（电力电子与电力传动专业论文）有源电力滤波系统的仿真研究及rls算法的dsp实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i c e l e c t r o n i cd e v i c e si np o w e rs y s t e m p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a v ea l r e a d yb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mt ow h i c hb o t h s u p p l i e r sa n d u s e r so fe l e c t r i c i t yh a v ep a i dc l o s ea t t e n t i o n a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f i s o n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n t st om i t i g a t eh a r m o n i cp r o b l e ma n di m p r o v ep o w e r q u a l i t yt h ea p fs y s t e mi ss t u d i e da n ds i m u l a t e di nt h i sp a p e ro nt h eb a s i so ft h ea p f p r i n c i p l e a n dt h eh a r m o n i cc u r r e n ti sd e t e c t e db ya p p l y i n gt h er e c u s i v el e a s t s q u a r e s r l s a l g o r i t h mb a s e do nt h ed s p 一 t m s 3 2 0 f 2 4 0 f i r s to fa l l t h eh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o db a s e do nr l sa l g o r i t h mi sd i s c u s s e d t h e nt w on e wi m p r o v e dr l sa l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e d i nt h ep a p e r t h em a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e dr l sa l g o r i t h mc a ne n s u r eah i g hd e t e c t i n g p r e c i s i o na n dp r o v i d eaf a s td y n a m i cr e s p o n s e b ys i m u l a t i n gt h es i n g l e p h a s ec i r c u i t w h i c hs a t i s f yt h ed e m o n do fr e a lt i m et r a c i n ga n dd e t e c t i o n a l s ot h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h en e wa l g o r i t h mi nt h e s i t u a t i o n so ft h e3 p h a s es y m m e t r i c a lc u r r e n t t h e3 p h a s ed i s s y m m e t r i c a lc u r r e n ta n d t h e3 p h a s e4 w i r es y s t e m s e c o n d l y t h es h u n tv o l t a g ea p fs y s t e mi ss i m u l a t e d c o m p e n s a t e dc u r r e n ti s t r a c k e db ya p p l y i n gt h et i m e c o n t r o li n s t a n t a n e o u sc o m p a r i s o nm e t h o da n dt h ew h o l e s i m u l a t i n gs y s t e mi sr e a l i z e db ym e a n so fd e t e c t i n gt h ec u r r e n to ft h el o a d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a td y n a m i cc o m p e n s a t i o nc a nb ea c h i e v e di nt h es i t u a t i o no f 3 p h a s es y m m e t r i c a lc i r c u i ta n dt h e3 p h a s ed i s s y m m e t r i c a lc i r c u i t f i n a l l y t h et w od e t e c t i o na l g o r i t h m st h a ta r et h en o r m a l i z e dr l sa l g o r i t h ma n d t h en e wi m p r o v e dr l sa l g o r i t h ma r er e a l i z e db ya p p l y i n ga s s e m b l el a n g u a g eo nt h e b a s i so fd s pr e s p e c t i v e l yb yc o m p a r i n gt h et w oi n i t i a lc o n v e r g i n gs p e e d sa n dt h e r e a l t i m ep r o p e r t i e so ft h ef a s tt r a n s i e n tr e s p o n s e s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h ei m p r o v e dr l sa l g o r i t h mi sm u c hb e t t e rt h a nt h en o r m a l i z e do n ei nt h et w o r e s p e c t s k e y w o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r h a r m o n i c sd e t e c t i n g r l sa l g o r i t h m c u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o l d i g i t a lc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被金阅和借阅 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 保密口 在年解密后适用木授权书 不保密而 学位论文作者签名 参飙阅 纠午 月多日 指导教师签名 旁j 闰咖 1 年参月 日 独创性l 声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导帅的指导下 独 立进行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容以外 木 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识剑本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 绷 日期 叫年乡月占日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 今年来各类非线性负载在电力系统中的比重不断增加 使电力系统不断受到 冲击 电网谐波污染问题目趋突出 不但危害着电力系统中用电设备 更影响着 供电系统的供电质量 有源电力滤波器 a c ti v ep o w e rf i1t e r a p f 作为一种 能动态抑制谐波的电力电子装置而广受关注 它能对频率和幅值均变化的谐波进 行跟踪补偿 并且其补偿特性不受电网阻抗的影响 从国外特别是日本等国目前 的研究和使用情况来看 利用有源电力滤波器进行谐波抑制和无功补偿是今后的 一个重要趋势n 1 1 谐波的定义 产生 危害 目前 世界各国电力工业中 几乎都是采用正弦供电方式 在理想的电力系 统中 电源以单一恒定频率或的正弦变化规律向电网供电 电网可近似为一个线 性时不变系统 系统中各点的电流 电压都是以单一恒定的供电频率随时l 只j 按正 弦规律变化的量 这些电压和电流彼此之i 日j 也仪存在幅值和相位的差异 一般地 说 一个实际电力系统基本上能满足理想电力系统的条件 但随着技术的发展 电力系统中的非线性负载的比重不断增大 理想电力系统的近似程度变差 直接 表现是电力系统中的电流和电压波形产生周期性畸变 从频域的观点 在这些电 流和电压的波形中 不仅包含与供电电源同频率的正弦量称为基波分量 而且出 现了一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量高次谐波分量 这一系列正弦分 量统称为电力谐波 1 1 1 谐波的定义 国际上公认的谐波含义为 3 1 谐波足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 次谐波 与基波次数之t l d 于l 的分量 间谐波 与基波次数之比大于1 但不为整数的分量 江苏大学硕士学位论文 次谐波 问喈波都不是谐波 因为次谐波 r b j i 皆波和谐波有共性 可统称为 广义谐波 4 1 1 1 2 谐波的产生 系统中产生谐波的设备即谐波源 是具有非线性特征的用电设备 当前 电 力系统的谐波源就其非线性特性而言主要有两大类1 5 l 传统非线性没备 包括变压器 旋转电机及电弧炉等 电力变压器是一 种谐波源 通常 变压器所使用的磁性材料在接近非线性或者就在非线性区运行 它主要产生次谐波 旋转电机的线圈被嵌入线槽 由于这些线槽不可能严格按正 弦形分布 从而使得产 i 的磁动势是畸变的 因此旋转电机也被认为足谐波源 电弧炉的谐波主要足由起弧的延时和电弧的严重非线性引起的 其谐波频率分布 范刚t 要在之间 熔炼期间谐波电流大 精炼期问谐波电流小 现代电力电子非线性没备 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 有关 谐波源的调鱼报告湿示 电力电子装置己经成为电力系统最主要的偕波源 荧光 灯的伏安特性是严重非线性的 因此引起严重的谐波电流 其中次谐波含量最高 在各种电子装置中 整流装置所占比例最大 目前常用的整流电路几乎都采用晶 闸管相控整流或二极管不可控整流 带感性负载的电流型整流电路所产生的谐波 污染和功率凶数滞后己为人们所熟悉 而直流侧采用电容遮波的不可控整流电路 随着开关电源如电视机 个人电脑等和电压型逆变器如变频器 感应加热电源 等的广泛应用也产生越来越严重的谐波污染 1 1 3 谐波的危害 谐波的危害 乍常严重 主要表现在以下几个方面 3 5 7 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗 降低了发电 输电和用 电设备的效率 大鼍的3 次谐波流过中性线时 会使线路过热甚至发生火灾 2 江苏大学硕士学位论文 谐波影响各种电气设备的i 卜常工作 谐波会使电机产生机械振动 噪声 和过电压 使变压器局部严重受热 还会伎电容器 电缆等设备过热 绝缘老化 寿命缩短 以致损坏 谐波会造成公用电网的局部并联凿振和串联谐振 从而使谐波放大 大 大增加上述的危害 并可能引起严重事故 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作 甚至引起严重事故 谐波会对通信系统和电子设备产生严重的干扰 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j 下常工作 谐波会降低供电系统的功率凶数 1 2 抑制谐波方法 目前解决谐波问题的思路有两条 8 j 主动型和被动型 主动型是指对电力电子装置本身进行改进 使其不产生喈波 且功率冈数控 制为l 适用于作为主要凿波源的电力电子装置 在低功率场合 主要采用功率 因数校正技术 p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n p f c 在中大功率场合 主要有多脉 整流技术和p w m p i u s ew i d t hm o d u l a t i o n 整流技术 主动型的谐波抑制和功 率因数校正代表了电力电子技术的发展方向 但无法用于已投入运行的设备 被动型是指装设谐波补偿与功率因数校正装置 适用于各种谐波源 传统方 法是采用无源滤波器 p f 通常是电力电容器 电抗器和电阻器按功能要求适 当组合 在系统中为谐波提供并联低阻通路 起到滤波作用 p f 的优点是投资 少 效率高 结构简堆 运行可靠及维护方便 是目前广泛采用的谐波补偿装置 其缺点在于 9 1 1 其滤波特性由系统和滤波器的阻抗比决定 只能消除特定的谐 波 而对其它次谐波会产生放大作用 在特定情况下可能与系统发生谐振 谐波 电流增大时滤波器负担随之加重 可能造成滤波器过载 有效材料消耗多 体积 大 目前 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 a p f 其基本原理 是 从补偿对象中检测出 皆波电流 由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等 江苏大学硕士学位论文 极性相反的补偿电流 使电剀电流巾仅含基波分量 其滤波特性不受系统阻抗影 响 可消除与系统阻抗发生谐振的危险 与p f 相比 具有高度可控性和快速响 应性 不仅能补偿各次谐波 还可抑制电压闪变 补偿无功电流 性价比较为合 理 另外 有源电力滤波器具有自适应功能 可自动跟踪补偿变化着的谐波 1 3 有源滤波器的研究及发展现状 1 3 1 有源滤波器发展历史 思想的萌芽 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代 1 9 6 9 年b m b i r d 和j e m a r s h 发表的论文中 描述了通过给交流电网注入三次谐波电流来减少电 源电流中的谐波成分 坦1 从而改善电源电流波形的新方法 在该文巾虽未出现有 源电力滤波器一词 但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽 基本原理的提出 1 9 7 1 年 h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中 首次完整地描述了有源电力 滤波器的基本原理 13 1 但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流 其损耗 大 成本高 因而仅在实验室中研究 未能在工业中实用起来 基本概念形成 1 9 7 6 年 美国西屋电气公司的l g y u g y i 等人提出了用大功率晶体管 p w m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 变换器构成的有源电力滤波器 1 4 正式确立了有 源电力滤波器 a p f 的概念 确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控 制方法 但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高 全控型器件功率小 频 率低 因而有源电力滤波器仍局限于实验研究 快速发展 进入8 0 年代 随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展 对有源电力 滤波器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 国外有源 电力滤波器的研究以日本为代表 己进入大量实用化阶段 1 9 8 7 年 m t a k e d a 等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混合型有源电力 4 江苏大学硕士学位论文 滤波器方案 在这种电路中 无源滤波器分担大部分谐波 冈此有源电力滤波 器容量很小 但这种有源电力滤波电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在 谐波通道 1 9 9 0 年 日本的h f u j i t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相 串联的综合有源滤波方案 其中有源电力滤波器为电流控制电压源 产生与电源 电流中谐波分量成比例的电压 由于注入变压器联结在y 型联接的无源滤波器 的中性点上 保护和隔离方便 因此更适合于高压系统应用 该电路的缺点是对 电源中的渚波电压非常敏感1 1 6 j 19 9 4 年 h a k a g i 等人提出了一种综合了串联有 源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波系统 该方案从拓扑上实现 了两种方法的综合1 1 7 1 1 9 9 8 年 国外学者又提出一种新型有源电力滤波器 其 名称尚未统一 文献 1 8 1 9 称之为统一电能质量调节器 u p q c 目前还处于试 验阶段 1 3 2 有源滤波器国内外研究现状 作为改善供电质黾的一项关键技术 有源电力滤波器在日本 美国 德国等 工业发达困家己经得到了高度重视和日益广泛的应用 目前 世界上有源电力滤 波器的主要生产厂家有同本的 三菱电机公司 美国西屋电气公司 德国西门子公 司等 一些装置已经相当成熟 其产品开始进入大量实用化阶段 2 0 1 以同本为代表 5 0 0 多台并联型有源滤波器成功地运行在多个谐波负载地区 容量达到5 0 k v a 6 0 m v a 这些滤波器主要用于补偿谐波 部分同时用于补偿无 功功率 早期的有源滤波器的p w m 变流器主要采用b j t 模块 现在电压型有源 滤波器开始在其主电路中采用i g b t 模块 从而增大了有源电力滤波器的容量 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 2 1 1 我国对谐波问题的研究起步比较晚 直到1 9 8 9 年才见到这方面的文章 2 2 1 1 9 9 3 年 j 见到试验性的工业应片j 实验1 2 3 1 国内的研究基本处在理论及实验室阶 段 近几年进行这方面研究的单位在逐渐增j j h l 2 4 3 0 主要集中在一些高校和少 数研究机构 以理沦研究和实验为主 在实际应用方面 西安交通大学 清华大 江苏大学硕士学位论文 学 华北电力大学 浙江大学等相关高校和研究单位已经试制出了有源电力滤波 器的样机 并且在小功率的场合加以应用 但离产业化目标甚远 很多关键技术 如a p f 大容量化 模块化 标准化有待解决f 3 i 3 2 1 目前 围内从枣有源滤波器研究和生产的企业主要有 上海宝钢安大电能质 量有限公司 深圳波宏电力铝箔设备公司 南海市樱花电气有限公司 西安塞博 电子有限公司等 有些公司代理国外有源滤波器产品 如上海伙伴技术咨询公司 代理美国公司的 深习市龙源电气有限公司代理 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型有源滤波器等 随着我国电能质量治理工作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高 利用a p f 进行电能质量治理会有巨大的市场应用潜力 在补偿滤波 无功功率 中线电流 不平衡电流等方面 有源滤波技术必将得到更加广泛的应用 1 3 3 有源滤波器研究趋势 从近年来国内外研究和应用的情况可以看出有源电力滤波器具有如下的发 展趋势 3 3 4 0 1 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术 实 现对高次谐波的有效补偿 当a p f 的容量小于2 m v a 时 通常采用i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿 当容量大于5 m v a 时 通常采用g t o 及多重化技术进行谐 波补偿 当前大功率滤波装置从经济上考虑 可以采用a p f 与l c 无源滤波器并 联使用的混合型有源滤波系统来减小a p f 的容量 达到降低成本 提高效率的 目的 从长远角度看 混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失 而串一并 联a p f 由于其功能强大 性价比高 将是一种很有发展前途的有源滤波装置 目前一个应用的新趋势是在供电系统的供电侧安装一种称为 统一电能质量调节 器 的有源电力滤波器的新系统构成形式 通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的有源线路调节 器 a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r a p l c 可以适用于高压 大容量谐波系统 6 江苏大学硕士学位论文 的补偿 表明电力系统谐波治理正朝着动态 智能 经济效益好的方向发展 高速数字信号处理器d s p 的出现使a p f 的数字化控制成为一种趋势 采用数字方法可以实时计算谐波和无功电流 而且在d s p 中还可以实现数字控 制算法 通过i of i 或p w m 口直接发出开关控制信号 有效地解决了模拟方法 由于元件老化和温漂等因素带来的问题同时提高了系统的抗干扰能力 另外 实 现不同的控制算法只需更改软件 使得系统简单经济 维护方便 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题 提高补偿容量 降低 成本和损耗 进一步改善补偿性能 多功能化 有源装置小型化等 在有源电力 滤波器的应用方面主要应解决 最优配置 针对不同谐波源的相应对策 有源滤 波器的相互干扰 有源滤波器对电网上已装设的l c 滤波器的影响 有源和无源 滤波器结合方式等 1 4 本文的内容安排 第一章为绪沦 第二章介绍有源电力滤波器的基本原理 构成 分类 及常见指令电流检测 与电流跟踪控制算法 并介绍了主电路形式 给出主电路设计中涉及的直流侧电 压 交流侧电感等参数的选取依据 第三章介绍基于递推最小二乘算法 r l s 的自适应谐波电流检测 通过研 究其权值收敛方式 提出了两利 改进算法 通过对单相及三相电流的检测仿真 验证算法的有效性 第四章对电压型并联有源电力滤波系统进行仿真研究 重点实现定时控制瞬 时值比较算法的电流跟踪控制 及三相负载对称 不对称情况下系统的谐波抑制 与无功补偿 第血章重点介绍基于d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 的r l s 谐波电流检测法的软硬 件实现 通过实验结果 进一步验证算法的有效性 第六章总结本论文所做的主要工作 并对今后一些需要进一步研究的问题进 行筒述与展望 7 江苏大学硕士学位论文 第二章电力有源滤波器 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波 补偿无功的新型电力电子装置 它能对大小和频率均变化的谐波以及变化的无功进行补偿 其应用可克服l c 滤 波器等传统方法的缺点 本章介绍有源电力滤波器的基本工作原理及构成 并分 别对各个主要部分进行重点介绍 2 1 有源滤波器基本原理 图2 1 所示为最基本的有源电力滤波器的系统构成的原理图 其中 e 表示 交流电源 负载为非线性的谐波源 即补偿对象 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 电流跟踪控制电路 驱动电路和主电路三部分构成 其中 指令电流运算电路 的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量 因此有时也称之为谐 波和无功电流的检测电路 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 图2 1并联型有源电力滤波器系统构成 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 例如 当需要补偿负载所产垡i 的谐波电流时 有源电力滤波器检测出补偿对 象负载电流t 的谐波分量f 肋 将其反极性后作为补偿电流的指令信号l c 再由补 8 江苏大学硕士学位论文 偿电流发生电路产生实时精确跟踪 的补偿电流t 这样补偿电流t 和谐波电流 也大小相等 方向相反 因而两者互相抵消 使电源电流f 中只含基波电流分量 这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的 上述原理可用一组公式描述 l s2 l l l c l l 5 l l f 1 l h 2 1 屯2 一l l h l s 2 l l l c 2 l l 式中 西为负载电流的基波分量 若要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时 还要补偿负载的无功功率 则 只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即 可 由以上分析可知 有源电力滤波装置的关键是 谐波电流的检测 适当的 电流跟踪控制方法以及主电路的设计 2 2 有源电力滤波器的分类及其系统构成 根据有源电力滤波器接入电网的方式 将其系统构成分为并联型和串联型两 大类 两者又分别包括不同的类型 具体分类如图2 2 所示 图2 2 有源电力滤波器的系统构成分类 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器 后来为尽量发 9 江苏大学硕士学位论文 挥有源电力滤波器的特长 提高其性能 提出了其它的几种方式 2 3 指令电流运算及电流跟踪控制策略 有源电力滤波器的性能主要由指令电流的运算 谐波及无功电流检测 和补 偿电流的发生两部分决定 2 3 1指令电流运算电路及检测方法 指令电流运算电路的核心是谐波电流实时检测方法 实时 精确地检测出电 网中瞬时变化的谐波电流 是提高有源电力滤波器补偿精度的一个关键问题 目 前采用的检测方法主要有以下儿种 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器枪测法 4 1 4 2 该方法的原理足在检测的信号中提取出基波分量 它与原信号之差即谐波电 流 其优点在于电路结构简单 造价低廉 输出阻抗低 品质因数易于控制 缺 点是误差大 对电网频率波动较敏感 基于f f t 的数字化分析方法 4 3 4 4 1 该方法建立在f o u r i e r 分析的基础上 通过f f t 将检测到的一个周期的谐波 信号分解 得到各次谐波分量的幅值和相位系数 再通过带通滤波器或傅立叶变 换器得到所需误差信号 将该信号进行f f t 反变换得到补偿信号 其优点是可 选择需要消除的谐波次数 缺点是瞬时性较差 特别是对高次谐波的检测精度影 响较大 基于a k a g i 三相瞬时无功理论的检测方法 4 5 4 8 1 由日本学者a k a g i 提出的这一检测方法在有源电力滤波器的发展过程中起 到了巨大的推动作用 是目前a p f 中应用最广的一种检测方法 该方法将三相 电气矢量变换到口 坐标 并重新定义瞬时有功 瞬时无功等 再将这些功率逆 变为三相补偿电流 该方法具有较好的实时性 在三相电路中得到了成功的应用 但足这种方法使用了大量的模拟乘法器 计算量相对较大 调整困难 参数依赖 性很大 很难保证设计的计算精度 且该方法不能用于单相系统 1 0 江苏大学硕士学位论文 自适应检测法 4 9 5 3 1 该方法是根据自适应干扰对消的原理 将自适应干扰对消信号处理技术用于 谐波和无功电流的检测 构成闭环连续调整检测系统 其运行特性几乎与元件参 数无关 当电源电压产生畸变和基频偏移时 枪测系统仍能i e 常工作 有优良的 自适应能力 基于小波变换的检测方法 5 4 螂 由于电网谐波是各种频率成分合成的 随机的 出现和消失都突然的信号 在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下可发挥小波变换的优势 即对 谐波信号采样离散后 利用小波变换对数字信号进行处理 实现谐波的精确测定 基于神经网络的的谐波测量 5 7 利用神经中枢网络最优化理论 依据自适应原理 建立谐波分量自适应测量 的人工神经网络 a n n 可以在线对谐波分量的幅值和初相位进行逐个测定 该方法准确度高 模拟电路简单 具备在线应用的能力 2 3 2 电流跟踪控制电路及控制策略 电流跟踪控制电路足补偿电流发生电路中的第一个环节 其作用是根据补偿 电流的指令信号和实际补偿电流之问的相互关系 得出控制补偿电流发生电路中 主电路各个器件通断的p w m 信号 控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号 的变化 目前p w m 控制的方法主要有 滞坏比较控制方式 这种方法将补偿电流参考值f 与逆变器实际补偿电流t 输出值之差 f 输入 到具有滞环特性的比较器 通过比较器的输出来控制开关的开合 从而使逆变器 输出电流实时跟踪指令电流值 具有开关损耗小 动态响应快等特点 缺点是系 统的开关频率 响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响 带宽固定时 开 关频率会随补偿电流变化而变化 从而引起较大的脉动电流和开关噪声 三角波比较方式 三角载波控制是最简单的一种控制方法 通过将检测环节得到的指令电流值 江苏大学硕士学位论文 e 与实际补偿电流值t 之间的偏差 t 经放大器a 之后与高频三角载波相比较 所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号 从而在逆变器输出端获得 合适的补偿电流 该方法的优点是输出电压中所含谐波较少 开关频率固定 实 现电路简单 缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量 开关 损耗较大 在大功率应用中受到限制 空间矢量调制法 5 8 空问矢量调制法 s p a c ev e c t o rm o d u l a t o r s 的原理足将三相整流器作为整体 通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间 使一个控制周期内 开关矢量输出的平均值与参考矢量相等 也即在矢量空 i j 内用有限的静止矢量去 合成和跟踪调制波的空间旋转矢量 使合成的空间矢量含有调制波的信息 采用 空间矢量脉宽调制 通过优化开关矢量可以有效降低开关频率和减小交流侧线电 流的总谐波畸变率 但是受一般微控制器运算能力的限制 该方法经常要在实现 速度和合成脉宽调制波形质量之问进行折中 无差拍控制方式 5 9 6 0 1 无差拍控制 d e a d b e a tc o n t r 0 1 是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展 起来的全数字化控制技术 该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值 计 算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值 选择某种开关 模式作为下一时刻的开关状态 从而达到电流误差等于零的目标 该方法的优点 是能够快速响应电流的突然变化 缺点是计算量大 而且对系统参数依赖性较大 近年来不断有新的改进方法出现 2 4 有源电力滤波器的主电路 2 4 1 有源电力滤波器的主电路形式 有源电力滤波器的主电路形式通常采用单个p w m 变流器结构 其按直流侧 储能元件为电容或电感分为电压型 电流型 根据接入系统的不同 可以分为单 相主电路和三相主电路 图2 3 和2 4 分别给出了可应用于三相三线制系统的电压型和电流型两种基 1 2 江苏大学硕士学位论文 本主电路形式 图中 a b c 接至三相电源 s i s 墨和 墨 为各组丌 关器件的代号 乙 ot 分别是三相实际补偿电流 图中所面i 的电力电子开关 器件为i g b t 实用中可在g t o 晶闸管 b j t i g b t 电力m o s f e t 等器件中 选择 图2 5 和2 6 分别给出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形 式 其中t 是单相补偿电流 图2 3 三相电压型主电路图2 4 三相电流型主电路 图2 5 单相电压型主电路图2 6 单相电流型主电路 电压型和电流型两种主电路的一些基本特点如下 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容 在正常工作时 其电压基本 保持不变 可看作电压源 电流型p w m 变流器的直流侧接有大电感 在正常工 作时 其电流基本保持不变 可看作电流源 对于电压型p w m 变流器 为保持直流侧电压不变 需要对直流侧电压 进行控制 对于电流型p w m 变流器 为保持直流侧电流不变 需要对直流侧电 流进行控制 电压型p w m 变流器的交流侧输出电压为p w m 波 电流型p w m 变流 器的交流侧输出电流为p w m 波 电流型p w m 变流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 但是 与电压型p w m 变流器棚比 电流型p w m 变流器的一个优点足 不会因为主电路开关器件的直通而发生短路 故障 6 1 6 2 江苏大学硕士学位论文 目前电力半导体器件尤其全控型器件的容量有限 而且容量越大的器件二 作 频率越低 如果采用单个的p w m 变流器不能达到容量要求时 通常采用多重化 的主电路形式 6 3 6 4 j 多重化主电路还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率 从而改善补偿电流的跟随性能 同时 由于等效开关频率提高 可以降低单个器 件的工作频率 减小器件的开关损耗 多重化技术已经成为研究的热点 2 3 2 主电路的工作原理 对照图2 3 补偿电流是由主电路中豆流侧咆答电压与交流侧电源电压的差 值作用于交流侧电感上产生的 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足导通的 假设三相电源电压之和e i e 6 e 0 并根据电路理论有 乙 f 0 可得 出如下微分方程 l a i c o e a k 虬 2 2 d t l 上冬 e b k b u 2 3 d l 譬 e c k l u c 2 4 d t j 式中 k 亿 k 足开关系数 表1 1 给出了主电路各工作模式对应开关系数的值 其中对于每一相 上管 开通对应状态 1 下管开通财应状奈 0 表1 1主电路工作模式与开关系数 主电路各相的工作状态开关系数 工作模式 abck ak bk c 1o01 1 3 1 32 3 2olo一1 32 3 1 3 3o11 2 31 31 3 410o2 3 1 3 1 3 5l011 3 2 31 3 6l1o1 31 3 2 3 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 3 3 主电路参数计算与设计 对于常用的三相电压型并联a p f 来讲 主电路的主要参数 交流侧电感三 直流侧贮能电容c 及直流侧电压u c 不仅决定系统能否正常工作 而且影响系统 的补偿性能和整个系统的成本 凶此主电路参数的确定尤为重要 6 5 1 以f 的分析 将为主电路参数的选取提供理论依据 直流侧电压的确定 有源电力滤波器正常工作时 输出的补偿电流在指令电流两侧呈锯齿波状跟 随其变化 对于图2 3 的a 相 有 冬 导 乞一k u 2 5 d tl u u 当f o 2 7 d t 根据式 2 6 要完全满足 2 7 必须有 虬 3 2 8 其中 乓为电网相电压的峰值 由此可以看出 主电路直流侧电压值应该大于电网相电压峰值的3 倍 在此 基础上 直流侧电压越大 补偿电流的跟随性能越好 但是器件耐压要求也越高 成本加大 需要综合考虑 直流侧贮能电容的选取 在直流侧a p f 补偿容量一定的情况下 电容电压的允许波动范围影响直流 侧电容的大小 允许波动范围越大 电容町以越小 就可以降低成本 但是波动 范围过大会影响a p f 的补偿效果 考虑a p f 在萨常工作时直流侧电容始终工作在充放电状态 假设在某一个 p w m 周期内电容始终处于充电或放电状态 直流侧电容电胝的最大允许偏差没 江苏大学硕士学位论文 为a u m 舣 则有 由式 2 9 得 u 赤 i c 百1 虬 i c ol 戤厶删 虬 卜l 戤 2 9 2 1 0 上式中 c 为直流侧电容值 厶聊为p w m 脉冲频率 川 为通过电容c 的最 大电流值 交流侧电感的选取 电感电流的动态指标坊 以决定了补偿电流跟踪指令电流的效果 从理论上 来讲 一定范围内 电感电流的动态变化率越人 补偿效果越好 但是疣 以越 大 会在补偿电流 b 产生过大的纹波电流 从而影响补偿效果 因此应确定a p f 可以跟踪的指令电流最大变化率l 啦 刮 在图2 3 中 对于日相有 堕生 乞一蚝u 2 11 dtl o 7 由式 2 8 和 2 11 得 劁a t z 1 1 t t u 一已 2 1 2 如果要求a p f 可以跟随指令电流最大变化率 则有 吲a tt m i z 1c 弦驰m 仁 所以主电路交流侧电感的最大值为 k 丐1 e 悟a i dl 亿 4 即电感的选取应满足如下条件 三 j 1 讥一e i i d 西i 7 0l l 2 1 5 上式中 指令电流最大变化率陋二 衍l 与补偿参考电流的具体表达形式密切相 关 文献 6 6 给出了计算i 坊二 础l 的经验公式 1 6 江苏大学硕士学位论文 斛 刈呲啡l 2 1 6 上式中 f 为电源频率 且 k 一 笃乏耋莩喜誊薹芸姜骂分量时 c 2 7 式中 二为指令电流的有效值 2 5 本章小结 本章首先介绍了有源电力滤波器的基本原理 系统构成和分类 重点介绍了 几种指令电流运算及电流跟踪控制策略 分析了它们的原理特征和优缺点 此外 对有源电力滤波器的主电路形式 工作原理及其主要参数的设计进行了详尽的讨 论 为后文奠定了重要的理论依据 1 7 江苏大学硕士学位论文 第三章 基于r i s 算法的谐波电流检测法 有源电力滤波器的工作性能在很大程度上取决于对谐波电流的准确 实时检 测 其检测一般只需检测出除基波电流 或基波电流的正序分量 之外的总畸变 电流哺7 1 除了要求检测算法有较高精确度和较好实时性外 还要求在负载发生变 化时有良好的自适应跟踪检测能力 本章介绍自适应r l s 谐波电流检测算法 其 优点在于作为闭环检测系统 对电网参数变化具有自适应能力 且对单相 三相 系统具有通用性 8 6 9 1 3 1基于r l s 算法的自适应抵消技术 3 1 1 自适应抵消技术原理 b w i d r o w 等于1 9 6 7 年提出的自适应抵消技术1 7 0 1 a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n g t e c h n o l o g y a n c t 可使白适应滤波系统的参数a 动调节到最佳状念 而且在 设计时只需要很少或根本不需要任何关于信号和噪声的先验知识 自适应滤波算 法是整个a n c t 的关键部分 图3 1 描述了a n c t 的原理 系统分为主通道和 参考通道 主通道输入u n 含期望信号的d n 和噪卢s l 参考输入只有噪声u 2 通过自适应滤波器的权向量职n 调整其输出y n w7 刀 甜 使y 在最小均 方误差意义下最接近主通道噪声s l 这样 通过相减器 将主通道的噪卢s l 抵消 掉 自适应滤波理论的很多算法都可以应用与噪声抵消器 图3 1自适应抵消技术原理 a n c t 的核心是a 适应滤波算法 自适应滤波算法的最显著特点就是能根据 1 8 江苏大学硕士学位论文 某一特定的规则 有效地在未知环境中跟踪实时变化的输入信号 使输出信号达 到最优 所以对实时性要求很强的通信系统 运用自适应滤波技术来实现相关实 时信号处理 具有显著的效果 白适应滤波器具有以下特点 白适应滤波器 实际上是一种参数可自动调整的特殊的维纳滤波器 它能按照某种准则自动地调整自身参数 以满足最佳滤波的需要 白适应滤波器具有学习和跟踪性能 在各种各样的自适应算法里 应用最广的自适应算法形式为 下降算法 下降算法 有两种实现方法 一种是 自适应梯度算法 另一种足 自适应 高斯一牛顿算法 前者包括l m s l e a s tm e a ns q u a r e 算法及其各种变型和改 进算法 后者包括r l s r e c u r s i v el e a s ts q u a r e 算法及其变型和改进算法 两 者的优缺点比较见表2 1 表2 1自适应算法比较 算法初始收敛速度执行稳定性 执行计算量 应用范围 l m s 较慢差简单 计算量小所自 信号 r l s比l m s 快一个数量级 好复杂 计算量大平稳信号 3 1 2 基于r l s 准则的自适应算法 r l s 算法足在误差最小二乘意义下 应用矩阵求逆公式推导出来的 对于平稳输入信号 定义待最小化的代价函数表示为孝 聆 其中n 是可测数 据的可变长度 孝 以 9 2 f m i n 3 1 式 3 1 中 p 俐是期望响应三何与i 时刻抽头输入为z f u o 矽 斛矽 的横向滤波器输出y 之差 如图3 2 所示 即 p f 三 i 一少 f f 一w7 3 2 式 3 2 中r v f 是n 时刻的抽头权向量 h 何足i 时刻的抽头向量输入 定义为 w w o 疗 2 玎么一 2 7 1 u i i u i 1 u i m 1 r 1 9 3 3 3 4 江苏大学硕士学位论文 图3 2具有时变抽头权值的横向滤波器 特别要强调的是式 3 1 3 2 中i 表示 瞬时 的概念 不同时刻i 的输入 矢量甜 是不同的 这表明 对每一 时刻的所有输入信号 都要重新仙计其误差 并使这些洪差的平方和4 n 最小 对于非甲稳输入信号 代价函数修i f 为 掌 刀 n 兄 p 2 泸主力 e l i 一w 7 u 2 m i n 3 5 式 3 5 中指数加权凶子五称为 遗忘因子 是一个接近l 但又小于1 的j 下常数 引入加权因子兄是为了更好地实现对非平稳信号的跟踪 即时刻i 越接近n 数 据越新 对足艮踪越重要 力 权将越重 反之 距n 越远时刻的数据 权重越小 以使算法能适应非平稳环境 粗略的地说 l 一五的倒数可以用来衡量算法的记忆 能力 而咒 1 的特殊情况 则对应于一般的最小二乘法 同时对应于无限记忆 下面按照式 3 5 的最小化准则确定最佳权矢量旷 p 例对 求导数并令其 等于零 得 掣卅主矿锄 垆0 3 6 a 7 这是最小二乘方准则所对应的j f 交方程 上式经整理后得到标准方程 五 一 e l i w7 比 i h f o w z 2 u i u t f a 1 f f 3 7 定义 自相关矩阵r n 且 相关矩阵r n 为 眉 刀 u i u f 3 8 0 2 0 江苏大学硕士学位论文 n 力 l i u 7 f a 0 则标准方程可以写成简化形式 该方程的解为 r n w 刀 w r 1 z 刀 3 9 3 1 0 3 1 1 注意式 3 1 1 中r 一 聆 和r n 都与n 有关 所以 实际上是n 的函数 冈此 上 式可以写成 刀 r 一 玎 刀 p z 2 3 1 2 这里定义 p 2 r 叫 7 3 1 3 式 3 1 2 是按最小二乘方准则得到的维纳解 其中r n 和r n 分别起着式 3 1 1 中曰和 的作用 将式 3 1 2 写成按n 进行迭代计算的形式 便推导出r l s 算法 为此 首先 将式 3 8 和式 3 9 写成迭代形式 r n a r n 1 u n u 7 z 3 1 4 z 2 r n 一1 l n u n 3 1 5 然后根据式 3 1 3 式 3 1 4 可写成 p 刀 e a p 一1 胛一1 龆 玎 跖7 z r