电流平均值谐波检测方法MATLAB仿真

1、摘要本论文首先对国内外谐波抑制技术开展现状、有源电力滤波器原理与结构及三相瞬时无功功率理论进行了综述.重点研究了基于瞬时无功功率|«理论检测法及改良的电流移动平均值谐波检测法.在对电流移动平均值原理进行分析的根底上,给出了电流平均值谐波检测方案及实现检测的原理框图.接着以MATLAB6.1软件包中的SIMULINK仿真环境为平台,构建了平均值谐波检测法的仿真模型；对电流平均值谐波检测方案进行了仿真研究,并与基于滤波器的不乙.谐波检测法的仿真结果进行了分析比照.结果说明,所采用的仿真方法与所构建的仿真模型不仅有效,而且证实了平均值谐波检测法比滤波器法有良好的动态响应性能.在仿真根底上,

2、提出了基于LF2407ADSP芯片电流平均值谐波检测法的数字实现方案,进而开发了三相并联型数字有源电力滤波器实验系统.进行了软、硬件设计.搭建的硬件电路包括：过零同步检测、电流和电压检测、PWM输出等几局部.采用模块化设计思路,用DSP汇编语言编写了系统软件,其中包括：ADC及中断处理、捕获及捕获中断处理、三相到两相电流转换、平均值法谐波计算、两相到三相变换、PI调节、PWM输出限制及主程序等模块,并在CC,C200.软件开发系统下进行了调试.为实现电流同步采样处理,根据LF2407A事件治理器捕获单元特点,提出一种用软件实现锁相环的限制方法.最后对有源电力滤波器进行了系统调试.实验结果说明,

3、采用电流平均值谐波检测法结合软件锁相环限制方法能有效、准确的检测谐波,用该检测法开发的DSP有源电力滤波器实验系统,能够有效消除由非线性负载产生的谐波.关键词有源电力滤波器,瞬时无功功率,谐波电流检测,电流移动平均值,数字信号处理器关键词有源电力滤波器,瞬时无功功率,谐波电流检测,电流移动平均值,数字信号处理器摘要1第一章绪论41.1 概述41.1.1 谐波含义及其产生51.1.2 谐波的危害51.1.3 谐波研究意义61.2 谐波抑制技术现状71.2.1 无源滤波器及其应用71.2.2 有源电力滤波器开展概况101.3 本论文主要工作11第二章有源电力滤波器原理和结构122.1 有源电力滤波

4、器工作原理122.2 有源电力滤波器系统构成132.2.1 并联型有源电力滤波器142.2.2 串联型有源电力滤波器202.3 有源电力滤波器的主电路212.3.1 PWM逆变器主电路222.3.2 PWM逆变器工作原理232.3.3 电流跟踪限制方式25第三章瞬时谐涉及无功电流检测方法293.1 概述293.2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法303.2.1 瞬时无功功率的根底理论303.2.2 三相电路谐波和无功电流实时检测333.3 于电流移动平均值原理谐波检测新方法363.3.1 电流移动平均值原理373.3.2 基于移动平均值原理的谐波检测法38第四章电流平均值谐波检测方法仿真

5、研究404.1 概述404.2 电流变换及移动平均值模块在Simulink下的实现404.3 电流平均值原理谐波检测在Simulink下的实现.414.4 电流平均值原理谐波检测仿真结果434.4.1 负载恒定时的仿真444.4.2 负载变化时的仿真45小结48参考文献50第一章绪论1.1 概述在一个理想的发电和供电系统中,电能是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电.在这种条件下,对电能质量是用频率和电压来衡量的.但在实际的电力系统运行中,由于负荷的变化,电力系统的频率和电压是不能保持恒定不变的.因此,各国对电能质量都是用频率和电压的允许偏差值加以衡量并作出规定.但是仅用这两个指标来

6、表征电能质量是很不完善的.波形畸变、电压闪变和三相电力系统中电压和电流的不平衡也是影响电能质量的重要因素.这几个问题在过去由于还未对电力系统产生十分严重的影响,没有引起电力和供用电部门的重视,但是近几十年来,随着电力电子技术的开展,大功率电力电子装置在工业各部门的广泛应用,以及大量家用电器的使用和其它非线性负载的增加,使得电力系统的波形畸变日益严重,电网中的谐波含量已经大大增加,谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响己经十分严重,到了不得不认真对待和考虑的地步了.电力系统的谐波问题早在19201930年间就引起了人们的注意.当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变

7、.1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波问题研究的经典论文到了5060年代由于高压直流输电技术的开展,对变流器谐波问题的研究有大量论文发表.70年代以来,由于电力电子技术的飞速开展,各种大容量电力整流、换流设备以及电子设备在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛,谐波造成的危害也日趋严重.世界各国都对谐波问题予以十分重视和关心,定期召开有关谐波问题的学术研讨会.国际电工委员会IEC和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组,制订了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准.我国对谐波问题的研究起步较晚.近年来由于电气化铁路的开展和冶金、化工、有色金

8、属、煤炭和交通部门大量应用电力整流和换流设备,谐波对电力系统的影响和危害也日益严重,认真加以研究并采取相应的治理和治理举措显得十分迫切.1.1.1 谐波含义及其产生国际上公认的谐波含义为：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.所以,谐波次数必须为整数.如：我国电力系统的额定频率是50HZ,那么基波为50Hz,2次谐波为100Hz,3次谐波为150Hz,等等.间谐波(interharmonies)、次谐波(subharmonics)和分数谐波(fractional一harmonics)等概念与谐波的概念不同.本文所提到的谐波,均指基波整数倍谐波.由于谐波的频率是基波频率的整

9、数倍数,也常称它为高次谐波.除了特殊情况外,谐波的产生主要是由于大容量的整流或换流设备,以及其他非线性负载造成.系统中的主要谐波源可分为两大类：一是含半导体非线性元件的谐波源；二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源.前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、PWM变频器以及节能和限制用的电力电子设备等,后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯、变压器等.数量庞大的家用电器分属于上述两类谐波源,是不可无视的谐波源.电气铁路机车采用的大容量单相整流供电设备,不但产生大量谐波电流,还对供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压.这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变,并对电力设备及通信线路和电子设备产生危害

10、和干扰.1.1.2 谐波的危害在电力系统中,各种谐波源产生的谐波对电网、电力设备和其它系统的危害是非常严重的,归纳起来主要有以下几个方面：1 .使发电机、变压器、供电网、导线和电动机等产生附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾.2 .影响各种电气设备的正常工作.对电机除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压；增大了变压器的铜损和铁损,使变压器局部严重过热,噪声增大；对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大,从而引起电容器过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿.这方面国内外有过深刻的教训,发生过许多

11、无功补偿电容器损坏的事故.3 .对继电保护和自动装置产生干扰和造成误动或据动.尤其是衰减时间较长的暂态过程,如变压器励磁涌流中的谐波分量,更容易引起继电保护的误动作.我国曾发生过电气化铁道造成的负荷电流畸变和不对称,使某电厂20万kw机组的保护跳闸及某系统中的220kV线路保护跳闸,造成大面积停电的严重事故.4 .影响仪表和电能的计量.电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的,当有谐波时将会产生测量误差.5 .对邻近的通信线路造成干扰,轻者产生噪声降低通信质量；重者导致丧失信息,使通信系统无法工作.1.1.3谐波研究意义由上一节的内容,谐波的危害十分严重,因此开展谐波研究具有非常现实的意义.谐波

12、研究的意义,还在于其对电力电子技术自身开展的影响.电力电子技术是未来科学技术开展的重要支柱.有人预言,电力电子连同运动限制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术I'.然而电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电子技术开展的重大障碍,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的研究.有效地抑制谐波,可以推动电力电子技术的开展.反过来,电力电子技术的进步,也会促进谐技抑制技术的提升.谐波研究的意义,更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来熟悉.对电力系统这个环境来说,无谐波就是“绿色的主要标志之一,此.在电力电子技术领域,要求实施“绿色电力电子的呼声也日益高

13、涨.目前,对地球环境的保护己成为全人类的共识.对电力系统谐波污染的治理也己成为电工科学技术界所必须解决的问题.有关谐波问题的研究可以分为以下四个方面：1 .与谐波有关的功立定义和功率理论的研究；2 .谐波分析以及谐波影响和危害的分析；3 .谐波的补偿和抑制；4 .与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究.其中,谐波补偿和抑制技术是研究的重点,而有源滤波技术是谐波抑制的主要研究方向之一,也是本文要重点研究的内容.随着有源滤波技术的开展,必将逐步消除谐波污染,最终实现电网“绿色化.1.2谐波抑制技术现状解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题,根本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波；另

14、一条是对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可限制为1,这只适用于电力电子装置为主要谐波源的情况.本文主要讨论装设谐波补偿装置来解决谐波污染的方法.传统方法是采用交流电抗器和电容器等组成的无源滤波器,这种方法在工程实践中己经非常成熟.而有源滤波器的使用正在成为谐波抑制技术开展的一个重要趋势.1.2.1 无源滤波器及其应用无源滤波器是由电力电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置,又称为LC滤波器.它利用电路的谐振原理来到达滤波目的,运行中和谐波源并联,除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要.可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等.实际应用中一般由一组或数组单调谐滤波

15、器组成,有时也与一组高通滤波器配合使用.1.2.1.1 单调谐滤波器单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振原理构成,如图1.1所示.滤波器对n次谐波的阻抗为：=-)nqC式中电额定工频角频率.由于谐振谐波次数为n,那么1n=；=7皿*,LC(M)(1-2)CLRCILR122LRUMUJ图1.1单调谐泄波器Fig1.1Solefrequencytune-iofilter图1.2双调谐滤波器FigL2Twofrequencytune-infilter在谐振点处,有Z用=Rg由于其京较小,n次谐波主要由电分流,而很少流入系统中.因此,只要将滤波器的谐振次数调整为所需要滤除的谐波次数,那么该次谐波将

16、大局部流入滤波器,从而起到滤除该次谐波的目的.1.2.1.2 双调谐滤波器双调谐滤波器的原理如图1.2所示.这种滤波器的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器,可同时吸收两种频率的谐波.与两个单调谐滤波器相比,减少了回路,基波损耗较小.正常运行时,串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗,因此用联电抗器Ll承受大局部冲击电压.这种滤波器结构比拟复杂,调谐较困难,但在高压大容量滤波装置中采用有一定的经济优越性.d)C型d)Ctypea)一阶b)二阶c)三节a)Firstorderb)Secondorderc)Thirdorder图L3高通滤波器Figi.3Highpassfilter1

17、.2. 1.3高通滤波器高通滤波器又称减幅滤波器.主要形式如图1.3所示.一阶减幅型由于基波功率损耗太大,一般不采用；二阶减幅型的基波损耗较小,且阻抗频率特性较好,结构也简单,故工程上用得最多；三节减幅型比二阶滤波器多一个电容C2,提升了对基波频率的阻抗,使基波损耗更小,但特性不如二阶减幅型的,用得也不多；C型滤波器的滤波特性介于二阶和三节之间,主要优点是由于Cd与L对基波串联调谐,电阻中基波损耗很小,缺点是它对工频偏差和元件参数变化较敏感.总体上看,无源滤波器结构简单、运行可靠、维护方便、造价较低,因此得到了广泛的应用.但这种方法存在一些难以克服的缺点：1 .谐振频率依赖于元件参数,因此只能

18、对主要谐波进行滤波,LC参数的漂移将导致滤波特性改变,使滤波性能不稳定.2 .滤波特性依赖于电网参数,而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变,造成滤波效果变差.3 .电网的参数与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大,使电网供电质量下降.4 .电网中的谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流,使无源滤波器过载,甚至损坏设备.为了克服无源滤波器的上述缺点,人们开始探索研制一种新型的滤波装置,这就是有源电力滤波器.1.2. 2有源电力滤波器开展概况有源电力滤波器也是一种电力电子装置,其根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该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,

19、从而使电网电流只含基波分量.有源电力滤波器具有如下特点：1 .不仅可补偿各次谐波,还能补偿无功、抑制闪变.2 .具有自适应水平,可跟踪补偿变化的谐波,具较快的响应速度.3 .具有自调节水平,即使补偿对象的电流过大,也不会过载.4 .能跟踪电网频率的变化,补偿特性不受电网频率变化的影响.5 .受系统阻抗的影明小,可消除和系统阻抗发生谐振的危险.6 .既可对单个谐波私无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源进行集中补偿.由此可见,有源电力滤波器克服了传统LC无源滤波器谐波抑制和无功补偿方法的缺点,具有良好的调节性能,因而受到广泛的重视,并且己在日本等国得到广泛应月归国.有源电力滤波器的根本思想在上个

20、世纪六七十年代就已经形成.80年代后,由于大中功率全控型半导体器件的成熟,脉宽调制(PulseWidthModulationPWM)技术的开展,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"刖,有源电力滤波器才得以迅速开展网.日本在有源电力滤波器技术的应用方面最为成熟,其实用化的产品已经批量并系列化生产.日本富士电机从1991年起即开发有源电力滤波器产品投放市场.1994年9月日本通产省资源能源厅制定出“抑制高次谐波规程.1996年富士电机又生产出适用于小容量(MINI)的有源电力滤波器供给市场受到各方的好评.1998年又开发了上述MINI的上位机,即新型有源电力滤波器FUJ

21、IACT200/400A系列.该系统所用电路和部件与通用变频器可以互换,单机容量从50kvA到最大400kVA|LI3o国内目前还主要停留在实验研究和理论研究阶段尚未见有成品化的国产APF产品,实验研究水平较高的,如西安交通大学,己研制出30kVA样机【,为有源电力滤波器的实用化工作奠定了一定根底.其他高校和科研机构也正在开展这项研究,分别取得了一定成果.关于数字有源电力滤波器的讨论在国内也有所报道,本文是基于TMS320LF2407A数字信号处理器芯片对三相有源电力滤波器研制的一些初步探讨.1. 3本论文主要工作本论文介绍了电力系统的谐波和谐波抑制技术开展状况,有源电力滤波器的原理、结构及在

22、谐波抑制中的应用.对有源电力滤波器的各种谐波电流检测法、限制方法进行了讨论比拟,重点分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测原理,在此根底上,提出了基于移动电流平均值原理的谐波检测新方法.在Simulink仿真环境下建立了各功能模块,对此新检测方法进行了仿真,并与采用传统滤波器法的结果进行了比照,仿真结果初步验证了该策略的正确性并为实验提供了参考依据.讨论了基于DSP的电流平均值谐波检测方法及其软硬件实现,在此根底上完成了TMS320LF2407A芯片为核心的有源电力滤波器实验系统的调试工作.为进一步研究有源电力滤疚器的数字化实现奠定了根底.第二章有源电力滤波器原理和结构1.1 有源电力滤波器工作

23、原理有源电力滤波器(Actix,ePowerFilter,简称APF)系统构成的原理图如图2.1所示.图中e:表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功.有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流,以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置.它由两大局部组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生尾路(由电流跟踪限制电路、驱动电路和主电路三局部构成).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,有时也称之为谐波和无功电流检测电路.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,产生实际的补偿尾流.主电路一般采用PWM变流器.指令电流运算电路负羲电流

24、跟踪限制电路图2并联型有源电力滤波器系统构成Fig2JSystemstructureof$hun(-t>rpeactivepowerfilter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,但它并不仅仅是作为逆变器而工作的,如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.也就是说,它既工作于逆变器状态,也工作于整流状态,且两种工作状态无法严格区分.图2.1所示有源电力滤波器的根本工作原理是,检测补偿对象的电面确疏；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涉及无功等电流抵消,最终

25、得到期望的电源电流.例如,当需要补偿负载产生的谐波电流时,有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流乙的谐波分量,也,将其反极性后作为补偿电流的指令信号C,由补偿电流发生电路产生的补偿电流即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反,因而两者互相抵消,使得电源电流中只含有基波,不含谐波.这就到达了抑制电源电流中谐波的目的.上述原理可用如下的公式说明：(2-1)(2-3)(2-4)式中负载电流的基波分量如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时,补偿负载的无功功率,那么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.这样,补偿电流与负载电流中的谐涉及无功成分相抵消,电源电流等于负载电

26、流的基波有功分量.2. 2有源电力滤波器系统构成根据有源电力滤波器接入电网的方式,将其系统构成分为两大类,即并联型和串联型.两者又分别包括不同的类型,如图2.2所示.有源电力滤波器每一种类型又各有其特点,因而其工作原理、特性等也就各有其特点.下面将就每一种类型的有源电力滤波器的系统构成和主要特点进行论述.所介绍的原理图均以单线图画出,它们均可用于单相或三相系统.此外,图中未画出限制电路图2J有源电力滤波器的系统构成分类Fte2.2ClassficationofActivePowerFiller2.2.1并联型有源电力滤波器2.2.1.1单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源电力滤波

27、器系统构成的原理如图2.3所示“.一臣.图中,负载为产生谐波的谐波源,变流器和与其相连的电感、直流侧储能元件共同组成有源电力滤波器的主电路.与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器或图,3单独使用的并联型电力有源滤波器Fig2.3Exclusiveuseofsbunt-typeactivepowerfilter采用二阶高通滤波器),用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波.由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网,故称为并联型.又由于其补偿电流根本上由有源电力滤波器提供为与其他方式相区别,称之为单独使用的方式.这是有源电力滤波器最根本的形式,也是应用最多的一种.这种方式

28、可用于：(1)只补偿谐波；(2)只补偿无功功率,补偿的大小可根据需要连续调节；(3)补偿三相不对称电流；(4)补偿供电点电压波动：(5)以上方式的组合.这种方式中,只要采用适当的限制方法就可以到达多种补偿的目的,它可以实现的功能最为丰富灵活.但是,由于交流电源的基波电压直接(或经变压器)加到变流器上,且补偿电流根本由变流器提供,故要求变流器具有较大的容量,这是这种方式的主要缺点.2. 2.1.2与LC滤波器混合使用方式这种方式正是为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的.其根本思想是利用LC滤波器来分担有源电力滤波器的局部补偿任务.由于LC滤波器与有源电力滤波器相比,其优点在于结构简单、易

29、实现且本钱低,而有源电力滤波器的优点是补偿性能好.两者绘合同时使用,既可克服有源电力滤波器容量大、本钱高的缺点,又可使整个系统获得良好的性能.并联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用的方式又可以分为两种：一种是有源电力滤波器与LC滤波器并联；另一种是有源电力滤波器与LC滤波器串联.图24是有源电力滤波器与LC滤波器并联方式的一种.有源电力滤波器与LC滤波器均与谐波源并联接入电网,两者共同承当补偿谐波的任务,LC滤波器主要补偿较高次数的谐波,是一个高通滤波器.这里,高通滤波器一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波,另一方面它可滤除补偿对象中次数较高的谐波,从而使得对有源电力滤波器

30、主电路中器件开关频率的要求可以有所降低.这种方式中由于LC滤波器只分担了少局部补偿谐波的任务,故对降低有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用.但因对有源电力滤波器主电路中器件的开关频率要求不高,故实现大容量相对容易一些.图2.4并联型有源电力滤波器与LC滤波器并联方式之一Fig2MOnemodeofparallelconnectionbetweenshunt-brpeactivepowerfilterandLCfilter图2,5所示为有源电力滤器与LC滤波器并联的另一种方式.在这种方式中,LC滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器,承当了绝大局部补偿谐波和无功的任务.有源电力滤波器的作用是改

31、善整个系统的性能,其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低.图工5并联型有源电力港波器与LC滤波器并联方式之二Fig2.5AnothermodeofparallelconnectionbetweensbunbtypeactivepowerfilterandLCfilter从理论上讲,只要使用LC滤波器就存在与电网阻抗发生谐振的可能,因此在有源电力滤波器与LC滤波器并联使用的方式中,需对有源电力滤波器进行有效的限制,以抑制可能发生的谐振.图2.6所示为并联型有源电力滤波器与LC滤波器串联方式的原理图.该方式中,谐波和无功功率主要由LC滤波器补偿,而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性

32、,克服LC滤波器易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点.该方式中,有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压,因此装置容量小.由于有源电力滤波器与LC滤波器一起仍是与谐波源并联接入电网,故仍将其归入并联型.2.5或图2.6并联型有源电力泄波器与LC渔波器串联方式Fig246Modelof$eria!connectionbetweenshunt-typeactivepowerfilterandLCfilter目前己大量使用的LC滤波器,改良和提升性能.均可采用图图2.6的方式进行改良和提升性能2.2.1.3注入电路方式这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式,有源电力滤波器容量取决于其承

33、受的电压和流过的电流.此种方式利用电感电容电路的谐振特性,用电感和电容构成注入回路,使得有源电力滤波器只承受很小局部的基波电压,从而极大地减小有源电力滤波器的容量.根据电感电容电路谐振特性的不同,注入电路方式又分为LC串联谐振注入电路方式和LC并联谐振注入电路方式两种.图2.7所示为LC串联谐振注入电路方式的系统构成原理图,其中C2L在电源电压的基波频率处发生串联谐振,基波电压绝大局部降落在电容Cl上.这样,有源电力滤波器只需承受其余的很小局部基波电压.电容Cl还可起到无功补偿的作用.图2,7LC串联谐振型注入电路方式Fig2,7Modeofinjectivecircuitconnecting

34、activepowerfilterinseries图2.8是采用LC并联谐振注入电路方式的系统构成原理图.在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频率处谐振的Ll-C回路,基波电压绝大局部加在该谐振电路上,有源电力滤波器与L2一样只承受其余很小部分的基波电压.该方式还有一个好处是只有很小的基波电流流过Ll-C及L2.在注入电路方式中,有源电力滤波器不能补偿基波无功功率.在多数情况下,并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源,如直流侧为阻感负载的整流电路.此时,有源电力滤波器向电网注入补偿电流,抵消谐波源产生的谐波,使电源电流成为正弦波.这种情况下,并联型有源电力滤波器本身表现出电流源

35、的特性.图2.8LC并联谐振型注入电路方式Fig248Modeofinjectivecircuitconnectingactivepowerfilterparallelly2.2.2串联型有源电力滤波器串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与LC滤波器混合使用方式两种.2.2.2.1 单独使用的串联型有源电力滤波器图2.9是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图.这种方式的特点是有源电力滤波器作为电压源用联在电源和谐波源之间.串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同,主要用于补偿可看作电压源的谐波源.典型的例子是电容滤波型整流电路.针对这种谐波源,串联型有源电力滤波器输出补偿电压,抵消由

36、负载产生的谐波电压,使供电点电压波形成为正弦波.2.2.2.2 与LC滤波器混合使用方式：喇图2.10是这种方式的原理图.这种方式是在并联的负载和LC滤波器与电源之间用入有源电力滤波器.其特点与图2.6所示的方式类似,谐波根本由LC滤波器补偿,而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性.可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗它对基波的阻抗为0,对谐波呈现高阻抗阻止谐波电流流入电网,而迫使谐波电流流入LC滤波器.换言之,有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用.另外,串联有源电力滤波器还作为阻尼电阻,抑制电网阻抗对LC滤波器的影响,以及抑制电网与LC滤波器之间可能发生的谐振,从而极大地改善LC滤波

37、器的性能图L9单独使用的串联型有源电力滤波器Fig2.9Seriesactivepowerfilterusedalooe图20串联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用方式Fig2J0HybridmodeofseriesAPFwithshuntLCfilter2.3有源电力滤波器的主电路有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大,如采用单个PWM变流器不能到达容量要求时,通常采用多重化的主电路形式.下文介绍单个PWM变流器的主电路形式.2.3.1 PWM逆变器的主电路采用单个PWM变流器有源电力滤波器的主电路,根据其直流侧储能元件的不同,可分为电压型和电流型两种图2.11和图2.12分别示出了可

38、应用于三相三线制系统的电压型和电流型两种主电路,图中a、b、c接至三相电源,VI、V3、V5和V4、V6、V2为各组开关器件的代号.图中画的电力电子开关器件为IGBT,实用中还可选用GTO晶闸管、BJT、电力MOSFET等器件.就其结构而言,两种电路与变频器、SVG等的主电路根本相同,只是应用场合不同,要求不同,限制方法不同.图2.13和图2.14分别示出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式.匕仔匕往匕J瞥fair-a中4"一A2C一-?匕WR图2JI三相电区芟PWM变流器Fig2.llThree-phasevoltagesourcePWMconvertor图2.12三相电

39、流型PWM变流器Fig2J2Three-phasecurrentsourcePWMconvertor下面简要概述电压圣和电流型变流器两种主要电路的根本特点.1 .电压型PWM变沉器的直流侧接有大电容,在正常工作时,其电压根本保持不变,可看作毛压源；电流型PWM变流器的直流侧接有大电感,在正常工作时,其毛流根本保持不变,可看作电流源；2 .对于电压型PWM变流器,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压进行限制；对于毛流型PWM变流器,为保持直流侧电流不变,需要对直流侧电流进行限制；3 .电压型PWM变流器的交流侧输出电压为PWM波,电流型PWM变流器的交流侧输出电流为PWM波.与电压型PWM变流

40、器相比,电流型PWM变流器的一个优点是,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PWM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,因此目前较少使用.不过,随着对超导磁体研究的进展,一旦超导储能磁体实用化,必将取代大电感,促使电流型PWM变流器的应用增多.图,13单相电压型PWM交流器Figl.13Single-phasevoltagesourcePWMconvector图2.14单相电流型PWM变流器FigU4Single-phasecurrentsourcePVSMconvertor2.3.2PWM逆变器的工作原理卜面以电源电压的中性点与直流电

41、压的中性点不连接为例,介绍其工作原理.图2J6逆变器在工况口=1时的等效电路Fig2J6EquivalentcircuitofInvertorsworkingidmodeln-1图中s.,S、S.表示晶闸管的开关状态,S=1代表开关接到的正极,S=0代表开关接到Um的负极.因此各开关的组合共有8种工况,如表2.1所列.表中"州'K*'为第n种工况的工况系数,可由电路方程求取.表2*1逆变器各种开关状态系数Table工.】SwitchstatecoefficientsforinvertorsnSaSbScKanKbnKen00000Q0111002/3JJ3-1/320

42、I02/3U/331Q1/311/3-2/34001.1/3J/32门51011/3-2/31/360I1-2/3I凸14|7L11000当n=1时,S=b1=0,S=0.由图Z15可得等效电路如图2.16所示.根据克希荷夫定律,有djdj上与十吃一“一L-U.=0(2-5)dt*由靖T/TdiccL请十"占一一L-=0(2-6)L+八+"=0修7)(2-8)u+u,+w=0由式(35)式(2-町可得(2-9)式中K“尸2/3,Ke=H3,Kj-1/3.同理可求出其他况系数如表2.1所示当3个开关同时为关或同时为开时,逆变器为浮接状态,工况系数均为零.在实际中,可根据电路中

43、所需补偿谐波电流的极性来选择开关模式,输出期望的谐波电流,来实现谐波补偿.2.3.3电流跟踪限制方式在2.1节中介绍过,有源电力滤波器可分为两大局部,指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信号,据此由补偿电流发生电路产生补偿电流.这局部的内容在以后章节中介绍.电流跟踪限制电路正是补偿电流发生电路的第一个环节,具作用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,得出限制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号,限制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化.有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号的变化,这就要求补偿电流发生电路要有很好的实时性,因此电流限制采用跟踪

44、型PWM限制方式.目前跟踪型PWM限制的方法主要有瞬时值比拟方式三角波比拟方式'：和定时比拟方式I阳等.2.3.3.1瞬时值比拟方式图2.17所示为以一相的限制为例,采用滞环比较器的瞬时值比拟方式的原理图.滞环比拟器图Z18采用滞环比拟器的瞬时值.比拟方式原理图Fig2.18Illustrativediagramofhysteresisloopinstantaneouscomparatoroperation在该方式中,把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比拟,两者的偏差作为滞环比拟器的输入,通过滞环比拟器产生限制主电路中开关通断的PWM信号,该PWM信号经驱动电路来限制开关的K

45、通断,从而限制补偿电流1f,的变化.这种限制方式中,滞环的宽度H对补偿电流的跟随性能有较大的影响.当H较大时,开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低,故对电力半导体器件的要求不高,但是跟随误差较大,补偿电流中高次谐波较大.反之,当H较小时,虽然跟随误差小,但是开关频率较高.上述限制方式的特点如下：(l)硬件电路十分简单；(2)属于实时限制方式,电流响应很快；(3)不需要载波,输出电压中不含特定频率的谐波分量；(4)属于闭环限制方式,这是跟踪型PWM限制方式的共同特点；(5)假设滞环的宽度固定,那么电流跟随误差是固定的,但是电力半导体器件的开关频率是变化的.在采用滞环比拟器的瞬时值比拟方式

46、中,滞环的宽度通常是固定的,由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的.尤其是当L变化的范围较大时,一方面,在值小的时候,固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面,在L值大的时候,固定的环宽又可能使器件的开关频率过高,甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏0针对这一缺点,一种解决的方法是将滞环比拟器的宽度H设计成可随L的大小而自动调节的；另一种方法是采用定时比拟方式,其原理在本节的第3点详述.2.3.3.2 三角波比拟方式图2.18所示为三角波比拟方式的原理图图2.18三角波比拟方式的原理图Fig2,18IHustrativediagramoftriangularw

47、avecomparatormethod这种方式与其他用三角波作为载波的PWM限制方式不同,它不直接将指令信号I与三角波比拟,而是将匚与的偏差M经放大器A之后再与三角波比拟.放大器A一般采用比例放大器或比例积分放大器.这样组成的一个限制系统是基于把,中限制为最小来进行设计的.与瞬时值比拟方式相比,该方式具有如下特点：(1)硬件较为复杂；(2)跟随误差较大；(3)输出电压所含谐波较少,但是含有与三角载波相同频率的谐波；(4)放大器的增益有限；(5)器件的开关频率固定,且等于三角载波的频率；(6)电流响应比瞬时值比拟方式的慢.由以上介绍可见,瞬时值比拟方式和三角波比拟方式各有优缺点,实际使用时可根据

48、系统要求选择.2.3.3.3 定比照拟判断法这种方法其实是瞬时值比拟法的改良,本文将其单列出来详述,是区为其特别适合于数字实现.这种方法的限制策略和滞环宽度限制根本是一样的,但其采用固定的采样频率来采样电流,只在每个采样点对采样戮的瞬时电流信号和给定参考电流信号进行比拟,以决定逆变器的开关状态.每个开关器件导通或关断的时间是一个或假设干个电流采样周期,开关器件的最大开关频率等于电流采样频率,其平均开关绥率小于电流采样频率.这样电流的比拟不需要滞环,电流的采样间隔就相当于滞环比拟限制中滞环的作用.显然,定时比拟判断法限制的精度是和电流的采样频率有关的.定时比拟判断法电流追踪的示意图如图2.19所

49、示.图中,t为电流采样间隔,I为补偿电流的指令信号,为实际的补偿电流信号.小图工19定时比拟判断法电流追踪示意图Fig2J9Illustrativediagramforcurrenttracingoftimingcomparatormethod经过分析可以知道,最大电流误差和电流采样周期是成正比的因此,定时比拟判断法中电流追踪限制的电流采样周期就相当于滞环宽度限制法中滞环的作用,提升采样频率就能提升电流追踪的精度.但是采样频率的提升受开关器件的最大开关频率限制.定时比拟判断法电流追踪型PWM限制非常适合于数字限制,电流的采样可以由微限制器定时来限制,实际电流采样经A/D转换读入微机,给定参考电

50、流信号由实时计算得出.这样,数字化的实际电流和参考电流就可以由微机进行比拟,然后可确定逆变器的开关状态,这里不需要复杂的算法,程序简单.滞环宽度限制那么要求电流的比拟要实时完成,为此要求用像定时比拟判断法那样的数字限制时,A/D转换以及数字比拟的速度都要非常高,因此实现比拟困难.一般,电流滞环宽度限制法通常由模拟电路实现,整个限制系统要比定时比拟判断法复杂.本课题采用了定时比拟判断法,利用DSP芯片来进行限制和运算.第三章瞬时谐涉及无功电流检测方法3.1概述实时、准确地检测出电网中畸变的电流是有源电力滤波器进行谐波补偿的关键.本章就高次谐涉及基波无功的检测问题进行讨论.谐波的检测方法主要有基于

51、频域的快速傅立叶变换法、时域分析法和基于瞬时无功功率理论法等几种.由于瞬时无功功率理论比拟成熟现期,为此本文重点讨论以瞬时无功功率理论为根底的谐波检测方法及其数字实现.三相电路瞬时无功功率理论最早是1983年由赤木泰文提出的,此后该理论经不断研究逐渐完善.赤木最初提出的理论亦称pq理论,是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为根底,其主要的缺乏是只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路高次谐波和基波无功电流的检测而在电压非正弦、负载不对称情况下,该定义不再有明确的物理意义也不能实现瞬时无劝电流的全补偿.由Bhattacharya等提出的法,是建立在计算三相瞬时电流",百分量根底上.该

52、法构造了以同步电压速度旋转的具有两个正交轴的参考坐标系,即同步参照系.该理论在三相电压非正弦、非对称情况下仍可以实现三相电路中的无功、高次谐波和基波负序电流的检测冏o基于瞬时无功功率理论为根底的谐波检测方法,在使用传统滤波器时,动态响应速度较低,硬件复杂.在用数字处理器实现时,由于基波有功电流的检测处理需要一段时间,即所检测别离出来的谐波和无功电流与负载电流相差一段时间,检测得到的谐波和无功电流在负载电流稳定时是准确的,但当负载电流变化较快时,误差较大.以数字处理器进行采样和计算,都要延迟几个周期后进行补偿,只能应用于稳定的负载.*本文给出了对I厂4,法进行改良的一种谐波检测新方法一一电流移动

53、平均值原理的谐波检测,算法简单,特别适用于数字实现,防止了传统滤波器的使用,可以提升动态响应速度,具有较好的实时性,且不受电压不平衡的影响.适用于三相对称或不对称电路,也可用于单相电路.本章将先介绍基于瞬时无功功率理论的谐波检测法,然后介绍基于电流移动平均值原理的谐波检测方法.3.2基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法3.2.1 瞬时无功功率的根底理论设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为之、公、6和小将它们变换到两相正交的坐标系上,得到口,B两相瞬时电压/和口、B两相瞬时电流小以(3-2)在图3.1所不的口-3平圆上.矢量心当和乙、心分别可以合成为旋转电压矢量.和电流矢量=i十北=江33)

54、设;滞后.的角度为.,瞬时有功电流.和无功电流i分别定义PT为：ip-i-cosp/5=?*sin(3-4)上式和相量意义上定义的有功电流和无功电流的概念很相似,可ffiu口8坐标系中的电压、电流矢FI辱.1Voltagevectorandcurrentvectorin口-Bcoordinates看成是其推广和延伸.仿照在相最意义上的有功功率P和无功功率Q,可定义瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为：(3-5)P=ei/q="写成矩阵形式有(3-6)根据Q-0理论,瞬时有功功率p和无功功率q可分别记为：p=eJa+*,q=电323.7)显然瞬时有功功率为含有能量的实体,是在一B平面上存在

55、的实际物理量,而瞬时无功功率是与u-B平面垂直的向量,即不含能量的虚拟物理量.把式(37)写成矩阵形式有(3-8)式中.网=C"-把式(3-2)代入式(3d)得e*(3-9)把(3-6)式代入(,8),(3-9)两式得(3-10)上式还可以进行化简.对于三对称电压：内工久sin创.4=EQin(班一2句3)g=鼠疝3+2笈/3)式中E"电网电压基波的幅值,把上式代入式(3-1)可得;sintuf一cos创由式和式3-12知£跖耳那么sina)tr-cosotf-sindrf把上式代入式九】0,可得:=CC12ib(3-13)3.2.2 三相电路谐波和无功电流实时检测ill以三相电路瞬时无功功率理论为根底,计算p、g或?、为出发点即得三相电路谐波和无功电流检测的两种方法：p、g运算法和法3.2.2.1 P、°运算法网该检测方法的原理图如图3.2所示.根据定义计算出p、q,经低通滤波器LPF得到p、q的直流分量彳.电网电压波形无畸变时,万为基波有功电流