（电气工程专业论文）电压外置渐变式控制策略在有源电力滤波器中的应用研究.pdf

摘要 随着电力电子技术和自动化技术的推广，有源电力滤波器f a c t i v e p o w e rf i l t e r ，a p f ) 的研究不断取得新的突破。如何研制出稳定、实用、 高性能和低成本的滤波装置已成为众多研发人员的共同目标。本文针对 目前广东省电力市场的现状，提出了一种基于d s p 控制系统和i p m 模块的 并联型a p f ( s h u n t a p f ，s a p f ) 方案。该s a p f 方案具有结构紧凑、高动态 和低成本的特点。根据该方案研制的样机已通过广东省科学技术厅的科 技成果鉴定，现正在生产厂家进行挂网试验。 本文简单介绍了s a p f 的工作原理、系统结构，详细阐述了主电路 的设计方法。根据相关文献，归纳总结了目前出现的谐波检测和系统控 制的各种方法。本文重点阐述了基于d q 坐标变换的改进型谐波检测方 法和基于数字p i 的电压外置渐变式控制策略，并对参考电压渐变的控制 效果给予了详细说明。该谐波检测方法可以在系统电压畸变和不对称的 情况下准确检测出负载电流中所含的谐波和无功电流，且可有效缩短软 件计算时间。基于数字p i 的电压外置渐变式控制策略可以保证交流器直 流侧电压在启动时刻平缓变化，此外还可保证系统对负载变化做出快速 响应。仿真和实验结果证明了该方法的有效性。 为验证上述方案的可行性，本文完成了一台容量为1 0 0 k v a 的s a p f 实验系统。主电路采用型号为7 m b p l 5 0 r a l 2 0 的i p m 模块作为变流器。 控制电路采用a d m c 4 0 1 和8 0 c 1 9 6 k c 双c p u 组成控制系统。其中，d s p 芯片a d m c 4 0 l 完成模拟信号采样、指令电流计算、p i 调节控制和p w m 驱动信号的产生等工作。8 0 c 1 9 6 k c 则主要完成键盘控制、显示输出、 数据保存和信号传送等功能。控制系统的采样电路和驱动电路在论文中 也有详细介绍。软件设计分别采用各c p u 的汇编语言完成。 实验结果验证了上述硬件电路和控制算法的有效性，为s a p f 的挂 网试运行打下了坚实的基础。 关键词：s a p f ；谐波；d - q 坐标变换；电压外置渐变式控制；i p m 模块 数字信号处理；a d m c 4 0 1 童三些奎兰堡圭兰堡兰兰 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fp o w e re l e c t “c7 1 1 e c h n o l o g y a n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e r ei si n c e s s a n tn e wb r e a k t h r o u g hi nt h e r e s e a r c hf i e l do fa p f ( a c t i v ep o w e rf i i t e r ) h o wt od e v e l o pak i n do f r e l i a b l ea n dp r a c t i c a l i t ya p fw i t hh i g h p e r f b r m a n c ea n dl o w c o s ti st h e c o m m o t a r g e t o fm o s tr e s e a r c h e r s a i m i n g a tt h e p r e s e n t s t a t u so f g u a n g d o n gp o w e rm a r k e t ，a na p fs o l u t i o nb a s e do nd s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) c o n t r o l s y s t e m a n di p m( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e )i s p r e s e n t e di nt h i st h e s i s i th a sc h a r a c t e ro fs m a l ls i z e ，h i g hd y n a m i ca n dl o w c o s t t h ee x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eb a s e do na b o v es o l u t i o nh a sp a s s e dt h e p r o d u c t i o na p p r a i s a lh o s t e db yg u a n g d o n gd e p a r t m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a n dn o wi ti sb e i n gt e s t e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l d t h i st h e s i s s i m p l y i n t r o d u c e st h e o p e r a t i o np “n c i p l e a n ds y s t e m c o n f i g u r a t i o no fs a p f ，a n dd e s c r i b e 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 b a s e do ns o 】吼ed 9 c u ! h e q 坞，l h ep u “息毗e 【c d ：b 正_ b a n u 溅c u 。l l 拈 d e t e c t i o n m e t h o d s ) a n dc s( c o n t r o l s t r a t e g i e s ) a r e c o m p a r e d ， t h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d t h i st h e s i se n l p h a s i z e so nt h e d e s c r i p t i o no fi m p r o v e dh c d mb a s e do nr o t a t i n gd qr e f e r e n c ef r a m ea n d g r a d u a lc h a n g eo fd c - 1 i n kv o l t a g ei no u t s i d ec o n t r o l1 0 0 pc sb a s e do n d 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 ee f 托c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l m e t h o dw i t hd c l i n kv 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 d h c d mc a na c c u f 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 fn o n l i n e a r l o a d su n d e rt h ec o n d i t i o n so fa s y n l m e t i i ca n dd i s t o r t e ds u p p l yv 0 1 t a g e ，a n d s h o f t e nt h es o f t w a f ec a l c u l a t i o nt j m e t h ep r o p o s e dc sc a ne n s u r ea p ft o s t a ns m o o t h l ya n dr e s p o n s et ot h ec h a n g eo fl o a dq u i c k l y t h ev a l i d i t yo f p f o p o s e dm e t h o da n ds t r a t e g yi s v e r i f i e db yt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s u l t s 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 ，a10 0 k v as a p f e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e i s b u i l t 7 m b p l 5 0 r a l 2 0 - t y p ei p mi s u s e da s 丌 c o n v e r t e rl nt h em a i nc j r c u i t t h ec o n t r o lc i r c u i tc o m p r i s e sad u a l c p u ( a d m c 4 0 1 8 0 c 1 9 6 k c ) s y s t e m t h ed i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r a d m c 4 0 1 p e r f o r m st h ef u n c t i o n o fa n a l o g u es i g n a l s a m p l i n g ，r e f e r e n c ec u r r e t s c a l c u l a t i n g ，d i 舀t a lp ic o n t r o la n dp w ms i g n a lg e n e r a t i n g t h em c u ( m i c r o c o m p u t e ru n i t ) 8 0 c 1 9 6 k cp e r f o r m st h ef u n c t i o no fk e y b o a r dc o t r o l ，l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) o u t p u t ，d a t aa c c e s sa n ds i g n a lt r a n s f e r i n g t h e s a n l p l i n gc i r c u i ta n dg a t ed r i v i n gc i r c u i ta r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i st h e s j s s o f t w a r ed e s i g ni sr e a l i z e db ya s s e m b l y1 a n g u a g eo fe a c hc p u t h ee x p e r j m e n t a lr e s u l t sy e r i f yt h ev a l i d j c yo fa b o v eh a r d w a r ec j r c u j t a n dc o t r 0 1a 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 p f ；h a r m o n i c ；r o t a t i gd qr e f e r e n c ef r a m e ；g r a d u a lc h a n g e o fd c - l j n kv o l t a g ej no u t s i d ec o n t r o ll o o p ；i p m ；d s p ；a d m c 4 0 1 i 第一章绪论 第一章绪论 本章首先简要叙述有关谐波治理的背景知识，其次介绍谐波的相关 问题和抑制方法，随后介绍有源电力滤波技术在国内外的研究现状和发 展趋势，最后介绍本文的主要工作及内容安排。 1 1 背景 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工 业、交通及家庭中得到了日益广泛的应用。这些典型非线性负荷从电网 吸收或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变。由于公用电网中的畸变 电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多 国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的 规定。目前，在欧洲采用i e c1 0 0 0 3 3 标准，北美采用i e e es t d5 1 9 标 准“，在我国采用g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波国家标准”。 在电力电子技术的应用中，直流输电、电气化铁道等技术不断发展， 大型轧钢机、大型电弧炉及各种大功率换流装置大量进入电网。这些电 力电子设备均是典型的谐波源。电弧炉在溶解碎料时产生不稳定的电弧， 会在电网中引起幅值占基波2 至7 的2 7 次谐波。其它电力电子设备 如晶闸管控制的电抗器也是重要的谐波源。这种晶闸管控制的电抗器在 一定条件下工作时，可以引起高达1 4 的三次谐波和其它至2 5 次的各次 谐波【l j 。另外一些负载如电视机、个人电脑和荧光灯之类的家用电器设 备，这些设备虽然单个的功率很小，但由于数量很大，由此对电网所造 成的谐波污染问题也不容忽视 3 】。 由电抗器和电容器组成的传统无源l c 滤波器可以在一定程度上抑 制电网中的谐波。但是这类无源滤波器最大的缺点是动态性能差、体积 大和容易引起谐振。因此，基于电力电子技术的有源电力滤波装置不断 受到人们广泛的关注。 经过数十年的发展，基于器件换流技术的串、并联型有源电力滤波 器或有源无源相结合的混合型电力滤波器的研究取得了很大的成绩，并 广东工业大学硕士学位论文 已成为f a c t s ( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，柔性交流输电系统) 的 一个重要分支。有源电力滤波器可克服l c 滤波器的缺点，实现动态抑 制谐波和补偿无功的功能。目前在国外，有源电力滤波器己进入实用阶 段。在我国，也有少量样机在试运行。为了早日实用化，国内应在容量、 成本、可靠性和运行费用等方面对a p f 提出进一步的要求。 1 2 谐波问题及其抑制方法 1 2 1 谐波问题 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的 注意。随着谐波危害的日趋严重，世界各国对谐波问题越来越关注。如 今，“谐波污染”已成为世界公认的电网公害。因此，谐波研究的意义就 显得非常重大。谐波研究的意义，首先在于消除谐波所带来的严重危害， 提高电能质量；其次在于促使电力电子技术自身不断发展；还可以上升 到从治理环境污染的氖度来认识，促进“绿色吨方电子1 的学科建设【4 】。 “ 谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波 的主要谐波源有3 4 】：( 1 ) 电力变压器的非线性励磁：( 2 ) 旋转电动机引 起的谐波；( 3 ) 电弧炉引起的波形畸变；( 4 ) 各种电力电子装置( 包含家 用电器、计算机等的电源部分1 产生的谐波。 其中，随着电力电子装置应用的日益增多和装备容量的不断加大， 这部分所产生的谐波比重也越来越大，目前己成为电力系统的主要谐波 污染源。 谐波对电力系统和其它用电设备可以带来非常严重的影响，主要危 害可归纳为【4 ，5 ，6 ：( 1 ) 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电 气设备过热、产生振动和噪声，使设备绝缘老化、使用寿命缩短甚至发 生故障或烧毁。( 2 ) 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐 波含量放大，造成电容器等设备烧毁。( 3 ) 谐波还会引起继电保护和自动 装置误动作，使电能计量出现混乱。( 4 ) 对于电力系统外部，谐波对通信 设备和电子设备产生严重干扰。 第一章绪论 在谐波危害及影响的分析方面有关文献已很多。随着谐波源种类和 分布的变化，也会有新的问题不断出现。 谐波带来的危害越来越被人们所重视。如何减少直至消除谐波已成 为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研 究课题。 1 2 2 谐波抑制方法 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本方法有两 种：一种是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源均适用；另 一种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1 ，这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。下面介绍两种 目前电力系统使用最广泛的谐波补偿装置。 1 2 2 1 l c 无源滤波器 l c 无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利 用l c 谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振回路的谐振 频率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其 不会进入电网，多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流。 这种方法简单易行，成本低，一直被广泛使用。但该方法有如下一些缺 点b j ：( 1 ) 对电力系统的阻抗变化很敏感。( 2 ) 对电网运行的频率变化很 敏感。( 3 ) 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。( 4 ) 补偿谐波的频率固定，不容易调整。 1 2 2 2 有源电力滤波器( a p f ) a p f 是一种动态无功补偿和抑制谐波的新型电力电子补偿器，由静 态功率变流器构成，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性。与 无源滤波器的最大区别在于：它向交流电网注入补偿电流，补偿电流的 广东工业大学硕士学位论文 幅值与负载注入电网的谐波电流大小相等，相位相差1 8 0 。，从而抵消 负载所产生的谐波电流。a p f 能有效的解决无源滤波器存在的缺点，是 电力系统无功补偿谐波治理的发展方向。 1 3 有源电力滤波技术研究现状及发展趋势 有源电力滤波技术的研究从2 0 世纪六七十年代起步发展至今，已在 理论和应用方面得到了很大的发展和推广m 。在国外，a p f 的研究以日 本为代表，已步入大量实用化的阶段。美国的罗宾康( 现己被被s i m e n s 收购1 、欧洲的a b b 和德国的s i m e n s 等大公司均有成熟的产品。我国 在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，目前很多大学及科研机构正积 极进行这方面的相关研究，部分单位已经研制出样机并投入试运行。但 由于用电机制以及成本等因素，在我国广泛应用a p f 还需要一段时间。 关于有源电力滤波器的控制理论主要包括两部分：谐波电流检测方 法和控制策略。前人在这方面已做了大量的工作，现将目前出现的各种 方法归纳如下。 1 3 1 目前各种谐波电流检测方法的比较分析 准确实时地检测出电网中瞬时变化的畸变电流，是提高有源电力滤 波器补偿精度的一个关键问题。查阅文献 7 ，8 ，9 2 4 ，可发现目前采 用的检测方法有：基于频域的运算法、基于现代控制理论的检测法、基 于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法、倍频调制电流检测法、基于小 波变换的电流检测法以及基于鉴相原理的瞬时电流检测法等等。这些谐 波检测方法可归纳如下： ( 1 ) 基于频域运算的方法 7 ，8 ，1 0 1 3 】这是最早应用于指令电流运算的 一类方法。其基本思想是用频域滤波的方法( 使用带通或阻通滤波器) ， 首先分离负载电流中的基波分量和谐波分量，然后再使用电路理论中的 计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。由于需要采 用锐截止的高阶带通滤波器，所以附加相移较大。另外，其滤波器特性 d 第一章绪论 对电网频率波动和电路元件参数也较敏感。所以该方法己较少采用，而 转向以快速傅立叶变换为基础的全数字频域滤波方法，并且能自动跟踪 电网频率的波动而自适应提取基波分量。但该方法仍存在较大时延、实 时性较差、补偿效果不好等问题。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法【8 其原理是将负载电流分解为 与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。 该方法的缺点为由于f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要 求得瞬时有功电流需要对一个周期的电流、电压进行积分运算，再加上 其它运算电路，要有几个周期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有 功电流”实际上是几个周期前的电流值，故该方法很少被采用。 ( 3 ) 同步测定法【1 4 l 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。 ( 4 ) 基于鉴相原理的瞬时电流检测法 1 5 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的信息。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。 ( 5 ) 小波变换法【l6 j 小波变换作为一种新兴的理论，时域特性具有良 好的局部性，而且由于其高频段采取逐渐精细的时频步长，可以聚焦到 分析对象的任意细节，但由于连续小波变换的快速算法和重构难以实现， 另外，小波函数的窗口能量不能集中，从而造成混叠现象，其频率中心 和半径并不满足二进条件，致使随着尺度的伸缩出现分频不到位的问题， 加重了混叠现象。因此，该方法的具体效果如何还有待深入研究和探讨。 ( 6 ) 自适应闭环检测法【l 7 】 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环 广东工业大学硕士学位论文 检测法，把电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，经自适应滤波 器处理后，输出一个与电压波形相同的有功分量信号，将此信号从负载 电流中剔除，得到高次谐波和无功电流之和。由于该方法把基波电流作 为噪声源，谐波电流作为信号源，构成一个闭环连续调节系统，故该方 法具有良好的自适应能力。 ( 7 ) 基于神经网络的谐波检测方法【1 8 1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。 ( 8 ) 基于单位功率因数的谐波和无功检测方法【”1 该方法利用复合 负载的概念，经过少量的计算提取出负载电流中的谐波和无功电流之和。 该方法不需坐标变换，可省去繁琐的计算，且适用于单相电路和三相不 对称、有畸变的电路。该方法的不足之处在于它只能得到谐波电流和无 功电流的总和，而不能单独得烈谐波电流分量。 ( 9 ) 基于瞬时无功功率理论的方法1 9 ，2 1 ，2 2 1 基于无功功率理论的运 算法是目前三相有源电力滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。 最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 4 年提出，仅适用于对称三相电路，后 经不断改进，现已包括p q 法、i p i q 法以及d - q 法等。p q 法最早应用， 仅适用于对称三相且无畸变的电网；i p i 。法不仅对电源电压畸变有效， 而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转p a r k 变换的d q 法不仅简 化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电 网。 1 3 2 目前各种控制策略的比较分析 查阅文献【2 5 4 2 】可知，目前关于有源电力滤波器的控制策略很多， 包括空间矢量控制、滞环电流比较控制、单周控制、无差拍控制、滑模 控制、重复控制、预测控制、模糊控制、人工神经网络控制和无源性控 6 第一章绪论 制。这些控制策略多以数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 技术为基础，能获取较高的计算精度，从而保证控制器进行实时补偿。 此外，文献【4 1 4 2 】对有源电力滤波器直流侧电压控制做了较深入的研 究，给出了直流侧电压控制对系统稳定性的影响。现对各种控制策略作 简单的归纳如下： ( 1 ) 空间矢量控制2 5 2 7 1空间矢量调制( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ， s v m ) 是将三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最接 近的三个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的 平均效果与参考矢量相等；其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢 量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波 的信息。 基于d s p 的积分空间矢量脉宽调制( i n t e g r a l p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，i p w m ) 控制方法由于引入了积分开关，变流器的开关频率 主要由开关积分矢量的误差允许范围决定，从而使得i p w m 可以从调节 采样频率、开关积分矢量误差允许范围以及目标区域位置和宽度几方面 优化控制策略。该方法简单易行，无需计时器，且输出电压频谱连续。 s v p w m 法对直流电压的利用率达到最高，与常规的s p w m 法相比， 它的极限输出电压可以提高1 5 4 7 。另外，这一方法中，一个控制周期 内，开关只要动作三次，有效地减少了开关的次数，从而减少了a p f 的 损耗，提高了效率。 ( 2 ) 电流跟踪控制4 ，2 8 2 9 1 电流跟踪控制( c u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o l ， c t c ) 是根据补偿电流的指令信号和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 m 信号，控制的结果 应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。目前电流跟踪控制主要有滞环 比较和三角波比较两种方式。滞环比较方式无需载波，跟随误差小，但 开关器件的开关频率是变化的。三角波比较方式跟随误差大，响应慢， 但输出电压所含谐波少，开关器件的开关频率固定。 ( 3 ) 单周控制 2 5 ，3 0 1单周控制( o n e c y c l ec o n t r o l ，o c c ) 作为一种新 型非线性控制法，基本思想是在每个控制周期内强迫开关变量的平均值 与控制参考相等或成比例，从而消除稳态和瞬态误差。将d s p 应用于采 7 广东工业大学硕士学位论文 用单周控制方法的a p f 中，可采用单周控制方式或离散单周控制方式以 及基于单周控制的a p f 双环控制策略。所有的控制过程d s p 实现单周控 制，完成采样、积分和复位控制以及变流器门极驱动信号的实时输出。 在使用d s p 控制a p f 时，调试方便，可以很快确定单周控制的设计参数， 控制系统稳定。然而，用d s p 来实现单周控制并没有充分利用d s p 的内 部资源，因此目前基于d s p 的单周控制方法的性价比不高。 ( 4 )无差拍控制 3 1 ，3 2 ，4 6 1无差拍控制( d e a d b e a tc o n t r o i ，d b c ) 方 法是根据系统的状态方程和当前的状态信息推算出下一采样周期的开关 控制量，最终达到使输出量跟踪输入量的目的。变流器的无差拍控制的 思路是通过电路理论求得确定脉宽的控制方法，借助微处理器进行脉宽 计算使变流器输出接近理想的正弦波形。由于脉冲宽度由控制方程根据 变流器当前的电路状态实时确定，因而该方法具有优越的动态性能。随 着数字信号处理单机片( d s p ) 应用的不断普及，这是一种很有前途的控制 方法。d s p 能满足无差拍控制的当拍计算、当拍输出的要求，克服采样 和计算延时的影响。但该方法也存在缺点，如计算量大，且对系统参数 依赖性较大。此外，由于动态晦应过快，如泵统模型不谁确，就有可能 进入不稳定区域。 ( 5 ) 滑模控制3 3 ，3 4 1滑模控制( s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) 是一种设 计与分析紧密结合、具有对模型不确定和对外界扰动不变化及鲁棒性强 等特点的控制方法，其原理是利用控制的不连续性，依靠其高频转换强 制闭环系统到达并保持在所设计的滑动面上。在一定条件下，滑动模对 于干扰与系统参数的变化具有不变性，这也是鲁棒控制所需解决的问题。 基于滑模控制技术的a p f ，首先利用瞬时无功理论对采样信号进行分析， 再进行滑模控制( 包括预设滑模面、测试滑模面的存在条件、滑模面内部 的稳定性分析) ，最后实现p w m 驱动信号输出。使用滑模控制可增强系 统的鲁棒性，即使在负载变化时直流侧电压也能保持稳定。然而滑模控 制的不连续开关特性容易引起系统的颤动，这种颤动可能将系统中存在 的高频成分激励起来，甚至使系统不稳定。 ( 6 ) 重复控制【2 5 ，3 5 ，3 6 1重复控制( r e p e t i t i v ec o n t r o l ，r c ) 来源于控 制理论中的内模原理，它将作用于系统外部信号的动力学模型植入控制 第一章绪论 器以构成高精度反馈控制系统，在系统周期不变的前提下重复控制器将 上一周期的控制误差应用到当前控制量的生成中，使其对周期性扰动具 有良好的抑制能力。采用重复控制的a p f ，控制部分由两条环路构成： 内环为电流控制环，作用是通过重复控制使电源电流与电源电压保持同 相位：外环为电压控制环，作用是在负载变化时保持a p f 的直流侧电压 稳定，用d s p 完成采样、a d 转换和p w m 波形输出，能有效抑制负载 电流中的高次谐波，并使电源电流很好地跟踪参考电流。但基于d s p 的 重复控制系统在设计时必须在稳定性和系统性能之间权衡，目前还缺少 解决该问题的优化方法。 ( 7 ) 预侧控制【3 7 预测控制( p r e d i c t i v ec o n t r o l ，p c ) 是一种基于模 型的优化闭环控制算法，它既利用当前和过去的偏差值，还利用预测模 型来预估未来的偏差值，并据此滚动确定当前的最优输入策略。预测控 制的基本原理可以从三个要素( 模型预测、滚动优化和反馈校正) 中体现 出来，这三个要素也是预测控制区别于其它控制方法的基本特征。基于 d s p 的a p f 预测电流控制方法，通过预测参考电流提高了a p f 的稳态 电流跟踪能力，抓补了采样带来的误差延时，如在p w m 波形输出和控 制时间之间进行精密协调，可取得很好的控制效果。 ( 8 ) 模糊控制【4 7 】模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ，f c ) 系统主要包括模糊 化、模糊推理、模糊判决三部分，其最大特点是将专家经验和知识表示 成语言控制规律，然后用这些规律去控制系统。模糊控制在a p f 中主要 用于电压跟踪控制和优化占空比上。对于a p f 这样非线性系统而言，建 立精确的数学模型十分困难又没有很好的解决问题的方法，采用模糊控 制能避开建立精确数学模型与复杂系统的矛盾，是一种较好的控制方法。 ( 9 ) 人工神经网络控制3 8 1人工神经网络fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ， a n n ) 是一个由简单处理单元构成的规模宏大的并行分布式处理器。神经 网络控制的主要特点是它的信息处理并行机制可以解决控制系统中大规 模的实时计算问题，且对复杂不确定问题具有自适应和学习能力。目前 神经网络在知识处理过程方面的应用研究规模还很小，还有许多问题有 待进一步解决。 ( 1o ) 自适应控制【3 9 】 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ，a c ) 的目标是使 广东工业大学硕士学位论文 控制系统对参数的变化，以及对未建模的动态部分不敏感。当过程动态 变化时，自适应系统试图感受这一变化并实时地调节控制器的参数或控 制策略。自适应系统主要有模型参考自适应控制m r a c ( m o d e l r e f c r e n c e a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 和自校正控制s t r ( s e l f t u n i n gr e g u l a t o r ) 系统两大类。 m r a c 主要在a p f 中用于谐波的检测和指令参考信号的修正，并取得了 良好的效果。目前，自适应控制在a p f 中的应用还处于初级阶段，虽然 这种方法具有对过程参数的变化以及对未建模部分的动态过程不敏感、 对动态过程变化的自适应性的优点，但作为一个实用化产品的控制方法 用于实际设计中，还需要经历一段研究和实际检验过程。 ( 1 1 ) 无源性控制【4o 】无源性控制主要集中在两个方面：利用无源 性理论获得补偿电流的指令信号，无源性控制能保证系统的稳定性，在 负载未知的情况下，能够实现选择谐波的完全补偿。利用无源性理论 获得调制占空比作为系统的控制信号。利用无源性方法可以充分利用物 理系统本身的结构特点，从一个全新的角度“能量守衡”去解决系统的 鲁棒性和稳定性，能保证a p f 控制系统中的稳定性。 今后，关于a p f 技术的砚究主要集中在以下凡”个方面f 即3 ，4 町： ( 1 ) 谐波及谐波检测理论的进一步研究谐波理论研究从以传统谐 波理论研究为主转向通用谐波理论。传统的谐波理论很少关注不同次谐 波之间产生的畸变功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电 力系统复杂化的客观实际，探索适用于复杂化系统的通用谐波理论以及 新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自身发展的需要，更是解决电力系 统谐波问题的客观需要。 ( 2 ) 进一步提高装置的性价比a p f 的容量与其它三相交流电力设 备的容量定义相同。由于a p f 的单位容量价格要远远高于无源滤波器， 为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低对a p f 的需求容量。目前的 主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤 除谐波源中主要的谐波电流，用a p f 来提高总体的补偿效果，这就是混 合型a p f 。这种混合型a p f 将无源和有源电力滤波器各自的优点结合在 一起，从而大大提高了装置的性价比。还有学者提出其它方法，如注入 回路方式等，主要目的也是降低对a p f 的容量需求，但未进入实用阶段。 1 0 帚一苹绪论 ( 3 ) 控制系统的简化a p f 为了达到较好的补偿效果和动态性能，除 了要求谐波检测部分实时准确外，还要求控制系统简单、实用和有效。 高速数字处理芯片d s p 的日益发展，使得许多基于现代控制理论的控制 算法成功应用到a p f 的控制中成为可能。文献 4 5 卜【4 9 】分别提出了许多 新颖的控制策略，力求充分发挥数字处理器的优势来实现控制系统的简 单实用化。 ( 4 ) 补偿装置的多功能化a p f 本身除能补偿谐波外，通过在控制电 路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。 有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取得了许多的研究成果。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文针对目前我国有源电力滤波器研究的发展现状，受开平市莱福 电气设备有限公司的委托，提出了一种基于电压、电流双环控制的紧凑 型并联有源电力滤波器设计方案。文中详细论述了作者自主研制的a p f 主电路的构建以及控制系统的软硬件设计。最后以容量为1 0 0k v a 的样 机实验为依据分析验证了a p f 的各项性能。本项课题研究的主要对象为 3 8 0 v 配电系统，其控制容量的设计目标定位在5 0 6 0 0 k v a ，旨在满足 大多数3 8 0 v 系统用户对凿波补偿的需要。 本文的内容安排为：第一章为绪论，主要介绍有源电力滤波装置研 究的背景、a p f 在国内外的发展现状及趋势；第二章论述a p f 的工作原 理和系统构成，并给出了主电路的设计方法；第三章详细分析了本文采 用的谐波电流检测方法和a p f 控制算法。第四章详细论述a p f 控制系 统的软硬件设计；第五章根据实验结果分析a p f 的性能；最后为结论与 展望。 课题来源：横向科研项目一广东省开平莱福电气有限公司“有源电 力滤波器”。 广东工业大学硕士学位论文 第二章a p f 的工作原理及结构 根据a p f 接入电力系统方式的不同，可将其分成串联型、并联型和 两者混合使用的统一型。串联型a p f 通过变压器耦合与负载串联接入电 网，主要消除电压型谐波源对电网的影响。并联型有源电力滤波器与负 载并联接入电网，主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补 偿。 a p f 可以使用电压型变流器和电流型变流器两种主电路形式。这里 作为主电路的变流器，既工作于逆变状态也工作于整流状态，所以本文 称之为变流器，而没有将其称之为逆变器。电流型变流器直流侧大电感 上始终有电流通过，大电感的内阻上将产生较大的损耗，因此只在特殊 情况下使用，如用在超导贮能磁体取代大电感器的补偿滤波器中。实际 中应用较多的是电压型变流器。 由于目前电流型谐波源在电网中的比例占大部分，实际应用的装置 多为并联型有源电力滤波器( s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ，s a p f ) ，所以在本 论文中主要对s a p f 进行研究，所研制装置也是三相s a p f 。 2 1s a p f 的基本工作原理 图2 一l 所示为s a p f 系统构成的原理图。图中，负载为谐波源，它 产生谐波并消耗无功。a p f 系统由两大部分组成，即指令电流运算电路 和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对 象中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测 电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电 流的指令信号，产生实际的补偿电流。目前主电路均采用p w m 变流器。 图2 一l 中，a p f 的基本工作原理为，检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流 发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及 无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流波形。 例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，a p f 检测出补偿对象 第二章a p f 的工作原理及结构 图2 1a p f 基本原理图 f i g 2 1b a s i cp “n c i p l ed i a g r a mo fa p f 负载电流t 中的谐波成分屯，将其反极性后作为补偿电流的指令信号 f 。，这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流f ，与负载电流中的谐波分 量k 大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流f ，中只含 基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理 可用如下的一组公式描述 = f l + f 。( 2 1 ) = 2 v + 肪 ( 2 2 ) 2 c = 一2 曲 ( 2 3 ) 。2 屯+ c2 ( 2 4 ) 式中0 为负载电流的基波分量。 2 2s a p f 的主电路设计 由上节a p f 的工作原理可知，有源电力补偿器实现的关键是：准确 检测谐波电流；有效确定控制策略：合理设计主电路。本节主要围绕主 电路各部分的设计来展开说明。s a p f 典型主电路结构如图2 2 所示。 c 图2 2 a p f 主电路结构图 f i g 2 2m a i nc i r c u i tc o n f i g u r a t i o no fa p f 由图2 2 可见，a p f 主电路包括交流侧连接电感、p w m 变流器、直流 侧电容器以及开关器件的缓冲吸收电路等部分。在此需要特别说明，通 常为维持直流侧电容上的直流电压在允许的范围内，可用三相全桥整流 电路供给，或采用专门的直流电源供给，亦可从变常藩器交流惯口通过变流 器反并联续流二极管组成的整流桥供电 50 1 。本系统采用后种方法，省去 了整流桥电路，从而进一步减小了系统成本。根据主电路构成可知，主 电路设计需要解决以下问题：( 1 ) 确定主电路的容量；( 2 ) 几个主要参数 的确定：连接电感l 、直流侧电容c 、直流侧参考电压u d s e 。的设计；( 3 ) 变流器开关器件的选择及其额定参数的确定；( 4 ) 按所选器件的要求设计 缓冲吸收电路，并设计整个装置的各种保护电路。 2 2 1 主电路的容量 如前所述，a p f 的容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。 因此它的容量配由下面公式确定 咒= 3 e ( 2 5 ) 式中e a p f 交流侧相电压的有效值： l a p f 交流侧相电流的有效值，即补偿电流的有效值。由于 1 4 第二章a p f 的工作原理及结构 补偿电流中包含谐波、无功和基波负序电流，因此定义 6 0 】 l = 巧+ + 霹+ 茸+ = 、艺+ e + ( 2 6 ) vm = 2 上式中，。为无功电流有效值，。为基波负序电流有效值，m ( m = 2 ，3 ，) 为补偿电流中的各次谐波电流有效值。 s a p f 与谐波源负载并联连接，其交流电压是相同的，因此装置容量 s 。主要由补偿电流，。的大小决定。而，。的大小与补偿对象的容量及补偿 的目的有关。当s a p f 只补偿谐波时有，。= j 即补偿电流与负载电流的