（电力电子与电力传动专业论文）并联有源电力滤波器（apf）基于空间矢量的滞环控制.pdf

渐江人学颤 学位论文摘要 a b s t r a c t a st h em o s te f f e c t i v em e a n st oe l i m i n a t ec u r r e n t h a r m o n i c s ，a c t i v ep o w e r f i l e r ( a p f ) c a nc o m p e n s a t ed y n m n i c a l l yh a r m o n i c sw h o s e f r e q u e n c i e s a n d a m p l i t u d e s v a r y ；m o r e o v e r , i t sc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si si m m u n e t ot h e i m p e d a n c e v a r i a t i o n o f u t i l i t y t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i si sa b o u tt h es t u d yo nt h ec t t r r e n tt r a c kc o n t r o l s t r a t e g y o fa c t i v ep o w e rf i l e r t h ea u t h o rs t u d i e dt h e c h a r a c t e ro ft r a d i t i o n a l h y s t e r e s i s c o n t r o l s t r a t e g yb y t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a i m i n ga tp r e s e n tp r o b l e m s ，t h ea u t h o ra l s os t u d i e dt h eh y s t e r e s i sc o n t r o l s y s t e mb a s e d o n v o l t a g ev e c t o rc o n t r o la n d i t sc o r r e s p o n d i n gs c h e m e + i nc h a p t e ro n e ，t h eh a r m o n i cp r o b l e m sa n dt h ed e v e l o p m e n to fa c t i v e p o w e r f a c t o rf i l t e ra r ed i s c u s s e d i nc h a p t e rt w o ，d i f f e r e n tc u r r e n tt r a c kc o n t r o l s t r a t e g yo f a c t i v ep o w e rf i l e ra r e i n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d i n c h a p t e rt h r e e ，t h ed e s i g nc o n t r o ls y s t e ma n ds e l e c t i o no ft h em a i nc i r c u i t p a r a m e t e ro f a2 0 k v a s h u n t a p f a l es t u d i e d i n c h a p t e rf o u r , t h e t h e s i sd i s c u s s e st h e a d v a n t a g e o ft h e p r o p o s e dc o n t r o l s t r a t e g y , a n dt h ef e a s i b i l i t yo f w h i c hi sp r o v e db yt h es i m u l a t i o nu n d e rt h e h i g h p o w e r c o n d i t i o n i na d d i t i o n , as y s t e m d e s i g ni si n t r o d u c e d k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r h y s t e r e s i sc o n t r o l v o l t a g e v e c t o r 珏 浙江人学碗卜学位论殳第一市绪论 第一章绪论 由于半导体工艺的不断提高和各种新型器件的出现，电力电子装置的应用也 越来越广泛，它们的存在使电能得到了有效的利用，但其自身所具有的非线性也 使得电网的电流和电压发生畸变，给电网中其他设备的运行带来不利的影响。因 此，抑制电网中的谐波、提高装置的功率因数成为电力电子和电力系统等研究领 域所面临的一个重大课题。 1 1 谐波问题及有源电力滤波器的提出 电力系统的谐波问题，早在2 0 世纪2 0 年代就引起了人们的注意。当时在德 国，由于使用静止汞弧变流器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过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染不严重，没 有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公共电网 的谐波污染日趋严重，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。谐波对公共电网和其他系统的危害大致有以下几个 方面： 1 谐波使电网损耗增加 谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电 设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 2 谐波使电能利用率下降 谐波的存在使得电网中无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，这些 无功功率将在能量循环中产生无谓的损耗，从而使发电机、变压器及其他电气设 备容量和导线容量增加。 3 谐波使电网的可靠性下降 在电力系统中为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装设并 联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在 工频下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率 浙江人学坝卜学位论史第一章绪论 而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这 种谐振会使谐波电流放大几倍甚罕数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联 的电抗器形成很大的威胁，甚至引起严重事故。 4 谐波对电网上电气设备的f 二扰 谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波电流产生的脉动转矩会引起电机 的机械振动和噪声，这些将缩短电机的寿命，情况，m 重时甚至会损坏电机。电力 系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。 5 谐波对计算机通信系统、自动控制设备的干扰 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。 1 2 谐波抑制 目前解决谐波问题的思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这 对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生 谐波，且功率因数可控制为l ，如采用多重化技术、p w m 整流技术以及有源功 率因数校正技术等。这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置【，- 3 1 。 1 2 1 无源滤波器 针对谐波问题，传统方法是采用l c 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，起旁路谐波的作用。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。但这种方法有如下不足：它的 补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，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。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果 也不甚理想。 1 2 2 有源电力滤波器 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器f a c t i v ep o w e tf i l t e r 浙t i ：大学烦l 。学位论文第一章绪论 a p f ) 。有源滤波器是一种电力电予装置。这种滤波器能对频率和幅值都变 化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，既可以对一个喈波和 无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，冈而受到广泛的重视 1 4 - 2 7 1 。 1 3 有源滤波器的工作原理、分类和发展 1 3 1 有源滤波器的工作原理 以并联有源电力滤波器为例，有源电力滤波器的工作原理如图1 1 所示。 有源电力滤波器检测出负载电流f 。中的谐波电流屯，根据检测结果产生与i 大小相等而方向相反的补偿电流f ，从而使流入电网的电流i 。只含有基波分量 f ，a 实现有源电力滤波器的控制方案有许多种，但都与以下两个特征有关： ( a ) 如何能快速从畸变的电流中取得与补偿电流f ，相应的指令值f 。 ( b ) 变流装置如何依据指令值i ：，产生补偿电流f 。 系统 嘲1 1 并联型有源电力滤波器工作原理示意图 1 3 2 有源滤波器的分类 有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型、主电路结构和电源相数来进 行分类【2 0 。2 1 。按所使用的变流器类型可分为c s i ( 电流型) 和v s i ( 电压型) 结 构；按与负载连接的拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联混合使用型：根 据使用的场合电源相数来分可分为单相、三相三线和三相四线用有源电力滤波器 浙江人学顺l 学位论文第一章绪论 等。 有源电力滤波器的主电路有两种类型的变流器。即电流型p w m 变流器和电 压型p w m 变流器。它的作用是产生非正弦电流来补偿非线性负载的谐波电流。 电流型有源电力滤波器虽有较高的呵靠性，但却有较高的损耗并且在交流侧需要 连接数值较人的电感，在一般场合下使用的较少。电压型有源电力滤波器的主电 路在它的直流侧接有一容量较大的电容。装置轻便且特性较好，日酊主要使用的 是这种形式m ”。 按有源滤波器在系统中的连接方式可将其分成串联型、并联型和两者混合使 用的统一型等。图1 - 2 给出了有源电力滤波器的分类示意图，图中a p f 为有源 电力滤波器的英文缩写。 有 眶塑h + 陬丽丽 源 电 h 单独使用 力 蛔回l = 滤 u 并联混合型 波 l 串并联 l 器 1 混合型a p fj 图1 - 2 有源电力滤波器分类示意图 图1 - 3 给出了有源电力滤波器与供电系统和负载之间连线的原理示意图。 凸匮曲 匮盛匿 a ) 串联型有源电力滤波器b ) 并联型有源电力滤波器c ) 串联混台型有源电力滤波器 d ) 并联混合型有源电力滤波器 e ) 串并联混合滤波器f ) 直流用有源电力滤波器 图1 - 34 i 嘲形式有源电力滤波器与负载之间的连接原理图 在实际系统中，有许多非线性负载是连接在单相电源系统中的。一些不带零 筇章绪论 线的三相负载由三相电源供电。还有许多单相非线性负载，如计算机，家用电器 等，分枷在二相四线制系统巾。有源电力滤波器可以按使用的电源类型分单相和 三相( 二线或四线) 电源用有源电力滤波器。 蕾相有源电力滤波器通常有三种类型：串联型、并联型和串并联混合使用的。 通常使用电压型变流器为主电路来实现单相有源电力滤波器。三相三线结构的有 源电力滤波器是目前已研究最多的。种类型。大量的文献阐述了不同结构形式的 三相有源电力滤波器1 2 1 也刀，图1 3 所示的所有结构都可用来研究三线有源电力滤 波器。有源电力滤波器的主电路可采用电流型、电压型结构，对于容量较大的场 合，可采用多重化的主电路结构。 1 3 3 有源滤波器发展和现状 有源滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成【2 8 ，8 0 年代以来，由于大中 功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 控制技术的进步，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 3 1 、3 3 】，有源滤波器才得以迅速发展f 9 。 国外以日本为代表，有源电力滤波器已经步入大量实用化的阶段。随着容量 的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量 的方向发展。从1 9 9 3 年以来，同本已经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波器投入 实际使用，这些滤波器主要用于谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。随着有 源电力滤波器价格的下降，它的市场越来越大，早期有源电力滤波器的p w m 变 流器中的主开关功率器件都采用b j t 或g t o ，而现在电压型有源电力滤波器一 般都己经采用i g b t 模块，从而使有源电力滤波器的容量上y t 一到5 0 k v a 一 1 0 0 0 k v a 。 有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业 发达国家己得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产 厂家有日本名电舍公司、瑞士a b b 公司、法国梅兰日兰公司等。 浙江人学坝f 学位沧文第一章绪论 1 4 a p f 的控制技术 有关有源滤波器控制技术的研究主要是围绕以下几方面的要求展丌： ( a ) 减少a c 侧输入电流谐波畸变率，若有源滤波器除了补偿谐波外，也 补偿无功电流，则对功率冈数也有要求。 ( b ) 提高系统的动态响应能力，减少系统的动态响应时间。 ( c ) 降低系统的损耗，提高整个装置的效率。 ( d ) 提高直流侧电压利用率。 在这里我们提到的有源电力滤波器的控制技术，有滞环电流控制、j 角波比 较控制、基于空间矢量的滞环控制等。这些控制从各个侧面、各个角度提供了一 般形式控制方式。本质在于优化开关函数s ( 耐) ，使得满足依据指令值f = 产生 补偿电流i ，。下面分别加以介绍这些控制方式： ( 1 ) 滞环控制【1 0 , 2 1 】 其原理为：当实际反馈的电流与指令电流的误差超过滞环时开关进行切换， 使得误差向相反方向变化，这样误差的范围被限定在正负滞环宽度。其优点为： 误差的范围是确定的，系统鲁棒性好。 ( 2 ) 三角波控制m 0 4 】 其原理为：实际反馈的电流与指令电流的误差经过p i 调节后与三角波相减， 相减后的值过零时开关进行切换，使得误差向相反方向变化。这样误差的范围虽 然没有明确的限定，但合理选择p i 参数，可以使得实际反馈的电流与指令电流 的跟踪误差比较小，而且，p w m 脉冲的频率与三角波的频率一致，器件的开关 频率是恒定的。 ( 3 ) 基于空间矢量的滞环控制f 1 2 , 3 4 这种方法的特点是用一组滞环相间电流比较器和一组阶梯式相电流比较器 相结合，快速、正确的判定有源滤波器参考电压空问矢量所在区域，并由此决定 电压矢量并对有源滤波器实行滞环电流控制。其突出的优点是在参考电压空间矢 量变化极快且难以预测的情况下，仍能快速跟踪及确定其所在区域，从而可有效 的减少电流补偿误差，改善滤波器性能。 浙江人学坝l 学位论文第一章绪论 1 5 本论文主要内容和意义 本论文主要内容包括如下： 篼二章介绍了电力有源滤波器的滞环控制和基于电压矢量的滞环控制的原 理。并分析了在砖种控制下的开关频率的差异。 第三章介绍在传统滞环控制下有源滤波器的系统设计，并进行了实验验证。 第四章介绍了基于电压矢量的滞环控制下的系统设计，并通过仿真来验证其 在降低开关频率方面的优势。 本文介绍的基于电压矢量的滞环控制，与传统滞环控制相比，能有效降低有 源滤波器的丌关频率，提高系统效率。 第一章柯源i 也j 滤波器的控制方法 第二章有源电力滤波器的控制方法 2 1 滞环控制 2 1 1 滞环控制原理 本节讨论的内容基于主电路为三相四线的电压型变流器结构，如图2 1 所示。 图2 - 1 三相四线制电容中点式电压型变流器结构 如图2 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f ：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 制主电路的p w 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 o 的控制。 母圈毯 图2 - 2 滞环控制p w m 调制方式实现电流跟踪的原理图 如图2 3 中，开关元件s 和& 组成三相逆变器的a 相，电容c l 和c ，为储能 元件。u 。和“。：为相应电容上的电压。为了能使t 。j 下常跟踪指令电流，应使其电 压“。和“。：大于输入电压的峰值。如图2 - 3 ( a ) 所示，当电流乙 0 时，若s 关断， 墨导通，则电流流经s 使电容c ：放电，同时，由于“。大于输入电压的峰值，故 电流j 。增大( d i 。d t 0 ) 。对应于图2 - 4 中的，。，l 时间段。当电流增大到+ j 浙江人学顺”i 学位论文 第一章有源i 也力滤波器的控制疗法 时( 其中艺为指令电流，占为滞环宽度) ，在如前所述的滞环控制方式卜，使得 电路状态转换到图2 - 3 ( b ) ，即s 。关断，电流流经s 的反并二极管给电容c 充电， 同时电流f 。下降( 折。础 o ) 。对应于图2 - 4 中的r 。r ：时间段。 图2 - 3 电压型逆变器a 相工作过程图 衢汰i ；o 、勰一 7 i 够紧渺鬻 、髯i i ，7 i | | ；o 嗵 f n nn 几n r 1 广 _ ：j ，：i ：l。； ： f 1 门r 几厂 厂r 1 厂 7 一 图2 4 滞环控制p w m 调制器的工作状态 同样的道理可以分析屯 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 j 的范围内跟踪指令电流的变化。 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。 型鬯2 芝型型兰丝坚垒墨 笙三童立塑! ! 尘堡些登塑篓型查鲨 2 1 2 滞环控制下开关频率 我们下面以a 相为例，分析滞环控制下的丌关频率，设任意个开关周期， 中，占空比为d ，三。为交流侧电感值，假定。：。：三，：上。 由图2 3 分析，假定f 二和分别代表t 。在上升期间和下降期间的值。可知 当卜管s 一( d 4 ) 开通时，电流乙增加，处于上升期，如图2 - 3 ( a ) ( c ) 有： 厶鲁= + 争 而当上管墨( d 1 ) 开通时，电流如减小，处于下降期，如图2 3 ( b ) ( d ) 有： t 鲁= 一孚。由上两式化简可得到式( 2 】) 。 + 斗w 。城) 一钭毗川矧 q 1 ，我们以常见的非线性负载例如三相不控整流负载为例，如图2 5 所示，设，。 为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 4 ip ：堕f d 0 目2 - 5 三相不控整流负载交流侧a 相电流及基波分量 可以得到一个工频周期( 0 ，2 e r ) 内，a p f 的a 相指令电流为： j 0 ，t，t = = 盟西鳗卉 浙 工人学顺卜学位论史 第二章有源 u 力滤波器的择制方 去 一，“+ 2 4 3 1 j s i n 耐 ，d + 坐，。s i n 删 2 4 3 ，ds i n 耐 c 吾删c c 等 删 。，如图2 7 ( a ) f l f i 示。 b ) 当耐e ( 州2 ，石) 时，鲁= 弓笋硝。c 。s 耐 + 6 1 ，而f 。 和f 。均无越界，因此b = ( 1 , 0 ，0 ) 。根据图2 一1 3 可得到b 与j 。的所在区域的对 应关系列表于表2 2 ，可见根据曰可准确地知道f ，的越界情况，从而选择适当 的电压矢量进行控制。 表2 - 2 a i 。区域与b = ( b 。，b b , b 。) 的关系 f 区域 b = ( b 。，b b ，b 。)量化为电流矢量 l( 1 ，0 ，o ) f 。( 1 ) 2( 1 ，o ，一1 ) ( f c ( 1 ) + a i 。( 2 ) ) 1 2 3( 0 ，0 ，一1 )t ( 2 ) 4( o ，1 ，一1 ) ( f 。( 2 ) + a i 。( 3 ) ) 2 5( o ，l ，0 ) a i 。( 3 ) 6( l ，1 ，0 ) ( t ( 3 ) + a i 。( 4 ) ) 2 7( 一l ，0 ，0 ) a i c ( 4 ) 8( 一1 ，0 ，1 ) ( f 。( 4 ) + j 。0 ) ) 2 9( 0 ，0 ，1 ) a i 。( 5 ) 1 0( 0 ，一1 ，1 ) ( ( 5 ) + a i 。( 6 ) ) 2 1 l( 0 ，一1 ，0 ) a i 。( 6 ) 1 2( 1 ，1 ，0 ) ( a i 。( 6 ) + a i 。( 1 ) ) 2 浙江人学倾卜学位论文 第_ i 章有源电力滤波器的拄制方法 根据前面空问矢量的定义，同样我们根据a i 。越界情况，将( f 。，a i 。，a i 。) 组 成的空间矢量，等效为如图2 1 3 列出的f ，( n ) ，n = l 6 ，及其组合。例如图中 位于区域1 的f 。，因为判断其b = ( b 。，b b ，b 。) = ( 1 ，0 ，o ) ，则仅重视匕的越界情 况，a i 。和f 。均在误差范围内，因此，我们可以用f 。( 1 ) 来等效这个区域的。 这样得到的一个经过滞环d 区分出来的量化出的电流矢量，见表2 2 列出的结 粜。 因此，控制方程( 2 2 1 ) 工，皇竽：u + 一“( ) 可以简化为 a t 三，d a 西i s ( n ) = u + 一“( n ) ( 2 r 2 2 ) 经过本节讨论，我们可以明确得到f c 所处区域，并且在滞环4 的区分下， 被量化成a 移坐标轴的电流空间矢量。若进一步知道u + 在图2 - 1 1 中的哪一区域， 则可确定采用的电压矢量。下节给出u + 所在区域的判别方法。 内环相 电流比 较器 外环相 间电流 比较器 k = 一一4 ff 。 坑 一一4 ：如一己。l 一4fp 岛 s 口 | - 一4 。 ， 逻 逆 ：t 一乏l 一点fp 毋辑 变 器 7 l 一一威 开 s 6 驱 如= 。一艺。r * 厶 动 一疋l 。如 大 一 圭 电 越m ? = t ，k t b ? +刁( lil 。 s 。 路 一疋。岛 o = 一乙j f1 1 i。 r 一盈。疋7 图2 - 12a p f 电流控制新方法逻辑电路 浙江人学砸1 学位论义第二章有源电力滤波器的挖制方法 | 图2 - 1 3 a p f 电流空间矢最图 2 2 4u + 所在区域的判别方法 a 己厂所在区域根据图2 - 1 2 中外环相间电流滞环比较器的输出来判定的。 这3 个滞环比较器的输入量为相间电流误差，分别为o = 一j 二， 如。= i m l c b 。，o = k 一乇，其输出信号为s 。，s 。，s c q ，其滞环宽度 为2 a 2 ，大于内环相电流比较器的2 点，形成了图2 1 3 中的外六角形。当a i ，在 外六角形内部时，相应的3 个电流误差分量f a i 。，a i 。均在滞环内部， s 。= ( ，s ，s 。) 的值维持不变，当f 。越过外六角形后，必定有一个电流误 差分量0 ( 下标f ，- ，为臼，b ，c ) 已经越过了滞环宽度，此时s 。也发生相应变 化。 浙江人学颧l 学位论文 筇一帝竹源u 力滤波器的控制方法 表2 - 3u + 所在区域判别表 外环比较器输出s 8 对应的符号 u 所在区域 s 。 s su 二u ；cu ；o 11o+一i o1oi i o1l一+1 1 1 001i v 1ol 牟 一 v 1oo 判定u + 所在区域原理说明： ( a ) 先假定s 。的值与u 区域有对应关系( 如表2 3 ) 。 ( b ) 上述假定成立的情况下，由正确的u + 判别及b 信息可使f 。得到正确的 控制，迅速返回图2 1 3 的内六角形中。 ( c ) s 8 与实际u + 所在区域不符合表2 - 3 对应关系时，由表2 3 的s 。判别的 u 所在区域就有错误，选取的电压矢量“( ”) 也随之判错，从而f 。将得不到完全 的控制。 下面说明u ：( 下标f ，为d ，b ，c ) 符号判错时，相应的f 。会越出外三角形， 则可据此对u ；符号判别进行校正，再由校正的u ：符号得到正确的u + 所在区域。 以a b 相间电压和电流为例，( a ) 若s 。= 0 ( 此时，匕 疋，此时立即纠 正出u ：。为正( 由于a i 。 五，s o b 翻转为1 ，由表2 - 3 可知，此时已经正确判别 u 二 0 ) 。 浙1 人学坝l 学位论史 第一章有源电力滤波 的控制方泣 u ( a a 图2 - 1 4u 所在区域判别 ( b ) 同样，若s o b = 1 ，由表2 - 3 判定u 二 0 ，即认为u + 处于区域i 、v 、 之- 故选取的z ，( ”) 的n 为5 ，6 ，1 ，2 ，0 ，7 之一。但若实际的u 二 0 ，即 u 实际在区域l i 、i i i 、之一。则错选“( n ) 所对应的u + 一“( ”) 使得f 。减小( 见 图2 - 1 4 ( b ) ) ，直到k 也，此时，滞环翻转，s o b 翻转为0 ，自动纠错，判 定u 二 4 ) ，此时，a 相开关上管s 开通，下管s 。关断。使匕减少 浙江人学硕l 学位论文 第_ 二章有源i 乜力滤波器的控制方法 而后， 。直作用到a i 。 瓯到a i 。 占l 过程中( 上述过程即，j 。从1 ，2 ，1 2 中任一个区域到6 ，7 ，8 中任一 区域，又回到l ，2 ，1 2 中任一区域) ，仅当f ，处于区域l 到区域7 ，又回到区域 1 时，a 相开关开通关断开通一次，完成一次完成的开关周期。而在其他情况 下不是一个完整开关周期。例如，1 斗6 斗2 ，a 相开关函数s 。仅从l 变到0 ， 而在2 斗7 寸2 ，a 相开关函数s 。始终保持0 不变。详细情况见表2 - 5 。 从表2 - 5 中，可以看出f 。在传统滞环控制下，从滞环正边沿4 ，到负边沿 一d ，再到正边沿点时，完成一个完整的滞环周期。而在同一个滞环宽度下，基 于电压矢量的滞环控制下，当屯同样从从滞环正边沿4 ，到负边沿一5 1 ，再到 正边沿a 时，可看出，很多状态下，不能完成一个滞环周期。因此，基于电压矢 量的滞环控制下一相开关频率将小于传统滞环控制下a 相开关频率。 2 3 本章小节 本章分析了电力有源滤波器的两种电流跟踪控制方式，探讨了传统滞环控制 下开关频率六与滞环宽度d ，直流侧电压屹以及交流侧电感三，的关系。说明了 基于电压矢量控制下的滞环控制，在降低开关频率方面的优势。 浙江人学硕0 学位论文 第三章基于传统滞环拄制的系统改计 第三章基于传统滞环控制的系统设计 3 1 并联有源电力滤波器的系统结构 图3 1 为2 0 k v a 有源电力滤波器的系统框图，通过电流传感器检测非线性 负载i 。、i 。、屯。，绎电流信号调理后送入指令电流产生电路，指令电流产生模 块是以t i 公司的d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心建立的。 图3 - 1 并联有源滤波器系统框图 指令电流产生电路通过d a 将计算所得的要补偿的谐波和无功电流 0 一t 、0 送入电流跟踪控制电路。通过电流传感器检测有源滤波器主电路的电 流经信号调理后也送入电流跟踪控制电路，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的开关管，以控制主电路电流跟 随指令电流的变化。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指令电流发生电路，通过合理的控制以调节直流侧 浙江人学硕l j 学位论文 第三章基于传统滞邛控制的系统设讣 电压的稳定以及上、下电容电压的均衡。肩动、关断和保护模块按一定的时序控 制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。 3 2 主电路设计 3 2 1 补偿电流的计算 有源滤波器的容量s _ ，= 3 x e x j 。式中e 为电网相电压的有效值，j 。为补 偿电流的有效值。可见，有源电力滤波器的容量与补偿电流的大小有关，因而与 补偿对象的容量及补偿的目的有关。现装置的设计容量为2 0 k v a ，故 ，一：墅一2 0 x 1 0 3 3 0 3 a 3 e3 2 2 0 3 2 2 三，、占及z 参数设计 交流侧电感三，电流跟踪的滞环宽度占和开关频率工的选择并不是独立的。 由第二章对传统滞环控制分析，在有源滤波器的补偿对象( 三相不控整流负载为 例) 已确定的情况下，当啦d t 为有限值时，应满足实际电流能及时跟踪上指 令电流( 即满足公式( 2 7 ) ) 。由第二章公式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 。 最高开关频率：工。= 盎 最低联粹正。= 盎一生掣 平均联粹= 鼍一譬掣 其中：屹为直流侧电压，万为滞环宽度，e 。为交流侧单相电压峰值。三，为交 流侧电感。，。为被补偿三相不控整流负载直流侧电流。取滞环宽度占为3 爿，直 流侧电压8 0 0 v ，主电路电感l ，为2 m h ，得到最小开关频率，m 。为6 , 6 k h z ， 最高开关频率 。为1 6 7 k h z ，平均开关频率兀。为1 1 6 k h z 。 渐江夫学碱 学位论叟 第_ _ 二章基于传统滞环控制的系统设计 3 2 3i g b t 选取与驱动设计 ( 1 ) 1 g b t 选用 电力有源滤波器的直流侧工作电压为8 0 0 v ，满功率时电流为3 0 3 盖，数量玎- 关管选崩h g t g l 8 n 1 2 0 b n d 。萁额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为5 4 a 。内髯7 5 n s 的超快恢复二极管。其散热能力强。 ( 2 ) i g b t 的驱动设计 i g b t 的驱动这溺三菱公司的i g b t 驱动蕊片m 5 7 9 6 2 i 。，该芯片是专为n 沟道i g b t 模块设计的混合集成电路。可通过内部光耦实现控制输入与驱动输h 之间的隔离，并具有缀路傈护的功越。最高可驱渤1 4 0 0 v 2 0 0 a 的i g b t 模块。 图3 2 驻示了由m 5 7 9 6 2 l 构成静驱动电路图。国于m 5 7 9 6 2 l 的输入接口是与 t t l 信号兼容的，在本装置中，检测与控制板所用的电源为土1 5 v ，故设计中采 用快速三极管实现c m o s 电平与鞭l 电平的转换。 6 1 3 7 圈3 - 2 由m 5 7 9 6 2 缳或的i g b t 驱动电路 3 2 4i g b t 的缓冲及保护 ( 】) i g b t 是悫遮开关嚣 孛，开暹囊关叛瓣瓣在数卡数器凇左老，救集 电极电流的变化率酬撕很大。同时由于寄生电感的存在，会产生过冲电压 a v = l d i d t 。为了防止由于过冲电压而导致器件过压损坏，廒尽量减少寄生电 浙汀人学顺f 学位论文 第三章摧于传统滞环控制的系统j 5 汁 感三并合理减少集电极电流的变化率驯西。可以用i g b t 管的驱动电阻来调节管 子的开通和关断速度，从而调节别d t 的大小，最终达到调节过冲电雎大小的目 的。但集电极电流的驯d t 过小会使丌通和关断损耗增加，对i g b t ，r 关管的l ： 作不利。敝应增加适当的缓冲电路( s n u b b e r ) 以改变1 g b t 管的丌通和关断 轨迹。 下面简要介绍一下常用的缓冲电路的结构及特点，如下表3 1 。 表3 - 1 常用的缓冲电路结构和特点 吸收电路的结构组成特点 ( 1 ) r c 吸收电路( a ) 抑制关断过电压效果最好 j 智 ( b ) 当应用到大容量的i g b t 时，吸收电路的电阻值应该取 小，不然导致开通条件恶劣 一喜1 ( 2 ) 冲放电型的r c d 吸收电路( a ) 抑制关断过电压效果一般 l p ( b ) 相对r c 吸收电路，加了一个二极管，这样可以增加电 j 洛挚 阻值，而不会影响到开通条件 一： ( c ) 因为吸收电路的损耗较大，很少用于高频情况 j 皤凹t 吸收电蝴黼p = 半+ 孕 l ：主电路的寄生电感，i 。：i g b t 的集电极电流，c 。： 吸收电路的电容值，e d ：直流侧电压值，f ：开关频率 ( 3 ) 放电型的r c d 吸收电路( a ) 抑制关断过电压效果最小 一 j _ f ( b ) 吸收电路的损耗最小，适合于高频情况 f ，本一n 嘞吸收电路损酰p = 半 “、i由r 型￥。 e j d s p 内部a d 1 0 位精度) ，符合精度要求；( b ) 转换时间快；( c ) 内部有四个 通道，可以同时转换3 路指令电流信号。 d s p 与d a 的接口如图3 3 所示。 至电流跟踪 控制电路 v d d v d u r a c s i s b c s l s b v o u t b 1 v o u t c m a x 5 2 6 a o w r v r e f a bl d a c v r e f c d d o 0 7 a g n d v s s d g n d 3 a 2 a 1 a o d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 w r io p c 5 d 0 一d 7 d g n d 图3 - 3 d s p 与d a 的接口电路 3 3 第三章摹十传统滞环控制的系统设汁 通过d a 转换得到的量，再经过单极性到双极性的转换，得到三相指令电流 乇、疋，与通过采样实际电流，经过调理后的信号i 。、i ”i 。【，作滞环比 较，如图3 - 4 所示，将指令值i ：接在比较器的输入“+ ”段，实际电流信弓接在 比较器的输入“一”端，比较器的接i _ f 负1 5 v 双极性电源。比较器输出通过电 阻r ：，蜀反馈网络与输入“+ ”端连接。这样i 。与e 的比较形成一个滞环。滞 环宽度可以通过r ，、冠的阻值来调节。 一1 5 矿 图3 - 4 滞环比较器的硬件电路 3 4 实验装置及结果 3 4 1 实验装置简介 实验装置的主电路采用三相四线电容中点式拓扑的电压型变流器，非线性负 载采用工业中常用的三相不控整流桥带阻性负载。 实验装置分以下几块： ( 1 ) d s p 控制板，作用为检测非线性负载电流，计算其中的谐波和无功电 流成分，通过d a 送给电流跟踪电路作为参考指令电流。 ( 2 ) 电流跟踪控制及保护电路板，检测实际输出电流与参考指令电流作滞 环比较，得到p w m 信号。 ( 3 ) 驱动电路板。 ( 4 ) 辅助电源电路，预充电电路。 简要介绍一fd s p 控制板，为了实现最小系统的设计，本装置并未采用 浙江人学碗t 学位论文第= 章基于传统滞邛控制的系统世汁 t m s 3 2 0 f 2 4 0 的通用d e m o 板，而是将d s p 芯片与电流调理，以及外扩d 爿做 在同一块电路板中，这样设计有两个好处：( a ) 可以节约成本；( b ) 系统抗干扰能 力加强。 3 4 2 实验结果 当有源电力滤波器补偿不同大小的三相不控整流负载的谐波与无功电流时， 补偿电流与补偿后网侧电流波形如图3 5 ，图3 - 6 所示。其中实验的参数如下： 交流电网电压：2 3 0 v 5 0 h z ： 直流侧电压：8 0 0 v ： 滞环宽度：1 a ； 主开关管：1 g b th g t g l 8 n 1 2 0 b n d ： 交流侧电感： 2 m h ； 直流侧电容： 2 2 0 0 u f 9 0 0 v ( 4 个2 2 0 0 u f 4 5 0 v 电容两并两串用) ； 缓冲电路：r c d 放电型； 二极管：c t u 6 3 d r ： 电阻：6 6 7 f 2 6 w ： 电容：4 7 0 0 p f 。 当a p f 容量为1 3 k v a 时，非线性负载电流、补偿电流与补偿后网侧电流的 波形如图3 - 6 所示。未补偿前非线性负载电流的t h d 为2 8 0 ，补偿后网侧电 流的t h d 为8 。 ( 上) 负载电流么( 8 a m i v ) ( 中) i i i l & 流i = ( 8 a d i v ) ( f ) 补偿电流( 8 a d i v ) 图3 - 5a p f 容量为1 3 k v a 时a 相负载电流、补偿电流与网侧电流波形 3 5 浙江人学碳 学位论文 第一章皋于传统滞环控制的系统设计 当a p f 容量为4 8 k v a 时，非线性负载电流、补偿电流与补偿后网侧电流 的波形如图3 7 所示。末补偿前网侧电流的t h d 为2 8 ，补偿后网侧电流的t h d 为1 4 3 。 蒸嚣 骥 纛瓣豫蝴 ；k 。 j 溅豳勰 ( 上) 负载电流也( 3 2 a m i v ) ( 中) 网侧电流f 。( 3 2 a d i v ) ( 下) 补偿电流乙( 3 2 a d i v ) 图3 - 6 a p f 容量为4 8 k v a 时a 相负载电流、补偿电流与网侧电流波形 由上两图中，我们可以得知，随着功率的增加，补偿后产生的网侧电流尖刺 越大，网侧电流的t h d 降低。这个误差是由于负载电流突变时，电流上升率很 大，而a p f 补偿电流的跟踪能力有限造成的。 浙汀大学砸i 学位论文 第叫章基于电h 卒问矢量的滞环控制下的系统设t 第四章基于电压空间矢量滞环控制的系统 设计 4 1 两种控制方式的仿真比较 由第二章理论分析可知基于电压矢量的滞环控制与传统滞环控制相比较能 有效的降低a p f 的丌关频率，提高a p f 的效率。 下面我们采用p s p i c e 软件对两种控制方式作一些仿真分析。 仿真参数1 ：公共电网采用三相三线3 8 0 v 5 0 h z 。a c 侧电感l 。= l m h ，d c 侧电容c 。= 2 2 0 0 胪，直流侧电压吃= 8 0 0 v ，采用三相不控整流阻性负载，有 源滤波器容量为s 一= 2 0 k v a 。 。 ， 一一 。1 矿 一i _ l一一 j_ - i - l 一j 气 牝 一一 彬1 k + _ ， 代，k 一? ：_ 一 。 、 l 一_ ：l ， 一h_z 一 一1、州一 一_ 。-_ 9uc t a l c ) + u ( 1 a 1 ) ( 8 ) 补偿后a 相网侧电流波形 ( b ) a 相开关信号 图4 - 1基于电压矢量的滞环控制下补偿后a 相网侧电流波形和a 相开关信号 对于图4 1 ( a ) 为基于空间矢量的滞环控制方式下的网侧a 相电流波形， 其电流内环滞环宽度取最= 8 a ，外环滞环宽度文= 1 0 a ：( b ) 为a 相丌关信 号。用p s p i c e 分析出的网侧电流畸变率t h d = 6 4 。 图4 2 ( a ) 为传统滞环控制下的网侧a 相电流波形。其电流滞环宽度为 浙江人学颂l 学位论文 第四审基十f u 压卒问矢量的滞环j 卒制下的系统设计 j = 8 a 。( b ) 为a 相丌关信号。用p s p i c e 分析出的网侧电流畸变率为5 - 7 。 i ； 山址 _-。 _ _i z一凑 弋 一矿 舳 冬- l 、 一一 -_- k ， ： ：t ， 蓉 y。k r ： 一 一一 _。一一_ 拓1 嘶s 2 63 帖抽； 9uc j a le ) + u ( i a l ， ( a ) 补偿后a 相网侧电流波形 ( b ) a 相开关信号 图4 - 2 传统滞环控制下补偿后a 相网侧电流波形和a 相开关信号 由图4 1 和图4 2 我们可以得到：传统滞环控制下平均开关频率为 f h y s = 1 0 7 舡恐，而基于电压矢量的滞环控制下平均开关频率为厶。= 9 5 埘j 。因 此，开关频率下降了1 1 2 。 仿真参数2 ：公共电网采用三相三线3 8 0 v 5 0 h z 。a c 侧电感l ，= l m h ，d c 侧电容c 。= 2 2 0 0 , u f ，直流侧电压= 8 0 0 v ，采用三相不控整流阻性负载，有 源滤波器容量为s 。= 2 0 k v a 。 图4 3 为实际补偿电流和指令电流的误差a i 。= i 。一乇。的波形图。能反映 系统的电流跟踪能力。图4 3 ( a ) 为传统控制下屯的变化情况。此时，滞环宽 度为占= 8 爿，由图可看出，屯基本上在8 a 的滞环范围内，当在非线性负载电 流发生突变的情况下，其电流会出现较大尖刺。导致网侧电流波形发生畸变。图 4 3 ( b ) 为基于电压矢量的滞环控制下f 。的变化情况。此时，滞环宽度占。：8 爿， 疋= 1 0 a 。由图可看出，乞基本在1 0 a 的外环滞环范围内，当非线性负载发 生突变的情况下，形成的尖刺较小。 3 8 浙江大学顺f