（电力电子与电力传动专业论文）基于lcc谐波检测算法的有源电力滤波器设计.pdf

硕十论文摹于l c c 谐波拎测算法的有源电力滤波器设计 a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e so nt h ed i s t o r t e dc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h e l e a s tc o m p e n s a t i o nc u r r e n t t h ep a p e rg i v e sd e t a i l e dd e d u c t i o nt ot h ep r i n c i p l eo ft h e a l g o r i t h mt o r e a l i z ed e e ps i m u l a t i o ns t u d ya n df a m i l ya p p l yi tt ot h et h r e e 。p h a s es u p p l y s y s t e m t h ep a p e rf i r s tg i v e sag e n e r a li n t r o d u c t i o nt ot h ee x i s t i n gh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n a l g o r i t h m s , a n dp o i n t so u tt h e i rl i m i t a t i o n sc o n c e r n i n gt h er e a l - t i m ep r o p e r t ya n dd e t e c t i o n p r e c i s i o ne r e b a s e do nt h el o a d e dc u r r e n ta n a l y s i s ，t h ea l g o r i t h mo ft h ep r e s e n tp a p e r i s p r o p o s e d t h ea c c u r a c y a n df e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h mh e r e i ni sp r o v e dt h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t r i c tm a t h e m a t i cd e d u c t i o na n ds i m u l a t i o ns t u d i e sp e r f o r m e do n t h ea l g o r i t h m b a s e do nt h es t u d yo fh a r m o n i cd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dt h es i m u l a t i o ns t u d yt ot h e a c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e mw i t hs i m p l o r e r 6 0s o f t w a r e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g na r ec o n d u c t e do nt h ea c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e mt od e v e l o pap a r a l l e la c t i v ep o w e r f i l t e rs a m p l e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n l c ch a sh i g hd e t e c t i o np r e c i s i o na n dr e a l t i m ep r o p e r t y , a n da l s os h o wt h a tt h ea c t i v e p o w e rf i l t e rs y s t e md e s i g nh a sf i n ec o m p e n s a t i o ne f f e c t s k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , t h e d e t e c t i o na l g o r i t h mo f l e a s tc o m p e n s a t i o nc u r r e n t , h a r m o n i cc u r r e n t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , h y s t e r e s i sc o n t r o l ，p w m 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：a 移绰钥挪日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：筮走 枷年6 月知日 颧十论文基于l c c 谐波检铡算法的有源电力滤波器设计 1 绪论 1 1 概述 目前，电力己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。在理想电力系统中，电源是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z 或 6 0 h z ) 、正弦函数的变化规律向电网供电。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。如果负载是非线性的，通过负载的 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。 电力系统的谐波问题早在1 9 2 0 1 9 3 0 年间就引起了德国科学家的注意，r e a d j c 在1 9 4 5 年发表的有关变流器谐波的论文是最早有关谐波研究的经典论文口l 。2 0 世纪 5 0 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，对变流器谐波问题的研究有大量文章 发表。但这些问题在过去还未对电力系统产生严重危害，因此没有引起电力和供电部 门的重视。近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上 的广泛应用，包括大功率整流在电气化铁道上的应用，电弧炉在炼钢中的应用等，各 种非线性负荷的大量增加，造成了电力系统中电压、电流波形的严重畸变；电力系统 的谐波对电力设备、电力用户和通信线路的有害影响已经十分严重。世界上许多国家 包括我国在内都己先后制定出相应的国际标准和国家标准加以限制，定期召开有关谐 波问题的学术讨论会，国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议部相继组成了专门 的工作组，已经并正在制定包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的 谐波标准，并已将谐波干扰问题列入电磁兼容范围之内。 1 2 谐波含义及其产生 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1 2 1 ”。所以，谐波次数必须为整数。如：我国电力系统的额定频率是 5 0 h z ，则基波为5 0 h z ，2 次谐波为l o o h z ，3 次谐波为1 5 0 h z ，等等。由于谐波的频 率是基波频率的整数倍，所以也常称它为高次谐波。 谐波的产生主要足由于大容量的整流或换流设备，以及其他j 线性负载造成。系 统中的主要谐波源可分为两大类：一是含半导体非线性元件的谐波源；二是含电弧和 铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、p q , i 变 颂士论文摹fl c c 谐波榆测算法的有源电力滤波器设计 频器以及节能和控制用的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机，日光灯、 变压器等。数量庞大的家用电器分属于上述两类谐波源，是不可忽视的谐波源。电气 铁路机车采用的大容量单相整流供电设备，不但产生大量谐波电流，还对供电系统产 生不平衡负荷和负序电流、电压。这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，并 对电力设备及通信线路和电子设备产生危害和干扰。 1 3 谐波的危害 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电网、电力设备及其他系统的危害是非 常严重的。特别是近三四十年来，功率半导体器件的广泛应用，使得公共电网的谐波 污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生。归纳起来谐波对公共电网和 其它系统的危害大致有以下几个方面 3 1 ： 1 ) 谐波会引起谐振和谐波电流的放大。为了补偿负载的无功功率，提高功率因数， 常在负载处装并联电容器；为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器， 此外，为了滤除谐波，会装l c 滤波器。工频时，电容器的容抗比系统的感抗大得多， 不会发生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生 并联谐振或串联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，常常使电容器和电抗 器烧毁。日本的统计数据显示，电容器和与之串联的电抗器烧毁在谐波引起的事故中 约占7 5 。 2 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗。 3 ) 影响电气设备正常工作。谐波对电机的主要影响是引起附加损耗，从而产生附 加温升，当发电机中谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发 电机的强烈机械振动并伴有强烈的噪声。 4 ) 谐波电流流经变压器时，除引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、外层硅 钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热，谐波也使变压器噪声增大。 5 ) 谐波会引起电缆浸渍绝缘的局部放电、介质损耗和温升的增大。电缆的分布电 容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负荷下当电网电压上升而使谐波电压也升高 时，电缆很容易出故障。 6 ) 谐波对通信线路的干扰主要是通过祸合、电磁感应和电气传导。话音的频带范 围是5 0 0 h z 3 k h z ，在这范围内的谐波部会影响通话质量。 7 ) 谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，构成了电网线损的一部分，对电 网的经济运行很不利。 8 ) 谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会有影 响，使测量仪计量不准确，降低了测量数据的准确性和可靠性。 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 2 颂十论文 基于l c c 谐波榆测算法的肯源电力滤波器设计 视，不少国家制定了针对电力系统谐波和用电设备谐波的国家标准。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h ：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 一1 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。 i 4 谐波抑制策略 目前解决谐波问题的思路主要有两条【3 】：一条是从产生谐波的谐波源本身入手， 在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，以减小电网的谐波注 入量。如增加谐波源整流装置的脉动相数、采用p w m 调制技术或软开关技术、采用有 源功率因数技术等都可以降低整流装置产生的谐波成分。对谐波源本身进行改造是一 种积极有效的谐波消除方法，但它仅仅是对自身性能的改进，无益于已有电网性能的 改善。因此，对已有投入运行的系统进行谐波抑制，必须采用另一种途径，即加装谐 波抑制装置，如无源滤波器或有源电力滤波器。 l 、无源滤波器。针对谐波问题，传统方法是采用l c 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，起旁路谐波的作用。l c 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，因此至 今仍是应用最多的方法。但这种方法有如下不足【5 j ：它的补偿特性易受电网阻抗和运 行状态的影响，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。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的为 有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器抑制谐波是今 后的一个发展趋势。 2 、有源电力滤波器。有源电力滤波器例( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 也是 一种电力电子装置。图1 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中， p 表示交流电源，负载为谐波源。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( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构 成) 。其中，指令电流运算电路的核心足检测出补偿对象电流中的谐波分量，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。 顾十论文 基于l c c 谐波榆测算法的肓源电力滤波器设计 图1 1 并联有源电力滤波器系统构成 图1 1 所示的有源电力滤波器的基本工作原理是：检测出负载电流f ，中的谐波电 流，将其反极性后作为补偿电流的指令信号e ，由补偿电流发生电路产生的补偿电 流i 。即与负载电流中的谐波分量大小相等、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。 这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻 抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。有源电力滤波器 和传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有： 1 ) 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； 2 ) 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； 3 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿 作用； 4 ) 受阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； 5 ) 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： 6 ) 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。 要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性，需要a p f 具有较大的装 置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技术等的限制，这势必使 得装置初始投资变大，并且大容量的有源电力补偿还将带来更大的损耗，大的电磁干 扰以及制约a p f 的动态补偿性能等问题。因此，为了充分利用有源电力滤波器( a p f ) 和无源l c 滤波器各自的优点，来达到扩大容量，降低成本和提高性能的目的，提出 了各种混合型有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r - 姒p f ) ，并己付诸实践。 表1 1 【6 】对三种类型滤波方法进行了定性比较。由于可能发生谐振和运行中元器件过 载，无源滤波器的可靠性和滤波效果为三种之中最差。常规a p f 滤波效果好，但价格 和开关损耗最高。综合相比之下，三种方法中，h a p f 的性价比最好。 4 锄十论丈摹fl c c 谐波榆铡算法的有源电力滤波器设计 表1 1 无源滤波器与常规a p f 及h a p f 比较 因此，采用a p f ( h a p f ) 就地或集中抵消谐波源产生的谐波电流，是消除或限制 电力系统谐波污染的一种有效的手段，也是今后的一个方向和趋势。 1 5 有源滤波器的发展及研究现状 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成，8 0 年代以来，由于大中 功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 控制 技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出f 7 8 】，有源 电力滤波器才得以迅速发展【9 】o 国外主要以日本为代表，有源电力滤波器已步入大量实用化的阶段。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。日本富士电机从1 9 9 1 年起即开发有源电力滤波器产品投放市场。1 9 9 4 年9 月 日本通产省资源能源厅制定出“抑制高次谐波规程”。1 9 9 6 年富士电机又生产出适用 于小容量( m i n i ) 的有源电力滤波器供应市场受到各方好评。1 9 9 8 年又开发了上述 m i n i 的上位机，即新型有源电力滤波器f u j i a c t 2 0 0 4 0 0 a 系列。该系统所用的电路 和部件与通用变频器可以互换，单机容量从5 0k v a 到最大4 0 0k v a 【1 0 l 。从1 9 9 3 年以 来，日本已经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波器投入实际使用，这些滤波器主要用于 谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。随着有源电力滤波器价格的下降，它的市场 越来越大，早期有源电力滤波器的p 哪变流器中的主开关功率器件都采用b j t 或g t o ， 而现在电压型有源电力滤波器一般都已经采用i g b t 模块，从而使有源电力滤波器的 容量上升到5 0 k v a - 1 0 0 0 k v a 。 。 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业 发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产厂家有 日本名电舍公司、瑞士a b b 公司、法国梅兰日兰公司等。 我国在a p f 领域的研究起步较晚，但发展迅速，一些科研院校都开展了卓有成效 的研究工作。国内高校如西安交通大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、中国电力科学 研究院等高校和单位在a p f 方面开展了卓有成效的工作，利用四重化技术【1 1 1 ，西安交 通大学率先研制出3 8 0 v 1 2 0 k v a 并联型a p f 样机，并成功挂网运行；华北电力大学电 5 颂十论文 摹干l c c 谐波榆测算法的有源电力滤波器设计 能质量研究所研制了国内首台3 8 0 v i o o a 并联t i a p f 试运行样机，在用户站挂网应用 获得良好的试运行效果【1 2 1 ，但目前国内还未有a p f 正式产品得以推广，国产a p f 的实 用化正处于攻坚阶段。 1 6 论文的主要研究工作 本课题的研究足根据目前国内外电能质量研究的现状以及我国谐波治理的实际 情况，研究能精确实时提取谐波电流的谐波检测算法以及基于d s p 的控制技术，最后 通过研制有源电力滤波器样机，用实验验证补偿效果和检测算法的有效性。 论文中研究的有源电力滤波器能对0 4 k v 电压等级的谐波源实现就地补偿，实际 投入运行后能有效的降低2 2 0 v 电压用户侧流入电网的谐波，本论文主要工作包括以 下几个方面： i ) 实现谐波电流精确实时检测，是论文研究的重点。到目前为止，谐波检测算法 1 1 3 1 4 j 5 1 有很多，本论文将通过对各种算法综合比较，重点研究基于最小补偿电流原理 的畸变电流检测算法【1 6 】。通过原理公式的推导，算法的仿真，以及最后对此算法实验 的编程实现，来验证此算法的实时有效性。本谐波电流检测算法将采用t i 公司生产 的型号为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的数字信号处理器( d s p ) 编程实现； 2 ) 研究产生补偿电流的p w m 变流器的控制方法，即a p f 内环控制方法。仿真和实 验中将采用定时滞环电流控制； 3 ) 基于s i m p l o r e r 软件对系统各个模块单元以及整个系统分别进行仿真，研究电 流跟踪控制规律和a p f 稳定可靠运行的控制规律； 4 ) 对有源电力滤波器系统进行硬件设计。搭建的硬件电路主要有：电流和电压检 测电路、基于i r 2 2 3 3 j 的p w m 驱动电路、p 州三相变流桥主电路、i g b t 保护电路以及 直流侧整流电路等： 5 ) 对有源电力滤波器系统进行软件设计。系统软件部分采用c 语言编写m o l ，主要 包括：基于l c c 的谐波电流检测算法、a d 采样、a 相电网电压过零同步、p w m 波产 生以及外部中断保护程序等。 6 颂七论文摹于l c c 谐波拎测算法的肓源电力滤波嚣设计 2 基于最小补偿电流( l c c ) 的畸变电流检测算法的研究 2 1 引言 a p f 谐波电流的检测方法不同于一般电力系统中所使用的谐波测量。一般情况 下，它是不需要分解出各次谐波分量，而只需要检测出除基波和有功电流以外的总的 高次谐波和无功电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的谐波电流，为 有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供电流参考，这也是决定a p f 性能的关键。 且前文献报道的已运行的三相a p f 中所使用的一些谐波电流检测方法，除了各自存 在的难以克服的缺陷外，共同存在的问题是，由于是开环检测系统，故对元件参数和 系统的工作状况变化依赖性都比较大，且都易受电网电压畸变的影响。 本章首先将对目前存在的三相电路谐波电流检测算法进行分析比较。在此基础 上，论文针对a p f 中只需检测总的畸变电流，反向后注入系统，以补偿系统中的畸 变电流，向电网中提供基波有功电流这一特点，从保证a p f 能最有效的工作出发， 应用了一种基于a p f 输出的补偿电流均方根值最小( l e a s tc o m p e n s a t i o nc u r r e n t 一 一l c c ) 的畸变电流检测方法“。该方法的首次提出主要是为了应用于单相系统，本 文将尝试将此检测算法应用于三相系统中。本章将在第三节首先从理论上推导基于 l c c 的畸变电流检测原理。 2 2 常规谐波电流检测方法 2 1 1 模拟滤波器检测法 模拟滤波器【1 7 , 1 8 的实现方法是：当信号不含低于基频的次谐波时采用低通滤波 器，当信号含有次谐波时采用带通滤波器来获得基波分量，用减法器从信号中减去基 波分量就得到谐波分量，如图2 i 所示。该方法具有简单快速的优点，但这种检测方 式有很多缺陷：对环境的依赖性较高，当电网频率波动或滤波器的元件参数变化时效 果变差；无法分离出基波中的有功和无功分量；当谐波频率与基频接近时，滤波器的 归一化截止频率很小，滤波特性很差；特别是当基波频率不固定而在较大范围变动时， 滤波器设计非常困难。 7 颂十论文 摹于l c c 谐波榆碉算法的肓源电力滤波器设计 2 1 2 基于f f t 分析的方法 图2 1 模拟滤波器原理图 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅立叶分析【1 9 1 的方法来检测谐波和无 功电流。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得出所需的谐 波和无功电流。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，需 花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长的延迟，检测的结果实际上是较长 时间前的谐波和无功电流，实时性不好。另外，n 丌存在栅栏效应和泄漏现象，使得 算出的信号参数：频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐 波测量要求。 2 1 3 基于f r y z e 的功率定义的方法 其原理是将负荷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) 。它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的， 所以要求的瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加上其它运算电路，要有几个 周期延时。所以用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值，同 样存在实时性不好的缺点。 2 1 4 基于自适应噪声抵消技术的检测方法i 爿嵋1 2 2 i 8 颂十论文基于l c c 谐波拎铡算法的育源电力滤波器设计 原始输入 声牟 p 倍jr 参考输入 刀l 图2 2自适应噪声抵消技术原理图 自适应噪声抵消技术 2 3 2 a 2 5 2 6 1 是信号处理中的一种信号检测技术，它能把一个信 号j 从受干扰信号“七) 中分离出来，其原理如图2 2 所示。自适应噪声抵消电路有两 个输入，即原始输入“七) 和参考输入。原始输入“t ) 中包含信号j 和干扰t 。，其中 s 是要提取出来的信号，s 和是不相关的，参考输入是与信号j 不相关的干扰， 且仇和是相关的。其基本原理是：自适应滤波器a f 通过系统输出p ( | i ) 的调节对参 考输入啊进行自适应的滤波，得到与原始输入中的干扰近似相等的干扰瑶，于是 p 七) 作为“七) 与瑶之差就接近等于信号s ，从而将信号s 从含有干扰的原始输入中分 离出来。 有源电力滤波器的谐波电流检测可以借用上述自适应噪声抵消技术( a n c t ) 的 原理，如图2 3 所示。把负荷电流f 。作为原始输入“七) ，其中的谐波电流看作信号 8 ，即要检测出来的信号，而基波电流f ，看成噪声，即相当于，和i ，是不相关的。 同时必须选择一个与i t 相关的信号作为参看输入，因一般情况下电源电压甜。畸变不 大，可视为正弦波，且与f ，同频率，即与f ，是相关的，故选用幅值减小后的电源电压 “：作为参考输入。：经过自适应滤波器处理后，其输出c 最终在幅值和相位上逼近 f ，当和原始输入屯相减后，系统输出的就是谐波电流厶，从而实现有源电力滤波器 的谐波电流检测。 9 硕十论文 摹干l c c 谐波柃嗣算法的有源电力滤波器设计 原始输入 六 参考输入 声t 泞 r i - “： 图2 3 基f 自适应噪声抵消技术的谐波电流检测系统原理图 2 1 5 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 三相电路瞬时无功功率理论 2 7 2 8 2 9 3 0 1 首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，此后该理论 经不断研究逐渐完善，该理论在检测三相电路谐波及无功电流中得到了成功的应用。 以该理论为基础，可以得到两种检测谐波和无功电流的方法，即p 、q 检测法和f 。、 t 检测法，具体原理和方法可参考文献【3 】，在此就不再赘述。 对于三相三线制电路，当电网电压发生畸变，不论三相电压、电流是否对称，p q 运算方式的检测结果都有误差；而对j 。一运算方式即使电网电压发生畸变，按这种 方式进行检测时，畸变电压的谐波成分在运算过程中也不出现，因此检测结果也不受 电压波形畸变的影响。相比较而占，i 一i 运算方式检测精度更高。o 瞬时无功功率理论是当今谐波检测技术的重要理论基础，在三相电压平衡无畸变 的电网条件下对谐波电流检测十分有效。但是也不能明确区分正序、负序和零序分量。 这项理论在实用中还存在一些工程实现上的具体限制，影响了使用效果。例如，检测 电路的开环结构无法消除乘法环节引起的误差和干扰，电路中使用低通滤波器严格要 求其增益为l 的条件难以保证；由于无法依据所需滤波性能准确设计出低通滤波器， 常常采用简单的一阶或二阶低通电路来对付，致使检测精度受到影响等等。 严格地讲，基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法仅适用于三相三线制、电源 电压为三相对称无畸变、三相负荷平衡的负载谐波电流的检测。所以，在有源电力滤 波器设计中必须针对具体电网和负荷的特点采取相应措施来消除或减小各种不利因 素的影响： 1 ) 变流器尽可能采用三相三线接法的桥式电路，从而避免零序电流的存在。 2 ) 如果只需要谐波电流的检测，则只需要一组与电源同频率的三相对称正弦电 压，此电压不必是负荷的实际供电电源电压。因此，为避免变流器网侧电源电压波形 畸变严重，可采用下列措施之一：三相电源电压经过低通滤波器滤除高次谐波后再 1 0 硕士论文 摹fl c c 谐波榆测算法的青源电力滤波器设计 参与谐波电流的检测计算，此时要求三相所用的低通滤波器特性一致；运用锁相环 技术产生三相正弦电压，再参与瞬时谐波电流的检测计算。 2 3 基于最小补偿电流( l c c ) 的畸变电流检测方法 由上面的分析比较可以看出，以上几种检测方法都不同程度的存在其局限性，有 些方法虽然能达到无延时快速检测，但结构往往较为复杂，有些一时还难以实现，更 无法实用化；基于瞬时无功功率理论的检测方法从理论上讲，能实时检测出谐波。但 该方法存在计算量大，调整困难等缺点。综上所述，简单、快速、并能适用于三相系 统的谐波电流检测方法值得进一步研究。 基于l c c 的畸变电流检测算法的基本思想是：首先构造一个补偿电流函数，通 过调节这个补偿电流函数中基波电流的幅值，使这个补偿电流的均方根达到最小，从 而确定出负载电流基波有功分量的幅值，然后从检测得到的负载电流中减去基波有功 分量而得到所需补偿的谐波和无功电流。下面首先从理论上推导该算法的基本原理。 2 3 1 检测原理 以单相系统为例，设单相电路中电源电压为： ，( f ) = 玑血耐 ( 2 1 ) 非线性负载电流为： 屯( f ) = ( f ) + f ( f ) = ，( f ) + 。o ) + ( f ) ( 2 2 ) = l l p ( f ) + 荦( f ) ( f ) 为t ( f ) 的基波电流，厶o ) 为谐波电流，0 0 ) 和。( f ) 分别为( ，) 的有功电流和无功 电流分量，e 为需要补偿的谐波及无功电流之和，称为参考电流。它可以表示为： 芒= 屯( f ) 一，( f ) ( 2 3 ) 因为“o ) 是正弦并且与电源电压同相，它可表示为： l i p o ) = 一s i n m t ( 2 4 ) 彳为有功电流靠( f ) 的幅值，因此参考电流( f ) 可通过计算4 获得 站= t a s i n a ) t = 芒+ 靠- a s i n m t ( 2 5 ) = e + 0 + 一d ) s i n 积 颂十论文 基于l c c 谐波榆测算法的有源电力滤波器设计 式( 2 5 ) 中，a 为可调待定参数。当彳+ 一a o 时，则蕾譬，补偿电流岛不仅包含全 部畸变电流e o ) ，而且包含部分基波有功电流f l ，( f ) ；当a 一a = o 时，那a i c = e 。 由于靠( f ) 和a 都是未知量，然而它们可通过考虑丘( f ) 的均方根求得： i 。= 氍丽 = 瓜丽五丽 ( 2 6 ) 负载电流屯【f ) 为周期电流，则 i a , ) = i a t + k t l ( 2 7 ) 式( 2 7 ) 中r 为屯( ，) 的周期，七= 0 , 1 ，2 。 屯( f ) 一般满足狄里赫利条件，它可展开为一个收敛的傅立叶级数。 所以，k 可表示为 玩= 划弘m 淞栉研) - a s i n 研 2 西 = ；t 工， 薹c 4 血甩耐+ 最c o s ，z 耐，2 p + 【，0 1 4 一4 硒研+ 蜀c 。s 研f 西 ( 2 8 ) + f ，2 薹“s i n 玎耐+ 吃c 。s 撑研) 陋+ 一a ) s i n c a t + b te o s c o t l t 在此方程t ，爿+ = 4 为t o ) 的基波彳攀电流幅值，根据三角函数的正交性可得 ，医劬褂玩耐) 陋一彳) s i i l 研+ 岛c o s 鲥k ：0 ，蜀0 一a ) s i n o o t c o s c o t d t = 0 f _ ，陋一彳) s i n 玎c o t + b n s 玎耐f 西 = f t 缸一彳) s i n 刎j 2 + b lc o s 研r 扛 所以构造的补偿电流甬数的均方根南： i 。= ( 2 9 ) 由上式，调节彳= a 可实现。的最小值。也就是说当积分达到最小值时，a = a ， 4 + 为基波有功电流t 时刻的幅值。因此，参考电流可由下式得到： 颂十论文基于l c c 谐波检测算法的肓源电力滤波器设计 删= 删一靠( f ) = 删一爿s i i l 耐= e ( f ) ( 2 1 0 ) a = a = a l 当k 最小时，必有l l i a , ) - 彳s i i l 耐陋最小。所以在实际应用时，为了简化计 算，用( f ) 的绝对值l 的积分来代替( f ) 的均方根，。显然，如果非线性负载电流 是周期性的，调节a 便可实现稳定状态的4 ；如果非线性负载电流是非周期性的， 需不断调节4 值不断跟踪基波有功电流幅值的变化。 因为该方法是使补偿电流的均方根值最小，从而检测出所需补偿的电流，我们称 这种方法为基于补偿电流最小的畸变电流( l e a s tc o m p e n s a t i o nc u r r e n t 简写为l c c ) 检测方法。 以上检测方法能同时检测出谐波和无功电流之和，如果希望只检测出谐波电流， 则由上面的推导可以知道，只需在所构造的补偿电流函数中加入一项b c o s w f ，则 t ( r ) = 屯( f ) 一0 s i n c a t + b c o s c o t ) = o ) + “一a ) s i n c a t + 慨一b ) c o s c o t ，经过与前面 完全相同的推导可得t i r ) 的均方根为式( 2 1 1 ) ： i 。= 2 3 2l c c 畸变电流检测的实现 ( 2 1 1 ) 2 3 2 1 硬件实现方案 根据上面的畸变电流检测原理，非线性负载电流t ( f ) 中的谐波和无功电流的检测 问题，首先转化为确定屯( f ) 中基波有功电流的幅值问题，然后进一步转化为求。的 最小化的问题。l c c 畸变电流检测电路的关键任务是完成补偿电流有效值最小的调 节。为了搭建检测电路模型，我们对构造的补偿电流及其均方根值的表达式进一步进 行讨论。 构建的指令电流函数为： i c = t a s i n c o t = 芒+ i l ，一a s i n w t ( 2 1 2 ) = e + 1 4 一a s i n w t 指令电流函数的均方根值为： l 。= 氍磊 = 瓜面五丽 ( 2 1 3 ) 颂十论文 摹于l c c 谐波柃溯算法的育源电力滤波器设计 调节o ) 中的参数4 ，使( f ) 的均方根值最小时，即当 呼啊n 必然有 = k 。 ( 2 1 4 ) 4=a t ( f ) ；删：一爿咖刎 ( 2 1 5 ) 我们首先讨论。对参数彳的变化率，将式( 2 1 3 ) 两端平方后对参数彳求偏导， 刍k 删= 托一2 瓴( f ) 一4 s i n c o t ) s i n a x d t ( 2 1 6 ) 2 k ( f 么) 丝普尘= f 2 m 2 础一瓢t 临础 ( 2 1 7 ) 为了简化分析，近似认为a 在积分周期内为常数，则式( 2 1 7 ) 中： ，一s i i l 2 础= 彳正，s i i i 2 础= 三2 彳 ( 2 1 8 ) 2 k 掣= 一上t 【，t m 砌 ( 2 1 9 ) 当k ( f ，彳) 达到最小值，望专孚尘= o ，由于k 为有限值，故必有 4 一亭r 屯( f ) s i n a 2 t d t = o ( 2 2 0 ) 在假设4 在积分周期内为常数的近似条件下，我们推得一个重要的结论： 当取最小值时，a = a = 事【，屯( f ) s i n a ) t d t ( 2 2 1 ) 我们可以根据上式直接确定t ( f ) 中基波有功电流分量的幅值爿。图2 4 是根据式 ( 2 2 1 ) 设计出的畸变电流柃测审路。 图2 4 基于l c c 的谐波和无功电流检测电路 图中标准正弦信号s i l l 耐可由电源电压直接得到，或由锁相环电路和正弦信号发 生器得到。t o ) 为非线性负载电流，( ，) 是检测出的t o ) 中所包含的谐波和无功电流 之和，即畸变电流信号。同理，如果我们希望分离出t ( f ) 中的无功电流，则根据前面 1 4 颂十论史摹于l c c 谐波椅铡算法的育源电力滤波器设计 相似的推导过程，可以得到 口= ；f - ，屯o ) c o s 砌 图2 5 为检测t ( f ) 中谐波的电路。 图2 5 基于l c c 的谐波电流检测电路 定积分电路可由图2 6 所示的电路实现。在图2 5 定积分电路中，积分器采用常 舰运算放大器构成的模拟积分电路。延时一个电源周期的延时电路，可采用音响放大 电路中用于回声和混响的专用数字延时电路芯片如p t 2 3 9 4 2 3 9 5 或m 5 0 1 9 5 p 等c m o s 数字回声集成电路。 0 地 图2 6 定积分实现电路框图 2 3 2 2 软件实现方案 基于l c c 检测原理，我们可以采用迭代算法 3 1 , 5 8 来对a 值进行调节，使4 值不断 跟踪负载基波有功电流真实幅值的变化。 设负载电流t o ) 在一个周期t 中的n 个采样( 周期采样，采样周期为 7 ) 值为 v t 【1 】，屯【2 卜，i l n 】( i l 【】对应 时刻的采样值) ；对应的与电源电压蚝( r ) 同相的 个幅值为1 的正弦值为s i j l 研【1 】，s i n 出t h ，s i n c o t n 】。 设4 为在f l 时刻将要迭代计算出的负载基波有功电流幅值，a ( n 4 ) 为在f l 时刻前 一个采样周期中迭代计算出的负载基波有功电流幅值。当负载电流处于稳定状态时， 硕十论史摹fl c c 谐波榆测算法的有源电力滤波器设计 4 ( ”将在彳“的基础上逼近负载基波有功电流的真实幅值4 + ，在经过若干个采样周 期后，4 【“) 最终逼近a 进入误差允许的范围，此时认为4 协) = 4 。当负载电流处于变 化状态时，此时彳将在4 ) 的基础上跟踪负载基波有功电流的真实幅值4 + 的变化。 由于无法确定彳卜1 ) 足大于爿还是小于4 + ，因此，根据l c c 检测原理，采用试探比较 法确定迭代计算的方向。 设迭代步长为h ，则 晶= 。【l 】一4 加4 ) s i n f 【1 】 2 + 。【2 卜爿p 1 ) s i n c o t 2 2 + + k 【卜爿伽1 ) s i n o ) t n 2 只= 位【l 】一( 4 扣1 ) + 厅) s i l l 耐【l 】 2 + 。【2 卜( 4 伽。1 ) + ) s i l l 删【2 】) 2 + + 【卜( 爿) + h ) s i n w t n z 最= 。【1 】一( a ”) 一协s i n 耐【1 】 2 + 。【2 】一( 4 如。1 ) 一h ) s i n c a t 2 2 + + k 【卜( _ 一h ) s i n w t n 2 计算：p = 只一最= 4 h a p 一1 其中 a p = 一屯 i s i n c o t t q - i n s i n c o t n + a ( n - i ) e ( s i n w t i ) 2 = l i = i a e - 与a e 具有相同的符号。 n 们= 毋一昂= 2 h a p + h 2 s i n 2 甜【司 j ；l 鹋= 马一晶= - 2 脚+ 2 s i n 2 耐【力 l = l 根据p 、媚、的符号，可以确定昂、只和足三者中的最小值，这样可以 确定迭代算法的方向。迭代量取迭代步长乘以在离散采样时补偿电流在一个周期内的 平方和的差值的绝对值即l 毋f 或者j a b i ，差值越大，则迭代量越大，这样当负载电流 处于稳态状态时，爿将在4 ) 的基础上快速逼近负载基波有功电流的真实幅值a + 。 当负载电流处于变化状态时，一“将在4 似1 的基础上快速跟踪负载基波有功电流的真 实幅值a + 的变化。 根据检测原理，迭代算法为： 首先计算出尸的值。 如果a p 0 ，则计算b 的值，如果a b 0 ，则爿i ”) = 爿加一1 ) ；如果a 只 0 ，则 4 ( ”) ：a ( n 1 ) 一厅l 只f 。 如果p 0 ，则计算凹的值，如果邮0 ，则4 ( ”) = 一加_ 1 ) ；如果舭 0 ，则 4 ( ”) = 4 ( ”川) + l a 只f 。 1 6 颂七论文 摹于l c c 谐波检测算法的有源电力滤波器设计 由迭代算法计算出t 。时刻的基波有功电流幅值彳，即可计算出f i 时刻实际要补 偿的谐波及无功电流的值。 2 4 本章小节 a p f 中谐波电流检测和控制方法，是影响其补偿性能的关键因素，也是制约其在 许多领域推广应用的难点。本章首先对各种基于三相系统的谐波检测算法作了介绍， 对其优缺点作了分析比较：最后重点讨论了论文所应用的基于l c c 原理的谐波电流检 测算法，从严格的数学推导上解释了l c c 谐波电流检测算法的基本原理，并对硬件实 现方案和软件实现方案作了详尽的阐述和分析。 下面一章，论文将对基于l c c 原理的谐波电流检测算法硬件实现方案和软件实现 方案进行仿真研究，进一步从仿真的角度论证该算法的可行性和有效性。 1 7 硕十论文摹于l c c 谐波柃测算法的肓源电力滤波器设计 3