有源电力滤波器课程设计

目录 1 设计相关知识介绍.1 1.1 谐波基本概念.1 1.2 谐波主要危害.1 1.3 抑制谐波方法.1 2 APF 的基本工作原理.3 3 APF 基本组成部分.5 3.1 主电路.5 3.1.1 PWM 控制的基本原理.5 3.1.2 主电路结构.7 3.2 指令电流运算部分.8 3.2.1 瞬时无功理论定义.8 3.2.2 基于瞬时无功理论检测法.9 3.3 电流跟踪控制部分.11 3.3.1 电流滞环控制原理.11 3.3.2 三相电流滞环控制原理.12 3.4 驱动电路.14 参考文献.15 合肥工业大学课程设计 1 1 设计相关知识介绍1 1.1 谐波基本概念 1882 年，法国数学家傅里叶指出，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，国际电工标准定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大 于 1 的 H 次分量。把谐波次数的 H 定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气 和电子工程协会标准定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波 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。 1.2 谐波主要危害 谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、 传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。对于电力系统，谐波 会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波 可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用 寿命，甚至发生故障或烧毁。 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通电话线路 传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者 功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。 谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。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。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障 碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。 因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。 1.3 抑制谐波方法 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质 量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量受到人们的日益重视。 于是各国纷纷出台 措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的 波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为无源滤波和有源滤波。 有源电力滤波器的设计 2 (1) 无源滤波 图 1-1 无源滤波器结构 无源滤波器，又称 LC 滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路， 可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主 要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波 器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。基 本的无源滤波器的拓扑结构如上图 1-1 所示。 （2）有源滤波 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ACTIVE POWER FILTER- APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波 电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网中 的谐波。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网 阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且在日本等国得到广泛的应用。有源电力滤波器 的基本思想在六七十年代就己经形成。80 年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的 成熟，脉冲宽度调制控制技术的进步，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，有源电力滤波器才得以迅速发展。 合肥工业大学课程设计 3 2 APF 的基本工作原理2 图 2-1 为 APF 的系统框图。图中，ES表示交流电源，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。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，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。主电路目前 均采用 PWM 变流器。 图 2-1 APF 系统框图 图 2-2 为 APF 的系统原理图。图中 EA 、EB 、EC 为交流电源，谐波电流源为非线 性负载， ，分别代表三相的电网阻抗。而有源电力滤波器主要由以下几部分 sa L sb L sc L 组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。其中指令运算电路的 主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、无功以及负序分量。电流跟踪控制电路， 驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运 算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。主电路主要由 IGBT 构成的电压型 PWM 变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成。 有源电力滤波器的设计 4 图 2-2 APF 系统原理图 合肥工业大学课程设计 5 3 APF 基本组成部分 3.1 主电路 3.1.1 PWM 控制的基本原理3 PWM 控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是 PWM 型， PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地 位。 本文主要以逆变电路为控制对象来介绍 PWM 控制技术。 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。冲量指窄 脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅 在高频段略有差异。 图 3-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 分别将如图 3-1 所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L 电路）上，如图 3-2a 所示。 其输出电流 i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图 3-2b 所示。从波形可以看出，在 i(t)的上 升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各 i(t)响应波形的 差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应 i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解 后将可看出，各 i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N 个相连 的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面 积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 上述原理可以称为面积等效原理，它是 PWM 控制技术的重要理论基础。 有源电力滤波器的设计 6 下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图 3-3 可以看到把半波分 成 N 等份，就可以把正弦半波看成 N 个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序 列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序 列。根据面积等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。 图 3-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 图 3-3 用 PWM 波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。 合肥工业大学课程设计 7 3.1.2 主电路结构 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，因此可称为 逆变器。但它不仅仅是单独作为逆变器而工作的，当在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，即它既可以工作在逆变状态，也可工作在整流状 态，所以多以变流器称之。 在应用中主电路多以三相桥式变流器为主，三相桥式变流器又可分为电压型和电流 型两种。而电压型应用较为广泛。随着电力电子器件技术和控制技术的发展，先进的功 率器件的应用给主电路性能带来了很大变化。 常用的 PWM 变流器多为电压型变流器，单个电压型 PWM 变流器其基本的拓扑结 构如下图 3-4 所示： 图 3-4 电压型逆变电路 电压型 PWM 变流器的基本特点是： （1）直流侧为电压源或并联有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可 看作电压源。 （2）对电压型 PWM 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。 （3）电压型 PWM 变流器的交流侧输出电压为 PWM 波。 控制各个开关器件轮流导通和关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之 间的换流，电路的环流方式分为 180 度导通型和 120 度导通型。 所谓 180 度导通型是指同一桥臂上、下两管之间互相换流。而 120 度道通型是指在 同一排不同桥臂的左、右两管之间进行的。但 180 度导通型应该注意防止上、下桥臂的 直通。 有源电力滤波器的设计 8 3.2 指令电流运算部分4 指令运算部分实质上就是谐波电流检测部分，谐波检测的方法很多，早期的模拟法， 到后来的傅里叶分析法，还有人工神经网络法，瞬时无功功率理论等，但应用较为广泛 的还是瞬时无功功率理论，该理论的产生为有源电力滤波器的发展注入了新鲜的活力。 3.2.1 瞬时无功理论定义 瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用，以该理论为基础 构成的 APF 可以实现对频率和大小都变化的无功与谐波电流进行实时的检测。这种检测 方法有可以分为 P-Q 法和法。本论文就是利用法进行谐波与无功电流的实 QP II QP II 时检测的。 本设计研究的系统为三相三线制系统，可以先将三相的电压和电流转换到静止的 - 系统中。设三相电路各相瞬时电压和电流分别为，和 ， ，分别将它们 a e b e c e a i b i c i 变换到两相正交的 - 坐标上，两项瞬时电压为 ，。电流为 ，即eeii (1) c b a c b a u e e e C e e e e e F32 1 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3 2 (2) c b a c b a i i i i C i i i i i F32 2 3 2 1 2 3 2 1 0 1 3 2 式中，C32 是三相到两相的坐标变换阵，定义瞬时有功功率 P 和无功功率 Q 为： (3) i i u u u u FF FF q p iu iu 1 1 现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时，设三相电压、三相电 流分别为： （4） ) 3/2sin( ) 3/2sin( sin wtE wtE wtE u u u m m m c b a （5） ) 3/2sin( ) 3/2sin( sin wtI wtI wtI i i i m m m c b a 合肥工业大学课程设计 9 则变换到 - 两相静止坐标系中的向量为： (6) wt wt E u u F mu cos sin 2 3 1 (7) wt wt I i i F mi cos( )sin( 2 3 所以得到瞬时有功功率和无功功率为: , (8)cos 2 3 1mmiu IEFFpsin 2 3 1mmiu IEFFq 从式(8)可以看出，在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时，按照上面 定义计算的瞬时有功功率和无功功率 P 、Q 只包含直流分量，并且与传统的三相有功功 率和无功功率计算的结果一样。瞬时无功功率理论只用了一个时刻三相电压和电流的数 值，所以这种功率计算方法大大提高了计算的效率。 3.2.2 基于瞬时无功理论检测法 日本学者 H.AKAGI 于 1984 年提出了基于时域的非线性条件下的瞬时无功功率理论， 它以瞬时实功率 P 和瞬时虚功率 Q 的定义为基础，故称 P-Q 理论。 后又补充定义了瞬 时有功电流，和瞬时无功电流，等物理量，并将其应用于电力系统谐波检测。目前 P I Q I 基于瞬时无功功率理论的谐波检测研究已经非常深人，并取得了工程应用成果。 在有源 电力滤波器中，它是总谐波实时检测的主要方法。以计算 P 和 Q 为出发点的方法称为 P- Q 法，以计算和为出发点的方法称为 IP-IQ法，它们的优点是都能准确地检测对称三 P I Q I 相电路的谐波值，且实时性较好，在只需测量谐波时可以省去锁相环电路，能快速跟踪 电流，进行实时补偿，不受电网参数和负载影响，缺点是适应范围小，只适应于对称三 相电网。 1)P-Q 法，该运算方法原理如图 3-5 所示。 图 3-5 P-Q 运算方法原理图 有源电力滤波器的设计 10 根据该方法算出的 P，Q，经低通滤波器(LPF)得直流分量，. 电网电压无畸变时，pq 为基波有功电流与电压作用所产生，为基波无功电流与电压作用所产生。所以由，pqp 可以计算出检测电流 , ,的基波分量 , ,从 , ,中减去 , ,q A I B I C I AF I BF I CF I A I B I C I AF I BF I ，即可得到谐波电流 , , CF I AH I BH I CH I 23 0 1 212 323 1 2 2 3 C 2/32/30 2/12/11 3 2 32 C 1 sincos cossin pqpq tt CC tt 2) 法.该运算方法原理如图 3-6 所示。 PQ II 图 3-6 法运算方法原理图 PQ II 该方法不直接对采样得到的三相系统电压进行变换，而是以与电压矢量同步的单位 正序基波矢量来代替电压矢量。根据瞬时无功理论可得 sincos cossin iiPtt iiQtt 图 3-6 中，由于电压为单位正序基波矢量，所 sincos cossin tt C tt 以根据定义可计算出，经 LPF 滤波可得直流分量, 这里, 是 iP iQ P I Q I p i q i p i q i 合肥工业大学课程设计 11 对应于电流基波分量，的，因此由, 可以计算出，进而可以计 af i bf i cf i p i q i af i bf i cf i 算出， ah i bh i ch i 以上两种方法中法的适用范围更广，更能适应电网电压不对称和电压波形畸 PQ II 变的情况。因为 ,运算方式中只需读取和参与运算，畸变电压的谐波 P I Q Isin(t)cos(t) 成分在运算中不出现，所以在电源电压畸变情况下也能准确检测出谐波电流，而 P-Q 法 在这种情况下误差较大。 基于瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无 功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实 时性。 3.3 电流跟踪控制部分3 该部分作用是：根据补偿电流指令信号和实际补偿电流之间的差别，得出控制补偿 电流发生电路中主电路各个器件通断的 PWM 信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其 指令信号的变化。 目前应用较为广泛的跟踪型 PWM 控制方式有以下三种方式：滞环比较方式、定周 期瞬时值比较方式和三角波比较方式。与三角载波控制相比,滞环比较控制具有开关损耗 小、动态响应快、鲁棒性好、控制精度高等特点。所以本设计采用滞环比较方式。 3.3.1 电流滞环控制原理 常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制的 PWM 变压变频器的 A 相控制 原理如 3-7 图所示。 图 3-7 电流滞环跟踪控制的 A 相原理图 有源电力滤波器的设计 12 图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为 2h。将给定电流 与输出电流 * a i a i 进行比较，电流偏差超过时，经滞环控制器 HBC 控制逆变器 A 相上（或下）桥 a i h 臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均与此相同。 如果， ， 且，滞环控制器 HBC 输出正电平，驱动上桥臂功率开关 a a ii * hii a a * 器件 V1 导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然滞环比较 a i * a i 器的输入信号的符号发生了变化，但 HBC 仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大 a i 直到达到， ，使滞环翻转，HBC 输出负电平，关断 V1 ，并经过 hii aa * hia 延时后驱动 V4，直到电流的负半周 V4 才能导通。 但此时未必能够导通，由于电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受 到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值， hii aa * 使 HBC 再翻转，又重复使 V1 导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差 保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图 3-8 中可以看到，输出电流是十分接近 正弦波的。 图 3-8 电流滞环跟踪控制时的电流波形 3.3.2 三相电流滞环控制原理 合肥工业大学课程设计 13 图 3-9 三相电流跟踪型 PWM 逆变电路 图 3-10 三相电流跟踪型 PWM 逆变电路输出波形 因此，输出相电压波形呈 PWM 状，但与两侧窄中间宽的 SPWM 波相反，两侧增宽 而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。 电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的 制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果 环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中， 应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。 采用滞环比较方式的电流跟踪型 PWM 交流电路有以下特点： 1.硬件电路简单； 2.属于事实控制方式，电流反应快； 3.不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波分量； 4.和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多； 5.闭环控制，这是各种跟踪