（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的三相并联型电力有源滤波器的研制.pdf

广东t 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ep o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ye s p e c i a l yt h ep o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e a n dc o n v e r t i n gt e c h n i q u ed e v e l o p er a p i d l y ，l a r g e c a p a c i t y r e c t i f i e r ，c o n v e r td e v i c e s a n dn o n l i n e a rl o a d sa r eu s e dw i d e l y t h ep r o b l e mo fp o w e rg r i d sa r ep o l l u t e db y h a r m o n i cb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s t od e a lw i t ht h eh a r m o n i cp r o b l e ma l l k i n d so fd e v i c ec o m et ob eu s e d a m o n gt h o s e ，t h et h r e ep h a s e ss h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e r ( s a p f ) i st h em o s tr e p r e s e n t a t i o n a lo n e t h i sp a p e r w i l lf o c u so nt h er e s e a r c ho f t h r e ep h a s e ss h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r t h eh e a d s p r i n ga n dt h eh a r mo fh a r m o n i ca sw e l la st h en e e df o rs u p p r e s s i n g h a r m o n i ca r ee x p a t i a t e di nt h i sp a p e rf i r s t l y s i m p l yi n t r o d u c e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e a n ds y s t e mc o n f i g u r a t i o no fs a p f , a n de x p o u n d st h ed e s i g nm e t h o do fm a i nc i r c u i ti n d e t a i l t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h ed e s c r i p t i o no ft h ei m p r o v e dp - qm e t h o da n dt h e c o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yt h a td e t e c tb o t ht h ep o w es u p p l ya n dl o a dc u r r e n t ，u s e d u a l - l o o ps o f t s t a r t u pc sb a s e do nd i g i t a lp i ( p r o p o r t i o n a la n di n t e g r a l ) t h e e f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o lm e t h o dw i t hd cv o l t a g eg r a d u a lc h a n g ei sa l s ov e r i f i e d t h ep r o p o s e dh c d mc a na c c u r a t e l ye x t r a c th a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t so f n o n l i n e a rl o a d su n d e rt h ec o n d i t i o n so fa s y m m e t r i ca n dd i s t o r t e ds u p p l yv o l t a g e ，a n d s h o r t e nt h es o f t w a r ec a l c u l a t i o nt i m e t h ec o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yc a ng r e a t l y e n h a n c et h ee f f e c t i v e n e s so fc o m p e n s a t i o n t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ec o n t o r l m e t h o da r et e s t i f i e db ys i m u l a t i o nw i t ht h em a t l a bs o f t w a r e i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fa b o v es o l u t i o n , t h es a p fr e s e a r c h i n gi t e mt h a t w ec o o p e r a t ew i t hl a i f ue l e c t r i c a le q u i p m e n t c o l t di st h eb a c k g r o u n do ft h i s p a p e r , a 10 0 k v as a p fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ei sb u i l t am w i2 2 5 17 e 9 - t y p ei g b tm o d u l e i su s e da sc o n v e r t e ri nt h em a i nc i r c u i t 6 s d 312 e i - t y p em o d u l ei su s e da sd r i v e m o d u l e t h ec o n t r o lc i r c u i ti sc o m p r i s e dw i t hac p u ( t m s 3 2 0 f 2 812 ) s y s t e m t h e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - a d m c 4 01p e r f o r m st h ef u n c t i o no fa n a l o g u es i g n a ls a m p l i n g ， d i g i t a lp ic o n t r o l ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，p w ms i g n a lg e n e r a t i n g ，k e y b o a r dc o n t r o la n dl c d d i s p l a y a n ds oo n s o f t w a r ed e s i g na n dd e b u gw e r ec o m p l e t e di nt h ed e v e l o p m e n t a b s t r a c f p l a t f o r mc c s 2 1 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo fa b o v eh a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o l a l g o r i t h m a n dt h i si sag o o df o u n d a t i o nf o rt h ef i e l dt e s t 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 e ；p i ；d s p ；i g b t ；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 i 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 8 0 指导老师签字： 论文作者签字： 加1 年s 月31 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统谐波产生及危害 1 1 1 谐波产生 在上世纪2 0 年代和3 0 年代，静止汞弧变流器的使用造成电网的电压和电流 波形出现畸变，这引起了人们的注意和研究。1 9 4 5 年，j c r e a d 发表的有关汞弧 变流器谐波的论文是早期有功谐波研究的经典论文【l 】，其结论至今仍被工程界采 用。到了5 0 年代和6 0 年代，高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究 的进一步深入，这一时期发表了许多有关变流器谐波的论文，k i m h a r k e w 在其 著作中对此进行了详细总结1 2 。随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子设 备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用，其产生 的谐波以及造成的危害日益严重，使世界各国对谐波问题都给予了十分的关注和 重视。 国际上公认的谐波含义为“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 【3 ，4 1 。由于谐波频率是基波频率的整数倍数，也常被称为高 次谐波。i e e e 标准中【5 】定义为“谐波为一周期波的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍 在国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量 的傅立叶级数中大于的次分量”。 谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的，这些非线性负载主要是电力 电子装置，如各种可控整流器、变频器、斩波器及交流调压装置等，这些设备都 有一个固有的缺点即在能量变换的过程中，会产生高次谐波，当谐波源和为改善 功率因数的电力电容器产生并联谐振或串联谐振，且这种谐振电路的谐振频率等 于或接近于系统中存在着的二某次谐振频率时，就会引起更加严重的谐波问题， 即谐波放大问题。目前，引起电力系统谐波的主要谐波源有【6 ，7 】 ( 1 ) 电力变压器的非线性励磁； 广东1 = 业大学硕士学位论文 ( 2 ) 旋转电机引起的谐波； ( 3 ) 电弧炉引起的波形畸变； ( 4 ) 各种电力电子装置包括家用电器、计算机等的电源部分引起的谐波。 在电力电子设备广泛应用之前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并 有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。7 0 年代以来， 随着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器件和变流技术的发展，大容 量电力整流、换流设备等电力电子装置和非线性负载的广泛使用，电网的谐波污 染问题变得日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严 重性才引起人们的高度关注。谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个 方面例 ( 1 ) 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 用电设备的使用效率，增加了设备温升。大量的三次谐波电流流过中线会使线路 过热甚至发生火灾，谐波电流在电网中的流动会在线路上产生功率损耗。谐波电 流与基波电流相比所占的比例不大，但谐波频率高。导线中的集肤效使得谐波电 阻比基波电阻大，因此谐波引起的附加线损也增大。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除了引起附加损 耗和过热外，还会产生机械震动、噪声和过电压谐波发热对隐极电机的影响要比 对凸极电机的影响严重得多；谐波会使变压器局部严重过热，恶化绝缘条件，缩 短设备寿命甚至损坏；谐波还有可能改变保护继电器的性能，引起误动作或者拒 绝动作。 ( 3 ) 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， 这就使上述的危害大大增加，甚至引起严重事故，这种谐振会使谐波电流放大几 倍甚至十倍，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，常常 使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类事故占很高的比例。 ( 4 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作，例如谐波 在负序基波量的基础上产生的干扰，对于继电保护和自动控制装置的影响十分严 重，会引起发电机的负序电流保护误动作。 2 第一章绪论 ( 5 ) 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作，轻者引进噪声，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，甚至在极端情况下还会 发生危及设备和人身安全的事故。因此，电网中不大的不平衡音频谐波分量，如 果耦合到通信线路上，就可能产生很大的噪声。谐波对通信系统的干扰是一个在 国际上被十分重视的问题。 ( 6 ) 谐波影响测量仪表的精度，造成电气测量仪表计量不正确和电能计量的 误差。 鉴于谐波的诸多危害，以及谐波污染的日益严重，世界各国都对谐波问题非 常重视，不少国家制定了针对电力系统谐波和用电设备的国家标准。目前国际上 所有的谐波标准分成三大类【9 1 4 】： ( 1 ) 对用户及系统的限制标准，有i e e e 一5 1 9 1 9 9 2 、i e c l 0 0 0 2 2 和 i e c l 0 0 0 3 6 等； ( 2 ) 对设备的限制标准，有i e c l 0 0 0 3 2 ( 1 6 a 以下) 、i e c l 0 0 0 3 4 ( 1 6 6 - 7 5 a ) 及其它新的i e e e 标准； ( 3 ) 谐波的测量标准i e c l 0 0 0 4 7 。 为了保证我国的电能质量，自1 9 9 0 年以来，我国相继发布了五项电能质量 国家标准：g b l 2 3 2 5 9 0 ( 电能质量供电电压容许偏差) 、g b l 2 3 2 6 9 0 ( 电能质量电 压容许波动和闪变) 、g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用电网谐波) 、g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ( 电 能质量三相电压容许不平衡度) 、g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ( 电能质量电力系统频率容许偏 差) 。以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这 些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。 1 2 谐波治理措施 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，主要有两种措施：一是 主动治理，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1 ，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；二是被动治理，装备谐 波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。至于采用哪种途径，应根 据经济效益等实际情况来决定。 主动型的变流器谐波抑制方案主要有 1 5 , 1 6 ： 3 广东一i ：业大学硕士学位论文 ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定移相 角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术 1 7 , 1 8 】，但是装置更加复杂。 ( 2 ) 改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则应 适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 ( 3 ) 采用多重化技术。于大容量变流器，将多个方波叠加，以消除次数较低 的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，当然电 路结构也越复杂。因此这种方法一般只用于大容量的场合。多重化技术可取得更 为理想的结果。对电流型变流器，将方波电流波形叠加，可以使输入电流更接近 正弦波且与电源电压同相位的阶梯波，其多电平结构的控制方法有相移多重化控 制、顺序控制和非对称控制多重化等。对电压型变流器，必须用连接电感与交流 电源相连，大多采用相移多重化，将方波电压叠加，使得变流器在电网侧产生的 电压是接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。 ( 4 ) 谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐 波电流加到产生的矩形波形上 1 9 , 2 0 1 ，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺 点是必须保证三次倍数的谐波源与系统同步，且谐波发生器的功率消耗常常高达 整流器直流功率的1 0 。 ( 5 ) 采用p w m 技术。对于中小功率设备，可以利用功率因数校正技术，来 提高网侧功率因数和消除网侧的谐波电流。由于采用的是中高频调制技术，所以 不需要工频变压器，但装置成本要增加2 0 。 ( 6 ) 设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器 等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为l 。 被动治理谐波的措施主要有以下几种： ( 1 ) 无源滤波器：谐波抑制和无功功率补偿的传统方法是用电力电容器、电 抗器和电阻器适当组合成的l c 无源滤波装置( p a s s i v ep o w e rf i r e r - p f ) 进行滤波。 无源滤波方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，并且无源滤波器具有结构简单、 设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此无源滤波方法被广 泛采用。但是，该方法有如下不足：滤波特性受系统参数的影响较大；只能消除 特定的几次谐波，并会和电网阻抗发生谐振而使某些次谐波放大；滤波要求和无 功补偿、调压要求有时难以协调；谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能 4 第一章绪论 造成滤波器过载；有效材料消耗多，体积大；不能对谐波和无功功率实现动态补 偿，补偿效果不甚理想。 ( 2 ) 有源滤波器：有源滤波方法就是通过有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r a p f ) 向电网加入与原有谐波电流、谐波电压幅值、相位有一定关系的电流或 电压，从而来消除或减少谐波电流和谐波电压。有源电力滤波器具有高度的可控 性和快速响应性。其具体特点如下：不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿 无功等功能；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； 具有自适应功能，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿；即使补偿对 象电流过大，有源电力滤波器也不会过载，并能发挥正常的补偿作用；但有源电 力滤波器也存在价格昂贵、运行成本高和难以构造大容量补偿装置等缺点。 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。h a p f 兼具p f 成本低廉和a p f 性能优越的优点，属于a p f 的分支。h a p f 的种类很多，大致 可分为与p f 的混合、与其它变流器的混合等两类。 1 3 有源滤波器的发展及存在问题 1 3 1 有源滤波器的发展 有源电力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 k m a r s h 发表的论文中，描述了通过向电网注入三次谐波电流来减少电源电 流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有源电力 滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中首次完整地描述了有源电力滤 波器的基本原理，即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。但由于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 实验室中研究，未能在工业中实用。 。 1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的l g y u g y i 提出了采用p w m 控制变流器构成 的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 的 概念，确立了有源电力滤波器的主要电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上 广东工业大学硕十学位论文 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，全控器件功率小、频率低，因而电力有源滤波器仍局限于实 验室。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这个时期的 一个重大的突破是：1 9 8 3 年日本人赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功 率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到 了成功的应用，极大的促进了有源电力滤波器的发展。目前，三相电路瞬时无功 功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基础之一。 目前，国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，由于理论研究起步较早， 己进入工业化应用阶段。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。另一方面，有源电力滤波器的工 业化应用对理论研究起到了非常大的推动作用，新的研究理论成果不断出现。 我国在a p f 方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才有a p f 的文章发表，9 0 年代以来，一些高等院校和科研机构开始进行a p f 的研究，但有关研究主要是 理论研究和实验为主，虽然在理论上取得了一些进展，但由于多方面的限制，使 得到目前为止，a p f 在我国尚未取得工业领域的广泛应用。这与我国目前谐波污 染日益严重的状况很不适应。但是，随着电力电子及相关技术的发展以及我国电 能质量管理工作的深入开展，利用有源电力滤波器进行谐波治理将会具有良好的 发展前景和巨大的市场应用潜力。 1 3 2 有源滤波器存在的问题 a p f 概念提出以来，在主电路拓扑和控制策略方面取得了极大发展，但从工 程应用来看，a p f 已经被发达国家垄断的现实基本未改变，尤其是大容量a p f 系统，近年来国内学者在a p f 方面做了很多研究工作，但真正能挂网运行的屈 指可数，所以应结合理论，从工程应用的角度出发进行大量细致的研究。在装置 技术上主要需要解决如下问题：提高系统稳定性，改进补偿性能、建立准确的实 际数学模型，降低成本和损耗，提高系统动态跟踪性能，扩展带宽，增强鲁棒性， 多功能化，有源装置小型化等问题。 6 第一章绪论 并联型有源电力滤波器在其体积及造价都在一个很高的水平上，所以限制了 它的实际应用。可采用混合型有源电力滤波器，它十分有效地抑制谐波电压和谐 波电流，并且由于它是由有源电力滤波器和无源滤波器组成，降低了造价，减小 了装置容量。因此，混合型有源电力滤波系统，被认为是较为可取的解决方案， 得到了广泛的关注和研究。 1 4 本文所做的工作及安排 电力有源滤波器被公认为是治理电网谐波污染、改善电能质量的最有效手 段，但目前a p f 在国内的应用还远没达到成熟阶段，还有很多问题有待于进一 步的研究和完善。 本文是以与开平市莱福电气设备有限公司合作的科研项目“有源电力滤波器 装置的研究为背景。设计了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心的s a p f 控制系统， 并对其进行调试，应用6 s d 3 1 2 e i 驱动模块，使系统更稳定可靠工作；在c c s 2 1 开发平台下完成了软件编程及调试工作 本文的内容安排为：第一章为绪论，主要介绍了谐波的产生、危害及谐波治 理的必要性，简要分析了电力有源滤波器的发展历史、国内外研究现状；第二章 主要论述了谐波电流检测方法、检测控制方式及电流跟踪控制电路，结合实际情 况，经过比较并选取合适的检测方式和控制策略；第三章主要论述a p f 的构成 及实现，并给出了主电路的关键参数的计算方法：第四章详细论述采集电路、控 制部分、驱动部分、液晶显示、键盘等电路的的硬件设计；第五章详细论述整个 a p f 系统的软件设计，主要包括主程序和中断程序；第六章进行仿真和实验，对 实验结果进行分析。最后给出了结论以及对其前景的展望。 7 广东工业大学硕十学位论文 第二章s a p f 的谐波检测方法和控制策略研究 谐波检测方法和控制策略是有源电力滤波器中重要的环节，对整个系统起决 定作用，所以下面对这两方面进行详细分析。 2 1 谐波检测方法 谐波检测方法是通过一定的方法获得谐波的信息，以此作为参考来控制有源 滤波器的输出，因此又称为谐波参考电流或参考电压的获取方法，它在很大程度 上决定了有源滤波器的工作性能。最早的检测方法是通过模拟电路实现的，随着 电子技术和计算机的飞速发展，谐波的检测已被数字检测方法替代。 2 1 1 常见的谐波检测方法 采用模拟电路来获取谐波和基波无功的优点是实现简单，其缺点是模拟滤波 器引起的相位和幅值误差都比较大，而且高精度的模拟滤波器很难设计，对电网 频率波动和电路元件参数十分敏感，因而已极少采用 3 6 , 3 7 】这种方法可分为带阻 滤波器法和带通滤波器法。带阻滤波器法用带阻滤波器将基波分量从检测的负载 电流中滤去，得到的高频分量即为期望的谐波参考信号。这种滤波方法可等效为 差分控制，其抗干扰能力很差。带通滤波器法的基本原理是滤出基波分量【3 引，从 总的负载电流中减去基波分量即为期望的谐波参考信号。带通滤波器法虽然不如 带阻滤波器法直接，但可避免带阻滤波器法对滤除信号产生的差分效应，这就是 人们往往选择使用带通滤波器法而不使用带阻滤波器的原因。但是带通滤波器法 存在较大的相位和幅值误差。 采用数字技术能够很好的克服模拟电路检测技术固有的缺点【3 9 1 ，如存在相位 和幅值误差，因此越来越得到广泛的应用。目前常用的谐波检测方法有： ( 1 ) 同步测定法【4 0 】。最初该方法被用于改善单相电路的传输电流波形和功率 因数，它是一种使补偿后的线路传输电流和电源电压波形相同、相位相等的补偿 8 第二章s a p f 的谐波柃测方法和 牵制策略研究 电流检测方法。和其它电流检测方法相比，该方法具有信号检测抗干扰能力强、 波形跟踪快等优点。后来该方法又被推广应用到三相电路中，用于补偿三相不对 称系统中的谐波和无功。根据补偿分量在三相中的不同分配方法，它又可分为等 功率法、等电流法和等电阻法，即分别使补偿后的单相功率、电流或电阻相等。 ( 2 ) 基于鉴相原理的瞬时电流检测法【4 1 1 。所谓鉴相，就是利用乘法器和低通 滤波器提取两个输入信号的相位差信息。利用此原理，经过被检测信号和参考信 号的相关运算，可以提取出被测信号中的基波分量，然后与原信号相减，即可得 到要检测的谐波电流。该方法可以基于各相独立检测，从而可以解决三相不对称 谐波电流的检测问题，这是该方法的独特之处。 ( 3 ) 基于神经网络的谐波检测方法。目前人工神经网络已成功用于谐波检 测。神经元是组成神经网络的基本单元，它有一定的映射能力及自适应和自学习 等功能，故单个神经元可视为最简单的神经网络。已有文献通过研究单个神经元 的映射关系和学习算法，提出了基于单个神经元的谐波检测方法，并用模拟电路 做成实验装置，实验结果表明该方法是可行的。 ( 4 ) 传统的傅立叶和f f t 算法：采用快速傅立叶变换，从变换后的电流信号 中除去基波分量，再对余下分量进行反变换，即可得到谐波电流的时域信号。这 种方法的主要缺点是需要严格的同步采样，否则会产生频谱泄漏，引起较大的误 差，在这种方法中，整个周期里各次谐波的幅值和初始相位角都被认为是不变的， 因此如果电网谐波在该周期里有较大的波动，则会引起较大的检测误差。另外这 种分析方法的延时太长，为了计算傅立叶级数，需要至少一个电网周期的历史数 据，因此只适合于变化缓慢的负载。 ( 5 ) 瞬时无功功率法：这种方法适合于三相系统，采取一些措施( 如在单相信 号的基础上，根据三相对称的特点，构造出三相信号) ，也可用于单相系统【4 7 1 ， 计算负载的瞬时功率，它包括直流分量和脉动分量，结合一定长度的历史数据( 一 般分布在整数倍的电网周期内) 分离出脉动部分，按在三相内平均分配总电流的 原则，计算得到所需的参考信号。经过不断改进，现在包括d q 法、p q 法以及 i p i q 法。其中p q 法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i p i q 法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效；而基于同步旋 转坐标变换的d - q 法可在电网电压不对称、畸变情况下精确的检测出谐波电流， 其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量( 基波正序无功分量、不对称 9 广东丁业大学硕十学位论文 分量和高次谐波分量) 的检测电路比较简单。 瞬时功率理论是最适合有源电力滤波器对谐波进行实时检测的方法，目前的 文献资料基本上采用低通滤波器滤波( l p f ) ，得出基波电流分量，然后与被检测 电流相减，最终得出谐波电流分量。本文采用另一种方法，直接使用高通滤波器 ( h p f ) 得到谐波电流分量，而不再需要与被检测电流相减，从而缩短软件计算时 间，增加跟踪性能【4 2 1 。 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p 和q 、i p 和i q 为出发点即可得 到三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称为p - q 运算方式和i p - i q 运算 方式。 2 1 2p - q 运算方式 f n 地 l 矗 图2 1p - q 谐波电流检测法原理图 f i g 2 - 1p qh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o np r i n c i p l ed i a g r a m 该方法根据定义算出p 、q ，经低通滤波器( l p f ) 得p 、q 的直流分量p 、q 。 电网电压波形无畸变时，p 为基波有功电流，g 为基波无功电流，于是由p 、q 即可计算出被检测电流i a 、i b 、i c 的基波分量i a f 、i b f 、i c f 。 将i a f 、i b f 、i c f 与i a 、 0 锄 一z c f i b 、 = ：c ：。( 了；： 丢7 = = 古c ：，c ：，t ， 亨 c 2 ， i c 相减，即可得出i 。、i b 、i c 的谐波分量i a h 、i b h 、i c h 。 1 0 第二章s a p f 的谐波枪测方法和控制策略研究 2 1 3 改进的i ，一i 。运算方式 纽 l 吐 ；三 = c ；三i c 2 2 ， q = 后b ：“c o s 巾( o t - h 2 ，r 棚3 ) ，：譬别 亿3 ， c = 臣- l - 荔c o smt“cosn(co箔t-27r棚3)，墨os(co箔t+2，r棚3) 亿4 ， 广东工业大学硕十学位论文 铅鄙篇二等2 c 一s i n w t - c o s w tl 将( 2 2 ) 式中的、乙表示成如下形式： l 屯= i d + 岛 【i g = + 岛 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 其中，乙、乙对应于三相负荷电流中基波有功分量与基波无功分量的映射值， 云、葛是三相负荷电流中有功与无功分量畸变成份的映射值。将公式( 2 7 ) 代入式 ( 2 2 ) 得到如下形式： l l a 1 l b l l c ( 2 8 ) 屯、岛经高通滤波环节，将直流分量艺、乏滤掉，得到交流分量云、石。 ( 2 9 ) 对公式( 2 2 ) 进行反变换，就可以得到a - b - c 坐标下的得到三相谐波电流的值。 z 口 l b h z c 卅嘲 ( 2 1 0 ) c f = w 亏l f 兰兰；譬c o s ：c o 主t 二；三；二：篓- 譬s i n ：c 主o t 二；扫 c 2 ， f f 式( 2 1 1 ) 中的口与、运算方式中的c g ，是一致的，其中c 2 ，= 岛。 量，则只需要令式( 2 2 ) 中的= o 且pn - i 。此外对于三相电压不对称，电压波形畸 1 2 c = ，j 2白0 + + 一0 1 。l 7 0 7 0 l l = 00 、-，j、【 第二章s a p f 的谐波柃测方法和控制策略研究 变的系统，该方法仍然有效；在电流不对称的情况下，对于三相三线制系统，上 述方法仍然有效，对于三相四线制系统，需要将零序分量从各电流中剔除，4 5 1 ， 然后重复各步骤即可，该谐波检测方法的原理图如下： l 血 l b l 厶 图2 - 3 改进的i p i q 谐波电流检测法原理图 f i g 2 - 3o p t i m i z e di p i qh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o np r i n c i p l ed i a g r a m 2 2 控制方式的比较与选择 为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制， 以下对并联型有源电力滤波器的三种控制方式【7 2 7 1 进行分析和比较。 2 2 1 检测负载电流控制方式 在2 1 节中介绍有源电力滤波器的基本原理时所采用的方法就是这种控制方 式，其原理图如图2 3 所示。其指令电流运算电路的输入信号来自需要补偿的产 生谐波的负载，所以称其为检测负载控制方式。这是最基本的一种控制方式，在 这种控制方式中，补偿电流能较好地跟踪指令电流。但是，在主电路电力电子器 件高频通断的过程中，会在其工作频率附近产生一些次数很高的谐波。因此为了 滤除这些谐波，一般情况下，都要在有源电力滤波器系统中设置由电感、电容、 电阻组成的高通滤波器。图2 5 为加入高通滤波器后并联型有源电力滤波器的单 相等效电路，在图2 5 中z s = r s + s l s 为电源的内阻抗，z h p f 为高通滤波器的阻 抗。负载电流i l 和有源电力滤波器电流i c 之和i d l 可以看作电流源。图2 - 6 为这 种控制方式的数学模型，其中g i ( s ) 是指令电流运算电路的传递函数。由上面的 分析可知，当有源电力滤波器只补偿谐波时，它将输入电流中的基波分量完全除 广东t 业大学硕士学位论文 去，而对于输入电流中的谐波分量，其放大倍数为1 。g a ( s ) 是补偿电流发生器的 传递函数，它可以看作是一个时间常数很小的一阶惯性环节。 6 a ( j ) 2 丽k a f ( 2 1 2 ) 其中k a f = i ，t a f = 0 0 7 m s 。 图2 4 检测负载电流控制方式原理图 f i g 2 4 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o n t r o l m e t h o db yd e t e t c i n gl o a dc u r r e n t i l 图2 5 检测负载电流控制方式的单相等效电路 f i g 2 - 5t h es i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t o ft h ec o n t r o l m e t h o db yd e t e c t i n gl o a dc u r r e n t ， 图2 - 6 检测负载电流控制方式的结构图 f i g 2 - 6t h ec h a r to ft h ec o n t r o lm e t h o db yd e t e c t i n gl o a dc u r r e n t g z ( s ) 是以i d l 为输入，以i 。为输出的传递函数，具体表达式如下： 1 4 第二章s a p f 的谐波柃测方法和控制策略研究 q = 瓦z 由p f = 一 g z 蜘毒专= 再b 2 孑s 2 + 百b l s + 瓦b o ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 舯却铲去+ 等= 专+ 兰嘻， ( 2 1 5 兰去，6 l ? 话i 岛霉i r ( 2 1 6 ) g ：( s ) 的幅频特性如图2 7 所示。可以看出，频率很高的高次谐波可以很好 地被滤除，但是在角频率o 处却发生了谐振，这将使得负载电流中频率在0 处附近的谐波被放大后流入电网，从而使电源电流中包含这些谐波成分，有源电 力滤波器补偿特性变差。这是该控制方式的主要缺点。 3 n o 1 too“j 图2 7 单相等效电路传递函数的幅频特性 f i g 2 - 7t h ea m p l i t u d e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s f e r f u n c t i o no fs i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc k c u k 2 2 2 检测电源电流控制方式 有源电力滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源电流成为正弦波。基于 此，可考虑检测电源电流、，而不检测负载电流，用指令电流运算电路求出电源 中的谐波，反极性后作为指令电流对补偿电流发生器进行控制。检测电源电流控 制方式的原理如图2 8 所示。由于检测的是电源电流，从而构成了闭环控制系统。 从理论上讲比开环系统有更好的补偿效果。检测电源电流控制方式的并联型有源 电力滤波器的单相等效电路图2 - 9 所示。这种控制方式的等效数学模型如图2 1 0 所示。 e 图2 - 8 检测电源电流控制方式原理图 f i g 2 - 8t h es c h e m a t i cd i a g r a m o f t h ec o n t r o lm e t h o db yd e t e t c i n gs o u r c ec u r r e n t 图2 - 9 检测电源电流控制方式的单相等效电路 f i g 2 - 9t h es i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i t o ft h ec o n t r o lm e t h o db yd e t e c t i n gs o u r c ec u r r e n t 图2 1 0 检测电源电流控制方式的结构图 f i g 2 10t h e c h a r to ft h ec o n t r o lm e t h o db yd e t e c t i n gs o u r c ec u r r e n t 图2 1 0 中的g i ( s ) 、g a ( s ) 、g z ( s ) 的含义与上面所讲的含义相同。而g ( s ) 是为 改善补偿特性而加入的校正环节。这里g ( s ) 采用的是一阶惯性一微分环节，其传 递函数为 1 6 第二章s a p f 的谐波检测方法和拧制策略研究 g ( s ) ：尘，( 2 1 7 ) 一 l + 2 奢 它具有真正的相角特性，将它串联接入系统中，将使系统增加正的相位移， 提高系统的相角裕量，从而提高系统的稳定性。该环节参数的选取对于系统稳定 性和谐波抑制特性具有重要作用。采用这种控制方式时对系统的电源电流构成闭 环控制。将影响系统稳定性的传递函数g z ( s ) 包括在闭环内，这样经过校正环节 g ( s ) 的校正，一方面提高了系统的稳定性，另一方面抑制了谐振。一般说来，为 了获得较好的谐波补偿效果，g ( s ) 应有较大的放大倍数，以增大系统的开环增益， 但是放大倍数过大会使闭环系统不稳定。所以检测电源电流控制方式的谐波补偿 效果虽然好于检测负载电流控制方式，但依然不能令人满意。 2 2 3 复合控制方式 把检测负载电流控制方式和检测电源电流控制方式结合起来，即同时检 测负载电流和电源电流，就可以得到复合控制方式。其原理图如下图2 1 l 所示 图2 1 1 复合控制方式原理图 f i g 2 - 1 lt h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o m p o u n dc o n t r o lm e t h o d 复合控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路和数学模型如图 2 1 2 所示，在这种控制方式中，同时检测负载电流和电源电流。其中根据负载电 流产生的指令信号对谐波补偿起主要作用，而电源电流和校正环节的作用主要是 抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振。因为电源电流闭环并不承担补偿谐波电 流的主要任务，所以放大倍数不必很大，这样可以使系统有较好的稳定性。可以 看出，复合控制方式综合了前两种控制方式的优点，是一种较为理想的控制方式 1 7 广东：业大学硕士学位论文 。这种控制方式的闭环传递函数为： g ( s ) ：墨磐警塑譬缨 ( 2 1 7 ) 一 1 一g z ( s ) q ( s ) q ( s ) g ( s ) 、 7 其中g i ( s ) = 1 ，将公式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 7 ) 代入可得后可对其进行详细分析。 根据文献 7 】的实验结果表明复合控制方式的补偿效果最好，检测电源电流控制 方式其次，检测负载电流控制方式的效果不好。所以本文采用复合控制方式。 图2 1 2 复合控制方式的单相等效电路 f i g 2 - 12t h es i n g l ep h a s ee q u i v a l e n t