（电气工程专业论文）三相四线制有源电力滤波器的单周期控制研究.pdf

华南理1 = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e h a v ea l r e a d yb e e na c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p f ) u s e da st h ei n d u s t r i a l p r o d u c t st os e r v i c es u c c e s s f u l l yi np r a c t i c a l3 - p h a s e3 - w i r ep o w e rs y s t e ms of a r ， b u tt h ea p f su s e di n3 - p h a s e4 一w i r es y s t e ma r es t i l lb e i n gr e s e a r c h e di nl a b o r a t o r y o n l y t h ec o n t r o lm e t h o d su s e d i na p f sn o r m a l l y a r e ：d e t e c t i n gh a r m o n i c c u r r e n t s ，t r a c k i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ec u r r e n t sa tt h es a m et i m e ，a n dt h e nd r i v i n g t h ei n v e r t e ri nt h em a i nc i r c u i tt oo u tp u tt h ec o m p e n s a t i n gc u r r e n t st ot h ep o w e r s y s t e mt h ec o n t r o lp r o c e s so b o v ei n h e r e n t l yh a ss o m et r a n s f o r m sa n dd e m a n d st h e c a l c u l a t i o n sw i t hh i g hs p e e da n dr e a lt i m e ，a n ds ot h ec a l c u l a t i o nw o r ki sv e r y h e a v y ，m a k i n gt h ec o s to ft h es y s t e me x p e n s i v ea n dt h ec i r c u i tc o n f i g u r a t i o n c o m p l i c a t e d ，l o w e r i n gt h es t a b i l i t i e s o ft h es y s t e m ，a n di n f l u e n c i n gt h ec o n t r o l p r e c i s i o nt oac e r t a i nd e g r e e ，o n e c y c l ec o n t r o li st h en o n l i n e a rc o n t r o l ，i ta p p l y s t h ec h a r a c t e r so ft h ei m p u l s ea n dn o n l i n e a r i t yo ft h es w i t c h e dc o n v e r t e rt or e a l i z e t h e i n s t a n t a n e o u sa n d d y n o m i c c o n t r o lt ot h e a v e r a g e v a l u eo fs w i t c h v a r i a b l e ，i e ，i tc a nm a k et h ea v e r a g ev a l u eo fs w i t c hv a r i a b l er e a c han e ws t e a d y s t a t eo n l yd u r i n gas w i t c h i n gc y c l ea f t e rt h et r a n s i e n ts t a t eo c c u r sa n dg u a r a n t e e t h es y s t e mt oh a v et h ef a s td y n o m i cr e s p o n s e t h et h e s i sh e r es t u d i e st h et h e o r ya n du n i t0 f3 - p h a s e4 - w i r ea p fw i t h o n e - c y c l ec o n t r o l ，a t t e m p t st oa p p l ya no n e c y c l ec o n t r o l l e r ，w h i c hb e i n gs i m p l ei n c i r c u i tc o n f i g u r a t i o nb u th a v i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fc o n t r o l ，t oc o n t r o lt h e a p fi no r d e rt o c o m p e n s a t et h eh a r m o n i cc u r r e n t ，z e r o s e q u e n c ec u r r e n ta n d r e a c t i v ec u r r e n ti n3 一p h a s e4 一w i r es y s t e me f f e c t i v e l y ，a n ds oi m p r o v et h ep o w e r f a c t o ra n dt r a n s p o r te f f i c i e n c yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n de l i m i n a t et h eh a r m o n i c p o l l u t i o ni np o w e rs y s t e m t h ep r o t o t y p eu s e so n e c y c l ec o n t r o lt e c h n i q u e ，w o r k s i nc o n s t r a n ts w i t c h i n gf r e q u e n c ya n di se a s yt ob ea p p l i e dt ou n d u s t r i a ls y s t e m t h et h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h et h e o r e ma n du n i to f3 - p h a s e4 - w i r e s h u n ta p fw i t ho n e c y c l ec o n t r o l ，d e s c r i b e st h ed e s i g nd e t a i l so ft h em a i nc ir c u i t o fa p f ，p a y sm o r ee f f o r t st os t u d yt h eo n e c y c l ec o n t r o l l e ro ft h ea p fa n dt h e c o n t r o l s t r a t e g i e so ft h ec o m p e n s a t i n gz e r o s e q u e n c ec u r r e n ti n s h u n ta p fo f 3 - p h a s e4 - w i r es y s t e m ap r o t o t y p eo f5k v aa p ff o r3 - p h a s e4 - w i r es y s t e mi s p r o v i d e dt oc e r t i f yt h er e l a t i v et h e o r ya n ds o m ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r eg i v e nt o d e m o n s t r a t et h ea p p l i c a b l eo ft h eu n i tm e n t i o n e dh e r e i i a b s 订a c t k e yw o r d s ：o n e - c y c l ec o n t r o l ；3 - p h a s e4 - w i r es h u n ta p f ；h a r m o n i cc u r r e n t c o m p e n s a t i o n ；z e r o s e q u e n c ec u r r e n tc o m p e n s a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：阳豇丰身狡日期：山噼事月，土日 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， 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。本人授权华南理上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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 彳i 保密豳。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：融幸1 丧日期：哆年；月工日 导师签名：学唿跳 日期：r 年多月修日 第一章绪论 第一章绪论 随着电力电子装置的广泛使用，大量具有非线性特性的负载投入电网运 行，将从电网吸收或注入谐波电流，产生大量的零序、负序和谐波电流，从而 引起电网电压波形畸变，这些非线性负载通常被称为谐波源。这些谐波源给电 网带来了严重的谐波污染和动态无功负载，导致供电系统中谐波干扰增大，造 成电网电压、电流波形严重畸变、负载严重不平衡、能量损耗增加、系统不稳 定等电力污染问题，成为影响供电质量的一个新的突出问题。为了保证电网的 供电质量，使系统安全、稳定地运行，抑制电力系统中的高次谐波就成为电力 系统改善供电质量，保证系统可靠性的一个有待解决的重要课题。以前主要采 用无源方式来补偿卜- 述有害电流，包括同步调相机、无源电力滤波器、静止无 功补偿器、零序和负序阻抗网络等。无源滤波器通常由电力电容器、电抗器和 电阻器串并联组合而成，其j ：作原理是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻 通路，以起到滤波作用。由于无源滤波器具有投资小，效率高，结构简单，运 行可靠及维护方便等优点，因此，无源滤波器是目前广泛采用的抑制谐波及无 功补偿的主要手段。但无源滤波器存在以下一些难于克服的缺点： ( 1 ) 仅对某些固定频率的谐波有较好的补偿效果，当谐波成分变化时， 补偿效果将受影响。 ( 2 ) 当系统阻抗和频率变化时，无源滤波器可能与系统发生并联谐振， 使该频率的谐波电流被放大，或发生串联谐振，使电源侧可能存在的谐波电压 向无源滤波器注入较大的谐波电流，导致整个滤波器系统无法正常工作，严重 时将导致局部电网的崩溃。 ( 3 ) 通过滤波器系统的电流除谐波电流外，尚有基波电流，因此，滤波 器的容量也相应地增加。 ( 4 ) 如果产生的谐波功率超过滤波器设计的额定值，会造成滤波器过载 而损坏。 1 1 有源电力滤波器的发展概况 随着大功率半导体开关器件的出现，有源电力滤波器 a p f ) 也就应运而 生。早在7 0 年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念，即利用可控 的功率半导体器件向电网注入与原谐波电流幅值等、相位相反的电流，使电源 的总谐波电流为零，以达到实时补偿谐波电流的目的。1 9 7 6 年美国西屋电气公 司提出利用大功率晶闸管组成的p w m 逆变器构成的在源电力滤波器以消除电 华南理工大学硕_ 上学位论文 网谐波。进入8 0 后代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器 件的不断进步和p w m 技术的成熟，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的 深入研究，特别是“瞬时无功功率理论”提出，极大地促进了有源电力滤波器 的发展，为有源电力滤波器的实用化提供了必要条件，使之在工业上得到了广 泛的应用。近年来，关于有源电力滤波器的研究和应用中，三相三线制有源电 力滤波器的发展较为成熟，已经有成功应用的实例，并取得了良好的补偿效果。 但三相四线制有源电力滤波器还处于研究阶段。 1 2 有源电力滤波器的基本原理和特点 有源电力滤波器是一种用丁动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电予装 置，它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，其应用可克服l c 滤波 器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。基本原理是从补偿对象电网电流 中检测出谐波电流，由补偿装置对电流进行跟踪控制，再驱动主电路逆变器 产生一个与该谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流。，经放火后注入电 路，补偿电网谐波电流分量，从而使电网电流只含基波分量，不含高次谐波。 图1 是最基本的并联型有源电力滤波器原理图。 ”_ _ 一一垂”_ 争一_ 一1 竺竺判 毕亨 匦 避蜀 图1 并联型有源电力滤波器系统框图 图中，负载为谐波源f ，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由 两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 包括电流跟踪控制 电路，驱动电路和主电路三部分) 。其中，指令电流运算电路的核心是检测出 补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路是根据指令电流 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，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。 第一章绪论 当需要补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载 电流的谐波分量f 。，将其反相后产生的补偿电流f ，与负载电流中的谐波分量 0 大小相等，方向相反，两者互相抵消，使得电源电流只含基波，不含谐波。 这样，就达到了抑制电源电流中谐波的目的。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，还要补偿负载的无功功率， 则就要在补偿电流中增加与负载电流的基波无功分量反极性的分量。这样，补 偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流中的基 波有功分量。 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点： ( 1 ) 实现了动态补偿，可同时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。 ( 2 ) 补偿无功功率的大小可做到连续调节。 ( 3 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振，能跟随电网 频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也4 i 会发生过载，并能正 常发挥补偿作用。即使在谐波电流超过补偿装置容量时，由于装置输出容量可 控，它可在其额定容量内继续运行。 因此，有源电力滤波器己被公认为是治理电网谐波的最有效的方法之一。 1 3 有源电力滤波器的类型 有源电力滤波器根据其与被补偿对象连接的方式不l 一而分为并联型有源 电力滤波器和串联型有源电力滤波器两种。 ( f ) 并联型有源电力滤波器 当有源电力滤波器的丰吲路与负载并联接入电网时，称为并联型有源电力 滤波器，如图2 所示。 华南理工大学硕士学位论文 图2 三相并联型有源电力滤波器原理图 在这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，它 可以实现的功能最为丰富灵活，能对谐波和无功功率进行动态补偿，其补偿特 性彳i 受电网阻抗的影响，是一种较好的补偿装置。但是，由于交流电源的基波 电压直接施加到变流器上，且补偿电流基本由逆变器提供，故要求逆变器具有 较大的容量，存在初期投资大、运行效率低的缺点。 ( 2 ) 串联型有源电力滤波器 当有源电力滤波器的主要回路与负载串联接入电网时，称为串联型有源电 力滤波器，如图3 所示。 图3 三相串联型有源电力滤波器原理图 其基本原理为。进行谐波补偿时，串联有源电力滤波器相当于受控电压源。 它产生的谐波电压与负载电压大小相等，方向相反，从而抵消负载产生的谐波 电压，使流入电嘲的电压接近正弦波，从而达到谐波补偿晌目的。虽然其具有 运行效率高以及电压源类型的负载有较好的补偿特性等优点，但却存在绝缘强 度高，难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，因此工 程实用性受到限制。 第一章绪论 ( 3 ) 混合型有源电力滤波器 由前面分析可知，只采用无源电力滤波器或只采用有源电力滤波器，都有 不同程度的技术和经济问题存在。因此，在研究滤波器的同时，人们也提出了 使有源装置容量降低的混合补偿方案，即混合型有源电力滤波器。其基本思想 是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于l c 滤波器与 有源电力滤波相比，其优点在于结构简单，易实现且成本低，而有源电力滤波 器的优点是补偿性能好，两者混合使用，既可克服有源电力滤波器容量大、成 本高的缺点，又可使整个系统获得良好的补偿效果。 同理，以其与补偿对象的连接方式分类，混合型有源电力滤波器可分为并 联混合型和串联混合型。在混合型有源电力滤波器中，无源电力滤波器分担了 大部分谐波，而有源电力滤波器不直接承受电网电压或负荷基波电流，对谐波 呈现高阻抗，面对工频呈现低阻抗，相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装 置，仅起改善无源电力滤波器的滤波特性的作用。因此，混合型有源电力滤波 器可降低治理投资，改善传统滤波器的技术性能，是未来抑制谐波的发展方向。 比较而言，并联型有源滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典 型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿 电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，并联 型有源电力滤波器表现出电流源的特性。而串联型有源电力滤波器主要用于补 偿可以看作电压源的谐波源，典型例子是电容滤波型整流电路，如上图3 所示 的变频器电压型谐波源。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电 压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为难弦波。串联型与并 联型可以看作是对偶的关系。而对于混合型有源电力滤波器而言，无论是并联 混合型有源电力滤波器还是串联混合型有源电力滤波器均适用于补偿电流型 谐波源，而不适用于补偿电压型谐波源。 1 4 有源电力滤波器的电流检测方法 只有迅速和准确地检测出有害电流，才能实时产生补偿电流。三相电路谐 波电流信号检测通常有以b - 几种方法： 1 频域检测法 ( 1 ) 基波电流减去法 此方法使用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中滤去，从而得到高次谐 波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但这样的有源滤波器功能单一( 只能 消除高次谐波) ，而且带阻滤波器是理想的模型，工程卜- 不可能实现。这种方 法多用于补偿效果要求不高的场合，不能适应现代电力系统的需要。 华南理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 频率分解与合成法 该方法的基础是傅里叶级数分析，将检测到的畸变电流( 或电压) 进行傅 里叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。由于 傅里叶变换需要进行大量的运算，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时 计算有困难，不适合实时控制。 卜述两种检测法会产生附加相移，导致输出信号波形畸变，并且当三相不 对称时，不能滤除基波负序电流。因此，频域检测法难以满足准确、实时性的 要求。 2 时域检测法 ( 1 ) 有功电流分离法 其于f r y z e 时域分析的有功电流分离法。其原理是将负荷电流分解为两个 分量：一个是与电压同频率i 刊相位的有功分量，它是负荷吸收的有功功率所对 应的电流分量；另一个分量作为广义无功电流( 含谐波电流) 。其缺点是获得 有功电流的幅值需要进行一个周期的积分，因此，所得到的“瞬时有功电流” 实际上是几个周期以前的瞬时有功电流，时间延迟较大。 基于鉴相原理的有功电流分离法。其原理如下： 设电源电压为m 。( f ) = u 。c o s t o t ， 则有 ( ，) = ，c o s ( o r + 0s i n o g t + ( f ) ； i f ( t ) = i a t ) 一oc o s g o t ； rr b a t ) = 6 ( t ) c o s c o t = 等( 1 + c o s 2 0 0 + 1 p fs i n 2 c o t + i h ( t ) c o s c o t ( 1 ) 上z 式中，玑0 分别是基波有功和无功电流值，f f ( r ) 是补偿电流。通过低通滤波 ， 器滤出异( r ) 中的直流分量二 ，放大两倍后与锁相环的输出c o s ( o 相乘得基波有 功电流，再与负载电流相减得到所需的补偿电流。该方法既简单又有效。 但以上两种方法在电压和电流不对称时，不能分离出负序分量，故不能检 测出全部有害电流，只适用于三相对称系统。 ( 2 ) 瞬时有功、无功功率运算法( 常规p - q 法) 基于瞬时无功功率理论的检测方法是近十几年发展起来的检测畸变电流 的有效措施，此方法基于坐标变换原理，用模拟电路实现。在检测谐波电流时， 因检测对象电流中谐波构成的不同和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但 延时最多不会超过一个电源周期，基本原理如图4 所示。 6 第一章绪论 图4 基于瞬时无功理论的检测方法原理图 其检测出的三相电压与负载电流经p a r k 变换到两相正交的口一坐标上， 然后根据定义算出p 、q ，滤除基波分量后得到高次谐波瞬时实功和虚功，再经 反变换即得三相补偿电流。当三相电压对称且无畸变时，p q 法能检测出全部 谐波及无功电流。但当三相电压不对称且含谐波时，p 、q 的直流分量中还将含 有与电压和电流中同频率同相序的渚波相作用产生的成分。因此，常规p - q 法 不能检测出全部有害电流。系统框图如图5 所示。 # 。 # ， ，j #f 】 j ， 图5并联型有源滤波器控制系统框图 巨r 1 1 2 1 2 舯，2 、i l o , g 2 4 9 2 j= 巴曼 可见，此方法的优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，具有很好的 实时性，系统频率特性不变，即使高次谐波增加，系统也不会过载，且不受电 网参数和负载变化的影响。在目前有源电力滤波器中，此法运用最多，但此法 分解合成所需的乘法器太多，成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波电流次数 较高时，需要较高的p w m 控制开关频率。 ( 3 ) 基于小波变换的检测方法 传统的傅立叶分析检测谐波电流法只能把信号分解为单个频率分量，并建 立起每一个分量的相对强度，却不能说明每一个时刻出现的频率成分以及各自 的含量，尤其对采样点之问的频率成分是无能为力的。由于在计算时需要一个 周期的数宁量，因此，滞后吲间至少有一个周期，不能满足实时性的要求。小 波变换正是在克服传统的傅立叶分析检测谐波电流法存频域完仝局部化而往 r b 匕 吃一吗 露 再盟隔一 。二翌 。，| i 。亏习习霉习葺羽疆 华南理t 大学硕士学位论文 时域完全无局总性的缺点上发展起来的。从应用上说，小波变换是一种时频分 析的工具，它在频域和时域同时具有局部性，能够计算在某个特定时间的频率 分布，再将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解为不同的频率块， 这样，通过小波变换就可求出基波电流，尤其适合非平稳信号的分析和处理。 ( 4 ) 自适应谐波检测方法 该方法基于自适应干扰对消原理，把电压作为参考输入，负载电流作为原 始输入，电压经自适应滤波器处理后，输出一个与负载电流革波有功分量幅值、 相位均相等的信号，将此信号从负载电流中扣除，得到高次谐波和无功电流分 量总和。有采用模拟电路制成的自检测单元，也有采用人工神经网络( a n n ) 构成的自适应滤波器。 ( 5 ) 基于d q 0 坐标系下广义瞬时无功功率的检测 有文献提出了三相电流广义瞬时无功功率新定义，通过将电流分解为相互 正交的两个分量而得到广义瞬时无功电流，并给出各种无功电流分量的测量及 补偿方案，但它不能检测出全部谐波有功电流。 ( 6 ) 改进的p q 法 其原理如图6 所示。首先将a 相电压经锁相环得到与电源相同的基波频率， 经正弦波发生器产生相角互差1 2 0 。、幅值相等的i 相基波正序电流辅助信号， 将其与i 相电源电压起经p - q 运算方式得到基波电压正序分量， 以便消除电源电压畸变对检测结果的影响，如图6 ( b ) 所示。其次，将电搓、 电流经坐标变换和运算求出p 、q 、p 0 的值，经高通滤波器得p 、q 的交流分量， 再反变换得出所要检测的有害电流，如图6 ( a ) 所示。该方法能检出谐波、基 波负序和零序电流。由于分离基波正序电压时采用了锁相电路、正弦波发生器 和p - q 检测法，凶而增加了电路的复杂性，实现比较困难。 夔 ( a ) 改进的p - q 法检测原理 ( b ) 其波正序电压检测器 陶6 改进的p - q 法原理图 8 口 f p 0 # 咚法 第一章绪论 = 历雠- 1 1 2 剖- 1 2 盯卜e b ；c a a o = 历聪1 ： 2 i e 。8 = c 叩e 曲私。8 0 = c a p 。l 。ab 阡i e a 驯乏 ； 阮 = 南匕i e a m ( 3 ) ( 7 ) i ，一f q 法 其原理如图7 所示。图中下标f 表示基波分量，首先为消除电压畸变对检 测的影响，采用锁相环和正余弦发生器来获得与三相电压基波分量同相信的卜- 余弦信号。然后算出j ，、，经l p f 滤波得出i r 、的直流分量反变换后得基 波正序分量，再与总电流相减得到补偿电流。如电流中含零序分量 毛= + + i c ) 3 ) ，只需将它从各电流中剔除，然后按上述方法求出基波正序 分量，再与总电流相减得到含零序分量在内的所有有害电流。该方法克服了电 压畸变对检测电流的影u 自，具有较好的实时性，计算量少，更适合屯流的快速 检测。 图7 基波零序、负序和谐波电流检测原理图 = 历 j 括- 1 - 肌1 2 ( 8 ) 窄通滤波器法 仁。i s 。i n 。c o t 一- c 。o n s 计t a l ca ， 仁| - c o s f s l n 国 。4 采用窄带滤波器n b p f ，让需要补偿的信号经过n b p f 得到基波l f 序分量， 螺肌 华南理工大学硕士学位论文 再将两信号综合便得出需要补偿的波形，如图8 所示。图中窗带滤波器由两个 基波还通滤波器联构成。该方法不用乘法器，响应速度快，能准确地检测出谐 波电流和负序电流之和。 图8 窄通滤波器法 ( 9 ) e q 闭环法 在f p i g 法中s i n c o t 、c o s g o t 一般都是由e o 经锁相环产生。当三相电压不对 称时，e 的相位是正序、负序和零序分量共同作用的结果，与巳实际正序分 量的相位存在一个相差，这样就造成补偿误差。因此，町能上能下入电压闭环 来消除相差，以达到锁定巳正序分量的目的。但该方法增加了电路的复杂性。 1 5 有源电力滤波器的控制方法 对有源电力滤波器的控制实际上就是对逆变桥的控制。通常采用跟踪型 p w m 技术，对电流的瞬时值进行反馈控制，其反应速度和控制精度都较高， 但它对器件的开关频率要求也较高。下面介绍j l 种控制方法。 ( 1 ) 三角波蛹制法 三角波调制法是最简单且常用的一种p w m 控制方法，如图9 所示。它将 凋制后的电流实际值与参考值之间的偏差与高频的三角调制波进行实时比较， 从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的开关频率固定，而且响应速度 较快，简单易行，对开关频率较高的系统有较好的控制特性。但高频的三角波 将使逆变器始终以高频状态工作，从而产生噪声并造成较大的开关损耗及高频 失真。 ( 2 ) 滞环控制法 第一章绪论 图9 三角波调制法 端 图1 0 滞环控制法 这种方法是给定一个允许容差带，当高次谐波的大小超过这个容差带时， 逆变器开关动作。但是，开关频率、开关损耗以及控制精度都会受容差带宽的 影响，容差带宽度越小，控制精度越高，同时开关频率和开关损耗也越大。一 般说来，滞环控制可获得较好的控制性能，它兼有快速响应，开关频率不太高 和简单易行的特点，所以被广泛使用。 该方法较多应用于电流跟踪控制，其原理如图1 0 所示。f 。，i 分别为参考 电流和实际电流，滞环比较器的环宽为2 i ，其中i 为设定的最大电流偏移。 i 超过f ，且偏移达到i ，滞环比较器将控制该相电路上下桥臂的丌通或关断， 这样就迫使电流不断跟踪给定电流的波形仅在允许偏差范围内稍稍波动，如图 1 1 所示。电流偏差的允许范围可用下式表示i ： i 一0 i a i ( 5 ) 此法属于实时控制方法，其优点是硬件电路简单，反应快，不用载波，输 出中不含特定频率谐波分量。其不足之处在于检测信号的传感器必须是具有很 宽的频带的高性能传感器。另外，滞环的环宽2 ，较难确定。环宽过大时，开 关动作频率降低，跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作 频率过高，丌关损耗增大，甚至会超过i 叮关断器件允许的j l ：作频率范围，导致 电路无法正常工作。 图1 1电流滞环跟踪控制 ( 3 ) 滞环控制的瞬时值比较方法 针对电流滞环比较法开关频率不定这。缺点，采用定时控制的瞬时值比较 华南理= 大学硕士学位论文 方式，如图1 2 所示。该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比 较器。每个时钟周期对参考电流与实际补偿电流的偏差信号判断一次，使得 p w m 信号至少需要一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超 过时钟频率的一半。电流指令信号i 。直接与实际电流t ，进行滞环比较，滞环比 较器输出的信号由d 触发器在等间隔周期t 。内采样并保持，由此得到一系列 脉冲来控制g t o 的开通或关断，使输出电流能快速跟踪给定电流指令i 。 通过限制d 触发器外部时钟频率，可限制g t o 的最高工作频率。这样，时钟 信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而右避免器伯开关频率过高的情 况发生。该方式的不足足补偿电流的跟随误差不固定。 时钟信号 图1 2 定时控制的瞬时值比较法 ( 4 ) 无差拍控制 它实际上是一种预前控制，其摹本思想是根据在第k 个采样时刻所检测到 的负载电流和补偿电流，计算第k + i 时刻的指令电流值及各种可能开关状态f 补偿电流的预测值，然后计算某种特定的f 1 标函数( 一般为指令值和预测值的 累计误差) ，选择目标两数最小的开关状态米作为k + 1 时刻的开关依据。尽管 这种方法作为逆变器p w m 的控制手段被提出来，但由于计算量很大，而且对 系统参数依赖性较大，用于有源滤波器这样一个非线性多变量系统还是很少见 的。 ( 5 ) 电压矢量法 空间电压矢量法( s v p w m ) 也叫磁通正弦p w m 法。它以j 相对称正弦 小组电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所 产生的实际磁通去逼所基准圆磁通，由它制的比较结果决定逆变器的开头，形 成p w m 波形。此法从电动机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整体，使 电机获得幅值恒定的圆形磁场( 正弦磁通) 。宅间电压矢量法定义合成电压矢 量为： 2 旷= u 。+ a + u 。d 2 ：a = p 7 了 ( 6 ) 第一章绪论 通过控制磁通或电压矢量导通时间，用尽可能多的多边形磁通去逼近正弦 磁通，来获得所需要得p w m 波形。具体方法又分为磁通开环法和磁能闭环法。 磁能开环法用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量。若采样时 间足够小，可合成任意电压矢量。此法输出电压比正弦波调制时提高l5 ，谐 波电流有效值之和接近最小。磁通闭环法引入磁通反馈来控制磁能的大小和变 化的速度，在比较估算磁通和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量， 形成p w m 波形。 1 6 有源电力滤波器的单周期控制 由上面的分析可以看出，有源电力滤波器的现行控制方法都或多或少地存 在着一些缺点。就检测方法而言，上述各种检测方法均需要有一定的变换，计 算量较大，且需要大量的乘法器及各种逻辑电路，电路结构复杂。以上所述的 常规p w m 控制法均存在一定缺陷，如三角载波带来波形畸变；滞环控制开关 频率变化；定时控制的补偿电流跟踪误差是变化的等等。本文应用一种新的控 制方法单周期控制法来控制三相四线制有源电力滤波器，却可取得有效的 补偿作用。 单周期控制法是一种新型非线性控制法，最早由美国学者k e y u e m s m e d l e y 和s l o b o d a nc u k 提出。其基本思想是：控制开关占空比，在每个 岗期内使丌天变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例，能在一个周期内 有效地抑制电源侧的扰动，从而消除稳态和瞬态误差。 传统的p w m 电路中，电力电子丌义器件在高电压下开通，人电流时关断， 处于强迫开关过程。这些电路结构简单、输出波形良好，但在高频状态下运行 会受到热力学、二次击穿、电磁干扰和缓冲电路等的影响。单周期控制法克服 了传统的p w m 控制方法的不足，适用于各种脉宽调制软开关、谐振开关等开 关逆变器，适合丁二电压、电流连续或断续控制模式。 而且，在开关逆变器中，传统的反馈控制通过线性调制占空比d 以消灭误 差。当电源电压或电路巾某部分有大的扰动，如出现一个大的阶跃变化时，占 空比d 不能瞬刚变化，因为误差信号必须先发生。因此输出信号将出现瞬时超 调，瞬时响应时间由闭环带宽增益决定，这样就需要多个开关周划才能达到稳 定。经典控制理论认为，由于元件具有惯性，瞬态跟踪必须要求系统具有开环 的无限增益，而这在线性控制领域是无法物理实现的，传统的p i 调节器等线 性控制方式在未取得开环无穷增益的条件下是无法达到瞬时控制的，而将非线 性控制的本质与开关电路有机地结合的译周期控制就能做到这一点。因此，应 用单周期控制技术的二相四线有源电力滤波器有优良的补偿特性，应用前景广 华南理t 大学硕士学位论文 阔。 1 7 本文研究的目的 目前，有源电力滤波器普遍使用的控制方法是：检测谐波电流，对电流进 行跟踪控制，再驱动主电路逆变器。其中所采用的方法需要一定的变换，需要 快速、实时运算，计算量较大，因此必须使用高速的数字处理器和a d 转换器， 导致系统的成本高，电路结构复杂，降低了系统的稳定性，而且控制精度也受 到一定的影响。 本文研究用单周期控制技术来控制三相四线制有源电力滤波器的理论和 装置，以求实现对三相四线制配电系统中的谐波电流、零序电流和无功电流进 行有效的补偿，达到提高配电线路功率因数和传输效率以及消除电网谐波污染 的目的。所设计的样机采用单周期控制技术，将使控制系统具有结构简单可靠， 控制精度高，补偿效果好的优点；滤波器工作于恒定开关频率，易于工艺应用， 且具有优良的动静态补偿性能，能有效地补偿系统中非线性负载中的谐波电 流、零序电流和无功电流，提高配电线路的电能质量。 1 8 本文所做的工作及内容安排 本文所做的工作包括如下内容： ( 1 ) 学习和熟悉有源电力滤波器的原理和结构、发展概况、类型、电流 检测方法和控制方法； ( 2 ) 学习单周期控制三相四线有源电力滤波器的原理和结构； ( 3 ) 研究三相四线有源电力滤波器中零序电流控制策略； ( 4 ) 分丰厅三相四线有源电力滤波器主电路的设计问题； ( 5 ) 研究三相四线有源电力滤波器的单周期控制问题，包括控制器的设 计、仿真、制作和调试。 全文共分为五章，内容简述如下： ( 1 ) 第一章：介绍有源电力滤波器的发展概况、原理和结构，电流检测 方法和控制方法； ( 2 ) 第二章：介绍单周期控制基本原理； ( 3 ) 第三章：介绍单岗期控制三相四线有源电力滤波器原理和结构： ( 4 ) 第四章：介绍单周期控制三相四线有源电力滤波器的丰电路设计问 题； ( 5 ) 第五章：研究三相四线有源电力滤波器控制器( 样机) 的设计、仿 模、制作和调试，并对实验结果做具体分析。 第一章绪论 ( 6 ) 第六章：研究三相四线有源电力滤波器中零序补偿电流控制策略。 华南理_ _ l 人学硕士学位论文 第二章单周期控制基本原理 开关变换器是基于脉冲型的非线性系统。该系统只要选择合适的脉冲控 制，动态响应的快速特点就会显现出来。它与通常的线性反馈系统相比，其受 输入电源波动的影响较小。但是目前大多数开关变换器所采用的控制方法是先 把模型方程线性化，再利用一个线性反馈回路来控制。通常的反馈电压控制是 通过改变控制脉冲的占空比来实现的。当输入电源电压产生波动时，占空比不 会马上改变，使输出信号不能迅速达到稳定状态。因为这种方法是先采样输出 信号，然后得到控制信号，最后才是占空比，对应的占空比变化才能使输 h 信 号向稳态方向变化。可见，这个过程需要重复很多次，需要经过很多个开关周 期，系统才能达到稳定状态，即不能充分利用开关非线性的特点来进行控制以 达到期望的控制效果。 美国华人学者s m e d l e y 提出了一种新型的控制方法一单周期控制法，它能 充分利用系统非线性的特点，使输出不受输入变化的影响，并且能在一个周期 内快速跟踪控制参考量，迅速达到新的稳定状态。 2 1 单周期控制技术 丌关变换器都包含有开关，在一个丌灭周期内，开关函数如下 r1 k ( t ) = l lo f 2 一】1 其中，t s 为开关周期。发输入信号为x ( t ) ，经过开关斩波后，开关输出函 数y ( t ) = k ( t ) + x ( t ) 。开关输出y ( t ) 的频率和宽度与开关的频率和开关控制脉冲 的宽度一样，占空比为d = t o n t s 。假设开关频率远远高于输入电源频率，则 可认为在每个开关周期内，输入信号是恒定的，可以得到： y ( f ) = j 1 。f o x ( r ) 衍x t s 譬”d i - d x ( t ) ( 2 2 ) 可见，开关输出等于输入信号与占空比的乘积，开关为非线性。如果调整 占空比，使开关变量平均值等于或正比于单周期控制参考量吃；。假设丌哭频 率也远远高于控制参考量夕的频率，则可认为在每个开关周期内，y 是恒 1 6 第二章单周期控制基本原理 定的。 令：r “x ( f ) d r = r o ) 廊 由式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 可得： 坤) = 去r x ( f ) 函= i 1r “( f ) 以= 比较器积分器 图2 1 单周期控制原理图 气玉 a t o | 随二5 y 二二= 图2 2 单调期控制恒频工作波形 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因此，这种控制使得个周期内丌关变量输出等于控制参考量? ，并且 开关变量输出y ( t ) 与输入x ( t ) 无关，只与夕有关。利用这种思想对变换器进 行控制，称为单周期控制。 单周期控制的一个很好的实现例子如图2 1 。其巾c 、r 与运算放大器组 1 7 华南理工大学硕士学位论文 成积分器。当变换器在t o 导通时，y ( t ) = x ( t ) ，积分器开始积分，积分值 沁) = 去f x ( f ) 防逐渐下降，工作波形如图2 2 所示。 c 口“m r 破o r i n t e g r a t o r 厂 一 分；0 。 彳l ) ： ：、 一爿一一卜1 一一v f e f i!i |一 t ot t t 2t3 i t ， 。) 图2 3 电流型单周期控制原理图及其l ：作波形 当v i n t 大于v r e f ，比较器输出信号不变。当t = t o n ，积分值降到吆￥，比 较器输出信号改变，控制器发出信号关断开关将积分器置零。由于开关关断， y ( t ) 变成零，积分器置零后没有电压输入，积分器保持为零；当t = t s 时，时 钟发出信号，使丌荚导通，y ( t ) = x ( t ) ，系统开始一个新的周期的工作。从图2 2 可以看出，如果v r e f 恒定，当x ( t ) 变化时，在o t t o n ，y ( t ) 随之变化，但这 样只能改变积分器积分斜线的斜率。y ( t ) 大时，斜率增大，v i n t ( t ) 在较短对问 内就达到v r e f ，因此比较器在很短时间内就发出关断信号，这就意味着占宁比 变小。这样y ( t ) 平均值不受输入波动的影响，而且动态响应快，个周期内就 能使y ( t ) 平均值保持稳定。 2 2 电流型单周期控制技术 图2 一l 介绍的是电压型的单周期控制技术，这种技术也可用于电流型的控 制，如图2 - 3 a ) 所示的b o o s t 变换器的例子。当开关s 导通时，开关电流线性上 升，积分器开始积分，此时积分值为： 啪) 2 壶如) a t 其中，k 为电流取样比例。 当v i n t = v r e f 时，比较器输出状态改变，触发r s 触发器，关断开关s ，s 端第二个脉冲再次触发r s 触发器，开关重新导通，丌始新的周期的工作。各 参数波形2 3 b ) 所示。 q 圮 ，b 咖 o 第二章单周期控制基本原理 由于单周期控制技术的优越性能，很多学者将单周期控制技术应用到各种 电路，以实现不同的功能。本课题应用单周期控制技术来控制有源电力滤波器， 对低压三相四线制电力系统进行无功和谐波补偿，以期使电力网的供电达到期 望的电能质量。 2 3 本章小结 本章介绍了单周期控制的原理。单周