（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器谐波电流预测与控制方法研究.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a l a n dp o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t se x t e n s i v eu s i n g ， n o n 一1 i n e a rl o a d si ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m l a r g e l yi n c r e a s e d t h eg r i ds 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 y h a sb e c o m ew o r s ea n dw o r s e u s i n gt h ea p ft os u p p r e s st h eh a r m o n i ca n d c 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 yt or e s o l v i n gt h eh a r m o n i c c 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 oc o n v e n t i o n a lp a s s i v e l c - f i l t e r ，a p fh 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 tw a v es h a p e a n dd y n a m i cp e r f b r m a n c e f i r s t l y ，t h ep a p e rb r i e f l yp r e s e n t st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt r e n d s o f a c t i v ep o w e rf i l t e r a f t e ri n t r o d u c t i o nt h eb a s i cs t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f a p f ，i tm a k e sc o m p a r i s o na m o n gs o m ec o n v e n t i o n a lh a r m o n i c sd e t e c t i o n s a n dc u r r e n te o n t r o lm e t h o d s b a s e do nt h ei d e am e n t i o n e da b o v e ，t h e i n f l u e n c eo ft i m ed e l a yi n h e r e n ti nt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e m o nt h e c o m p e n s a t i o ne f f e c to fa p fi sa n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t os o l v et h ed r a w b a c k so ft i m ed e l a yi n h e r e n ti nt h ed i g i t a l c o n t r 0 1 s y s t e m o nt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to fa p f ，h a r m o n i cp r e d i c t i o n a l g o r i t h m sb a s e do na d a p t i v ep r e d i c t i v ef i l t e ra n da n nf o ra c t i v ep o w e r f i l t e rw e r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r i n p r e d i c t i o na l g o r i t h m sb a s e do n a d a p t i v e f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e( f i r )p r e d i c t i v ef i l t e r ，t h e1 e a s tm e a n s q u a r ea l g o r i t h mi s u s e dt o p r e d i c tt h es i g n a l st o b e d e t e c t e d ， a n d c o m p e n s a t e dt h eh a r m o n i cc u r r e n t sa c c o r d i n gt h et r a c i n ga n dp r e d i c t i n go f t h eh a r m o n i cc u r r e n t s t h isa l g o r i t h mi ss i m p l ea n de a s yt oc o m et r u ew i t h d i g i t a l c o n t r o l l e r a st ot h es e c o n d m e t h o d ，b y m e a n so fd y n a m i c i d e n t i f i c a t i o no fa p fs y s t e m ，t r a i n i n go f fl i n ea n dm o d i f y i n go nl i n e ，t h e a n nm o d e lo fs y s t e mi sa c q u i r e d c o n s i d e r i n gt h er o b u s t n e s so fp r e d i c t i v e c o n t r o l ，t h e n ，一a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) b a s e dp r e d i c t i v ec o n t r o lf o r a p fi sa c h i e v e d i no r d e rt om a k et h er b fn e t w o r km u c hs i m p l e ra n d t i g h t e r ， a n a d a p t i v el e a r n i n ga l g o r i t h mt h a ta d j u s t e d t h es t r u c t u r ea n d p a r a m e t e r so ft h en e t w o r kd y n a m i c a l l yi sp r o p o s e d f i n a l l y ，t ov a l i d a t et h ev a l i d i t yo ft h ea l g o r i t h m ， i t g i v e sh a r m o n i c r a t i o s d a t u mb ym e a n so fm a t hm o d e l a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n s i m u l a t i o n i l t e s tw i t hv a r i a b l en o n l i n e a rl o a di s i m p l e m e n t e d t h er e s u l t so b t a l n e d s h o wt h a t ， c o m p a r e dw i t h t h ep o p u l a rn o n f o r e c a s t i n gc o n t r o lm e t h o d ， p r o p o s e dp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o d sh a v ep r e f e r a b led y n a m i cr e s p o n s e sa n d c o n t r o l l i n gp r e c i s i o ni nb o t hs t e a d y s t a t ea n dt r a n s i e n to p e r a t i o n s ，a n dt h e v a l i d i t yt oa l l e v i a t et h ed e t r i m e n t a li n f l u e n c eo ft i m ed e l a yi n h e r e n ti nt h e d i g i t a lc o n t r o ls y s t e mo nt h ec o m p e n s a t i o ne f f e e to fa p f 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 cp r e d i c t i o n ；f i rf i l i e r ；l m s a l g o r i t h m ；n e u r a ln e t w o r k s ；p r e d i c t i v ec o n t r o l i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：店後专 日期： 哆年j ，月u 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：鹰後壹 日期：彳年f 月日 导师签名锲铆托吼。尹年岁月i 玉日 第一章绪论 近年来，随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种 电力电子装置如逆变器、整流器及备种开关电源等大规模地应用使电能得到了更 加充分的利用。但其自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这 些高度非线性设备数量和额定容量的h 益增大使得电力系统谐波污染问题f l 益 严重，已成为了影响电能质量的公害。对电力系统的安全、经济运行造成极大的 影响；而另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求 越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越柬越重视。如何有效的治珲谐波， 将谐波控制在允许限值以内，是摆在科技工作者血前的具有重要现实意义的课 题。 1 1 谐波问题及现状 1 1 1 谐波的概念及来源 18 2 2 年，法国数学家傅立叶指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不 同频率正弦信号的和。国际电工( i e c ) 标准( i e c 5 5 5 2 ，l9 8 2 ) 定义谐波为： 谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的h 次分量。谐波次数h 定义为： 以 谐波频率和基波频牢之比表示的罄数。电气干丌电子工程师曲会标准( 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币弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的讵 弦分量，其频率为基波频牢的整数倍。由于谐波频率总是高于基波凼此，往往 又称为高次谐波。 电力系统中的各种电力和用电变流设备“及其它非线性负载是产生谐波的 主要原因1 。当正弦基波电压( 当电源阻抗为零阻抗时) 施加于非线性负荷时 负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设 施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸 变电压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。按照非线性元件的类型电力系统 谐波源主要可以分为两太类：含半导体非线性元件的谐波源含电弧和铁磁非 线性设备的谐波源。前者如各种整流设备_ 交流调压装置、变流设备、直流拖动 设备整流器、p w m 变频器、相控调制变流器以及现代工业设施为节能和控制用 的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯等照明设施和发电 机、变压器及铁碰谐振设备等。家用电气设各分属上述两类谐波源。虽然其容量 小，但数量很大，因此也是不- 】j 。忽视的谐波源。所有这些部位得电力系统的电压、 电流波彤发生畸变从而产生高次谐波。 1 ，1 2 谐波的危害 谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生有害的影响，严耍时会造成 设备的损坏电力系统事故卫1 。尤其是近年来电力电子设备的迅速增妊，谐波的危 害h 趋严重。高次谐波对公用电网和其他系统的危害主要有以下几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用 电设备的效率； ( 2 ) 谐波影响各种用电设备的正常上作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过 热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏； ( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪 表的计量不准确： ( 4 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，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i f 常工作； ( 5 ) 谐波会引起公用电刚中局部的并联谐振和申联谐振，从而使谐波放大， 这就使前几个方面的危害大大的增加，甚至引起严重事故。 1 1 3 谐波治理的意义 。 在大多数情况下，电网中的谐波成分i 可能不会对电网和电气设备构成严重 的威胁，但在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及联到该装置上的设备 的i 卜常运行，甚至会影l 响电力系统本身的安全稳定运行。如：广西苹果铝厂l9 9 6 年6 月幽谐波超标导致电容爆炸损坏高压i ：笑和住变压器，造成大面积停电； 湖南涟钢19 9 8 年7 月，因5 次谐波超标，导致豹南山2 2 0 k v 变电站停电16 小 时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动 致使京广线中断数小时。 谐波研究的意义首先是因为谐波的危害十分严重。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术 是未来科学技术发展的重要支柱。有人曾预言，电力电子连同运动控击0 和计算机 技术一起成为2 1 世纪最重要的阿大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污 染己成为阻碍电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电予领域的人员必颁对谐波 问题进行更有效的研究。有效地抑制渚波，可e 上推动电力电子技术的发展，同时， 电力电子技术的进步，也会促进使谐波抑制技术的提高。 谐波研究更可以上升到从治理环境污染、维护“绿色电网”的角度来认斟 。 对电力系统这个环境米说，无谐波就是“绿色”的主要标志之。在电力屯子技 术领域，要求实施“绿色电力电子封的呼声r 益高涨，目6 订，对地球的环境保护 己成为全人类的共识。对电力系统谐被污染的治理己成为电工学科技术所必须解 决的问题。 可见，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，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内， 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 的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的 理论和现实意义。 1 2 谐波治理的措施 日前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从产 生谐波的谐波源装置本身入手。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加 谐波抑制环节，己减少电网的谐波注 量在谐波源本身采取一些措旌能大大减 小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性吼及电力半导伴装置开关工作方式， 不可能完全消除电网谐波。所咀，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中 的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。下面分别简要介绍这两方面工作的现 状和发展。 1 2 1 谐波源的改造 电力电子装置是电力系统中最严重、晟突出的谐波源。近年米，随着电力电 子装置的大量应用，可控和不可控整流器在电力系统中的应用越束越普遍。这类 型整流器在带大电感( r l ) 负载时电流近似为方波。带大电容( r c ) 负载时电流为尖 脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为耳前电力系统中主要谐波源，也是目 前治理的重点。针对这一粪整流器减少谐波、提高功率因数的方法和措施，概括 起束主要有以下几种： ( 1 ) 多相整流技术 对于大功率相控整流器，一般是采用增加整流相数的方法，如采用十二及十 二以上相数整流方式。通过适当的控制多相整流能大大减少整流装置注入电网 的谐波电流，但由于相控整流的工作方式以及整流相的增加受到许多限制，因而 采用这种整流器的系统中不可避免地存在较大的谐波电流。 ( 2 ) 脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 栏流技术 采用脉宽调制p w m 技术进行整流，使得变流器的工作电流所含谐波的频率 较高、幅值小，从而容易滤除但功率器件需要是自关断器件，成本高不适合 大功率廊用。 ( 3 ) 功率刚数校正器( p o w c rf a c t o rc o r r e c t o r ，p f c ) 近年来，带电容滤波的二极营整流电路在家电、个人计算机、办公电子设备 中大量使用。这种电路的输出电压不可控，输入电流中含有大量谐波。一个解决 的方法是在整流桥和滤波电容之白j 增加一级校正功率因数的功率变换电路。目 前。单相有源功率因数校正技术己非常成熟，在功率丌_ 关电源、不忙j 断电源等方 面获得了广泛的应用旧1 3 。 1 2 2 谐波滤波与补偿 采用主动治理谐波源的方式，可有效限制喈波的产生，但由于谐波源的多样 性，望完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对电阿谐波进行有效的滤波 和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向。进行被动谐波治理措施主要有以下几 种： 传统的抑制谐波的方法是使用无源滤波器( p a s s i v ef i t e r ，p f ) 。p f 利用屯感、 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，同时还可以补偿无功功率1 。它具有结构简单、一次性投入低、运行 费用也低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难 以克服的缺点： ( 1 ) 只能对特定次数谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，凼此单调谐 滤波器只能消除特定次数的惜波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。安 装多条无源滤波器支路会使整个滤波装置的成本和体积增加； ( 2 ) 滤波器参数影响滤波性能。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，阻抗的变化犬大妨碍了滤波敛果。 l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定： ( 3 ) 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 情况随时改变对谐波电流的滤除赦果受电力系统阻抗的影响较大； ( 4 ) 可能与系统阻抗发生串并联喈振。对于特殊的谐波、或者系统阻抗和频 率变化时，有可能因与电源阻抗并跌谐振而产生“谐波放大现象”，使电路无法 正常工作。 由丁无源电力滤波器的上述缺点，使它很难满足现代电力系统的要求。七十 年代以来，人们川：始致力于有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 的研究， 以弥补无源电力滤波器存在的问题。a p f 的基本工作原理是将电删系统中所含 谐波电流( 电压) ：f ：测出来，并产生与其相反的补偿电流( 电压) ，以抵消输电线路 中的谐波电流( 电，一) 。与p f 相比，a p f 具有以下一些优点： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响： 4 ( 2 ) 不会与系统阻抗发生串并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果； ( 3 ) 原理上比f p 更为优越，用台装置就能完成各次谐波的治理； ( 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化； ( 5 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿； ( 6 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 随着大功率快速自关断器件的不断发展，谐波检测方法的不断完善，以及微 机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术己得到了极大的发 展，成为提高电能质量的最有效的工具 引。 1 3 国内外有源电力滤波器的发展现状及趋势 1 9 71 年，h s a s a k i 等首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理阳1 ，但 由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实 验室研究，未能在工业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大功率晶体管 p w 逆变器构成的有源滤波器n0 1 ，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源滤 波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想的 补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件 功率小、频率低，因而有源滤波器仍局限于实验研究。用有源滤波器对电力谐波 进行动态治理真正进入实用阶段还是在8 0 年代。各种新型电力半导体器件的相 继问世、p w m 技术的发展以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的 提出，都极大地促进了有源滤波技术的发展。 如今用于有源滤波的半导体电力变换装置一般是逆变器，包括电压型和电流 型两种。电压型有源滤波器可以采用多电压源逆变器串联的结构，便于扩大补偿 容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适合于构成大容量有源滤 波器。而电流型有源滤波器不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态性能好、 滤波精度高，但直流端电感损耗大。因此，现在普遍采用的是电压型逆变器。 有源电力滤波器包含三个关键技术：谐波检测技术、控制技术和功率器件制 造技术。因此，有源滤波器的研究主要是围绕这三个方面而展开的。国外以日本 和美国为代表，有源滤波器的研究已进入实用化阶段，但在理论和应用两方面还 存在许多问题，需进一步研究和解决。 1 3 1a p f 的拓扑结构研究 a p f 在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由补 偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕a f p 如何 适应大容量、高电压、低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波器的拓 扑结构来适应不同场合工程应用的需要。 根据有源滤波器和电网的连接方式，a f p 可以分为并联型和串联型两大类。 19 8 6 年a k a g ih 提出了并联a p f 单独使用方式3 ，它是最早期的有源滤波装置。 图1 1 单独使用的并联型a p f 这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本 高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的 要求，人们利用f p 的成本低的优点，提出了各种a p f 与p f 混合使用方式。l9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联型a p f 和并联p f 相结合的混合型a pf i 纠。 图1 ，2 并联型a p f 和并联p f 相结合的混合型a p f 该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较 小，且p f 能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以 功率开关器件的耐压等级并没有降低。19 9 0 年f u j i t ah 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案n 3 1 。 p f 图1 3a p f 与p f 串联后并联接入电网的混合型a p f 6 这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电 压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器， 所以不能利用p f 提供大容量的无功功率。利用无源元件l c 的串、并联谐振特性， 人们提出了注入式a f p 的结构吲。将l c 对基波串联谐振电路作为有源部分的 注入电路，能够大大降低a f p 承受的基波电压和容量，且可以利用无源元件提供 无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随着电力电 子技术的发展，全控型功率开关器件( 如可关断晶闸管g t o 和绝缘栅双极性晶体 管i g b t ) 的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双或多逆变器的 方向提出了各种a p f 的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1 9 9 4 年，a k a g ih 等提出一种将串联型a f p 和并联型a f p 进行混合的方式，也称为统一电能质量调 节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ，u p q c ) 6 1 。 图1 4 并联型a p f + 串联型a p f 的混合型a p f 这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由 于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点。 上述描述了并联型a p f 的发展现状，有源滤波器还有另外一大类一一串联型 a p f ，图1 5 为典型的串联a p f 拓扑结构7 1 。 图1 5 单独使用的串联a p f 串联型a f p 单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小 和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行 无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程 实用性受到限制。在串联型a f p 单独使用方式基础上发展出的串联型a f p 混合型 结构n 叩引，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点，限于篇幅本 文就不一一阐述了。 7 1 3 2 检测和控制理论的研究 根据矗p f 的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过检 测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率变换 电路。因此，检测和控制算法直接影响到a p p 的补偿精度和补偿速度，是a p f 的关键坏节。 通常a p f 需要实时补偿电网的谐波分量和无功电流( 如果需要补偿无功功 率) ，所以，对检测电路的快速性和准确性要求很高。但是这种检测任务和一般 的谐波分析不同，它只需将基波或有功分量与谐波分量分离即可。目前，研究谐 波检测方法的文献有很多。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，让谐波分量通过。这种方法存在难以设计、 误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而已很少使用。随着数 字化技术的发展，分别出现了基于频域分析的f f t 算法引、基于f r y z e 功率定 义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法心卜2 3 1 、基于瞬时 无功功率理论的检测方法心卜矧，这些谐波检测方法经过不断的改进，已经比较成 熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方法都有一定的 适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中。 有源滤波器通过检测获得参考信号后，a p f 的接下来的任务就是实时跟踪参 考信号了，这就要求对a p f 的控制有很好的快速性和准确性。从传统控制理论的 角度来看，参考信号获取是给定，p w m 逆变器是功率放大器，主电路中的无源部 分是执行机构，电网及负载是被控对象，控制要做的工作只是设计控制器来提高 控制系统的性能。文献 2 7 、 2 8 介绍的滞环控制方法以参考信号为基准，设计 一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际 补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。这种方法相当于在求取丌关 模式时引入了b a n g b a n g 控制算法，具有控制电路简单、响应速度快的优点，是 应用最广泛的电流跟踪控制方法之一。但这种方法存在开关频率不固定、稳态误 差不可消除的缺点。许多近期文献 2 9 、 3 0 提出各种措施，对这种方法有一些 改进。文献 3 l 卜 3 3 分别提出了几种不同拓扑结构a p f 的滑模变结构控制方法， 通过判别电流跟踪误差在切换曲面两侧中的哪一侧，直接选取相应的丌关模式， 控制率简单，系统响应迅速。而且由于滑动模具有不变性钔n 引，使得系统的鲁 棒性较强。但是，现有的a p f 滑模变结构控制中，均是以跟踪误差为0 构造切换 曲面，控制率中只定义了误差不为0 的情况。因此，该控制率类似于环宽为0 的滞环控制率，属于有差调节，即误差为o 时没有控制量产生，直到误差不为o 时控制器才会被激活。另外常见于相关文献报道的控制算法包括基于无差拍控制 方法日6 1 、线性电流控制方法阳7 l 、单周控制法以及近年来一些智能控制算法阳引9 。 这些算法的出现对于a f p 的发展起了很大的促进作用。 谐波电流检测和控制技术不仅仅作为a p f 的一部分发展，它已经成为谐波研 究的一个重要分支，是谐波分析和谐波标准制定等研究方向的基础。谐波测控的 快速性、准确性直接影响到有源电力滤波器的谐波治理的效果，因此对谐波电流 的测控技术提出了很高的要求。研究新的谐波测控方法，进一步减少测控中的延 时，提高补偿的精度与实时性，以适应现代电力系统的多变性，简化系统结构、 降低成本、提高可靠性，具有重要理论和实用意义。 1 4 本文主要研究内容 本论文对有源电力滤波器常用谐波检测和控制算法进行了总结，通过分析在 检测和控制过程产生的延时对其补偿性能的影响，提出了基于自适应滤波器的有 源电力滤波器谐波电流预测方法和基于r b f 神经网络的有源电力滤波器预测控 制方法，并通过仿真实验验证其有效性，最后对文章进行了总结。各章所进行的 主要工作如下： 第一章绪论部分论述了谐波的产生、危害以及谐波治理研究的意义，讨论了 各种谐波治理措施的适用环境及优劣，综述了有源电力滤波器的拓扑结构、检测 和控制理论的现状及其发展趋势。 第二章阐述了有源电力滤波器的基本原理，对三相系统中常用的基于瞬时无 功功率理论的谐波与无功电流检测方法( p g 检测法、f ，一乇检测法、及d 一垡检测 法) 进行讨论，分析它们的基本检测原理、特点及适用场合；接着介绍了电流跟 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， 并对它们的优缺点进行了分析。 第三章分别介绍了自适应滤波器预测算法和模型预测控制算法的基本概念、 基本定义、基本原理和基本性质，并对常用检测和控制过程中产生的延时对a p f 补偿性能的影响进行较为详细的分析，提出有效解决a p f 延时的措施一一将预测 方法应用于有源滤波器的谐波检测和控制之中。 第四章研究了基于自适应f ir 滤波器的有源电力滤波器谐波电流预测方法， 并通过仿真实验证明其解决延时的有效性。 第五章研究了基于r b f 神经网络的有源电力滤波器预测控制方法，并通过仿 真实验证明其解决延时的有效性。 第六章对全文进行了总结和展望。 9 第二章有源电力滤波器常用检测与控制方法 a p f 补偿电流的检测方法不同于一般电力系统中所使用的谐波测量方法。它 一般不需要分解出各次谐波分量，而只需要检测出除基波有功电流之外的总的高 次谐波和无功畸变电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电 流，为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供参考信号，是决定a p f 性能的 关键之一。 当检测出补偿电流信号以后，需要对a p f 的主电路进行控制，使其输出的补 偿电流能实时、准确地跟踪补偿电流信号，以达到理想的补偿效果。虽然a p f 控制仍属于开关变换器p w m 电流控制范畴，但与传统电压型p w m 逆变器的控制， 如变频调速器或p w m 整流器的应用相比较，由于a p f 中所需产生的补偿电流主要 是各高次谐波组成的畸变电流。所以a p f 及其电流控制器必须要有能力跟踪变化 很陡、即具有很高d i d t 值的补偿畸变电流信号。这对a p f 及其电流控制器的动 态性能提出了特殊的要求。为了取得理想的补偿特性，a p f 补偿电流的跟踪控制 方法的选择是十分重要的。 2 1 有源电力滤波器的基本结构及工作原理 图2 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图h0 1 。图中，e ，表 示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。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构成) 。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，因此有时也称之为谐波和无功电流检测 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，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w m 变流器。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，因此，有的文献中将其称为 逆变器。但它并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 侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态、也 工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。 l o 图2 1 有源电力滤波器的系统构成 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 流运算电路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，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，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t 的谐波分量也，将其反极性后作为补偿电流的指令信号e ，由补偿 电流发生电路产生的补偿电流t 即与负载电流中的谐波分量i ，。大小相等、方向相 反，因而两者互相抵消，使得电源电流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。上述原理可用如下的一组公式描述： = t + 之；屯= + 也；f c = 一t ；= t + c = 0 式中f ，为负载电流的基波分量 有源电力滤波器的优势总结如下： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都发生变化的谐波及无功功率进行补 偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大。 ( 4 ) 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j 下常发 挥补偿作用。 ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 6 ) 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。 ( 7 ) 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。 2 2 有源电力滤波器谐波检测常用方法 括p g 法、f ，一法、d g 法。 2 2 1 三相电路瞬时无功功率理论 行定义。下面将要介绍的是以瞬时有功电流f p 和瞬时无功电流为基础的理论体 巳、吃、巳和乞、。为分析方便，把它们变换到口一两相正交的坐标系上研 究。由下面的变换可以得到口、两相瞬时电压吃、和口、两相瞬时电流乞、 * 褂m ：豳 汜- ， 热铲历 三兹期 汜2 ， 在图2 2 所示的口一平面上，矢量、知和、绉分别可以合成为( 旋转) 式中，h 、i 叫为矢量e 、f 的模；织、仍分别为矢量e 、f 的幅角。 1 2 口 a b 图2 2 口一坐标系中的电压、电流矢量 三相瞬时有功功率为：p 2 i f i c o s ( 仍一纯) = h 。2 p ( 2 3 ) 2 巳z 4 + p 口2 p g = m i n ( 仍一纯) = = p f 三相瞬时无功功率为： e qe 8 l 口吻 2 e n l 8 一e 口l 口 三相瞬时有功电流为：= i f i c o s ( 仍一依) = 三相瞬时无功电流为：乞= i f l s i n ( 仍一纯) = e q l n + e 8 1 8 属蔼 e 口1 8 一e 8 i d 写成矩阵形式： ； = 乏乏 乏 = 乏 ： ： c 啕 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ： ( 2 8 ) 式中= 悟乏i 现在假定系统三相电压和电流均为正序基波正弦信号，设三相电压、电流分 刚乏i 豢斟豳 蠹黧芰 i i 1 j 0冶 ，l10j 勺吃 巳 。l p = 讣球兹 z 斟环兹 刮笨爱；斗廖一蠢2 j l 乏： ：主二；三；j 2 主& l c o s 缈t j 刮崖爱舟廖 兰2 ，一删糍= 粥m l 瞄矧 瞬时有功功率为：p = e f - 丢lc o s 缈 ( 2 13 ) 2 瞬时无功功率为：g = e 江已ls i n ( 一伊) ( 2 14 ) 二 令e = 已2 ，j = 厶2 分别为相电压和相电流的有效值，则有 p = 3 日c o s 缈，g = 3 日s i n ( 一缈) ( 2 1 5 ) 从上面可以看出，在系统三相电压和电流均为正序基波电压和电流时，按照 上面定义计算出的瞬时有功和无功与通常的三相有功和无功功率的有效值计算 结果一致。这里计算有功和无功功率都是在瞬时值的基础上定义的，因此称为瞬 时有功功率和瞬时无功功率。 2 2 2p g 检澳0 法 p g 检测方法的原理框图如图2 。3 所示。图中上标一l 表示矩阵的逆。 图2 3p g 检测方法的原理图 根据傅立叶级数分解原理和对称分量法，可将任意三相电流分解为各次谐波 ( 当，l = 1 时为基波) 的正序、负序和零序之和，对于三相三线制电路，不含零序电 流。设三相系统电压为正弦基波电压，三相电流中除含有基波j 下序电流外还存在 基波负序电流以及谐波电流。 由以上分析可知，在三相电流中只含有基波正序电流时，按照瞬时无功功率 计算出的p 和g 中只含有直流分量。下面分析三相电流含有基波负序电流时p 和 9 的计算结果。 1 4 ) ) 1 2，l 2 2ll e i 乜s i n 国f i 设三相电压为：i l = l 瓯s i n ( 耐一2 刀3 ) l _ 屯 ls i n ( 国f 一伊) 三相电流中的负序电流为：i 毛i - j 乞s i n ( 纠一缈一2 万3 ) l 【- f c j 【- 乞s i n ( f 一驴+ 2 万3 ) j 则对应的口一坐标系中的向量为： p = 讣戽兹兹幢篆毫小廖 之三 z 料邱静施蒜刻= 屉e 2 ) 瞬时有功功率为：p = p f _ 一已lc o s ( 2 缈f 一缈) ( 2 2 0 ) 瞬时无功功率为：g = e f = 丢ls i n ( 2 耐一缈) ( 2 2 1 ) 由此可以看出，三相负序电流和系统对称正弦基波电压产生的p 和g 为二次 谐波交流量。三相电流中含有谐波量时，由上面的分析过程，易知此时谐波电流 与系统电压产生的p 和g 为谐波交流量。 综上，在三相系统电压为正弦基波电压，三相电流中除含有基波正序电流外 还存在基波负序电流以及谐波电流的情况下，只有三相基波正序电流与系统电压 产生的p 和口为直流量； 三相基波负序电流和三相谐波电流与系统电压产生的p 和q 为谐波量。因 此，采用p g 法计算出的p 和g 可以用以下形式表示： 鞠 汜2 2 ， 其中芦、虿分别为有功功率和无功功率的直流分量，是由三相基波正序电流 与系统电压产生的； 多、牙分别为有功功率和无功功率的交流分量，三相基波 负序电流和三相谐波电流与系统电压产生的。 经低通滤波器( l f p ) 得p 、g 的直流分量芦、虿。电网电压波形无畸变时， 歹为基波有功电流与系统电压作用所产生，虿为基波无功电流与系统电压作用所 产生。于是，由矽、万即可计算出被检测电流、f 6 、t 的基波分量0 、磅、f q r 。 、j 6 7ll 2 2 ，l，l ， 8 91，l 2 2ll 小珏黜 2 3 ， 将0 、0 、0 与屯、相减，即可得到谐波分量乙、。 当有源电力滤波器同时用于抑制谐波和补偿无功时，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，只需断开图中计算g 的通道即可。这 时，由p 即可计算出被检测电流的基波有功分量o 、b 、o 。 阱枷 ( 2 2 4 ， p g 检测法要求三相电压对称且无畸变，当电网电压含有负序和谐波成分 时，经l p f 滤波得出的p 将由正序有功功率、负序有功功率和谐波功率构成，由 2 2 30 叫。检测法 f p 一乞检测法是从p g 检测法派生出来的一种基于瞬时无功功率理论的谐 波、无功和负序电流检测方法。与p g 法相比，f 。一之法不需要检测三相电压瞬 时值，只需与a 相电压同相位的j 下弦信号s i n 纠和对应的余弦信号一c o s 彩f 。因此， 当电压波形发生畸变时，只要三相电压对称，f 。一乞法也能准确地检测出补偿对 象的基波正序有功电流。 在三相电