三相有源电力滤波器直流侧电压的控制方法分析毕业论文.doc

本科生毕业论文（设计） 题 目 三相有源电力滤波器的直流电压控制方法目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1课题研究的背景和意义11.2谐波和谐波抑制原理21.2.1谐波的起因及其危害21.2.2谐波的抑制方法31.3 APF的发展现状和研究趋势4第二章 三相APF的结构和原理62.1 APF的基本原理62.2 APF的分类72.3 三相三线制并联型APF的数学模型82.4 三相并联型APF关键技术概述102.4.1谐波电流的检测102.4.2谐波电流跟踪补偿控制112.4.3 PWM控制112.4.4直流侧电压控制12第三章 三相并联型APF直流电压的控制方法133.1 APF直流侧电压稳定控制的意义133.2 直流侧电压和电源侧电流的关系133.3 直流侧电压的控制原理153.3.1 PI控制原理153.3.2直流侧电压的PI控制原理153.4 直流侧电压控制的仿真与控制器参数的设计173.4.1 直流侧电压PI控制仿真模型的建立173.4.2 PI控制器参数的设计193.5 直流侧电压PI控制方法评价263.5.1 直流电压控制的准确性分析273.5.2 直流电压控制的动态性能分析28第四章 三相并联型APF系统设计294.1 APF系统电路设计304.1.1 主电路设计304.1.2 控制电路设计384.2 系统仿真分析394.2.1 仿真模型的建立404.2.2 仿真结果41第五章 总结与展望445.1结论445.2展望44结束语46参考文献47摘 要随着电力电子技术的迅速发展，家用电器和电力电子器件等非线性负载得到了广泛应用，这些装置产生的谐波对电网的影响和危害日益严重。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济、生产和生活造成了不必要的损失。谐波抑制与无功补偿等技术，已成为世界各国的研究热点，引起人们的广泛关注。 APF(Active Power Filter,有源电力滤波器)是一种重要的谐波及无功动态补偿装置，其控制策略包括交流电流控制和直流电压控制。其中直流侧电压的稳定控制是保证电流控制性能的关键。本文以三相三线制并联电压型APF作为研究对象，系统地介绍了谐波的抑制原理，阐述了APF的拓扑结构、基本原理和控制系统工作原理，重点从能量补偿的角度出发，分析了APF直流电压和电流控制的关系，提出了一种简易的直流侧电压控制方法。该方法基于PI（Proportion Integration，比例积分）控制，从交流电网中吸收合适的有功功率补充APF的功耗，使直流电压稳定在给定值附近。论文讨论了PI控制器参数的整定，并结合仿真对PI控制方法进行了评价，分析了系统的准确性能和动态性能。最后，本文论述了三相三线制并联型APF的设计过程，并用Matlab软件进行了仿真分析，验证了APF设计及直流电压控制方法的正确性和可行性。关键词：APF 直流侧电压控制 谐波抑制 无功补偿ABSTRACTWith the rapid development of power electronics, non-linear loads, such as household appliances and power electronic devices are widely used, produceing harmonics on the power grid increasingly serious impact and danger. Variety of failures and accidents caused by the harmonics have occurred on the national economy, production and caused the unnecessary loss of life. Harmonic suppression and reactive power compensation and other technologies have become the research hotspot in the world, causing widespread concern. APF (Active Power Filter) is an important harmonic and dynamic reactive power compensation device. The control strategy includes AC current control and DC voltage control. And controlling the DC side voltage, ensuring its stability, is guaranteed the key. for active power filter has good performance on compensation, to achieve both harmonic compensation waves and reactive power . This paper gets three-phase four-wire shunt active power filter voltage as the research object, introduces the principle of harmonic suppression systemly, describes the topology of APF, the basic principle and how the control system works. It focus on the relationship of DC voltage and current controling of the APF ,from the energy point of view , and proposes a simple DC voltage control method. The method is based on PI (Proportion Integration) control, getting appropriate power from AC power to add power converter, making the DC voltage value in a given vicinity. This article discusses the tuning parameters of PI controller, combined with simulation of the PI control method of evaluation, analysis of the accuracy of the system performance and dynamic performance. Finally, the paper discusses the three-phase four-wire shunt APF design process and carries out with Matlab software simulation to verify its correctness and feasibility.KEY WORDS: APF，controlling the DC side voltage，harmonic suppression， eactive power compensation第一章 绪 论1.1课题研究的背景和意义随着电力电子技术的迅速发展，家用电器和电力电子器件等非线性负载得到了广泛应用，产生的谐波对电网的影响和危害日益严重。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济、生产和生活造成了不必要的损失。谐波抑制与无功补偿等技术，已成为世界各国的研究热点，引起人们的广泛关注。理想的公用电网所提供的电压应该是频率固定并且电压幅值在规定的范围内的正弦波。但是实际电网中由于非线性负载的大量使用，不仅使得负载电流非正弦，同时使得负载端电压畸变从而使得电网中产生谐波电压。谐波对电力系统电磁环境的污染将危害系统本身及广大的电力用户，主要表现在下列这些方面： （1）消耗无功，增加附加损耗，增加设备的升温。由于趋肤效应的存在，尽管谐波电流占总电流的比例很小，也会增加设备的附加损耗，这些损耗不仅增加电力系统的损耗，还使设备温升增加，加速设备老化。（2）引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命。 （3）降低负载工作性能。如谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉动转矩会使电机发生机械振动，这种振动会损坏电机设备，甚至危及人身安全。（4）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰及造成误动作。因为保护和控制设备通常是为所加电压和电流为工频和正弦波形而设计的，所以谐波的存在会影响它们的工作特性，严重时会引起误动作。 （5）影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频正弦波而设计的，当有谐波时将产生误差。 （6）对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，严重时将导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由此可见，谐波研究和治理是摆在我国电力工作者面前的一个重要任务。目前，电力系统的谐波问题在世界范围内己经引起了十分广泛的关注，谐波的管理、分析和治理被摆到十分重要的位置。谐波问题涉及面广，它包括谐波分析、谐波检测、谐波抑制等。有效的控制谐波，己成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一。由于现代工业、商业及居民用户的用电设备对电网供电质量的要求越来越高，因此，对谐波抑制和谐波补偿装置研究是一个热点。电能质量将直接影响到国民经济的总体效益。对于我国来说，实时、准确，有效地对谐波污染进行治理已成为国内外电工领域迫切需要解决的重要课题之一。1.2谐波和谐波抑制原理 电网谐波问题早在上世纪20年代就已提出。60年代前后，一些工业发达国家对此开展了大量的研究，内容涉及有关基本理论、各种谐波源的特性、谐波的危害、谐波在电网中传递的分析计算、测量仪器和测量方法、限制谐波的措施以及谐波标准等方面。随着社会的发展和科技的进步，一方面谐波污染因为非线性负载数量和容量的增加而日益严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，因此人们对这个问题也越来越重视。1.2.1谐波的起因及其危害 1. 谐波的成因 早在上世纪20年代和30年代，在德国就提出了静态汞弧变流器产生的电网电压和电流波形畸变问题，也正是从那时起，谐波问题引起了人们的关注。1945年，J.C.Read发表的有关汞弧变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文：到了50年代和60年代，高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究的进一步深入。随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用，其产生的谐波以及造成的危害日益严重，使世界各国对谐波问题都给予了十分的关心和重视叫引。电网中的谐波主要是由各种大容量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有： （1）传统非线性设备，包括电力变压器、旋转电动机以及电弧炉等。 （2）现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关电源、晶闸管控制设备等。其中晶闸管控制设备包括整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等。随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断加大，这部分所产生的谐波的比重也越来越大，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。 2. 谐波的危害 谐波对各种电力设备、通信设备都会产生有害的影响，严重时会造成设备的损坏和电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅速增长，谐波的危害日趋严重。谐波对公用电网和其它系统的危害主要有以下几个方面： （1）谐波使公用电网中的设备产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电设备的效率。在三相四线制电网系统中，零线会由于流过大量的次及其倍数次谐波电流造成零线过热，甚至引发火灾。 （2）谐波影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机（发电机和电动机）发热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 （3）谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表的计量不准确。 （4）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量：重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 （5）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 谐波带来的危害越来越被人们所重视，探讨各种消除谐波的方法，如何减少直至消除谐波已成为电力系统、电力电子技术、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。1.2.2谐波的抑制方法 目前谐波治理的措施主要有两种9： （1）主动治理：即从谐波源本身出发，对其进行改造，降低谐波源产生的谐波和消耗的无功功率，如有源功率因数校正技术和各种整流技术。 （2）被动治理：即设置谐波补偿装置，外加各种无源、有源滤波装置，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。 这两种方法有各自的优点和适用范围，近年来都得到了较快的发展。 主动治理措施主要有以下几种： （1）增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互问有一定移相角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术，但是这会使得装置更加复杂。 （2）采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。 （3）采用PWM（Pulse Width Modulation, 脉宽调制）技术。采用PWM技术，使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。 （4）设计或采用高功率因数交流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，提高功率因数。 被动治理措施主要有以下几种： （1）采用PF（Passive Filter, 无源滤波器）。在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护简单。 （2）采用APF（Active Power Filter,有源电力滤波器)。在谐波源附近或公用电网节点装设并联型或串联型APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿。 （3）采用HAPF（Hybrid Active Power Filter，混合型有源电力滤波器）。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。 在被动治理谐波的措施中，无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。APF则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从而改善系统的电流波形。 在电力系统中装设PF一直是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。PF因其结构简单，既可补偿无功，又可抑制谐波而一直被广泛应用。但PF也存在如下缺点：滤波补偿特性依赖于电网和负载参数；LC参数的漂移会导致滤波特性的改变；具有负的电压调整效应；重量大、体积大：容易与系统发生谐振等。目前的趋势是采用电力电子装置对谐波进行抑制，即使用APF技术进行谐波抑制。APF是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功电流进行补偿，可以弥补PF的缺点，获得比PF更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。 1.3 APF的发展现状和研究趋势APF的发展最早可以追溯到 20 世纪 60 年代末。 1969 年 B . M . Bird 和 J . F . Marsh 在其发表的论文中，描述了通过向交流电网中注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。虽然文中没有APF一词，但其描述的方法是APF的基本思想的萌芽。 1971 年， H.Sasaki和 T . Machida 在论文中首次完整地描述了APF的基本原理。但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，没能在工业中实用。 1976 年， L.Gyugyi等人提出了采用 PWM 控制变流器构成的APF，确立了APF的概念，主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看， PWM 变流器是一种理想的补偿电流发生器，但由于当时电力电子技术的发展水平有限，全控型器件功率小、频率低，因而APF还只限于实验研究。进入 80 年代，随着电力电子技术以及 PWM 控制技术的发展，APF的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破。是 1983 年赤目泰文（ H . Akagi ）等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在APF中得到了成功的应用，极大地促进了APF的发展。同时，大功率全控器件的不断发展和成熟、PWM调制技术的不断进步和大规模集成电路的飞速发展，使得APF从理论和实验研究进入到了广泛实用的阶段。 APF经过多年的发展，技术日益成熟，其主电路拓扑结构和控制方法发生了很大的变化，但都是根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。所以，存在对 APF 的一般性定义：将系统中所含的有害电流（高次谐波电流、无功电流及零序负序电流）检测出来，并产生与其反相的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的电力变换装置。有源滤波作为改善供电质量的一项重要技术，在日本、欧洲、美国等工业化国家己得到高度重视和日益广泛应用，从应用的情况来看，其发展趋势如下5： (1)谐波电流检测方法和控制策略的进一步研究。 (2)补偿装置的数字化、智能化和多功能化，提高系统集成度和可靠性，增加滤波器功能，使其除能补偿谐波电流外，还能够抑制电压闪变以及电压不平衡等，具备综合补偿功能。 (3)通过PWM调制和提高开关器件的等效开关频率实现对高次谐波的有效补偿。 (4)提出新的拓扑结构，提高有源滤波系统补偿性能，降低APF的成本，提高效率。第二章 三相APF的结构和原理2.1 APF的基本原理 图2.1所示为最基本的APF系统构成原理图，负载为谐波源(即补偿对象)。由图可见，APF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(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，故有时也称为谐波和无功检测电路。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。目前主电路均采用PWM变流器10。图2.1 APF系统构成原理图APF的基本工作原理是，检测补偿对象(即图中负载)的电压与电流，经指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波既无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图2.1中，设负载的电流为，指令电流运算电路检测出其中的谐波作为APF的指令电流，补偿电流发生电路输出补偿电流跟随指令电流的变化，与抵消，于是电网电流，即等于负载的基波电流，使电源电流成为正弦波。若要同时补偿负载的无功电流，指令电流运算电路需同时检测出谐波电流和无功电流作为APF的指令电流，由此产生的补偿电流，可使即等于负载的基波有功电流，从而达到抑制谐波和补偿无功的目的。主电路采用 PWM 变流器，作为主电路的 PWM 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此，有的文献中将其称为逆变器。但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向APF直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态、也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。因此，称之为变流器。2.2 APF的分类 按电路拓朴结构分类，APF可分为并联型、串联型、串并联型和混合型14。图2.2 并联型APF图2.2所示为并联型APF的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型APF在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种APF拓补结构。图2.3 串联型APF图2.3所示为串联型APF的基本结构。它通过一个匹配变压器将APF串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型APF相比，串联型APF损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型APF，而大多数将它作为混合型APF的一部分予以研究。图2.4 混合型APF图2.4所示为混合型APF的基本结构。它是在串联型APF的基础上使用一些大容量的无源LC滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而串联型APF只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型APF的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下)，降低了APF的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型APF可能被下面一种性能价格比更高的APF代替。图2.5 串并联型APF 图2.5所示为串并联型APF的基本结构。它组合了串联APF和并联APF的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能APF或统一电能质量调节器，该类APF的主要问题是控制复杂、造价较高。2.3 三相三线制并联型APF的数学模型 本设计以三相三线制并联型APF为讨论对象，图2.6展示了其数学模型。 图2.6 三相三线制并联型APF的数学模型在三相对称电路中，以交流电源中点为零参考电压。设APF主电路三相交流输出端分别为a、b、c，直流侧母线下侧为N，则APF主电路交流侧三相交流输出电压：，k=a，b，c。 （2.1）当上桥臂导通，下桥臂关断时，当上桥臂关断，下桥臂导通时，设，k=a，b，c （2.2） 因此，APF交流侧输出电压可以表示为:，k=a，b，c （2.3）由原理图可以列出APF三相回路方程为： （2.4）在三相对称电路中，和由上式可以得到： （2.5）将式代入可以得到APF的数学模型方程为： （2.6）2.4 三相并联型APF关键技术概述 对于三相并联型APF，由其构成原理图2.1可以看出，谐波电流的检测、跟踪补偿控制、PWM控制和直流侧电压控制是四个主要部分，下面一一简述。2.4.1谐波电流的检测 就谐波治理和无功补偿装置而言，实现对谐波和基波无功分量快速而准确的检测是十分重要的。最早的检测方法是通过模拟电路来实现的，但因为由模拟滤波器引起的相位和幅值误差都比较大，而且高精度的模拟滤波器很难设计，对电网频率波动和电路元件参数十分敏感，因而已经很少采用；采用数字技术能很好的克服模拟电路检测技术固有的缺点，因此得到越来越广泛的应用。 目前常用的谐波和基波无功的检测方法主要有：基波分量提取法、基于Fryze时域分析的有功电流检测法、基于频域分析的FFT（Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换）检测法、基于自适应干扰对消原理的自适应检测法及小波变换、神经网络等智能算法。这些算法均有一定的优势，并在一些实际装置上得到了应用，但需要大量的计算时间，实时性较差，大多数算法不能同时分离出无功电流和谐波电流，不适用于对频繁变化的负载进行补偿。其中较为简捷的算法(如基波分量提取法)虽然计算量小，但中心频率固定。电网频率波动时滤波效果会显著下降，且易受外界环境的影响。随着三相电路瞬时无功功率的发展，基于瞬时无功功率的检测法以其良好的实时性、准确性及可以同时检测谐波和基波无功电流的优点，得到了广泛的应用。目前在APF中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。本设计采用基于瞬时无功功率的检测法。2.4.2谐波电流跟踪补偿控制APF产生一个与谐波电流等大反向的电流来使他们互相抵消，以达到补偿谐波的目的，补偿电流对期望电流的跟踪情况直接关系到谐波的补偿效果。目前应用较多的补偿电流发生控制的方法主要有：电流滞环比较控制法、三角载波调制法、电压空间矢量法等。其中电流滞环比较控制法实现简单、响应较快，但是其开关频率不固定，高频纹波的幅度相对也大些j电压三角载波调制法的精确度较高，但响应速度慢些，对直流侧电压的利用率不高j电压空间矢量法精确度高，但一般需要进行较为复杂的坐标转换。APF工作时等效于一个无功和谐波源，基于目前的一些常用控制方法，在指令电流变化较大时补偿电流往往不能完全跟踪指令，从而在补偿后的主电流中有比较大的“尖峰”现象出现，滑模变结构控制方法由于具有快速性、鲁棒性、稳定性好和对外界的干扰不敏感等特点适合于滤波器的控制11。本文在分析电流控制回路时域数学模型的基础上得出了滞环控制的控制律，提出了基于滞环控制方法的三相三线制APF。2.4.3 PWM控制 脉冲宽度调制简称PWM。在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，指惯性环节的输出响应波形基本相同。鲡把各输出波形用傅氏变换分析，受日其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如一个矩形脉冲、一个三角形脉冲和一个正弦脉冲，如果它们的面积(即冲量)相等，那么当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。以上即为PWM控制的重要理论基础。 PWM调制就是把一个被调制的波形(也就是我们要得到的波形)用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，而宽度是不同的。要改变等效输出波形的幅值时，只要按比例改变各脉冲的宽度即可3。2.4.4直流侧电压控制直流侧电容电压的稳定控制是并联型有源滤波器精确快速补偿的十分重要的环节。因此，对直流侧电容电压进行控制，使其保持稳定对APF的补偿效果具有重要意义。对直流侧电压进行控制的传统方法是为直流侧的电容再提供一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流侧电容电压的目的，但需要另设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗等。现在已经不采用这一传统方法。实际上，APF直流侧电压变化的速度并不快，大约为电流跟踪速度的十分之一，所以直流侧控制只需要通过对主电路进行适当的控制即可实现，关键在于控制参数的设计。目前也出现了大量的新的理论应用于此，比如模糊控制，自适应控制，单周控制等，但离实际应用还有很大的差距，还需深入研究。本设计采用简单易行的PI控制方法来控制直流侧电压，其原理和实现方法将在下一章详细论述。第三章 三相并联型APF直流电压的控制方法 为使APF正常工作，达到所要求的补偿效果，必须控制直流侧电容电压维持足够高并且稳定，以保证APF在没有输出补偿电流时各桥臂二极管的反向偏置，并能在进行动态补偿的任何瞬间根据控制要求输出所需的补偿电流。但由于补偿电流的时变性和逆变器的自身损耗，如不采取适当的控制措施，直流侧电容电压将产生衰减或有很大的波动，这都会使逆变器不能正常运行或补偿效果不理想。为了解决这一问题，传统的方法是为APF的直流侧电容在提供一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流侧电容电压的目的，但需要另设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本损耗。瞬时无功功率理论的提出以后，直流侧电容电压的控制只需要通过对主电路进行适当的控制即可实现。3.1 APF直流侧电压稳定控制的意义APF要有效地对系统谐波和无功电流进行补偿，按照PWM控制规律，逆变器的直流侧电容电压就必须保持稳定，从而提供一个电压基准。若直流侧电压波动较大，就会出现过补偿或者欠补偿。过补偿时会增加APF的干扰性谐波电流，欠补偿时会影响补偿的精度，因此直流电压的稳定性很重要的。APF本身并不能产生能量来维持电容电压，所以必采取一定的措施来稳定直流侧电压。 影响直流侧电压的因素主要有：一是逆变器工作时产生能量损耗引起直流侧电压降低：二是系统中负序电流和高次谐波电流及电压引起直流侧能量脉动从而使得直流侧电压波动；三是APF交流侧交流电感储能造成直流侧能量脉动，要靠直流侧电容缓冲，使得直流侧电压波动。电压波动影响APF正常工作或导致直流侧出现过压危险，危及APF安全可靠运行。所以，对直流侧电压状况进行深入分析研究，加以有效控制，对改善APF性能是十分重要的。3.2 直流侧电压和电源侧电流的关系 APF的作用是使电源侧电流与电压同相并保持或接近正弦波形。在稳态情况下，对于一个无损耗的APF系统，电源提供的功率必须等于负载消耗的功率。因此，变流器直流电容的平均电压将保持为一定值。当功率不平衡时，如负载发生变化，变流器的直流电容将供电源与负载间的功率差，这将导致直流电容的平均电压发生变化。如果系统电源提供的功率低于负载需要的功率，那么直流电容的平均电压将降低，此时就需要提高系统电流的幅值以增加系统电源提供的有功功率：反之，直流电容的电压将升高。此时，需要减小系统电流的幅值以降低系统提供的功率。直流侧电容的电压的变化能够反映出主电路与负载间功率的转换情况。因此，期望的电源侧电流幅值可以通过调整直流侧电容电压获得。如图3.1所示，若电网中电源传输的瞬时有功功率为，负载侧传输的瞬时有功功率为， APF传输的瞬时有功功率为，则在电源、负载和APF的公共交点处，电网中瞬时能量的传输关系为： (3.1)图3.1 APF系统的能量流动简图对上式取平均值可得 (3.2)如果忽略APF本身的损耗，则根据瞬时能量守恒，可得如下关系： (3.3)式中，C为直流侧电容，出为直流侧电容电压，由此式可得APF传输的瞬时有功功率平均值为： (3.4)上式中，T为一个开关周期，为t=T与t=0时的直流侧电压的平方差。又电源侧的平均功率为 (3.5)综合以上各式得: (3.6) (3.7) 由上式知，若,则直流侧电容无波动，可以由直流侧电容电压的变化的值来确定17。3.3 直流侧电压的控制原理 APF直流侧电容电压的控制方法有很多，本文采用简单易行的PI（Proportion Integration，比例积分）控制。3.3.1 PI控制原理具有比例加积分控制规律的控制称为比例积分控制器，即PI控制，PI控制的传递函数为： （3.8）其中， 为比例系数， 称为积分时间常数，两者都是可调的参数。控制器的输出信号为: （3.9）PI控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差。PI控制器在与被控对象串联时,相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点,同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点.位于原点的极点可以提高系统的型别,以消除或减小系统的稳态误差,改善系统的稳态性能;而增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度,缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响.在实际工程中,PI控制器通常用来改善系统的稳定性能3。3.3.2直流侧电压的PI控制原理APF是一个复杂的非线性动态补偿系统，其中对直流侧电压的控制也很关键。为使PWM逆变器正常工作，达到补偿器所要求的补偿效果，必须使直流侧电容电压维持足够高以保证有源补偿器在没有输出补偿电流时各桥臂二极管的反向偏置，在进行动态补偿的任何瞬间能根据补偿参考电流输出所需的补偿电流。但由于补偿电流的时变性和系统存在的各种损耗，如不采取适当的控制措施，直流电压将产生衰减或大的波动，若直流侧电压波动较大，就会出现过补偿或欠补偿。欠补偿时会影响补偿的精度，过补偿时会增加APF的干扰性谐波电流，致使补偿系统不能很好地运行。因此，必须采取恰当的控制方案，以保持直流电压稳定在给定值附近。 对直流电压进行控制的传统方法是：为直流电容提供一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现。这种方法虽能能够达到控制直流电容电压的目的。但需要另外设计一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本和损耗。所以现在一般不采用这一方法。 在本文中通过主电路进行适当的控制来实现控制直流侧电压的目的。由于APF它本身并不能产生能景来维持电容电压，它必须从系统中吸收有功能量来维持电容电压的恒定，那么APF发出的补偿电流中就必须包含一有功电流成分。根据这个原则，本论文通过PI调节对直流侧电压进行闭环控制，其原理框图如图3.2所示。图3.2 直流侧电压PI控制原理 图中，为直流电压参考值，为直流电容电压的实际值，为直流电压偏差。检测到直流电压与给定电压的偏差，根据这个偏差经PI控制运算得到补偿赢流电压的有功分量。控制规律为： （3.10） 式中：是直流电压偏差； 是比例系数； 是积分时间常数；对式(3.3)进行离散化处理，可得 （3.11） 式中： 为第n次采样时刻的直流电压偏差； 为采样时间： 为积分系数。控制直流侧电容电压通常是在电流或电压主控制环的基础上加一个附加的控制环。由于流入APF的有功电流直接影响其直流侧电容电压，因此将直流侧电容典雅与给定的参考电压的差经过调整计算后叠加到APF参考电流的有功电流分量中，完成对电容电压的控制。图3.3为引入直流侧电压控制的指令电流运算框图。图3.3 直流侧稳压控制的指令电流运算原理图3.4 直流侧电压控制的仿真与控制器参数的设计3.4.1 直流侧电压PI控制仿真模型的建立作为APF控制的一个重要组成部分，直流侧电压的控制与其他部分有着紧密的联系，各部分组成一个不可分割的系统。这里着重对直流侧电压PI控制进行仿真分析，整个系统的仿真分析将在下一章讨论。图3.4为含直流侧电压控制部分的仿真，图3.5是PI控制器内部仿真图。图3.4 含直流侧电压控制的仿真图图3.5 PI控制器内部仿真图 当直流侧不加任何控制时，交流侧不断供给直流侧电流，电容两端电压将持续升高，最终可能击穿电容，这是很危险的，并且将严重影响系统的补偿效果。断开直流侧PI控制时的仿真图如图3.6所示。图3.6 不加控制时直流侧电压阶跃响应波形3.4.2 PI控制器参数的设计在自动调节系统的方案已经确定，调节器和调节结构都已选定并已安装好以后，调节质量将取决于调节器参数的选择。调节器参数的确定称为调节系统的整定，调节系统的任务就是根据调节对象的动态特性选择最佳的调节器参数，以使调节过程具有最佳的品质指标。本文讨论的PI控制可以看成微分时间为零的PID控制，不妨先讨论PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分控制）控制器参数的常规整定方法。 1. PID控制器参数的整定方法 调节器的参数可以通过理论计算求得，也可以通过现场试验调整求得。理论计算方法是，预先给定稳定裕量（或给定衰减率，或给定误差积分准则），通过计算取出最佳整定参数。由于表征调节对象动态特性的传递函数是近似的，所以最佳整定参数的理论计算结果是大致正确的。最终选用的最佳参数，是通过实际现场调试得到的，理论计算数据只能作为试验调整时的参数数据2。 （1）衰减曲线法 衰减曲线法是在总结临界比例带法基础上发展起来的，它是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡(=0.75)过程时的调节器比例带及过程衰减周期，或10:1衰减振荡(=0.9)过程时调节器比例带及过程上升时间，据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤是： 第一步，置调节器的积分时间，微分时间0，比例带为一稍大的值；将系统投入闭环运行。第二步，在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程。对于=0.9的调节过程，也是一样地做上述试验，直到出现10:1的衰减过程。记录下4:1(或10:1)的衰减振荡过程曲线，如图3.7所示。在图3.7(a)或(b)所示的曲线上求取=0.75时的振荡周期或=0.9时的上升时间，结合此过程下的调节器比例带，按表3.1计算出调节器的各个参数。表3.1 衰减曲线法计算公式规律规律0.75P0.9PPIPIPIDPID 图3.7 衰减曲线第三步，按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表3.1可以发现，对于=0.75，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律引入了积分作用，因此系统的稳定性将下降，为了仍然能得到=0.75的衰减率，就需将放大1.2倍后作为比例积分调节器的比例带值。对于三参数调节规律，由于微分作用的引入提高了系统的稳定性和准确性，因此可将减小至后作为调节器比例带设定值，同时积分时间与无微分作用下相比也适当减小了。（2）临界比例带法 临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带以及振荡周期，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带法的具体步骤是： 第一步，将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间 =0；置比例带于一个较大的值。 第二步，将系统投入闭环运行，待系统稳定后逐渐减小比例带，直到系统进入等幅振荡状态。一般振荡持续45个振幅即可，试验记录曲线如图3.8所示。图3.8 等幅振荡曲线 第三步，据记录曲线得振荡周期，此状态下的调节器比例带为，然后按表3.2计算出调节器的各个参数。表3.2 临界比例带法计算公式规律PPIPID 第四步，将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶跃响应试验，观察系统的调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。（3）动态参数法动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下的阶跃响应曲线求取一组特征参数、(无自平衡能力对象)或、 (有自平衡能力对象)，再据经验公式计算出调节器的各个参数。 （a）有自平衡能力对象 （b）无自平衡能力对象 图3.9 动态响应曲线对于有自平衡能力对象，其阶跃响应曲线如图3.9(a)所示。过响应曲线拐点P作切线交稳态值渐近线C()于A，交时间轴于C；过A点作时间轴垂线并交于B，则：， （3.12）对无自平衡能力对象，其单位阶跃响应曲线如图3.9(b)所示。作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C，过直线段上任一点A作时间垂线并交于B，则， （3.13）在取得对象的单位阶跃响应曲线后，通过在曲线上作图，求出对象的特征参数、或、，然后按表3.3给出的经验公式计算出调节器整定参数。表3.3 动态参数法计算公式(一)规律PPIPID生产实践表明，对象特征参数和的乘积反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控制，因此调节器的比例带就应取大一些，即与成正比。对于采用比例积分调节，积分作用的加入使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带值的1.2倍；对于采用比例积分微分调节，则因微分作用提高了系统的稳定性，因而比例带可为纯比例作用时比例带的0.8倍。积分作用主要用于消除系统的稳态误差，并且希望在被调量波动一个周期后消除稳态误差的作用应基本结束；就是说积