（电力电子与电力传动专业论文）有源电力滤波器的并联运行系统研究.pdf

r e s e a r c ho np a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mo f a c t i v ep o w e rf i l t e r s a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no fc o u n t r y si n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s ，al a r g en u m b e ro f n o n l i n e a ra n di m p a c tl o a d sh a v ea p p e a r e d h a r m o n i cc u r r e n ta n dr e a c t i v ec u r r e n t w h i c hg e n e r a t e db yt h e s el o a d so nt h ep u b l i cg r i dp o l l u t i o ni sa l s ob e c o m i n g i n c r e a s i n g l ys e r i o u s t os u p p r e s sh a r m o n i cp o l l u t i o nc a u s e db yn o n - l i n e a rd e v i c e s ， t h e r ew e r em a n yw a y st os o l v eh a r m o n i cp r o b l e m s a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa p r o m i s i n gd e v i c ef o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o n f r o mt h ee i g h t i e s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r t h e o r ya n da p p l i c a t i o n sh a v ea c h i e v e dg r e a tp r o g r e s s a s t h e “i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi nt h r e e - p h a s ec i r c u i t s i nt h es u c c e s so fa c t i v ep o w e r f i l t e r s a p p l i c a t i o n s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r d e v i c eh a se n t e r e dap h a s eo fi n d u s t r i a la n d p r a c t i c a l h o w e v e r ，w i t ht h ei n c r e a s i n gc a p a c i t yo fs y s t e m ，t h e a l l o w e ds w i t c h i n g f r e q u e n c yo ft h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e si sg e t t i n gl o w e ra n dl o w e r t h el o w e r s w i t c h i n gf r e q u e n c yh a sad i r e c ti m p a c to nt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to fa c t i v ep o w e r f i l t e r w h e na c t i v ep o w e rf i l t e ri su s e df o rl a r g e c a p a c i t yh a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ， t h e r ei sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd e v i c es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dc a p a c i t yo ft h e d e v i c e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo b t a i nal a r g e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t y , r e s e a r c ho n t h eu s eo fp a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mo fm u l t i p l ea p f si sg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h es i n g l ea c t i v ep o w e rf i l t e r ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s p a r a l l e lo p e r a t i o ns t r a t e g yt oa c h i e v et h ep a r a l l e lo p e r a t i o no fm u l t i p l ea p f s t h i s p a r a l l e lo p e r a t i o ns o l v e st h ei s s u eo fc o m p e n s a t i o nf o rl a r g e c a p a c i t yh a r m o n i c f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n dw o r kp r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d s ，c e n t r e lm e t h o d so fs h u n t a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dd cs i d ec a p a c i t o r sv o l t a g ec o n t r o li sr e s e a r c h e di nd e t a i l s e c o n d l y , v a r i o u sp a r a l l e lc o n t r o ls t r a t e g i e so fm u l t i p l ea p f sa r ei n t r o d u c e d a n dr e s e a r c h e d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ec o n t r o ls t r a t e g y a r e c o m p a r e di nd e t a i l o nt h i sb a s i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wc o n t r o ls t r a t e g yb a s e d o nc u r r e n ts h a r i n g t h en e wc o n t r o ls t r a t e g yo v e r c o m e st h es h o r t c o m i n g so ft h e u s e dm e t h o d so ft h ea p f sp a r a l l e lo p e r a t i o n t h en e wp a r a l l e lo p e r a t i o ns y s t e mh a s h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h e p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e lo p e r a t i n gs y s t e m i t sv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y i sv a l i d a t e db ym a t l a bs i m u l a t i o n f i n a l l y , b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mi sb u i l d e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eb a s e do nd s p i sd e s i g n e d t h eh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a v ec a r r i e do u tad e t a i l e d s t u d ya n dc o n d u c t e das e r i e so fe x p e r i m e n t a ls t u d i e st ov e r i f yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i si sc o r r e c t k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d ；c o n t r o lm e t h o d s ； p a r a l l e lo p e r a t i o n ；c u r r e n ts h a r i n gs t r a t e g y ；m a t l a bs i m u l a t i o n ；d s p 插图清单 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成8 图2 2 三相电压型a p f 主电路9 图2 3p q 理论中的a 卢书坐标系电压电流矢量图1 2 图2 - 4 沙g 运算方式的原理图1 4 图2 5 杠砑运算方式的原理图1 4 图2 6 i p - i q 谐波检测算法仿真模型1 5 图2 7i p - i q 谐波检测算法仿真负载电流波形。1 5 图2 8 秘幻谐波检测算法仿真基波电流波形1 6 图2 - 9i p - i q 谐波检测算法仿真谐波电流波形16 图2 1 0 周期采样控制方法1 6 图2 1 l 滞环比较控制方式17 图2 1 2 三角载波控制方法1 7 图2 1 3 有源电力滤波器等值电路1 8 图2 1 4 电压控制指令参考电压向量图1 9 图2 1 5a 相等效b o o s t 升压电路2 0 图2 1 6 输出有功电流电压控制向量图2 0 图2 1 7 吸收有功电流电压控制向量图，2 0 图2 1 8 模糊p i 控制器原理图2 1 图2 1 9 直流侧电容充电实验波形2 3 图2 2 0 负载突增时直流侧电压波形2 3 图2 2 l 负载突减时直流侧电压波形2 4 图3 1a p f 级联式并联方案2 6 图3 - 2a p f 并联各次谐波补偿方案2 7 图3 3a p f 并联不同类型谐波补偿方案2 7 图3 4a p f 并联集中电流控制方案2 8 图3 5a p f 并联运行系统结构图2 8 图3 - 6门槛限流原理3 0 图3 7比例限流原理3 0 图3 8 均流系数实现方式3 1 图3 - 9 并联运行系统a p f 控制原理图3 2 图3 1 0 系统启动主从判断流程图3 3 图3 1 1a p f 并联运行仿真模型3 4 图3 1 2 负载突变时a p f 并联系统仿真图3 5 图3 1 3a p f 模块热插拔系统仿真图3 6 v i 图3 1 4a p f 并联系统过载仿真图3 7 图4 1a p f 硬件系统整体结构图3 8 图4 2a p f 常用输出滤波器4 l 图4 3l c l 滤波器单相等效电路4 2 图4 _ 4l 滤波器补偿电流频谱分析4 3 图4 5l c l 滤波器补偿电流频谱分析4 4 图4 6l c l 频率特性4 4 图4 7 芯片供电电源转换电路一4 6 图4 8电流采样电路一4 6 图4 9电流采样调理电路4 7 图4 1o 电网电压采样电路。4 7 图4 1l 电压采样调理电路及相位零点捕捉电路4 8 图4 1 2 直流电压采样及调理电路4 8 图4 13r s 4 8 5 通信电路4 9 图4 1 4 控制板电源电路5 0 图4 15 主程序流程图51 图4 16a d c 中断程序流程图5l 图4 1 7 定时器中断程序流程图5 2 图4 18 谐波计算程序流程图5 3 图4 19 捕捉中断程序流程图5 4 图4 2 0 锁相程序流程图5 5 图4 21 通信程序流程图5 5 图4 2 2d s p 采样负载电流波形5 6 图4 2 3d s p 检测谐波电流波形5 7 图4 2 4d s p 将谐波电流生成指令电压波形5 7 图4 2 5 谐波补偿实验波形：5 7 i x 表格清单 表2 1 开关状态及逆变器输出电压1 0 表3 1a f f 并联控制方案比较3 4 表4 1l c l 滤波器参数4 3 x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金胆王些塞堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位敝作者糠力羧签字日期孙年妒月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王些盍堂 可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 名：形f 贝莩 签字日期：1 , , o 年t - - , 9 6 日签字日期：7 纠口年眵月形日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在合工大的研究生生活即将结束，毕业论文也将提交完成，我心中始终不 能忘记的，就是这些年来带给我无限关怀和完全支持的老师、家人以及许多的 朋友和同学们。 深深地感谢我的导师张国荣老师。不论是科研上的勤恳、认真和实验中的 钻劲，还是为人上的谦虚、随和及生活中的踏实，都对我的生活、学习，直至 做人产生了很大的影响，一直激励着我。实验中，他为学生提供良好的实验条 件，常常鼓励我们。生活中，他对学生的事毫不含糊，身体力行。毕业课题研 究中，从论文选题、理论研究、样机设计到程序结构、算法实现，张老师都付 出了很多心血。三年来，张老师在各方面都给了我很大的帮助和支持，此刻我 带着一份敬佩的心情感谢他。 我还要非常感谢苏建徽老师和茆美琴老师，在能源所的近三年来，苏老师 的博学与丰富的经验让我受益匪浅，同时茆老师在学习生活中同样给了我很大 的帮助。 感谢陈林老师在样机调试和软件算法上给予的帮助，同时还要感谢杜雪 芳、张健等所有能源所的老师给予的帮助。 此外还要感谢与我同课题组的齐国虎、张学友等同学在课题研究和实验调 试中给予我的帮助。同时还要感谢与我同届的所有0 7 级同学，三年的学习生活 中，给予的热情帮助、同窗之谊，令我终身难忘。 感谢王英师兄以及0 8 级的陈鹏等同学在样机调试中给予的帮助。 在这里再一次衷心的感谢能源所的所有老师和所有同学给予我的关怀和 帮助。 最后感谢家人对我多年来的养育与支持，帮我顺利完成学业。 i v 作者：马骏 2 0 1 0 年3 月3 0 日 1 1 引言 第一章绪论 目前，随着工业技术的迅速发展，电力系统中各种非线性负载大量的增加。 各种非线性负载如整流器、逆变器以及各种开关电源被广泛应用于工农业生产 和日常生活中，由于其非线性负载的特性的影响，在提高工农业生产效率和人 民生活水平的同时，使大量的谐波电流和无功电流注入了电网，给电网带来了 谐波污染、三相不平衡、频率变化及闪变等电能质量问题，严重影响了设备的 安全运行和输电效率。 电能质量问题已经严重影响了各种设备的安全运行。目前，世界各国已经 十分重视电能质量的改善。谐波治理是解决电能质量问题的重要途径，也是现 代电力生产发展的迫切要求。 为了抑制非线性负载引起的谐波污染，出现了很多抑制谐波污染的途径， 有源电力滤波器是一种广泛应用的谐波抑制装置。自从上世纪8 0 年代以来，有 源电力滤波器理论和应用方面都取得了很大的发展，随着赤木泰文等人提出的 “三相电路瞬时无功功率理论 在有源电力滤波器( a p f ) 中的成功应用，极大 的促进了有源电力滤波器技术的发展。该理论得出的用于有源电力滤波器的谐 波电流和无功电流的实时检测方法，对于有源电力滤波器的研究和应用起了极 大的推动作用。 本章首先介绍了电网谐波问题及其抑制技术，然后介绍有源电力滤波器技 术发展概况及其存在的问题，进而引出了本文的研究背景和目的，最后介绍了 本文主要的研究内容。 1 2 谐波及抑制技术 1 2 1 谐波问题 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代，电力系统的谐波问题就引起了人们的注 意。当时在德国由于使用静止汞弧变流器引起了电压和电流的畸变，谐波问题 就引起了人们的关注和研究。 谐波是由与电网相连接的各种非线性负载所产生的。引起电力系统谐波的 主要谐波源有： 1 )旋转电动机引起的波形畸变； 2 )电弧炉引起的谐波； 3 )电力变压器的非线性励磁； 4 )各种电力电子装置( 如整流器、逆变器、开关电源) 产生的谐波。 目前，电力电子装置的应用日益增多，产生的谐波比重越来越大，已经成 为电力系统的主要谐波源，谐波的危害主要有： 1 )使生产、传输和使用电能的效率降低； 2 1容易引起继电保护装置的误动作； 3 )谐波可引起电力系统局部发生谐振，可能会使谐波含量放大，造成设 备故障； 4 )使电气设备过热、机械振动、噪声和绝缘老化，缩短设备的寿命，甚 至损坏设备； 5 )若谐波的频率比较高，容易对通讯和电子设备产生干扰。 1 2 2 谐波概念及谐波标准 在供电系统中，通常总希望交流电压和电流均呈正弦波形。正弦电压一般 表示为： z ，( ，) = , f 2 u s i n ( t o t + a )( 1 1 ) 当正弦电压施加在线性无源元件电阻、电容、电感上时，其电流和电压分 别为比例、微分、积分关系，电流仍为正弦波，但当正弦电压施加在非线性电 路上时，电流就成为非正弦波，非正弦的电流在电网阻抗上会产生压降，使得 电压波形也成为了非正弦波。对于周期为t = 2 万的非正弦电压“( 耐) ，可分解 为如下形式的傅里叶级数： u ( c o t ) = a o + ( a c o s n t o t + b s i n t o t ) ( 1 2 ) 式中 嘞= 去卜m ， = 昙了甜c 耐，c 0 s ，拗掰c d 瓦：1 2 i ( 耐) s i i l 砌髓f ) 巧； 0 = l ，2 ，3 ) 在式( 1 - 2 ) 中的傅里叶级数中，频率为o d 2 n 的分量称为基波，频率大于1 的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波频率和基波频率的整数比称为谐波次 数。 2 n 次谐波电压含有率用h r 乩( h a r m o n i cr a t i ou n ) 表示： n l w = 铷。 式中u 一一基波电压的有效值( 方均根值) ： 以一一第n 次谐波电压的有效值。 n 次谐波电流含有率用h r i ( h a r m o n i c r a t i oi n ) 表示： 姒= 鲁灯o o 式中一一基波电流的有效值( 方均根值) ； 厶一一第n 次谐波电流的有效值。 谐波电压含量和谐波电流含量厶分别定义为 u h = 露 卜辱 电压谐波总畸变率t h d =电流谐波总畸变率研坦分别定义为 t h d = 瓷川似 ( 1 - 3 ) ( 1 - 4 ) 蚴。等蚶o o ( 1 - 8 ) 规定谐波标准是解决电力系统谐波危害的重要措施。许多国家已经制定了 限制谐波的国家标准或全国性规定。在国际上，国际电气电子工程师协会 ( i e e e ) 、国际电工委员会( i e c ) 制定了比较有影响的谐波标准：i e e e 6 0 5 1 9 1 9 9 2 ( 1 9 8 2 年制定，1 9 9 2 年修订) 和i e c 6 0 5 5 2 2 ( 1 9 8 2 年制定，1 9 9 5 年修订，修订后 的标准名称改为i e c 6 1 0 0 0 3 2 ) 。 我国先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的国家标准和规定。原 水电部于l9 8 4 年制定了电力系统暂行规定。该规定中指出：为了向国民经 济各个部门提供质量合格的电能，必须对各种非线性设备注入电网的谐波加以 限制，以保证电网和用电设备的安全运行。1 9 9 3 年国家技术监督局颁布了电 能质量公用电网谐波标准，规定中限制了公用电网中的电压总畸变率以及公 3 、-，、，、， 5 6 7 - - ，l l ，l ，i、，i，l 共连接点所有的用户向该点注入的谐波电流分量总和。我国还颁布了其他电能 质量标准：电能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 ) ，电能质量供电电压 允许偏差( g b l 2 3 2 5 - 9 0 ) ，电能质量三相电压允许不平衡度( b t 1 5 5 4 3 - 9 5 ) 等。 1 2 3 抑制技术 谐波抑制是提高电能质量，保证供电设备安全可靠运行的重要手段之一。 减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的 产生，主要是采用高功率因数变流器等；二是安装滤波装置。 传统的滤波方法主要是采用无源滤波器也称为l c 调谐滤波器。它是由电抗 器、电容器和电阻组合而成的滤波装置，它与谐波源并联，起到旁路谐波的作 用，同时还可以兼顾无功补偿的需要。无源滤波器结构简单，但是其滤波效果 依赖于系统的阻抗特性，很容易受电网阻抗的影响，易和系统发生谐振，导致 谐波放大。同时，无源滤波器仅可对特定次数的谐波进行衰减，补偿效果往往 不够理想。 目前的趋势是采用有源电力滤波器( a p f ) 技术进行谐波抑制。有源电力滤波 器是一种能够动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它可以弥补无源滤波 器的缺点，对频率和大小均变化的谐波和无功电流都能够进行补偿，获得了比 无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波抑制装置。 1 3 有源电力滤波器技术及发展 有源电力滤波器的思想最早出现在1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论 文中，文中论述了通过向电网注入三次谐波电流来减少电源电流谐波成分以改 善电源电流波形的新方法，这就是有源电力滤波器基本思想的萌芽。2 0 世纪7 0 年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定，但由于受当 时的技术条件限制，未能使有源电力滤波器得以实施。进入2 0 世纪8 0 年代以 来，新型半导体器件的出现、p w m 变流技术的发展以及赤木泰文的三相电路 瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。 1 3 1 有源电力滤波器的分类 按照不同的观点，有源电力滤波器具有不同的分类标准，分类如下： l )根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为并联型、串联型和混 合型三大类。 2 )根据接入电网的方式，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无 源滤波器间接接入电网两种方式。 3 )根据系统补偿的相数来分，又可分为单相和三相两种，三相系统又可 4 分为三相三线制和三相四线制。 4 )按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，又可分为电流型 有源电力滤波器( 储能元件为电感) 和电压型有源电力滤波器( 储能 元件为电容) 。 5 )根据应用场合不同，有源电力滤波器又可分为用于直流系统和用于交 流系统的有源电力滤波器。 1 3 2 制约有源电力滤波器发展的主要问题 目前，制约有源电力滤波器大量使用的因素主要有以下几个方面： 1 )有源电力滤波器设备的初期投入费用过大。但是随着电力电子器件价 格的不断下降，有源电力滤波器的价格会随着技术的成熟而大幅下 降。 2 )有源电力滤波器的自身损耗问题。由于有源电力滤波器的开关管工作 在高频状态，开关损耗是不可避免的。而如何减少这一部分开关损耗， 提高有源电力滤波器的效率成为今后研究的一个重点。 3 )有源电力滤波器总是工作在高频状态，它产生的电磁干扰、引起的电 磁元件的发热也是制约有源电力滤波器使用的一个因素。 4 )随着有源电力滤波器容量的增大，电力电子器件所允许的开关频率却 越来越低，而较低的开关频率又直接影响有源电力滤波器的补偿效 果，因此如何提高有源电力滤波器的容量是目前亟待解决的问题。 1 3 3 大容量有源电力滤波器的实现方法 当使用大功率负载或电网的功率较大时，使用有源电力滤波器进行谐波抑 制和无功补偿就要求有源电力滤波器要具有较大的容量。针对有源电力滤波器 所用开关器件容量和开关速度之间的矛盾，目前出现了各种实现大容量有源电 力滤波器的方法。 一是将容量小但是开关速度相对较快的器件进行串并联从而提高容量并且 满足开关速度的要求。这是当单个电力电子器件的电压和电流额定容量无法满 足较大型电力电子装置容量要求时经常采取的一种方法。采用此方法的优点在 于不改变主电路的拓扑结构和控制方法，但是存在着器件的均流和均压问题， 也正是这一原因制约了该方法在大容量有源电力滤波器中的推广应用。 二是寻找新的主电路拓扑，如采用多重化主电路和多电平级联方案实现大 容量的有源电力滤波器。多重化是将多个相同的低压变流器串联或并联工作。 多电平级联结构其主电路采用多电平变流器。这两种方案都可以满足容量的要 求，但是各个主电路的协调控制复杂，可靠性较低，不宜于推广使用。 三是采用混合型有源电力滤波器即将无源滤波器和有源滤波器混合使用以 5 提高容量。该方案的缺点是混合型有源电力滤波器中的无源部分是根据实际电 网和负载情况确定，缺乏一定的通用性，且动态性能和补偿效果较差。 解决有源电力滤波器大容量补偿谐波的另一种思路是：采用多台独立的小 容量有源电力滤波器并联使用，根据实际容量投入有源电力滤波器的个数以满 足容量的要求。该方法比较灵活，采用不同数量的模块并联后可以应用于不同 容量及要求的谐波抑制场合，因此在解决各种不同的工业及商业应用场合方面 具有更高的灵活性和可靠性，有利于标准化大规模生产。 1 4 本文主要研究内容 本文的研究目标是以单台有源电力滤波器为出发点，针对并联型有源电力 滤波器的原理及一些关键技术进行了探讨和研究，其次对有源电力滤波器的并 联运行系统方案进行了研究，最终设计了有源电力滤波器的实验样机，为实现 有源电力滤波器并联系统运行提供有价值意义和理论指导。本文的主要内容包 含有源电力滤波器的基本原理；实现有源电力滤波器的谐波检测方法和基本控 制技术；有源电力滤波器的并联控制策略；实验样机的设计等等。本文主要内 容概述如下： 1 实现有源电力滤波器的关键技术。 1 )简述常用的谐波检测算法，着重对基于瞬时无功功率理论的谐波检测 算法进行详细的分析，并且给予仿真的验证。 2 1补偿电流控制方法的研究。分析比较了常用电流跟踪控制和电压控制 方法的优缺点，着重对补偿电流的电压控制方法进行了研究，并分析 了原理及实现方法。 3 )直流侧电容电压控制。给出了基于b o o s t 升压原理的三阶段直流侧电 容升压的软启动方法；提出了一种基于模糊控制的p i 控制器用以直 流侧电容电压的稳压控制；实验验证了理论的正确性。 2 有源电力滤波器并联运行及控制策略研究 1 )对常用的有源电力滤波器并联策略进行了详细的阐述和比较。 2 )提出了一种新的有源电力滤波器并联策略。该控制策略是基于均流策 略和限流策略的方法，该并联系统可以在线自动更新均流系数，实现 了可靠的冗余系统和系统的热插拔。对单台有源电力滤波器的控制原 理及并联的实现方法进行了阐述。 3 1 )建立的m a t l a b 并联系统仿真模型，对负载突变、热插拔和过载等 非理想情况进行了仿真研究，仿真结果验证了理论的正确性。 3 实验样机的研制 1 )硬件系统主电路的设计及各个参数的选取。 2 )详细的分析了l c l 输出滤波器的原理；经过理论分析和仿真验证得出 6 望。 l c l 滤波器可以兼顾低频段增益和高频段的衰减，具有很好的动态性 能并能够有效的抑制谐振；给出了本文设计的有源电力滤波器中l c l 滤波器各参数的计算方法。 3 )硬件系统中各个控制电路的设计。 4 )系统软件的详细设计，其中包括谐波检测算法的软件实现。给出了各 个功能模块软件设计的流程图。 5 )实验研究。 在论文的最后，对全文的工作进行了总结，并对今后的工作内容进行了展 7 第二章并联型有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器( a p f ) 的原理早已为人们所熟知，早在1 9 7 6 年g y u g y i 的论 文就已确立了有源电力滤波器的概念。有源电力滤波器根据其结构不同可以分 为与补偿对象串联的串联型有源电力滤波器和与被补偿对象并联连接的并联型 有源电力滤波器两种。有源电力滤波器的主电路又可分为电流型和电压型两种， 由于体积和造价等原因，在实际应用中绝大多数均采用电压型。本文就是以电 压型并联有源电力滤波器为研究对象进行分析讨论。 2 1并联型有源电力滤波器的基本工作原理 并联型有源电力滤波器的系统构成如图2 1 所示。它是电压源型逆变器， 以并联形式接入电网的，所以称之为电压型并联有源电力滤波器。图中v s 表 示交流电源，非线性负载为谐波源，它产生谐波。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，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部分构成。其中，指令电流运算电路的 作用是检测出补偿对象电流中的谐波电流和无功电流分量，所以也称为谐波电 流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。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成 图2 1 所示的并联型有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的 电流和电压，经过指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，经过补偿 电流发生电路得出补偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波电流及无功电流进 8 行抵消，最终得到期望的正弦电网电流。 假设负载电流的形式为： 屯= 0 + ( 2 1 ) 式中芬为负载基波有功电流，么为负载基波谐波电流和无功电流。 当需要补偿负载的谐波电流和无功电流时，有源电力滤波器通过指令电流 运算电路得出负载中的谐波和无功电流，将其反极性后作为补偿电流信号的指 令信号e ，由补偿电流发生电路产生相应的补偿电流与负载产生的谐波电流和 无功电流相抵消。最终使得电源电流只含有基波电流，如式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 3 ) 所示。 乇= 一 ( 2 - 2 ) = 屯+ 之= 0 ( 2 3 ) 主电路目前均采用p w m 变流器，如图2 2 所示的三相电压型p w m 变流器。 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，作为逆变器工作，如果电网 向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。它既可以工 作在逆变状态也可工作在整流状态。 u d c = v d 图2 - 2 三相电压型a p f 主电路 有源电力滤波器工作时是通过控制各桥臂开关管的通断，从而控制加在输 出电感两端的电压来达到控制补偿电流的目的。由于三相全桥交流器的同一桥 臂上下开关管不能同时导通，所以同一桥臂上下两开关的p w m 控制信号是互 补的。 p w m 变流器主电路的微分方程如下所示： 9 三冬：e o + k v o 出 三譬：e b + k 旃 。“ 韭：ee+墨dt “ ( 2 - 4 ) 式中吃、疋为开关管的开关系数，k 、k 、疋表示为各桥臂中心 点与三相电源公共点n 之间的电压差。对于三相三线电路来说，三线电网电压 之和乞+ + 巳= 0 ，而且三相补偿电流之和+ 乙+ 乞= 0 ，所以开关系数 k o + k b + k c = 0 o 对各个桥臂定义一个开关量，如对a 桥臂，当开关管s 1 导通s 4 关断时定 义开关量s a = l ，当开关管s 4 导通s 1 关断时定义开关量s a = 0 ，对b 和c 桥臂 开关量的定义与a 桥臂相同。如果用( s a 、s b 、s o ) 表示三相变流器的开关状态， 则共有2 3 = 8 种开关状态，即( 0 0 0 ) ，( 0 0 1 ) ，( 0 1 0 ) ，( 0 1 1 ) ，( 1 0 0 ) ，( 1 0 1 ) ，( 1 l o ) ， ( 1 1 1 ) 。分别记以上8 种开关状态为状态0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，则每一种开 关状态对应一组确定的三相相电压和三相线电压。表2 1 分别列出了开关状态 和逆变器输出电压的关系。 表2 1 开关状态及逆变器输出电压 逆变器 状态 s a s b s c燃| v d v b n v dv c n v dv a b v dv s c v dv c a v d o0 0 00oo0o0 l0 0 11 31 32 3o- 11 20 1o1 32 3 1 3- 11o 30 1 12 31 3 l 3- lol 41 0 02 3- 1 31 31 o- 1 51 0 l1 32 31 3l - 10 61 1 01 31 32 3o1- i 71l l00o0oo 2 2 并联型有源电力滤波器的特点 由并联型有源电力滤波器的结构和工作原理可以将有源电力滤波器的特 点总结如下： 1 )实现了动态补偿，能够对频率和幅值都变化的非线性负载进行动态补 偿，响应速度快。 2 )有源电力滤波器的运行受电网参数的影响较小，不易和电网发生谐 振。 1 0 3 ) 4 ) 有源电力滤波器的补偿能力全面，可以补偿谐波电流、无功电流、谐 波电压，还可以平衡三相电流、抑制电压闪烁等，既可以单独补偿也 可以综合补偿。 有源电力滤波器既可以对一个谐波源进行单独补偿，也可以同时对多 个谐波源进行集中补偿。 2 3 谐波和无功电流检测方法 谐波和无功电流的检测是实现有源电力滤波器最关键的问题之一，所以合 理选择谐波电流检测方法是实现有源电力滤波器功能的关键。近些年来关于谐 波检测这一问题出现了大量的研究文章，这些文章中所述的方法主要分为两种： 频域法和时域法。主要有：模拟带通滤波法、快速傅里叶变换法、f r y z e 功率 定义检测法、瞬时无功功率理论、小波变换、同步检测法、自适应检测法、神 经网络等等。相比于其它方法，瞬时无功功率理论检测方法能够更有效的协调 好谐波电流检测的实时性和检测精度之间的矛盾，是目前应用最为广泛的方法。 本文即选用瞬时无功功率理论检测方法作为谐波电流的检测方法。 2 3 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 年由日本的赤木泰文提出来，也 称p q 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率g 的定义为基础的。基本原理是 采用变换矩阵的方法将三相电压和三相电流的瞬时值变换到o t p 正交坐标系 中，并定义电压和电流矢量的点积为瞬时有功功率，定义电压和电流矢量的又 积为瞬时无功功率。设三相电压和三相电流的瞬时值分别为e 。、e 。、e 。和f 口、 t ，通过式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 中的矩阵变换可以得到a 、卢两相瞬时电压e 口、e 参和 两相瞬时电流t 、f 。 计 | ； 舭：豳 1 2 压 2 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 在图2 - 3 所示的a - p 坐标平面上，电压矢量p a 、p 芦和电流矢量屯、i 芦分别 可以合成为旋转的电压矢量毒和电流矢量f 毒= e a + e p2 e q j f i = 屯+ 2f 么9 f 式中e 、f 分别为矢量吞、；的模，吼、够分别为矢量毒、；的幅角。 辫、 翮f 一 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 图2 - 3p g 理论中的口一p 书坐标系电压电流矢量图 三相电路瞬时有功电流f ，为电流矢量f 在电压矢量童上的投影；瞬时无功电 流为电流矢量；在电压矢量叠法线上的投影。 z p2 i c o s 妒 l g2z s m 9 式中，9 = 9 。一9 ，。 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g 分别为电压矢量吾的模和三相 瞬时有功电流i p 和三相电路瞬时无功电流的乘积。即 p 2 e 。l p q2 e l 叮 把式( 2 9 ) 、式( 乏 2 - 1 0 ) 代入式( 2 1 1 ) 、式( 2 1 2 ) 中，得到矩阵关系式 羔埘= 嘲 1 2 ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 胛= i ：埘 当三相电压和三相电流均为i e 弦波时，设三相电压、电流分别为 l e 。= e 。s i n c o t e 6 = e ms i n ( t o t 一2 n 3 ) ( 2 - 1 4 ) i 巳= e 所s i n ( c o t + d r 3 ) f i o = l s i n ( c o t 一9 ) 乇= i 册s i n ( a ) t 一2 万3 一妒) ( 2 - 1 5 ) 【= ls i n ( c o t + 2 z r 3 9 ) 利用式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 对以上两式进行变换，可得 阡s i n m c o t 翻 弘旧 乏 = ，。：l s i n c ( 。c s o 。t 甜- c p 一) 妒， c 2 7 ， 式中e ：= 届弛、l ：= 再叻肘。 将式( 2 1 6 ) 、式( 2 1 7 ) 代入式( 2 一1 3 ) 中可得 p = 扛枷s 9 g = 三玩l s i i l 9 ( 2 1 8 ) 令e