毕业设计—并联型有源电力滤波器的设计.doc

二二 七七 年年 六六 月月 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 题题 目目 并并联联型型有有源源电电力力滤滤波波器器的的设设计计 学学生生姓姓名名 xxxx 学学 院院 信信 息息 工工 程程 学学 院院 系系 别别 自自 动动 化化 系系 专专 业业 自自 动动 化化 班班 级级 自自 动动 化化0 0 3 3 3 3 指指导导教教师师 xxxx 摘 要 随着电力电子装置的广泛应用 电力系统的无功及谐波问题日趋严重 传 统的无功补偿及谐波抑制方法已难以满足现代电力系统的需要 作为一种新型 的补偿装置 有源电力滤波器以其对电网负载 系统参数变化的自适应能力和 较高的反应速度被认为是目前最具发展潜力的无功和谐波补偿方法 本文以并联电压型有源电力滤波器为研究对象 系统地分析了并联电压型 有源电力滤波器的工作原理 补偿特性 谐波电流检测方法 补偿电流控制策 略等问题 并对并联型有源电力滤波器进行了设计 最后 利用 MATLAB 提供的 电力系统仿真工具箱对并联型有源电力滤波器整个系统进行了建模和仿真分析 仿真结果表明 并联型有源电力滤波器对带有阻感的三相二极管桥式整流 负载产生的谐波具有较好的补偿效果 关键词 谐波抑制 并联型有源电力滤波器 瞬时无功功率 仿真 Abstract The substantial increase in the use of power electronic equipment results in harmonic pollution and reactive burden above the tolerable limits Many conventional solutions to the power quality issues can t meet the conditions of modern power system Active power filters are known as a dynamic adjustable and potential solution to the power quality problems The shunt voltage type APF has been analyzed in this paper in terms of the working principle the compensation characteristics the harmonic current detection approaches and the current compensation strategies the shunt active power filter are designed At last the simulation models are built up by the Simpowersystems toolbox of Matlab The results show that the designed shunt APF can well suppress the harmonic distortion generated by a three phase diode rectifier Key Words Harmonic elimination Shunt active power filter Instantaneous reactive power Simulation 目录 引 言 1 第一章 绪论 2 1 1 谐波问题及研究现状 2 1 1 1 谐波的基本概念 3 1 1 2 谐波分析 3 1 1 3 谐波的产生和危害 6 1 2 谐波的抑制 7 1 2 1 谐波抑制技术 7 1 2 2 有源电力滤波器技术的发展 7 1 3 研究并联型有源电力滤波器的现实意义 7 第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构 9 2 1 三相电路瞬时无功功率理论 9 2 2 有源电力滤波器的工作原理 14 2 3 有源电力滤波器的系统构成 15 2 3 1 有源电力滤波器的分类 15 2 3 2 有源电力滤波器主电路的结构 16 2 3 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 17 2 4 有源电力滤波器的特性 18 2 4 1 双向补偿特性 18 2 4 2 其他特性 19 2 5 有源电力滤波器的控制方法 19 2 5 1 滞环比较方式 19 2 5 2 三角波比较方式 20 2 5 3 空间矢量控制 21 2 5 4 本文采用的控制方法 21 第三章 并联型有源电力滤波器的设计 22 3 1 概述 22 3 2 系统电路的设计 22 3 2 1 主电路 变流器 设计 22 3 2 2 主电路交流侧电感的计算 25 3 2 3 直流侧电压计算和电容选取 26 3 3 电流电压检测设计 28 3 3 1 电流检测电路的设计 28 3 3 2 电压检测电路的设计 28 第四章 并联型有源电力滤波器的仿真 29 4 1 仿真环境 29 4 2 仿真模型的建立 29 4 2 1 并联型有源电力滤波器系统仿真模型 29 4 2 2 主电路的仿真 30 4 2 3 谐波电流检测电路的仿真 31 4 3 仿真结果 32 4 3 1 补偿前电网电流仿真波形与分析 32 4 3 2 补偿后电网电流仿真波形与分析 33 4 3 3 数字低通滤波器截止频率对指令电流精度的影响 35 4 3 4 仿真结果 38 结论及展望 39 参考文献 41 致 谢 43 引 言 随着电力电子技术应用的日益广泛 电力电子产品广泛地应用于工业控制 领域 用户对电能质量的要求也越来越高 1 而电力电子装置已经成为主要的 谐波干扰源 它们造成的危害已经引起人们越来越多的关注 在我国 近年来 由于电气化铁道的大量发展以及化工 冶金 钢铁 有色金属 煤炭和交通等 工业部门电力电子装置的大量应用 使电力系统中谐波问题已经日趋严重 对 电力系统和用电设备产生了严重危害和影响 必须认真加以研究和采取相应的 限制措施 因此 谐波抑制已成为电力电子技术 电气自动化技术及电力系统 研究领域所面临的一个重大课题 正在受到越来越多的关注 所以 面对我国 目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术落后 自动化水平低的现状 针对谐波问题 研究电网谐波治理和无功补偿新技术 具有十分重要的理论和 现实意义 谐波是指电压 电流波形发生畸变 这主要是负荷的非线性造成的 为抑 制非线性设备谐波污染 出现了许多方法 设置无功补偿电容器和LC 滤波器是 传统的补偿无功功率和谐波的主要手段 已获得广泛应用 但这种无源补偿装 置的补偿性能较差 难以对变化的无功功率和谐波进行有效的补偿 晶闸管获 得广泛应用后 以晶闸管控制电抗器 TCR 为代表的静止无功补偿装置 SVC 有了长足的发展 可以对变化的无功功率进行动态补偿 近年来 随着以 GTO BJT 和 IGBT 为代表的全控型器件向大容量化 高频化方向的不断发展 采 用电力电子技术的各种有源补偿装置发展很快 主要用于补偿谐波的有源电力 滤波器比 LC 滤波器具有更优越的性能而得到发展和应用 是一种很有发展前景 的谐波抑制技术 因此 本文就并联型有源电力滤波器进行了设计和研究 第一章 绪论 由于电力电子装置的广泛应用 使得电网中谐波的含量大量增加 它替代 了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波 成为主要的谐波源 对电力 系统的安全运行和电气设备的正常使用产生严重的危害 因此 谐波治理成为 了电能质量问题的核心内容之一 也是现代电力生产发展的迫切要求 2 有源电力滤波器 Active Power Filter APF 是一种用于动态抑制谐波 补偿无功的新型电力电子装置 它能对大小和频率都发生变化的谐波以及变化 的无功进行补偿 其应用可克服 LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的 缺点 有源电力滤波器的控制技术是有源电力滤波器的关键之一 传统有源电 力滤波器主要采用模拟控制 但模拟控制存在电路复杂 控制性能差 易受环 境干扰等缺点 近年来随着高速数字处理器DSP 的出现及其性价比日益提高 有 源电力滤波器的数字控制方案引起人们的重视 相对于模拟控制有很多优点 在实际系统中被广泛采用 1 1 谐波问题及研究现状 谐波 一词起源于声学 有关谐波的数学分析在18 世纪和 19 世纪已经奠 定了良好的基础 傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛使用 电力系统的谐波问题早在20 世纪 20 年代和 30 年代就引起了人们的注意 到了 50 年代和 60 年代 由于高压直流输电技术的发展 发表了有关变流器引 起电力系统谐波问题的大量论文 70 年代以来 由于电力电子技术的飞速发展 各种电力电子装置在电力系统 工业 交通及家庭中的应用日益广泛 谐波所 造成的危害也日趋严重 世界各国都对谐波问题予以充分的关注 不少国家和 国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定 制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害的影响的重要措施 在国际 上 各个国际组织 如国际电气电子工程师协会 IEEE 国际电工委员会 IEC 和国际大电网会议 CIGRE 也纷纷推出了各自建议的谐波标准 其中较 有影响的是IEEE519 1992 和 IEC555 2 参照国外标准 我国先后于1984 年和 1993 年分别制定了限制谐波的规定和 国家标准 我国原水利电力部于1984 年根据国家经济委员会批准的 全国供用 电规则 的规定 制定并发布了 电力系统谐波管理暂行规定 SD126 84 国 家技术监督局于1993 年又发布了中华人民共和国国家标准GB T14549 93 电能 质量 公用电网谐波 1 1 1 谐波的基本概念 1822 年 法国数学家傅立叶指出 一个任意函数都可以分解为无穷多个不 同频率正弦信号的和 基于此 国际电工 IEC International Electrotechnical Commission 标准 IEC555 2 1982 定义谐波为 谐波分量为 周期量的傅立叶级数中大于1 的 h 次分量 把谐波次数h 定义为 以谐波频率和 基波频率之比表示的整数 电气和电子工程师协会标准 IEEE 标准519 1981 定义谐波为 谐波为一个周期波或量的正弦波分量 其频率为基波频率的整数倍 总结二者 目前国际普遍定义谐波为 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 1 1 2 谐波分析 设正弦电压可表示为 1 1 2sin Uwtu t 式中 电压有效值 U 初相角 角频率 w 当正弦电压施加在非线性电路上时 电流就变为非正弦波 非正弦电流施 加在电网阻抗上产生压降 使电压波形也变为非正弦波 对于周期为 的非正弦电压 一般可分解为如下形式的傅立叶级数 2 Tw u wt 1 2 0 1 cossin nn n u wtaanwtbnwt 式中 2 0 0 2 0 2 0 1 2 1 cos 1 sin 1 2 3 n n au wt d wt au wtnwtd wt bu wtnwtd wt n 或 1 3 1 0 sin nn n cnwtu wta 式中 和 的关系为 n c n n a n b 22 arctan sin cos nnn nnn nnn nnn ab ab ac bc c 在式 1 2 或 1 3 中 频率为 1 T 的分量为基波 频率为大于 1 整数 倍基波频率的分量为谐波 谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比 以上公 式对于非正弦电流也适用 n 次谐波电压含有率以HRUn Harmonic Ratio Un 表示 1 4 1 100 n n U HRU U 第 n 次谐波电压有效值 方均根值 n U 基波电压有效值 1 U n 次谐波电流含有率以HRIn 表示 1 5 1 100 n n I HRI I 第 n 次谐波电流有效值 n I 基波电流有效值 1 I 谐波电压含量和谐波电流含量分别定义为 H U H I 1 6 2 2 Hn n UU 1 7 2 2 Hn n II 电压谐波总畸变率THDu total harmonic distortion 和电流谐波总畸 变率分别定义为THDi 1 8 1 100 H U THDu U 1 9 1 100 H I THDi I 下面讨论对称三相电路中的谐波分析 以相电压为例 三相电压可表示为 2 3 2 3 a b c uu wt uu wt uu wt 设 a 相电压所含的 n 次谐波为 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 annn bnnn cnnn uUnwt uUn wt uUn wt 1 n 3k k 1 2 3 下同 三相电压的谐波大小和相位均相同 为零序 谐波 2 n 3k 1 b 相电压比a 相电压滞后 c 相电压比 a 相电压超前 2 3 2 3 这些次数的谐波均为正序谐波 对称三相电路的基波本身也是正序的 3 n 3k 1 b 相电压比 a 相电压超前 c 相电压比 a 相电压滞后 2 3 2 3 这些次数的谐波均为负序谐波 对于各相电压来说 无论是三相三线电路还是三相四线电路 相电压中都 可以包含零序谐波 而线电压中都不含零序谐波 对于各相电流来说 在三相 三线电路中 没有零序通道 因而没有零序电流 在三相四线电路中 零序电 流可以从中性线中流过 3 1 1 3 谐波的产生和危害 电网谐波来源于三个方面 其一是电源质量不高产生谐波 其二是输电网 产生的谐波 其三是用电设备产生的谐波 其中以用电设备产生的谐波最多 具体情况如下 1 整流设备 由于晶闸管整流的广泛应用 如电力机车 铝电解槽 电池充电 器等 给电网造成大量的谐波 2 电弧炉 电石炉 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不 平的炉料 使得燃烧不稳定 引起三相负荷不平衡 产生谐波电流经变压器注 入电网 3 变频装置 变频装置常用于风机 水泵 电梯等设备中 它含的输入电流 波形为尖峰状 其谐波成份很复杂 除含有整数次谐波外 还含有分数次谐波 随着变频调速的发展 对电网造成的谐波也很严重 4 家用电器 如电视机 录像机 电子调光灯具 调温炊具等 因具有调压 整流装置 会产生的谐波 洗衣机 电风扇 空调器等有绕组的设备中 因不 平衡电流的变化也能产生谐波 谐波对电网及其它系统的危害有以下几个方面 1 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗 降低了发电 输电 和用电设 备的效率 2 谐波影响了各种电气设备的正常工作 谐波会使电机产生机械振 动 噪声 和过电压 使变压器局部严重过热 还会使电容器 电缆等设备过热 绝缘老 化 寿命缩短 以致损坏 3 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振 从而使谐波放大 大大增 加了上述的危害 并可能引起严重事故 4 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作 并会使电气测量仪表 测量不准 确 5 谐波对通信系统和电子设备会产生严重的干扰 对谐波进行研究 其意义一方面在于对谐波影响及危害的分析 另一方面 在于其对电力电子技术自身发展的影响 电力电子技术是未来科学技术发展的 重要支柱 有人预言 电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为 21 世纪 最重要的两大技术 4 1 2 谐波的抑制 1 2 1 谐波抑制技术 为抑制和消除电力电子装置和其它谐波源的谐波 基本思路有两种 一种 是装设谐波补偿装置来补偿谐波 这对各种谐波源都是适用的 本文主要讨论 此类补偿方式 另一条是对电力电子装置本身进行改造 使其不产生谐波 且 功率因数可控制为 1 这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置 装设谐波补偿装置的传统方法是采用 LC 滤波器 这种方法既可补偿谐波 也可补偿无功功率 而且结构简单 被广泛应用 但是这种方法的主要缺点是 补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响 容易和系统发生并联谐振 导致谐波 放大 使 LC 滤波器过载甚至烧毁 此外 它只能补偿固定频率的谐波 补偿效 果也不是很理想 目前 采用有源电力滤波器 已经成为谐波抑制的一个趋势 有源电力滤 波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置 它能对幅度和频率 都变化的谐波以及变化的无功进行补偿 补偿特性不受电网阻抗的影响 是一 种很有前途的谐波抑制方法 1 2 2 有源电力滤波器技术的发展 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成 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 八十年代以来 由于大中功率全控型半导体器件的成熟 脉冲宽度 调制技术的进步 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 有源滤波器才得以迅速发展 国外有源电力滤波器的研究以日本为代表 已步 入大量实用化的阶段 随着容量的逐步提高 其应用范围也从补偿用户自身的 谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展 我国在电力有源滤波器方面的 研究起步较晚 目前很多大学及科研机构正积极进行这方面的相关研究 部分 单位已经研制出样机并投入试运行 但由于用电机制以及成本等因素 在我国 广泛应用 APF 还需要一段时间 1 3 研究并联型有源电力滤波器的现实意义 电力电子技术的快速发展给人们的生产与生活带来巨大变化 但是同时给 电网带来严重污染 影响了供电质量 电力系统中非线性负载种类繁多 不同 类型的有源电力滤波器对不同类型非线性负载的补偿特性也不相同 当今 大型整流设备 冶金工业和电力机车等大型的谐波源都是典型的非 线性负载 它们在运行时给电网注入了大量谐波 而这些大型的谐波源一般都 采用大电感滤波的电流源谐波负载 适合用并联型有源电力滤波器进行补偿 因此 研究并联型有源电力滤波器有着重要的现实意义 第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构 2 1 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路的瞬时无功功率理论作为谐波电流实时检测算法的理论基础 首 先于 1983 年由赤木泰文提出 此后该理论经不断研究逐渐完善 赤木泰文最 初提出的理论亦称理论 是以瞬时有功功率和瞬时无功功率的定义为基pqpq 础的 在以瞬时有功电流和瞬时无功电流为基础的理论体系中 设三相电 p i q i 路各相电压和电流的瞬时值分别为 和 为分析问题方便 a e b e c e a i b i c i 把它们变换到 两相正交的坐标系中研究 由下面的变换可以得到 两相瞬时电压 和 两相瞬时电流 e e i i 2 c b a e e e e e 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 1 2 2 c b a i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 在这里 令 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 32 C 在图2 1所示的矢量 平面上 和 分别进一步合成为旋转电 e e i i 压矢量 和旋转电流矢量 ei 2 3 e eeee 2 4 i iiii 式中 为矢量电压和电流的模 为矢量 的幅角 ei e i ei 定义定义 1 1 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量 在矢量 p i q ii 及其法线上的投影 即 e cosiip 2 5 2 6 siniiq 式中 ie 图 2 1 坐标系中的电压 电流矢量 定义定义 2 2 三相电路瞬时有功功率 无功功率 为电压矢量 的模和三pqe 相电路瞬时有功电流 三相电路瞬时无功电流 的乘积 p i q i 2 7 p eip 2 8 q eiq 将式 2 3 和 2 4 代入上面即可写出矩阵形式 2 9 e e q p e e i i C i i pq 其中 e e Cpq e e 把式 2 1 2 2 代入上式 可以得出 可以看出 三相电路瞬时pq 有功功率就是三相电路的瞬时功率 2 10 ccbbaa ieieiep 2 11 3 1 cbabacacb ieeieeieeq 定义定义 3 3 相的瞬时无功电流 瞬时有功电流 分别 q i q i p i p i 为三相电路瞬时无功电流 瞬时有功电流 在 轴上的投影 即 q i p i 2 12 p ee e i e e ii pepp 2 2 cos 2 13 p ee e i e e ii pepp 2 2 sin 2 14 q ee e i e e ii qeqq 2 2 sin 2 15 q ee e i e e ii qeqq 2 2 cos 从上面定义得到如下性质 2 222 ppp iii 16 2 222 qqq iii 17 2 iii qp 18 2 iii qp 19 定义定义 4 4 相的瞬时无功功率 瞬时有功功率 分 q q p p 别为 相瞬时电压和瞬时无功电流 瞬时有功电流 的乘积 即 2 20 p ee e iep p 2 2 2 2 p ee e iep p 2 2 2 21 2 q ee ee ieq q 2 2 22 2 q ee ee ieq q 2 2 23 从中可以看出 ppp 0 qq 定义定义 5 5 三相电路各相的瞬时无功电流 瞬时有功电流 aq i bq i cq i ap i 是 两相瞬时无功电流 瞬时有功电流 通过两 bp i cp i q i q i p i p i 相到三相变换所得到的结果 即 2 24 p p cp bp ap i i C i i i 23 2 25 q q cq bq aq i i C i i i 23 式中 T CC 3223 从以上各式可得到如下性质 2 26 0 cpbpap iii 2 27 0 cqbqaq iii 2 28 aaqap iii 2 29 bbqbp iii 2 30 ccqcp iii 上述性质分别反映了和两相的正交性和a b c三相的对称性 定义定义 6 6 a b c各相的瞬时无功功率 瞬时有功功率 a q b q c q a p 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流 瞬时有功电流 的乘积 即 b p c p 2 31 A p eiep aapaa 2 3 2 32 A p eiep bbpbb 2 3 2 33 A p eiep ccpcc 2 3 2 34 A p eeeieq cbaaqaa 2 35 A p eeeieq acbbqbb 2 36 A p eeeieq baccqcc 从以上还可以看出和 pppp cba 0 cba qqq 从定义4和6的性质可见 各相的瞬时无功功率对总的瞬时功率 瞬时实功率 没有任何贡献 而是在各相之间相互传递 这也正是赤木泰文给出瞬时实功率 瞬时虚功率即各相瞬时无功功率 瞬时有功功率的依据 传统理论中的有功功 率 无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的 它只适用于电压 电流均为正弦波时的情况 而瞬时无功功率理论中的概念 都是在瞬时值的基 础上定义的 它不仅适用于正弦波 也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况 从以上各定义可以看出 瞬时无功功率理论中的概念 在形式上和传统理论非 常相似 可以看出这是传统理论的推广和延伸 当三相电压 电流为对称正弦波时 设 2 37 sin am eEt 2 38 sin 2 3 bm eEt 2 39 sin 2 3 cm eEt 2 40 sin am iIt 2 41 sin 2 3 bm iIt 2 42 sin 2 3 cm iIt 代入式 2 1 得 2 43 t t E e e m cos sin 2 2 44 sinsincoscos sincoscossin cos sin 22 tt ttt I t t I i i mm 式中 mm EE2 3 2 mm II2 3 2 把式 2 43 2 44 代入 2 9 中可得 2 45 cos2 3 mmI Ep 2 46 sin2 3 mmI Eq 令 分别为相电压和相电流的有效值 得2 m EE 2 m II 2 47 3cospEI 2 48 3sinqEI 从上面的式子可以看出 在三相电压和电流均为正弦波时 均为常pq 数 且与传统理论算出的有功功率和无功功率完全相同 pq 把式 2 42 2 43 代入式 2 12 和 2 14 中可得a相的瞬时有功电流和瞬 时无功电流 2 49 tIi map sincos 2 2 50 tIi maq cossin 2 可以看出 a相的瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式与传统功率理论中 相电流的有功分量和无功分量的瞬时值表达式完全相同 对于相及三相 a b c各相也能得出同样的结论 由上面的分析不难看出 瞬时无功功率理论包含了传统的无功功率理论 比传统无功功率理论由更大的适用范围 2 2 有源电力滤波器的工作原理 图 2 2 所示为有源电力滤波器系统构成的原理图 图中 负载为谐波源 它产生谐波并消耗无功 有源电力滤波器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 由补偿电流控制电路 隔离与驱动电路和主电路 三个部分构成 其中 指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的谐波和 无功等电流分量 因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路 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 主电路目前均采用 PWM 变流器 图 2 2 有源电力滤波器的基本原理图 图 2 2 中 有源电力滤波器的基本工作原理为 检测补偿对象的电压和电 流 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号 该信号经补偿电流发 生电路放大 得出补偿电流 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电 流抵消 最终得到期望的电源电流波形 例如 当需要补偿负载所产生的谐波 电流时 有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流中的谐波成分 将其反 L i Lh i 极性后作为补偿电流的指令信号 这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流 C i 与负载电流中的谐波分量大小相等 方向相反 因而两者互相抵消 使得 c i Lh i 电源电流中只含基波 不含谐波 这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的 S i 上述原理可用如下的一组公式描述 2 SLC iii 51 2 LLfLh iii 52 2 CLh ii 53 2 SLCLf iiii 54 式中为负载电流的基波分量 9 Lf i 负载电流 的傅里叶级数展开为 l i 1111 12 sin cossinsincossin lnnnn nn iIn tItItIn t 2 hlqlp iii 55 式 2 55 中 是基波有功电流 tIilp sincos 11 是基波无功电流 是高次谐波电流 tIiq cossin 11 2 sin hnn n iIn t 为基波电流初相位 为 n 次谐波初相位 为系统电源基波角频率 5 1 n 由此可知 有源补偿装置实现的关键是 谐波电流的检测 适当的控制方 法 主电路的设计 2 3 有源电力滤波器的系统构成 2 3 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型 主电路结构和电源相数进 行分类 根据使用的场合电源相数可分为单相 三相三线和三相四线用有源电 力滤波器等 按有源电力滤波器在系统中的连接方式可分为串联型 并联型和 两者混合使用的统一型等 图 2 3 给出了有源电力滤波器的分类示意图 图 2 3 有源电力滤波器的系统构成分类 2 3 2 有源电力滤波器主电路的结构 有源电力滤波器主电路的基本结构见图2 4 储能元件 电感或电容 的作用是 充当直流电源 电流源或电压源 为可控开关电路进行逆变提供保证 可控开关 电路实为一PWM 变流器 在图2 2 中检测电路从系统中检测并分离出基波无功和 谐波电流 使控制电路产生开关控制信号去控制可控开关电路的开合 可控开 关 图 2 4 有源电力滤波器主电路结构图 电路的作用是根据控制信号把储能元件储存的电能以适当的形式经输出电路 接入 系统中 产生需要的补偿电流 根据储能元件 电容或电感 的不同 将有源电力滤波器分为电压型和电流 型两种 图2 5 所示为电压型有源电力滤波器的主电路图 其储能元件为电容 可控开关电路通常由 GTO 或 IGBT 等大功率电力电子元件构成 电压型有源电力 滤波器的工作原理是根据检测信号产生PWM 输出电压 再经交流侧电抗器转换成 所需要的补偿电流 图 2 6 所示为电流型有源电力滤波器 其储能元件是电感 与电压型 PWM 逆变器相比 电流型 PWM 逆变器的一个优点是 不会由于主电路开关器件的直 通而发生短路故障 但是 电流型 PWM 逆变器直流侧大电感上始终有电流流过 该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗 因此目前较少采用 而电压型有 源电力滤波器有能量损耗小和易于控制等优点 目前有源电力滤波器的研究方 向主要是电压型有源电力滤波器 图 2 6 三相电流型有源滤波器主电路 图 2 5 电压型有源滤波器主电路 2 3 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图2 7 所示 图中负 载为产生谐波的谐波源 变流器和与其相连的电感 直流侧储能元件 图中为电 容 共同组成有源电力滤波器的主电路 它们均可用于单相或三相系统 由于有 源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网 故称为并联型 又由于其补偿电 流基本上由有源电力滤波器提供 与其它方式相区别 称之为单独使用方式 这是有源电力滤波器中最基本方式 也是目前应用最多的方式 这种方式可用 于 1 只补偿谐波 2 只补偿无功功率 补偿的多少可以根据需要连续调节 3 补偿三相不对称电流 4 补偿供电点电压波动 5 以上任意项的组合 在 这种方式中 只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的 本文也主 要是讨论这种类型的滤波器 2 4 有源电力滤波器的特性 2 4 1 双向补偿特性 有源电力滤波器的双向补偿特性为 当负载电流含有较大的谐波时 为了 负载的谐波不流入系统电源 在负载端通过有源电力滤波器就地给予抑制使系 统电源不受谐波污染 它的检测电路在负载侧 负责输出的主电路在系统电源 侧 如图 2 8 a 另外有些负载 如通信系统 对电源要求较高 而系统电源又 含有较大的谐波 这时可通过有源电力滤波器在系统电源流入负载前对电源进 行净化 即抑制系统电源的谐波 使之不影响负载工作 这种情况的检测电路 在系统电源端 而负责输出的主电路在负载端 如图 2 8 b 图 2 7 单独使用的并联型有源电力滤波器 a 抑制负载谐波流入系统电源 b 抑制系统电源谐波流入负载 图 2 8 APF 的双向补偿特性 2 4 2 其他特性 除了双向补偿特性外 根据对其工作原理的分析可知有源电力滤波器还有 下述特点 1 对各次谐波均能有效地抑制 且可提高功率因数 实现对各次谐波和基 波无功功率的补偿 2 系统阻抗和频率发生波动时 不会影响补偿效果 3 不会产生谐振现象 且能抑制由于外电路谐振产生对谐波电流的放大 4 不存在过载问题 即当系统中谐波较大时 装置仍可运行 无需断开 有源电力滤波器之所以具有这些特性是因为它实质上是一个电流源 对于不同 的负载 根据补偿指令电流的大小来输出所需的电流 可用于大的负载 也可 用于小的负载 仅是补偿程度不同 6 2 5 有源电力滤波器的控制方法 有源电力滤波器要求补偿电流发生电路产生的补偿电流实时跟踪指令电流 信号的变化 因此电流控制电路通常采用跟踪型 PWM 控制方式 比较常用的 PWM 的控制方法主要有滞环比较方式 三角波比较方式和空间矢量控制 此外 近年来无差拍控制和特定消谐法等也受到人们的关注 下面就简要介绍一下最 常用的三种控制方法 2 5 1 滞环比较方式 图 2 9 所示为滞环比较方式的原理图 图中以一相的控制为例来说明该方 式的原理 图 2 9 滞环比较方式原理图 在滞环比较方式中 把补偿电流的指令信号和实际的补偿电流信号进 c i c i 行比较 二者的偏差作为滞环比较器的输入 通过滞环比较器产生控制电 c i 路中开关通断的 PWM 信号 该 PWM 信号经驱动电路来控制开关的通断 最终控 制补偿电流的变化 可见 滞环比较方式根据给定补偿信号和测得的逆变器 c i 输出电流的误差来控制逆变器的开关动作 但误差超过上 下限 由滞环宽度 决定 时开关立即动作 从而使实际电流始终保持在滞环带内 围绕其参考滞 环上下波动 因此该方法实现简单 响应快 对负载的适应能力强 输出电压 中不含特定频率的谐波分量 这种控制方式中 滞环宽度对补偿电流的跟随性 能有较大的影响 滞环宽度大 开关通断的频率即器件的开关频率较低 故对 开关器件的要求不高 但是跟随误差大 补偿电流中高次谐波较大 反之 当 滞环宽度较小时 虽然跟随误差小 但是开关频率较高 引起损耗增加 通常 滞环的带宽为固定值 这就导致主电路中器件的开关频率是变化的 会引起较 大的脉动电流和开关噪声 尤其当变化的范围较大时 一方面 在值小的 c i c i 时候 固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差较大 另一方面 在值大 c i 的时候 固定的环宽又可能使器件的开关频率过高 甚至可能超出器件允许的 最高工作频率而导致器件损坏 针对采用滞环比较器的上述缺点 一种解决方 法就是采用定时控制的瞬时值比较方式 其原理图如图 2 10 所示 图 2 10 定时比较方式原理图 这种方式不用滞环比较器 而是设置一个固定的时钟 以固定的采样周期 对指令信号和被控制变量进行采样 并根据二者偏差的极性来控制逆变电路开 关器件的通断 使被控量跟踪指令信号 由于每个时钟周期对判断一次 c i 使得 PWM 信号需要至少一个时钟周期才会变化一次 器件的开关频率最高不会 超过时钟频率的一半 这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率 从 而可以避免器件开关频率过高的情况发生 但和滞环比较方式相比 这种方式 的电流控制误差没有一定的环宽 控制精度要低一些 2 5 2 三角波比较方式 图 2 11 所示为三角波比较方式的原理图 这种方式与其他用三角波作为载 波的 PWM 控制方式不同 它不直接将指令信号与三角波比较 而是将与的 c i c i 偏差经放大器 A 之后再与三角波比较 放大器 A 往往采用比例放大器或比 c i 例积分放大器 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 c i 的 图 2 11 三角波比较方式原理图 与滞环比较方式相比 该方式具有如下特点 1 输出电流所含谐波较少 但是含有与三角载波相同频率的谐波 2 器件的开关频率固定 且等于三角载波的频率 这要优于滞环控制 3 放大器的增益有限 4 电流响应比瞬时值比较方式慢 5 跟随误差范围不确定 2 5 3 空间矢量控制 空间矢量控制技术是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种控制策略 现在已成为一种流行的 PWM 控制技术 相对于滞环 PWM 技术 三角波 PWM 技术 空间矢量控制技术具有以下优点 1 提高了直流电压的利用率 2 采用不连续开关方式调制时 降低开关器件的开关损耗 3 调制方法便于数字实现 2 5 4 本文采用的控制方法 通过以上几种控制方法的介绍 本文采用了滞环比较方式 这种控制方式 的硬件电路十分简单 属于实时控制方式 电流响应很快 而且输出电压中不 含特定频率的谐波分量 能够达到设计的预期效果 第三章第三章 并联型有源电力滤波器的设计并联型有源电力滤波器的设计 3 1 概述 并联型有源电力滤波器的系统结构图如图 3 1 所示 图中 负载为谐波源 采用三相桥式不可控整流器 其直流侧为阻感性负载 系统原理已经在第二章 中介绍过 在此不再叙述 图 3 1 并联型 APF 系统结构图 3 2 系统电路的设计 3 2 1 主电路 变流器 设计 有源电力滤波器主电路根据其直流侧贮能元件的不同 可分为电压型和电 流型 根据2 3 2 节所述 本文主电路采用三相电压型PWM 变流电路 其结构见 图 3 2 所示 主电路的工作原理 补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电 C i 源电压的差值作用于电感上产生的 主电路的工作情况是由主电路中6 组开关器 件的通断组合所决定的 通常 同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件 是导通的 假设三相电源电压之和 并根据该电路有0 abc eee 0 cacbcc iii 图 3 2 主电路结构 可得出描述主电路工作情况的微分方程如下 3 ca adca di Lk Ue dt 1a 3 cb bdcb di Lk Ue dt 1b 3 cc cdcc di Lk Ue dt 1c 式中 主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压 adc k U bdc k U cdc k U 开关系数 0 a k b k c k a k b k c k 主电路的设计包括对功率器件的选取 直流侧电容容量的确定 交流侧电 感值的确定等 有源电力滤波器容量 3 2 3 AC SEI E 相电压有效值 补偿电流有效值 C I 求出 1000 1 515 3 220 C IA 有源电力滤波器只补偿谐波时 有 3 3 CLh II 25 LhL II 因此 主电路的容量约为补偿对象容量的 25 6 06 L IA 4 L SKVA 所以 并联型有源电力滤波器的额定工作条件如下 电源相电压 220V 负载功率 4kVA 并联型有源电力滤波器的额定容量 1kVA 为简化设计 功率器件选用智能功率模块 Intelligent Power Module 简称 IPM IPM 是采用微电子技术和先进的制造工艺 把智能功率集成电路与 微电子器件及外围功率器件组装成一体 它不仅把功率开关器件和驱动电路集 成在一起 而且还内藏有过电压 过电流和过热等故障检测电路 它由高速低 功耗的管芯 优化的门级驱动电路以及快速保护电路构成 即使发生负载事故 或使用不当 也可以使 IPM 自身不受损坏 IPM 的内部框图如图 3 3 所示 模块内部主要包括欠压保护电路 IGBT 驱 动电路 过流保护电路 短路保护电路 温度传感器 过热保护电路 门电路 和 IGBT 单元等 驱驱动动 欠欠压压 过过温温 过过流流 短短路路 温温度度检检测测 C E V IN o F GND 图 3 3 IPM 内部结构单元 智能功率模块 IPM 的优点 1 开关速度快 IPM内的IGBT芯片都选用高速型 而且驱动电路紧靠IGBT芯 片 驱动延时小 所以IPM开关速度快 损耗小 2 低功耗 IPM内部的IGBT导通压降低 开关速度快 故IPM功耗小 3 快速的过流保护 IPM实时检测IGBT电流 当发生严重过载或直接短路时 IGBT将被软关断 同时送出一个故障信号 4 过热保护 在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器 当基板过 热时 IPM内部控制电路将截止栅级驱动 不响应输入控制信号 5 桥臂对管互锁 在串联的桥臂上 上下桥臂的驱动信号互锁 有效防止 上下臂同时导通 6 抗干扰能力强 优化的门级驱动与IGBT集成 布局合理 无外部驱动线 7 驱动电源欠压保护 当低于驱动控制电源 一般为15V 就会造成驱动能 力不够 增加导通损耗 IPM自动检测驱动电源 当低于一定值超过10 s 时 将截止驱动信号 8 IPM内设计了相关的外围电路 缩短开发时间 9 无须采取防静电措施 10 大大减少了元件数目 体积相应小 本文所设计的装置采用三菱公司生产的PM10RSH120 其耐压为1200V 电流 为10A 3 2 2 主电路交流侧电感的计算 并联型有源电力滤波器交流侧电感通过其两侧的电压差产生补偿电流 它 具有很重要的作用 1 平衡有源电力滤波器主电路中各点电压 2 能量存储和双向馈送 3 调整补偿电流的相位 并使补偿电流连续 4 缓冲各相电压中谐波的无功功率 电感的选择必须满足并联型有源电力滤波器对期望谐波电流的跟踪能力 电感值L越大 变化越慢 反之 则变化越快 电感选择不宜过大 但是当电 c i 感选择较小时 会使并联型有源电力滤波器的实际补偿电流相对于期望补偿电 流具有很大的超调 毛刺较大 因此 电感的选择应该综合考虑补偿电流跟踪 能力以及电流超调两方面的要求 首先 为了满足电流跟踪能力 并联型有源电力滤波器的实际补偿电流变 化率应大于期望补偿电流的最大变化率 即 3 4 k dt di dt di cc max 式 3 56 中 值一般通过仿真的方法获得 k 对于来说 在一个电网周期中 当或时 达最大值 c i0 t t dt dic 所以 以下考虑时的情况 0 t 3 5 1 c adca di K UU dtL 式 3 58 在时 为零 取最小值发生在为时刻 为满0 t a U dt dic a K 3 1 足式 3 57 则有 3 6 min 3 cdc diU k dtL 即电感应满足 3 7 3 dc U L k 其次 电感的选择必须保证补偿电流超调不宜过大 若允许的最大电流误 差范围为 则有 I 3 8 It dt dic 在取最大值的时刻 有 dt dic 0 t 3 9 max 2 3 cdc diU ttI dtL 所以有 3 10 2 3 dc U L fI 综合式 3 60 3 63 可得电感的取值范围为 3 11 2 33 dcdc UU L fIk 3 2 3 直流侧电压计算和电容选取 有源电力滤波器正常工作时 实际补偿电流在指令电流两侧呈锯齿波状跟随 其变化 对于 A 相 根据式 3 1a 当时 有源电力滤波器 A 相桥臂的 caca ii 上开关器件应该导通 下开关器件应该关断 Ka 为 1 3 或 2 3 若取 Ka 1 3 则 3 12 1 1 3 ca dca di Ue dtL 要使实际补偿电流更好的跟踪指令电流 必须增大 即 ca i ca i ca i 3 13 0 ca di dt 也就是 3 14 3 dca UU 考虑到最严重的情况 相电压峰值 3 15 3 dcm UU m U 因此 直流侧电压 V 3 16 332220933 24 dcm UU 取 1000V dc U 从某种意义上说 并联型有源电力滤波器的工作就是直流侧电容的充 放 电过程 直流侧电容的电压直接影响有源滤波器的补偿性能的好坏 若电压波 动太大 则补偿效果就很差 因此 必须要维持电容电压基本保持不变 电容 越大 电压波动就越小 补偿效果也越好 但电容越大 成本也越高 所以 电容的选取要综合这两方面的因素考虑 假设在某一PWM 周期内电容始终处于充电或放电状态 直流侧电容电压的 最大允许偏离设定值为 则有 maxdc U 3 17 max max c dc pwm i U cf 即 3 18 max max c pwmdc i C fU 直流侧电容值 C PWM 脉冲频率 pwm f 通过电容 C 的电流最大值 max c i 3 3 电流电压检测设计 3 3 1 电流检测电路的设计 在控制系统中 为了实时计算谐波 必须对非线性负载电流和实际补偿电 流进行检测 本文采用 CSK7 5A 直测式霍尔电流检测器件 它对直流和交流电 流都能进行检测 检测的延迟小于 1us 因此是比较理想的电流检测元件 电 流检测电路如图 3 4 所示 3 3 2 电压检测电路的设计 为了确定采样的起始时刻 需要确定电压的相位信号 另外 在电流谐波 指令计算时 也需要知道正弦波电压的相位 将a相电压经隔离降压后引入到 控制电路中 经滤波整形后 产生与a相电压同频同相的方波信号 由 CD4046 与 BCD 加法计数器 CD451