（电机与电器专业论文）基于平均功率和rls自适应算法的并联型有源滤波器.pdf

a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n go fe l e c t r i c a l e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m o r e a n dm o r e e q u i p m e n t so ft h i sk i n da r eu s e di ne v e r yf i e l d ab i gp a r to ft h e s ee q u i p m e n t sh a st h e c h a r a c t e r so fn o n l i n e a ra n dt i m ev a r y i n g t r a n s i e n ti m p a c t , r e a c t i v ep o w e r , h i g ho r d e r h a r m o n i cw a v ea n du n b a l a n c et h r e e p h a s el o a dm a k em o r ed a m a g ei ne l e c t r i c a ln e t s oc o m p e n s a t i n gt h er e a c t i v ep o w e ra n dd e p r e s s i n gt h eh a r m o n i cw a v et or a i s et h e q u a l i t yo fp o w e rl i n eb e c o m e sv e r yi m p o r t a n t c o m p a r e dw i t hp a s s i v ep o w e rf i l t e r ( p p f ) ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a v v ) h a st h eh i g h e rc o n t r o l l a b l ea n df a s t e rr e s p o n s e a p _ f c a nt r a c ka n dc o m p e n s a t ee v e r yf r e q u e n c yh a r m o n i cw a v e , g e n e r a t et h er e a c t i v ea n d h a r m o n i cw a v ep o w e rt h a tn e e d e df o rs y s t e ma u t o m a t i c a l l y t h e s ec h a r a c t e r sw i l ln o t e f f e c tb ys y s t e mc o n s i s ta n dw i l ln o tm a g n i f yh a r m o n yw a v e s h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e r $ a p di sg e t t i n gm o r ea p p l i c a t i o ni na p f r e c e n t l yr l sa l g o r i t h mi ns e l f - a d a p t i n ga l g o r i t h mg e t sm o r ea n dm o r e a p p l i c a t i o n r l sa l g o r i t h mi sv e r ys i m p l ea n dc o n v e r g e n c ef a s t b yu s i n gr l sf i l t e r , w ec a nf i l t e rn o i s ev e r ye a s y ，a d j u s tp a r a m e t e ra u t o m a t i c a l l ya n dp r o m o t et h e c h a r a c t e r so fi 幽f i l t e r ；f i n a l l yg e tt h es i g n a lw en e c d d e s i g n sas h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e ra n di t sr e f e r e n c ec u r r e n ti sab a l a n c e t h r e e - p h a s ea c d v ec u r r e n tw h i c hh a st h es a m ep h a s ew i t hv o l t a g es o a r c e t h e r ea r e t w op a r t si n c l u d i n gi nt h er e f e r e n c ec u r r e n tv a l u e o n ei st h ei n s t a n t a n e o u sa c t i v e r e f e r e n c ec u r r e n tw h i c he l e c t r i c a ls y s t e ms h o u l dg i v et ot h el o a db a s e do na v e r a g e p o w e r t h eo t h e rt h a tg i v e sb yt h ep ic o n t r o l l e ri st h ei n s t a n t a n e o u sa c t i v er e f e r e n c e c u r r e n tw h i c he l e c t r i c a ls y s t e ms h o u l dg i v et os a p ft om a i n t a i nt h ed c - l i n kv o l t a g e i n v a r i a b l e 髓ec o n t r o lo fs e c o n dp a r ti sf a m i l i a rt os l i d i n gm o d ec o n t r 0 1 c a l c o l a t i o n o ft h e s et w op a r t sc o n s i s ta v e r a g ep o w e r a l g o r i t h m c o n t r o l l e db yt h ep w mp u l s e w h i c hg e tb y c o m p a r i n gb e t w e e n t h er e f e r e n c ec o m p e n s a t ec u r r e n ta n dr e a l g e n e r a t i n gc u r r e n t ，t h ei n v e r t e rw o r k st om a k et h e r ei so n l ya c t i v ec u r r e n ti nt h e e l e c t r i c a ls y s t e m ，c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ra n dr e s t r a i nt h eh a r m o n i cc u r r e n t d ( l i n ea c t i v ep a r a m e t e r a a cw h i c hc a nr e m a i nd c - l i n kv o l t a g ei n v a r i a b l eg e tb y u s i n gr l s f d t e ro v e r c o m eh a r dt og e tp a r a m e t e r sa n dm u c ht i p p l ei nc o m p e n s a t i o n c u r r e n to fp ic o n t r 0 1 c o n s t r u c t i o no ft h i sk i n ds a p fi sv e r ys i m p l ea n dw i t h o u t p h a s el o c kl o o pd e v i c e t e s tr e s u l t so fs i m u l a t i o ng e tb ym a t i a bd e m o n s t r a t et h ea v a i l a b i l i t ya n d f c a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h i ss a p e k e yw o r d s ：a v e r a g ep o w e ra l g o r i t h m ；s a p f ；s y s t e ms i m u l a t i o n ；r i b s e l f - a d a p t i n g a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：弓巧翰 签字日期：年，月，易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定 特授权苤洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：油6 年 导师签名：1 毫釜了 签字日期：加巧年, e l ，z1 3 日 研他 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力有源滤波器研究的历史、现状和发展 1 1 1 电力有源滤波器研究的历史 随着社会电气化程度的不断提高，电网污染的综合治理成为一个必须考虑的 问题。研究和开发高效的谐波抑制技术，更有效地降低电网的谐波污染，改善电 能质量，提高电力系统稳定性，成为越来越追切的问题【1 7 l 。电力有源滤波器的 发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年b m b i r d 和j em a r s h 发表的 论文中，描述了通过向交流电网注入3 次谐波电流来减少电网电流中的谐波电 流，从而改善电网电流波形的新方法。在该文中虽然没有出现有源滤波器一词， 但是其思想却是有源滤波器基本思想的萌芽。 在7 0 年代日本学者提出了用磁补偿滤除谐波的方法，但送由于受到功率半 导体器件水平的限制，电力有源滤波器未能进人实用化阶段 1 9 8 3 年日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功功率理论，进而在电力有源 滤波器中得到成功的应用，使电力有源滤波器的研制迈上了新的台阶。 1 9 8 7 年t a k e d a m 等人提出并联型电力有源滤波器与并联型无源滤波器组成 的电力混合有源滤波器。对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等 效谐波阻抗，它使无源和有源滤波器总的并联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而 使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果 的目的。此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时 产生的电压。对于电源电压中的畸变电压，有源滤波器被控制产生与其相同的谐 波补偿电压，以抑制电源电压畸变产生的谐波电流。由于有源滤波器不是直接对 谐波电流进行消除，而是起到提高无源滤波器滤波效果的目的，它所产生的补偿 电压中不含有基波电网电压，只含有谐波电压，故其功率容量很小，具有良好的 经济性，适于对大容量的谐波负载进行补偿。 1 9 8 8 年ez p e n g 提出用串联型电力有源滤波器与并联型无源滤波器组成混 合的有源电力滤波器l s j 。该混合滤波器具有很好的滤波性能，而且容量较小， 大部分谐波由成本较低的无源滤波器滤除，因此电力有源滤波器的容量可以很 小，装置的容量可以做得很大 1 9 9 0 年f u j i th 等人提出电力有源滤波器与无源滤波器串联后与电网并联【9 1 1 9 9 4 年赤木泰文等人提出串并联型混合有源电力滤波器1 1 0 l 。 第一章绪论 随着快速、大功率电力电子开关器件研制成功，基于瞬时无功理论的瞬时空 间矢量法的提出，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断发展，有源滤波 技术将得到更大的发展，在工业上得到了广泛的应用 电力有源滤波器作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、日 本等工业发达国家已经得到了日益广泛的应用。特别是在日本，电力有源滤波器 已经达到普及应用阶段i n - t 4 1 。在国内尚处于起步阶段，很多高校及冶金部自动化 院与华北电力试验研究所等单位都在积极开展该项技术的研究工作。 1 1 2 当代电力有源滤波器的研究现状 电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。 1 9 8 2 年日本研制出世界上第一台容量为8 0 0 k v a 的并联型有源滤波器并投入工 业应用，它采用的是g t o ( g a t e t u r n - o f f t h y r i s t o r ) 构成的电流源p w m 逆变器。 耳前，世界上电力有源滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电 气公司，德国西门子公司等。自1 9 8 1 年以来，仅在日本，已有5 0 0 多台电力有 源滤波器投人运行，容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。 对于容量小于2 m v a 的电力有源滤波器，开关器件一般采用i g b t ，而容量 大于5 m v a 的多采用g t o 及多重化技术对于大容量的电力电子装置，如果简 单地采用普通电路的主电路拓扑，则对所使用的电力电子器件在容量方面有比较 高的要求。由于电力电子器件随着容量的增大其所允许的开关频率却越来越低， 而较低的开关频率又直接影响有源电力滤波器的补偿效果，所以在将有源电力滤 波器用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾l 璩阍目前 工业现场中常采用多台小容量有源电力滤波器并联，尤其对一些具有电流源性质 的设备。有时还将电力有源滤波器与无源滤波器混合使用，充分发挥二者的优点 要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性，根本上需要电力有 源滤波器具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并 联技术等的限制，这势必便装置初始投资变大，并且大容量的有源电力补偿还将 带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约电力有源滤波器的动态补偿特性等问题。 因此目前国内外学者已经提出了许多性能优越的有源滤波器主电路拓扑结构，其 中各种性能优越的混合型补偿方案应运而生0 9 1 ，所以未来电力有源滤波器与无 源滤波器混合使用是电力有源滤波器拓扑结构的主要发展和研究方向 1 1 3 电力有源滤波器研究的发展方向 尽管许多学者对电力有源滤波器进行研究和改进，电力有源滤波器技术的应 第一章绪论 用也有了很大的发展，但仍存在着许多有待解决的问题，这同时也正是电力有源 滤波器的发展方向： ( 1 ) 器件容量的增大和开关频率的提高：为实现电流的快速控制，提高补 偿效果，开关频率是关键，要求器件以高频率工作。此外，应用多重化技术也能 提高器件的等效开关频率从经济的角度考虑，应使用高容量、大功率的器件， 但这与使用高频率产生矛盾，因为大容量受到频率的限制。如何从两者中找到一 个折中，获得最佳效果，是值得研究的问题。 ( 2 ) 降低装置的价格并使其多功能化：电力有源滤波器能消除高次谐波， 还能提高电力系统稳定性，抑制闪变和补偿无功，机多用最为经济，也符合电 力系统发展的需要例。然而电力有源滤波器造价较高，与无源滤波器在价格上 是不可比的。如何提高装置的性价比，是电力电子器件制造技术面临的问题。 ( 3 ) 降低损耗并提高系统可靠性：采用合理的开关频率，选择适当的吸收 回路，以提高装置的使用效率；采用过流、过压保护技术，故障诊断技术使系统 可靠工作。 总之，低损耗、低价格及大功率、高频率是电力有源滤波器的发展方向。 1 2 本课题研究的目的和主要内容 电力有源滤波器的控制有两个关键：一是补偿电流指令值的计算。即如何从 非线性负载电流中获得所要补偿的基波无功电流值和谐波电流值；二是补偿电流 的产生，就是对整流逆交桥的控制方法和整流逆变桥的拓扑结构的研究1 2 l l 。 如何获得补偿电流的指令值，以往已经有了一些算法，如基于瞬时无功功率 理论的p q 法、i t 法；傅立叶分解负载电流法。但是前者需要大量繁杂的。 矩阵运算，傅立叶分解负载电流法则需要两次大计算量的变换，这样会使计算量 和计算复杂性大大提高，降低了系统的实时性。本文所研究的电力有源滤波器， 主要在于提出了一种新的在三相系统中获得电网参考电流的计算方法。该算法计 算简单，反应速度快，实时性好。 所研究的基于平均功率和r l s 自适应算法的并联有源滤波器的参考电流是 一个同电网相电压同相位的三相平衡的有功电流，它包含两个分量：一个是由实 测的三相负载瞬时功率计算得到的，基于平均功率算法的电网应该为负载各相提 供的有功电流瞬时参考值；另一个是为了维持有源滤波器中逆交器的直流母线电 压基本恒定主要由r l s 滤波器计算得到的电网各相应该提供的有功电流瞬时参 考值两个分量的计算共同构成了该有源滤波器参考电流的访算补偿电流指令 值与实际补偿电流比较生成控制逆变桥工作的p w m 脉冲，生成补偿电流，达到 补偿负载无功和抑制谐波的目的。 第一章绪论 为了验证该算法的可行性和实时性，本文利用m a t l a b 构建了整个系统模 型。仿真结果表明该s a p f 具有可行性和实时性 1 3 基于自适应算法滤波器的介绍 最早入们根据生物能以各种有效的方式适应生存环境从而使生命力变强的 特性引伸出自适应这个概念。6 0 年代，美国b w i n d r o w 和h o f f 首先提出了主要 应用于随机信号处理的自适应滤波器算法，从而奠定自适应滤波器的发展。所谓 自适应滤波器。即利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻 的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最 优滤波【臻矧。 固定参数的数字滤波器利用自身的传输特性来抑制信号中的干扰成分，消除 干扰的效果受到很大的限制。而自适应滤波器，可以不必预先知道信号与噪声的 自相关函数，在滤波过程中，即使信号与噪声的自相关函数随时间缓慢变化，滤 波器也能自动适应，自动调节 自适应滤波器出现以后，发展很快。由于设计简单、性能最佳，自适应滤波 器是目前数字滤波器领域是活跃的分支，也是数字滤波器研究的热点【刎主要 自适应滤波器有：递推最小二乘( r l s ) 滤波器、最小均方差( u s ) 滤波器、 格型滤波器、无限冲激响应( 1 取) 滤波器。其中r l s 滤波器具有稳定的自适应 行为而且算法简单，收敛性能良好。 1 4 小结 本节主要介绍了电力有源滤波器发展的整个历程，现状以及未来的研究方 向。同时，根据电力有源滤波器研究的两个最关键的问题，指出了本文所研究的 目的，内容和成果。最后简要介绍了一下自适应滤波器起源和发展过程，以及该 滤波器的特点和优点。 第二章电力有源滤波器的基本构成和原理 第二章电力有源滤波器的基本原理和构成 2 1 无功和谐波电流的概念和危害 在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高 效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日 趋严重，影响了供电质量。目前谐波、电磁干扰和功率因数降低已并列为电力系 统的三大公害阁，因此了解无功电流和谐波电流产生的机理，对研究电力有源 滤波器有着非常重要的意义。 2 1 ：1 无功电流的定义和危害 假设在电网电路中，负载是线性的，电路中的电压和电流都是正弦波。设电 压表示为 一2 u s i n 耐 ( 2 1 ) 式中c ，电压有效值，单位v ； 角频率，单位r a d s 。 电流表示为 f , f 2 1 s i n ( o x 妒) 一c o s q ，s i n r o t 一西s i n 妒c o s t o t ( 2 2 ) 式中，电流有效值，单位a ； 妒一电流滞后电压的相角，单位r a d 。 根据式( 2 - 2 ) 定义电流的有功分量和无功分量分别为 i 。一2 f c o s 9 s i n 耐( 2 - 3 ) t 。- 一2 ls i n 妒c o s w t ( 2 - 4 ) 定义p 为电路的有功功率，也就是平均功率，单位v ， p 一去h i d ( w t ) - 去p 枷 o tj i 汹妒( 2 - 5 ) 定义q 为电路的无功功率，单位v a q u l s i n c p( 2 - 6 ) 定义s 为电路的视在功率，单位v a 第二章电力有源滤波器的基本构成和原理 s - 尸2 + q 2( 2 7 ) q 就是式( 2 - 5 ) 中媳被积函数的第2 项无功功率分量“乞的变化幅度“的 平均值为零，表示了其有能量交换而并不消耗功率，q 表示了这种能量交换的幅 度。 无功功率的增加，会导致在有功功率不变的情况下，视在功率的增加和系统 电流的增大，从而使得电气设备容量和导线容量的增加，相应的起动及控制设备 测量设备的规格也要增加。 无功功率的增加，使得总电流增大，因而使设备和线路的损耗增加。 无功功率的增加，使线路和设备的压降增大，使得线路的总电流增大，线路 的( 传输) 压降也将随之增大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可能导 致电网崩溃。 2 1 2 谐波电流的定义和危害 谐波是指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对于 周期为r 一2 , r t o 的非正弦电压“似) ，在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形 式的傅里叶级数 “( 叫) - a o + o 。s 月r a t + 坟s i n n t o t ) ( 2 。8 ) 式中 口a 。丢产( , 0 0 a ( o , 0 口a 。二j o “ q - 了“( a t ) c o s 删) b 。- 专蠹h ( w t ) s i n n o x d ( a , t ) 伽- 1 ，2 ，3 一 在式( 2 8 ) 中频率为l i t 的分量称为电压基波，频率为整数倍基波频率的 分量称为电压谐波，通常也称之为高次谐波嘲。 电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形，电网暂态变化诸如涌 流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴；谐波与不是工频整倍数 的次谐波( 频率低于工频基波频率的分量) 和分数谐波( 频率非基波频率整倍数 的分量) 有定义上的区别。谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于 非线性设备时，设各吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变， 第二章电力有源滤波器的基本构成和原理 由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐 波源。系统中的主要谐波源可分为两类： ( 1 ) 含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、 p m w 变频器等节能和控制用的电力电子设备。 ( 2 ) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器 及铁磁谐振设备等 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要是针 对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入7 0 年代后，随着 电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重， 从而引起世界各国的高度重视田】。各种国际学术组织如电气与电子工程师协会 ( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 相继各自制定 了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国国家 技术监督局于1 9 9 3 年颁布了国家标准g b t1 4 5 4 9 - 9 3 1 ) ( 2 ) 取得d 0 ) ，j 。0 ) ( 3 ) 更新增益矢量 p 0 ) s ( ，1 ) c _ ( n - 1 ) x ( n ) 第四章r l s 自适应算法在有源滤波器中的应用 删一紫 ( 4 ) 更新滤波器参量 o ) 。o 一1 ) 十乳o ) p o ) 一o ) o 一1 ) 】 ( 5 ) 更新逆矩阵 q o ) t a 4 q o 一1 ) 一g 。o ) o ) q o 一1 ) 4 3r l s 滤波器在并联型电力有源滤波器中的应用 控制直流侧电压的传统方法是为直流侧的电容再提供一个单独的矗流侧电 源，一般是通过一个二极管整流电路束实现。该方法虽然能达到控制直流侧电容 电压的目的，但需要另设一套电路，大大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。 电力有源滤波器的期望性能是，不管负载电流如何变化都能维持电网电流为 正弦波且与电网电压同相位对于电压型电力有源滤波器，位于直流侧的电容器 用来作为调节电压的能量储存元件。稳态时由电网提供的有功功率与负载需要的 有功功率相等，如果不考虑电力有源滤波器自身的损耗，就会没有有功功率通过 逆变器，直流母线电压将被维持在一个固定值。如果发生由负载变化引起的系统 暂态，直流端电容需要提供电网与负载之间的有功功率，这将导致直流母线电压 的波动。直流侧母线电压的平均值可提供有功功率的流动信息。直流侧母线电压 的平均值的变化能够反映出主电路与负载间有功功率的转换情况。 平均功率算法保证了在电网处于稳态时的指令电流的计算，而选用r l s 滤波 器计算得到维持直流母线电压恒定的各相直流侧有功系数t 。，间接得到了电网 各相应该提供的有功电流瞬时参考值，用以弥补有源滤波器自身工作损耗和当负 载交化时因提供电网与负载之间的有功功率差而导致的直流母线电压波动【“l 。这 样既维持直流母线电压恒定同时也滤除了纹波这类噪音。在电网负载发生暂态变 化时迅速跟踪电网电流，保证了电力有源滤波器工作的实时性图4 2 所示为应 用于直流母线电压控制中的r l s 滤波器的工作流程图。 ， 第四章r l s 自适应算法在有源滤波器中的应用 图4 2 应用于直流母线电压控制中的r l s 滤波器工作流程圈 图中输入信号表不为 屹u ) 。1 0 一吆( f ) ( 4 _ 3 1 4 ) 式中 直流侧母线电压参考值，单位v ； 吃( f ) 直流侧母线电压实测采样值，单位v 为了消除6 次纹波，期望信号d ( f ) 定义为 厂r 一 d 一土j 净吃p ) 圪。矽降3 5 ) 当在3 t 周期内a 吃( i ) 的平均值为负时，d ( f ) 取负值i l l s 算法的目标公式为 2 慨 亭。) 一套a “电2 0 ) ( 4 。3 6 ) 式中a = 0 9 8 即求出使亭0 ) 最小时的0 ) 权值矩阵。误差信e q ) 定义为 e ( f ) i d ( i ) 一y ( f ) i d o ) 一荟m 。) 吃( 一七+ 1 ) d o ) - a 吃( i ) o ) ( 4 - 3 7 ) 式中 吐k o ) _ m 0 ) ，_ o ) r 圪o ) 一【屹( f ) ，a v a 。( i 一所+ 1 ) f 这样计算得到的误差信号和下一次的输入信号一起应用r l s 算法，生成本次的 滤波器权值。这样周而复始，用已知的一组数据不断推出下面的最优自适应值。 也k ( n ) 的更新公式定义为 o ) 一0 - d + g ( o e 0 )p 3 8 ) 第四章r l s 自适应算法在有源滤波器中的应用 式中t o ) 为根据n 1 时刻的最佳加权和n 时刻输入数据对d o ) 之预测值，表示为 e ) - d ( n ) - a v , 。：( n ) o 一1 ) t 0 3 9 ) o ) 为权值的更新矩阵，表示为 譬。o ) - c 。扣- 1 ) a v b o ) + 如) ) ( 4 4 0 ) 式中用于更新以o ) 的矩阵计算方程，可以表示为 ，o ) = 圪：o ) q ( n - 1 ) a 0 ) ( 4 - 4 1 ) 巳o ) 一a 4 c _ 0 1 ) 一o ) 玩：0 ) q o 一1 ) 1 ( 4 4 2 ) 自适应滤波器的阶数设定为m 一3 阶，可以大大降低电路的计算量，不但使 电路具有对参数不敏感的性能，而且使系统具有非常快的动态响应：初始值令 o j ( o ) - 0 以及巳( o ) - 1 0 0 0 ，据此计算出如( 1 ) 。 这样为了维持直流侧母线电压恒定，瞬时需要的有功功率为 。( i ) 一詈【c 可+ ) ，( i ) ) 2 一y _ 2 】 ，( 4 4 3 ) 式中c w 直流母线电容值，单位f 。 所以最终定义各相直流侧有功系数缸，单位西门子s 缸圪 ，嘭( 4 - 4 4 ) 4 4 小结 本章介绍了为了维持并联型电力有源滤波器直流母线电压恒定，应用p u s 滤 波器计算得到维持直流母线电压恒定的各相直流侧有功系数包的过程 为了更好的理解4 。的推导过程，本章首先介绍了r l s 算法的原理和整体推 导过程。然后具体结合电力有源滤波器的实际应用，介绍了具体的r l s 滤波器 的应用和各相直流侧有功系数k 的计算公式。 第五章仿真实例和仿真结果分析 第五章仿真实例和仿真结果分析 本章详细介绍了应用m a t l a b 中的s i m u l i n k 对基于平均功率和r l s 自适 应算法的并联有源滤波器的仿真过程。描述了整个仿真实验中的思想和具体的仿 真过程、难点以及最终的仿真结果。整个仿真系统的搭建虽然复杂，但是分析起 来并不困难。仿真的结果证明了这种并联型电力有源滤波器的实时性和可行性， 为以后的设计提供了良好的经验和理论基础。 5 1 仿真软件m a i x a b 的简介和基本功能 5 1 1m a t l a b 的发展和基本构成 m a t i _ a b 的含义是矩阵实验室( m 讯d ( 母o i u 孤y ) ，取每一个英文单 词的前三个字母，即为m a t l a b 。m a t l a b 是当前国际上最流行的数学分析软 件，它除了传统的交互式编程外还提供了丰富的矩阵运算，图形绘制，数据处理， 图像处理，方便的w i n d o w s 编程等便利条件。它可靠的数值计算和符号计算功 能、简单易学的编程语言、磕大的图形功能以及为数众多的应用工具箱是区别于 其它科技应用软件的显著特点【4 ，j 。 m a t l a b 是由c l e v em o l e r 教授于1 9 8 0 首创，并于1 9 8 4 由m a t h w o r k s 公司 开始出版发行的著名数学计算软件。1 9 9 0 年m a t h w o r k s 公司为m a t a b 提供了 新的控制系统模型图形与仿真工具s i m u l i n k 。目前，s i m u l i n k 为用户提供了用方 框图形进行建模的图形接口，具有直观、方便、灵活的优点。当w i n d o w s 版本 引入图形仿真环境s i m u l i n k 后，m a t l a b 才发展到今天这样广泛的使用范围。 1 9 9 3 年m a t h w o r k s 公司从加拿大滑铁卢大学购得m a p l e 的使用权，以m a p l e 为 引擎开发了s y m b o l i cm a t ht o o l b o x1 0 。在1 9 9 8 年，m a t h w o r k s 又推出了电力系 统仿真的专用电力系统工具箱s i m p o w e r s y s t e m ，利用s i m p o w e r s y s t e m 与 s i m m c c h a n i c s 和s i m u l i n k 一起构造包括电、机械和控制等方面的电力系统结构 框图，并进行仿真，从而大大减少了编程工作量。m a t h w o r k s 公司于2 0 0 1 年推 出m a t l a b 6 0 版本，6 x 版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的 同时，出现了以下几个重要变化： ( 1 ) 开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了m a t l a b 进行实时 数据分析、处理和硬件开发的道路。 ( 2 ) 推出了符譬计算工具包。 第五章仿真实例和仿真结果分析 ( 3 ) 推出了n o t e b o o k 目前，m a t l a b 在国内外高校和研究部门正扮演着越来越重要的角色 m a t l a b 语言的功能也越来越强大，m a t l a bc o m p i l e r 将m a t l a b 语言编写 的m 文件自动转换成c 或c 年+ 文件，支持用户进行独立应用开发m a t l a b 是一种高性能的科学计算语言，它的函数和命令几乎实现c 或f o r t r a n 语言 的全部功能，即使用户不懂这两种高级语言也能开发出功能强大、界面友好、稳 定可靠的程序来，使用户避开大量的底层工作，以便集中精力进行课题的研究 综上所述，m a t l a b 有以下优点： ( 1 ) m a t l a b 具有界面友好、编程效率高、易学易用适于交流的特点 m a t i a b 的基本单位为矩阵，它的语法结构简单，数据类型单一，命令表达式 与数学、工程计算中常用的形式类似，这使m a t l a b 用户在短时间内就能很快 掌握其主要内容和基本操作。m a t l a b 语言以解释方式工作，编程贴近人的思 维特点，对每条语句进行解释后即运行，键入算式即得结果，无需编译，对错误 可立即做出反应，大大减少了编程和调试的工作。 ( 2 ) m a t l a b 具有强大的数值计算、作图和数据可视化功能。为了满足复 杂科学计算任务的需要，m a t i a b 汇集了大量常用的科学和工程计算算法。此 外，m a t l a b 具有灵活的二维与三维绘图功能，在程序的运行过程中，可以方 便地用图形、图像、动画等多媒体技术直接表述数值计算结果。 ( 3 ) m 蜘a b 具有极强的可扩展性。m a t l a b 软件包括m a t l a b 主程序 和日益增多的工具箱。工具箱是m a t l a b 用来解决各个领域特定问题的函数库， 它是开放式的，可以应用，也可以根据自己的需要进行修改和扩展。这些工具箱 的作者都是相关领域的顶级专家，从而确定了m a t l a b 的权威性。如今已有涉 及数学、自动控制、通信、信号处理、图像处理、模糊逻辑、神经网络、小波分 析、最优化、经济、地理等3 0 多个具有专门功能的m a t l a b 工具箱。各种工 具箱中的函数可以互相调用，也可以由用户更改。m a t i a b 支持用户对其函数 进行二次开发，用户的应用程序可以作为新的函数添加到研究分析和工程技术计 算的高性能交互式语言平台，它在一个简单易学的应用环境下集成了计算、可视 化和编程等强大功能，成为当代科学研究者和工程技术人员最为青睐的数值计算 平台 5 1 2m a t l a b 在电力系统中仿真研究中的应用 由于m a t i _ a b 具有良好的开放性，高效的数值分析性语言，电力科研工作 者和工程技术人员很早就开始应用它来进行电力系统有关问题的仿真分析和辅 助设计，s i m p o w e r s y s t e m 更是大大地增强了这一功能 第五章仿真实例和仿真结果分析 图5 1 所示为s i m p o w e r s y s t e m 在m a t l a b 中的基本模块。图5 1 中 s i m p o w e r s y s t e m 主要包括以下几类二级模块： ( 1 ) 电源库：( 可控的) 交、直流电压，电流源。 ( 2 ) 元件库：包括断路器、线性和饱和型变压器、互感器、并串联r i c 支 路和负荷、避雷器等。 ( 3 ) 电力电子元件库：包括二极管，g t o 、理想开关、m o s f e t 、晶闸管 等。 ( 4 ) 机组模型：包括异步机、简化同步机模型、详细同步机模型、永磁同 步机、励磁系统，调速器等。 ( 5 ) 连接元件：母线、接地和中心点。 ( 6 ) 测量元件：电流和电压测量表计和波形显示器 ( 7 ) 其它元件：有效值仪表、功率计、六相整流桥，同步脉冲发生器等。 ( 8 ) 电力图形用户界面( p o w e r g u i ) ：通过它来设置系统的状态量及其初始 值，并进行稳态潮流计算。 e l a e t r i c d s o u r c * s n n t s e x t r al i b r a r y h c h i n * s 田 圈 田 m e u u r m e n t s l a 工o rn a , u t s p o w e rn e c t r o n ic s 曰州 图5 1s i m p o w e r s y s t c m 的基本模块 s i m p o w e r s y s t e m 中的元件和模块是由电力工业领域的专家提出并得到实际 验证的。同时它还具有个庞大的函数集合体，从基本的求和运算、三角函数到 复杂的矩阵求逆、特征值分析、b e s s e l 函数和快速傅立叶交换等。 m a t l a b 中至少有= 种独立的方法来实现对电力系统的仿真和分析：一种 是传统的编程方法，即应用像c 和f o r t r a n 语言一样，通过编写大量的代码 来实现电力系统的建模、稳态计算和暂态分析等等另一种是在s i m u l i n k 平台 上进行仿真分析，借助鼠标点击和拖放以及一些必要的参数设置即可实现对电力 系统的稳态和暂态分析，并可方便地研究各种先进控制方法。在实际应用中，特 别是对于复杂电力系统的仿真分析，上述两种方法可以交互融合使用，通常以第 圈图三囫 第五章仿真实镪j 和仿真结果分析 二种方法为主，在涉及到缺少现成模块的复杂控制和分析计算时借助第一种方 法。应用m a t l a b 进行电力系统仿真一般包括以下步骤： ( 1 ) 系统模型建立。在s i m u l i n k 环境中，通过鼠标操作将构成系统所需的 各种元件从相应的模型库中拖放到用户窗口，将它们联接起来实现物理系统的拓 扑结构，并根据需要在适当的地方接入测量和显示模块 ( 2 ) 模型参数的设置和控制算法的实现。填写各模块元件的参数表单，当 涉及到一些复杂的控制算法( 如模糊逻辑控制) 时，需要调用相应的工具箱进行 控制器设计，或者通过编写文件实现。 ( 3 ) 系统分析。系统分析主要过程是：机组潮流：设置发电机节点的类 型、电压和输出功率( 或电压角度) ，进行潮流计算并初始化有关变量，如同步 机的励磁电压。状态变量设置：对计算所需的状态变量数值分别设置，可以从 任意初始值开始进行下一步的仿真稳态仿真：用以查看稳态时包括电压电流 源、状态变量、被测量和非线性环节在内的各种物理量的数值。暂态仿真：首 先设置系统扰动方式，如短路、机组输出或负荷变化等，接着选择仿真的数值算 法和输出方式，然后点击相应的工具按钮启动时域仿真，同时观测有关变量的波 形变化。结果分析：仿真计算所得的数据可以直接显示，也可以按一定步长存 在数组中，并输出到文件，从而进行更为深入的时域和频域分析。 m a t i a b 应用于电力系统仿真分析的优势与一般高级编程语言和专业仿真 软件相比较，主要有： ( 1 ) 兼具高级语言开发平台和专业应用环境，用户既可以借助m 语言实现 定制的计算和分析功能，也可以在其提供的s i m u l i n k 环境中，借助专业模块库 对电力系统进行稳态和暂态分析。s i m u l i n k 完全的图形化界面，比大多数专业仿 真软件具有好得多的用户交互环境。 ( 2 ) 由于m a t l a b 是一个开放式的开发与应用平台，提供了众多的分析 和控制工具模块，从而可以很方便地实现电力系统的各种高级控制策略并进行效 果测试和分析，这一点在其它电力系统专业仿真软件中是很难达到的，如模糊逻 辑励磁控制。 ( 3 ) m a t l a b 提供了多种数值算法可供选择，具有更好的数值稳定性和可 选的计算精度，并且可以对仿真过程进行跟踪和调试。 但m a t l a b 应用于电力系统仿真时也有一些不足之处，最t 要的是总体速 度比较慢，对电脑的配置要求太高。m a t l a b 的仿真计算建立在最基本的电路 原理和微分方程求解的基础之上，将电磁过程和机电过程同步 j 算，几乎没有考 虑电力系统的特性而进行简化，虽然可以得到非常细致的仿真结果，但导致计算 速度大大下降，而大多数的专业仿真软件由于充分考虑电力系统的固有特性和应 第五章仿真实例和仿真结果分析 用要求，往往在模型上进行了大量的简化，从而获得较快的仿真速度。基于上述 分析，m a t l a b 适宜于对规模不大的电力系统进行仿真分析，特别是涉及到复 杂的控制算法和精细的仿真要求时；而在大型电力系统的仿真中，在其计算速度 不能得到明显改善之前，没有太多优势 5 2 电力有源滤波器的构成和仿真系统的建立 5 2 1 电力有源滤波器的构成 设计系统以数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为控制核心，系统构成 如图5 - 2 所示i 拍i 。 应用平均功率算法和r l s 自适 滤波器，计算得到补偿指令电 值井控制亢流母线电上e ；产生 v m 脉冲控制i g b r 的通断 图5 - 2s a p f 系统构成图 基于d s p 高运算速度，能够实时的对有源滤波器进行控制。逆变桥功率器 件为i g b