（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器控制方法研究.pdf

a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dt h ew i d e r a p p l i c a t i o no fv a r i o u sn o n l i n e a rd e v i c e s ，t h ec u r r e n td i s t o r t i o nm a k e si n c r e a s i n g l y s e r i o u sp o l l u t i o nt ot h eg r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i san e wp o w e re l e c t r o n i c d e v i c eo fd y n a m i ch a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，a n dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i c s ，h i 曲- s p e e dp r o c e s s i n gc h i pt e c h n o l o g y , t h i s t e c h n o l o g yi sg r a d u a l l y b e c o m i n gm a t u r ea n dh a sa ni n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t n l c 期】r ea n dc l a s s i f i c a t i o no fa p ff i r s t l ya n d d e t e r m i n e st od e s i g nas h u n tt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r d u et ot h e t a r g e t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l e so f t h ea p f , a n dd i s c u s s e st h es 仃u c n l r e o fm a i nc i r c u i t t w ok i n d so ft h r e e - p h a s ef o u r - w i r em a i nc i r c u i t sa r ep r o p o s e d , t h e c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sa r ea n a l y z e d t h e nt h et o p o l o g yo fm a i n c i r c u i ti sd e t e r m i n e d ，a c c o r d i n gt ot h ec i r c u i tt h es w i t c h i n gd e v i c e sa n dm a i n p a r a m e t e r sa r ed e c i d e d t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h r e ec o m m o nt h e o r i e so fh a r m o n i cd e t e c t i o n ，a n d c h o o s e si p i qm e t h o da sd e t e c t i o nm e t h o da c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t b e c a u s eo ft h et h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，i p - i qm e t h o di si m p r o v e di nt h i sp a p e r t h r e ek i n d so fc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d sa n do n ek i n dv o l t a g et r a c k i n gc o n t r o l m e t h o da r ei n t r o d u c e d a n dt i m i n gc o m p a r i n gm e t h o di sd e t e r m i n e da sc u r r e n t c o n t r o lm e t h o d t h i ss y s t e mu s e sm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) a st h em a i nc p u i ti s u s e df o rl o a dc u r r e n ta n dv o l t a g es a m p l i n g ，a dt r a n s f o r m i n g ，p r o t e c t i n ga n dp w m s i g n a lg e n e r a t i n g d u et ot h eh i g hc a l c u l a t i n gs p e e do fd s p , i ti su s e dt oc a l c u l a t et h e h a r m o n i cc u r r e n t s o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ha b o v e ，a3 k v as h u n tt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea p f e x p e r i m e n t a ld e v i c ei sa c h i e v e d m e a n w h i l e ，t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt h em a i n a n di n t e r r u p tp r o g r a mo fm c ua n dt h ec a l c u l a t i n gp r o g r a mo fd s pi sa c c o m p l i s h e d t h r o u g hr u n n i n gt e s t s o ft h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e ，t h es y s t e md e s i g na n dc o n t r o l m e t h o da r ep r o v e dr e a s o n a b l e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , t h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，c u r r e n tt r a c k i n g c o n t r o l ，m i c r oc o n t r o l l e ru n i t , d s p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名：1 弓迫篆 签字日期： 伽勺年易月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：力砂迫篆 签字日期：w 明年易月f 日 导师签名：辱劣李 签字日期：1 引日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的，具有非线性特性的 用电设备，广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域。如电解装置、电气 机车、轧制机械、高频炉等使电网中的谐波污染状况日益严重。电网中的高次谐 波会造成旋转电机和变压器过热，使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿 损坏；对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很 大危害，严重时会引发误动作，造成重大事故；谐波污染对通信、计算机系统、 高精度加工机械，检测仪表等用电设备也有严重的干扰。因此，必须采取有效的 措施来消除电网中的高次谐波。目前大量采用并联型无源滤波器来抑制谐波，它 由电容器、电抗器、电阻器组成的单调谐滤波器和高通滤波器构成，通过对某些 次数的谐波呈现低阻来达到滤波的目的，同时还兼顾无功补偿的需要。由于并联 型的无源滤波器存在不少问题，影响到实际应用，所以目前的趋势是采用电力电 子装置进行谐波补偿，这就是电力有源滤波器( a p f ) 。与无源滤波器( p f ) 相比， 电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电 网阻抗的影响【l 捌。国外电力有源滤波器的研究以日本为代表，已进入实用化阶 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问题向改善整个 电力系统供电质量的方向发展。在装置技术方面，主要朝提高补偿容量、改善补 偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展，在应用方面，主 要致力于针对不同谐波源制定相应的对策，解决最优配置、有源滤波器的相互干 扰及其对电网上装设的l c 滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。 1 2 谐波 1 2 1 谐波的基本概念 在现代电力系统中，谐波产生除了电力系统设备本身外，主要有两大工业谐 波源，其一是大功率电力电子变流设备、各种调速设备和中频感应加热设备等， 其二是大容量的工业电弧炉( 炼钢、铁合金、硅铁和电石等) 。 在电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，即正弦 电压可表示为： 甜( f ) = 4 2 u s i n ( c o t + 口) ( 1 - 1 ) 第一章绪论 式中： u 一电压有效值； a 一初相角； 国一角频率，c o = 2 n f = 2 z r t ； 厂一频率； 丁一周期。 当式( 1 1 ) 表示的正弦波电压加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电压和电 流分别为比例、积分和微分关系，但其波形仍为与电压同频率的正弦波。当正弦 电压施加在非线性负载上的时候，由此产生的电流呈现为非正弦波，该非正弦电 流在电网阻抗上产生压降，使得电压波形也产生畸变，成为非正弦波。对于周期 为t = 2 t r o o 的非正弦电压材( 力，一般在满足狄里赫利条件时，可分解为如下的傅 里叶级数： “( c o t ) = + ( 口。c o s ”t o t + b s i n 聆c o t ) ( 1 - 2 ) 式中： ”1 铲去从唰( 硼 口。2 去r ”“( f ) c o s 咒刃( f ) 阮= 妻r 8 “( f ) s i l l n f d ( f ) 如果取a 。= c ns i nq o ，吃= c 。c o s 9 0 。则： c：、历巧n 妒。= a r c t a n ( - - ) u 月 此时，式( 1 2 ) n 写成： u ( t o t ) = a 。+ 巳s i n ( n w t + t p 。) ( 1 - 3 ) 月拿l 式子( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 的傅里叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波，频率大于 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。通 常用谐波总畸变率来表示谐波分量对波形的影响。电压谐波的总畸变率t h d 。定 义为： t t t d = 警1 0 0 ( 1 - 4 ) 吣躁 式中： 巩一第1 1 次谐波谐波电压的有效值； ( 1 - 5 ) 第一章绪论 奶一基波电压的有效值。 同理，可定义谐波电流的总畸变率t i t d f 为： t h d r = 等枷。 1 2 2 谐波的危害 i = ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 理想的电网所提供的电压应该是频率单一、稳定且电压幅值在允许的范围 内。谐波对电网波形的污染使电网电能质量恶化，使同一电网的用电设备受到严 重影响。谐波对电网的污染是谐波危害中最为重要的一方面。谐波所造成的其他 危害有相当一部分是由于电网电能质量恶化引起的。 1 谐波引发各种电力电子设备出现故障 谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电、输配电和其他用 电设备的效率外，在三相四线制的电路中，由于存在大量的零序谐波电流，特别 是3 次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。此外，过大的 中线电流的增大会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安 全。谐波对于旋转电机来说，除了增加损耗和引起发热以外，还会产生机械振动、 噪音和谐波过电压，这会对电机的寿命造成严重影响。而谐波电流流入变压器会 增加变压器的铜损和铁损，引起变压器发热并使其噪声增大。谐波电流流经电力 电缆使电缆发生过热，长期过热会导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路现 象。 2 谐波引起谐振 为了补偿无功功率和滤除谐波，电路中常常并联电容器，或配置电容器和电 感器组成的滤波器。由于谐波频率高于工频，会使系统感抗增大容抗减小，有可 能产生l c 谐振。谐振放大了谐波电流，使电容器或电感器烧毁。 3 谐波造成继电器误动作，并影响电力测量 电力系统中的谐波将会使某些继电器和漏电保护开关误动作。谐波对电压 表、电流表和功率表等计量仪器的测量结果会带来直接影响。 4 t 皆波对i t 设备的危害 在计算机机房中，大量使用p c 、服务器、交换机等整流滤波型非线性负载，他 们向电网注入零序电流，使电网受到污染。相对的电网的低功率因数会影响1 1 r 设备的正常运行。 5 谐波干扰通信系统 一露 一。脚 ，vy 第一章绪论 电力系统传输功率可达m w 级，而通信系统的功率只有m w 级，两者如此 大的功率级数导致电力系统中相对小的不平衡音频谐波分量，一旦耦合到通信线 路上，可能使通信系统产生很大的噪声。若在同一电网中存在多个中点接地，当 有较大的零序谐波电流流过时，会严重干扰同一电网中的通信系统。噪声将降低 通话的清晰程度，甚至引起信号丢失。统计资料表明，2 5 次以上的谐波分量达 到一定幅值时，会对通信系统产生干扰，特别是与电力系统耦合紧密和对谐波干 扰敏感的通信系统，在谐波的干扰下，极易发生工作失制3 4 】。 1 3 谐波的抑制 功率半导体开关器件的长足进步，控制技术日益先进，变流设备的功率等级 提升极快，电能质量的安全问题越来越受到人们的重视，电能质量控制刻不容缓。 为了解决电力电子装置和其它谐波源对公用电网的污染问题，必须进行谐波的抑 制，当前主要有两种办法，其一是被动抑制法即对电力系统中的谐波进行滤波和 补偿，第二是主动抑制法即对电力电子装置本身进行谐波抑制，将其功率因数尽 可能的接近等于1 。 由于采用变流举措的负载设备日益增多，其负载性质越来越复杂，使得谐波 源多种多样，传统的被动补偿装置存在许多不足以至于难以达到实际的要求，因 此，亟需一种新的电力电子设备来提高电能的质量。随着g t o 、i g b t 和i g c t 等大功率可关断器件的开发成功和应用技术的不断成熟，使得电能补偿装置的实 现成为可能。有源电力滤波器就是一种由v m o s 、i g b t 等开关器件组成的，采 取p w m 控制方法的谐波电流发生器，它可以产生幅值、相位和频率均可变的谐 波电流，用以抵消电网中相应的谐波电流。此外，还可用来补偿电网的无功功率。 1 4 有源电力滤波器及其分类 传统的无功功率补偿和谐波抑制是采用无源电容补偿和无源滤波器的无源补 偿法，将补偿电容和l c 滤波器并联在电源和负载之间，为谐波电流提供一个低 阻抗通路的同时，也为负载提供所需无功电流。无源补偿方法具有简单方便的特 点，但是缺点十分明显：只能抑制固定的几种谐波，有可能发生谐振的情况，将 谐波进一步放大；只能补偿固定的无功电流，对于变化的无功电流不能准确补偿； 滤波特性受系统参数的影响较大，有时很难与净化稳压或者调压要求相协调：体 积重量比较大【别。 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 ) 有效的克服了无源补偿的缺点， 成为当前谐波抑制和无功补偿的重要手段。它具有较高的可控性和快速响应特 第一章绪论 性，可以跟踪补偿各次谐波，自动产生负载所需的无功电流，特性不受系统参数 影响，不会跟电路发生谐振，体积小重量轻。 根据应用场合的不同，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大 类。前者主要用来消除高压直流( h v d c ) 系统中换流器直流侧的电流、电压谐波， 后者则应用于交流电力系统。 根据直流侧储能元件的不同，a p f 又分为电流型和电压型。电压型a p f 效率 高，初期投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，适用于电网谐波补偿，因 此目前实用装置9 0 以上是电压型，技术相对成熟、完善。电流型a p f 作为非 正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构简单、性能可靠，但损耗 较大，不适用于大容量系统。 根据a p f 与电网连接方式不同，可分为并联型、串联型和串并联型a p f 。并 联型a p f 是将其并联在电网和负载之间，多数情况下主要用于对被看作是电流 源的谐波源进行补偿，例如对直流侧为阻感负载的整流电路进行补偿，此时有源 电力滤波器向电网注入的是补偿电流，抵消谐波源产生的谐波和无功电流，还原 电网为正弦波电流。串联型a p f 是将其串联在电网和负载之间，多数用在被看 作是电压源的谐波源进行补偿，例如对电容滤波的整流电路进行补偿，此时a p f 向电网注入的是补偿电压，以抵消负载产生的谐波电压，使输入的电压波形成为 正弦波。串并联型a p f 中和了串联型和并联型a p f 的优点，既可以对电流源也 可以对电压源谐波源进行补偿，但是其造价一般比较高昂，应用不纠6 7 i 。 人们对滤波器经过多年的研究，结合各种滤波器的优点，尽量发挥a p f 的特 长，提高其性能，降低其成本，研究产生了各种混合型a p f 8 1 。如图1 - 1 所示为 电力滤波器的系统结构分类。 图1 - 1 电力滤波器系统结构分类 1 5 有源电力滤波器的研究现状及发展 第章绪论 早在七十年代初有源滤波器的基本原理和电路拓扑结构就己确定，但由于受 到当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处 于试验研究阶段。直到进人八十年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发展、 脉宽调制技术的不断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，才使有源电力滤波器得到迅速完善和发展。 自1 9 8 2 年世界第一台a p f ( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功而被正式投人使用以来， 经过2 0 多年的研究和探索，a p f 技术得到了长足的发展，越来越多的a p f 投人了 运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善。其中在日本，已投人使用 的a p f 从5 0 k v a 到6 0 m v a 功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调 节应用功能越来越丰富。目前，有源滤波器己越来越多用在提高电能质量，解决 三相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无 功补偿等问题上。 我国在有源电力滤波器的应用研究方面继日本、美国、德国等之后得到学术 界和企业界的充分重视，并投人了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家 相比仍有一定的差距。到目前为止，我国也有几台类似产品投入工业试运行，例 如华南理工大学研制的混合型有源电力滤波器，用于牵引变电站的谐波治理，该 装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上做了大量的工作，也取得了相当的 成果，但依然有一些技术需要进一步完善。 1 6 本文的主要工作 本文的研究工作主要针对于并联型三相四线制a p f ，主要工作如下： 1 分析三相四线制a p f 的基本原理及主电路构成，在此基础上完成3 k v a 的并 联型a p f 系统硬件设计，包括采样、保护、驱动电路等。 2 控制方法研究。分析比较常见的几种谐波检测理论，针对三相四线制系统， 对传统的谐波检测方法进行改进。对电压、电流控制方法分别进行研究，确定系 统的控制思想。 3 根据系统设计，开发单片机相关硬件电路并完成程序设计。 4 设计d s p 相关硬件电路，并根据己确定的控制思想，编写d s p 的计算程序。 在单片机和d s p 电路分别调试成功后，建立二者的通讯管道，完成整个控制系统 的设计。 5 搭建并联型a p f 实验平台，系统试运行并进行结果分析。 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 2 1 有源电力滤波器原理 图2 1 所示为三相四线制有源电力滤波器的原理框图。主要的谐波来源为非线 性负载。有源电力滤波器由电流检测电路、控制电路、驱动电路和主电路四部分 组成。电流检测电路的作用是检测负载电流中的谐波分量和无功电流分量，主电 路为双向功率传输的逆变电路，控制电路的主要作用是跟踪控制以产生可驱动主 电路的p w m 信号，最终达到补偿负载电流中的谐波分量和无功电流分量的效果。 图2 - 1 有源电力滤波器原理框图 电源电流i s 由负载电流i l 和补偿电流f c 两部分组成，即： t = i + 之 ( 2 - 1 ) 由于f 。跟踪指令信号f 。，有i 。= 一i 。，那么： z s = i l 一1 c ( 2 2 ) 由于t 是检测电路从负载电流i l 中检测出的谐波电流分量协和无功电流分量 如之和，即： = i r h + o( 2 3 ) 而t = 0 + 么+ k ，i l f 为基波有功分量。所以，= i l - ( i u + k ) = 0 。 由此可见，有源电力滤波器抑制了谐波分量并对无功电流分量进行了补偿。 实际中，根据逆变器在其直流侧所用储能元件的不同，有源电力滤波器可分为两 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 种类型。当直流侧储能元件为电容器时，为电压型有源电力滤波器，它最大的优 点是效率高，是常采用的一种形式。当直流侧储能元件为电感器时，为电流型有 源电力滤波器，由于储能电感器中有电流流过，因而会产生较大的损耗，效率较 低。本文仅讨论电压型有源电力滤波器【9 】。 在各类型有源电力滤波器当中，并联电压型有源电力滤波器应用最为广泛。 并联型有源电力滤波器原理框图如图2 2 所示。 图2 2 并联型有源电力滤波器原理框图 以三相三线制系统为例，补偿电流f ，是因为主电路直流侧电容电压与交流侧 电源电压间存在差值，这个差值作用在电感上产生的。而主电路的工作情况是由 六组开关器件的通断组合来决定的 1 0 , l l 】。通常情况下，同一桥臂的上下两组开关 中总有一组的是导通的。一般，假设三相电源电压是对称的，则有e 。+ e 。+ e 。= 0 ， 从而有f 。+ f 。6 + f 口= 0 ，那么可列出主电路工作情况的微分方程： 工； l u t ，c 。a = p 。+ k 。u 。 ( 2 4 ) 三肇= + 乜( ，。 d t 三冬+ 尺“ 以 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 式中，k 。u c 、k 。以、k 。以分别为个主桥臂中点与电源中点之间的电压，k 。、 k 6 、k 。称为开关系数，且存在k 。+ 瓦+ k 。= 0 的关系。 k 。、k 6 、k 。的值与主电路工作模式之间存在一定的关系。首先将主电路 简化，等效，分别见图2 3 ，图2 _ 4 。 1 2 1 m 一乩 弋岁一l u j o _ e a e ，、曲 1 2 2 仄、一 yl o 0 一 e b c 、s c 一仄、 m 丫 l n 图2 - 3 有源电力滤波器主电路简化图 图2 - 4有源电力滤波器主电路等效图 图2 - 3 中，疋、& 、s 。分别表示a 、b 、c 三相开关状态，当它向上闭合时 表示该相桥臂的上面一组的器件导通，向下闭合时表示该桥臂下面一组的器件导 通。将有源电力滤波器的直流侧电容c 分割为c ，、c ：，其中点接地，则它们的 电压就如图所示分别为u 。2 和一u 。2 。交流侧的电感为l 。 再根据简化图可将主电路的三相桥臂等效为图2 4 中的形式，也就是将三相 桥臂连同直流侧等效为一个电压源。那么： = l a i ，c 。, 一e 。+ ( 2 7 ) 巧叼= 三! 挚一e j + 幻 ( 2 8 ) 乩鲁- e 。+ v c o ( 2 - 9 ) 三式相加得到： 3 邓百c a + 三鲁+ 哮h e a + e b + e c ) + + + ( 2 - 1 0 ) 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 根据e 。+ p 6 + 巳= 0 ，乞+ + i c e = 0 ，那么上式可以简化为 3 = + + ( 2 1 1 ) 最终得刽： = _ 。一= 一三( + + ) = ；一言一 ( 2 - 1 2 ) = 一= 一 ( _ 。+ + ) ：一丢+ 詈一丢( 2 - 1 3 ) 3333 = 一= 一吾( + + ) ：一丢一昙+ 寻( 2 - 1 4 ) 3) 33 根据以上公式，用a 、b 、c 分别表示三相桥臂的开关状态，若上桥臂的开 关导通，记为数字“1 9 99 下桥臂的开关导通，记为数字“0 ”。那么可以列浅开关 状态与、之间的关系，见表2 - 1 。 根据式( 2 - 4 ) 、式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 有： k 虬乩鲁叫。= 一一( 2 - 1 5 ) k 6 u 。= 三等一e 6 = g o 一：一 ( 2 1 6 ) 蜓虬乩鲁叫。= 一一( 2 - 1 7 ) 将式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 、式( 2 - 1 7 ) 与表2 - l 进行对照，得到开关系数k 。、k 。、 k 。与开关状态之间的关系，也可视为主电路工作模式与开关系数之间关系，见 表2 - 2 。 表2 1开关状态与v 。n 、v a 。v r 。的对应关系 1 0 第二章并联犁有源电力滤波器原理及系统设计 表2 - 2主电路工作模式与开关系数对应关系 对于a 相来说，当实际的补偿电流比指令电流小，即出，。 0 时，应使a 相 桥臂的下组开关中的一个器件导通。而当实际的补偿电流比指令电流大，即 a i 0 时，应使k 。 0 ，而当a i 。 0 时，应使k 。 ld i ：d tl 一。对上式进 行一系列的简化，可以得到计算输出电感的公式【1 9 】： ：4 u c ( 2 - 1 8 1 9 卵 其中，u ，为直流侧电容电压，町为保证补偿电流跟随性能的一个指标，这 两个量可以分别通过公式( 2 1 9 ) ，( 2 - 2 0 ) 来确定。 石：a 选( 2 1 9 ) t 。 u 。3 e 。 ( 2 。2 0 ) 其中，i ：衄为补偿电流指令信号的最大值；t 。为一个周期内的采样间隔时间； a 为系数，该系数通常通过仿真的方法获得，当旯取不同值时，补偿后的电源电 流的总谐波畸变率不同，根据经验，a 取0 3 一o 4 时补偿效果最佳；e 。为交流侧 相电压的峰值。 本文中设计的有源电力滤波器的样机容量为3 k w 。交流侧相电压= 1 1 0 v ， 那么。= 2 e = 1 5 5 5 6 v 。因为有源电力滤波器的容量s 。= 3 e i 。，由此可以计算 出，= 9 0 9 a 。本文设计的有源电力滤波器样机只用来补偿谐波，从而有1 。= 1 ：。 并且设定该实验系统的补偿对象为三相桥式全控型整流装置，那么其 1 ，。2 5 j ，这样的话，可以计算出i ，= 3 6 3 6 a 。 通常情况下，f ：一= 0 7 i ，由此可以计算出f ：岫= 2 5 4 5 。前面提到了a 取 o 3 o 4 时补偿效果最佳，此处就取它们的平均值，即a = o 3 5 。t ，的选取决定了 有源电力滤波器能补偿的谐波的最高次数以及对开关器件工作频率的要求，此处 确定一个工频周期内采样2 5 6 个点，那么t 。= o 0 2 2 5 6 = 7 8 1 肛。将以上计算出的 相关的量代入公式( 2 1 9 ) 可以求得7 7 = l 1 4 0 5 2 5 。 u 的取值即直流侧电压的大小也是较关键的一个环节，有源电力滤波器的 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 工作就是电容充、放电的过程，为了保证装置的性能，必须维持其直流侧的电压 基本不变，电容的选取影响了直流侧电压的波动。它最小应大于交流电源相电压 峰值的3 倍，如果不能保证这个条件，就可能出现补偿电流与指令电流的偏差 l f ，i 不按照要求减小的情况，使得补偿电流的跟踪性能下降，若【，的取值过大， 虽然电压波动很小，但装置的容量将相应的增大，电容和器件的耐压也相应的增 加，势必投资也会增大。根据其他文献的仿真分析得出的结论发现，取 u ，= 1 5 3 e 。时，有源电力滤波器的补偿性能较好，因此，本文中的设计也依据 这个关系取值，算得u ，= 7 0 0 0 2 v 。 根据以上的分析，最终可以确定输出电感的取值。将7 7 和【，的值代入公式 ( 2 1 8 ) ，计算出工2 7 2 8m h 。 为了保障a p f 的正常运行，要求直流侧并联的电容器在提供补偿电流的同 时，尽量维持电压恒定不变，这样即使非线性负载快速变化，a p f 也能够很好的 补偿负载的谐波电流。根据之前算的的直流侧电压值及参考文献中的直流侧电容 计算公式 c = = 2 4 (221)2e c o u j ! ： 、 式子中厶为a p f 输出电压幅值，厶为a p f 输出电流中负序电流分量的幅 值，s 为直流侧电压的脉动量，c o 为电源基波角频率。本文中负序电流取a p f 输 出电流的6 0 ，直流侧电压允许脉动量1 ，将以上数据代入公式( 2 2 1 ) q b ，得 到直流侧电容的估算值。 c = 掣20蒜01筹347 0 0 瑚9 x1x zr 。7 实际电路取值c = 1 0 0 0 肛f 。 3 主电路开关器件的选择 开关器件是主电路工作的核心器件，目前适用于并联型有源电力滤波器的全 控型器件主要有b j t 、i g b t 、g t o 晶闸管等。对开关器件进行选择时，应从工 作频率，器件容量和器件价格等方面综合考虑【2 0 1 。本文选择了东芝公司出产的 m g 5 0 q 2 y s 5 0 型的i g b t 。其特点：高输入阻抗，电压控制、驱动功率小，开关 速度快、工作频率可高达1 0 - 4 0 k h z 、饱和压降低、电压、电流容量较大，安全 工作区较宽，能满足电力系统中高次谐波的补偿要求。 东芝生产的m g 5 0 q 2 y s 5 0 型号的i g b t ，其集电极最高耐压值为1 2 0 0 v ，在8 0 时，直流侧最大导通电流为5 0 a 。每组包含两个i g b t ，形成一个桥臂，主电路 中需使用三组。在每个i g b t 旁并联二极管电容回路，用来防止过电压，过电流。 这样的参数配置的开关器件已经可以满足主电路的设计参数要求。 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 2 2 2 采样电路设计 1 负载电流采样 采样电路分为负载电流采样、负载电压采样和直流侧电压采样三部分。由于 负载电流为三相交流电，不能直接连接单片机进行a d 转换，实际中通过绝对值 电路将交变的负载电流转换成为0 - - 3 3 v 正向电压信号进行a d 转换，再通过一 个零比较器采集电流正负号，以免负半周期的计算结果出现错误，输出时再将符 号与幅值匹配输出。以a 相为例，负载电流采样电路如图2 7 ，图2 8 所示。 图2 7 负载电流采样绝对值电路 图2 - 8 负载电流采样正负号判断电路 如图2 5 ，电流1 。表示经由电流传感器转化后得到的电流信号，它实际上是将 交变的电流信号线性缩小为峰值在4 v 内的电压信号。分析后可以得出：当负 载电流大于0 时，处电压为正数，设其值为v f ，由于接到运算放大器的反向端， 输出电压v 。为负值，因此二极管v d l 截止v d 2 导通，得出v ”。= v ：= 1 ，f ，经由第二 个运算放大器后得n v o = v i 一2 v 。= 1 ，f ；当负载电流小于0 时，如处电压为负数，第一 个运放输出电压v 。为正值，二极管v d l 导通v d 2 截止，得出v ：= 1 ，。= d ，可知通过 第二个运放后输出电压为v d = ，v i 。从上面两种情况可以看出，输出端d a di a 且l j 为 a 相负载电流的绝对值。 如图2 6 所示，负载电流经电平转换后分别连接单片机三个输入端口，如果电 流为负数则符号位“0 ”，经a d 转换得到的数据将取反后存储，如果电流为正数 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 则符号位为“1 ”，直接将a d 转换后的采样数值存储。 2 负载电压采样 本系统中，仅采集负载两相电压即可，认为是a 相和b 相。这两相电压主要 用于判断相序、确定计算周期的开始以及获得检测计算中所需的负载电压相位。 以a 相为例，负载电压采样电路如图2 9 所示。由于单片机i o 端口只能检测数字 信号即高低电平的变化，因此必须设计一个电压转换电路将正弦波电压转化成为 一个脉冲电压。a 相电源电压通过变压器实现强弱电隔离，串联5 0 k 的电阻，通 过反并联的二极管限制电压后设计成过零比较器，比较器的工作电压为+ 5 v 。当 a 相电压大于零时，比较器输出电压为+ 5 ，当a 电压小于零时，比较器输出电压 为0 ，为了保证输出信号稳定，在输出端连接一个4 7 k 的上拉电阻。比较器输出 信号“u a p u l s e ”连接单片机的输入端v i p 77 和中断端e l i n t 0 ，端i 二i p 7 7 用来计 算周期数目和判断相序，i n t 0 端口用来控制周期采样的指针初始化。 图2 - 9 负载电压采样 3 直流侧电压采样 直流侧电压采样电路如图2 1 0 所示，其原理较为简单。采样得到的直流侧电 压主要有两方面作用，一方面是用来衡量系统是否正常工作，可看作一个保护指 标；另一方面是用于直流侧控制计算，这也是它的主要作用。 2 2 3 驱动电路设计 图2 1 0 直流侧电压采样电路 第二章并联型有源电力滤波器原理及系统设计 驱动电路中主要用到了芯片5 7 9 6 2 ，它是专用于驱动i g b t 的芯片，主要作用 是为输入输出之间提供电气隔离，同时保护功率器件。以其中一个i g b t 驱动单 元为例，其驱动电路如图2 1 l 所示。 2 3 本章小结 图2 - 1 1 驱动电路 本章分析了有源电力滤波器的基本原理，重点介绍了并联型三相四线制有源 电力滤波器的原理。此外，本章介绍了3 k v a 有源电力滤波器的系统设计思想， 主要从主电路、采样电路、驱动电路三方面进行说明。其中主电路的设计又包括 了主电路结构的选取、主电路参数设计以及主电路中开关器件的选择。本章系统 设计中未对控制电路设计进行介绍，这部分内容将在下一章中结合控制方法共同 进行说明。 第三章并联型有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 第三章并联型有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 3 1 谐波检测方法 在2 0 世纪8 0 年代，有源电力滤波器的谐波电流检测多利用模拟电路来实现。 从2 0 世纪9 0 年代以后，随着计算机技术、数字控制技术以及d s p 控制芯片的高速 发展，谐波电流的数字检测法渐渐取代了模拟检测法。本文主要介绍常见的数字 检测法。 3 1 1 基于瞬时无功功率理论f 1 0 p q 谐波检测方法 p - q 法是基于三相电路瞬时无功功率理论的一种谐波检测方法，在这种方法 中假设了三相电压不含谐波且为基波正序电压。p - q 谐波检测方法可以迅速准确 的检测出负载电流的谐波分量，具有实时性好、精度高的优剧2 1 1 。但在实际应用 中，三相电压可能存在谐波分量或负序分量，使p q 谐波检测方法检测谐波存在 误差，其原理如图3 1 所示。 图3 1p - q 谐波检测方法原理图 根据图3 - 1 的定义计算出p 和q 式中： ； = c w 乏 = c 舶c c 朋= 三： 鞫 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章并联犁有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 鼯信睦1 爿 仔3 ， 弘c 丹壶卵叫， 3 1 2 基于瞬时无功功率理论i p i l q 谐波检测方法 实际电网中由于非线性负载的应用，使得三相电压中包含谐波分量，电压波 形甚至发生畸变，因此p q 谐波检测方法计算得出的p 和q 中不仅为基波电流和 基波电压得出的功率，还包括其他同次谐波的电流和电压得出的结果，这样p q 法计算得出的三相基波电流中不可避免的包含了谐波的成分，影响了谐波检测的 精度【2 2 ，2 3 1 。为了克服这种因为电压质量而影响谐波检测精度的缺点，可以采用i p - i q 谐波检测方法，如图3 2 所示。 图3 - 2 i p i q 谐波检测方法原理图 参照图3 - 2 ，可以计算出咖、f g 的值。 式中： z = c 乏 = c g ： z 埘 z c 6 z ” ( 3 - 5 ) 第三章并联型有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 ( 3 6 ) 此方法用到与a 相电源电压岛同相位的正弦信号s i n m t 和对应的余弦信号 c o s c o t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正余弦发生电路得到2 4 1 。经过低通滤波器 ( l p f ) 滤波得出弘i q 的直流分量f p 、i 。，再经过反变换得出负载电流的基波电 流的基波分量匆、f 驴伽 扣c 肛c 圈 ( 3 - 7 ) 本文采用的即是i p i q 谐波检测法，需要注意的是，本系统为三相四线制系统。 在三相四线制系统中，除了正序电流和负序电流分量外，还有零序电流分量2 5 1 。 所以上面介绍的检测谐波电流的方法需要进行一定的改进。 在电网电压对称的情况下，三相四线制系统中三相零序电流分量相等，即： 仁扣峨“) 从三相电流f 。，i 6 ，i 。中减去各相中的零序电流，即： z 口2z 口一z h z 62l b z 月 z c2z c z n 式( 3 9 ) 表明艺，t i ：中只含有正序电流分量和负序电流分量，即： ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) 艺+ 艺+ 艺= 0( 3 1 0 ) 由于无零序电流，则可以利用图3 2 所示的原理框图来求出谐波电流，只需 多用减法器即可，如图3 3 所示。 图3 - 3 三相四线制系统中i p i q 谐波检测方法原理图 1 j 甜 耐吣g c s 一 一 研 泐 璺 一 i i c 第三章并联型有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 3 1 3 自适应电流检测法 自适应电流检测法基于自适应噪声对消原理，在三相系统中把幅值衰减过的 电源电压uk o r = a ，b ，作为参考输入，负载电流诹= 口，b ， 作为原始输 入。当检测到输出电流f 呔中含有与瑕相同的干扰成分时，f 。靠通过反馈电路中的 乘法器m k 与r k 相乘，乘积结果通过一个积分器累积放大，只有与珞相同频率的 干扰电流才能产生直流分量在积分器输出结果，其输出产生一个逐步放大增长的 直流量取，再经过乘法器形 后得到与“同向( 为正数) 或者反向( 磁为负数) 的反馈量妊，用以抵消原始输入的负载电流i k 中与“同向或者反向的干扰，直到 l c k 中的干扰为零。可以证明输出信号极是参考输入量“：的最优最小方差估计， 此时e 7 达到最小值，这里e 是误差信号，即为图3 - 4 系统中的输出电流f 么。 可见，电源电压经自适应滤波处理后，输出一个与负载电流基波有功分量幅值、 相位均相等的信号，将此信号从负载电流中扣除后，即可得到高次谐波和无功电 流的分量的总和【2 6 1 。 “ 口 z 6 u 6 i 图3 4自适应检测方法原理图 目前已有人用神经网络或硬件实现的方法将自适应滤波理论应用于谐波电 流和基波无功电流的检测，结果表明，其系统工作特性几乎不受元件参数变化的 影响，当电压发生波形畸变或有基波偏差时，检测系统仍能正常工作，具有良好 的自适应能力【2 7 1 ，但将自适应滤波技术应用于实践构成完整的电力有源滤波器尚 不多见，可以认为这种方法是一种很有发展前途的新方法。 第三章并联型有源电力滤波器谐波检测方法与控制方式 3 2 并联型有源电力滤波器控制方式 3 2 1 电流跟踪控制法 电流跟踪控制阀主要包括瞬时值迟滞环比较法、定时控制的瞬时值比较法和 三角波比较法。 1 瞬时值迟滞环比较法 滞环比较器 厂 _ - - _ _ _ _ - _ _ 十于 l 号