（电力系统及其自动化专业论文）谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究.pdf

硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 a b s t r a c t ag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n dr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ea r o u n dt h e w o r l da n dt h e o r yo ft h r e e p h a s ei n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e ri sg i v e ni n t h i st h e s i sa tf i r s t t h e i r i q m e t h o db a s e do nt h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ri nd e t e c t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti sr e s e a r c h e da s e m p h a s e s t h e nt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o n m o d eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri nh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nb a s e do n i p i q m e t h o di sg i v e ni ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a b 6 5s o f t w a r e s i m u l a t i o n r e s e a r c ht ot h em e t h o do fp w mc o n t r o lo fg e n e r a t i n gc o m p e n s a t i v ec u r r e n ti sd o n e t h e s y s t e mc o n t r o lt ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e ri sa l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s i m u l a t i o nm o d ea n dt h e s i m u l a t i o nm e a n si m p l e m e n t e da r ep r o p e ra n de f f i c i e n t a tt h eb a s i so fs i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n to fi n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t ss h u n ta p fc o n t r o l l e db yt m sf 2 4 0 d s pi se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r es y s t e ma n d t h es o f t w a r es y s t e mo ft h i sd e v i c ea r cd e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d et h ec u r r e n ta n d v o l t a g ed e t e c t i n g t h ep w md r i v i n gc i r c u i tb a s e di ni r 2 2 3 3 jc h i p t h em a i nc i r c u i ta n dt h e p r o t e c t i n gc i r c u i to fi g b t t h es o f t w a r es y s t e mi sw r i t t e nb yd s pc o m p i l el a n g u a g e t h e m a i np r o g r a mi n c l u d e st h ei n t e r r u p tc o n t r o l z e r op o i n td e t e c t i n go fv o l t a g e h a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t sd e t e c t d i g i t a lf i l t e r t h ed cb a rv o l t a g ec o n t r o l t h ep w mc o n t r o la n dt h e p r o t e c t i n gc o n t r 0 1 f i n a l l yt h ea p fd e v i c ei st e s t e d t h es h u n ta p fo f i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i c a n dr e a c t i v ec u r r e n t sc o n t r o l l e db yd s pi se f f e c t i v e k e yw o r d s h a r m o n i cc u r r e n t s r e a c t i v ec u r r e n t i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i o n a c t i v e p o w e rf i l t e r a p f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r m a t l a bs i m u l a t i o n d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r d s p i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本 学位论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明 研究生签名 盘亟2 口辨加2 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容 对于堤字 论文 按保密的有关规定和程序处理 研究生签名 孟丑2 蟛 年白2 7 日 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 1 绪论 随着国民经济和科学技术的快速发展 对电能的需求量极大增长 同时电能质量 也越来越显示其重要性 电力部门和用户对电能质量的关注也目益增加 电能质量不 良将会造成工业生产的非计划停产或设备损害 使用户遭受相当大的经济损失 其中 无功和谐波的问题是最为重要和基本的一个问题 1 1 引言 理想状态的公用电网应以恒定的频率 标准的电压和正弦波形对用户供电 同时 在三相交流系统中 各相电压和电流幅值应大小相等 相位对称且互差1 2 0 但电力 系统的非线性 以及现阶段电力电子装置的广泛应用 理想状态并不存在 产生了大 量的谐波电流 谐波电压和无功 6 1 这些谐波和无功就产生了电网运行和供电环节中 的各种问题 如损耗增加 效率降低 噪声和过压过热等 如果输配电系统能够少送 或不输送无功 以便减少电能传输损耗降低电能成本 提高用户用电装置的性能 减 少不必要的损耗 将带来很大的经济效益 于是各国的电力科技人员对谐波抑制和无 功补偿这方面课题的研究产生了浓厚的兴趣 并且随着电力电子技术的飞速发展 在 这方面取得一些突破性进展 其中美日两国的科研人员取得了巨大的成就 而国内多 处在起步阶段 但也有了不小的进步 因此选择这个课题是很有意义的 由于谐波的 存在 传统的无功功率的定义和无功功率理论就显得不够完善 存在着多种无功功率 理论 因此这个课题的研究也有较大的理论意义 1 2 谐波和无功电流的产生原因及其危害和不良影响 1 2 1 谐波和无功电流的产生原因 电网中的谐波主要是由各种大容量电力变流设备以及其它非线性负载产生的 其 中主要的谐波源是各种电力电子装置 包括各种整流装置 交流调压装置 变流装置 电弧炉 办公及家用电器 照明设施等等 电力机车中采用的大容量单相整流装置 除产生谐波电流外 还引起三相交流供电系统的三相电流不平衡 此外 一些铁磁非 线性设备 如发电机 变压器及铁磁谐振设备等也是不可忽视的谐波源 所有这些都 使得电力系统的电压 电流波形发生畸变 从而产生高次谐波 在工业和生活用电负载中 感性负载占有很大的比例 感应电动机 变压器 传 统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载 感应电动机和变压器所需要的无功功率在 电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例 电力系统中的电抗器和架空线等也需 要一些无功功率 1 一些电力电子装置 特别是各种相控装置 如相控整流器 相控 交流电力调节装置等 在工作时基波电流滞后于电网电压 要吸收大量的无功功率 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 工业用电弧炉在工作时 不但要吸收大量的无功功率 且因其电弧不稳定 所吸收无 功功率的波动也很大 所有这些负载在工作中都需要大量的无功功率 1 2 2 谐波的危害和无功的不良影响 高次谐波对各种电力设备 通信设备及线路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 高次谐波对公用电网和其它系统的危害主要有以下几个方面 3 1 谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗 降低发电 输电及用电设备 的效率 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 无功功率对公用电网的不良影响主要有以下几个方面 町 1 1 增加设备容量 无功功率的增加 会使发电机 变压器及其它电气设备容量 和导线的容量增大 同时 电力用户的起动及控制设备 测量仪表的尺寸和规格也要 加大 2 设备及线路损耗增加 3 无功功率的变化会引起电网电压的波动 使一些用电设备无法正常工作 降 低供电质量 1 3 电力系统谐波和无功电流的综合补偿方法 不论是谐波还是无功 从物理本质上看 都可以归结为波形的问题 谐波是工频 正弦波畸变 无功是电压电流波形相位不同 正是由于这种物理本质的统一性 可 以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿 有源电力滤波器 a c t i v ep o w e rf i l t e r 就是一种谐波和无功的综合补偿系统 和前面论述的谐波和无功抑制方法相比 有源 电力滤波器具有以下一些特点叫n 4 例 1 实现了动态补偿 有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的 无功进行补偿 对补偿对象的变化有极快的响应 2 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 2 可同时对谐波和无功进行补偿 也可单独补偿谐波或无功 且补偿无功的程 度可连续调节 3 在实际应用中 有源电力滤波器的贮能元件容量很小 4 即使需要补偿的电流超过其额定值 也不会发生过载情况 并能在其额定容 量内继续正常工作 5 受电网阻抗的影响较小 不易与电网阻抗发生谐振 6 能跟踪谐波频率的变化 补偿性能不受谐波频率的影响 7 既可对特定的谐波源和需要无功的负载进行补偿 也可对多个谐波源和需要 无功的负载迸行补偿 可见 采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波和无功抑制方法优越的补偿性 能 随着电力电子技术的发展 电力电子器件容量的增加 成本的下降 有源电力滤 波器将会成为一种具有良好应用前景的谐波和无功综合补偿装置 有源电力滤波器还可以补偿三相不对称非线性负载电流中的负序电流 则有源电 力滤波器在抑制谐波 补偿无功的同时 还可以达到平衡三相负载的目的 使有源电 力滤波器的性能得到更充分的发挥啡 3 有源电力滤波器的作用己不仅仅限于滤波 因此也有人将之称为有源线路调节器 a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r s o 1 4 国内外研究概况及发展趋势 1 4 1 谐波和无功功率的理论研究 谐波和无功功率问题对电力系统和电力用户都是十分重要的问题 也是近年来各 方面关注的热点之一 在无功和谐波的理论研究方面 两者虽然看似两个相对独立问 题 但实际两者有着紧密的联系 这是因为在没有谐波的情况下 无功功率有其固定 的概念和定义 但在含有谐波情况下无功定义和谐波有密切的关系 同时产生谐波的 装置大都也是消耗基波无功功率的装置 所以在研究时都将两者统一起来 电力系统中 由于电压电流谐波的存在 功率现象比较复杂 建立包含畸变和不 平衡的完善功率理论 在理论中是一个重要的基础性课题 迄今 主要有三种功率理 论 各有各的优点和缺点 引 第一类功率理论适用于谐波和无功功率的辨识 包括谐 波源的确定 谐波和无功功率的理解 c z a m e c k i 和d e p e n b r o c k 对这一类功率问题的 解决起重要的作用 第二类功率理论是由h a k a g i 等人提出的瞬时无功功率理论 该 理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波和无功补偿问题 对 谐波和无功补偿装置研究和开发起到很大推动作用 第三类功率理论适于仪表测量和 电能的管理 收费 但至今未取得大的突破 所以 国内外学者对无功和谐波理论上 的研究方向是如何把以上三类无功理论的优点统一起来 找到一种彻底解决问题的理 论和方法 但这较为困难 在理论上只能对上述几类理论进行小的改进以适应工程上 3 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 的应用 很难取得大的突破 1 4 2 谐波抑制和无功补偿装置的研究现状 电力系统中 谐波抑制和无功补偿实际装置工程技术的发展较理论的发展要快很 多 传统的无功功率控制方法有很多 同步发电机直接输出无功 使用同步调相机 同步电动机和并联电容器提供无功 但这些方法存在很多无法克服的缺点 本世纪 7 0 年代以来 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用 使晶闸管控制的静止 无功补偿装置 s v c 碍到迅速的应用 1 9 1 静止无功补偿器是现阶段广泛使用的无功 补偿装置 技术已经很成熟 随着全控型电力电子器件g t o i g b t 的发展 一种新 型的无功补偿装置静止无功发生器 s v g 发展起来 2 0 1 原理和控制与s v c 有很大 不同 是动态无功补偿装嚣的发展方向 日本和美国已有少数几台8 0 1 0 0 m v a 的 s v g 投入运行 在中国 清华大学和河南省电力公司合作 自主研制出2 0 m v a 静止 无功发生器 2 l 达到国际水平 使我国成为少数几个拥有s v g 自主知识产权的国家 之一 在谐波抑制方面 传统的抑制方法是使用l c 滤波器 但其损耗大 参数易变 不能动态补偿等缺点已不能满足电能质量的要求 动态抑制谐波 补偿无功的新型电 力电子装置有源电力滤波器 a p f 成为近些年来研究的热点 a p f 是在1 9 7 1 年由 s a s a k i h 最早提出 从8 0 年代开始 发达国家在有源电力滤波器领域取得进展 1 9 8 2 年世界上第一台并联型有源滤波器投入工业应用 1 9 8 7 年t a k e d a 等提出并联a p f 加 并联无源滤波器的混合有源电力滤波器 i i a p f 1 9 8 8 年 f z p e n g 等提出串联a p f 加并联无源滤波器的h a p f 1 9 9 0 年 h f u j i t 等提出a p f 与无源滤波器相串联的 h a p f 1 9 9 4 年 h a k a g i 等提出串联a p f 和并联a p f 的h a p f 等等 最近又有人 提出统一电能质量调节器 u p q c 2 2 1 1 5 6 结合并联有源电力滤波器和串联有源电力 滤波器的优点 综合改善电能质量 现阶段有源电力滤波器的研究方向是如何减少开 关损耗 增大系统容量 其中基于s p w m 的多电平级联变流器是研究的熟点l l 9 0 年代后期 并联a p f 在日本 美国等国开始广泛应用 日本迄今至少有5 0 0 多台a p f 在现场应用 国外现已有5 0 k v a 1 m v a 的a p f 产品 在国内 西安交大 浙大 清 华 哈工大等高校正在积极研究 取得了阶段性成果 其中拓扑结构和控制方法方面 取得了一定的成果 但离产业化目标甚远 有很多关键技术如a p f 大容量化 模块 化 标准化有待解决f 1 3 1 7 还未见到有应用性成果报道 谐波和无功综合补偿是在补偿谐波的同时补偿无功 即在a p f 装置中同时补偿 基波无功 能降低设备的总成本 能综合补偿谐波和无功的a p f 的拓扑结构与只补 偿谐波的a p f 很相似 但综合补偿装置还是有很多特别的地方 其中最大的不同是 两者的指令运算系统 综合装置不但检测出谐波电流还检测出无功电流 这样补偿电 4 硕士论文谐波抑制和无功补偿综台控制技术的研究 流发生电路产生的补偿电流中就包含有无功电流 也就是说对有源电力滤波器的指令 系统加以改进就既可以抑制谐波也可以补偿无功 再有两者的容量也有区别 一般综 合补偿的a p f 容量大 对器件的要求更高 在日本已投入的a p f 中就有2 0 能同时 补偿无功 这也看出能够综合治理电能质量的装置是将来的一种趋势 是一种有前途 的滤波装置 对中国来说 首要的任务是实现a p f 的产业化 尽早有产品投入运行 其中比较经济的做法是与l c 滤波器混合使用的有源电力滤波器 4 0 l t 4 5 1 除装设a p f 外 另一条抑制谐波的途径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 称之为高功率因数整流器 1 5 论文的主要工作 论文中研究的课题是根据中国电能质量现状 谐波抑制和无功补偿的实际情况 追踪当前课题学术前沿 研究能够同时补偿谐波和无功的综合控制技术 最后通过研 制有源电力滤波器的样机 用实验验证补偿效果 课题研究的谐波和无功综合补偿技术是面向0 4 k v 电压等级的谐波源和无功消 耗大户 如住宅小区 办公大楼以及大型整流装置 实际投入后降低2 2 0 v 用户流入 电网的谐波 实现用户谐波和无功的就地补偿 达到较好的效果 论文中仿真和实验用的综合补偿装置 即有源电力滤波器a p f 是能对谐波及无 功电流进行综合补偿的 主要工作包括以下几个方面 1 首先要理解各谐波源产生谐波的特点 了解谐波和无功对电网的危害 研究 综合治理谐波和无功的办法 2 解决谐波和无功精确检测问题 其中的检测方法有很多 论文中选取瞬时无 功法实现检测 实验中谐波和无功电流检测算法将采用德州仪器公司生产的型号为 t m s3 2 0 f 2 4 0 的数字信号处理器 d s p 编程实现 3 研究产生补偿电流的p w m 变流器的控制方法 即a p f 内环控制方法 仿真 和实验中将采用定时滞环电流控制 p w m 变流器的控锩4 器也将采用t m s3 2 0 f 2 4 0 的数字信号处理器 d s p 定时滞环控制算法的实现以及p w m 变流器的触发脉冲 的产生均通过对d s p 编程来实现 4 研究能使a p f 稳定运行的控制方法 即a p f 外环控制方法 论文中用m a t l a b 软件对a p f 进行数学建模 并对整个a p f 系统进行仿真 讨论a p f 在外环控制算法 下的稳定性问题 5 对综合补偿谐波和无功电流的三相并联型有源电力滤波器实验系统进行了 硬件设计 搭建的硬件电路主要包括 电流和电压检测电路 基于i r 2 2 3 3 j 的p w m 驱动电路 p w m 三相变流桥主电路及i g b t 保护电路等几部分 6 对综合补偿谐波和无功电流的三相并联型有源电力滤波器实验系统进行了 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 软件设计 系统软件部分用d s p 汇编语言编写 其中包括 定时器中断控制及a d 采样 软件方法实现与电压同步 基于f 一i 法的谐波和无功电流的计算 平均值数 字滤波 直流侧电压的数字p i 控制 p w m 波输出控制和外部中断保护程序 其中 实验中综合补偿装置的软硬件系统设计是论文中的重要部分 最后通过实 验 对谐波和无功的综合补偿的效果进行验证 6 硕士论文谐波抑制和无功补偿综台控制技术的研究 2 谐波和无功电流检测算法的研究 研究谐波和无功电流的综合补偿技术 首先要解决谐波和无功电流的精确检测问 题 本章对各种检测算法予以介绍 重点研究基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电 流检测法 2 1 谐波和无功电流的检测方法 在有源电力滤波器中 实时准确的检测出谐波和无功电流是很重要的 方法有很 多种 最早的谐波检测方法是用模拟带通滤波器来实现 由于滤波器中心频率固定 当电网频率波动时 滤波效果会大大下降 此外滤波器的元件参数受温度及老化的影 响 要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的 并且这种方法也不能同 时分离出无功电流和谐波电流 第二种是基于f r y z e 功率定义的检测方法 其原理是将负荷电流分解为与电压波 形一致的分量 将其余分量作为广义无功电流 包括谐波电流 它的缺点是 因为 f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的 所以要求的瞬时有功电流需要进行一个 周期的积分 再加其它运算电路 要有几个周期延时 因此 用这种方法求得的瞬时 有功电流实际是几个周期前的电流值 第三种是基于f f t 的采样数字计算方法 此方法只能检测有限次数的谐波 且需 进行两次f f t 变换 由于需要一定的采样计算时间 造成谐波检测速度慢 瞬时性误 差较大 特别是对高次谐波的捡测精度影响较大啪儿 1 第四种是基于自适应噪声相消的检测方法 自适应嗓声抵消技术是信号处理中的 一种信号检测技术 它能把一个信号从加性噪声的干扰中分离出来 此方法其工作特 性和器件参数几乎无关 对器件的依赖不大 因此 只要保证输入信号不超过其线性 动态范围 系统就可正常工作 该系统基本上克服了传统检测方法的缺陷 是一种性 能优越的自适应快速检测系统 第五种是基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法 瞬时无功功率理论突 破了传统功率理论在 平均值 基础上的功率定义 使谐波及无功电流的实时检测成 为可能 该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性 有利于系统的 快速控制 可以获得较好的补偿效果 在具体检测时存在两种检测方法 p q 法和 i 一i 法 p q 法对于三相不平衡负荷所产生的无功和谐波电流 补偿效果则不理想 但f 一屯法在电压畸变和不平衡时没有误差 取得广泛的应用 2 埘3 基于神经网络的谐波检测法和基于小波分析的谐波检测法研究不多 不再多述 综合以上比较 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法实时性好 延时小 既能检测谐 波又能检测无功 基于傅立叶快速变换的谐波检测法 在谐波检测 无功补偿和频谱 7 硕士论文 谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 分析方面 均获得较广泛的应用 这两种是目前采用的主要方法 在谐波和无功综合 补偿装置设计中将采用基于瞬时无功功率理论的检测i 一i q 法 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 经过对几种常用的谐波和无功电流检测方法的比较 基于瞬时无功功率理论的谐 波和无功电流检测法实时性最好 最适于实验中综合补偿装置的检测应用 下面介绍 瞬时无功功率理论 2 2 1 瞬时无功功率理论基础 在三相三线制电路中 设各相电压和电流的瞬时值分别为e e e 和f i i 由于p p 6 p 0 i a 屯 f 0 所以三相电压和三相电流各只有两个独立分 量 其中一个分量可由另两个分量求出 为分析问题方便 把它们分别变换到两相正 交的口一卢坐标系上研究 由式 2 1 和式 2 2 的变换 得到两相瞬时电压e p 和两 相瞬时电流屯 i e 1 c 3 2 剐 眨 小 图 c z z 其中c 3 2 4 2 3 1 1 1 2 2 打 订 u 一 22 2 3 k斗 在如图2 1 所示的口一 平面上 矢量e e 和名 分别合成电流矢量e 与 电流矢量了 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 z 印 荔 0 i q 图2 1d 一口坐标系 e p 口十e 口 e l f k 2 4 彳 艺 f 么死 2 5 式中p i 为e f 的模 三相电路瞬时有功电流i 和瞬时无功电流 分别为矢量i 在矢量e 及其法线上 的投影 即 i i c o s 2 6 a i q i s i n c l 2 6 b 式中 丸一线 i i q 示于图2 1 三相电路瞬时无功功率q 瞬时有功功率p 为电压矢量e 的模和三相电路瞬时 无功电流毛 瞬时有功电流 的乘积 即 p e i p r 2 7 a g e i q 2 7 b 式 2 6 与庐 庐 一疵代入式 2 7 得 踌i 羔 朝 亿s 把式 2 1 和 2 2 代入式 2 8 得 p e a i a e c j c 2 9 a g 苦酩 一e c k p 一e a f 0 一b k 2 9 b 叫j 从式 2 9 a 可以看出 三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率 2 2 2 三相电路谐波和无功电流的实时检测 以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波和无功电流检测有两种方法 一是以 9 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 计算瞬时有功功率p 瞬时无功功率g 为出发点的p g 运算方式 另一个是以计算 瞬时有功电流f 瞬时无功电流 为出发点的f 一 运算方式 2 2 2 1p g 运算方式 3 1 该检测方法的框图如图2 2 图中上标一1 表示矩阵的逆 l a b l 她 k 图2 2p g 运算方式原理图 该方法根据定义算出p 和q 经低通滤波器 l p f 得p q 的直流分量i 石 电网电压波形无畸变时 p 为基波有功电流与电压作用所产生 i 为基波无功电流与 电压作用所产生 于是 由j 石即可根据下式计算出被检测电流f i i 的基波 分量0 0 i 矿 哳 k c c 匿 吉c c 匿 c z 靴犷枢 铲臣 1 1e a w2 7 h 将0 i 酽 0 与i q i 相减 即可得出i i i 的谐波分量0 i 当有源滤波器同时用于补偿谐波和无功时 就需要同时检测出补偿对象中的谐波 和无功电流 在这种情况下 只需断开图2 2 中计算q 的通道即可 这时由i 即可计 算出被检测电流屯 i i 的基波有功分量o 7 w l c p f 为 l 耐 r w c p f 吗群阡扣 圈 将切 l b p f 何与 i 6 屯相减 即可得出i i 5 i c 的谐波分量和基波无功 分量之和匕 i i 下标d 表示由检测电路得出的检测结果 l o 巳 0 k 硕上论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 在检测时 由于采用了低通滤波器 l p f 求取 故当被检测电流发生变化 时 需经一定延迟时间才准确测出一p 石 2 2 2 2 i 一f g 运算方式 3 1 该检测方法的框图如图2 3 8 z 曲 z 鼬 图2 3 i p i g 运算方式原理图 图中c l 锄e v t c o 似l l c 0 s 研一s i l l 叫j 件lqj c 球li i 泣竭 该方法中 需要用到与口相电网电压e 基波分量同相位的正弦信号s i n c o t 和对应 的余弦信号一c o s t t s i n o j t 相当于电压矢量e 的c o s 一c o s c o t 相当于电压矢量e 的 s i n 它们由一个锁相环 p l l 和 个正余弦信号发生电路得到 由此计算出i 经l p f 滤波得出i p i q 的直流分量f i 这里f i 9 代表着f i b i c 的基波分量 i 矿 i v i 矿 因此 同p g 运算方式 可计算出i 矿 i v i 进而计算出i i 6 j c 的谐波分量o 若需要用到的正弦信号s i n h i 与a 相电网电压e 基波分量不同相 而是相差一个 相位角0 则正余弦信号为s i n t o t 口 和一c o s d o t 0 经过证明这种相角误差并不影 响最终谐波分量检测的结果 与p g 运算方式相似 当要检测出谐波和无功电流之和时 只需断开图2 3 中 的屯计算通道 当只检测无功电流时 只要对i 进行反变换 理论分析表明 对于三相三线制电路 当电网电压发生畸变 不论三相电压 电 流是否对称 p q 运算方式的检测结果都有误差 而对f 一 运算方式即使电网电压 发生畸变 按这种方式进行检测时 由于只取s i n c o t 和一c o s o t 参与计算 畸变电压的 硕士论文谐波抑制和无功补偿综台控制技术的研究 谐波成分在运算过程中不出现 检测结果也不受电压波形畸变的影响 比较两个方法 后 f 一屯运算方式检测精度高 所以论文中对a p f 系统的仿真和具体实验时均采用 i 一i 运算方式 2 2 2 3 滤波器对谐波与无功电流检测的影响 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测方法 尽管在理论上比传统的各种 谐波检测方法有很大的改进 但谐波检测效果实际上与检测电路中采用的低通滤波器 的性能有很大关系 因为滤波器在响应时有一个动态过程 还有一个滤波精度问题 这直接关系到谐波电流检测的快速性与准确性 是检测电路中的关键 因此选取一个 动态响应快且精度高的滤波器非常必要 但动态响应的快速性与检测结果的精确性是 矛盾的 快速性好的精度性不高 精度高的响应慢 常用的模拟低通滤波器主要有四种 巴特沃 冒 b u t t e r w o r t h 低通滤波器 契比雪 夫 c h e b y s h e v 氐通滤波器 贝塞尔 b e s s e l 低通滤波器 椭圆函数型 e l l i p 低通滤波器 由于i 一 法中的低通滤波器是在计算过程中对得到的瞬时有功电流和瞬时无功电 流滤掉交流部分 保留直流部分 所以我们对这一过程用m a t l 曲软件对各种滤波器 进行仿真 比较滤波效果 设定负载为阻感性的全控桥式整流电路 由于a p f 系统的 实时性要求较高 为加快响应速度 仿真时选取的几种低通滤波器阶数较低 均为3 阶 截止频率5 0 h z 电路中需要滤波的瞬时有功电流波形如图2 4 图2 4 瞬时有功电流波形 图2 5 巴特沃思低通滤波器的响应 巴特沃思 u 位e r w o r t h 低通滤波器的响应如图2 5 契比雪夫 c h e b y s h e v i 型低通 滤波器的响应如图2 6 契比雪夫 c h e b y s h e v i i 型低通滤波器的响应如图2 7 椭圆函 数型 e l l i p 低通滤波器的响应如图2 8 贝塞尔 b e s s e l 低通滤波器的响应如图2 9 2 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研窒 图2 6 契比雪夫i 型低通滤波器的响应 图2 7 契比雪夫i i 型低通滤波器的响应 图2 8 椭圆函数型低通滤波器的响应 图2 9 贝塞尔低通滤波器的响应 图2 1 0 基于平均值法的滤波器响应 由以上的响应结果可知 契比雪夫 c h e b y s h e v i i 型低通滤波器的响应超调量大且 响应时间长 契比雪夫 c h e b y s h e v i 型低通滤波器的响应和椭圆函数型 e l l i p 低通滤 波器的响应调节时间较长 但超调量较小 巴特沃思 b u t t c r w o r t h 低通滤波器的响应 较快 但超调量较大 只有贝塞尔 b e s s e l 低通滤波器的响应效果最好 响应最快超调 最小 所以在第三章的仿真研究中采用贝塞尔 b e s s e l 3 阶低通滤波器 硕士论文 谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 在具体设计的有源电力滤波器的实验系统中 由于滤波器的作用仅是保留直流 滤掉交流 要求较低 并针对三相不控整流负载电路的特点以及简化d s p 汇编编程的 需要 在数字滤波环节采用平均值法滤波 即用当前采样值和之前一个工频周期内的 采样值的平均值作为当前时刻的直流分量值 滤波效果的仿真如图2 1 0 响应结果 没有超调 响应时间只有1 6 个工频周期 在具体实验情况下基于平均值法的滤波效 果是最好的 在实验中也证实是可行的 2 3 本章小结 本章首先对谐波和无功电流的各种检测方法予以介绍 并比较各种方法的优缺 点 得出基于瞬时无功功率理论的谐波检测法是最适合于谐波和无功电流的实时检 测 然后详细的介绍瞬时无功功率理论 研究了基于瞬时无功理论的p q 检测法和 i 一f 检测法 因为与p q 检测法相比j 一f 检测法不受电压畸变影响 检测精度高 在仿真和实验中都采用f 一f 检测法 最后研究了滤波器对谐波和无功电流检测的影 响 得出仿真中效果最优的通用滤波方法和在实验中较为简单实用的平均值滤波法 1 4 硕士论文 谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 3 综合补偿谐波和无功电流的有源电力滤波装置的m a t l a b 仿真 3 1 并联型有源电力滤波器概述 并联型有源电力滤波器是与需补偿的负载并联接入电网的 单独使用的并联型有 源滤波器的系统框图如图3 1 有源电力滤波器由两大部分组成 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路 补 偿电流发生电路又由电流跟踪控制电路 驱动电路和主电路三部分组成1 3 其中 指 令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电路中的谐波和无功电流部分 因此也称之 为谐波和无功电流检测电路 大多数采用的方法是基于瞬时无功功率理论的i 一i 运 算方式 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 主要是通过控制器 单片机或d s p 来控制主电路三相桥变 流器的开关状态 作为主电路的p w m 变流器 在产生补偿电流时 主要作为逆变器工作 但它不 仅仅是作为逆变器工作 当电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时 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 且工作状态无法 区分 3 相 电 源 i 厂 l i l l4 一 i j 虬 载 z 1 丘量生j 三 山 1 丕j 调压器 一去v f 锱 f 卜 生 一v 一 一l r 1 j f 直 1 k j 1 纠土y 钥 图3 1 单独使用的并联型有源电力滤波器系统 硕士论文 谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 图3 1 中的并联型有源电力滤波器的基本工作原理是 根据有源电力滤波器的补 偿目的得出补偿电流的指令信号i 产生补偿电流t 检测算法一般是采用2 2 节中 介绍的基于瞬时无功理论的谐波和无功电流实时检测方法 指令电流运算电路是以有源电力滤波器的补偿目的为出发点 那么首先确定a p f 的补偿目的 若有源电力滤波器的补偿目的只补偿谐波 则利用i 一i 运算方式 可 检测出负载电流i 的谐波分量i 补偿电流的指令信号 应与i 极性相反 若有源 电力滤波器产生的补偿电流t 与i 完全一致 则补偿后的电源电流 与负载电流的基 波分量f 完全相同 当图3 i 中有源电力滤波器的补偿目的是同时补偿谐波与无功功率 补偿电流的 指令信号c 应为负载电流的谐波及基波无功分量之和大小相等 极性相反 此时补偿 后的电源电流与负载电流的基波有功分量f 完全相同 在实验设计的综合补偿装置中 指令运算电路及电流跟踪控制电路由运算速度极 快的数字信号处理器芯片 d s p 实现 它可以满足补偿信号实时性的要求 3 2 补偿谐波和无功电流的并联型有源电力滤波器的仿真设计 现在使用m a t l a b 软件中提供的s i m u l i n k 仿真环境对三相电路中单独使用的并 联型有源电力滤波器进行仿真 s i m u l i n k 提供了丰富的模型库 b l o c k s e t 尤其近 几年推出的电力系统模型库 p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 可以提供电力系统中常见的装 置及器件模型 用其对电力系统进行仿真研究非常方便 m a t l a b 仿真设计的综合补偿谐波和无功电流的有源电力滤波器系统模型如图 3 1 主电路为三相三线制 三相电压为有效值2 2 0 v 频率5 0 h z 的正弦对称电压 负载为阻感性的全控桥式整流电路 3 2 1 指令电流运算电路的仿真设计 指令电流运算电路是检测出谐波和无功电流 并给出应补偿的电流信号c 其原 理在3 1 节中已阐述 在仿真时 e 要同时补偿谐波电流i 和无功电流b 即i 为 一 i f 彬 检测电路采用基于瞬时无功理论的i 一i 运算方式 除了有一定的滤波 延时外 可以及时准确的得出补偿信号e 三相电路的f 一i 运算方式的检测m a t l a b 仿真电路如图3 2 其中m a 仃kg a i n l 为三相变两相矩阵c m a t r i xg b i n 2 为两相变三 相矩阵c 滤波器f i l t e r 为截止频率为5 0 h z 的三阶b e s s e l 低通滤波器 g e n e r a t e s i n 模 块为i 一i 法中的正余弦运算信号s i n 耐和一c o s 街t 最后求出的i 为谐波和无功电流 补偿信号 硕士论文 谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 图3 2 补偿信号e 的发生电路 3 2 2 电流跟踪控制电路的仿真设计 电流跟踪控制电路是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系 得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的p 删信号 控制的结果应保证补 偿电流跟踪其指令信号的变化 内环控制方法有很多 常用的主要有滞环电流控制和 三角波比较控制 在仿真时采用定时滞环电流比较方式的p w m 控制 滞环比较方式是补偿电流的指令信号e 与实际补偿电流信号t 进行比较 两者的 偏差作为迟滞比较器的输入 通过迟滞比较器的输出控制p w m 主电路中的开关通断信 号 该p 1 v m 信号经驱动来控制开关的通断 从而控制补偿电流t 的变化 p w m 变流器采用电压型主电路 补偿电流t 的正方向如图3 1 p w m 变流器m a t l a b 仿真电路如图3 3 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 图3 3p v f l i i 变流器电路 对图3 1 中p w m ef g 路a 相开关通断进行控制的逻辑如表3 1 1 其中 t 的 一逻 辑由滞环比较器的输出决定 v d 表示二极管 表示逻辑1 一表示逻辑0 表3 1a 相开关通断逻辑表 从上面逻辑表中得到0 3 a 相k 的驱动信号为 f u l 二 l 的驱动信号为a i n j 二 同理 b 相蚝的驱动信号为 屯u 匕 圪的驱动信号为 如n f 二 c 相k 的驱动信号为 f u f 二 巧的驱动信号为 f n f 二 在迟滞比较器的环宽h 固定 在f 值小时 补偿电流相对误差大 而f 值较大时 将会使器件开关频率过高 因此在k 一圪的逻辑输出后加一个时钟信号控制的d 触 发器 使得驱动输出至少一个时钟周期才变化一次 即定时滞环控制 用m a t l a b 设计的a 相k 触发逻辑驱动如图3 4 其中迟滞环将比较差值模 拟信号转为数字逻辑信号输出 d 触发器模块为定时边沿触发 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 l l d 图3 4a 相k 的触发逻辑驱动电路 b 相c 相的触发逻辑驱动与a 相相同 3 2 3 直流侧电压控制的仿真设计 图3 1 中的电压型p 1 v m 主电路中的电容是一个主要器件 为了使有源电力滤波器 有较好的补偿电流跟随性能 必须将该电容上的电压控制为 个适当的值 根据经验 直流侧电容电压理想值应大于交流侧电源线电压峰值的1 倍以上 于是在仿真时的控 制电压设为8 0 0 v 包含对直流侧电压 的控制检测框图 1 如图3 5 z 神 l 曲 图3 5 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路 图中 u 女是 的给定值 为8 0 0 v u 是 的反馈值 两者之差经p i 调节器 后得到调节信号 f 它叠加在瞬时有功电流的直流分量i 上 经运算在指令信号f 中 包含有一定的基波有功电流 补偿电流发生电路根据f 产生补偿电流i 入电网 使on 得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量 从而使有源电力滤波 器的直流侧与交流侧交换能量 将 调节至给定值 儿 1 具体的m a t l a b 仿真电路如图3 6 其中输入i n l 为检测的直流侧电容电压 输 出o u t l 叠加到指令电流运算电路的i 上 即可实现对u 的控制 硕士论文谐波抑制和无功补偿综合控制技术的研究 l n l 图3 6 直流侧电压的p r 控制电路 若希望u 上升 例如有源电力滤波器投入运行时建立u 的过程 只需令a i 0 即可 此时有源电力滤波器从电源得到能量 持续向直流侧传递 使玑上升 从原 理上讲 只要a i 0 u 就上升 可以达到任意值 这一点可以由电路中交流侧电 感的贮能作用和对功率器件通断的控制来保证 反之 若a i 0 则有源电力滤波 器向外传递能量 直流侧电容上的能量减少 使得 值下降 4 3 3 有源电力滤波装置外环控制方法的仿真研究 下面对仿真的综合补偿装置补偿谐波和无功电流的效果进行研究 设计电路仿真参数如下 三相电压为有效值2 2 0 v 频率5 0 h z 的正弦对称电压 非线性负载为三相桥式整流负载 直流侧为2 0q 电感2 0 m h 整流电路的触发 延迟角为嘭 负载电流中存在谐波和无功电流 电源和负载之间的线路电阻为iq