（电路与系统专业论文）基于DSP技术的混合有源滤波器仿真研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 随着电子技术的发展，各种电力电子装置广泛地应用于工业、交 通和家庭等各个领域。这些非线性负荷产生谐波问题目益严重，极大 地影响了电网电能质量，谐波治理成为一个重大的科研课题。 本文首先论述了谐波的产生原因、危害，着重分析了谐波治理的 策略混合有源滤波器。随后简介了有源滤波器的发展历史、研究 现状和发展方向等。 然后，文章分别详述了无源滤波器和有源滤波器的工作原理和分 类，并提出了混合有源滤波器的组成原理。有源滤波器的关键因素之 一是谐波检测，本文将目前已有的各种谐波检测方法进行了简要介 绍。在分析瞬时无功功率的基本原理基础上，提出了针对基于瞬时无 功功率i p - i a 谐波检测的改进检测方法一直流分量法，并通过仿真实 验证明了该方法具有更好的动态性。控制策略是有源滤波器的另外一 个关键因素。在分析了p w m 电流跟踪控制的基本原理基础上，本文 对于常用的三角波比较法提出了一种改进方案。它有利于主电路脉宽 精度的提高，在s i m u l i n k 环境下对于混合有源滤波器进行了仿真实 验，结果表明该混合有源滤波器具有良好的滤波性能。 本文最后经过综合归纳分析，对基于d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 混合有源滤波器的硬件电路与软件流程做出了整体设计。 关键词：有源滤波器；谐波治理；d s p 技术；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , a l lk i n d so fp o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sh a v eb e e nu s e di ni n d u s t r i a lf i e l d ，t r a f f i ca n df a m i l i e s w i d e l y t h e s en o n l i n e a rl o a d sm a k es e r i o u sh a r m o n i cp r o b l e ma n d i n f l u e n c ep o w e rq u a l i t yg r e a t l y t o d a yh a r m o n i cs u p p r e s s i o nb e c o m e sa s i g n i f i c a n tr e s e a r c hi s s u e s f i r s t l y , t h i s t h e s i s p r e s e n t s t h ec a u s ea n dh a r mo fh a r m o n i c t h e r e f o r et h es t r a t e g i e so fh a r m o n i cs u p p r e s s i o n _ - _ _ _ h y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ( h a p f ) a r e p r o p o s e de m p h a t i c a l l y a f t e rt h a t ，t h e b a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n df u t u r e so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p e ) a r e i n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dc l a s s i f i c a t i o no fp a s s i v ep o w e r f i l t e ra n da p fa r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h es t r u c t u r e so fh a p fa r e a n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y o n ek e yf a c t o r so fa p f i sh a r m o n i cd e t e c t i o n a l r e a d ye x i s t i n gm e t h o d so fh a r m o n i cd e t e c t i o na r es i m p l yi n t r o d u c e d a f t e ra n a l y z i n gt h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so fh a r m o n i cd e t e c t i o nb a s e do n i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , am o d i f i e dm e t h o df o rh a r m o n i c d e t e c t i o n d cc o m p o n e n ti sp r o p o s e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n e x a m p l e sf o rd cc o m p o n e n tv e r i f yaf a s t e rt r a n s i e n tr e s p o n s et h a n c o n v e n t i o n a lf i l t e r s a n o t h e rk e yf a c t o ri nh a p fi sc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e sf o rp w m t r a c k i n gc u r r e n tc o n t r o l ， a ni m p r o v e da l g o r i t h mf o rt r a d i t i o n a lt r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i n gi sp u t f o r w a r d i ti sf a v o ro fi m p r o v i n ga c c u r a c yo fp u l s ew i d t h e x p e r i m e n t a l s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti ns i m u l i n ke n v i r o n m e n ta n dr e s u l t ss h o wt h a t i i t h i sk i n d o fh a p fh a se x c e l l e n tf i l t e r i n ge f f e c t a tt h el a s tp a r to ft h i st h e s i s ，h a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r ef l o wo f n a p e , b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fd s pt m s 3 2 0 f 2 812 ，a r ed e s i g n e d w i t hc o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s 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 ce l i m i n a t i n g ；d s pt e c h n o l o g y ； t m $ 3 2 0 f 2 812 湖南师范大学学位论文原创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：诩名 彬多月7 日 湖南师范大学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， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 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。本人授权湖南师范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 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 善麓鹘篡絮6 6 胃，r7 7 蓦 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 第一章绪论 1 1 谐波污染与研究谐波的意义 目前，电能已成为现代社会生产和生活中最主要的直接能源。因 此，电能质量问题一直为人们所重视。一个理想的电力系统应以恒定 的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的正弦波形，按规定的电压水平进行供电。在 三相交流电力系统中，各线电压和电流应处于幅值大小相等、相位互 差1 2 0 。的正序对称状态。当以正弦规律变化的电压施加到线性负载 上，产生的就是与输入电压频率相同的正弦电流。但由于电力系统中 的各元件( 发电机、变压器、线路、负载等) 参数并不是理想线性或完 全对称的，负载性质各异且随机变化，负载一般为非线性，通过这些 负载的电流就会产生畸变，畸变的电流流过电网，就会引起电压波形 的畸变。从频域的观点来看，在这些电流和电压的波形中，不但含有 与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且出现了一系列频率 为基波频率整数倍的正弦波分量( 称为谐波分量) ，这一系列正弦波分 量统称为电力系统谐波。 1 1 1 谐波的含义和性质 国际上公认的谐波含义为儿“，“谐波是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”。由于谐波的频率是基波频率的 整倍数，也常称之为高次谐波。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ，19 8 2 ) 并 i 国 际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级 数中大于1 的h 次分量”。i e e e 标准中p 儿叫定义为：“谐波为一周期波 或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍 。 实际电网中有时还存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分 量，称为分数次谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 和间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ； 对低于工频的间谐波又称为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。在近代的交一交 硕士学位论文 变频器中还存在“旁频”，即在整数次谐波附近的非整数次谐波。但 电网中主要存在的还是整数次谐波。 1 1 2 谐波产生的分类 当前电力系统的谐波源，其非线性特性主要有三大类5 嗣： ( i ) 饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和 特性呈现非线性。这些设备投入电网后，可以产生以3 次谐波为主的 奇次谐波。 ( 2 ) 子开关型：主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以 及双向晶闸管可控开关设备等。它们可以引起系统电压降及电压波 动，并产生主要以5 ，7 ，1 1 ，1 3 次为代表的奇次谐波和旁频。 ( 3 ) 弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接 期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的 波动，导致电网严重三相不平衡，产生负序电流、电压闪变和高次谐 波，其中普遍存在2 ，4 偶次谐波和3 ，5 ，7 等奇次谐波。 对于电力系统三相供电来说，有三相平衡和三相不平衡的非线性 特性。后者主要是电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器， 而电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源。 1 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规 定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染， 它使用电设备所处的环境恶化，给周围的通信系统和公用电网以外的 设备带来危害。谐波对公用电网的危害主要表现在以下几个方面v 儿刚 ( 1 ) 对电力系统的危害 谐波使公用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。 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重 过热。谐波会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以 至损坏。 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐 波放大，这使上述两点的危害大大增加，甚至引起严重事故。 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪 表不准确。 ( 2 ) 谐波对信号系统的影响 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，使通信系统无法正常工作。 谐波使重要和敏感的电子设备和自动控制系统工作紊乱。 谐波可以导致电力电子装置自身的控制系统不能正常工作。 综上所述，电网谐波是继电网电压波动、电网频率变动之后的电 网第三大公害，严重污染了企业配电网和附近其他电力用户的安全用 电环境。 1 1 4 研究谐波的意义 研究谐波的意义，除了因为它的危害十分严重以外，还在于它对 电力电子技术自身的发展也有重要的影响。电力电子技术是未来科学 技术发展的重要支柱。而电力电子装置产生的谐波己经成为阻碍电力 电子技术发展的重大障碍。它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐 波问题进行更为有效的研究。 从另外一个方面上讲，对于电力系统环境来说，在电力电子技术 领域，要求实施“绿色电力电子 的呼声也是越来越高。 目前，对地球环境的保护已经成为了人类的共识。研究谐波问题 也已经上升到治理环境污染、维护绿色环境的高度上来认识。 1 2 谐波的治理 谐波污染问题的解决主要是从两个方面进行考虑：一是利用谐波 硕+ 学位论文 补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用；二是对电力电子装置 本身进行改造和完善，如采用多重化技术、p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，脉宽调制) 整流技术以及有源功率因数校正技术等，控 制其功率因数趋近于l ，使其尽量减少产生或不产生谐波，且不消耗 无功功率。 谐波补偿装置可分为无源滤波器和有源电力滤波器两种。传统方 法就是采用l c 调谐滤波器，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，起旁路滤波的作用。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。它既可补偿谐波， 又可补偿无功功率，已被广泛采用，是当前补偿谐波的主要手段之一。 但l c 滤波器只能补偿固定频率的谐波，而且补偿特性受电网阻抗和 运行状态影响，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。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，简称a p f ) 。有源滤波器是一种电力电子装置，它实现了动态 补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应。它也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。在补偿无功功率时， 它不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。即使补偿对 象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并仍能正常发挥补偿 作用，受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振，仍能跟 踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。有源滤波 器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。可以克服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点， 因而受到了广泛的重视。 有源滤波器将系统中所含的高次谐波电流、无功电流及零序负序 电流检出，并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路中有害电流。 补偿装置所产生的电流波形正好与有害电流的频率幅值完全相同，而 相位正好相差1 8 0 。，从而达到了补偿谐波电流的效果。 基丁二d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 1 3 有源滤波器的发展历史、研究现状以及发展方向 1 3 1 有源滤波器的发展历史 2 0 世纪7 0 年代初期，日本学者首先提出了有源电力滤波器的概 念。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 又提出：利用大功率晶体管 组成的p w m 逆变器来构成a p f ，以消除电网谐波”“。由于受当时功 率半导体器件水平以及控制方法的限制，a p f 的研制一直处在实验阶 段。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着电力电子技术及控制技术的飞速发 展、大功率可关断器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步、以及对非 正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1 9 8 3 年日本学者 h a k a g i 提出的瞬时无功功率理论，为a p f 的实际应用提供了必要的 条件。 又经过2 0 多年的研究和探索，有源滤波技术得到了长足的发展， 越来越多的a p f 投入了运行，不论是在实际功能还是在运行效率上 都有了明显的改善。目前，a p f 已用在提高电能质量、调节三相电力 系统中的终端电压、抑制电压波动、改善电压平衡以及抑制谐波和改 善功率因数等问题上”。 1 3 2 有源滤波器的国内外研究现状 有源滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、 德国等发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛地应用。目前，世 界上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、 德国西门子公司等。据统计，仅在日本，自1 9 8 1 年以来，己有5 0 0 多台a p f 投入运行，其容量范围从5 0 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功 能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。 国内对a p f 的研究也十分活跃，但仍处于实验阶段。有关a p f 的研究主要集中在并联型和混合型。并联型a p f 的研究最为成熟， 硕士学位论文 主要以理论和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种 谐波电流的检测方法、a p f 的稳态和动态特性分析等。不仅在理论上 取得了一定的进展，而且在实际的工程应用中也有了成功的应用。如 湖南大学罗安教授等一些专家已经成功地将混合有源滤波器( h a p f ) 应用于冶炼厂的谐波治理，并取得了显著的效果。目前，以高速数字 信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 简称d s p ) 为基础的实时数字信 号处理技术的迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正 被采用数字量控制的电能质量调节装置所取代。随着d s p 性价比的 不断提高，用d s p 控制a p f 已成为当今和未来技术发展的个新热 点。此外，大功率电力电子技术、控制技术的不断发展使a p f 的成 本也将不断降低，加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用 前景。 1 3 3 有源滤波器的发展趋势 从目前的研究现状和应用水平来看，a p f 的发展趋势有以下几个 方面： ( 1 ) 增大器件容量，提高开关频率，以实现电流的快速控制， 提高补偿效果。 ( 2 ) 降低价格，提高性价比。 ( 3 ) 降低损耗，提高系统的可靠性。 1 4 本文的研究内容与结构安排 本论文所进行的工作如下： 第一章：介绍了谐波的含义、性质、危害以及研究谐波的意义， 简要分析了谐波抑制的基本方法，并对有源滤波器的发展历史、研究 现状和发展趋势进行概述。 第二章：对无源滤波器的基本原理和特点进行阐述；着重对有源 滤波器的基本结构和工作原理进行说明；对有源滤波器中的主电路结 构和数学模型进行分析；按照不同的标准对有源滤波器分类，并对各 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 种类型的有源滤波器的优缺点进行比较分析；通过综合研究，提出性 价比较高的并联混合有源滤波器的基本结构。 第三章：研究了目前已有的谐波电流检测方法；通过分析，选择 基于瞬时功率的i 口i q 算法为本文的谐波检测方法；对瞬时功率理论进 行阐述，并对基于瞬时功率的i p - i q 算法进行改进研究，在m a t l a b 2 0 0 7 软件的s i m u l i n k 环境下进行仿真实验，检验该方法的性能。 第四章：首先提出了混合有源滤波器的整体控制方案，然后对该 方案中常用控制方法( 滞环比较控制法、三角波比较控制法) 的原理 进行分析，并在s i m u l i n k 环境下对进行仿真实验；然后对三角波比较 控制方法进行改进研究，以提高主电路补偿电流脉宽的精度。最后根 据本章提出的控制方案，采用第三、四章中提出的改进方法，在 s i m u l i n k 环境下对滤波器整体仿真实验，检验整体控制方案的正确 性。 第五章：提出混合有源滤波器的整体系统框图，对电流和电压采 集模块、s i n c o t 和c o s m t 的产生电路、p w m 的驱动等硬件电路进行设 计并对程序的编写环境叫c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 、主程序及 部分子程序的流程进行了简要的阐述。 第六章：对全文进行了总结和说明，并对进一步的研究工作进行 展望。 硕士学位论文 第二章混合有源滤波器的基本工作原理 2 1 无源滤波器分析 无源滤波器作为补偿无功和抑制谐波的传统主要手段，它通常是 由电容、电感和电阻等无源元件构成的谐振电路。并联无源电力滤波 器的原理是对某些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流 入无源支路而避免流入电网内。无源滤波器作为传统的谐波补偿装 置，出现最早，同时具有结构简单、设备投资少、运行费用较低等优 点。可分为调谐型滤波器和减幅型滤波器两大类p 1 。 ( 1 ) 调谐滤波器是高q 型滤波器，它是利用电路谐振的原理来 吸收电网中的谐波含量，主要针对频次比较低的谐波。当l c 滤波器 对电网中某次谐波产生谐振时，l c 滤波器对该次谐波呈现极低的阻 抗，因而为该次谐波提供了一条对地的低阻通路，把该次谐波滤除掉。 由于电力系统中存在着多种不同频次的谐波，为了滤除各次谐波，就 必须设置多个l c 滤波器，调谐于不同的谐波频率： ( 2 ) 减幅滤波器是低q 型滤波器，它能在比较宽的频带上呈现 低阻抗，对该频段内的谐波均有滤波作用，主要针对频次较高的谐波。 由于传统的单独l c 滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组 成，与谐波源并联，存在一些难以克服的缺点： ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要的谐波进行滤 波，l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定： ( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而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，因而l c 网络的设计较困难； ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大， 使电网供电质量下降： ( 4 ) 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。 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 常用的无源电力滤波器包括单调谐滤波器、双调谐滤波器、一阶 减幅型滤波器、二阶减幅型滤波器、三阶减幅型滤波器及c 型阻尼滤 波器等。具体的接线方式和各自的特点如表2 1 所示。单调谐滤波器 只能滤除某一次谐波，双调谐滤波器虽能滤除两个频率的谐波，但结 构复杂，调谐困难。对于较高次谐波由于数量较小，用单调谐滤波器 经济上不合算，因而采用高通滤波器。无源滤波器的缺点是滤波器电 容和系统之间有可能发生低次谐波的谐振。鉴于此设计出c 型阻尼滤 波器，但它只适合于较低次谐波的滤波。 表2 - 1 无源滤波器接线方式和特性( 1 ) 名称单调谐双调谐一阶减幅型 工 z _ - 接线 唾 王 至 苏 方式 室u 旧l i越ii t i 阻抗一频 v儿 一 率特性 - i，i 1 ) 常用1 ) 人容量装置中有时采用1 ) 用于抑制很高频率振 2 ) 对于某一次谐波滤波2 、基波功率损耗较少荡的阻尼电路，很少用 评 效果较好3 ) 只有一个电抗器承受全于谐波滤波 3 ) 对于等值频率失谐较 压冲击 2 ) 简单，但功率损耗大 敏感 4 ) 减少了滤波器支路 价 4 ) 附加电阻并联在电感上5 ) 结构复杂，调谐较困难 则可以降低损耗 硕士学位论文 表2 1 无源滤波器接线方式和特性( 2 ) 名称 二阶减幅型三阶减幅型 c 型 芏 工 t 。k 接线 t _ r1 - 篡1r 气 方式 0u 皤 工 3 1 2 l 霉l 4 1 l 嘲l l 阻抗一频 l 认 l 率特性 旷。 伊 1 ) 常用1 ) 大容量装置中有时采用1 ) 要在大容量装置中用 2 ) 具有较好的高通滤波特2 ) 基波功率损耗比二阶型得较多 评 性的小2 ) 基波功率损耗可以降 3 ) 其特性对等值频率失谐3 ) 阻抗频率特性比二阶至u 很，j 、 不敏感型的差3 ) 阻抗频率特性介于二 价 4 ) 可以减少滤波支路但需阶和三阶型之间 较大的电容器容量 5 ) 功率损耗较大 2 2 有源滤波器的基本问题研究 2 2 1 有源滤波器的基本结构和补偿原理 图2 1 所示为最基本的有源滤波器系统构成的原理图。图中e s 表示交流电源，非线性负载为谐波源。有源滤波器系统由两大部分组 成，即电流检测电路和补偿电流发生电路( 由p w m 信号发生电路、 驱动隔离电路和主电路三个部分构成) 。其中电流检测电路的作用是 检测出补偿对象电流中的谐波分量。p w m 信号发生电路主要是对补 基下d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 偿电流信号进行p w m 信号调制。驱动隔离电路是将所需的补偿电流 功率放大，以驱动功率模块g t o i g b t 。主电路主要是完成补偿电流 信号的功率放大，目前大多采用p w m 变流器n 1 1 。 图2 - 1有源滤波器系统构成原理图 有源滤波器的工作原理是通过电流检测电路将负载电流f ，中的 谐波电流么和无功电流乙分离出来，再将它们反相，产生出补偿电流 t 的调制波信号，即指令信号= 屯+ f 肠。补偿电流控制电路根据 的值控制主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲，通过驱动隔离 电路驱动功率开关，使其创建出补偿电流之。f c 跟踪，故i c 一， 所以 2 s = 2 l + 2 c = 吃- - i c = 屯一( 7 工i l + 。幻) = 。印 f 2 1 ) 即电流源f 。中只含有基波有功分量f 从而实现了补偿谐波与无功的 目的u2 1 。 2 2 2 主电路基本问题研究 2 2 2 1 主电路的结构 有源滤波器的实质就是一个波形发生器，可以产生任意波形，对 外主电路则相当于三相可控电流源。如图2 2 所示，其中储能元件( 电 感或电容) 的作用相当于直流电源( 电流源或电压源) ，为可控开关 电路进行逆变提供保证。通过一定的算法，检测电路从系统中检测并 分离出基波无功和谐波电流，通过控制电路产生脉冲信号来控制主电 硕士学位论文 路中可控功率开关元件的导通与截止，将储能元件储存的能量以适当 的形式经输出电路接入系统中，从而发出相应三相可控电流，达到补 偿的目的m 1 。 图2 2 有源滤波器主电路基本结构 图2 3 是以电容作为储能元件的电压型有源电力滤波器的主电 路。可控开关通常由g t o ，i g b t 等大功率电力电子元件构成，输出 部分为电感。它的工作原理是根据检测信号产生p w m 输出电压，再 经过交流侧的电感转换成所需的补偿电流。 v d e v d c 图2 3单相与三相电压型有源滤波器主电路结构图 2 2 2 2 主电路的数学模型 忽略主电路中电力电子器件的通态压降和主电路中直流侧电压 的波动，主电路可等效为一理想直流电压源。同时，假设主电路与系 统间连接的电感为理想电感，并忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响 且不考虑死区的影响，可以得到有源滤波器的数学模型： 图2 4 有源滤波器系统简化数学模型 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 由图2 - 4 可以得到： u 口+ u b + u c = u 。f + f c 6 + t = 0 冬。t f , c a = k a ( ，z ) - - u a 百 ( ，z ) 冬= ( ，1 ) - - i i b 等= ( ，1 ) a t ， d t = k c ( 咒) u 如- - u c ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中k 。( 以) 、k 。( 刀) 、k 。( 刀) 为对应主电路工作模式( n = o 7 ) 的开 关系数，其具体数值如表2 2 所示。 表2 2 主电路工作模式n ( o 7 ) 的开关系数 工作模式主电路电子器件工作状态 开关系数 ( n )abc ooooooo 1 o o1 1 31 3 2 3 2o1o1 32 31 3 30112 31 31 3 41oo2 31 31 3 5lo11 32 31 3 611o1 31 32 3 7111ooo 1 3 硕+ 学位论文 2 2 3 有源滤波器的分类 有源滤波器可以从不同的角度分类，通常将有源滤波器按照逆变 器结构、相数和主电路拓扑结构进行分类。逆变器结构可以是电流源 型逆变器或是电压源型逆变器；按照相数来分可以分为单相系统、三 相三线系统和三相四线系统三种结构；按照主电路的拓扑结构可分为 并联型、串联型或是串并联混合型。 2 2 3 1 根据逆变器的类型分类 采用单个p w m 逆变器的有源滤波器的主电路，根据其直流侧储 能元件的不同，主要有电流源型逆变器和电压源型逆变器两种，如图 2 5 和2 6 所示。电压型p w m 逆变器的直流侧接有大电容，在正常 工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。电流型p w m 的直流 侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源。 一0 图2 5 基于电流源型逆变器的有源滤波器图2 - 6 基于电压源型逆变器的有源滤波器 与电压型p w m 变流器相比，电流型p w m 变流器的一个优点是， 能直接提高谐波补偿电流且不会由于主电路开关器件的直通而发生 短路故障。但其直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感 的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少采用。故本文采用的是电压 型p w m 变流器。 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 2 2 3 2 根据电路拓扑结构分类 有源滤波器根据其与系统连接的电路拓扑结构可以分为串联型 有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器、串并联结合型的统一电能 质量调节器、混合型滤波器( 有源滤波器和无源滤波器的结合) 和注入 式有源电力滤波器。 图2 - 7 单独使用的串联型有源滤波器图2 - 8 单独使用的并联型有源滤波器 图2 7 所示为一独立运行的串联型有源电力滤波器的结构框图。 在负载之前利用变压器与系统相串联来消除电压谐波，并且平衡和调 节负载的终端电压。这种串联型的有源电力滤波器主要用来减小三 相系统的谐波电压、负序电压和平衡三相不平衡系统。 图2 8 所示为一个单独使用的并联型有源电力滤波器，目前应用 最为广泛，可以用来消除电流谐波、进行无功补偿和平衡三相不平衡 电流u “。因为电流谐波主要是由非线性负载注入系统当中，所以并联 型有源电力滤波器主要设置在负载侧用来就地进行谐波补偿。它注入 与谐波电流大小相等，方向相反的补偿电流来消除连接点处负荷电流 中的谐波。它同时也可以作为一个静止无功补偿器来调节系统无功。 但是由于交流电源的电压直接( 或经变压器) 施加到逆变器上，且补偿 电流基本由逆变器提供，所以需要逆变器具有较大的容量。这是并联 型有源电力滤波器的主要缺点。 图2 - 9 所示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 y c o n d i t i o n e r 简称u p q c ) 的结构框图，它的结构综合了串联和并联型 有源滤波器的优点，既可以消除电流谐波，又可以消除电压谐波， 硕十学位论文 被认为是最理想的有源滤波器的结构。它既可用于三相系统，也可用 于单相系统，并可以对电压和电流波形都很敏感的重要负荷提供电 源。这种结构的有源滤波器的最重要缺陷在于成本较高( 需要较多的 开幕器件) 和控制复杂。 图2 9 统一电能质量调节器 图2 1 0 所示的是混合型有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r 简称h a p f ) ，它们是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这 种滤波器结构目前比较普遍，这种方式是为了克服并联型( 串联型) 有 源电力滤波器要求容量较大这一缺点而提出来的“。其基本思想是利 用l c 滤波器来分担有源滤波器的部分补偿任务。由于l c 滤波器与 有源滤波器相比，其优点在于结构简单、易实现且成本较低，而有源 滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用，既可克服有源滤波 器容量大、成本高的缺点，又可以使整体系统获得良好的性能。 图2 1 0 并联型a p f + 并联p f 的h a p f图2 1 1a p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 2 2 3 3 根据补偿系统的相数分类 根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两 种，三相系统又可分为三相三线制和三相四线制。 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 10-!- 图2 1 2 单相串联型有源滤波器图2 - 1 3 单相并联型有源滤波器 单相结构的有源滤波器主要有两种类型：串联型和并联型如图 2 1 2 和图2 1 3 所示。单相有源滤波器一般应用于电气化铁道及小容 量单相非线性负载的场合u 。通常采用单相并联型有源电力滤波器处 理小功率负荷，逆变器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿 谐波的性能。单相有源滤波器的实际应用较少。 在对用户直接供电的低压电网中，主要的供电线路为三相四线制 电路。这种电路结构很容易因为其中某相电流过大而产生零线电流、 谐波和三相不平衡问题。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减小 这类系统出现的问题而产生的“。这种有源滤波器多处于研究阶段。 图2 - 1 4 电释中点性三相四线制有源滤波器 2 3 混合有源滤波器的基本结构 单独使用的无源滤波器虽然成本低廉、结构简单，但是滤波效果 受电网阻抗和自身参数变化影响较大，而且易与电网阻抗发生谐振。 单独使用的有源滤波器虽然有很好的滤波性能，但是造价较高，特别 是在变电站或冶金企业这样的高压大功率场合，难以应用。同样，在 上面提到的各种由多个逆变器组成的混合有源滤波器也需要高昂的 硕+ 学位论文 初期投入。因此，小容量有源滤波器与大容量无源滤波器相结合的混 合有源滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤 波技术的发展方向。图2 1 5 所示是本文采用的并联混合有源滤波器 的基本结构。 图2 1 5 混合有源滤波器的基本结构 并联的无源高通滤波器( h p f ) 对电网中主要的谐波频率谐振形 成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网内，可 以减小a p f 的补偿容量，同时还可以兼顾无功补偿的需要。 2 4 小结 本章分别介绍了无源滤波器和有源滤波器的基本结构和原理，并 着重分析了有源滤波器的各种结构以及各自的特点。通过综合比较分 析，提出了文章采用的并联混合型结构的有源滤波器，并简单地分析 了其结构特点。 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 第三章基于瞬时无功功率谐波电流检测方法的 改进与仿真研究 实时、精确地检测出电网中瞬时变化的畸变电流是提高有源滤波 器补偿精度的关键问题。最开始人们希望从非正弦电路的无功功率定 义入手解决补偿分量检测问题。2 0 世纪初，罗马尼亚人b u d e a n uc 和波兰人f r y z es 分别提出了无功功率理论，但用该理论指导和实践 有源滤波器时难以保证实时性。人们在时域研究无功功率的同时在频 域也进行了大量相关的研究，较为代表的是美国学者波兰人ls c z a m e c k i 提出的利用离散傅立叶分析方法实时计算提取基波分量公 式，但该方法计算时间很长，实时性较差。到了2 0 世纪末，由于谐 波污染日益严重，电力系统的电能质量问题成为人们的焦点，非线性 电路的功率理论问题得到重视，人们对谐波检测的研究也日益深入。 3 1 谐波检测方法比较 到目前为止，谐波的检测方法已经有很多种，主要包括提取基波 分量法p 0 1 、基于f f t 的傅里叶分析洌2 1 坤2 1 、自适应检测洌2 3 1 、基于瞬 时无功功率理论的p ，q 算法及f 。一f 。算法等脚2 5 1 。 提取基波分量法是最早出现的谐波检测方法之一，其原理是从需 要补偿的电流中提取基波分量，它与原信号之差就是所需补偿的谐波 分量，通常采用低通或带通滤波器来提取基波分量，但如果滤波器阶 数较低，则滤波效果不好，阶数较高，就会产生附加的相移，影响谐 波提取的效果，并且该方法对电网频率和电路元件参数敏感，设计和 实现较为困难，现己极少采用。 基于f f t 的傅里叶分析法原理比较清楚，通过f f t 将检测到的 一个周期的电流信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位参数，将 拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器得到所需的误差 信号，再将该误差信号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。这种 硕士学位论文 方法思路比较简明，原理和工作过程十分清楚，可以针对各次谐波进 行有目的的补偿，适合各种情况，但是它具有一定的延时，实时性较 差，而且该方法本身要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较 大误差，再加上其较为复杂的运算，使这种方法的应用范围受到了很 大的限制。 自适应检测法是基于自适应滤波的原理，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一致的有功分 量，从而得到所需补偿的无功及谐波分量。自适应谐波检测方法的优 点是即使系统电压波形发生畸变，仍具有较好的白适应能力，检测精 度基本上不受系统电压畸变的影响。缺点是动态响应速度慢。 基于瞬时无功功率理论的p ，q 算法和f 。一t 算法原理上是一样 的，两者在只检测无功电流时，都可以完全无延时地得出检测结果； 检测谐波电流时，都会因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器 的不同，有不同的延时。在使用传统滤波器时，动态响应速度较低， 硬件复杂。在用数字处理器实现时，由于基波有功电流的检测处理需 要一段时间，即所检测分离出来的谐波和无功电流与负载电流相差一 段时间，检测得到的谐波和无功电流在负载电流稳定时是准确的，但 当负载电流变化较快时，误差较大。以数字处理器进行采样和计算， 都要延迟几个周期后进行补偿，只能应用于稳定的负载。但f 。一f 。算 法由于借助于构想的正、余弦函数，没有直接使用系统电压信息参与 运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，所以其检测结果不 受电压波形畸变的影响。因此本文采用了这种方法，并对此方法加以 改进提高动态响应速度。 瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，其 应用顺利地解决了谐波电流的实时检测问题，使得电力有源滤波器走 出了实验室。目前，瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制 系统并取得了良好的补偿效果。而且其应用从三相三线制系统逐步扩 展到其它类型的电路，如单相电路、三相四线制电路以及直流输电等 更为广泛的领域。 基于d s p 技术的混合有源滤波器仿真研究与设计 3 2 瞬时无功功率理论的谐波检测方法 三相电路瞬时无功功率理论最早是19 8 3 年由赤木泰文郾1 提出的， 此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木最初提出的理论亦称pq 理 论，是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，其主要的不足 是只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路高次谐波和基波无 功电流的检测阳1 ，而在电压非正弦、负载不对称情况下，该定义不再 有明确的物理意义，也不能实现瞬时无功电流的全补偿。 由b h a t t a c h a r y a 等提出的f 。一t 法，是建立在计算三相瞬时电流 f 。分量基础上。该法构造了以同步电压速度旋转的具有两个正交 轴的参考坐标系，即同步参照系。该理论在三相电压非正弦、非对称 情况下仍可以实现三相电路中的无功、高次谐波和基波负序电流的检 测例。 3 2 1 瞬时无功功率的基础理论 在以下讨论中均假设三相电路为三相三线制。设三相电路各相电 压和电流的瞬时值分别为乞、吃、和屯、屯、，通过( 3 1 ) ( 3 2 ) 将它们变换到两相正交的q p 坐标系上，得到q 、b 两相瞬时电压 、勃和两相瞬时电流乞、i p ： 谗 三三 = ( 之2 塞 式帆= 席- 励1 2 ( 3 1 ) 一1 2 一压 2 乏 = ( 乙2 差 c 3 2 ， 硕十学位论文 x y 孙、一 图3 - 1q 一1 3 坐标系中的电地、电流合成矢量 在图3 1 所示的a p 平面上，矢量吃、易和i 口、i 卢分别可以合成为 旋转电压矢量e 和电流矢量i e = e 口+ 岛= e l 纯ad l e _ i 口+ i 口= i lg ( 3 3 ) 式中e 、f 为矢量e 、i 的模 设i 滞后e 的角度为缈，瞬时有功电流和无功电流分别定义 为： z