（电力系统及其自动化专业论文）三相并联型有源电力滤波器的研究.pdf

s u b j e c t s p e c i a l t y n a m e ：r e s e a r c ho n t h r e e p h a s es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r p o w e r s y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ：c h e ns h a oj u n i n s t r u c t o r ：f uz h o ux i n g a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , m u c hn o n l i n e a rl o a de m e r g i n g i np o w e rs y s t e m a sh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rp r o b l e m s ，g e n e r a t e db yav a r i e t yo f n o n l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n ge l e c t r o n i cd e v i c e ，b e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sa st h e ya r ew i d e l y u s e d ，w h i c hl e a dt og r e a tt h r e a to fp o w e rs y s t e ms e c u r i t y , s t a b i l i t y , e c o n o m i co p e r a t i o n a c t i v ep o w e rf i l t e r 、析t hh a r m o n i c s u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o rp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sb e c o m ea m a j o rr e s e a r c ht o p i c t h ec o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo ft h et r a d i t i o n a ls h u n tt y p ea c t i v e p o w e rf i l t e r i s d i s c u s s e d ，w h i c hc a ns h o wt h a ti t i s o n l yu s e dt oc o m p e n s a t et h eh a r m o n i cc u r r e n t s o u r c e c o n s i d e r i n gt h ew e a k n e s s ，t h ei n v e s t i g a t e ds u b j e c to ft h ep r o j e c ti sp r o p o s e d ，w h i c hi s as i m p l i f i e ds h u n tt y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a n dt h ec o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h es u b j e c ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l i na d d i t i o n ，t h e d e t e r m i n a t i o nm e t h o do ft h em a i ni sd e d u c e d i t sm a i nf e a t u r e s ：f i r s t ，b a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , an e wd e t e c t i o nm e t h o d _ _ _ h a m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n a n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d - - - - i si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s ；s e c o n d ，s h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e r sc o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d i n gc o m p e n s a t o r yc u r r e n tc o n t r o la n dd cv o l t a g ec o n t r o l i sa n a l y z e di nd e t a i l c o m p e n s a t o r yc u r r e n tc o n t r o la d o p t st r i a n g l ew a v ec o m p a r ec o n t r o l ，a n d d cv o l t a g ec o n t r o la d o p t sp ic l o s e dl o o pc o n t r 0 1 t h et h e s i sm a k e st h es i m u l a t i o nf o rs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m ，t h ep r o p o s e d h a r m o n i c ，r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ra r et e s t e d ，s a t i s f a c t o r yr e s u l ti sd r a w n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s v e r i f yv a l i d i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y t h et h e s i si n t r o d u c e ss h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n 、析t ht m s 3 2 0 f 2 812d s p h a r da n ds o f t w a r e ss t r u c t u r ea n df u n c t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l k e y w o r d s ： a c t i v ep o w e rf i l t e rh a r m o n i cd s p t h e s i s： a p p l i e dr e s e a r c h 西姿料技女霉 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同r t 作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者舭币与豸蹶砷 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：弹与分 指导教师铋 寺噼 辱支a ii e l 1 绪论 1 绪论 1 1 有源电力滤波器研究的目的和意义 1 1 1 电力系统谐波的危害及无源滤波器的局限性 随着电力电子技术的迅猛发展，电力系统中非线性负荷大量增加，各种非线性和时 变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源的应用越来越广泛，由此带来的谐波和 无功问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波危害的严重性引起了 各国专家和学者的高度重视 1 1 。 理想的公用电网所提供的电压应具有单一固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电 流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周 围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害【2 1 。电力电子设备消耗的大量无功功率也 给电网带来额外的负担，增加了输电线路的损耗，并严重影响了供电质量。谐波和无功 治理是电能质量问题的核心内容之一，是现代电力生产发展的迫切要求。 目前，针对谐波污染问题有两种解决办法：一是设置谐波抑制装置；二是对电力电 子装置自身进行改造，使其不产生谐波，并且功率因数可控制为l 。由电力电容器、电 抗器和电阻器适当组合而成的l c 无源滤波器是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手 段，无源滤波器结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠且维护方便，是目前采用 的较为广泛的谐波抑制和无功补偿手段，但其滤波效果受系统阻抗特性影响，仅可对特 定谐波进行有效的衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的， 所以对于谐波含量丰富的场合，无源滤波器滤波效果往往不够理想1 。 1 1 2 有源电力滤波器的研究意义 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 ) 是一种能对频率和幅值都变化的谐波 进行跟踪补偿，且补偿的特性不受电网阻抗影响的电力电子装置。和无源电力滤波器相 比，有源电力滤波器具有如下优点1 3 1 ： ( 1 ) 具有高度可控性和快速响应性； ( 2 ) 不仅能跟踪补偿各次谐波，还可以抑制闪变、无功补偿； ( 3 ) 能自动产生所需的无功功率，甚至是变化的无功功率； ( 4 ) 特性不受系统参数的影响； ( 5 ) 不易与系统阻抗发生谐振，无谐波放大危险，体积小，重量较轻； ( 6 ) 具有自适应能力，可自动补偿变化的谐波。 西安科技大学硕士学位论文 有源电力滤波器的研究是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电 工等领域的重大课题，其涉及内容广泛，理论意义和实际的经济效益都非常重大。它体 现了电力电子在电力系统自动化领域中的应用和研究方向，该装置不但能实现电能质量 控制的目的，同时还可以起到节能的作用。事实上，随着电网容量的日益增长，负载类 型和品种各不相同，而且新产品也越来越多，电能质量如何得到保证、怎样防止电网污 染则成为一个很有潜力的研究方向。这对于提高我国产业竞争力、实现低消耗可持续发 展的战略具有非常积极的意义。 1 2 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 1 2 1 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在美国、日本、德国等工业发 达国家已得到了高度的重视和日益广泛的应用。国内对于有源电力滤波器的研究尚处在 起步阶段，清华大学、西安交通大学、武汉大学、重庆大学、华北电力大学等单位正积 极进行这方面的相关研究，部分单位已研制出样机并投入试运行。 目前，有源电力滤波器的研究主要集中在谐波检测，补偿电流的控制方法，增加功 能，解决不同谐波源的补偿，有源电力滤波器与其他设备的相互作用以及有源电力滤波 器容量的计算等问题上p 1 。 ( 1 ) 在谐波检测理论方面，比较成熟和应用最为广泛的是基于瞬时无功功率理论 检测方法，瞬时无功理论经过不断改进，现包括p q 法，i p i p 法，d - q 法等方法，但并没 有一种方法可以广泛的使用于各种情况，每种检测方法都有一定的使用范围或者误差， 因此新的谐波检测方法也在不断的研究之中。 ( 2 ) 在有源电力滤波器控制方法方面，有学者尝试采用无差拍控制和改进的无差 拍控制来改善有源电力滤波器的补偿性能，均取得了一定的进展。近年来，有源电力滤 波器与其他装置综合进行补偿也逐渐开始得到研究，通过综合应用来提供更为广泛灵活 的补偿和调节功能。但这一部分的研究较少，其中电压电流关系以及能量交换的理论还 不是很完备，对设备的工作过程和控制方法还有待于进一步的研究。另外，有源电力滤 波器模型的建立和工作过程也没有得到足够的重视，有源电力滤波器电压电流关系和控 制方法都存在进一步研究和改进的余地。 1 2 2 有源电力滤波器的发展趋势 从近来的研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下的发展趋势5 6 1 7 1 ： ( 1 ) 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对 高次谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 2 1 绪论 技术进行谐波补偿；当容量大于2 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐波补偿。 ( 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用有源电力滤波器与l c 无源滤波 器并联使用的混合型有源电力滤波系统，以减小有源电力滤波器的容量，达到降低成本、 提高效率的目的。从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降： 同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型有源电 力滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将 是一种很有发展前途的有源电力滤波装置。 ( 3 ) 通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的有源线路调节器 ( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r ，缩写为a p l c ) 的出现，表明电力系谐波治理正朝着动态、 智能、经济效益好的方向发展。a p l c 结构与a p f 相似，从原理上看，与a p f 的单节 点谐波抑制相比较，a p l c 是向网络中某个( 或几个) 优选节点注入消谐补偿电流，通过 补偿电流在网络中一定范围内流动，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。a p l c 代表的是谐波治理的一种更高层次，目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段， 实时确定补偿电流、优选补偿节点及在线检测谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 ( 4 ) 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低成本 和损耗，进一步改善补偿性能，实现多功能化、有源装置小型化等。在有源电力滤波器 的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源电力滤波器的相互 干扰，有源电力滤波器对电网上己装设的l c 无源滤波器的影响，有源和无源滤波器结 合方式的研究，等等。 1 3 本课题的研究内容 通过阅读大量国外文献资料，本文从有源电力滤波器的基本理论开始论述，对三相 并联有源电力滤波器的谐波和无功电流检测方法、p w m 控制策略、系统结构、滤波原 理及软硬件进行了较深入的研究，并利用m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真模块建立仿真模 型进行了仿真分析。具体如下： ( 1 ) 分析有源电力滤波器的基本工作原理，在此基础上以三相并联型有源电力滤 波器为研究对象，对其工作原理、补偿特性、控制方式、直流侧电容电压控制、主电路 形式等进行了深入的研究。 ( 2 ) 对比分析基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，提出采用d - q 算法作为谐 波电流的检测方法：并对比分析三角波比较控制策略和滞环比较控制策略的优缺点，提 出采用三角波比较法来进行控制。 ( 3 ) 建立有源电力滤波器的m a t l a b 的仿真模型，验证所选用的谐波电流的检测 方法和控制策略对谐波及无功电流的补偿效果，为实验系统的软硬件设计奠定基础。 ( 4 ) 设计有源电力滤波器的系统结构。该系统以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片为控制核 3 西安科技大学硕士学位论丈 心，主电路以三菱i p m 模块p m l 5 c z f l 2 0 为核心，相应的外部电路包括锁相环同步信 号处理、电压电流信号的采集及调理、u s b 通讯、d a 转换、p w m 控制信号的产生等。 系统采用模块化设计，硬件电路包括d s p 控制板、电压电流采样版、i p m 功率单元。 ( 5 ) 编写基于t i 公司的c o d ec o m p o s e4 1 为平台的计算和控制程序。给出详细的 程序流程图，对软件的一些重要部分做具体的说明，包括指令电流运算，直流侧电压的 控制，p w m 脉冲输出三大部分。 4 2 有源电力滤波器的理论基础 2 有源电力滤波器的理论基础 有源电力滤波器是一种动态用于抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对 大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服l c 滤波器等传统的 谐波抑制和无功补偿的缺点。本章以并联有源电力滤波器为例对有源电力滤波器的理论 基础做了较深入的分析 2 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以按不同方式进行分类，各分类方式有相互包含、相互交叉的现 象【1 6 】o ( 1 ) 根据电源性质分类 按电源性质可分为交流有源电力滤波器、直流有源电力滤波器。交流有源电力滤波 器应用较广泛，已应用于不同频率、不同相数、不同线制的交流输电及用电系统中。相 比而言，直流有源电力滤波器的应用则较少，其研究及应用正在不断开展中。直流有源 电力滤波器的典型应用一是在直流输电系统中滤除直流输出谐波，另外则是在高精度输 出直流电源上。 ( 2 ) 根据直流侧储能元件的分类 有源电力滤波器工作时为了与交流侧交换能量达到补偿谐波的效果，其直流侧必须 有储能元件。根据有源电力滤波器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可分为电感 储能型和电容储能型。电感储能型也被称为电流源型有源电力滤波器( c u r r e n t f e d - t y p e a p f ) ，如图2 1 所示。电容储能型也被称为电压源型有源电力滤波器( v o l t a g e f e d - t y p e a p f ) ，如图2 2 所示。 电流源型有源电力滤波器作为非线性电流源补偿非线性负载产生的谐波电流，其结 构简单、性能稳定，但损耗较大，不适用于大功率场合。由于无法级联且单台的容量不 大，所以应用较少。电压源型有源电力滤波器，直流侧并联电容逆变桥损耗较小，由于 是电压源的形式，所以容易实现并联从而可降低单台a p f 的容量。电压源形式的a p f 技术较成熟、完善，目前使用较多。 图2 1 电流源型有源电力滤波器图2 2 电压源型有源电力滤波器 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据接入电网的方式不同分类 有源电力滤波器按其接入电网的方式不同，大致可分为并联型a p f ( s h u n t a p f ) 、串 联型a p f ( s e r i e sa p f ) 及统一电能质量调节器三类。 并联型有源电力滤波器 图2 3 所示为单独使用的并联型有源电力滤波器，交流侧并联接入电源点处的滤波 电感、逆变器、直流侧的电容共同构成了其功率主电路。由于a p f 的主电路与负载并联 接入电网故称为并联型，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一 种。 在这种方式中，只要采用适当的控制方式就可以达到谐波、无功等多种补偿。但由 于交流电源的基波电压直接施加到逆变器上，且输出补偿电流全部由逆变器提供，所以 该种结构的逆变器的容量较大。 图2 4 所示为与l c 无源滤波器并联使用的并联a p f 。较高次的谐波电流由有源a p f 提供，较低次的谐波电流由l c 无源滤波器提供，可有效降低并联有源a p f 的容量。由 于无源l c 滤波器存在与电网阻抗发生谐振的可能，所以必须对有源滤波器进行有效的 控制，避免谐振的发生。 图2 3 并联型有源电力滤波器 图2 4 并联型有源电力滤波器与l c 并联方式 图2 5 所示为并联型a p f 与l c 无源滤波器相串联的工作方式。该方式中谐波及无 功功率主要由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性， 克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振的缺点。在这种工作方式 中有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。 6 2 有源电力滤波器的理论基础 有源滤波器 图2 5 并联型有源电力滤波器与l c 串联方式图2 6l c 串联谐振注入电路方式 为了进一步降低有源滤波器的容量，又提出了利用谐振方式注入谐波电流的并联有 源电力滤波器。利用电感电容谐振方式注入谐波电流。使得有源电力滤波器只需承受很 小的基波电压，从而减少了容量。 并联型有源电力滤波器根据注入电路的谐振方式不同可分为l c 串联谐振式注入和 l c 并联谐振注入两种方式。图2 6 所示为l c 串联谐振注入电路方式原理图，其中c 2 与l 在电源电压的基波频率处发生串联谐振，基波电压绝大多数降落在电容c 1 上。这 样有源电力滤波器承受其余的较小部分的基波电压。图2 7 是采用l c 并联谐振注入电 路方式的系统构成原理图。在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频率处谐振的 l 1 c 1 回路，基波电压绝大多数降落在谐振电路上，有源电力滤波器承受较小部分的基 波电压。该方式还有一个好处是只有很小的基波电流流过l 1 、c 1 及l 2 。 串联型有源电力滤波器 串联使用的有源电力滤波器包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种。 单独使用的串联有源电力滤波器如图2 8 所示。有源电力滤波器作为电压源串联在电源 和负载之间。串联型有源电力滤波器与并联型电力有源电力滤波器使用目的不同。串联 型有源电力滤波器主要用于谐波电压的补偿，输出补偿电压，抵消负载产生的谐波电压， 使供电点电压波形成为正弦波。与l c 无源滤波器混合使用的串联有源电力滤波器结构 原理框图如图2 9 所示。 有源滤波器 有源滤波器 图2 7l c 并联谐振注入电路方式 图2 8 串联型有源电力滤波器 7 西安科技大学硕士学位论文 有源滤波器 图2 9 串联混合型有源电力滤波器 图2 1 0 统一电能质量调节器 统一电能质量调节器 图2 1 0 所示为串并联相结合的有源电力滤波器( 即统一电能质量调节器) 的主电路 结构原理图。统一电能质量调节器兼有并联型有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的 补偿功能。统一电能质量调节器主电路中并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波 器共用直流侧电容，分别控制两有源滤波器可达到对谐波电流和谐波电压同时补偿的功 能。统一电能质量调节器功能较全面，但由于同时存在并联型有源电力滤波器和串联有 源电力滤波器，其控制较复杂。 2 2 并联型有源电力滤波器的工作原理 图2 1 1 所示为本文采用的并联型有源电力滤波器系统构成原理图。图中，岛表示交 流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器控制系统由两大部分 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是检测出补偿对象电流中的谐波 和无功等电流分量，因此有时也称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。主电路 目前均采用p w m 变流器1 5 1 。 图2 1 l 并联型有源电力滤波器的系统构成 8 2 有源电力滤波器的理论基础 其基本工作原理是，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和无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当需要补偿 负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流f ，的谐波分量f ，。， 将其反极性后作为补偿电流的指令信号l ：，由补偿电流发生电路产生的补偿电流t 即与 负载电流中的谐波分量f ，。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： 鬣 ( 2 1 ) 式中，负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿 电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿与负 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的基波有功分量。 谐波和无功电流的检测方法及有源电力滤波器的控制策略是整个方案的关键之处， 以下介绍了基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流实时检测方法，并在此基础上提出 一种新的检测方法，检测谐波及无功电流的改进算法；并详细分析了有源电力滤波器的 控制策略，包括补偿电流跟踪控制和直流侧电压控制，补偿电流跟踪控制选用三角波比 较控制法，对直流侧电压采用p i 闭环控制。 2 3 谐波和无功电流的快速检测算法 最早的谐波电流检测方法是采用模拟器来实现，即采用陷波器将基波电流分量滤 除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分 量。这种方法存在许多缺点，如设计难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分 敏感等，因而已极少采用。 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅里叶分析的方法来检测谐波和无功电 流【8 】。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得到所需的谐波和 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，实时性不好。 基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测 结果【9 】。检测谐波电流时，被检测延时最多不超过一个电源周期。对电网中最典型的谐 9 西安科技大学硕士学位论文 波源三相桥整流器，其检测点的延时约为1 6 周期。可见，该方法具有很好的实时 性。为了充分发挥有源电力滤波器的快速性，提供其快速补偿能力，本文采用基于瞬时 无功功率理论的谐波和无功电流快速检测方法。 综上，这些方法及其衍生方法的核心思想可以归结为一下两类： ( 1 ) 如何从电流中提取基波分量或谐波分量，快速f f t 方法就是基于该思想的谐 波检测法。 ( 2 ) 利用系统电压和电流的关系快速提取电流中的谐波分量，基于瞬时功率理论 的检测方法属于这类。 2 3 1 瞬时无功功率理论( p q 理论) 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文( a k g a ) 提出，此后该理论经 不断研究完善，由于它是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，也称为朋理 论。在电压和电流均不含零序分量的三相系统中可将电压瞬时值、e b 、巳和电流瞬时 值、之变换到两相正交的口、坐标系上。 式中， 印坏兹捌 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 在图2 1 2 中的筇坐标系中16 1 ，将、坳与如、劾分别合成为电压矢量历和电流矢 量7 ，如式( 2 4 ) ： 1 0 i_=：=：。l r。l 2 眨 g = = 1j 1，j 口口， ，o 卜 坳 一卜一p 2 有源电力滤波器的理论基础 p ， l i | ，彳 ；= = = 黎、 旋i 翕i 、zz 一 委，7 7 ，- 一 图2 1 2 筇坐标系中的电压和电流矢量 ( 2 4 ) 式中，“、i 分别为矢量露、7 的幅值；纯、9 ，分别为矢量露、7 的相角。三相瞬时有 功电流易和瞬时无功电流岛分别为电流矢量7 在电压矢量历及其法线上的投影。根据图 2 1 2 有 ( 2 5 ) 三相电路瞬时有功功率p 为“与易的乘积；三相电路瞬时无功功率g 为甜与岛的乘 积。如式( 2 6 ) ： 写成矩阵形式 对式( 2 7 ) 求逆得 宅地h 嘲 卧 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 阡豳 亿8 ， 纪 么 依 副 亿 芦 = x = = 叩缈 沁酊 引 剐 训训鬻 彳f 引 一材 一“ = 刮嘞协 + 吧 唬坩 咿 。 溅 = = 啤屿 = = p g 西安科技大学硕士学位论文 当三相电流为非正弦且不对称时，式( 2 7 ) 和( 2 8 ) 中的p 、q 可分解为三种成分，即 p 2 1 卜? i + ( 2 9 ) 1 一 u w l g2g 十q 十q 当三相电压对称且无畸变时，式( 2 。9 ) 中各成分的物理意义如下： ( 1 ) p 一、虿分别对应于三相系统的基波正序有功功率和基波正序无功功率； ( 2 ) p 、牙分别为瞬时有功、无功功率的高频成分，对应于三相系统的高次谐波 成分； ( 3 ) p 、蚕分别为瞬时有功、无功功率的低频成分，对应于三相系统的负序成分。 传统的无功功率理论以线性系统为研究对象，其三相电压和电流对称且无畸变，可 分别表示为 h u 忖 h 盯 , f 2 us i n ( t o t ) 面s i n ( 研一2 7 r 3 ) f f 2 us i n ( t o t + 2 z r 3 ) x 2 is i n ( a ) t ) x f 2 is i n ( c o t 一2 a 3 ) 一妒】 f f 2 is i n ( c o t 一2 a 3 ) + 口a 】 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中妒为线性负载的阻抗角。利用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 分别对式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 进行变换 并代入式( 2 7 ) 得 ：3 p 矽l ( 2 1 2 ) l q jl s m 缈j 可见，当三相电压和电流均为正弦波时，p 、q 均为常数，且其值跟按传统理论计算 出的有功功率和无功功率完全相同。所以，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理 论，比传统理论有更大的适用范围。 2 3 2 谐波和无功电流的快速检测算法 ( 1 ) p - q 检测法 p g 检测法原理图如图2 1 3 所示，其中c 2 ，= 1 2 2 有源电力滤波器的理论基础 4 材西 图2 1 3p g 检测法原理图 p q 检测法是以瞬时无功功率理论为理论基础，从瞬时有功功率p 和瞬时无功功 率g 的定义出发，计算出p 和g ，再经过低通滤波器( l p f ) ，得到p 、q 的直流分量p 、 一q 。当电网电压波形无畸变时，一p 由基波有功电流与电压作用产生，一q 由基波无功电流 与电压作用产生。因此，经过矩阵的逆变后，即可以由p 、q 计算出被检测电流屯、屯、 之的基波分量0 、芬、0 为： 0 锄 0如嚷阡扣圈 旺 将乞、乇、屯与0 、芬、0 相减，即可得出i o 、之的谐波分量么、乙。 当a p f 同时用于补偿谐波和无功功率时，就需要同时检测出谐波和无功电流。在 这种情况，只需断开图2 1 3 中计算g 的通道即可。这是，由p 的直流分量即开检测出基 波的有功分量切、锄、锄为： 锄 切 切 = 知网 ( 2 1 4 ) 将乞、之与锄、锄、o 相减，即可得到o 、之的谐波分量乙、乙和无功 分量之和。 当电网电压有畸变时，采用p q 算法会使得计算所得到的谐波电流与实际的谐波 电流之间存在差别。 ( 2 ) f 。一乞检澳0 法 根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式为： 1 3 西安科技大学硕士学位论文 , 尹l ：r , i n o , - c o , o , 1一三一三 22 o 笪一笪 22 其中c = 嚣0 s o ) t 二s c i ? 1 1 翟 i c一研i 由此可得出一名检测法原理如图2 1 4 所示。 | = c 豳 泛 z 拍 图2 1 4 一屯检测法原理 该方法中，需要与a 相电网电压u 。同相位的正弦信号s i n c o t 和对应的余弦信号 c o s # ) t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电路得到。其中p l l 主要 起同步作用，当检测到过零上升的时启动正、余弦表( 包括c o s 6 0 t 的值) ，使其形成 一个矩阵c 。根据( 2 1 5 ) 式计算出易、i q ，在经过l p f 滤波可得出枞i q 的直流分量、 。这里，、是由0 、0 、0 产生的，因此由、反变换计算出0 、0 、0 为： o 锄 t 呵 = 店 l o 一1 2 压2 1 2 一压2l s c i n 。s r a 耐t 一- c s 。i n s ( 耐a t j | - l i i j = g ，c q 享 ( 2 6 ， 图2 1 4 画出的只是检测谐波电流时的情况，当检测谐波和无功电流之和时，只需 断开图2 1 4 中的通道即可，由即可计算出被检测电流屯、屯、乞的基波有功分量为o 、 妨、锄为： 1 4 研 研言i 一 一 研 一 n c 吼 一 = 2 有源电力滤波器的理论基础 l a p f 锄 l c f f 一1 圈 ( 2 1 7 ) 将乞、之与锄、锄、锄相减，即可得出。毛、i t 的基波分量和基波无功分量。 与p g 检测发相比，f p 一岛检测法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对电网电压 畸变也有效。 ( 3 ) 小g 检测法的原理如图2 1 5 所示【1 7 1 ，先将瞬时三相电流屯、拓、如变换到丞g 坐标上为： 厅 c = 、i 乞= 兰 = c 差 = 耄：乏 c 。s 缈，c 。s ( c o t - - 姿) j “n 缈f s i n ( 彩卜与 j ll 压正 c 。s ( c o t + 了2 7 ) “巾h 争 l 压 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) d 轴电流直流分量乏与负载基波有功功率相对应，q 轴电流直流分量亏与负载基波 无功功率相对应，a r 轴电流交流分量艺和口轴电流交流分量艺分别与高次谐波的有功功 率和无功功率相对应，故白和岛经低通滤波器l p f 后即得到与基波对应的有功分量谚 和无功分量o 。0 轴分量i o 与基波不对称功率相对应。 图2 1 5d - q 检测法原理图 当用低通滤波器l p f 滤除所有交流谐波后，其直流成分通过d - q 反变换即可得到基 波电流协锄、匆，用芘、i b 、屯减去i a ：f 、锄、i c y ，即可得到三相谐波电流锄、锄、也。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 当还要检测出无功电流时，只需断开图2 1 5 中岛的通道即可。 与f p - 岛检测法不相比，基于同步旋转p a r k 变换的小g 法，简化了对称无畸变情况 下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。所以本文采 用d q 检测法来检测电网中的谐波和无功电流。 2 4 有源电力滤波器的控制策略 系统主电路采用电压源型p w m 逆变器，其输出电流控制技术是关系系统性能好坏 的关键技术之一。由于有源电力滤波器中所需产生的补偿电流主要是各高次谐波组成的 畸变电流，所以有源电力滤波器及其电流控制器必须能够跟踪变化很陡，即具有很高 谚a , 值的补偿畸变电流信号。这对有源电力滤波器及其电流控制器的动态性能提出了 特殊的要求。目前有源电力滤波器的输出电流控制方法【l 8 l 【l9 】主要有：三角载波线性控制 法、滞环比较控制法、无差拍控制法、电压矢量控制法等。其中，三角载波比较法和滞 环比较法是最常用的两种；差拍控制方式，由于需要的计算量较大，故在实际中应用很 少；空间矢量控制是基于磁链轨迹控制思想发展起来的，在电压利用率、电流谐波和过 调制等方面具有优势，主要用于交流电机控制。 滞环比较法和三角波比较法是实际应用最多的两种方式，由于三角波调制法的开关 频率变化范围小，控制系统简单，响应速度较快，对高开关频率的系统具有较好的控制 特性，因此本文选用三角载波比较法。 2 4 1 脉宽调制( p w m ) 技术 采样控制理论有一个重要的原理冲量等效原理【2 0 j ：大小、波形不同的窄脉冲变 量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。 脉冲越窄，其输出的差异就越小。上述原理也称为面积等效原理，它是p w m 控制技术 的重要理论基础。例如，图2 1 6 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示的三个窄脉冲形状不同，a 为矩形脉冲， b 为正弦半波脉冲，c 为三角形脉冲，但它们的面积( 即冲量) 相等。当它们分别作用 于同一惯性系统时，输出响应基本相同。而且脉冲越窄，输出差异就越小。 图2 1 7 为电压型单相全桥逆变电路【2 1 1 ，其中全控型开关器件t 1 、t 4 同时通断；t 2 、 3 3 同时通断。t 1 与t 2 的驱动信号互补，t 3 与i 4 的驱动信号互补，即t 1 、t 4 有驱动 信号时，t 2 、t 3 无驱动信号，反之亦然。假设此逆变器要输出的理想电压波形如图2 1 8 ( a ) 所示的正弦波f ) = 所掰s i n m t 。逆变电路的输入电压是直流电压v d ，依靠开关管的通、断 状态变换，逆变电路只能直接输出三种电压值+ v d 、0 、v d 。对单相全桥逆变器四个开 关管进行实时、适式的通断控制，可以得到图2 1 8 ( b ) 所示在半个周期中有多个脉波电压 的交流电压v b ( 0 。图中正负半周各分为p 个( p ：5 ) 相等的时区，每个时区宽度为砌， 每个时区中有一个幅值和宽度分别为v | d 和的电压脉波，相邻两脉冲电压中点之间的 1 6 2 有源电力滤波器的理论基础 距离相等，也为r d p 。5 个脉冲电压的宽度分别为口l 、晓、晚、吼( = 0 2 ) 、0 5 ( = 0 1 ) 、，如果要 求任何一个时间段幅值和宽度分别为v d 和如的矩形脉冲电压等效于该时间段的正弦电 压，根据冲量等效原理有 。已2 i 二仁i r l = s i n ( c o t ) d ( c o t ) ( 2 2 0 ) 从而 以= 去仨弓v i ms i n ( c o t ) d ( t o t ) = 外s 卜，爿- - c o s ( m 万7 式中，m = 1 ，2 ，p 。 图2 1 8 ( b ) 中的脉波数量p 越多，按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦 电压。 如果按同一比例改变所有矩形脉波的宽度0 ，则可成比例地调控输出电压中的基波 电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方式被称为正弦脉宽调制 s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n l 【2 2 1 。 电压p w m 信号的生成方法主要是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把 接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用等腰 三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。 f t ) o 蚕 三 o 图2 1 7 单相全桥逆变电路 f ( t 知 绝 l _ 。：jt 0 f t ) l 给j o ( b )( c ) 图2 1 6 等面积窄脉冲图 t ，t ，4- 自h 】_ t f j 。 ：k 、 冬 幻lo bc 移坦da 拶、l t i t 2 l j 玎 ，7 代 0 。譬 ei 面l 西i ay 一 r 珏r 茌伯 r 珏倦 戳 、 吲3 ) 、 意自自酋乱 沁 | o ：声， 砖。| h ：、 l l l 一 。i孽i 一易。一一1 j ， ( a ) 正弦电压( b ) s p w m 等效电压 图2 1 8 用s p w m 电压等效正弦电压 1 7 西安科技大学硕士学位论文 2 。4 。2 滞环比较控制方式( h y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 滞环控制是目前使用十分广泛的一种闭环控制方法。该方法根据给定的补偿信号与 测得的逆变器输出电流的误差来控制逆变器开关的动作。当误差超过滞环的上、下限时 开关立即动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕参考信号上下波动1 2 3 1 。 图2 1 9 为滞环比较控制方式的原理图【2 4 】，在该方式中，把补偿电流的指令信号扩 和实际的补偿电流信号如进行比较，两者的偏差屯作为滞环比较器的输入，通过滞环 比较器产生控制主电路开关的p w m 信号。该p w m 信号经驱动电路来控制开关的通断， 从而控制补偿电流己的变化。其基本原理是以补偿电流信号的参考值为基准，设计一个 滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际补偿电流保 持在滞环带内，围绕其参考值上下波动【2 5 】。图2 2 0 为滞环比较控制法芘跟随t 嗖化