（模式识别与智能系统专业论文）有源电力滤波器建模与复合控制策略研究.pdf

r e s e a r c ho nm o d e l i n ga n di n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g y o fa c t i v ep o w e rf i l t e r 、e iy ，a n d i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a n g y o n ga n dc h e n gx i n g o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 0 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 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作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责任由本人承担。 论文作者签名：盈袒煌e l 期：型乡：s 丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：逊导师签名：望邈望日期：垫坦：乡 济南大学硕 ：学位论文 目录 摘要i i i a b s t r a c t 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义1 1 2 问题的提出一2 1 3 国内外研究现状2 1 3 1 有源电力滤波器研究现状2 1 3 2 有源电力滤波器控制方法4 1 4 本文所做的主要工作一4 1 5 本章小结5 第二章有源电力滤波器结构与基本原理 2 1 有源电力滤波器的基本原理一7 2 2 电流检测环节9 2 2 1 傅里叶分析法9 2 2 2 拓电流检测方法9 2 2 3d q 电流检测方法1 0 2 3 常用的控制方法1 4 2 3 1 三角波比较法1 4 2 3 2 滞环比较法1 5 2 3 3 空间矢量法1 6 2 3 4 无差拍控制法1 6 2 3 5 其它控制方法l6 2 4 本章小结1 6 第三章有源电力滤波器的建模。 1 9 3 1 三相a p f 数学模型的建立1 9 3 2 三相a p fd q 模型的建立2 l 3 3 本章小结2 2 第四章基于李亚普诺夫函数的a p f 控制方法 济南大学硕i ：学位论文 摘要 随着科技的发展，电力系统中非线性负载的应用逐渐增多，其特有的工作特性导 致电网中谐波污染日益严重。而目前各个行业对电能质量的要求越来越高。传统的谐 波补偿方法是使用无源滤波器，该方法响应时间长，运行不够稳定，并伴有产生谐振 的危险。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 ) 采用了i g b t 等大功率全控型器件， 能够更快速、更有效的补偿系统中的谐波；而且补偿容量不受装置容量限制，调节特 性更优。因此，有源电力滤波器在提高电能质量方面有着举足轻重的作用，它对提高 电力系统供电的安全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常运行和工农业生产的 持续高效，都有十分重要的意义。 合理有效的控制策略可以提高有源电力滤波器本身的补偿性能。传统的控制策略 主要有：时域中的滞环控制、线性电流控制和无差拍控制等，频域中的傅立叶分析方 法以及利用传统典型i 型和典型型系统性能指标的线性控制等。由于a p f 系统的 非线性描述，传统控制技术有诸如时间延迟较大、对控制参数敏感、不易实现等很多 不利因素，同时使用线性控制方法本身就不能客观的反映非线性系统的实际情况，从 而使得控制精度大大降低。 本文对有源电力滤波器进行建模，并提出了其复合控制策略。所做的工作 主要包括： 首先，查阅大量文献，掌握有源电力滤波器的原理，了解有源电力滤波器及其目 前所采用的各种控制方法的研究现状，优缺点。 其次，在充分研究有源电力滤波器工作原理、特性的基础上，本文选用基于开关 函数的建模方法并结合旋转坐标变换( d q 变换) 建立有源电力滤波器系统的数学模型， 该模型中开关函数分别表示为稳态值加波动值的形式。 再次，在深入研究有源电力滤波器现有控制方法的优缺点的基础上，针对其工 作时的非线性和不确定性，提出了一种基于李亚普诺夫函数理论的新型控制方法。该 种控制方法通过分别对开关函数的稳态值和波动值进行控制，得到相应补偿的开关信 号。该方法具有以下优点：谐波检测环节简单，计算量少；常规的基于d q 变换的有源 电力滤波器的控制方法般通过两个p i 控制器对系统进行解耦控制，然后按照线性理 论进行分析设计，无法准确的得到其运动规律，所提出的控制策略不依靠电路参数， 可以实现单位功率因数补偿，并且在计算过程中可消除耦合，省去了p i 控制器解耦环 u l 有源电力滤波器建模与复合控制策略研究 皇曼量曼曼! 曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼皇i 皇曼! 曼曼曼! 曼曼皇曼! 曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼皇量曼曼曼曼曼曼鼍曼璺曼曼曼曼曼鼍 节，使电路结构简化。本文考虑参考值不精确对系统的影响，并根据提出的平均误差 指标，共同确定控制参数a 的取值范围，使系统控制达到全局稳定。 最后，采用m a t l a bs i m u l i n k 搭建有源电力滤波器的仿真模型，对所提出的 控制方法进行仿真验证。将该控制方法应用于实验样机进行实验。仿真实验结果表明 基于李亚普诺夫函数的有源电力滤波器具有良好的补偿效果。 关键词：有源电力滤波器；李亚普诺夫函数；d q 变换；平均误差指标 i v 济南大学硕仁学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o no ft h en o n l i n e a rl o a d sb e c o m e s m o r ea n dm o r ep o p u l a ri np o w e rs y s t e m ，w h i c hb r i n g ss e r i o u sh a r m o n i cc o n t a m i n a t i o n c o n v e n t i o n a l l y , i n d u c t a n c e - - c a p a c i t a n c e ( l c ) p a s s i v ef i l t e r f i l t e r sh a v eb e e nu s e dt o c o m p e n s a t et h e s eh a r m o n i cc u r r e n t sa n di m p r o v ei n p u tp o w e rf a c t o r h o w e v e r , t h e yh a v e m a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sl o n gr e s p o n s et i m e ，l a c k i n gs t a b i l i t y , a n d t h er i s ko f r e s o n a n c e s c o m p a r e dw i mt h ep a s s i v ef i l t e r , a c t i v ep o w e rf i l t e r c a l l c o m p e n s a t e h a r m o n i c sm o r ee f f e c t i v e l y , w i t hf a s t e rr e s p o n s es p e e d ，b e t t e rr e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d a l m o s tu n l i m i t e dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t y t h e r e f o r e ，t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei ni n c r e a s i n gp o w e r s y s t e ms e c u r i t y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m y , a n de n s u r i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i c a l e q u i p m e n ta n de f f i c i e n c yi ni n d u s t r i a l & a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n r e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yc a ni m p r o v et h ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e o ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r t r a d i t i o n a l l y , t h em o s tc o m m o n l ye m p l o y e dc o n t r o la p p r o a c h e s f o rt i m e - d o m a i nc o n t r o l l e r sa r ec u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e s ，s u c ha sl i n e a rc u r r e n tc o n t r o l ， d i g i t a l d e a d b e a t c o n t r o l ，h y s t e r e s i sc o n t r o l ， a n ds oo n o nt h eo t h e r h a n d ， f r e q u e n c y - d o m a i nt e c h n i q u e sa r eb a s e do nf o u r i e ra n a l y s i sa n d o nt h el i n e a rc o n t r o lu s i n g t y p i c a lia n dt y p i c a li il i n e a r i z a t i o nm e t h o d t h e r e f o r e , w h e na p fs y s t e mi sd e s c r i b e d u s i n gt r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，t h e r ea r ea c c o m p a n yw i t ht h ee f f e c t so fl o n gt i m ed e l a y , h i g h l ys e n s i t i v et ot h e c o n t r o lp a r a m e t e r , d i f f i c u l tt or e a l i z ea n do t h e rn e g a t i v ef a c t o r s m o r e o v e r , u n a b l et or e f l e c tt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h en o n - l i n e a rs y s t e m s ，t h u st h ec o n t r o l p r e c i s i o ni sg r e a t l yr e d u c e d i nt h i s p a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o ra c t i v ep o w e rf i l t e r i sb u i l t ，a n da n i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sp r o p o s e d t h er e s e a r c hp r e s e n t e d m a i n l yo nt h ef o l l o w i n gf o u rp a r t s ： f i r s t l y , r e f e r r i n gt o e x t e n s i v er e f e r e n c e s ，t h ep r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri s m a s t e r e d ，t h er e s e a r c hs i t u a t i o n ，t h ea d v a n t a g e sa n dt h ed i s a d v a n t a g e so ft h ea p fa r e i n v e s t i g a t e d s e c o n d l y , b a s e do nt h es u f f i c i e n ts t u d yo nt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e v k e y w o r d sa c t i v ep o w e rf i l t e r ；l y a p u n o vf u n c t i o n ；d qt r a n s f o r m ；a v e r a g ee r r o ri n d i c a t o r v i 济南大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 自2 0 世纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力装置在电力系统、 工业、交通及家庭中的应用日益广泛，由于这些负载的非线性、冲击性和不平衡用电 特性，谐波造成的污染日益严重【1 瑚。 谐波污染的危害主要存在以下几个方面【4 棚： ( 1 ) 谐波引起电网中的各种元件如旋转电机、变压器产生附加的损耗和使元件发 热，影响电气设备的正常运行，产生噪声和谐波过电压，缩短设备的使用寿命。 ( 2 ) 谐波可能导致电网谐振，造成各种电气元件( 如电容器和电缆) 和设备的故 障，乃至损坏。 ( 3 ) 谐波会引起电力系统继电保护和自动装置误动作或拒动作。 ( 4 ) 谐波引起原有的电能计量方法不适用，使电气测量仪表的计量误差增大。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生一定的电磁干扰，产生噪声，使通信质量降低， 甚至使信息丢失，通信系统无法正常工作。 而另一方面，我们已经进入了数字化的信息时代，现代工业、农业、商业以及居 民用户对供电质量提出了更高要求。系统谐波和无功补偿已经成为电力系统领域所面 临的一个重大课题，受到越来越多国家和学者的关注，很多国家都对此给与了足够的 重视。因此，如何提高电能质量、治理谐波成为输配电技术中最为迫切的问题之一。 传统的谐波补偿装置采用的是l c 无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) 。它利用电感元 件、电容元件的谐振特性，在阻抗回路中分流，支路呈现低阻抗，从而减小电网谐波 电流。该方法由于具有成本低、技术成熟等特点而被广泛采用，但是也存在明显的缺 剧6 】，例如：只能对特定次谐波进行补偿；容易与系统发生谐振；补偿的动态性能差。 近年来，有源电力滤波器成为谐波抑制的一个重要趋势【l 】。有源电力滤波器在为 解决日益严重的无功和谐波污染问题方面发挥重大有效作用，而如何根据系统要求准 确的建立起a p f 的数学模型以及选择合适的控制策略是决定有源滤波器补偿性能好 坏的关键因素。 有源电力滤波器在提高电能质量方面有着举足轻重的作用，它能精确抑制电网中 的谐波电流，对提高电力系统供电的安全性、可靠性和经济性，保证用电设备的正常 运行和工农业生产的持续高效，都有十分重要的意义。因此，有源电力滤波器的研究 l 有源电力滤波器建模与复合控制策略研究 有很高的使用价值和广阔市场前景。 1 2 问题的提出 有源电力滤波器传统的控制策略主要有：滞环控制方式、三角波控制方式、空间 矢量法和无差拍控制等，在对系统建模和分析时常利用传统典型i 型和典型i i 型系统 求取系统参数和性能指标1 7 。2 2 1 。由于传统控制技术有诸如时间延迟较大、对控制参数 敏感、不易实现等很多不利因素，a p f 在工作过程中，是一个典型的非线性不确定系 统，如果按照线性理论对它进行分析和设计，线性控制方法本身就不能客观的反映非 线性系统的实际情况，从而使得控制精度大大降低【2 3 】。 采用非线性理论对非线性系统进行分析是近年来的一个研究热点。目前主 要的分析方法有：相平面法、李亚普诺夫法和描述函数法等，这些方法都已经 被广泛用来解决实际的非线性系统问题【2 4 1 。李亚普诺夫函数方法是研究非线性系 统的基本理论和方法，能够同时适用于线性系统和非线性系统，时变系统和时不变系 统，连续时间系统和离散时间系统。选择合适的能量函数可以使被控系统达到全局渐 近稳定【2 5 】。 1 - 3 国内外研究现状 1 3 1 有源电力滤波器研究现状 有源电力滤波器的基本原理是于1 9 7 1 年由h s a s a k i 和h m a c h i d a 最先提出 的【l 】。他们首次提出了的有源滤波器的原始结构模型，并建立了关于有源滤波器 的基本理论。所提出的有源滤波器的工作原理是向电网注入一个与负载谐波电 流幅值相等、相位相反的电流，来抵消了电网中的谐波电流，实现补偿的目的。 但由于当时采用的是线性放大的方法，产生小补偿电流，损耗大，成本高，因 而仅是用在实验室研究，未能在工业中实际应用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e c s t y a u l a 提出了采用p w m 逆变器构成的有源电力滤波器。这些采用p w m 逆变器构成的有 源电力滤波电路已成为现在有源电力滤波器的基本结构【2 7 1 。2 0 世纪8 0 年代， 随着电力电子技术和p w m 控制技术的飞速发展，有源电力滤波器的研究也逐渐 活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一【2 8 1 。1 9 8 3 年赤木泰文等人提 出的“三相电路瞬时无功功率理论推动了有源电力滤波器的发展及其在工程 上的应用【1 1 。 2 济南大学硕：l j 学位论文 - i l l 在国外，有源电力滤波器已广泛应用于工业和民用设备上，并且谐波补偿 的次数逐步得到提高，有的甚至可以高达6 0 次谐波；单机补偿装置的容量也在 逐步提高。如在日本和美国，a p f 的容量己增加到i o o m v a ，其应用领域从补偿 用户自身产生的谐波向改善整个电力系统供电质量方向发展。 我国对这方面的研究从2 0 世纪9 0 年代开始，逐步得到学术界和企业界的充 分重视，到目前为止，除少数几台a p f 已投入试运行外，其它大部分尚处于研究 阶段。如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发 与研究的有源高次谐波抑制装置，1 9 9 2 年在北京木材厂中心变电站投入工业运 行，但装置存在容量小，只能补偿几个特定次数的谐波( 5 、7 、1 1 、1 3 次) ，调 制载波的频率( 3 3 k h z ) 不高等缺点【2 9 】；河南电力局、清华大学联合开发的容 量为2 0 m v a 的静止无功发生器( 工作原理与a p f 相似) 在郑州孟砦变电站进行 了3 0 0 k v a 中间工业样机试运行，但该样机系统结构比较复杂，尺寸庞大，功耗 大，价值昂贵，难于推广应用；就大容量有源电力滤波器主电路的方法，西安 交通大学提出了四重化变流器，该方法有效的解决了容量和开关频率的矛盾， 不过，成本较高、技术实现难度大，且未有实际应用的报道【3 们。拥有号称一流“有 源电力滤波器”产品的西安赛博，于2 0 0 7 年9 月1 2 日，在第七届中国国际电力电 工及高低压电器展览会上推出了一流的“有源电力滤波器”产品。研制的有源电力 滤波器产品，单机容量范围1 5 1 0 0k v a ，已在用户现场挂网运行超过三年，填补 了国内空白；2 0 0 8 年，清华大学重点推广项目直流有源电力滤波技术，已 经为并联型直流有源电力滤波器提出了完整的控制策略，完成了该设备的初步 设计方案，目前仍处于实验室研究阶段。 总的来说，目前我国有源电力滤波的工业应用仍处在试验与攻坚阶段，特 别是在既要治理谐波又要进行无功功率补偿的混合型有源电力滤波器( h a p f ) 系 统上，还有许多理论与技术有待于进一步的研究【3 1 1 。 综合现阶段国内、国外对a p f 的研究与应用，可看出a p f 有以下发展趋势【3 2 】： ( 1 ) 采用混合型的有源电力滤波系统，降低装置的容量以达到降低成本和提 高工作效率的目的； ( 2 ) 随着电力电子器件的不断发展、微机控制技术的不断完善、数字信号处 理器( d s p ) 运算速度的不断提高以及补偿控制策略的不断改进，滤波器控制系统 的简化与数字化将会逐步实现，装置的可靠性将会进一步得到提高； 有源电力滤波器建模与复合控制策略研究 iii i ( 3 ) 随着谐波检测算法的智能化、多功能实用化，a p f 将实现多功能化，不 仅可以抑制系统的谐波，还可以补偿无功电流，稳定系统电压； ( 4 ) 谐波理论有待进一步研究，现有的谐波检测理论体系有待完善并建立相 关新体系，提出a p f 新的检测方法和控制策略，进一步发展在线监测谐波电流 的新技术和产品。 1 3 2 有源电力滤波器控制方法 a p f 的工作性能决定于主电路构成元件及其控制系统，而有效的控制策略可以提 高系统本身的补偿性能。目前大部分学者在设计系统控制策略时均采用线性化的方法 t 2 1 1 3 3 - 3 5 3 ，这势必造成一定的误差。文献 2 设计电压外环电流内环控制电路时，将系统 线性化成传统控制理论中典型i 型或典型i i 型系统，对a p f 进行控制，设计出的控制策 略会造成较大的补偿误差。文献 3 3 3 4 1 采用反馈线性化解耦，可以实际非线性系统 在较大范围内，甚至是全局内的线性化。但是由于a p f 的强非线性和一些不确定性因 素，不能精确得至i a p f 的模型，因此该方法不能保证系统的全局稳定性。文献 3 5 结 合自适应控制，在系统参数自适应辨识过程中，完成直流侧电压的控制和对谐波电流 的跟踪。但是当系统参数较多时，控制策略的实现变得复杂。 近年来非线性理论也广泛应用于有源电力滤波器控制系统的设计中【2 3 】【3 6 - 3 7 1 。文献 2 3 考虑a p f 开关器件的特性，利用的非线性动力性理论，建立了a p f 的切换系统 模型，但是文献在a p f 平衡点处对切换系统模型进行了线性化，仍然使用线性化模 型设计二次最优控制器。文献 3 6 】采用滑动模控制，可以使系统具有良好的瞬态特性， 并且具有很强的鲁棒性。但是滑动模控制中的滑动面技术基本都是基于跟踪误差，对 于滑动面的动态性能考虑的不多。文献 3 7 1 将现代控制理论中非线性系统的状态反馈 精确线性化方法与线性系统的变结构控制理论相结合，设计了非线性变结构控制器， 提高系统的暂态稳定性。 1 4 本文所做的主要工作 本文的主要工作包括： ( 1 ) 建立有源电力滤波器数学模型。三相有源电力滤波器的数学模型的建立可 采用以下两种形式：a ) 采用开关函数描述的数学模型，和b ) 采用占空比描述的数学 模型。采用开关函数的数学模型是对a p f 开关过程的精确描述，较适合于a p f 的波 形仿真，但由于这种模型包含开关过程的高频分量，因而很难用于指导控制器的设计； 4 济南人学硕 j 学位论文 占空比模型省略了开关过程的高频分量，较适合于低频数学模型，适合控制系统分析， 但不能进行精确的模型仿真。为了精确描述a p f 的动作情况，本文采用了开关函数 描述的数学模型，采用所提出的基于李亚普诺夫函数的非线性控制方法对控制器进行 设计。 ( 2 ) 制定合适的复合控制策略。将李亚普诺夫函数方法与传统的p i 控制方法相 结合制定了复合控制策略，该控制策略是在充分掌握现有控制方法的优缺点，采用非 线性理论中的李亚普诺夫函数第二方法建立起来的。与其它控制方法相比具有以下优 点：所提出的控制策略不依靠电路参数；计算过程中可消除耦合，省去了p i 控制器 解耦环节，使电路结构简化；谐波检测环节简单，计算量少；直流侧电容电压采用时 变参考函数，系统控制可达到全局稳定。 ( 4 ) 仿真和实验。以m a t l a b 中s i m u l i n k 为建模工具，搭建仿真电路，对有源电 力滤波器进行仿真，调试。通过所提出电流检测电路与传统的岛，d q 检测方法的比 较，验证该检测电路简单、计算量少，快速等优点；通过对仿真电路补偿效果进行分 析，验证了基于李亚普诺夫函数控制方法的可行性；而与三角波控制方式得到的补偿 结果比较，说明该控制方法的补偿效果优于传统的三角波控制方式。将该控制策略应 用到实验样机，实验结果证明了控制方法的正确性和合理性。 1 5 本章小结 随着非线性负载的增多，谐波造成的污染日益严重；而用户的供电质量的要求进 一步提高，有源电力滤波器可以补偿电网谐波，是目前谐波抑制的一个重要趋势。本 章首先介绍了选题的背景和意义；对有源电力滤波器的研究现状，其控制方法的研究 现状作了深入阐述；针对其在工作过程中，传统控制技术存在诸如时间延迟较大、对 控制参数敏感、不易实现等很多不利因素，提出了采用非线性方法解决工作过程中的 问题；最后归纳提出了本文所做的主要工作。 6 济南大学硕十学位论文 詈_ _ _ ! i m m m 皇曼皇曼鼍! 曼曼鼍曼曼曼曼鼍曼鼍皇皇曼曼曼! 量! 曼曼曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼量曼舅鼍 第二章有源电力滤波器结构与基本原理 2 1 有源电力滤波器的基本原理 常用有源电力滤波器的原理结构框图【1 1 如图2 1 所示： 图2 - i 有源滤波器原理结构图 图2 1 中，0 为电网电流，非线性负载为谐波源，屯为负载电流；采集负载电流， 实时检测出其中的谐波及无功电流分量，将其反作用后作为有源电力滤波器的指令电 流；由电流控制器控制a p f 的网侧电流屯，使其跟踪指令电流的变化，从而补偿电网 中的谐波和无功功率，使电网电流只含基波分量。 下面分别就并联型有源电力滤波器系统各个部分进行讨论。 ( 1 ) 指令电流运算电路 指令电流运算电路的主要作用是根据有源电力滤波器的补偿目的计算出补偿电 流的指令信号，即期望产生的补偿电流信号。指令电流运算电路的核心是谐波与无功 电流的检测方法。 ( 2 ) 电流跟踪控制电路 电流跟踪控制电路是根据指令运算电路计算得到的补偿电流指令信号f ，产生补 偿电流t 注入到交流电网，以达到有源电力滤波器抑制谐波和补偿无功的目的。它与 驱动电路和主电流共同组成补偿电流发生电路，如图2 2 所示。 7 的，但需要另外增设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统成本和 损耗删；另一种方法是通过适当的控制，利用装置自身完成升压过程，现行的一般方 法是利用p i 比例积分调节，将直流侧电压值调节到参考值处【3 9 1 。 图2 - 3 直流侧电压控制示意图 常用的直流侧电压控制可由图2 - 3 电路实现。图中是直流侧电容两端电压q 的给定值，【- c f 是虬的反馈值，二者之差经过p i 调节器后得到调节信号易。当采用 8 济南人学硕1 ：学位论文 =_ii i ii i _ _寡 昂一岛电流检测方法或d q 变换方法时，妨叠加到瞬时有功电流的直流分量f p 上，经运 算在指令信号e 中包含了一定的基波有功电流，从而使电力有源滤波器的直流侧与交 流侧可以进行交换能量，将虬调节至给定值。 2 2 电流检测环节 2 2 1 傅里叶分析法 傅里叶分析法【删是采用快速傅里叶变换( 简称f f t ) 求取各次谐波信号的幅值、 频率与相位的方法。当测量时间是信号周期的整数倍，采样频率大于n y q u i s t 频率时， 该方法具有检测精度高、实现简单、功能多且使用方便的优点，在频谱分析和谐波检 测两方面均得到广泛的应用。由于该种方法需要进行两次f f t 变换，因而会产生较长 的时间延迟，实时性不好，并且当电压波形畸变时将会带来较大的非同步采样误差， 影响对高次谐波的检测精度，而且该种方法无法同时检测出电网的无功电流。 2 2 2 易岛电流检测方法 岛岛谐波电流检测方法的原理图如图2 4 所示【1 1 。 图2 - 4 易- 谐波及无功电流检测电路 在图2 - 4 中，e a 为a 相电压瞬时值，其中， g ：= 瓜 三压- 1 - 肌1 2 协t ， 引入的正余旋函数发生器的变换矩阵c ， c ：i s l n 研 l c o s c o t 这里有功电流和无功电流乇定义如下： 9 ( 2 2 ) 1j 研 饼仂5 i 一 一 有源电力滤波器建模与复合控制策略研究 r 降i l 二捌- 1q i 4 s i n r a t 一- c o 蚴s c o d t l 嘲协3 ) 该方法的谐波检测过程如下：采用锁相环p l l ( p h a s e l o c k e dl o o p ) 对电网a 相 电压进行锁相，得到一组与a 相电压频率与相位均相同的正、余弦信号，得到变换矩 阵c 。三相输入电流。小之经过a b e 三相到口两相得变换后与变换矩阵c 相乘， 得到输入电流的有功电流f p 和无功电流0 。然后，矿经低通滤波器l p f 滤波后， 分别得到直流分量、，再经过一定的反变换，就可以得到三相电流的基波分量0 、 0 、0 ，最后用三相电流与三相电流的基波分量相减，即可求出三相谐波电流乙、 。用r q 法检测谐波和无功电流时，由于取s i n o ) t 、c o s 口o t 参与变换与反变换，所 以当电网电压有畸变时，其检测结果与电网电压无畸变时的情况一样，仍然是准确的。 易岛法的优点在于可以消除电压谐波和不对称电压的影响。 当需要同时检测谐波和无功电流之和时，只需将图2 - 4 中计算t 的通道断开即可。 而如果只需检测无功电流，则仅对i 。进行反变换即可。 采用f 。t 算法进行电流检测，能够准确检测出谐波电流，但算法中锁相环( p l l ) 内部结构十分复杂，占用d s p 处理时间且易受信号干扰，文献 4 1 提出了无p l l 电 路设计，仿真结果表明，无锁相环电路结构简单，使检测更加准确，提高了信号处理 的速率。 2 2 3d q 电流检测方法 通用矢量：当通用矢量，在a 、b 、c 三相轴上的投影恰好等于各相坐标轴电流的 瞬时值时，则屯，如，站可用通用矢量，描述。d q 电流检测方法是在d q 变化的基础上 根据通用矢量在不同坐标系下的变换投影得到的。本小节在推导“等量坐标变换和 “等功率 坐标变换的基础上，得出了d q 电流检测方法。 “等量”坐标变换，是指在某一坐标系中的通用矢量与变换后的另一坐标系中的 通用矢量相等的坐标变换。 1 0 研 删 n d 幽 吒 。l = 1j 济南大学硕一l ：学位论文 图2 - 5 ( d 、q ) 坐标系与( a 、b 、c ) 坐标系 ( 1 ) 三相静止坐标系( a ，b ，c ) 到二相静止垂直坐标系( d 、q ) 的变换； 坐标变换关系为： 逆变换为： 俳 m = 。= i m c o s o i mc o s ( o - 1 2 0 。) i = c o s ( o + 1 2 0 。) ：三( + + 之) j 1 4 k = m i 吵o o 矗 2 瓜| 2 ( 2 ) 三相静止坐标系( a ，b ，c ) 到二相同步旋转坐标系( d 、q ) 的变换。 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 9 9 一产协阳帕一嘭 郴 m 一+ o s一2凸l 和小压 = = i i k b 0 ，_tl-_i_i_，、iiiii-【 k 口 ，if1l 】刮胡11 ，ll厂彪彪2 乞0 【- b l=心一h一心。压“ 他 他2 2 2 州饥抛；：肌抛北肌m。一m 一 一 一 一 2 = l 0 彪 = 一 h m 2 2 “ 一 一 。l 有源电力滤波器建模与复合控制策略研究 b c 图2 - 6 ( d 、q ) 坐标系与( a 、b 、c ) 坐标系 在三相静止对称坐标系( a ，b ，c ) 中，e 、，分别表示三相电网电动势矢量和电流 矢量，并且e 、j 以电网基波角频率c o 逆时针旋转。为简化分析，将两相旋转坐标系 ( d ，q ) 中q 轴与电网电动势矢量e 同轴。若令矢量，与a 轴相角为) ，q 轴与a 轴相 角为9 ，有 所以， 尺( 秒) = r 。1 ( 秒) = m 秒，豳 c o s ( 0 - 1 2 0 。) s i n ( 0 - 1 2 0 。) 1 2 s i n 9 s i n ( 0 - 1 2 0 。) s i n ( 0 + 1 2 0 。) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 对比发现r - 1 ( p ) ( 秒) 、m - 1 m r ，因此r 。1 ( 秒) 、r r ( 乡) 、m 。1 和m r 均不是正 1 2 一 一 一产啊 秒伊一十 p p 一斗 d o 1 一0 w o h rn叫叫乒 l厶=， i i = l 0k 秒 屹 他 s 一 + l ；卜ho 烈叫 叫 乞l 厶 ， 亿k 、 1j 、i，、l， o 。 撕 l 1 ，- “ “ 他 秒 秒 1 ，jl、，i_、 s l o 秒 9 2 枷 柏 彪 优 一 ， 。l 2 3 旷 旷 z z 秒 屹 屹 s 一 + i ；卜 济甬人字坝t 掌位论又 交变换矩阵，这会对一些矩阵运算造成相应困难，为此在上面讨论的基础上，我们采 用等功率坐标变换方法。所谓“等功率”坐标变换是指坐标变换前后，功率相等 的坐标变换。 首先讨论m 矩阵的改造。令m 矩阵的正交化改造矩阵为g ：，设 g ：= 岛 1一l 21 2 0 撕 2 矗 2 也 如如 由于g ：为正交矩阵，则 = 解得， 毛= 挣吃= 去 因此，在“等功率坐标变换条件下，三相静止对称坐标系( a ，b ， 垂直坐标系( d ，q ) 间的变换矩阵和其逆变矩阵分别为： 斤 c 3 2 = 詈 l一1 2一l 2 0 撕2 压2 1 压1 压1 压 分岛= = 信 同理，可对尺( 力变换矩阵进行改造， 其逆变矩阵为： 厅 g 咖= 、片 yj 101 压 一1 2 一压21 压 一1 2 瓜21 厄 c o s o c o s ( o - 1 2 0 。) e o s ( o + 1 2 0 。) s i n 0 s i n ( o - 1 2 0 。) s i n ( 0 + 1 2 0 。) 1 汪1 压1 压 。岛，= 店 c o s 0 s i n 01 压 c o so - 1 2 0 。) s i n ( o 一1 2 0 。) 1 压 c o s0 + 1 2 0 。) s i n ( 8 + 1 2 0 ) 1 - , 压 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) c ) 到两相静止 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 结合上一节中讲到的岛岛谐波电流检测方法，我们可以推导出d q 电流检测方法 的原理图，如图2 - 7 所示。图中，函，岛分别表示谐波电流指令信号的有功分量和无 1 3 有源电力滤波器建模与复含控制策略研究 _i ii 功分量。 2 3 常用的控制方法 图2 - 7 d q 电流检测方法 为了使有源电力滤波器正常工作，达到要求的补偿效果，必须控制直流侧电容两 端的电压维持在足够高并且保持稳定，以保证有源电力滤波器在没有补偿电流输出时 各桥臂的二极管反向偏置，并且在进行动态补偿的任何时刻根据控制要求输出所需的 补偿电流。 电流控制电路是根据补偿电流指令信号与实际补偿电流之间的相互关系，得出控 制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的p w i v l 信号，以确保补偿信号跟踪指令 信号的变化。本节将主要介绍有源电力滤波器现在常用的几种控制方法。 2 3 1 三角波比较法 信号 三角波 斛 图2 - 8 三角波比较控制 三角波比较法1 1 的原理图如图2 8 所示，这种方式是将指令信号f 与i c 的偏差缸， 经放大器放大后，再与三角波进行比较。放大器通常采用比例放大器或着比例积分放 大器。这样组成的控制系统是控制馘为最小来进行设计的。 但是三角波比较方式存在如下缺点： ( 1 ) 硬件比较复杂； ( 2 ) 跟踪误差较大； ( 3 ) 输出电压中所含的谐波较少，但是含有与三角载波同频的谐波； 1 4 济南大学硕l ：学位论文 ( 4 ) 放大器的放大增益有限； ( 5 ) 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率； ( 6 ) 电流响应较瞬时值比较方式慢。 2 3 2 滞环比较法 采用滞环比较器的瞬时值比较方式【1 1 的原理图如图2 9 所示。 w m 信号 图2 - 9 滞环比较法 该控制方法是将补偿电流指令信号t + 与实际的补偿电流信号t 进行比较，两者的 差缸作为滞环比较器的输入，产生控制主电路中开关通断的p w m 信号，该p w m 信号 送给驱动电路，控制开关器件的通断，从而控制补偿电流t 跟踪其指令信号的变化。 滞环比较控制方式具有如下特点： ( 1 ) 硬件电路简单，可以采用模拟电路实现； ( 2 ) 实时控制，电流响应快，但是，电流脉动比较大； ( 3 ) 无需载波，输出电压中不含特定频率的谐波成分； ( 4 ) 属于闭环控制； ( 5 ) 当滞环宽度固定时，电流跟踪误差范围固定，但是电力电子器件的开关频率 是变化的。 该控制方式中，滞环的宽删补偿电流的跟踪特性影响较大。当日较大时，开 关通断的频率，即电力半导体器件的开关频率比较低，故对电力半导体器件的要求不 高，但是跟随误差较大，补偿电流中含有高次谐波。反之，当日较小时，虽然跟随误 差较小，但是开关频率较高。 针对滞环比较控制方式的这一缺点，存在两种解决方法。一种解决的方法是设计 滞环比较器的宽度可随电流的大小自动调节；另一种方法是采用定时控制的瞬时值比 较方式。前一种解决方法的设计思路很复杂，后一种方法是用一个时钟定时控制的比 较器来代替滞环比较器。每个时钟周期对其判断一次，使得p w m 信号需要至少一个 时钟周期才会变化一次，从而器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时 钟信号的频率限制了器件的最高上限频率，避免了器件开关频率过高的情况。而且该 l s