本科毕业设计（论文）-有源电力滤波器滞环电流跟踪控制策略研究.doc

毕 业 设 计 学生姓名学生姓名张帆学学 号号170908040 院院 系系 物理与电子电气工程学院 专专 业业电气工程及其自动化 有源电力滤波器滞环电流跟踪控制策 题题 目目略的研究 周凯杰 助教 硕士 指导教师指导教师 2013年5月 淮阴师范学院毕业设计 1 摘摘 要要 针对有源电力滤波器 APF 传统滞环电流跟踪方式逆变器的开关频率高且频 率范围大的问题 研究了一种可变环宽的滞环电流跟踪控制策略 该策略根据系统开关 频率 直流侧电压 主电路电感等参数动态的调节滞环比较器的环宽 不仅能够有效的 降低开关频率和频率变化范围 而且在跟踪精度和动态性能上也比传统滞环比较法优越 通过 MATLAB 仿真表明 该策略的电流跟踪精度满足有源电力滤波器的要求 关键词关键词 有源电力滤波器 滞环比较法 电流跟踪 自适应 淮阴师范学院毕业设计 2 Abstract In view of the active power filter APF traditional hysteresis current tracking mode inverter of high switch frequency and the frequency range is big problem researched a variable loop width of hysteresis current tracking control strategy The strategy based on the system switch frequency dc side voltage and main circuit inductance parameters such as dynamic adjust the ring width of hysteresis comparator not only can effectively reduce the switching frequency and frequency range but also on the tracking precision and dynamic performance than traditional hysteresis comparison method is superior Through the MATLAB simulation show that the strategy of current tracking precision meet the requirements of active power filter Key words active power filter hysteresis comparison method the current tracking the adaptive 淮阴师范学院毕业设计 3 目目 录录 1 绪论 4 1 1 前言 4 1 2 有源电力滤波器的发展史 4 1 3 有源电力滤波系统工作 5 2 有源电力滤波器的结构和工作原理 6 3 滞环电流跟踪算法 9 3 1 传统滞环比较原理 9 3 2 自适应滞环电流跟踪方式数学建模 9 3 3 自适应可变环宽滞环控制器的设计 11 4 仿真结果及其分析 12 结论 16 参考文献 17 致谢 18 淮阴师范学院毕业设计 4 1 绪论绪论 1 1 前言前言 电力电子设备的大规模使用给人们生产生活带来便利的同时 也给电网注入了大量 谐波 致使电网污染日益严重 目前有源电力滤波器 APF 成为治理谐波污染的有效手 段之一 1 有源电力滤波器 APF 不仅能够主动抑制谐波 而且能够对无功功率进行补偿 具 有良好的动态性能 可以弥补传统无源滤波器补偿方法的不足 APF 的原理是产生与谐 波源谐波电流大小相同 相位相反的补偿电流 从而实现滤除谐波电流的目的 而产生 的补偿电流必须能实时的准确的跟踪指令电流的变化 目前 APF 中常用的电流跟踪控制 方式主要有三角波比较方式和滞环电流比较方式 2 三角波比较方式采用固定的开关频率可以实现无静差跟踪 但由于采用的是定频控 制 因而误差较大 并且由于它采用三角载波 因而在输出波形中会存在载波分量 滞 环电流比较方式开关频率并不固定 且不需要载波 跟踪精度高 响应快 鲁棒性好 且在输出中不会存在载波分量 但是 由于在传统滞环电流比较方式中是采用固定的环 宽 H 由此带来的问题是 当电流偏差过大或偏差变化率过大时 环宽 H 小会使得 APF 补偿能力不足或不能实时准确的跟踪指令电流 而当电流偏差过小或电流偏差变化率过 小时 固定环宽 H 又会使得产生的补偿电流过大 导致 APF 滤波效果不好 尤其是在电 流过零点和峰值的时候尤为明显 3 针对该问题 本文提出了一种可变环宽的自适应滞环电流跟踪策略 该策略能够该 策略根据系统开关频率 直流侧电压 主电路电感等参数动态的调节滞环比较器的环宽 从而有效的弥补传统固定环宽滞环比较策略的缺陷 本文并在此基础上利用 matlab 软件 搭建仿真模型 对这两种策略进行仿真比较 验证所设计的可变环宽的自适应滞环电流 跟踪策略的准确性和有效性 1 2 有源电力滤波器的发展史有源电力滤波器的发展史 20 世纪 60 年代末产生的有源电力滤波器的思想 BMBird JFMarsh 在 1969 年发表的 一篇论文中 三次谐波电流注入交流电网 以减少电源电流谐波成分 从而抑制谐波 新的方法来提高电流波形 虽然本文没有提到的 有源电力滤波器 但它是有源电力滤波 器思想的种子 在 1971 年 H Sasaki T Machida 全面介绍了有源电力滤波器 APF 的基本工作原理 淮阴师范学院毕业设计 5 通过线性扩增方法产生补偿电流 但成本高 损耗 从而在实验阶段 还没有应用到项 目 1976 年 L Gyugyi 等人提出了一种新的方法来产生补偿电流通过 PWM 转换器 尽 管是理想的补偿电流产生电路 PWM 转换器 但限于当时电力电子技术 全控半导体开关 器件的开关频率和低功耗的有源滤波器的水平仍处于实验研究阶段 在论文中 主电路 的有源电力滤波器的控制方法和基本拓扑结构已经建立 正式提出有源电力滤波器的概 念 Akagi H 于 1983 年提出三相电路瞬时无功功率理论 广泛应用于有源电力滤波器基 于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法 极大地促进了有功功率的过滤器的开 发与应用 FZPeng 等于 1988 年提出有源电力滤波器和并联型无源滤波器相结合的混合设备 串 联型有源电力滤波器对谐波电流呈高阻抗 对基波呈低阻抗 使负载侧的高次谐波电流 也不会流入电网 电网的谐波电压不添加无源滤波器和负载 H Akagi 等在 1994 年提出并联有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器集成有源滤 波装置 有源电力滤波器系列的电源和负载隔离 以防止电网的谐波电压 负载和无源 滤波器和无源滤波器 还可以防止负载侧谐波电流扩散到电网并联有源电力滤波器谐波 提供了一个零阻抗分支 以防止在无源滤波器谐波电压的负载产生的高次谐波电流 该 器件结合了两种结构的功能和特点 应用范围广 具有非常高的性价比 它是值得未来 发展的方向 目前 国外许多国家将有源电力滤波器应用于工程 谐波抑制 提高整体素质 从 电网电源和负载两端的 与发达国家相比 中国谐波起步较晚 技术相对落后 许多学 者如吴邓景昌在中国统一的谐波问题作出了突出贡献 前者在 1988 年出版的 电力系统谐 波 一书我们谐波的研究中 有着深远的影响 我国在有源电力滤波器研究方面滞后 国内研究处于实验和理论研究阶段 直到最 近几年 在这方面的研究单位逐渐增加 但主要集中在一些国家科研院所和高等院校 西安交通大学王钊等谐波检测算法 以及浙江大学钱照明基于 DSP 的单相有源电力滤波 器 都做出了突出贡献 有源电力滤波器在我们国家不是许多工程的应用 这并不符合 中国的电动电力系统谐波污染的现状 我相信 随着重视有源电力滤波器的谐波问题 持续改善谐波污染的控制工作 我国的有源电力滤波器将会得到快速发展和广泛运用 淮阴师范学院毕业设计 6 1 3 有源电力滤波系统工作有源电力滤波系统工作 有源电力滤波器提供了基波动态无功补偿和对电压闪变的抑制使负载有谐波时得到 有效治理装置 通过关闭开关 熔断器的电流限流电阻 以限制通电的瞬间电流冲击 给电容充电 当电容达到额定值 自闭 QF1 接触 设备开始工作 电容作为能量存储元 件 补偿输出电流的 PWM 逆变器和反应器内部向外提供能量时 电容器也可以提供控制 和监视系统的工作电源 CT1 检测到的负载电流 CF2 电网电流被检测到 的高次谐波 分量的高次谐波分量的高速数字处理器 DSP PWM 驱动 扭转对应的高次谐波分量完 全抵消的分析可以自动消除系统中的谐波 负载电压变化的波形测量和调节有源电力滤波器的幅频 消谐器通过使用数字信号 处理技术 还具有以下功能 防止谐振电容有源滤波器应用不用担心隐患谐振电路的参 数 并可以提供无功功率控制功能的浪涌电压和负载频繁变化 图 1 1 APF 系统原理图 Fig 1 1 APF system diagram 有源滤波器 APF 三相三线工业负荷整流器 逆变器 UPS 电源 中频炉 电弧炉和 其他工业非线形 2 60 次谐波 可以过滤掉 三相四线制适用于商业写字楼 照明 计算 机 UPS 电梯 变频空调负荷第三次谐波产生的 2 25 次谐波过滤掉中心线 另外 在 按照适当的无功功率补偿电容器连接到负载的性质 并提高功率因数 APF 系统核心图 补偿电流和无功功率补偿电流的谐波电流检测 6 2 有源电力滤波器的结构和工作原理有源电力滤波器的结构和工作原理 APF 有源电力滤波器从不同的角度看 有不同的分类标准 根据逆变器的能量存储 元件的直流侧 APF 分为电流型和电压型 相比电流型有源滤波器 电压 APF 效率高 淮阴师范学院毕业设计 7 初期投资较少 可以并行扩展 易于独立的小型化 经济 适用谐波补偿 实际的器件 APF 电压型现在比例超过 90 根据应用的不同 可分为有源直流滤波器和有源交流滤 波器 APF 前者主要用于消除高压直流 HVDC 系统逆变器的直流侧的电流和电压谐波 后者适用于交流电力系统 根据将 APF 连接到电网方式的不同 可以把 APF 分为并联型 串联型 混合型和串联 并联型 如图 2 1 所示 有源电力 滤波器 串联型并联型串 并联型 单独 使用 方式 单独 使用 方式 与LC 滤波 器混 合用 方式 与LC 滤波 器混 合用 方式 与旋 转电 机并 用方 式 与LC 串联 与LC 并联 图 2 1 有源电力滤波器系统结构分类 Fig 2 1 Active Power Filter System Structure Classification 图 2 2 显示了并联有源滤波器 载入并联有源滤波器的技术已经成熟 它主要适用 于非线性负载的电流源 无功功率补偿 消除三相系统中的不平衡电流的谐波电流 是 目前最广泛使用的 APF 拓扑 AC 非线性负 荷 图 2 2 并联型 APF Fig 2 2 Shunt Active Power Filter 图 2 3 是一个串联型有源滤波器 通过一个匹配变压器 将 APF 串联连接在电源 淮阴师范学院毕业设计 8 和负载之间 以消除电压谐波平衡或负载的端子电压的调整 相比 并联型 APF 串联 型 APF 的损耗大 各种保护电路也比较复杂 串联型 APF 的研究很少单独使用 而且大 部分混合型 APF 的一部分加以研究 AC 非线性负 荷 图 2 3 串联型 APF Fig 2 3 Shunt Active Power Filter 图 2 4 是混合型 APF 基本结构 在串联型 APF 的基础上用大容量的 LC 滤波网络来 去除低次谐波 并无功补偿任务 串联型的 APF 以消除高次谐波和阻尼无源 LC 网络与 线路阻抗谐波谐振为任务 不仅如此 串联型的有源滤波器的电压和电流额定值大大减 少 的功率容量可以减少到小于负载的 5 也减小了体积 并降低成本 从经济的角 度来看 这种结构是值得推荐的 但随着电力电子器件的性能的不断提高 成本不断下 降 性能较高的混合型 APF 可能会被性能更高串 并联 APF 代替 如图 2 5 所示 AC 非线性负 荷 APF HRF 图 2 4 混合型 APF Fig 2 4 Hybrid Active Power Filter 淮阴师范学院毕业设计 9 AC 非线性负 荷 图 2 5 串 并联型 APF Fig 2 5 String Parallel Active Power Filter 3 滞环电流跟踪算法滞环电流跟踪算法 3 1 传统滞环比较原理传统滞环比较原理 传统的滞环比较电流跟踪控制方式原理如图 3 1 所示 该方式将指令信号与实际电 流两者的偏差作为输入 通过滞环比较器产生 PWM 信号 从而控制补偿电流的变化 c i c i c i PWM信号 滞环比较器 图 3 1 滞环比较方式原理图 Fig 3 1 Schematic diagram of hysteresis 传统的滞环比较方式尽管具有精度高且响应快的优点 但开关频率波动大 在满足 器件最大开关频率的容许范围内 无法获得较高的跟踪精度 3 2 自适应滞环电流跟踪方式数学建模自适应滞环电流跟踪方式数学建模 图 3 2 为并联型有源电力滤波器 SAPF 原理图 APF 通过电压和电流传感器检 测出负载侧电压 电流的补偿电流 从而达到抑制谐波的目的 1 SAPF 能否有效的抑制 谐波与指令电流的跟踪精度密切相关 因此采取有效的电流跟踪策略就显得尤为重要 目前 滞环电流跟踪方式是采用的较为广泛且有效的一种电流跟踪策略 因此对其进行 淮阴师范学院毕业设计 10 研究和分析就很有意义 Vsa Vsb Vsc ica icb icc a cV dc L 图 3 2 并联型有源电力滤波器原理图 Fig 3 2 Principle diagram of shunt active power filter 图 3 3 为 A 相电流和电压 PWM 波形 滞环比较方式的基本原理使用指令电流与补 偿电流的偏差作为滞环控制器的输入 而输出则为 PWM 脉冲信号 如果偏差超过滞环上 限时 则主电路的上面开关管导通 下面关断 反之偏差低于滞环下限时 则上面关断 下面开关管导通 3 由此可知 这些半导体开关器件的开关频率是随着滞环控制器的输 入即电流偏差信号变化而变化的 并不是固定的 因此针对传统滞环固定环宽控制器开 关器件开关频率高且范围广的问题 建立如下数学模型 4 7 2HB t1 0 5Vdc 0 5Vdc ica ca i ca i 图 3 3 A 相滞环电流和电压 PWM 波形 Fig 3 3Phase A current and voltage waves with hysteresis band current control 根据基尔霍夫电压定律 由图 1 可得 1 ca saa di VLV dt 公式 1 中 Vsa 为 A 相电源侧电压 Va为 a 点电压 当 a 桥臂上半部导通时 Va 等于 0 5Vdc 反之 当 a 桥臂下半部导通时 Va 等于 0 5Vdc 此时当逆变器实际输出电 淮阴师范学院毕业设计 11 流等于指令电流 i ca时 可得 2 ca saa di VLV dt 公式 2 中 为 a 点参考电压 当 a 点实际电压等于参考电压时 逆变器主电 a V 路输出电流等于指令电流 将式 2 减去式 1 得 其中令 cacaa ii 3 cacaa aa d iid LLVV dtdt 由图 2 可知 当时 此时有 1 0tt caca ii 4 1 11 0 0 5 0 aaaa adc dtHBHB LLLLVV dtttt 反之 当时 此时有 12 ttt caca ii 5 1 11 0 5 aaasa adc ss dTtHBHB LLLLVV dttTtTt 将式 2 4 5 联立可得 6 2 2 2 0 1254 1 dcsaca cdc VVdiL HB f LVLdt 式中 HB 为滞环宽度 Vdc 为直流侧电压 fc 为开关管开关频率 Vsa 为电源侧电 压 L 为电感系数 i ca为指令电流 从式 6 中 可以看出 在传统滞环电流控制中 HB 是固定不变的 因此开关频率是随着直流侧电压 电源侧电压以及指令电流的斜率改 变而变化的 所以只要环宽 HB 能够随着直流侧电压 电源电压和指令电流斜率变化而调 整 就能控制开关管的开关频率保持不变 本文基于此 设计了随着直流侧电压 电源 电压和指令电流斜率变化而变化的可变环宽滞环电流控制器 3 3 自适应可变环宽滞环控制器的设计自适应可变环宽滞环控制器的设计 传统滞环电流控制策略存在固定环宽所固有的问题 本文在前文对 APF 建模的基础 上得到了环宽 HB 与直流侧电压 电源电压以及指令电流偏差之间的数学关系 可变环宽 滞环控制结构图如图 3 4 所示 将指令电流与补偿电流之间的偏差信号送入滞环比较器后 输出 PWM 脉冲信号 来驱动主电路产生所需的补偿电流 其中滞环比较器的滞环宽度由 滞环宽度计算器得到 滞环宽度计算器输入分别是电源电压 直流侧电压以及指令电流 淮阴师范学院毕业设计 12 偏差 本文利用 matlab 中 simulink 搭建仿真模型 滞环宽度计算器如图 3 4 所示 指令电流 HB计算 PWM信号 补偿电流 ca i sa V dc V 图 3 4 可变环宽滞环控制结构图 Fig 3 4 Diagram of the adaptive hysteresis band controller 图 3 5 滞环宽度计算器模块 Fig 3 5 The block of hysteresis band calculator 4 仿真结果及其分析仿真结果及其分析 利用 matlab 软件对其进行仿真 对两种电流控制算法进行直观的比较 仿真模型中 包括三个部分 三相对称电源 谐波负载以及 SAPF 为了对两种算法进行对比 仿真中 采取相同的参数 三相电源 380V 50Hz 谐波负载三相可控硅整流桥 交流侧滤波电感 8mh 淮阴师范学院毕业设计 13 图 4 1 可变环宽滞环电流控制器 Fig 4 1Varriable hysteresis band current controller 利用 MATLAB 软件搭建的滞环电流可变宽控制器如图 4 1 所示 本文分别对两种 电流跟踪算法 固定环宽滞环电流和可变环宽滞环电流跟踪算法进行仿真 两种算法对 电流跟踪的图形如下图 4 2 图 4 3 所示 从两张图形中不难看出 可变环宽滞环电流 跟踪算法无论是在跟踪精度上 还是在响应速度上都要比固定环宽的滞环电流跟踪算法 优越 而在指令电流比较大的时刻 效果尤为明显 图 4 2 可变环宽滞环电流跟踪图 Fig 2 Diagram of the Varriable hysteresis band current tracking 淮阴师范学院毕业设计 14 图 4 3 固定环宽滞环电流跟