三相并联有源滤波器的仿真研究毕业论文.doc

三相并联有源滤波器的仿真研究毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1选题目的及意义11.1.1电力系统谐波11.1.2谐波的治理策略21.2 有源电力滤波器研究现状及发展趋势31.2.1有源电力滤波器的国内外研究现状31.2.2有源电力滤波器的发展趋势41.3本文所做的工作4第二章 并联型有源电力滤波器62.1 有源电力滤波器62.2有源滤波器的工作原理92.3主电路结构及其相关参数设计102.3.1主电路工作原理102.3.2开关器件的选择122.3.3主电路容量122.3.4开关频率与死区时间122.3.5直流侧储能电容稳定电压132.3.6储能电容C132.3.7交流侧电感L132.4 本章小结13第三章 有源滤波器的谐波电流检测技术153.1常用的谐波电流检测技术153.2基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测法163.3 PWM控制方式的研究193.3.1 定时瞬时值比较PWM控制方式193.3.2 三角波比较PWM控制方式193.3.3 滞环瞬时值比较方式203.4本章小结21第四章 三相串联型有源电力滤波器的建模与仿真224.1 Matlab/Simulink仿真软件及其工具箱简介224.2系统仿真模型的构建234.3 有源电力滤波器仿真模型设计244.3.1 谐波源建模244.3.2 并联型有源电力滤波器建模244.4 仿真实验及结果分析284.5 本章小结33第五章 总结与展望34II 5.1论文总结345.2下一步工作展望34致 谢35参考文献36第一章 绪论1.1选题目的及意义 随着科学技术与现代化建设的发展,电能在现代社会工业生产和日常生活中成为了不可缺少的重要能源之一。目前,世界各国供电系统几乎都采用正弦供电方式,理想状况下,电网可近似为一个线性时不变系统；但是随着电力电子技术的迅速发展,在现代化生产(特别是冶金、钢铁、化工）交通、楼宇自动化及日常家庭生活中广泛地应用各种电力电子装置,电力系统中的非线性负载比重不断增大,电流和电压波形产生周期性畸变。高度非线性装置数量和额定容量的日趋增大,对电力系统地安全的、经济的运行造成极大的影响,人们对谐波污染的问题越来越重视。因此研究如何有效的抑制谐波,改善电力系统安全性与经济性具有重要现实意义。1.1.1电力系统谐波 谐波被定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。最早在二十世纪二、三十年代电力系统的谐波污染就引起了人们的关注,四十年代中期才出现关于变流器谐波研究的经典文献。到了七十年代,电力系统、工业、交通及家庭生活中广泛应用各种电力电子装置,电力电子设备产生的谐波造成的危害也日趋严重,全世界不少国家己制定了电力系统和用电设备有关谐波和波形畸变的标准。通常在电力系统中波形的畸变主要来源于两大因素:第一是接入电网的电阻、电容、电感元件的非线性特性,比如发电机、变压器等设备;第二是大量使用的电力电子装置,变流器在提高电力装置的性能的同时也造成了波形的畸变。日趋严重的谐波对电力系统的危害概括起来主要有以下几个方面: 1、当高频电流通过导体时,由于集肤效应的影响导体增加了对谐波电流的实际阻感负载,从而降低设备的效率和利用率,且设备过热,此外还加大了发电、输电、供电和用电设备的功率损耗； 2、对电力系统中继电保护和自动控制装置工作的可靠性产生影响。电力系统中继电保护和自动装置大多以基波负序量为基础,谐波会引起发电机负序电流保护装置误动作、变电站主变复合电压过流保护装置的启动电压的负序分量的误行动、总线差动保护负序电压阻断装置故障,对电力系统的安全的危害性较大； 3、电力系统线路上的谐波电流大多为低频、奇次谐波分量,由于磁场耦合,在电力线路附近的线路中对通信系统造成不必要的干扰,影响通信线路的正常工作品质,更严重的情况还会对通信设备和相关人员的安全造成威胁； 4、谐波会使用电设备内的元件过热,影响用电设备的运行效果,例如电视机和计算机的图形出现畸变、画面亮度发生波动变化,计算机信息处理系统发生故障。1.1.2谐波的治理策略 随着现代电力电子技术的迅猛发展,广泛应用电力电子元器件所产生的谐波对电网系统的污染不容忽视。为了响应社会推动节能减排的号召,提倡建设生态环保、技术先进、经济高效的新型绿色电网模式,迫切需要对日益凸显的谐波污染问题进行有效的治理。日前,在电力系统中抑制或减少谐波主要从以下两个方面进行: 1、主动型手段-谐波源装置的结构设计和增加辅助控制策略 目前电力系统中大量使用的可控和不可控整流器,针对此类整流器造成的谐波主要治理手段有以下几种: (l)变压器结构设计 三相整流变压器多采用Y/d或D/y的结构,多用于消除3k次谐波； (2)多相整流技术对于大功率相控整流器大多采用多相整流的方法,这样整流装置注入电力系统的谐波电流成分可以明显减少； (3)脉宽调制PWM(Pulse width Modulation)整流技术 通过改变周期或频率,使直流电压变换为等幅不等宽的交流输出电压；但功率器件大多需要具有自关断功能,提高了成本,从而不适合大功率使用； (4)功率因素校正器(Power Factor Corrector，PFC) 目前市场上大多家电、个人计算机、办公电子设备中大量使用带电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流中含有大量谐波成分,输出不可控电压；在整流桥和滤波电容之间增加一级校正功率因数的功率变换电路,在预调整器的直流侧通过控制保证网侧电流为正弦电流并与电网电压同相。 2、被动型手段-添加滤波装置主动型谐波治理手段虽然可以有效的限制谐波的产生,但不可能彻底消除谐波,目前谐波治理的有效手段是添加滤波装置。传统方法是使用无源电力滤波器,利用感性负载的谐振特性,可以减小流入电网的谐波电流和完成无功补偿；虽然结构简单、成本低、易维护,但结构原理上的缺点使得它很难满足现代电力系统的要求。随着新型电子半导体器件的出现与脉宽调制技术的发展,人们开始致力于APF的研究。APF与PPF特点比较如表l-l所示:表1-1 无源滤波器与有源滤波器的比较无源滤波器有源滤波器工作原理由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备，通过检测负载谐波电流，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波谐波处理能力只能滤除固定次数的谐波能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿频率变化的影响谐振点偏移，效果降低不受影响系统阻抗变化的影响受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险不受影响负载变化对谐波补偿效果的影响补偿效果随负载变化而变化不受影响负载增加的影响可能因为超载而损坏无损坏危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已设备造价较低较高应用场合 容量单套无限制容量单套不超过100KVA最高适用电网电压可达3000V最高适用电网电压不超过450V广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、新能源等行业电信、医院等用电功率较小且谐波率较高的单位1.2 有源电力滤波器研究现状及发展趋势1.2.1有源电力滤波器的国内外研究现状 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展,特别是GTO、IGBT等自关断器件的出现和高性能DPS芯片的应用,电力有源滤波器已经进入实用阶段,日本及欧美国家开始使用电力有源滤波器来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。二十世纪八十年代初日本成功研制并投入实际使用世界第一台APF以来,据日本电气学会对APF在日本应用情况的调查,在工业应用中,APF主要用于补偿谐波,其中只补偿谐波的占71.7%。目前,世界上有源电力滤波器的主要研发和生产厂家有日本东芝公司、日本Mitsubishi Electric公司、美国西屋电气公司、德国Siemens公司、瑞士ABB公司等,在投入运行的APF数目、功率范围、应用功能、系统安装容量等方面都有新的突破,APF的研究日趋受到关注。此外,国际一些高校及学术机构也对有源滤波器进行了深入广泛的高水平研究。 我国对谐波问题的研究起步较晚,80年代末期才出现这方面的文献,以1988年吴竟昌等出版了我国有关谐波问题非常经典的著作电力系统谐波为代表；此外国内高校如中南大学、湖南大学、西安交通大学等对有源电力滤波器也开展了深入的研究,并成功研发了许多实验样机；同时我国市场最近也逐渐出现了一些企业自主研发的APF产品,例如:上海宝钢安大电能质量有限公司研发生产的PQFA低压APF、上海追日电气有限公司生产的JCBL系列、ZRAF系列的、APF装置；此外,国内部分公司代理国外APF产品,如上海伙伴技术咨询公司代理美国Square D公司的Accusine、深圳市龙源电气有限公司代理AetiveSine、SineWave电网有源滤波补偿装置、深圳市科雷特电子有限公司代理诺基亚MaxSine型有源滤波器等。1.2.2有源电力滤波器的发展趋势 随着现代社会对电能质量要求的日益提高,APF作为有效治理电网谐波的手段也得到了日益广泛的应用。目前国内外对APF的研究主要集中在谐波电流检测方法、控制系统、主电路设计等几个方面。虽然己经研制出一些样机与产品投入使用,但对电网电能质量进行补偿的效果还存在缺陷,APF的发展趋势体现在诸如以下几个方面： 1、应该更加深入研究新型的谐波电流检测方法和跟踪控制策略,提高算法的实时性与简洁性； 2、为了降低成木和提高效率,大多采用混合型APF系统来降低装置容量。例如对于大功率滤波装置,可采用APF并联LC滤波器混合使用的APF系统来减小容量,降低成本,提高效率；另外还可在供电系统的供电侧安装称为“统一电能质量调节器”,其功能强大、性价比高,是APF的发展新趋势之一；3、提出新的APF拓扑结构,提高系统补偿性能,简化控制系统结构；4、通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关效率的多重化技术,对于容量小于2MVA的APF,通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿；对于容量大于5MVA的APF,通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿； 5、APF的多功能化,使之不仅可以补偿系统谐波,还可以补偿无功电流;此外,通过在控制电路上采用先进的智能控制技术可抑制电压闪变以及电压不平衡等,使其具有综合补偿的功能; 6、补偿装置的控制系统趋向数字化。采用高速数字信号处理器(DSP)可以实时计算谐波和无功,通过I/0接口和PWM接口直接发送开关控制信号,有效地解决了元件老化和温漂等因素带来的问题,提高了系统的抗干扰能力。1.3本文所做的工作 本文主要以三相三线并联型有源电力滤波器为研究对象,针对其工作特性深入研究谐波检测方法和补偿电流控制方法,主要工作有: 1、介绍非线性负载和换流设备对电力系统的影响和谐波治理的研究现状,了解有源滤波器的现状与发展趋势,分析有源滤波器的工作原理及拓扑结构,重点研究了三相三线并联型有源电力滤波器； 2、介绍了常用的有源滤波器谐波电流检测方法和补偿电流控制方法,重点研究基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法,直流侧电容电压的控制方法以及有源电力滤波器的主电路结构与相关参数设计； 3、利用Matlab/simulink的软件平台进行物理模型的搭建,通过对系统进行仿真研究研究结果表明基于瞬时无功功率检测的APF系统实际检测出的补偿电流可快速准确地跟踪指令电流信号进行谐波补偿,且直流侧电压也可快速达到稳定值,补偿性能良好,系统的研究设计可行有效。第二章 并联型有源电力滤波器有源电力滤波器（Active Power Filter,简写APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，可以有效的隔离系统与谐波源，补偿效果好，因而在国内外都受到了广泛的重视。2.1 有源电力滤波器有源电力滤波器的基本原理是实时检测电网谐波，利用可控电力电子器件产生与之大小相等、相位相反的电流，注入电网，从而达到实时补偿谐波电流的目的。谐波源一般为非线性负载，如整流器等，产生谐波电流Ib；供电系统一般为保护的对象；有源电力滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流-Ib来达到消除谐波的目的。 为适应用户对补偿性能的要求以及不断出现的应用场合,其结构形式不断得到改进,具体的拓扑结构与分类如下: 1、按直流侧储能元件分类1 有源电力滤波器可分为电容储能型(或电压源型)有源电力滤波器和电感储能型(或电流源型)有源电力滤波器。表2-1 电压型APF与电流型APF主电路特点比较 电压型APF 电流型APF直流侧接有C，可是为电压源：保持直流侧电压不变接有L，可是为电流源：保持直流侧电流不变交流侧 输出电压为PWM波 输出电流为PWM波 应用场合补偿非线性负载产生的谐波电流，其结构简单、性能稳定、但损耗较大不适合用于大功率场合效率高，可任意并联扩容，易于单机小型化，成本低、技术较成熟完善，适用于电网级谐波补偿图2-1 三相电压型和电流型有源电力滤波器主电路 2、按主电路所使用的逆变器数量分类 根据主电路所使用的逆变器数量可分为单个主电路APF和多重化主电路APF。多重化主电路APF可以提高有源电力滤波器的容量,降低单个器件的工作频率从而减小器件的开关损耗。 3、按电源相数分类 根据电源相数有源滤波器可分为单相、三相三线制、三相四线制等。 4、按接入电网的连接方式分类1 根据接入电网的连接方式不同,有源滤波器可分为并联型APF、串联型APF以及串并联混合型APF。 (l)单独使用 如图2-2所示为单独使用的串联型APF,这种结构的APF主要用于消除电源电压波形畸变。图2-2 单独使用的串联型APF如图2-3所示为单独使用的并联型APF,主要用于补偿电网电流谐波和无功,是目前应用最广泛的一种拓扑结构。图2-3 单独使用的并联型APF（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。图2-4所示为混合型滤波器，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。图2-4 混合型有源滤波器的基本拓扑结构(3)通用电能质量调节器图2-5所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。图 2-5 串-并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构2.2有源滤波器的工作原理 现代化工业中的各种换流设备、开关电源以及各种照明设施等都在工作时产生了大量的谐波电流,可视为谐波电流源,因此大多采用并联型APF作为补偿装置补偿谐波电流，并联型APF在工业应用上占主导地位,技术相当成熟;此外,由于工业的三相三线制APF技术改进后即可用于民用的三相四线制情况,因此本文选用三相三线制并联型APF作为重点研究对象展开进一步的研究。图2-6并联型有源滤波器原理框图并联型有源电力滤波器基本原理框图如图2-6所示。在指令电流检测运算电路中将负载电流中所含的高次谐波和基波无功电流检出,根据指令电流信号进行快速跟踪控制,利用主电路可关断电力电子器件的特性产生与负载电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流与谐波抵消,使得网侧电流波形近乎正弦信号,从而保证电网的供电质量。电网侧电流由负载电流和补偿电流两部分组成,即 （2-1）负载电流包含基波电流和谐波电流,基波电流包含基波电流有功分量和基波电流无功分量,则: （2-2） 并联的APF跟踪负载电流中的谐波分量及无功分量,产生补偿电流与二者大小相等、方向相反的,从而有效抑制了线路中的谐波分量及无功分量,使得网侧电流为正弦波。 （2-3） （2-4）若输出的补偿电流与谐波电流七大小相等极性相反,则网侧电流中仅包含负载电流中的基波分量,则APF对谐波电流进行补偿抵消了其中的谐波,有效地抑制了谐波。 （2-5） （2-6） 根据实际系统要求有源电力滤波器补偿目的不同,指令电流与补偿后的网侧电流的关系如表2-2所示。表2-2 指令电流与补偿后电源电流的关系补偿目的ic*is补偿谐波-iLhiLf补偿无功-iLfqiLfq+iLh补偿谐波和无功-（iLfq+iLh）iLfq2.3主电路结构及其相关参数设计2.3.1主电路工作原理 本文所研究的有源滤波器为并联型,采用电压型主电路,其基本结构如图2-7所示,任一桥臂由一个IGBT和Diode反并联构成,由电流跟踪控制电路得到的PWM信号控制IGBT,并且IGBT的通断控制了与其反并联的Diode的通断。图2-7 有源滤波器主电路任一桥臂中是IGBT通/断还是Diode通/断,这就取决于补偿电流的极性。以A相为例,对V1，V2的通断控制情况如表2-3所示,B相、C相开关通断情况一样4。表2-3 A相开关通断逻辑表icaica* V1V2+断通+-断VDv2通-+VDv1通断-通断在主电路中,直流侧的电容电压与交流侧电源电压之差作用于电感上产生了补偿电流,由主电路中的V1-V6的通断情况来决定主电路的工作模式,且任一桥臂上下两组开关中的IGBT和Diode必有一个导通,开关系数Ka、Kb、Kc的值与主电路工作模式之间的关系如表2-4所示。表2-4 主电路工作模与开关系数Ka、Kb、Kc的值工作模式 序号工作模式开关系数V1V3V5V4V6V2 K1 K2 K31通通通-2/31/31/32通通通1/3-2/31/33通通通-1/3-1/32/34通通通1/31/3-2/35通通通-1/32/3-1/36通通通2/3-1/3-1/3根据图2-7得到下列微分方程组,式中,KaUc、KbUc、KcUc为主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压；Ka、Kb、Kc为开关系数,Ka+Kb+Kc=0。 (2-7)2.3.2开关器件的选择5要使补偿电流快速响应跟踪指令电流的变化,需要在有源滤波器设计中选用速度快的开关器件；此外根据所设计的有源滤波器的容量及其实际补偿要求来选择适宜的开关器件,提供适宜的开关频率和死区时间。在实际工程运用中主要是采用GTO、IGBT,综合其性能比较,GTO多用于100kVA以上的大容量APF的主电路,但是其工作频率低,对较高次谐波补偿效果差；对于100kVA以下的中小容量APF主电路电力电子器件一般选择IGBT,其工作频率比GTO高,对较高次谐波补偿效果好；新型开关器件IGCT可靠性高,损耗小,所需的外围电路简单,但是目前市场价格较高,大大增加了系统成本,所以其暂时还没有广泛使用。本文设计的系统主要是针对小容量的有源滤波器补偿,故选择IGBT作为主电路的电力电子器件,选用三菱公司产品PM50RLA120的IPM模块作为参考。2.3.3主电路容量有源滤波器容量为: （2-8）其中E:相电压,22OV；Ic:补偿电流有效值。本文所设计的主电路选用三菱公司产品PM50RLA120的IPM模块提供的IGBT作为参考功率器件,其额定电流为50A,考虑其有2倍的裕度,则最大瞬间补偿流为25A,则其电流有效值为最大值的l/,近乎18A,则该有源滤波器容量为：=3*220*18=11.88KVA。2.3.4开关频率与死区时间 主电路的功率器件选用三菱公司产品PM50RLA120的IPM模块,根据其推荐的相关工作参数见下表2-5,则根据实际补偿要求选择=10KHz,死区时间Td为2.5。表2-5 功率器件相关工作参数设置直流母线VccP-N之间的电压相电压峰峰值;其次,根据PWM原理,其调制比一般不大于75%,并且考虑相应的裕度;再者,Uc最小应大于相电压峰峰值的3倍才可以保障电流跟踪响应足够快速,即Uc3*220V=660V,因此,取Uc=800V。2.3.6储能电容C在APF进行补偿时,Udc在一定范围内上下波动,直流侧电容在APF工作时不断地充电放电,其作用就是缓冲这些波动,为电压型逆变器提供一个稳定的直流电压。电容容量越大,则允许认的波动范围越小,系统的补偿性能越好。 (2-9)其中是C允许的最大能量脉动,是电压脉动，根据具体的补偿要求确定上述参数,综合考虑本文选用储能电容为4900F。2.3.7交流侧电感L 交流侧电感是APF实现补偿功能正常工作必不可缺的参数之一,它的主要作用是平衡主电路中各点的电压,调整补偿电流的相位,使其在降低补偿电流中的毛刺纹波,能够快速跟踪指令电流,满足所需的补偿效果。 补偿电流跟踪指令电流的效果取决于电感电流的动态指标dic/dt，通常动态变化率与补偿效果是成正比的；但是动态变化率dic/dt越大,会在补偿电流中伴随产生很大的纹波电流,对补偿效果造成影响,最适宜的参数值,所以电感的选择应该综合考虑上述因素。通常考虑指令电流最大变化率。指令电流最大变化率与补偿参考电流的经验公式为: (2-10) 上式中,f为电源频率,且: （2-11） 式中,为指令电流的有效值。2.4 本章小结本章首先介绍了并联型有源电力滤波器的基本结构与工作原理。然后针对电流型谐波源，比较了并联型和串联型有源电力滤波器在补偿原理上的差异，说明了并联型有源电力滤波器能更方便的补偿电流型谐波源。最后介绍了有源滤波器主电路结构及其相关参数设计。第三章 有源滤波器的谐波电流检测技术3.1常用的谐波电流检测技术 电力系统中谐波检测是谐波问题研究的关键步骤之一,是研究谐波问题的出发点。对于实际电力系统中有源电力滤波器设计来说,在指令电流运算电路中,要求快速准确地检测出负载电流中包含的谐波分量及无功分量,作为电网中后续有效补偿电能质量的前提,电力系统中实际测量方法主要以下几种方法: 1、模拟带通或带阻滤波器谐波检测法 这是最早采用的谐波检测方法,用于分离检测信号中负载电流的某一频率分量,虽然电路结构简单,补偿效果易于控制,成本不高,但是由于滤波器对元件参数十分敏感,受外界干扰影响较大,现在已经很少使用； 2、基于傅里叶变换的谐波检测法6 基于傅里叶变换的谐波检测法是根据离散傅里叶变换(DFT)过渡到快速里叶变换(FFT)的原理构成,该方法只适用于平稳信号,用FFT获取各次谐波信号的幅值、频率及相位,易实现,功能多。但存在着频带混叠和频谱泄漏等问题,不能完成检测工作,针对这些缺点有以下几种改进方案:表3-1 基于傅里叶变换的谐波检测法的特点比较检测方法特点加窗插值法通过加窗减少频谱泄漏，通过插值消除栅栏效应引起的误差。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值相位。修正理想采样频率法主要思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率下的采样值。该方法不需要添加任何硬件，实时性好，适合在线测量，但它与前两种方法相比较误差稍大一些，只能减少50%的泄漏双峰谱线修正算法用距谐波点最近的两个离散频谱幅值估计出待求谐波幅值，并用多项式逼近法获得频率和幅值修正的计算公式，能有效降噪与减少频谱泄露准同步采样法有效地抑制谐波对测量参数的影响及减小未完全同步产生的误差获得较高的测量精度。但是这种算法需要处理数据量非常大，实时性不够理想，而且相位误差较大。3、基于瞬时无功功率理论的谐波检测法基于瞬时无功功率理论的谐波检测法最早是于1983年由日本学者赤木泰文(H.Akagi)提出,基于此理论有源滤波器研究是现今最广泛使用的谐波检测方法。该方法实用性好,延时小,可以同时检测谐波并且补偿无功；但是控制电路相对复杂,计算量大。目前基于瞬时无功功率理论的谐波检测法主要有p-q法、p-q-r法、d-q法、ip-iq法四种,其特点比较如表3-2所示。检测方法特点基于abc/静止参考坐标变换的谐波检测方法p-q法仅适用于三相三线平衡正弦电压的供电系统,当三相系统不平衡或电源源电压波形畸变时,谐波检测结果误差很大,并且没有补偿无功。p-q-r法适用于三相不平衡的供电系统,能检测在三相不平衡情况下的谐波电流。基于同步参考坐标变换的方法d-q法适用于电网电压畸变和不对称的供电系统,实时性好,可检测基波电流、无功和谐波分量,但对电路主要部件的参数依赖性大。ip-iq法在电压波形畸变时仍然可以正常工作,准确检测出对称三相电路的谐波，实时性较好,当只需测量谐波时可省去锁相环电路。表3-2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法的特点比较3.2基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测法1设三相电路网侧电压的瞬时值为ea、eb、ec,瞬时电流为ia、ib、ic,将它们变换到-两相正交坐标系可得两相瞬时电压、和两相瞬时电流值、为: （3-1） （3-2）式中， （3-3）在图3-1所示的-平面上,、和、可分别旋转合成为电压矢量e和电流矢量i： (3-4) (3-5)其中,、分别为电压矢量的模与幅角,、小件分别为电流矢量的模和幅角。图3-1 -正交坐标系下的电压/电流矢量图则三相电路瞬时有功电流ip,为矢量i在矢量e及其法线上的投影,即: （3-6）三相电路瞬时无功电流凡为矢量iq在矢量e及其法线上的投影,即: （3-7）在上两式中,为e与i之间的夹角。 如图3-2所示,基于瞬时无功功率理论的ip-iq法的是利用PLL产生一个与A相网侧电压ea同相的正/余弦信号sint和cost,根据以上理论可计算得出ip、iq,经LPF滤波后得到直流分量、 经过反变换可得到各相基波正序分量、，分别与电流ia、ib、ic相减即可得到各相的谐波电流分量iah、ibh、ich。图3-2 法检测谐波电流框图基波正序分量、由下式计算可得: (3-8) 在上式中,C为转换矩阵,为转换矩阵的逆矩阵,其值为： (3-9) 根据以上瞬时无功功率理论的分析,构建ip-iq谐波电流检测方法的仿真图需要考虑以下三方面: 1、直流侧电压控制 根据能量守恒,三相三线制电网的有功功率可看作从电源侧直接传递给了负载和APF。若不考虑APF开关损耗,则直流侧电容电压会受到流入APF的有功功率的影响而发生变化,因此调节系统的有功能量就能控制直流侧电压,控制原理如图3-3所示。图3-3 直流侧电压控制 逆变器直流侧电容电压的参考值和反馈值比较,差值经过比例积分环节(PI)后与有源滤波器参考电流的有功电流分量ip,叠加生成指令电流调节信号；从而完成对电容电压的控制,使APF的直流侧与交流侧交换能量,将调节至给定值。直流侧电压控制环节PI控制器的参数=1.0,=0.12、检测电路中低通滤波器的设计 谐波电流检测电路中低通滤波器（LPF）的类型、阶数和截止频率对检测电路的动态响应过程、稳态检测精度都有很大的影响，并最终将影响有源电力滤波器的补偿性能。LPF的性能主要由其类型、阶数和截止频率决定，下面分别从这三方面讨论LPF的设计原则：1) 滤波器类型的选择常用的滤波器有Butterworth，Elliptic等几种。2）滤波器阶数的选择滤波器的阶数越高，检测精度越高，但动态响应速度会越慢。为了保证电流检测方法既具有较高的检测精度，同时又有着较快的动态响应特性，必须合理选择低通滤波器的类型、阶数和参数。一般选择二阶滤波器就能满足要求。3）滤波器截止频率的选择从提高检测精度出发，希望滤波器的截止频率选择得越低越好，但这样会引起延时加大，使动态响应过程变慢。低通滤波器的任务是滤除交流分量，这些交流分量的频率一般比较高。一般，截止频率选择在20Hz到40Hz左右，就可以满足要求。本文电流检测方法采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率为20Hz。在此滤波器参数情况下，既有较高的检测精度，又有较好的动态响应特性。综上所述,ip-iq谐波电流检测方法的仿真图如图3-4所示:图3-4 ip-iq谐波电流检测方法的仿真图3.3 PWM控制方式的研究9PWM变流器的作用是实时产生所需要的补偿电流。并联型有源电力滤波器的补偿效果除了取决于谐波电流指令形成电路的精度外，还取决于PWM控制方法。常用的PWM控制方法有：跟踪型PWM控制方法、自然采样法、规则采样法、谐波消去法及面积法。在有源滤波器中，通常采用的是跟踪型PWM控制方法。跟踪型PWM控制方法一般有三种控制方式：定时瞬值比较方式、三角波比较方式、滞环瞬时值比较方式等。3.3.1 定时瞬时值比较PWM控制方式定时瞬时值比较PWM控制方式的工作原理如图3-5所示。补偿电流与指令电流比较后，将比较器的输出结果送入D触发器。D触发器输出受采样时钟频率决定。每个时钟周期对比较器的输出采样一次，使得PWM信号至少需要一个时钟周期才能变化一次。这样，时钟信号的频率便限定了开关器件的最高工作频率，使之不能超过时钟频率的一半，从而避免了因为开关频率过高而导致开关器件的损坏。图3-5定时瞬值比较PWM控制方法3.3.2 三角波比较PWM控制方式三角波比较控制方式与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不直接将指令电流信号与三角波比较，而是将与的偏差经比例积分放大器后成为调制信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源电力滤波器主电路的PWM驱动脉冲。三角波比较控制框图如图3-6所示，这样组成的一个控制系统是基于把控制为最小来进行设计的。图3-6三角波比较PWM控制方法与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点：（1）硬件较为复杂；（2）跟随误差较大；（3）输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角杂波相同频率的谐波；（4）放大器的增益有限；（5）器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率；（6）电流响应比瞬时值比较方式的慢11。3.3.3 滞环瞬时值比较方式图3-7给出了滞环瞬时值方式的单相原理图。在该方式中，把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比较，将与的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关中段的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流的变化。 图3-7滞环瞬时值比较PWM控制方式在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环宽度通常是固定的，因此将导致主电路的开关频率是变化的。当补偿电流的变化范围较大时，一方面再值较小时，固定的环宽使得补偿电流无法很好的跟踪的变化，导致误差过大；另一方面，在补偿电流过大时，固定的环宽有可能使开关器件的开关频率过高，甚至超出允许的最高频率范围，从而导致器件损坏。这种控制方式的特点归结如下：(1）硬件电路十分简单；(2) 属于实时控制方式，电流响应快；(3) 不需要载波，输出电压中不含有特定频率的谐波分量；(4) 属于死循环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式的共同特点。(5) 如滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。3.4本章小结本章首先简单介绍了目前的谐波检测技术，并做了简单的比较。接着详细推导了基于瞬时无功功率理论的谐波电压检测方法。检测电源谐波电流控制方式的工作原理及其控制电路，然后分析了检测负载谐波电流控制方式的工作原理及其控制电路。另外，介绍了谐波检测环节中低通滤波器的选型以及截止频率的选择，APF能否很好地补偿谐波电流，直流侧电容电压的控制至关重要。最后介绍了PWM变流器的几种控制策略，并做了简单的比较，最后确定使用三角波比较方式作为本文的PWM波产生方式。第四章 三相串联型有源电力滤波器的建模与仿真4.1 Matlab/Simulink仿真软件及其工具箱简介MATLAB是Mathworks公司开发的一种集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的，功能强大、操作简单的应用软件，它是为满足工程计算的要求应运而生的，是目前国际公认的优秀数学应用软件之一。MATLAB在许多学科领域中成为计算机辅助设计和分析、算法验证以及应用开发的基本工具和首选平台。MATLAB是一个高度集成的系统，分为两部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分有数百个内部核心函数。Simulink是运行在MATLAB环境下，用于建模、仿真和分析动态系统的软件包。它支持连续、离散及两者混合的线性及非线性系统。使用Simulink可以很容易地创建一个新的模型，或者是修改旧的模型。它的仿真过程是交互式的，可以随时修改参数，并且能够立即看到仿真的结果。因此，Simulink特别适合信号系统和控制系统的仿真分析。Simulink工具箱中包括了大量的模块单元，如：连续系统模块 (Continuous)、离散系统模块(Discrete)、数学模块(Math)、非线性系统(Nominear)、数字信号处理模块(DSP Blockset)，信号源模块(Source)等。Simulink的内嵌库模块Power System Blockset(PSB)是专门用于电子电力系统仿真的工具箱，是快速简易地建立电力电子仿真模型的理想平台，其工具箱中包括电力系统仿真所需的大部分模块，而且用户可根据实际需要修改器件的有关性能参数。仿真所得到的电压(电流)数据可直接由测量模块测出，连接到示波器(Scope)模块上，可方便观察仿真波形，或以数据文件形式输出，供用户进行分析。利用Power System工具箱，Simulink可以很容易地实现纯电子电路的拓扑绘制和仿真。MATLAB除了命令行的交互式操作以外，还可以用M语言编程方式工作。MATLAB的程序设计语言编辑效率较高，它是一种基于矩阵数组的高级语言，它具有流程控制语句、函数、数据结构、输入输出，并且具有面向易地实现纯电子电路的拓扑绘制和仿真。MATLAB除了命令行的交互式操作以外，还可以用M语言编程方式工作。MATLAB的程序设计语言编辑效率较高，它是一种基于矩阵数组的高级语言，它具有流程控制语句、函数、数据结构、输入输出，并且具有面向对象程序设计特性。基于MATLAB的优点与本系统的特点，本文采用Simulink的Power Systems工具箱建立了三相电源，谐波负载和APF变流器主电路的仿真模型，用MATLAB语言编程来实现对系统负载电流中的谐波电流分离计算的仿真，而对变流器的控制采用Simulink和Power System相结合的办法进行仿真，比较真实地对整个APF系统的工作进行建模和仿真，同时验证控制算法的性能。4.2系统仿真模型的构建 在上述章节进行了谐波检测方法和电流控制方法的分析后,选择了合适的主电路器件类型及相关参数确定,利用Simulink环境下的SimPower System搭建物理模型。 1、三相电压源模块 通过仿真环境中的三相可编程电压源模块作为该系统的电压源,该模块是一个三相零阻抗电压源,在模块中幅值、相位、频率的变化可以预先编程;此外,还可以添加两项谐波,通过设置添加的谐波次数order、幅值Amplitude、相位phase(度)、相序Sequence(0代表零序,1代表正序,2代表负序),可对电网添加任意次谐波。该系统三相电压相序为正序,A相相电压有效值为220V,初相位为0,频率为50Hz。也可直接选用集成的三相交流电源。 2、谐波源模块 系统中谐波源由不可控整流电路接阻性负载构成。在仿真环境中,选用Universal Bridge模块作为整流桥,设置桥臂数和功率器件即可构造整流桥设置桥臂数为3；其次选用阻感性负载。 3、有源滤波器模块 该模块进行谐波电流检测与补偿电流跟踪控制两大关键步骤的设计,以达到理想的补偿效果。在仿真环境中选用有源滤波器容量为12KvA,Universal Bridge模块作为IPM模块,设置桥臂数为3,电力电子功率器件类型为IGBT/Diodes;直流侧电容C为4900f,直流侧电压参考值为80OV。 4、电网不对称模块 为了仿真系统在电网电压不对称的情况下补偿性能,在位于电压源模块与电网电压/电流测量模块之间,通过串联各种RLC电路,选用Series RLC Branch模块,设置不同的负载类型,可实现电网电压不对称。 5、仿真环境设置 该系统选用Powergui模块来设置仿真环境,仿真时间为0.1s,步长模式为Variable-step(变步长),解法器Solver设置为ode23tb,表示具有两阶隐式龙格-库塔法；仿真类型设置为discrete离散型,样本时间是5*s。 6、测量模块 该系统中的所有的电压/电流测量工作均选用仿真环境中的Voltage Measurement、Current Measurement模块。 综上所述,通过以上设置可以为本文的三相三线制并联型APF系统建立如图4-1所示的系统仿真模型:图4-1系