有源滤波器的研究与开发

1、1.1.概述概述 o 1.11.1研究目的和意义研究目的和意义 o 近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广 应用，非线性负荷的迅速增加，电力系统谐 波污染问题日趋严重。 o 减小谐波影响可以从两方面入手： n 一是从谐波源出发，减少谐波的产生； n 二是安装滤波装置。 o常见的滤波器包括常见的滤波器包括: : n 无源滤波器（PF）； n 有源滤波器（APF）； n 混合滤波器。 有源滤波器（有源滤波器（Active Power FilterActive Power Filter，APFAPF） o 是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性 能。目前，APF已在日本、美国等少数工业发达 国家得

2、到应用，有工业装置投入运行；国内对 有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 o 有源滤波器的特点如下：有源滤波器的特点如下： n （1）具有自适应功能，实现了动态补偿； n （2）可同时对谐波和无功功率进行补偿； n （3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻 抗发生谐振； n （4）不存在过载问题，当负载谐波电流较大时， 仍能继续运行。 有源滤波器的组成部分 1，谐波检测 2，控制器 3，主电路 2.12.1谐波检测环节谐波检测环节 o 谐波检测是有源电力滤波器的重要环节，其给出了 有源电力滤波器需要补偿谐波的参考值，谐波检测 环节的结构如图. 2.22.2控制器控制器 o有源电力滤波器的控制

3、系统主要有： n 模拟控制系统； n 数字模拟混合控制系统； n 数字控制系统。 o 基于基于DSPDSP的有源电力滤波器的控制系统的有源电力滤波器的控制系统 2.32.3主电路主电路 o 2.3.1 2.3.1 三相三线制结构三相三线制结构 o 2.3.2 2.3.2 三相四线制结构三相四线制结构 3. 3. 谐波检测方法谐波检测方法 o 有源电力滤波器的工作性能很大程度上取决 于对电网中谐波和无功电流的实时、高精度 检测。 o 这种检测一般不需要分解出各次谐波分量， 而只需检测出除基波有功电流之外总的畸变 电流，从而最终对谐波实现快速补偿。 3.1 3.1 谐波检测方法概述谐波检测方法概述

4、 o (1)(1)傅立叶级数法傅立叶级数法 o (2)(2)乘正弦信号法乘正弦信号法 o (3)(3)瞬时无功功率法瞬时无功功率法 o (4)(4)同步测定法同步测定法 o (5)(5)基于人工神经网络的检测方法基于人工神经网络的检测方法 o (6)(6)基于小波变换法的检测方法基于小波变换法的检测方法 o (7)(7)基于自适应预测技术的检测方法基于自适应预测技术的检测方法 3.2 3.2 基于瞬时无功理论的谐波检测方法基于瞬时无功理论的谐波检测方法 o 瞬时无功功率法现包括d-q法、p-q法以及 ip-iq法。 n 其中p-q法适用于电网电压对称且无畸变情况下 谐波电流的检测； n d-q

5、法可在电网电压不对称、畸变情况下检测出 谐波电流，其优点是当电网电压对称且无畸变 时，各电流分量的检测电路比较简单,但畸变时 实现较复杂。 n ip-iq法在电网电压畸变和不对称时都适用； 基于瞬时无功功率理论的基于瞬时无功功率理论的 算法算法qp ii a i b i c i i i af i bf i cf i ha i hb i hc i 32 C LPF LPF T C32 e PLL Cos Sin C 1 C p i q i p i q i f i f i o 基于瞬时无功理论，用锁相环得到电源电压 频率 ，用正余弦发生电路得到与电源电压 同相位的正余弦信号，组成矩阵C参与运算。

6、在中间起过渡作用的不再是瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q，而是瞬时有功电流 和瞬时无功电流 ，如下式: p i q i i i tt tt i i C i i q p cossin sincos a i b i c i i i af i bf i cf i ha i hb i hc i 32 C LPF LPF T C32 e PLL Cos Sin C 1 C p i q i p i q i f i f i o 其逆变换为： o 瞬时有功电流和瞬时无功电流可分解为直流 分量和交流分量，如下式： q p q p q p i i tt tt i i C i i C i i cossin sinc

7、os 1 qq pp qq pp q p ii ii ii ii i i 00 0 0 a i b i c i i i af i bf i cf i ha i hb i hc i 32 C LPF LPF T C32 e PLL Cos Sin C 1 C p i q i p i q i f i f i o 瞬时有功电流和瞬时无功电流经过低通滤波后，得 到直流分量，通过式可得到负载电流的基波分量， 计算公式如下： o 同理，负载电流的基波分量被检测出后，用负载电 流减掉基波分量后得到的就是所有谐波电流之和， 这个值可以作为有源滤波器中逆变环节中的指令电 流。 q pT q p cf bf af

8、 i i CC i i CC i i i 3223 a i b i c i i i af i bf i cf i ha i hb i hc i 32 C LPF LPF T C32 e PLL Cos Sin C 1 C p i q i p i q i f i f i 4.有源电力滤波器的控制策略有源电力滤波器的控制策略 o 电流滞环控制电流滞环控制 o 定时器比较定时器比较 o 空间矢量调制法（空间矢量调制法（SVPWM） o 矢量电流跟踪控制矢量电流跟踪控制 4.1电流滞环控制电流滞环控制 图4.1滞还控制法原理图 滞环比较器的优缺点 优点：结构简单，容易实现 缺点：开关频率不固定 4.2

9、 定时器比较法定时器比较法 定时器比较法 o 优点：控制更为简单，动态响应更快，开关 频率固定。 o 缺点：同等开关频率下补偿精度较低 4.3 空间矢量调制法（空间矢量调制法（SVPWM） 图图4.2 三相电压源逆变结构三相电压源逆变结构 图图4.3 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图 4.3.1 空间矢量调制法原理空间矢量调制法原理 o SVPWM法较传统的三角波调制法方法，其 直流电压利用率高，电流畸变小，因此得到 了广泛的应用。 o SVPWM方法需要对有源电力滤波器中的谐 波信号进行实时检测，得出其电压矢量的幅 角特性，进行SVPWM控制。 4.44.4矢量电流跟踪控制矢量电流跟踪控

10、制 矢量电流跟踪控制矢量电流跟踪控制 矢量电流跟踪控制矢量电流跟踪控制 矢量电流跟踪控制矢量电流跟踪控制 4.54.5三相四线制矢量电流跟踪控制三相四线制矢量电流跟踪控制 三相四线制矢量电流跟踪控制三相四线制矢量电流跟踪控制 三相四线制矢量电流跟踪控制三相四线制矢量电流跟踪控制 三相四线制矢量电流跟踪控制三相四线制矢量电流跟踪控制 * 1112 1 pnnnpnnpppnnppnpppnnppnppppnnnnnpppnnnnnpnnnpnnp 2ppnnppnpppnnppnpnpnnnpnpnpnnnpnppppnnnnnpppnnnnn 3pppnnnnnnpnnnpnpnpnnnpnp

11、nppnnpppnppnnppppppnnnnn 4pppnnnnnpppnnnnnnppnnpppnppnnpppnnpnnnppnnpnnnpp 5pnpnpnpppppnnnnnpppnnnnnnnpnnnppnnpnnnpppnpnpnpp 6pnnnpnnppnnnpnnppppnnnnnpppnnnnnpnpnpnpppnpnpnpp 7pnnnpnnpppnnppnpppnnppnpnnnnnnnpnnnnnnnppnnnpnnp 8ppnnppnpppnnppnpnpnnnpnpnpnnnpnpnnnnnnnpnnnnnnnp 9nnnnnnnpnpnnnpnpnpnnnpnp

12、nppnnpppnppnnpppnnnnnnnp 10nnnnnnnpnnnnnnnpnppnnpppnppnnpppnnpnnnppnnpnnnpp 11pnpnpnppnnnnnnnpnnnnnnnpnnpnnnppnnpnnnpppnpnpnpp 12pnnnpnnppnnnpnnpnnnnnnnpnnnnnnnppnpnpnpppnpnpnpp 三相四线制有源电力滤波器的研制三相四线制有源电力滤波器的研制 o根据对有源电力滤波器的理论研究，研 制了一台的并联型电力有源滤波器 n 其中谐波检测采用瞬时无功功率理论的谐波 检测方法； n 主电路采用两电平四桥臂的拓扑结构； n 控制系统采用

13、TMS320LF2812DSP； n 控制方法采用定时器比较的方法。 主电路设计主电路设计 控制电路设计控制电路设计 电流信号调理电路和过流保护电路电流信号调理电路和过流保护电路 IPM驱动电路 人机接口 软件流程图 控制系统主程序流程图控制系统主程序流程图 瞬时无功功率算法实现流程图瞬时无功功率算法实现流程图 进入ADC- ISR 清除SEQ1中断标 志 从ADCRESULT中 读出 经过32变换得到 经过C变换得到 通过LPF滤波得出 经过反变换得到 经过23变换得到 输出 返回 cba iii, )( cban iiii ii , qp ii , qp ii , ff ii , cfbf

14、af iii, cfbfafcba iiiiii, chbhah iii, 软件产生SOC信号 3-2变换和变换和C变换流程图变换流程图 LPF流程图流程图 AD采样程序流程图采样程序流程图 设置定时器2周期中断标 志，启动AD，开AD中断 设置T2CON、T2PR， 禁止T2比较 设置AD时钟，并启动AD转 换，完毕产生中断信号 保护现场 关定时器2，清中断标志 把采样数据处理后 保存到数据空间 AD_COUNTER=AD_COUNTER-1 AD_COUNTER=0 关AD 恢复现场 开总中断 返回 照片 照片照片 实验结果 o 恒定负载 实验结果 o 变化负载 遗留问题 新型谐波检测方法

15、 新型四桥臂变流器控制策略 遗留问题 软件后台 参考书目 电力拖动自动控制系统陈伯时主编 PWM整流器及其控制张崇巍，张兴主编 谐波抑制和无功功率补偿王兆安主编 谢谢！谢谢！ 有源滤波器（有源滤波器（Active Power FilterActive Power Filter，APFAPF） o 是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性 能。目前，APF已在日本、美国等少数工业发达 国家得到应用，有工业装置投入运行；国内对 有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 3.1 3.1 谐波检测方法概述谐波检测方法概述 o (1)(1)傅立叶级数法傅立叶级数法 o (2)(2)乘正弦信号法乘正弦信号法 o (3)(3)瞬时无功功率法瞬时无功功率法 o (4)(4)同步测定法同步测定法 o (5)(5)基于人工神经网络的检测方法基于人工神经网络的检测方法 o (6)(6)基于小波变换法的检测方法基于小波变换法的检测方法 o (7)(7)基于自适应预测技术的检测方法基于自适应预测技术的检测方法 三相四线制矢量电流跟踪控制三相四线制矢量电流跟踪控