（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的并联型有源电力滤波器实验装置研制.pdf

郑州大学工学硕士论文 a b s t r a c t p o w e re l e c t r o n i ce q u i p e m e n ti su s e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l y , t h er e a c t i v ea n d h a r m o n i cp o l l u t i o ni np o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gs os e r i o u s t h et r a d i t i o n a lm e t h o do f r e a c t i v ec o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i ce l i m i n a t i o nh a sn o tb e e na b l et os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t so ft h em o d e mp o w e rs y s t e m a san e wc o m p e n s a t i o nd e v i c e , a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) i sr e g a r d e da s t h em o s td e v e l o p m e n tp o t e n t i a lr e a c t i v ea n dh a r m o n i c c o m p e n s a t i o nd e v i c e b e c a u s e , i th a st h em e r i t si nr a p i dr e f l e c t 、b e t t e rc o m p e n s a t i o na n d t h ea b i h t yi nd y n a m i cc o m p e n s a t i o n a p fh a sb e e np u ti n t o p r a c t i c a la p p l i c a t i o n a b r o a d h o w e v e r , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to na p fi ss t i l li nt h el a b o r a t o r yi no u r c o u n t r y t h e r ei sn o tm a t u r ep r o d u c tt h a ti sp u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o nn o w i th a sv e r y i m p o r t a n tm e a n i n g st od e v e l o p a p e s h u n ta p f e x p e r i m e n td e v i c ei sd e s i g n e dw h i c hu s e st h et m s 3 2 0 f 2 8 1 2a sc e n t r a l c o n t r o l l i n gc h i p sa n di n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) p m 3 0 c s j 0 6 0a sp o w e ru n i t a n d i t s c o m p e n s a t i o nc a p a c i t y i sa b o u t3 3 0 v a d e s i g no ft h ea p fm a i nc i r c u i ta n d c o n t r o l l i n gc i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i l t h et o t a ld e s i g n i n gc o n t a i n st h ed e s i g n i n go f s i g n a la q u i f i n ga n dc o n d i t i o n i n gc i r c u i t 、t h ec h o i c eo fd e - s i d ec a p a c i t a n c ea n dt h e o u t p u tr e a c t o r 、t h ed e s i g n i n go fd e - s i d ev o l m g es e n s o ra n dt h ep r o t e c t i o nc i r c u i tf o r m a i nc i r c u i t a m e t h o dd i f f e r e n tf i o mt r a d i t i o n a lw a yo fm a k i n gp r o g r a mi su s e dt od e v e l o pt h e s o f t w a r eo ft h ea p fe x p e r i m e n te q u i p m e n t a c c o r d i n gt os o m ee m p i r i c a lf o r m u l a , t h ep i c o n t r o l l e ro fd c s i d ec a p a c i t o ra n dt h ep ic o n t r o l l e ro fd i r e c t i v ec u r r e n tt r i p i n gc i r c u i t i sd e s i g n e dd i g i h a ll o w - p 盆s sf i l t e ri s r e a s o n a b l yd e s i g n e dt og e tb e t t e rr e a l t i m e p e r f o r m a n c ea sg e tb e t t e rt i l t i n ge f f e c t f i n a l l y , a n a l y z a t i o no fe x p e r i m e n t a lw a v e sa n d d a t a ss h o wt h eg e n e r a lv a l i d i t yo fs o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f a p f e x p e r i m e n te q u i p m e n t k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf l l t e r ( a p f ) ，i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l c o p m ) t h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , d s p 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 1 1 课题的研究背景及意义 1 绪论 理想的电力系统电压应该是固定的频率以及规定的幅值，而电流应和系统电 压同相且为正弦波。但随着电力电子技术的发展，电力电子装置得到日益广泛的 应用，电力电子设备自身的非线性特性，为电网系统引入了大量的谐波和无功污 染【l , 2 1 。谐波污染对电网和用电设备造成了严重的危害，主要包括以下几个方面 3 , 4 , s 1 ： ( 1 ) 谐波使公用电网用电设备产生附加谐波损耗，降低了系统发电、输电、 配电、用电设各的效率。 ( 2 ) 谐波影响用电设备的正常工作。引起电机产生附加损耗、机械振动、噪 声、过电压，使变压器局部过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命 减短，影响电视机和换流设备的正常工作 ( 3 ) 谐波会引起系统局部的并联和串联谐振，从而造成谐波放大，加剧谐波 影响。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，影响电气测量仪表的正确计 量和部分传感器的正常工作。 ( 5 ) 谐波会对附近的通信系统产生干扰。 目前解决谐波问题方法的有主动式和从动式。主动式即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为1 ，如采用全控型器件的p w m 整流器、 功率因数校正p f c 、多重化技术等，这是电力电子技术未来发展的方向，但只适 合于作为主要谐波源的电力电子装置；从动式即装设滤波补偿装置，这种方法适 用于各种谐波源，既可分散补偿也可集中补偿1 6 j 。 传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器、电 抗器等无源器件构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为 谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率虽然无源滤波器具 有成本较低、结构简单、运行可靠、维护方便的优点，但它也存在如下缺点： ( 1 ) 只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使 谐波放大； 郑卅i 大学工学硕士论文 ( 2 ) 只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿； ( 3 ) 其滤波特性受系统参数影响较大，且其滤波特性有时很难与调压要求相 协调； ( 4 ) 重量与体积较大等等。 针对无源滤波技术的上述缺点，1 9 7 6 年，l g y u g i 提出用p w m 逆变器构成“有 源电力滤波器”( a c t i v e p o w e r f i l t c r , a p f ) 。8 0 年代以后，由于电力电子器件及其控 制技术的发展，a p f 技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。 与无源滤波器相比，a p f 具有高度可控和快速响应的特性，并且能跟踪补偿 各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危 险，相对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要 手段。a p f 的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。 1 2 课题的发展现状和前景 1 2 1 有源电力滤波器的国内外研究现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到本世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和j e m a r s h 发表的论文1 7 l 中，描述了通过向交流电网中注入三次谐波电流来减少 电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有 源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a l d 和t m a c h i d a 发表的论文【8 】中，首次完整地描述了有源电力 滤波器的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大， 成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 控制交流器构成的有源电力滤波器 【9 l ，确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本 拓扑结构和控制方法。从原理上看，f w m 交流器是一种理想的补偿电流发生电路， 但由于当时电力电力技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而 有源电力滤波器仍局限于实验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及控制技术的发展，对有源电力滤波器的 研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大 突破是，1 9 8 3 年赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”1 1 0 ! ，以该理 论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功应用，极大 促进了有源电力滤波器的发展。目前，三楣电路瞬肘无功功率理论被认为是有源 电力滤波器的主要理论基础之一【l ”。 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 有源电力滤波器作为改善电能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，世界上有源电力滤波 器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。 据统计，仅在日本，自1 9 8 1 年以来，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节越来 越丰富。 国内对a p f 的研究也十分活跃，技术上也比较成熟，但仍处于实验阶段。对于 a p f 的研究主要集中在并联型和混合型。并联型a p f 的研究最为成熟，主要以理论 和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、 a p f 的稳态和动态特性分析等。虽然在理论上取得了一定的进展，但由于多方面条 件的限制，至今未有并联型的正式产品用于实际。目前，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 l 。d s p ) 为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展 使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字量控制的电能质量调节装 置所取代，随着d s p 性价比的提高，用d s p 控制a p f 已成为当今和未来技术发展的一 个热点。此外，大功率电力电子技术、控制技术的不断发展使a p f 的成本不断降低， 加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的前景1 1 z j 。 1 2 2 有源电力滤波器的发展前景 从目前的研究现状和应用水平来看，a p f 的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 增大器件容量、提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补偿效果。此 外，应用多重化技术也能提高器件的等效开关频率，实现对高次谐波的补偿。 ( 2 ) 降低价格，提高性价比。当前大功率滤波装置从经济角度考虑，可采用a p f 与无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减少a p f 的容量达到降低成本、 提高效率的目的：从长远来看，大容量交流器应用于变频、调速系统使其价格必 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a p f 系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联a p f 由于功能强大、性价比高， 将是一种很有发展前途的有源电力滤波装置。 ( 3 ) 降低损耗，提高系统的可靠性包括采用合理的开关频率，选择适当的吸收 回路以提高装置的使用效率：采用过流、过压保护技术、故障诊断技术以提高系 统可靠性等方面都是有待进一步研究的方向。 电力系统的谐波污染问题日益严重使其对a p f 的需求不断增加，随着我国对 a p f 研究的不断深入和对电能质量治理工作的持续开展，利用a p f 进行电能质量改 善将会有巨大的市场应用潜力，在补偿谐波、中线电流、不平衡电流和功率因数 郑州大学工学硕士论文 校正等方面，a p f 技术必将得到更加广泛的应用【1 2 1 。 1 3 本文所做工作 本文以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心控制芯片和三菱公司的p m 3 0 c s j 0 6 0 为功率单元设计了一台补偿容量约为3 3 0 v a 的单一并联型小容量有源电力滤波器 的实验装置，实验波形和分析验证了算法和主电路参数设计的基本正确性。具体 工作如下： ( 1 ) 设计了更为合理的信号调理模块，保证了信号采集的实时性和精确性。 开发了其硬件电路部分，并验证了模拟量信号输入、输出的正确性。 ( 2 ) 为保证主电路工作的安全性，根据智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e , i p m ) 内部保护电路的特点，设计了口m 的外部保护电路，确保主电路安 全可靠地工作。 ( 3 ) 运用m a t h w o r k s 公司和1 r i 公司联合开发的m a f l a b 的一个新工具箱 e m b e d d e dt a 昭e tf o rt h et it m s 3 2 0 c 2 0 0 0 ( 勘r i i c 2 0 0 0 ) 和工具箱l i n kf o rc o d e c o m p o s e rs t u d i ov e r 1 5 ( c c s l i n k ) 在m a f l a b 的s i m u l i n k 下进行直接图形编程并 实时生成代码的方法，开发了有源电力滤波器的软件部分，并通过实验波形分析 验证了该方法的可行性。 ( 4 ) 在实验室允许的条件下，通过调压器降低了系统电压，对整个实验装置 进行了初步地软件、硬件调试，通过实验的方法合理地选择了数字低通滤波器和 p i 控制器的参数，以最大限度地保证程序的实时性。最后，获得了相对理想的补 偿波形。 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 2 有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装置， 利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波、无功和负序电流幅值相等、 相位相反的电流，使电源的总电流为与电源电压同相位的标准正弦波，达到实时 补偿谐波、无功和负序电流的目的1 1 弘1 5 l 。本章将详细介绍有源电力滤波器的结构 和补偿原理。 2 1 有源电力滤波器概述 2 1 1 有源电力滤波器的基本原理 如图2 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。负荷为谐波源， 它产生谐波并消耗无功。实时谐波、无功检测电路检测补偿对象的电压和电流， 经控制电路中的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，补偿电流与负荷电流中要补偿的谐波及无功 等电流相抵消，最终得到期望的电源电流。 电力系统 ii 图2 1 有源电力滤波器原理图 f i g z 1t h ep r i n e i p l cd i a g r a mo f a f f 有源电力滤波器利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值 - 5 - 郑州大学工学硕士论文 相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目 的1 d 。1 5 。有源电力滤波器具有以下特点【1 1 】： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波、无功和负序进行补偿， 对孙偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 补偿无功功率时不需要贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大； ( 3 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； ( 4 ) 能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响； ( 5 ) 可对一个及多个谐波和无功源进行补偿。 2 1 2 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。 2 1 2 1 按电源性质分类 按电源性质可分为交流电力有源电力滤波器、直流电力有源电力滤波器。交 流用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，直流用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。直流用有源电力滤波器的典型应用是在直流输电系统中 滤除直流输出谐波【阍，另外则是在高精度输出直流电源上。 2 1 2 2 按直流侧储能元件分类 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有源电力滤波器和电容储能型有源电力滤波器。电感储能型 有源电力滤波器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 ea p f ) ，如图 2 2 所示。电容储能型有源电力滤波器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 ea p f ) ，如图2 3 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，直流侧并联电容逆交桥损耗较小，由于是电压源的形式，所以容易 实现级联从而可降低单台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。 2 1 2 3 根据接入电网的方式分类 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 s a p f ) 两大类及统一电能质量调节器三类，前两者又分 别包括不同类型。有源电力滤波器具体的分类如图2 4 所示。 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 逆变器 图2 2 电流源型有源电力滤波器 f i 9 2 2 c u r r e n t - f e d t y p e a i f 逆变器 图2 - 3 电压源型有源电力滤波器 f i g2 3v o l t a g e - f e d - t y p e a p f 图2 4 有源电力滤波器的分类 f i g2 4t h ec l a s s i f i c a t i o no f a p f 2 2 并联型有源电力滤波器 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，本文所研究的对象为单一并联型有 源电力滤波器。 2 1 1 并联型有源滤波器的补偿原理 郑州大学工学硕士论文 并联型有源电力滤波器的系统构成框图如图2 5 所示。电源为三相交流电网电 源，非线性负载产生谐波并吸收无功功率。其中t 为电源电流，屯为负载电流，屯 为补偿电流。并联型有源电力滤波器主要由两部分组成，即指令电流计算部分和 补偿电流发生部分( 电流跟踪控制电路、驱动电路、功率主电路) 。其中指令电流 计算部分是整个并联型有源电力滤波器的核心部分，只有产生正确的指令电流才 能达到良好的补偿效果。电流跟踪控制电路、驱动电路、功率主电路的作用是将 产生的指令电流转化为实际的补偿电流。由于并联有源滤波环节采用输出电流闭 环控制，可以将其看作电流源。具体的补偿原理分析如下： 假设电源电压为： 吒( f ) 。戤s i n 拼( 2 1 ) 式中 以一电源电压有效值，v 流过负载的非正弦电流可以用傅立叶级数展开表示为： - 皿s 证( 研+ 8 1 ) + 荟厄血+ 吃( 2 2 )：= 苎【厶印 - ( f ) + f ( f ) 式中 ( f ) 负载电流瞬时值，a ； ， 基波电流有效值，a ； l n 次谐波电流有效值，a ； ( f ) 基波电流瞬时值，a ； ( f ) 谐波电流瞬时值，a 。 只进行谐波补偿时，通过电流采样元件采样得到负载电流，然后经过计算得 出谐波电流，将其作为指令电流，通过控制电路控制逆变器向电网注入补偿电流 t ( f ) ，使得o ) 一毛o ) ，便可以补偿负载的高次谐波电流使得电源电流正弦化，大 大提高电源的功率因数。 若在补偿谐波电流的同时进行无功补偿。可进一步将基波电流分解 o ) 一0 0 ) + ( i ) 式中0 ( f ) 基波有功电流瞬时值 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 k o ) 基波无功电流瞬时值 从而补偿电流为 乏0 一( f ) + 乞( f ) 经过补偿后的电源电流为与电源电压同相的标准正弦波 2 2 2 指令电流运算电路 ( 2 4 ) 指令电流运算电路的作用是检测出非线性负载电流中的谐波、无功和负序分 量，也可以称为谐波、无功和负序电流检测电路。有源电力滤波器的关键技术是 如何实时检测非线性负载电流中的谐波、无功和负序分量以获得控制电路所需的 补偿电流指令信号。其准确性将影响到整个有源电力滤波器的补偿特性【”l 。谐波 电流的检测方法可以分为时域和频域两大类旧，根据文献 1 8 1 可知具体的电流检测 技术主要有： ( 1 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法 1 9 1 其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全 一致的有功电流分量；另一个是负载电流与有功电流的差值，包括基波无功和谐 波，称为广义无功电流分量此方法计算广义无功电流瞬时值至少有一个周期以 上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。并且此方法只能区分有功电流 和广义无功电流，不能将基波无功和谐波电流分离出来，所以只能用于全补偿场 合，无法实现基波无功和谐波电流的单独补偿。 ( 2 ) 基于赤木泰文三相瞬时无功功率理论的检测方法【1 1 】 此方法在a p f 的发展过程中起到了巨大的推动作用，是目前a p f 中应用最广 的方法，它包括f 。、f 。法和p 、口法。当电源电压对称无畸变且负载电流对称时， 两种方法都能准确检测出基波电流的有功、无功分量和谐波电流分量；当电源电 压和负载电流均畸变但对称时，i 。、法仍能准确检测出谐波电流，而p 、q 法存 在误差；当三相电压或三相电流不对称时，直接应用这两种算法都存在检测误差， 不能实现非有功电流的完全补偿。基于该理论的瞬时无功电流检测法具有较好的 实时性，其时间延迟仅取决于低通滤波器的性能。在检测基波无功电流时基本上 是无延迟的，故在三相平衡正弦系统中得到了成功的应用。本方法将在后面的章 节详细阐述。 ( 3 ) 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法1 2 啦l 】 该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电 流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，而得到所有谐 仉 郑州大学工学硕士论文 波与基波无功电流之和。此检测系统是一个闭环调节系统，其运行特性与元件参 数几乎无关，当电网电压发生波形畸变或频率波动时，检测系统仍能正常工作， 具有良好的自适应能力；其缺点是动态响应速度较慢。 ( 4 ) 基于频域分析的f f r 检测法【2 2 l 该方法以f o u r i e r 分析为基础，要求被补偿的波形是周期变化的，否则误差较 大。通过f f f 将检测到的个周期的非正弦信号分解，得到各次谐波的幅值和相 位，将欲消除的谐波分量进行f f t 反变换，即得到补偿参考信号。该方法的优点 是可以选择欲消除的谐波次数，还可计算出负载电流的基波有功和基波无功分量， 而且受环境因素影响较小。缺点是需要进行f 兀变换及其反变换，计算量大，因 而有较大的时问延迟，其速度也无法满足对计算和控制的实时性要求即使是采 用定点运算能力达到每秒1 6 亿次的t m s 3 2 0 c 6 x x 系列专用数字处理芯片( d s p ) ， 执行一次1 0 2 4 点的f f r 仍需要7 0 p s 。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时， 谐波电流的检测误差较大。 ( 5 ) 采用模拟带通滤波器的谐波电流检测方法嘲。用带通滤波器检测谐波电 流时，由于滤波器中心频率不固定，当电网频率波动时滤波效果会大大下降。此 外滤波器的中心频率对元器件参数的变化十分敏感，这使得滤波器要取得较理想 的幅频和相频特性交得十分困难。 对比上述几种指令电流检测方法后，本文采用基于瞬时无功功率理论的检测 方法。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 5 并联型有源滤波器原理图 f i g 2 5t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs h u n t a p f 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 2 2 2 1 瞬时无功功率理论 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( h i r o f u m i a | c a 西) 提出， 赤木最初提出的理论亦称pq 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基 础，其主要一点不足是未对有关的电流量进行定义。此后该理论经不断研究逐渐 完善，并在许多方面得到了成功的应用根据文献【1 1 1 ，下面要介绍的是以瞬时有 功电流f 。和瞬时无功电流f 。为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关 系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为巳、气、e f 和i 。、乇、f c 为分析 问题方便，把它们变换到4 - 芦两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到 4 、，两相瞬时电压e a 、e 。和a 、口两相瞬时电流t 、i 。 * 斟 m 豳 ( 2 5 ) 舯= 历墨兹兹】 可以根据( 2 5 ) 式和( 2 6 ) 式引入三相电路瞬时有功功率和瞬时无功功率， 有 或 乏城卜剀 式中伞擘：曼】将式包5 ，和式旺6 ，代入式住8 ，可得 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 蟹铀 + 一 吁让 i i p 鼋 ，_ij，ll i p 。巳l l + 白屯+ e j 。 嘞+ 纯硝+ 瓴诎】 仁乃 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 定义a 、夕相的瞬时无功电流、( 瞬时有功电流0 、) 分别为三相 电路瞬时无功电流i g ( 瞬时有功电流) 在4 、鼻轴上的投影，即 。s 致。e 。a 。：e + a 弓p ( 2 1 0 ) 。f，忆。詈。孺easill p 0 ，。l ，忆。 0 。：i 了 q 。s i n q 口= e e t q 。e = 彳! + 巴e i p s i l l 鼋 q 。彳- 鼋 。c o s 讫。争毛。孺- e 口 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 定义三相电路各相的瞬时无功电流0 、k 、( 瞬时有功电流0 、0 、0 ) 是口、p 两相瞬时无功电流、i a , ( 瞬时有功电流0 、i 彦) 通过两相到三相变 换所得到的结果。即 阶瞄】 舯列 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 式中c 。一c 互 定义瘁、b 、c 各相的瞬时无功功率吼、吼、吼( 瞬时有功功率p 。、风、p 。) 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积，即 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 以一巳0( 2 1 6 ) n 一气0 ( 2 1 7 ) p c 一巳( 2 i s ) 吼一巳乙( 2 1 9 ) 吼一气k( 2 2 0 ) 吼- e , , o 。( 2 2 1 ) 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义 的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概 念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和 任何过渡过程的情况，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广 和延伸。 2 221 基于瞬时无功功率理论的谐波，无功，负序电流检测方法 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了 成功的应用。目前在有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电 流检测方法应用最多。以三相电路瞬时无功功率理论为基础，用p 、q 法或i 。、i o 法 得出三相电路谐波和无功电流。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构 成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对 于电网中最典型的谐波源三相桥整流器，其检测的延时约为1 6 周期。可见，该方 法具有很好的实时性i 翊。 ( 1 ) 口、q 运算方法 因为p 、q 运算方法有三相电源电压参与计算，因此当电源电压出现畸变时， 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。这里不再对 这种算法进行详细的分析。只给出它的算法原理图，如图2 6 所示 图2 6p ，口运算方法原理图 h g 2 6 p r i n c i p l e f i g u r e o fp ，qo p e r a t i o n m e t h o d 郑州大学工学硕士论文 ( 2 ) i 。、l 运算方法 该方法的原理图如图2 7 。图中c 的式子如式( 2 2 2 ) 。该方法中，需用到与a 相 电网电压岛同相位的正弦信号s i n t o t 和对应的余弦信号一c o s w t ，它们由一个锁相环 ( p u ，) 和一个正、余弦信号发生电路得到。当要检测谐波、无功和负序电流时只需 断开图2 7 中的通道即可。而如果要检澳4 无功电流，则只要对f 。进行反变换即可。 ( 1 ) 三相电压、电流对称时电流检测情况 a 电网电压波形无畸变时的检钡结果分析 “l s i n m t - 一c o s m t c o s m ts m t o t 】 l 一 一 i ( 2 2 2 ) 图2 7 i p ，i q 运算方法原理图 f i g 2 7p r i n c i p l ep i c h u eo fi p ，o p e r a t i o nm e t h o d 按、运算方式过程如下： 卜1 ；f 咖酬 h 【一o o s o ) t 。压 一c o s ( o t 压 确r j x j 1 三土 22 o 巫堑 22 荟麟孵j 1 ) 肼识】 荟鹕斑【( 1 - 矗枷一赐】 i p 、经低通滤波器( l p f ) 得 ( 2 2 3 ) 鹾- j 小3t ：。o 烈s ( 鸭- 妒o 习 再由图2 7 求得式( 2 二1 5 ) 。 滞 1o 一1 压 22 1 一压 22 嚣s i n d o t - c o 刮s o 口t 习 凰s i n ( w t + 妒1 ) 佤s j 卿一等 佤s 缸( 姗警+ 吼) ( 2 2 5 ) 可见，i v 、运算方法准确地算出了0 、0 、0 ，从而准确地算出0 、 b 电网电压波形畸变时的检汉4 分析结果分析。 从图2 7 可以看到，按i 。、运算方式检测时，由于只取s i n c o t 、一c o s w t 参与 运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的 影响，检测结果是准确的。 ( 2 ) 三相电流不对称时电流检测情况 丑三相三线制，电网电压对称情况 利用对称分量法，可以把f 。、i c 分解为正序分量和负序分量组。设电网电压 角频率为，且a 相电压初相角为零。于是、五、t 可表示为式( 2 ，撕) ，将它们变 换到a 、口两相可得式( 2 2 7 ) ，由式( 2 2 3 ) 和式( 2 2 7 ) 可得式( 2 2 8 ) ，它们盼直 流分量如式( 2 2 9 ) 所示，由式( 2 2 9 ) 可见，一i p 、i 是由、屯、t 的基波正序分 量产生的。将它们反变换即可得出式( 2 3 0 ) 由上述推导可知，正确地检测出了基 波正序电流分量，进而可正确地检测出谐波和基波负序电流之和乙、。 郑州大学工学硕士论文 - 压阢s i n ( n d o t + ) + 屯s i n ( n c o t + ) 】 l _ 压善【h s i 吣埘f + 一1 2 0 ) + 屯s i 吣埘f + + 1 2 0 ) 】( 2 2 6 ) _ 压荟阢s i n o f + + 1 2 0 ) + l 知s i n ( n f + 一1 2 0 ) 1 蠢卜 历薹s i l l f + ) + l s i 吣f + ) 】 压荟卜l j c o s ( n o ) f + ) + l s 加埘f + ) 】 撕荟c o s 鼢一驷f + 礼卜历三乞c o s 鼢+ 驷f + 】 镯箭 一压苫阮s i i i 勋一跏f + 卜拓三毛s i n + 驷f + 】 小z 二i c o ；s 嘞砚1 】 现，s i 咖“鳃，) 凰，螂，寺+ 绚) 凰西n ( 姗等+ ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) b 三相三线制，三相电压不对称时 三相电网电压不对称时，电压中将包含负序分量和零序分量。由p l l 及正余弦 发生电路得到的正余弦信号相位是由e 。确定的。其中，正弦信号与p 同相即与e 。的 正序分量、负序分量及零序分量之和同相。而期望的正弦信号s i n t 应与e 。正序分量 同相。这样，实际的正弦信号与期望的正弦信号之间就有相位差。设此相位差为8 ， 实际的正余弦信号分别为s i n ( o 口t4 - p ) 和一c o s ( o d t + 口) 。在此情况下，f 。、屯为 基于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 压阢c o s 一1 ) r o t + o z , , 一明一石乞c o s 睁+ 1 ) r o t + p 2 , , + 口】 爿箭 一石罗阮s i n ( n 一1 ) r o t + 弼t , 一o l 一历ls i n ( n + 1 ) r o t + 够2 , + 研 箭篇 它们的直流分量为 由此算出 即- ，l l l - z 毗s 纽( q , 1 句- o ) ) 】 尥，s i n ( c o t + 吼，) 厄户 r 专嘶) 凰蜘( 争够，) 佗3 2 ) ( 2 3 3 ) 可见，因电压不对称引起的正余弦信号相位偏差不影响最终检测结果的准确性。 c 三相四线制 三相四线制电路中，屯、屯、t 包含零序分量，它们所含零序分量相等，且为 毛。掣 j 将此零序分量从各电流中剔除，即令 l 。l 一t o 1 - b 1 0 l f l f l o ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) k 芝 旧箸 一心 郑州大掌工学硕士论文 则i 、i 。中含正序分量和负序分量，可以用式( 2 2 6 ) 表示。这样，对i 、 i 。检测得到的基波正序分量仍如式( 2 3 3 ) 所示。将此基波正序电流分量与f 。、毛、t 相减，就可以得出包含谐波、基波负序、零序在内的最终检测结果。 由以上分析可以看出，基于瞬时无功功率理论的f 。、t 方法，可以在电网电压、 电流不对称或畸变的情况下很好地检测出负载电流中的基波成分。f 。、t 法存在镄 相环，因此，对电源电压上升沿过零点与基波电压上升沿过零点的同步性要求较 高。当电源电压畸变较小而不至于使电源电压的上升沿过零点与其基波电压上升 沿过零点不一致时，不会产生检测误差，但当电源电压畸变较大以至于使电源电 压的上升沿过零点与其基波电压上升沿过零点不一致时就会产生谐波电流检测误 差i 。、法计算中无除法运算只有加减法和乘法运算，对于定点d s p 的计算十分 有利，能大大提高运算的准确性和快速性。考虑到实际系统中电源电压畸变的程 度不至于使电源电压的过零点与其基波电压过零点不一致，即使有过零误差该误 差也不会太大，所以i 。、i 法较适用于用定点实现。o d s p 2 2 3 补偿电流发生电路 2 2 3 1 有源滤波器的主电路 有源滤波器的主电路通常采用p w m 交流器。根据直流侧贮能元件的不同，可 分为电压型和电流型两种。图2 8 和2 9 分别示出可用于三相三线制系统的电压型 和电流型p w m 交流器。电压型p w m 变流器的直流侧接有电容器，在正常工作时， 透过算法的支持使直流侧的电压基本保持不变，可看作电压源，在交流侧的输出 电压为p w m 波；电流型p w m 变流器的直流侧接有电感器，在正常工作时，透过 算法的支持使直流侧的电流基本保持不变，可看作电流源，在交流侧的输出电流 为p w m 波。 图2 8 三相三线制系统的电压型p w m 变流器 f i g 2 8v o l t a g em o d ef w m i n v e r t e r o f 3 - p h a s e3 - w i r es y s t e m 图2 9 三相三线制系统的电流型p w m 交流器 f i g 2 9c u r r e n tm o d ep w m i n v e r t e r o f3 - p h a s e3 - w i r es y s t e m 摹于d s p 的并联型有源电力滤波器实验装置的研制 2 2 3 2 电流跟踪控制电路 电流跟踪控制电路的作用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 结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化【l l l 。 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变 化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控制方 式。目前跟踪型p w m 控制方式主要有两种；滞环比较控制和三角波比较方式。 ( 1 ) 滞环比较控制 滞环比较控制( h y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 是将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出 值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开通与关 断，从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值。与三角载波线性控制相比， 滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快等特点缺点是系统的开关频率、响 应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。带宽固定时，开关频率会随补偿电 流变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声【矧。 ( 2 ) 三角波比较方式 三角波比较方式( m a n g l ew a v ec o n t r 0 1 ) 是最简单的一种控制方法。通过将检 测环节得到电流实际值与参考值之问的偏差与高频三角载波相比较，所得到的矩 形脉冲作为逆变器各开关元件的开通与关断信号，从而在逆变器输出端获得所需 的波形。该方法的优点是动态响应好，开关频率固定，实现电路简单，缺点是输 出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量。开关损耗较大，在大功率应 用中受到限制【矧。 图2 1 0 包括直流侧电压控制环节的i ，彳叮运算方法原理图 f i g 2 1 0 p r i n c i p l e p i c t u r e f o ri 0 io p e r a t i o n m e t h o d i n c l u d i n g d c v o l t a g ec o n t r o l k k 2 2