（电力电子与电力传动专业论文）基于神经网络控制的有源电力滤波器研究.pdf

随着电力电子技术的快速发展，其应用也越来越广泛，由此导致电网污染愈发严重。 有源电力滤波器( a p f ) 是治理电网谐波的一种行之有效的方法，是电能质量控制领域中 的研究热点。近些年来，将现代控制理论应用于a p f 研究受到了人们的重视，其中神 经网络以其较强的非线性映射能力为a p f 研究开辟了新径。在前人研究基础上，将神 经网络与p i 控制理论结合设计a p f 控制器，对硬件电路进行合理设计。本文主要研究 任务与结果： 1 分析a p f 研究现状与特点及研究中存在的问题，总结比较谐波检测和电流控制方 法的优缺点，在a p f 设计中采用神经网络进行谐波检测。 2 深入分析有源电力滤波器原理，建立三相并联型a p f 数学模型，在采用多元自适 应神经网络进行谐波电流检测的同时结合p i 调节对直流侧电压进行有效控制，采用三 角载波实现电流跟踪控制。 3 设计并联型三相四线制a p f 系统，建立其电路模型，进行硬件和软件设计。为提 高装置实时性设计a d 同步采集电路，将硬件互锁设计与软件死区设计结合提高装置安 全可靠性；设计硬件锁相环提高补偿效果；为使滤波系统取得更好补偿性能，设计输出 滤波器以对系统装置的输出电流中的高次谐波予以有效抑制。 4 采用m a t l a b 7 1 仿真软件对系统进行仿真，在仿真的基础上以d s p 为核心控制器 对系统实验研究，搭建a p f 试验装置。仿真和实验结果表明采用所改进的控制策略使 a p f 对谐波和无功功率进行有效补偿，a p f 系统具有较好的补偿实时性和有效性。 关键词：有源滤波器( a p f ) ，谐波，神经网络，d s p ，同步采集 i sr e g a r d e d a sa l le f f e ：c t i v ew a yt oc o r r e c tp o w e rh a r m o n i c w h i c hi st h ef o c u si nt h ef i e l do fp o w e rq u a l i t yc o n t r 0 1 i nt h el a s tf e wy e a r s ，m u c ha t t e n t i o nh a dp a i dt or e s e a r c h a p fb ya p p l y i n gm o d e mc o n t r o l t h e o r ya l l o v e rt h ew o r l d an e ww a yw a so p e n e d u pw i t l lt h eu s i n go fn e u r a ln e t w o r k ，w h i c hh a st h es t r o n ga b i l i t yo fn o n l i n e a rm a p p i n g t h ep a p e rd e s i g n st h ea p fc o n t r o l l e rb ya p p l y i n gn e u r a ln e t w o r ka n dp ic o n t r o lt h e o r yb a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h f i r s t l y , t h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n de x i s t e n tq u e s t i o n sw e r ea n a l y z e d t h em e r i ta n dd e m e r i to ft h em e t h o d sa p p l i e dt oh a r m o n i cd e t e c t i o na n dc u r r e n t c o n t r o lw e r es u m m a r i z e da n dc o m p a r e d i nt h ee n d t h ea d v a n c e dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l t h e o r yw a ss e l e c t e dt od e t e c th a r m o n i ci nt h e 姆fd e s i g n s e c o n d l y , t h ea p ft h e o r y i s a n a l y z e dd e e p l y , t h em a t hm o d e lo fs h u n ta p fi s e s t a b l i s h e d b e s i d e s ，m u l t i a d a p t i v el i n e a rn e u r a ln e t w o r kw a sa d o p t e dt od e t e c th a r m o n i c ，a n d t h ep im e t h o dw a sc o m b i n e dt oc o n t r o lt h ed i r e c tv o l t a g ee f f e c t i v e l y , a n dt h em e t h o d o ft r i a n g u l a rw a v ec o m p a r a t o rc o n t r o lw a sa d o p t e dt ot r a c ka n dc o n t r o lt h ec u r r e n t t h i r d l y , t h es h u n tt h r e e p h a s ef o u r - w i r ea p fw a sd e s i g n e d ，c i r c u i tm o d e lw a se s t a b l i s h e d b e s i d e s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea l s ow e r ed e s i g n e dd e t a i l e d l y i n d e rt oi m p r o v e r e a l t i m eo fe q u i p m e n t ，t h ea ds y n c h r o n i s ms a m p l i n gc i r c u i tw a sd e s i g n e d p h a s el o c k e dl o o pw a sd e s i g n e dt oi m p r o v ec o m p e n s a t i o ne f f e c t a tt h es a m et i m e ，a o u t p u tf i l t e r w a sd e s i g n e dt oe l i m i n a t et h eu l t r ah a r m o n i c se f f e c t i v e l y f i n a l l y , s i m u l a t i o nm o d e l so ft h r e e p h a s ef o u r - w i r es h u n ta v t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m b a s e do nt h i sm e t h o da r e b u i l t i ne n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r e ，i nt h em e a n t i m e 。 t h es y s t e me x p e r i m e n t so fh a r m o n i cd e t e c t i o na n dc o n p e n s a t i o na r em a d e ，t h ec o n t r o ls y s t e mo fw h i c hu s ed s pa sac o r ec p u t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o wt h a ta p fc a ne l i m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n te f f e c t i v e l y , i nt h em e a n t i m e t h ea p fs y s t e mh a v eb e t t e rc o m p e n s a t i o ne f f e e t k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；h a r m o n i cc u r r e n t s ；n e u r a ln e t w o r k ；d s p ； s y n c h r o n i s ms a m p l i n g i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 谐波污染及影响1 1 1 2 谐波抑制及其重要意义3 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究历程与现状4 1 2 2 国内研究历程与现状4 1 3a p f 发展趋势5 1 4 课题主要研究内容5 第二章有源电力滤波器原理及方案选择7 2 1 有源滤波器的基本原理7 2 2 有源滤波器的结构与类型8 2 3 谐波检测方法比较与选择l o 2 3 1 瞬时无功功率理论1 l 2 3 2 通过旋转坐标系进行投影变换。1 2 ：， 2 3 3 神经网络检测方案1 4 2 4 电流跟踪控制方法比较与选择15 2 4 1 滞环比较控制15 2 4 2 三角载波电流控制1 6 2 4 3 现代控制理论1 7 2 5 本章小结1 7 第三章神经网络模型及其a p f 电路控制策略1 9 3 1 神经网络基本原理和结构1 9 3 1 1 神经元网络的模型2 1 3 1 2 激活函数及学习算法2 2 3 1 3 神经网络控制系统的组成2 3 3 2a p f 系统建模2 4 3 3a p f 神经网络检测与控制原理2 7 3 3 1 神经网络检测控制原理2 8 3 3 2 三角载波比较控制3 2 3 3 3 直流侧电压控制3 2 3 4 本章小结3 3 第四章并联有源电力滤波器神经网络设计实现。3 5 目 录 4 1 硬件设计3 6 4 1 1 主电路设计实现3 6 4 1 2 控制电路设计实现4 0 4 2 软件设计5 1 4 2 1a p f 系统构成5 2 4 2 2 主程序流程5 3 4 3 本章小结5 3 第五章系统仿真和实验5 5 5 1 仿真及结果分析5 5 5 2 实验及结果分析5 9 5 3 本章小结6 2 第六章总结和展望6 3 6 1 总结6 3 6 2 展望6 3 致谢6 5 参考文献6 7 附录a 部分源程序7 1 附录bd s p 等器件电源设计7 4 附录c 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果7 5 i i 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 电力电子技术的发展日新月异，并且伴随着我国改革开放以后经济建设不断迈上一 个个新台阶，工业发展对电能的需求日益迫切，同时，随着大量电力电子装黄的不断应 用，使得电网的质量问题变得越来越严重。之所以出现这些问题，主要是由电力电子装 置本身所具有的特点决定的，这些特点如较强的非线性，当功率开关管瞬间导通和关断 时会产生较大的冲击以及器件存在离散性导致不平衡等问题从而都可能产生非常丰富 的谐波【l j 。更为重要的是，目前已进入信息时代，特别是微电子技术、纳米技术的不断 发展和突破，这些具有高精密特征的器件以及由其构成的电子装置的敏感性相当高，因 此，当电网的供电质量不高抑或谐波丰富都将对其正常工作带来严重的影响甚至会引发 很多较为严重的事故1 2 - 3 l 。由此可以看到，电网的谐波污染问题已成为一个较为严重的 问题，它不仅会严重影响电能的质量问题，更重要的是对社会的生产生活带来较为严重 的影响甚至会对人们的生命财产安全带来较大影响，电力部门甚至全社会都不得不开始 关注谐波污染问题。 1 1 1 谐波污染及影响 由于电力设备的多样性和电力系统本身的不稳定性，使得电网中的谐波电流无法彻 底消除，在交流电网中，高频电流谐波的来源是多样性的，比如在电机伺服系统中，用 到的大功率晶闸管产生的谐波电流功率很大，也很难消除。计算机等设备一般都需要一 个稳定的直流电源，而产生这种直流电压的二极管整流电路会带来严重的电流谐波问 题，这种谐波电流具有持久性。大型炼钢、冶铁电弧炉运行时所产生的谐波电流可能会 造成电网保护设备误动作等。图1 1 演示了整流电路产生谐波电流的机理，它是一种三 相不控整流电路的原理图【4 1 ，这种a c d c 的变换模式在电力电子技术领域中应用非常广 泛，图1 2 给出了这种电路输入端电压和电流的波形。 三相交流电通过整流桥后，通过一个大的滤波电容c 以获得平滑的直流侧电压u d 。 由于二极管导通时其导通压降和等效电阻都不大，电网电压直接向滤波电容充电，这时， 充电回路中会形成成一个很高的电流尖峰，如图1 2 所示的电流t 。虽然在输入端所加 的电压是标准的正弦电压，但是，由于整流电路非线性的特点，其产生的电流发生严重 畸变，含有大量三次及更高次谐波，这种谐波被直接注入电网后，必然会导致电源的输 入功率因数下降，无功功耗增大，电能的可利用率下降，日常的运行成本增大等一系列 问题。 是在国家极力倡导环保和发展清洁能源、新能源的今天，这就要求我们首先要在意识上 引起足够重视，同时更要体现在行动上：采取有效措施进行谐波抑制和无功补偿从而净 化电网。 2 第一章绪论 1 1 2 谐波抑制及其重要意义 根据前文对谐波和谐波危害的介绍可知，为保证工业生产和用户用电的平稳可靠， 必须进行谐波抑制和无功补偿【& 1 0 l 。为解决谐波污染问题，基本的思路有两条：在电 网中投入谐波补偿装置，谐波补偿装置主要无源滤波器和有源电力滤波器两种；改造 电力电子装置本身结构，增加电力电子设备的功能，如在大功率开关电源中加入谐波过 滤装置等。目前，主要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 。 ( 1 ) 无源滤波器的缺点 传统的补偿谐波电流和无功电流的主要手段是用无源电力滤波器，主要指l c 调谐滤 波器。它们一般由电感、电容、电阻按照一定的拓扑结构组成，主要用来对3 次、5 次、 7 次谐波进行补偿。由于其结构简单、使用较方便等优点，在上个世纪后半叶一直被广 泛使用。但是由于其自身原因，它们明显具有以下几点不足： 补偿效果不够稳定。这主要是因为滤波特性受电源阻抗影响较大的缘故。 容易过载。由于其不能动态实施补偿，当电网谐波电流成分增加到一定值时，会 造成无源滤波器的过载。 响应速度慢。由于一些静止的无功补偿器每步补偿时间要间隔半个工频周期，当 电网中谐波电流成分的频率和幅值剧烈变化时，就无法对其快速补偿。 对大容量的储能元件依赖性太强。 ( 2 ) 有源电力滤波器的特点 a p f 是近年来3 0 年来发展并逐渐成熟的一种用于动态抑制谐波、补偿无功电流的新 型电力设备，它即能补偿频率和幅值都不稳定的谐波电流，还能对无功进行补偿，由于 a p f 能够对电网谐波进行动态补偿，所以他克服了传统的谐波抑制和电容器等无功补偿 手段的缺点1 1 1 1 4 1 。与传统的无源滤波器相比，a p f 明显具有以下几点优势： 实现了动态补偿。所以一般不会出现像无源电力滤波器那样的过载现象，对补偿 谐波的变化有很快的响应速度。 非常理想的电流源。由于其输出阻抗，所以，当这种设备接入电网中后，不会对 电网造成太大的影响。 a p e 不需要大容量的贮能元件，在补偿谐波时，只需要很小的贮能元件就能满足 要求。 使用灵活，可应用于各种质量状况的电网。用同一台装置即可对一个谐波进行补 偿，也可以集中式补偿。 本文重点研究有源电力滤波器( a p f ) 的原理及其设计。 1 2 国内外研究现状 回顾历史不难发现【1 5 1 7 1 ，有源电力滤波器的产生与发展电力电子技术有着非常紧密 的联系，a p f 概念的第一次提出是在上个世纪6 0 年代，以b m b i r d 为首的学者们第 一次提出了一个减少3 次谐波电流的方法，即向电网中注入一个与3 次谐波大小相等、 极性相反的电流。 3 江南大学硕士学位论文 国外研究历程与现状 国外首次对a p f 的基本理论进行描述则要追溯到1 9 7 1 年，当时日本学者h s a s a k i m a c h i d a 通过发表论文首次完整阐述了a p f 概念。随着技术的不断发展和突破， 概念的确立则是1 9 7 6 年提出的通过脉冲宽度调制( p w m ) 技术来实现电网污染的治 路，基本的主电路逆变器的构成则是采用功率开关器件【l 引。 进入8 0 年代，世界很多学者对有源电力滤波器的研究越来越深入，而且一些重要的 相继被提出，其中就包括重要的“瞬时无功功率理论 d 9 。这些重要成果的不断涌 要得益于电力电子技术的重大突破和迅猛发展，同时还在于开关管的耐压、耐流等 重要性能有了较大的飞跃【2 0 1 。正是在这些理论的基础上，a p f 的研究已由理论和实 验室试验阶段向实际生产应用阶段迈进 2 6 2 2 】。 目前，a p f 的应用领域己越来越广泛，通过其大量应用使得电网的谐波和无功功率 得到了有效地补偿和治理，从而使人们生产生活的用电质量有了极大的提高。理论和实 践应用的不断结合促进了a p f 技术不断进步和成熟。世界许多国家已不断推进a p f 补偿 装置的普及和应用，日本到目前已投入近1 0 0 0 台a p f 装置用于谐波治理并已取得了较好 的滤波效果【2 3 也5 1 。近几十年来，由于信息处理技术、智能控制等先进技术得到了突飞猛 进的发展使得有源电力滤波器在实际生产生活中的应用效果不断明显，在a p f 实用化方 面进展比较大的除了日本外，还包括老牌的一些欧洲科技强国以及美国，这些国家不仅 在a p f 研究方面有重大突破，而且在工业及生活中积极推进a p f 的实用化进程，在电网 谐波和无功综合治理方面走在世界的前列。 1 2 2 国内研究历程与现状 虽然国外a p f 的应用已经蓬勃发展，但我国a p f 的研究和应用仍有一定的滞后，只 有少量的a p f 投入运行。随着我国经济的迅猛发展以及对电能质量要求的不断提高，人 们对a p f 的研究和应用越来越重视和关注。不管从学术角度还是从经济角度，a p f 在我 国的发展将会迎来一个前所未有的高峰期【2 6 功】。另外，随着新能源研究的不断深入、电 能质量的概念得到了进一步的加强，也为a p f 的研究注入新的生机。 总结国内在a p f 方面的研究成果及特点，可以发现我国的研究重点主要围绕以下几 个方面进行： ( 1 ) 进一步提高谐波电流检测快速性和准确性。 ( 2 ) a p f 逆变器控制策略的研究。随着数字信号处理器性能的不断提高，目前a p f 控 制策略的研究主要在采用先进的控制方法上，比如：模糊控制、预测控制、神经网络控 制等等。 ( 3 ) a p f 主电路拓扑结构的改进，如多电平软开关、矩阵式变换器等技术，在不影响 有源电力滤波器的容量的前提下，尽量降低功率器件的电压电流应力。 我国发展正处于转型期，国家对提倡清洁能源的呼声日益高涨，但在a p f 的实际应 用研究水平仍处于较低水准，尽管现状如此，我们更该认清形势抢抓机遇力争在较短时 间内在a p f 实用化方面有较大突破。 4 第一覃绪论 1 3a p f 发展趋势 经过多年的发展，有源电力滤波器在理论和实际应用方面都有了较大的突破，但特 别是在实用化推广方面其仍未达到十分成熟的程度，本章1 2 节对a p f 在实际应用方面 所存在的问题进行了归纳总结，这些问题是：装置容量仍处于较低水平；滤波装置 的控制延时仍较长，导致跟踪控制时间有限：系统装置功率损耗较大，谐波和无功的 抑制效果不是十分理想等【2 引。针对现阶段a p f 存在的难题，接下来的主要研究工作主 要关注于以下几方面： ( 1 ) 需要进一步研究和改进谐波及无功的检测理论算法，提高谐波提取的实时准确 性； ( 2 ) 不断完善高速处理器的性能，同时改进智能控制策略以实现a p f 装置的结构简 化以及数字化控制； ( 3 ) 改进设计方案，实现补偿装置的多功能设计，并降低系统损耗，从而使滤波器的 补偿效率得以进一步提高。 以上几个方面是通过查阅大量资料总结而来，文献 2 9 3 2 对这方面有较深入的研 究。我国正处在经济发展转型的关键时期对电能质量问题要求越来越高，因此，我国在 谐波和无功补偿等电网污染综合治理方面的研究将进一步深入，对目前a p f 存在的问 题将积极应对，并举一反三寻找解决办法。 1 4 课题主要研究内容 本文在总结a p f 基本原理、基本结构及其控制算法的基础上将神经网络控制用于 有源电力滤波器谐波和无功检测与控制，此设计不但使得谐波检测控制精确性与实时性 大大提高，同时相对于传统检测和控制方案可简化有源电力滤波器的结构和设计，实现 对谐波、无功以及零序电流的有效补偿，从而有效提高a p f 的补偿性能，使得电网谐 波水平被有效控制，净化电网，减少电网污染。 1 本文主要研究内容 先详细分析有源电力滤波器( a p f ) 的研究背景及其研究的重要实际意义，分析国 内外在a p f 发展过程中的研究历程以及研究应用现状，并进行纵向和横向两个方面对 比总结a p f 发展过程及今后的发展方向。同时，详细总结和阐述a p f 的特点及其谐波 检测和控制方案的优劣。 对神经网络控制有源电力滤波器原理进行深入分析，介绍神经网络原理与特点， 建立三相并联型a p f 数学模型，详细分析改进的多元自适应神经网络检测控制原理。 根据大功率逆变电源的特点，设计并联型三相四线制有源电力滤波器，采用神经 网络进行谐波检测，电流跟踪控制采用三角载波比较控制方式。推导a p f 控制方程， 建立其电路模型，进行系统硬软件设计。 采用m a t l a b 7 1 软件对系统进行理论仿真，同时在以d s p 为核心控制器搭建a p f 实验装置进行实验研究，仿真和实验结果验证控制策略的正确性、有效性。 2 工作重点 5 江南大学硕士学位论文 神经网络控制是目前较为先进且有广阔发展前景的智能控制方法，而有源电力滤波 在实际应用中对谐波检测的实时性和精确性有较高的要求，采用有关学者提出的神经 络算法进行谐波检测可实现快速准确地分析出负载电流中有害成分，使a p f 实现较 的电网补偿效果。目前，采用神经网络检测及控制的有源电力滤波器在实际应用方面 存在一定难度，但该方面的研究却具有十分重要的理论和实际意义。 针对传统谐波检测控制方法的不足，对多元自适应神经网络检测系统进行补充，将 与p i 控制相结合应用于负载电流谐波和无功的检测和控制，通过仿真和实验对设计 案进行验证。通过仿真实验对面变换谐波检测方案与神经网络检测方案进行了比较。 文主要侧重于a p f 装置软硬件设计中关键细节的完善，为a p f 实际设计应用做了一 有益的尝试和探索。 6 第二章有源电力滤波器及系统方案选择 第二章有源电力滤波器原理及方案选择 有源电力滤波器可有效抑制谐波和补偿无功，研究过程中关于其谐波检测与控制的 理论很多，有些已相对成熟，不过各有优劣【3 ”4 】。结合有源电力滤波器的工作原理与特 点，通过分析比较a p f 常用控制方法后将一种改进型神经模糊控制策略应用于a p f 控 制中，为a p f 神经控制的研究作了有益的尝试。 2 1 有源滤波器的基本原理 如图2 1 所示，有源电力滤波器( a p f ) 主要由两个环节组成，分别为谐波检测环节和 补偿电流发生电路环节，下面将详细分析有源电力滤波器治理电网污染的基本工作原 理。系统的三相输入电源用以来表示，蠡表示网侧电流，f ，则表示非线性负载电流，而 电网受到的污染即其中的谐波和无功功率成分即主要是由此负载所产生。上述的谐波检 测环节即是对负载电流等进行实时检测并运算分析出所含的谐波及无功成分，而在检测 环节基础上通过由电流控制模块、驱动模块及三相p w m 逆变模块构成的补偿电流发生 电路产生较为精确的补偿电流。 图2 - 1 有源滤波器的基本原理图 f i g 2 1t h ef u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo fa p f 具体的工作原理：因非线性负载产生大量的谐波和无功电流，通过诸如霍尔电压电 流传感器等信号检测环节对电网电流、负载电流、补偿电流以及电源电压等信号进行快 速准确检测，通过合理的谐波提取算法计算得到污染后电网中的有害成分，再经电流控 制方法得到驱动主电路逆变功率开关管合理导通和关断的控制信号，从而a p f 输出较 为精确的谐波补偿电流注入电网，当有源电力滤波器输出的谐波补偿电流与负载电流中 的谐波电流极性相反而大小接近则实现电网谐波的有效补偿，负载电流中只剩下基波有 功电涮 j ，从而大大净化电网。 有源电力滤波器能够很好的动态抑制谐波和补偿无功，能对大小和频率都变化的谐 波和无功分量进行实时补偿。目前，关于a p f 方面的研究已取得了一定的成果，大体可 7 图2 - 2 并联型a p f 结构图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fs h u n ta p f ， 如图2 2 所示是并联型滤波器与负载间的连接原理图，a p f 通过与负载并联实现有 效抑制电网的谐波以及补偿其中的无功功率成分，该种形式的滤波器一般适用于电流型 负载。并联型有源电力滤波器有单独使用和与l c 并联使用等几种结构形式，分别如图 2 2 ( a ) 、( b ) 所示。该型式滤波器可以同时对三相负载电流中的基波无功功率、高次谐波 8 第二章有源电力滤波器及系统方案选择 进行实时补偿，对于三相四线制系统来说还可以对中线电流进行补偿。一般来说，与l c 并联使用的型式比单独使用更常用，因其可以有效克服单独使用所存在的容量较高的要 求以及经济成本问题，然而，该型式也存在谐振方面的问题，对控制系统的要求相对更 高一些。 串联型有源滤波器 a c a c ( a ) 串联单独用a p f ( b ) 串联混合型a p f 图2 - 3 并联型a p f 结构图 f i g 2 - 3s t r u c t u r eo fs e t i e s a p f 如图2 3 所示为串联有源电力滤波器的结构图。与并联型有源电力滤波器的区别： 串联型滤波器一般是用来对谐波电压进行有效地补偿，结构特点是三相电源、有源滤波 器、非线性负载三者串联，且有源滤波器处于中间位置。然而，串联型有源电力滤波器 也存在一定的缺陷：因其损耗较大其投切、故障退出及各种保护较复杂，故其使用范围 受到很大限制。与并联型相似，串联型滤波器也有单独使用和混合使用等型式，在具体 的使用中因实际情况而作相应型式的选择。 统一电能质量控制器 因并联与串联型滤波器各有其优点和不足，在实际的谐波补偿电路中可以将两者结 合起来应用，就有了如图2 - 4 所示的统一电能质量调节器结构型式。具体电路设计是经 一直流电容背靠背连接从而可以取得较好的谐波和无功功率补偿效果。不过，在一般的 有源滤波器件电路设计中将二者结合使用效果是更好，却存在一定的电路复杂性和控制 设计相对繁琐等缺点，因此，具体的设计所需采用的结构型式应本着合适即最佳的原则。 9 江南大学硕士学位论文 a c 图2 - 4 统一电能质量控制器 f i g 2 - 4u n i f l e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r 经以上结构的总结和分析，现将有源电力滤波器比较全面的结构分类归纳如下图 所示。 与l c 串联 与l c 并联 串联谐振式 并联谐振 图2 - 5 有源电力滤波器的分类 f i g 2 - 5t h ec l a s s i f i c a t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e r 2 3 谐波检测方法比较与选择 a p f 设计的主要控制技术有这几个方面：谐波电流的检测；直流侧电容恒压控 制；电流跟踪控制及逆变器触发。其中，谐波检测是关键，检测的准确性决定着a p f 补偿的精确性和实时性，其对抑制谐波和补偿无功功率有着重要的指导作用。准确、实时 的检测出电网中瞬态变化的畸变电流进而采用合适的算法进行分析和准确的提取出谐 波与无功，这个问题一直是众多国内外学者致力研究的目标，并且已取得了很多成果。 目前，在a p f 研究中常规的谐波测量方法主要有：基于瞬时无功功率的谐波测量及 旋转坐标系下进行投影变换的谐波检测。除了常规的谐波检测方法外，目前一些先进智 能控制检测算法已不断被研究和应用，并取得了较好的控制效果。近些年来，神经网络 算法应用于有源滤波器的研究是一个热点，而且经实际应用和检验后已经比较成熟。 l o 第二章 2 3 1 瞬时无功功率理论 瞬时无功功率理论目前相对来说比较成熟，其应用领域较为广泛，它是建立在以瞬 时电流和电压为基础的换算之上【3 8 】，简要叙述其主要过程： ( 1 ) a b c 与口一坐标系变换关系： 首先设定一些参数，设、e b 、分别表示三相相压；屯、t 分别表示电流的 瞬时值，下面是其口一变换过程： 肾：圈 亿t ， 阱： | 亿2 ， 舯铲历l 。1 意岩珥 图2 - 6 为电压电流矢量图，云，石和云，i 分别合成；、7 。 6 e 8 f i g 2 - 6v e c t o rd i a g r a mo fc u r r e n ta n dv o l a g e ? ：+ 22 算纯 ( 2 3 ) i i = 乞+ 2f 么仍 、 ( 2 ) 瞬时有功、无功电流关系： ? = “t c o s 孕, ( 2 4 ) 【02 zs m 、7 ( 3 ) 三相电路瞬时无功功率q 和瞬时有功功率p ： 三相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g 分别为电压矢量苫的模与三相电路 瞬时无功电流和瞬时有功电流的乘积，可表示为： p 一- e ， ( 2 5 ) 【q2e l q 、 7 绎蛮换可得： 江南大学硕士学位论文 ； = 乏- e 口 j | - l 乞g j = e 舶 芝 2 匕针 4 ) 代入上式，得： p = p 口屯+ 屯+ 巳之 1 铲方【( ”e c ) i o “矿e a ) i b “旷e d i a 相的瞬时有功电流0 、i p p 和瞬时无功电流k 、： 时无功电流0 、与有功电流0 、l # p 的投影为： 瞄iatpi p c 吼o s 缈e ：李e a ：i e a 二 i c t q 叫s i n 纯2 詈5 南 = 纯2 _ 5 ：靠 一徊s 纯一詈岛2 磊岛 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 以上是瞬时无功功率理论的部分推导过程，我们可以发现该理论的应用过程 中需要经过较为复杂的坐标变换及相应运算，对系统的实时性有一定的影响，而 a p f 装黄最重要的性能指标却是要保证实时性要求。 2 3 2 通过旋转坐标系进行投影变换 在上一节中详细分析了瞬时无功功率理论及其在谐波检测中的具体应用过程，尽管 瞬时无功功率理论对于a p f 的快速发展起到相当重要的推动作用，然而，不可否认该理 论在实际的应用中仍存在一定的缺陷：难以消除电压谐波以及由于电压不对称而带来 的电网污染；对于模拟滤波器的相位问题，采用瞬时无功功率理论无法彻底消除。 正因为上述关于瞬时无功功率理论存在的几点缺陷，由变换的谐波检测方法的提 出和应用恰弥补了这些不足【1 1 1 。采用由坐标变换的方法可以解决模拟电位器的相位问 题，其主要的解决思路是将负载电流中的基波信号提取出来，这里可以通过b u t t e r w o r t h 低通滤波器予以实现，这种方法的优点不仅在此，同时还能起到避免某些频率分量的异 常变化，因为可以通过使负载电流中的基波分量变换至零频率。 面坐标变换的过程是：将采集到的三相信号首先进行3 2 运算即筇运算，接着再进 行由坐标变换，经过上述几步的数学变换处理后可以把三相负载信号中的基波有功成 分准确地分离出来，一旦三相负载中的基波有功成分被分离即可通过所采集的实际三相 信号减去已分离出的基波有功信号，从而可准确地计算出所采集的实际三相信号中的谐 波及无功功率成分，即可进行控制逆变器快速准确产生欲补偿的有害信号，以便实时补 1 2 翌三垩塑塑皇垄鎏鎏墅垄墨堑查壅垄堡 偿有害电流，净化电网。其中，负载信号中的基波有功成分的分离的重点是先将其转化 为直流电流，因为根据电路基本原理可知低通滤波器可以讲直流信号从其他信号中分离 出来，这里所指的其它信号即指三相负载信号中的基波无功功率成分和高次谐波成分。 下面将对采用基于同步旋转坐标的由坐标变换方法进行分析。在进行数学变换推 导之前，先定义几个变量：乞、乞，采用这三个变量分别表示用霍尔传感器采集到 的流入非线性负载的三相电流；艺、i 二、艺，定义这三个变量分别表示第朋次谐波电流 的正序、负序以及零序成分。正序基波检测d q 变换推导过程【5 】： 变换矩阵的推导为： 印坏兹兹 亿， d q 矩阵变换为： c 由：is i n ( c a t ) - c o s ( 卅l (212)i l 由2 1 c o s ( 觚) 一sn ( c a t ) i 1 2 ) 2 3 变换矩阵为： - r 10 c 2 32 毗主兹- j3 ) d q 矩阵逆变换为： _ = ) 二鬈 - ( 2 1 4 ) 除了上面对正序的谐波提取变换外，文献【5 】还对双d q 变换进行谐波检测进行全、 面推导，该理论不仅包括正序基波检测，还包括负序部分的谐波提取： 正序旋转变换： c 由+ ：is i n ( c a t ) - c o s ( c a ) i ( 2 1 5 ) 一一、+ 一i c o s ( c a t ) 一s i n ( c a t ) i j 正序旋转逆变换： 瞄= 篇，二搿 _ + 负序旋转变换： c l 咖( 耐 叫 l c o s ( c a t ) 负序旋转逆变换： 瞄- l 翟， 采用面坐标变换可得： 1 3 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ，)似哪 ：耋| ： 0 u 叭 坷 一一 一一 通过分析我们可以发现，由坐标法应用于负载谐波和无功成分的准确检测能取得不错 的效果，尽管如此，也存在其局限性的一面：本文所研究的有源滤波器是针对三相四线 制的电力系统的，而由于所研究的系统的容量不大则非线性负载导致的负载电流中高频 谐波成分畸变，将会带来因电源电压的严重畸变及零序成分的存在，因此，当主电路部 分设计的逆变器所产生的三相补偿电流因较为对称则无法实现有源滤波之后的系统的 功率与滤波前一致。 、 2 3 3 神经网络检测方案 人工神经网络( a n n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) 是由大量神经元以一定的方式连接而成 的一种网络，是目前控制理论中比较前沿和具有较大发展潜力的控制策略。单个神经元 的作用是实现输入到输出的一个非线性函数关系，它们之间广泛的连接组合就使整个神 经网络具有了复杂非线性特点。神经网络将大量的信息隐含在其连接权重上，因此，其 能够逼近任何线性和非线性模型的非线性映射，能有效地处理系统非线性问题。 而本课题所设计的有源电力滤波器正是一个具有较强非线性特性的系统，因系统内 含有大量的功率开关管，不仅如此，负载以及系统线路上的参数变化都给系统带来一定 的非线性特点。基于此，采用先进的神经网络控制算法来对系统的负载电流中的谐波和 无功进行检测【3 9 1 ，这种谐波检测处理方式将会取得较为理想的效果。与前文介绍的瞬时 无功功率理论和旋转坐标系下进行投影变换的谐波检测方法相比，神经网络控制算法具 有以下优点： 当负载变化时，神经网络检测控制算法具有较强的自适应能力； 相比较其它的一些方法，该方法的使用不会出现电子滤波的时延现象； 常规的一些方法无法同时将负载电流中的基波负序和零序电流以及谐波、无功等检测 出来，而采用神经网络检测方法却可以实现。 有源电力滤波器的关键技术是三相负载电流有害成分的实时准确检测技术和补偿 电流的快速准确产生技术，其中，对检测技术是关键中的关键，只有实现对负载电流中 有害成分的快速精确提取，后面的补偿电流的准确产生才能成为可能。在上面分析的几 种常见有害电流检测控制方案：第一种即瞬时无功功率理论应用于三相负载电流有害成 1 4 第二章有源电力滤波器及系统方案选择 分的提取，对于本设计不适合，因为本设计是三相四线制有源滤波器的研究，而该理论 存在无法提取出各次谐波成分的缺陷，基于此，该理论方法一般在三相三线有源电力滤 波器系统中的应用较为广泛；而通过旋转坐标系进行投影变换的由坐标变换理论应用 于负载电流有害成分检测控制方案，因其在实际的电路设计中存在电路损耗大，且对于 三相四线小容量独立系统有一定的局限性。 基于神经网络控制新型检测法有较强的自适应能力和广阔的发展前景，其控制性能 比较优越，特别是对于具有强非线性的电力电子装置，采用先进神经控制算法，通过 d s p 快速实现谐波检测和补偿电流的运算并予以实时补偿，在第五章仿真和实验结果证 明其优越性。 2 4 电流跟踪控制方法比较与选择 在2 3 节已详细分析了谐波检测的方法和特点，在a p f 系统中，除了谐波检测环节外， 另一个最为重要的则是电流跟踪控制部分。a p f 主电路一般由三相全桥脉宽调$ 1 j ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n , p w m ) 逆变器组成，通过合理调制开关管的触发脉冲宽度控制功率器 件的导通和关断，从而使三相逆变器产生准确的补偿电流，注入电网以抑制谐波净化电 网。因此，选择合理的控制策略则是a p f 控制的重点，这样才能给出合适的p w m 信号控 制逆变器工作。 目前，用于有源电力滤波器的控制技术很多，主要有滞环比较控s j j 4 、三角载波电 流控制、现代智能控制等。相比之下，传统的控制策略如滞环比较控制和三角波比较控 制，控制方法简单，控制速度快，因此，接下来主要对传统的控制方法进行比较分析并 简单介绍下智能控制的发展应用情况。 2 4 1 滞环比较控制 滞环比较