分量和负序分量组。设电网电压 角频率为缈，且a 相电压初相角为零。于是i 。、i ，可表示为式( 2 2 9 ) ，将它们变 换到a 、两相可得式( 2 3 0 ) ，由式( 2 2 6 ) 和式( 2 3 0 ) 可得式( 2 3 1 ) ，它们的直 训 蚴 口 咖 | | 卜h一 ， - _ 。p扛耐 1j 一0一 l 1j f r 缈 彩吣m c s 一 一 玎 缈 覆 s 衄 伽 。l 郑州大学工学硕士论文 流分量如式( 2 3 2 ) 所示，由式( 2 3 2 ) 可见，i 、i 是由i 。、小i 。的基波正序分 量产生的。将它们反变换即可得出式( 2 3 3 ) 。由上述推导可知，正确地检测出了基 波正序电流分量，进而可正确地检测出谐波和基波负序电流之和如、屯。 f 。= 2 【l 。s i n ( 聆国f + 仍。) + j 2 。s i n ( ，l f + 妒2 。) 】 屯= i 【j 1 。s i n ( n f + 铣。一1 2 0 。) + ，2 。s i n ( 咒缈f + 缈2 。+ 1 2 0 。) 】 ( 2 2 9 ) n = l f 。= 2 j l 。s i n ( ，l 缈f + 仍。+ 1 2 0 。) + ，2 。s i n ( 刀国f + 妒2 。一1 2 0 。) 计 计 3 【厶。s i n ( ，l 彩f + 仍。) + ，2 。s i n ( ，z 国f + 仍。) 】 n = l ；卜j l 。c o s ( 玎缈f + 仍。) + j 2 。c o s ( ，z 缈f + 仍。) 压c o s 【( 以一1 ) 缈f + 仍。卜3 ，：。c o s ( ，z + 1 ) 缈h 缈：。】 n = l n = l 一石 ，。s i n 【( 玎一1 ) 国h 仍。】一；，：。s i n ( ，z + 1 ) 缈f + 仍。】 届l ，s i n ( 国h 毗) 刊扛l ，s i n ( 一等饥) 旭s i n ( 等慨) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) b 三相三线制，三相电压不对称时 三相电网电压不对称时，电压中将包含负序分量和零序分量。由p l l 及正余弦 发生电路得到的正余弦信号相位是由p 。确定的。其中，正弦信号与p 。同相即与p 。的 正序分量、负序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信号s i n 纠应与p 。正序分量 同相。这样，实际的正弦信号与期望的正弦信号之间就有相位差。设此相位差为口， 实际的正余弦信号分别为s i n ( 国f + 秒) 和一c o s ( 缈f + 矽) 。在此情况下，f 。、i 。为 端 ， 一 矗 = 一0一0 1，j 盯 d 6 c i 。l f p s i n ( 国f + 口) 一c o s ( 缈f + 口) ll 屯i f gi 【一c o s ( 缈f + 9 )一s i n ( 缈f + 秒) jl j 压 j l 。c 。s ( 咒一1 ) 国f + 仍。一臼】一石，：。c o s ( 胛+ 1 ) 缈f + 仍。+ 9 】 n = lh = l 一压 _ ，。s i l l ( 心一1 ) 缈h 一口】一压，：。s 胛+ 1 ) 国f + 仍。+ 刎 ( 2 3 4 ) 它们的直流分量为 阡啪盘： 眨3 5 ， 由此算出 扛l ，s i n ( 缈f + 饶，) - | 历l ，s i n ( 一等嘞) 西s i n ( 等嘶) ( 2 3 6 ) 可见，因电压不对称引起的正余弦信号相位偏差不影响最终检测结果的准确性。 c 三相四线制 三相四线制电路中，f 。、t 包含零序分量，它们所含零序分量相等，且为 乇2 譬产 ( 2 3 7 ) 将此零序分量从各电流中剔除，即令 f f 。= f 。一乇 屯= 屯一毛 ( 2 3 8 ) 【 f 。= t f 。 则f 。、屯、f 。中含正序分量和负序分量，可以用式( 2 2 9 ) 表示。这样，对l 、o f 。检测得到的基波正序分量仍如式( 2 3 6 ) 所示。将此基波正序电流分量与f 。、屯、f 。 相减，就可以得出包含谐波、基波负序、零序在内的最终检测结果。 2 5 直流侧电容电压控制方法 对宜流侧电压进行控制的传统方法是为直流侧的电容再提供一个单独的直流 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 流侧电容电压的目的。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。况且，直流侧电容电压的控制只需通过对主电路进 郑州大学工学硕士论文 行适当的控制即可实现，在这种情况下，传统方法更没有存在的必要。事实上， 现在已经不采用这一方法。 对直流侧电压u ，的控制是由图2 7 中的p i ( p r o p o n i o n a l 、i n t e 铲a l ，比例、积 分) 控制器实现的。图中u ，是u ，的给定值，u 一是u 。的反馈值，两者之差经p i 调节器后得到调节信号，它叠加到瞬时有功电流的直流分量f p 上，经运算在指 令信号中包含一定的基波有功电流，补偿电流发生电路根据以产生补偿电流注入 电网，使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使 有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将u 。调节至给定值嘲。 图2 7 包括直流侧电压控制环节的f p ，i 口运算方法原理图 f i g 2 7p 血c i p l ep i c t u r ef o ri p ，o p e r a t i o nm e t h o di n c l u d i n gd cv o l t a g ec o n 仃o l 2 6 小结 本章介绍了有源电力滤波器的补偿原理及其分类。对其各组成部分的功能和 原理也作了分析。详细阐述了三相电路瞬时无功功率理论的定义和运用该理论的 算法原理。最后介绍了用于控制直流侧电容电压的p i 控制。 3 并联型有源电力滤波器硬件电路设计 本章将简单介绍d s p 芯片的选择。深入研究了基于该系列d s p 的并联型有源 电力滤波器硬件电路设计，包括主电路、控制电路和模拟量采集电路。 3 1d s p 芯片的选择 d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。不同的应用场合和目的， 对d s p 芯片的选择可能是不同的。一般来说，选择d s p 芯片时应综合考虑运算速 度、运算精度、硬件资源、功耗、开发工具、价格和生命周期等弘j 。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列是美国1 i 公司推出的最佳测控应用的定点d s p 芯片，其 主流产品分为四个系列c 2 0 x 、c 2 4 x 、c 2 7 x 、c 2 8 x 。其中c 2 8 x 系列是t i 公司最 新推出的d s p 芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的3 2 位定点d s p 芯 片。它既具有数字信号处理的能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功 能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技 术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等。 本研究采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片。 3 2 并联型有源电力滤波器主电路设计 3 2 1 主电路拓扑结构 主电路拓扑结构如图3 1 所示，由智能功率模块( i n t e l l i g e mp o w e rm o d u l e ， i p m ) 、直流侧电容和输出电感组成。 i _ j e - je j e 7 y 、m 7 y 、m ，y 、_ n 输出电感 _ j 匕- j e_ j k 事 图3 1 主电路拓扑结构图 f i g 3 1t o p 0 1 0 9 yo fm a i nc i r c u i t 一1 7 直流侧电容 郑州大学工学硕上