并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略

硕 士 学 位 论 文 并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略研究 Research on Harmonic detection and Control Method of Active Power Filter 作者 导师 2020 年 3 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 i 中图分类号 UDC 学校代码 密级 公开 硕 士 学 位 论 文 并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略研究 Research on Harmonic detection and Control Method of Active Power Filter 作者姓名 学 号 05121677 导师姓名 职 称 副教授 学位类别 工学 学位级别 硕士 学科专业 电力电子与电力传动 研究方向 谐波抑制无功补偿 2020 年 3 月 ii 致谢 光阴荏苒 我的研究生生活即将结束 在此论文完成之际 特向 所有关心支持我的亲人 老师 同学们表示由衷的谢意 首先感谢我的父母 我的每一分成功都因为他们的欣慰而更有意 义 其次对我的导师 副教授表示深深地感谢 汤老师从本科时候 就一直是我最尊敬的老师 很幸运有缘投其门下 学习上 老师深厚 的理论知识 丰富的实践经验使我所获颇深 时值毕业 我仍然会有 些遗憾没能充分利用机会向老师多学一些知识 在课题研究中 老师 在大方向上把关 鼓励我们充分在自己的感兴趣的领域发挥 尽所有 可能让我们得到充分锻炼 同时这篇论文的完成也倾注了老师很多心 血 甚至错字标点都一一校正 生活中 老师极强的责任心和豁达的 人生态度一直是我学习的榜样 深知老师平日对我们要求不高但期望 却很高 所以每一次老师认可和肯定都是推动我做得更好的原动力 即将完成学业走上工作岗位 我会踏踏实实工作 本本分分做人 不让每一个关心我的人失望 最后 向 电气学院的全体老师致敬 我的人生中最宝贵的六 年半在交大度过 是你们用辛勤的汗水和无价的知识把我们培养出来 铁打的营盘流水的兵 在即将离校之际 衷心的祝愿所有老师身体健 康 阖家幸福 北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 iii 中文摘要 摘要 随着电力电子技术的发展以及各种用电设备对电能质量要 求的不断提高 谐波抑制和无功补偿问题越来越得到人们的重视 有 源电力滤波器作为动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置 对比其 他无源滤波等装置有不可比拟的优势 本文对有源电力滤波器种类及 拓扑结构进行比较 选择电压并联型有源电力滤波器作为研究对象 提出了一套有源滤波器的设计方案 重点研究了谐波电流检算方法和 电压电流双闭环的控制策略 本文研究了基于瞬时无功理论的两种谐波电流检算方法 pq 法和 ip iq 法以及由此衍生出来的旋转坐标电流矢量法 分别对三种方法做 数学推导和仿真分析 并对网侧电压畸变等不同情况下三种方法的谐 波电流检算效果进行了对比分析 设计 30 阶无限长数字滤波器 在 采样频率为 5KHZ 时的响应时间为 6mS 讨论了两种电流跟踪控制方 法 三角波比较法和滞环比较法 并根据 IGBT 开关频率要求提出定 频滞环比较法 就三角波与定频滞环两种控制方式仿真比较其对补偿 效果的影响 研究 ip iq 法和 dq0 法在直流电压控制上的实现方法 本文设计了基于 DSP TMS320F2812 的数字化控制系统 并采 用 C 语言编写的算法控制软件 搭建了整套 APF 实验平台 完成了 系统主电路和控制电路的设计与调试 在三相不控整流负载下实验 完成 APF 的基本功能 仿真和实验结果验证了谐波检算方法和控制方 法的有效性 关键词 有源电力滤波器 瞬时无功理论 旋转坐标变换 谐波 无 功 分类号 北京交通大学硕士学位论文 ABSTRACT iv ABSTRACT ABSTRACT Along with the development of power electronics technology as well as improved requirement of power quality harmonic suppression 谐波抑制 and reactive power compensation 无功补偿 has got more attention As a dynamic compensation equipment active power filter has much larger advantages than other compensation methods Compared with other kinds of APF this paper chose three phase shunt APF to study and puts forward a design of shunt active power filter based on DSP control with special attention on harmonic detection and control strategy There are p q method ip iq method based on instantaneous reactive power theory and dq0 method based on dq0 transformation to be study Three methods calculation results were compared under different voltage circumstances with simulation 30 bands finite digital filter was designed whitch dynamic response time is 6 mS at the sampling frequency of 5 kHz Two current tracking control methods were discussed and fixed frequency hysteresis loop comparator was chosen according the requirement of IGBT DC voltage control method was studied in the two detecting method A design of control system selecting DSP as the control core and its hardware design and software flow are introduced in detail The results validate the method of reactive and harmonic current detection and control strategy in the dissertation and also meet the design requirement of APF KEYWORDS Active power filter reactive power harmonic CLASSNO 北京交通大学硕士学位论文 目录 v 目录 中文摘要 iii ABSTRACT iv 1引言 1 1 1谐波抑制和无功补偿的意义 1 1 1 1谐波抑制的意义 1 1 1 2无功补偿的意义 1 1 2谐波和无功的补偿方法 2 1 3有源电力滤波器的原理 分类和发展 3 1 3 1有源电力滤波器的工作原理 3 1 3 2有源电力滤波器的分类 4 1 3 3有源电力滤波器发展趋势 7 2并联型有源电力滤波器设计 10 2 1谐波电流检算电路 10 2 1 1坐标变换及瞬时无功理论 10 2 1 2p q 法 14 2 1 3ip iq 法 16 2 1 4dq0 法 18 2 1 5检算方法对比分析 20 2 2数字滤波器设计 20 2 2 1用 Matlab 设计有限长单位冲击响应滤波器 21 2 2 2滤波器性能分析 22 2 3电流闭环控制 24 2 3 1三角波比较方式 24 2 3 2滞环控制方式 24 2 3 3无差拍定频比较控制 25 2 3 4仿真分析和比较 26 2 4电压闭环控制 31 2 4 1ip iq 方式直流侧电压控制 32 2 4 2dq0 方式直流侧电压控制 32 3并联有源电力滤波器控制系统硬件电路设计 34 3 1控制系统总体构成 34 北京交通大学硕士学位论文 目录 vi 3 2TMS320F2812 控制板介绍 34 3 2 1电源电路 36 3 2 2复位电路 36 3 2 3时钟电路 37 3 2 4引导和工作模式选择 37 3 3测量电路及调理电路 38 3 3 1交流侧电压检测电路 38 3 3 2交流侧电流检测电路 40 3 3 3直流侧电压检测电路 41 3 3 4电网电压过零检测电路 42 3 4IGBT 主电路 43 3 4 1IGBT 驱动电路 43 3 4 2接口电路 45 4三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 46 4 1主程序模块 47 4 2中断服务子程序程序模块 48 4 2 1捕获中断 48 4 2 2功率驱动保护中断服务程序 49 4 2 3T1 定时器中断服务程序 50 5实验系统构成与方案验证 52 5 1带有谐波的负载侧电路 52 5 2检测和调理电路模块 53 5 3控制电路模块 55 5 4主电路模块 56 5 5控制板补偿结果 58 6结论 60 参考文献 61 作者简历 63 独创性声明 64 学位论文数据集 65 北京交通大学硕士学位论文 引言 1 1 引言 1 1 谐波抑制和无功补偿的意义 1 1 1谐波抑制的意义 电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式 但谐波问题对 电力系统安全 稳定 经济运行构成潜在的威胁 给 周围电气环境带来了极大影响 谐波被认为是电网的一大公害 对电 力系统谐波问题的研究已成为电气工程领域一个重要的研究课题 感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周 知的 而实际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的 谐波源 虽然其输入电流的基波分量相位与电网电压相位大体相同 位移因数接近一 但其输入电流的谐波分量却很大 因而总功率因数 很低 给电网造成严重污染 逆变和斩波装置所需的直流电源来自整 流电路 尤其是由直流电压源供电的逆变或斩波装置 其直流电压源 大多是由二极管整流再经电容滤波得到的 因此谐波和无功问题也很 严重 此外 彩电和个人电脑等精密家用电器和办公设备 都内含开 关电源 它们的日益普及所带来的谐波污染问题亦日益严重 另外 周波变流器和采用相控方式的交流电力调整电路都是谐波和无功问题 最突出的电力电子装置 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 交通及家用电器中的应用日益广泛 谐波 所造成的危害已日益严重 1 1 谐波使电能产生传输和利用的效率降低 使电器设备过热 产生振动和噪声 并使绝缘老化 使用寿命缩短 2 谐波引起电力系统局部串并联谐振使谐波含量放大造成电 容器等设备烧毁 3 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作 4 谐波使电能计量出现混乱 5 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 导致信息丢失 使通信系统无法正常工作 因此 改善电能质量 采用一定措施抑制谐波的产生或在生成谐 波的负载侧进行补偿已成为目前的重要趋势 北京交通大学硕士学位论文 引言 2 1 1 2无功补偿的意义 人们对有功功率的理解非常容易 而要深刻认识无功功率却并不 是轻而易举的 在正弦电路中 无功功率的概念是清楚的 而在含有 谐波时 至今尚无获得公认的无功功率定义 但是 对无功功率这一 概念的重要性 对无功补偿重要性的认识 却是一致的 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的 电力系统网 络元件的阻抗主要是电感性的 因此 网络元件和负载所需要的无功 功率必须从网络中某个地方获得 显然这些无功功率要由发电机提供 并经过长距离传送 通常也是不可能的 合理的方法应是在需要消耗 无功功率的地方产生无功功率 即无功补偿 无功补偿的意义主要有 以下几点 1 提高供电系统及负载的功率因数 降低设备容量 减少功 率损耗 2 稳定受电端电网的电压 提高供电质量 在长距离输电线 中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性 提高输电能力 3 在三相不平衡的场合 通过适当的无功补偿可以平衡三相 有功和无功负载 谐波抑制和无功补偿虽然是两个相对独立的问题 但两者又有非 常紧密地联系 首先 各类电力电子装置目前已成为供电系统中主要 的谐波源 同时其功率因数也很低 消耗大量的无功功率 再者 补 偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置 如 LC 滤波器 电力有源滤波器等 因此 这里把谐波抑制和无功补偿两个问题一起 研究 1 2 谐波和无功的补偿方法 解决谐波和无功污染的主要思想有两种 一是装设谐波和无功补 偿装置 这对各种谐波源都是适用的 另外可以通过对电力电子装置 本身进行改造 使之不产生谐波 且功率因数为一 后者的应用主要 有 PWM 整流技术 多重化技术 功率因数校正技术 Power Factor Corrector PFC 矩阵式变频器等 下面对补偿谐波和无功的电力电子装置进行简要介绍 北京交通大学硕士学位论文 引言 3 对于谐波的抑制 最早的方法是使用 LC 无源滤波器 这是由电 力电容器 电抗器 常用空心的 和电阻适当组合而成的滤波装置 运 行中它和谐波源并联 除起滤波作用外 它还能补偿无功功率 图 1 1 为 LC 无源滤波器的原理图 由于它结构简单 运行可靠 维护方 便 得到了广泛的应用 然而 无源滤波器的缺陷却也是其本身不可 弥补的 这些缺陷包括 无源滤波装置金属材料消耗多 体积大 滤 波要求和无功补偿 调压要求有时难以协调 滤波效果不够理想 只 能做成对某几次谐波有滤波效果 而很可能对其他次谐波有放大作用 且滤波效果易受元件或系统参数 以及电网颇率等变化的影响 在某 些条件下可能和系统发生谐振 引发事故 当谐波源增大时 滤波器 负担随之加重 以至可能因谐波过载不能运行等 C5 L5 C7C11C13C1 L11L7 L13L R5R7 R 11 R 13 C2 R 图 1 1 LC 无源滤波器 Fig 1 1 LC filter 常用的无功补偿措施除用发电机作为无功功率源外 还有调相机 并联电容器 并联电抗器和静止无功补偿装置 近年来 静止无功补 偿装置 SVC 获得了很大发展 已被广泛用于输电系统波阻抗补偿 以及长距离输电的分段补偿 也大量用于负载的无功补偿 但是静止 无功补偿装置需要电容器和电抗器来贮能 其晶闸管的作用只是调整 电抗器所吸收无功的大小或控制电容器的投切 这样虽能较好地补偿 无功 但不能抑制谐波 甚至因晶闸管的相控工作方式使得补偿器成 为新的谐波电流源 比 SVC 更为先进的现代补偿装置是静止无功发 生器 SVG SVG 也是一种电力电子装置 其最基本的电路仍是三相 桥式电压型或电流型变流电路 SVG 通过不同的控制 既可使其发出 无功功率 呈电容性 也可使其吸收无功功率 呈电感性 采用 PWM 控制 即可使其输入电流接近正弦波 有源电力滤波器 Active Power Filter 缩写为 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 自 80 年代以来 由于 北京交通大学硕士学位论文 引言 4 新型电力半导体器件的出现和 PWM 技术的发展 以及基于瞬时无功 功率理论的谐波电流实时检测方法的提出 电力有源滤波技术得到了 迅速发展 与传统的无源滤波器相比 有源电力滤波器主要有以下突 出优点 2 1 可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿 且对补偿对象的变化有极快的响应 2 同时补偿谐波和无功功率且可连续补偿无功功率 3 受电网阻抗的影响不大 不容易和电网发生谐振 4 由于能跟踪电网频率的变化 故补偿特性不受电网频率变 化的影响 5 既可对一个谐波和无功源单独补偿 也可对多个谐波和无 功源集中补 偿 因此有源电力滤波器较以上各种谐波抑制和无功补偿装置都有一 定的优越性 是目前谐波抑制和无功补偿应用的一个重要发展趋势 1 3 有源电力滤波器的原理 分类和发展 1 3 1有源电力滤波器的工作原理 电力有源滤波器的系统结构如图 1 2 所示 es表示交流电源 负 载为谐波源 产生谐波并消耗无功 电力有源滤波系统由两大部分组 成 1 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 补偿电流 发生电路的作用是产生补偿电流使其跟随由指令电流运算电路得到的 补偿电流的指令信号 主电路目前均采用 PWM 变流器 其基本原理 是 从补偿对象中检测出谐波电流 由补偿装置产生一个与谐波电 h i 流 大小相等 方向相反的补偿电流 则谐波源所产生的谐波就可 h i c i 以被抵消 电力系统侧的电流 仅为基波分量 如果要求电力有源 s i f i 滤波器在补偿谐波的同时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无功分量方向相反的电流成分即可 这 样补偿电流与负载电流中的谐波和无功成分相抵消 电源电流就等于 负载电流的基波有功分量 根据同样的道理 电力 有源滤波器还可对不对称三相电路中的负序电流进行补偿 从广 北京交通大学硕士学位论文 引言 5 义的角度 有源滤波器可以看成 将系统中所有有害电流 高次谐波 电流 无功电流及负序电流 检出 产生与其相反的补偿电流以抵消 母线中有害电流的电力电子装置 AC 负载 指令电流 运算电路 电流跟踪 控制电路 驱动电路 主电路 系统电流 is if 负载电流 iL is ic ic APF 图 1 2 电力有源滤波器系统结构 Fig 1 2 System structure of shunt type active power filter 1 3 2有源电力滤波器的分类 有源滤波器有多种分类方式 根据 APF 接入电网的方式不同分为 串联型 APF 并联型 APF 和混合型 APF 他们分别适应不同的补偿 对象 每一大类下面又根据不同的使用方式分类 4 具体如图 1 3 所 示 有源电力滤波器 并联型串联型 单独使用方式 与 滤波器混合使用方式 单独使用方式 串并联型 与 滤波器 混合使用方式 与 滤波器并联 与 滤波器串联 注入电路方式 串联谐振方式 并联谐振方式 北京交通大学硕士学位论文 引言 6 图 1 3 有源电力滤波器的系统构成分类 Fig 1 3 Classification of Active Power Filter 并联型 APF 等效为一个受控电流源 它向系统注入与谐波电流大 小相等 方向相反的电流 从而达到滤波的目的 图 1 4a 为单独使用 的并联型 APF 并联型 APF 主要适用于电流源型感性负载的谐波补 偿 对于单独使用的并联型 APF 它具有投切方便灵活 保护简单 便于多重化等优点 但由于电源电压是直接加在变流器上 所以对开 关器件耐压等级要求较高 负载谐波含量较高时 这种有源滤波装置 容量也必须很大 投资也较高 而将其与 LC 滤波器并联 然后再与 系统并联的混合并联型有源电力滤波器 如图 1 4b 所示 在补偿相同 谐波的情况下可以尽量减小 APF 的容量 从而扩大了补偿装置的补偿 容量和补偿频带 谐波源 变流器 APF 谐波源 变流器 APF a 单独使用的并联型 APF b 与 LC 滤波器混合使用的并联型 APF 图 1 4 并联型有源电力滤波器 Fig 1 4 Shunt type active power filter 串联型 APF 经耦合变压器串接入电力线路 可等效为一个受控电 压源 主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感 负载的影响 图 1 5a 为单独使用的串联型 APF 与并联型 APF 相比 由于串联型 APF 中流过的是正常负荷电流 因此损耗较大 此外 串 联型 APF 的投切 故障后的退出及各种保护也较并联型 APF 复杂 目前单独使用的串联型 APF 例子较少 研究主要集中在其与 LC 滤波 器所构成的串联混合型有源电力滤波器上 如图 1 5b 所示 北京交通大学硕士学位论文 引言 7 谐波源 变流器 APF 谐波源 变流器 APF LC a 单独使用的串联型 APF b 与 LC 滤波器混合使用的串联型 APF 图 1 5 串联型有源电力滤波器 Fig 1 5 Series type active power filter 图 1 6 所示为串并联型有源电力滤波器 有的文献 3 称其为统一 电能质量调节器 UPQC 在此系统中 一个串联 APF 和一个并联 APF 通过公共直流母线组合到一起 将串联 APF 控制为电压源来补 偿电网基波电压和谐波电压 并联 APF 被控制为电流源吸收负载谐波 电流并调节直流母线电压 通过这样的补偿策略 负载端的电压变为 标准正弦电压 并且电网输入电流也变为与电网电压同相的正弦电流 对电网而言 就如同给纯阻性负载供电一样 AC 负载 变流器 变流器 APF 图 1 6 串并联型 APF Fig 1 6 Series paralle type APF 有源电力滤波器根据主电路直流侧储能原件类型 分为电压型 APF 和电流型 APF 电压型 APF 直流侧接有大电容 为保持直流侧 北京交通大学硕士学位论文 引言 8 电压基本不变 需要对直流侧电压进行控制 交流侧输出电压为 PWM 波 电流型 APF 直流侧接有大电感 为保持直流侧电流不变 需要对直流侧电流进行控制 交流侧输出电流为 PWM 波形 与电流 型 APF 相比 电压型 APF 效率高 初期投资少 可任意并联扩容 易于单机小型化 成本低 适用于电网级谐波补偿 与电压型 APF 相 比 电流型 APF 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 APF 的直流侧大电感上始终有电流流过 该电 流将在电感的内阻上产生较大损耗 而且电感较电容体积大 用铜损 耗多 因此目前实用装置 90 以上是电压型 APF Cd x y z x y z a a b b c c a a b b c c L L 图 1 7 三相电压型 APF Fig 1 7 Three phase voltage type APF x y z 图 1 8 三相电流型 APF Fig 1 8 Three phase current type APF 北京交通大学硕士学位论文 引言 9 有源电力滤波器根据电源相数还可分为单相 三相三线和三相四 线等形式 1 3 3有源电力滤波器发展趋势 随着各国对电网谐波污染治理日益重视 绿色电力 的呼声愈 来愈高 有源电力滤波器将会得到广泛地推广应用 自 80 年代以来 由于新型电力半导体器件的出现和 PWM 技术的发展 以及基于瞬时无 功功率理论的谐波电流实时检测方法的提出 电力有源滤波技术得到了 迅速发展 目前有源滤波作为改善供电质量的一项重要技术 在日本 欧洲 美国等工业化国家已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 1 为了实现对高次谐波有效补偿 需要开关器件工作在较高频率 电力电子器件的开关损耗与开关频率成线性关系 随开关频率提高损 耗增加 中 小容量有源滤波器多采用高频电力电子器件 如 IGBT 其可工作在 10kHz 20kHz 开关频率范围内 但是 随着容量 增大 器件开关频率下降 因此 高频器件仅适用于中 小容量有源 滤波器 采用多重化 多电平等技术提高开关器件等效开关频率 弥补大 容量电力电子器件开关频率和耐压水平不足的缺点 5 6 7 对于大功率 装置而言 由于功率器件的开关频率有限 则PWM调制与多重化并 用成为提高等效开关频率的一条重要途径 例如 采用多组有源滤波 器并联使用 通过载波移相等控制 使滤波器组按照一定规律开通关 断 各组PWM逆变单元产生的补偿电流相加后注入电网 而等效开 关频率却可以提高到实际开关频率的N倍 N为并联使用单元数 逆变 主电路如图1 1所示 采用H 桥级联形式的有源滤波主电路结构 每一 相都由N个H 桥串联而成 而每个桥中开关器件只承受直流侧总电压 的N分之一 因此 通过这种串联型结构能够实现低压器件对高压系 统的谐波补偿 逆变主电路如图1 2所示 也有人尝试采用悬浮电容逆 变器FCML Flying Capacitor Multilevel 以及二极管箝位DCML Diode Clamped Multilevel 逆变器多电平结构 用于有源滤波器控制当中 实现对高压系统谐波补偿 结构如图1 3所示 此外 还可采用无源滤 波器与有源滤波器串联使用的混合滤波器结构 无源部分用来承受主 要基波电压 有源部分仅承受很小的谐波电压 该结构可直接用于高 北京交通大学硕士学位论文 引言 10 压电网 dc V Block n Block N 1 ca i 1 cb i 1 cc i n ca i n cc i n cb i N ca i N cb i N cc i 图 1 9 并联多重化 Fig 1 9 Multi inverter shunt connection LL L ca i cb i cc i Case 1 Case N Case n C C C C C C 图 1 10 H 桥级联型结构 Fig 1 10 H bridge cascaded configuration dc V cb i ca i cc i 1a s 2a s 3a s 4a s 1b s 2b s 3b s 4b s 1c s 2c s 3c s 4c s cb i ca i cc i 1a s 2a s 3a s 4a s 1b s 2b s 3b s 4b s 1c s 2c s 3c s 4c s 2 dc V 2 dc V 图 1 11 1 FCML 结构 图 1 11 2 DCML 结构 图 1 11 多电平逆变器 Fig 1 11 Multilevel inverter 北京交通大学硕士学位论文 引言 11 2 大功率补偿装置往往从经济角度考虑 采用与 LC 滤波器混 合使用的方法 8 混合滤波器主要分为两种类型 3 研究先进的谐波检测方法和控制策略 近年来 日本投入 运行的 APF 中控制装置大多基于瞬时空间矢量理论 但由于电力系统 及补偿器具有非线性 多变量等特点 因此研究具有鲁棒性的谐波检 测方法和控制策略成为今后有源滤波器研究的重点之一 4 提出新的有源滤波器拓扑结构 提高有源滤波系统补偿性 能 简化控制系统结构 降低有源滤波器成本 补偿装置数字化 智能化 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 通过在控制电路上加以 改造还可以补偿基波无功电流 抑制电压闪变以及电压不平衡等 具 备综合补偿功能 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 12 2 并联型有源电力滤波器设计 有源电力滤波器是综合应用电力电子 集成电路 电子与电磁 自动控制及微处理器技术等的一种多学科技术 主要功能模块为 一 是指令电流检算电路 作用是实时准确的检算出所要补偿的电流信号 二是电流跟踪控制电路 据此补偿信号产生补偿电流的发生电路 2 1 谐波电流检算电路 谐波检算是谐波抑制中的一个关键技术 对谐波抑制效果非常重要 如何准确 实时地检算出电网中瞬时变化的畸变电流 是目前谐波抑 制领域的一个重要研究课题 传统的谐波电流检算方法主要有模拟带 通 或带阻 滤波器检测法 基于Fryze时域分析的有功电流分离法 基于频域分析的FFT分解法 基于Akagi瞬时无功功率理论的检测法 基于同步原理的谐波检测方法 基于人工神经元的谐波检测方法 其 中三相电路瞬时无功理论 在谐波和无功电流的实时检测方面得到了 成功的应用 是目前有源电力滤波器的主流算法 9 本文主要讨论基于瞬时无功理论的 PQ 检算法 ipiq 法 并研究 了根据瞬时无功理论改进的 dq0 检算方法 2 1 1坐标变换及瞬时无功理论 本文所研究的检算方法全部基于坐标变换和矢量控制 所以首先 对文中的两种坐标变换进行数学推导和物理意义分析 10 11 图 2 1 通用向量图 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 13 Fig 2 1 Universal vector 图 2 1 为通用向量图 其中 a b c 为三相静止坐标系 为两相 静止坐标系 d q 为两相旋转坐标系 把 i i 投影到 a b c 坐标系下 得到式 2 1 2 1 a b c 1010 i ii cos 2 3cos 1 6iKK 1 23 2 ii 1 2icos 2 3cos 5 6 3 2 其中 考虑有中线或底线存在零序分量 根据变换前后瞬时总 0 i 功率相等原则 得到式 2 2 2 2 a ab bc c u iu iu iu iu i 由式 2 1 2 2 得到系数 进而得到 到 a b c 的坐k 2 3 标变换如式 2 3 所示 2 3 a b23 c 1 0 i ii i2 31 2 3 2C ii i 1 2 3 2 式 2 3 的反变换如式 2 4 所示 2 4 aa b32b cc ii 1 1 2 1 2i 2 3iCi i 0 3 2 3 2 ii 图 2 1 中 为两相静止坐标系 d q 为两相旋转坐标系 如果用 电机系统来描述的话 矢量属于定子坐标系 d q 矢量属于转子坐 标系 假定同步电机定子 abc 三相绕组由平衡的三相正弦交流电压供 电 则变换至同步转子坐标系 abc 三相正序有功电流相当于 d 轴绕 组的直流分量 即在同步电机转子上看 定子三相绕组通以平衡的三 相正弦交流 相当于转子 d 轴绕组通以直流的作用 将 变换成随时间变化的电角度 wt 以后可以得到 ia ib ic 归算 到 d q 坐标系下的转换公式 2 5 2 6 2 5 park 0 120 240 2 sinsin 120 sin 240 3 111 222 daa qbb cc icos tcostcostii itttiCi iii 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 14 2 6 1 park 00 1 sin 2 21 120 sin 120 32 1 240 sin 240 2 add bqq c cos tt iii icosttiCi iii costt 上面两式给出了在电力系统中 abc 坐标系与 dq0 坐标系的转换关 系 公式 2 5 和 2 6 即为 park 变换和其反变换 1983 年日本学者赤木提出了瞬时无功功率理论 其核心是对瞬时 无功功率的定义 设三相电路中电压和电流不含零序分量 其瞬时值 分别表示为 ea e b e c 和 ia ib ic 将它们分别变换到两相正交的 坐标系上 可得两相瞬时电压 e e 和两相瞬时电流 i i 如图 2 2 和公式 2 7 2 8 所示 2 7 2 8 32 a b c e e Ce e e 32 a b c i i Ci i i u i ip iq u i p i iq u i i p iq e i 图 2 2 坐标系中电压 电流矢量 Fig 2 2 Voltage and Current vectors in Static Frame 在图 2 2 所示的 平面上 矢量 e e 和 i i 分别可以合成为 旋转 电压矢量 e 和电流矢量 i 如式 2 9 所示 2 9 e eeee iiiii 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 15 定义三相电路瞬时有功电流 ip 和瞬时无功电流 iq 为矢量 i 在矢 量 u 及其法线上的投影 1 2 10 p ii cos q ii si n 式中 ei 三相电路瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为 2 11 p pei q qei 写成矩阵形式得 2 12 pq eeiip c eeiiq 把 2 7 2 8 代入上式 可得到 p q 对于三相电压电流的表 达式 2 13 ab bc c pe ie ie i 2 14 1 3 bcacababc qeeieeieei 从式 2 13 中可以看出 三相电路瞬时有功功率就是三相电路 的瞬时功率 式 2 12 可以表示为 pe ie i qe ie i 上面两方程联立可以唯一地确定两个未知量 2 15 1 2222 uu ipq uuuu 2 15 2 2222 uu ipq uuuu 表示成矩阵形式 1 22 1 pq ieepp C ieeeeqq 相的瞬时有功电流 瞬时无功电流 分别为 q i q i p i p i 三相电路瞬时有功电流 ip 瞬时无功电流 iq 在 轴上的投影 即 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 16 2 16 1 22 ppep ee ii cosip eee 2 16 2 22 ppep ee ii sinip eee 2 16 3 22 qqeq ee ii siniq eee 2 16 4 22 qqeq ee ii cosiq eee 由上面定义很容易得出以下结论 2 17 1 222 ppp iii 2 17 2 222 qqq iii 2 18 1 pq iii 2 18 2 pq iii 上述性质是由 轴和 轴正交得到的 有功电流 和无功电流 又可表示为 p i q i 2 19 sincos cossin p q iiitt C iiitt 其中是与 A 相电压同相位的正弦信号 为其对应的sint a ecos t 余弦信号 因为三相对称电压为 2 22 1 1 1 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 a b c Et e eEt e Et 经过 变换后得到 2 23 1 sin 3 cos et E et 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 17 2 1 2p q 法 设畸变电流的一般表达式为 2 20 1 1 1 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 nn n a bnn n c nn n In t i iInt i Int 经过 变换后得到 2 21 1 1 sin 3 cos nn n nn n In t i i In t 当时取上符号 时取下符号 31nk 31nk 三相对称电压为 2 22 1 1 1 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 a b c Et e eEt e Et 经过 变换后得到 2 23 1 sin 3 cos et E et 按 pq 运算方式将式 2 21 2 23 代入式 2 12 得 2 24 1 1 1 cos 1 3 sin 1 nn n nn n Int p E q Int 可以看出 当时 即只有基波分量存在时 p q 均为常数 1n 当负载电流中含有谐波分量时 瞬时有功 p 瞬时无功 q 中不仅含有直 流分量 还有谐波产生的交流分量 这时只要用 ppp qqq 低通滤波器把交流分量过滤掉 剩下的直流分量通过还原即为基波电 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 18 流 再由负荷电流 i 减去基波电流就得到谐波电流 这就是谐波 f i f i h i 电流的 p q 检算法 p q 经低通滤波器 LPF 滤波得到 2 25 1 11 1 11 cos 3 sin E Ip E Iq 从而求得基波电流分量为 2 26 11 1 2311 11 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 af bfpq cf It i p iC CIt q i It 上式 中如果只反变换回基波有功 则可以得到基波有功电流为 2 27 p 1 p23 p 0 a f b fpq c f i p iC C i p q 法补偿谐波和无功电流的 Matlab 仿真原理图如下图 2 3 所示 C32 C32 Cpq FIR FIR invCpqC23 ua ub uc ia ib ic u u i i p q p q I f i f iaf ibf icf iac ibc icc 图 2 3 p q 法补偿谐波和无功电流的 Matlab 仿真原理图 Fig 2 3 Simulation of compensation harmonic wave and idle current in p q method 仿真结果如图 2 4 所示 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 19 A 相检算谐波和实际谐波 A 相电压与基波有功电流 a e af i 图 2 4 p q 仿真结果 Fig 2 4 Result of p q simulaton 可见 该方法准确地得到了基波电流分量或基波有功电流分量 从而得到系统的谐波电流分量或谐波和无功电流分量之和 但是在三相电压畸变的情况下 p q 法无法有效的检测出负荷中 的谐波电流 分析其原因 1 当三相电压畸变时 含有谐波分量 这些谐波分量与 a b c e e e 中同频率的谐波分量相互作用所得到的瞬时有功功率 p 和瞬时无 a b c i i i 功功率 q 也为直流 低通滤波器不能将其滤除 2 通过低通滤波器的瞬时有功功率和瞬时无功功率的直流分 量和 与含有谐波的相作用 还原后得到的基波电流 将 pqe e f i f i 再次被谐波污染 2 1 3ip iq 法 畸变电流的一般表达式为 2 20 瞬时有功电流 和瞬时无功 p i 电流 通过计算得到 q i 1 3232 1 cos1 sincos 3 cossinsin1 aa np bb q n cc ii Inti tt CCiCi itt Int ii 2 28 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 20 经 LPF 滤波得到 p i q i 2 29 11 11 cos 3 sin p q iI iI 基波电流分量为 11 232311 11 2sin sincos 2 2sin cossin3 2 2sin 3 af pp bf qq cf It i iitt iC CCIt iitt i It 2 30 电流检算法的原理是 将得到的 A 相电网电压通过数学运算 pq ii 得到与电网 A 相电压同频率的正弦信号和余弦信号 根据 sin costt 定义可计算出瞬时有功电流和瞬时无功电流 经过低通滤波器得 pq i i 到的直流分量 经过一系列反变换即可得到基波电流 再由 pq i i pq i i f i 负荷电流 i 减去基波电流就得到谐波电流 下面就三相全控整流系 f i h i 统产生的电流畸变做谐波电流检算仿真 图 2 5 为仿真原理图 仿真 结果如图 2 6 2 7 所示 从波形上可以看出此方法很好的检算出了谐波 电流 PLL C32 C FIR FIR C C23 ua ia ib ic Sinwt Coswt i i ip iq ip iq I f i f iaf ibf icf iac ibc icc 图 2 5 电流检算法的仿真原理图 pq ii Fig 2 5 Simulation of current test method 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 21 图 2 6 A 相电压与电流 Fig 2 6 Voltage and Current of phase A 图 2 7 A 相谐波电流 Fig 2 7 harmonic current of Phase A 因为三相对称电压的公式 2 22 经坐标变换到 坐标系下得 到式 2 23 比较式 2 12 和 2 19 可以看出 ip iq 法与 pq 法的 本质区别就是 ip iq 法默认三相电压正弦对称 得到电流矢量在有功 和无功上的分量 从而消除电网电压畸变对谐波检算结果的影响 2 1 4dq0 法 谐波电流的一般表达式为 112233 112233123 112233 sin sin sin 22 sin sin sin 1 2 3 33 22 sin sin sin 33 a b c ntntnt i intntntn i ntntnt 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 22 2 31 经过 park 变换后得到 1122 1122 033 sin 1 sin 1 0 33 cos 1 cos 1 30 22 00sin d q intnt intnt int 2 32 畸变电流经过 park 变换后 只有基波正序分量变换为直流分量 14 且零轴分量为零 所以零轴可以不予考虑 简化 dq0 为 dq 坐标系 dq0 电流矢量检算法的原理 18 是 将得到的 A 相电网电压通过数学运 算得到与电网 A 相电压同频率的正弦信号和余弦信号 经 sin costt 过 park 变换得到旋转坐标系下的电流矢量 经过低通滤波器得到 d q i i 的直流分量 经过一系列反变换即可得到基波电流 再由负 pq i i pq i i f i 荷电流 i 减去基波电流就得到谐波电流 下面就三相全控整流系统 f i h i 产生的电流畸变做谐波电流检算仿真 图 2 8 为仿真原理图 仿真结 果如图 2 9 2 11 所示 从波形上可以看出此方法很好的检算出了谐波 电流 PLL Park FIR FIR Park ua ia ib ic Sinwt Coswtid iq id iq iaf ibf icf iac ibc icc 图 2 8 dq0 电流矢量检算法的仿真原理图 Fig 2 8 Simulation schematic diagram of dq0 current vector 北京交通大学硕士学位论文 并联型有源电力滤波器设计 23 050100150200250300350400450500 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 图 2 9 三相二极管整流电路的 A 相电流波形 Fig 2 9 Load Current of Phase A 050100150200250300350400450500 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 图 2 10 滤波波后经过 dq 反变换的 A 相电流 ia Fig 2 10 Current ia after inverse transformation 050100150200250300350400450500 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 图 2 11 A 相谐波分量 Fig 2 11 Harmonic Current