有源电力滤波器

有源电力滤波器主要内容1、谐波以及谐波的检测

2、APF的总体结构

3、APF主电路的控制4、APF直流侧电压控制5、三电平APF拓扑结构背景

正常情况下，电网电流应该为标准的正弦波，但是因为某些非线性负载存在等情况下，电网电流产生畸变，我们可以将此畸变电流理解为电网电流在基波的基础上叠加了不同次数的谐波，而有源电力滤波器的目的是计算出谐波电流并产生与谐波相反的谐波电流将电网谐波抵消，从而使电网电流被补偿回正弦波。1、谐波及谐波的检测1.1谐波定义：谐波是针对基波所提出的，基波是指频率与工频相同的分量，而频率为基波频率大于1整数倍的分量，由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称为高次谐波。

通常我们是对采集而来的信号进行傅里叶变换，进行谐波的分解来分析含有的谐波次数以及幅值：基波——频率与工频相同的分量谐波——频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比1.2谐波产生的原因：电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量不高产生谐波；其二是输电网产生的谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波最多。

产生谐波的用电设备主要有：一是整流设备，晶闸管整流设备的广泛应用，给电网造成大量的谐波。二是电弧炉、电石炉，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流经变压器注入电网。三是变频装置，变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，它含的输入电流波形为尖峰状，其谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。四是家用电器，如电视机、录像机等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。1.3谐波的危害：

l、恶化绝缘条件，缩短设备寿命；

2、使电网中的元件产生附加的谐波损耗；

3、使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故；

4、导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准；1、谐波及谐波的检测N次谐波电流含有率：N次谐波电压含有率：谐波电压含有量：谐波电流含有量：电压谐波总畸变率：电流谐波总畸变率：1.4与谐波相关的指标：1、谐波及谐波的检测1.5用于APF的谐波检测方法

自有源电力滤波器原理被提出以来，谐波电流的检测便引起了广泛的研究，至今已发展了多种方法，如：1、基于频域分析的快速傅立叶变换法2、基于瞬时无功功率理论的检测方法3、小波变换法4、基于神经网络的谐波监测1、谐波及谐波的检测1.6基于ip-iq的检测方法在这个方法里，我们用到与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。经过矩阵变换可以计算出、，经过LPF滤波得到、。这里，、是由a、b、c三项的基波、、产生的，再经过矩阵的一系列反变换得到a、b、c三项的基波电流、、。这时，用含有谐波电流的、、减去a、b、c的基波，便得到三项谐波电流、、。当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图中计算的通道即可。1、谐波及谐波的检测1.6基于ip-iq的检测方法的矩阵参数

其中：1、谐波及谐波的检测1.6基于ip-iq的检测方法Matlab仿真ip-iq谐波检测1、谐波及谐波的检测1.7基于p-q的检测方法该方法将三项电流和三项电压均进行3-2矩阵变换后，依据定义算出p、q，经过低通滤波器LPF得到p、q的直流分量、，再经过反变换，与原始电流相减便得到谐波电流。若要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流之和，只需断开图中计算q的通道即可。1、谐波及谐波的检测1.7基于p-q的检测方法的矩阵参数其中：1、谐波及谐波的检测2、APF结构2.1APF的分类与LC滤波器并联有源电力滤波器并联型单独使用方式与LC滤波器混合使用方式与LC滤波器串联注入电路方式LC串联谐振方式LC并联谐振方式串联型单独使用方式与LC滤波器混合使用方式2、APF的结构2.2并联型APF结构可参看仿真2、APF的结构2.3APF的主电路形式

有源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，电压型的直流侧为一电容，而电流型的直流侧为一电感。图中a、b、c接到三相电源，T1、T3、T5和T4、T6、T2为各组开关器件的代号。这些开关器件可以从IGBT、GTO、BJT、MOSFET等电力电子器件中选择。三相电压型PWM变流器三相电流型PWM变流器

并联型有源电力滤波器可分为两大部分：谐波电流检测模块和补偿电流发生模块。谐波电流检测模块的主要作用是检测负载电流中的谐波分量，并给补偿电流发生模块提供指令信号；而补偿电流发生模块根据这一指令产生谐波补偿电流。并联型有源电力滤波器补偿电流发生电路采用电压型逆变器，要求其输出电流应实时跟随指令电流信号的变化，因此补偿电流发生电路的控制技术是影响整个系统性能的关键技术之一。有源电力滤波器产生的补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的，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，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制的方法主要有滞环比较方式和三角波比较方式、电压矢量控制等。3APF逆变器的控制方式3APF逆变器的控制方式3.1滞环比较方式

以一相的控制为例，采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理如图所示。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之进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流的变化。以a相为例，当T1器件导通时，将减小；而当T4导通时，将增大，用H表示滞环比较器的环宽，当时，滞环比较器的输出保持不变；当时，滞环比较器的输出将翻转。这样，就在-H和H之间变化，即就在和之间的范围内，呈锯齿波状地跟随变化。滞环比较方式原理图滞环比较方式3APF逆变器的控制方式3.1滞环比较方式Matlab滞环比较控制仿真模块

这种控制方式中，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。从仿真可以看出，滞环比较方式能很好地跟踪指令电流的变化，跟随误差较小，相位偏移很小。根据上述原理以及仿真分析，将滞环比较控制方式的特点总结如下：(1)硬件电路十分简单；(2)属于实时控制方式，电流响应很快，相位偏移小。(3)不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；(4)属于闭环控制方式，稳定性较强；(5)若滞环的宽度固定，则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。在采用滞环比较方式中，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ic变化的范围较大时，一方面，在t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ic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。3APF逆变器的控制方式3.1滞环比较方式Matlab仿真中的滞环比较方式：仿真：SPWM

这种方式与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不直接将指令信号与三角波比较，而是将与的偏差经放大器之后再与三角波比较。放大器一般采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把控制为最小来进行设计的。该控制方法不仅仅依靠的极性来产生PWM信号的，而且根据它的值来控制PWM的宽度；的值越大，PWM信号宽度越大；的值越小，PWM信号宽度越小。三角波比较方式对正弦波的跟踪性能较好，误差较小，但是对谐波电流这一类突变信号，电流响应相比滞环控制方式慢，跟踪性能较差，误差也较大。根据原理分析以及仿真波形可以总结出三角波比较方式的特点如下：(1)硬件电路较为复杂(2)输出电流所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波；(3)开关管的开关频率固定，并且等于三角波的频率，这要优于滞环比较方式；(4)电流响应比滞环比较方式慢；(5)跟随误差范围不确定。这两种电流控制方式各有其优缺点，在实际应用中大体各占一半，基本相当。三角波比较控制方式物理意义清晰，另外由于开关频率固定，因而网侧滤波电感设计较容易，并且有利于限制功率开关损耗，但是补偿效果较差。而滞环比较方式控制精度高，跟随误差小。3APF逆变器的控制方式3.2三角波比较方式4APF直流侧电压控制PLLCCLPFLPFLPF+PI++-

补偿电流发生电路是并联型有源电力滤波器中的一大组成部分，补偿电流发生电路由电压型PWM变流器及相应的驱动电路、电流跟踪控制电路组成，为保证其有良好的补偿电流跟随性能，必须将变流器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。对直流侧电压的控制由图中红框内电路实现的，Ucr是Uc的给定值，Ucf是Uc的反馈值，两者之差经过PI调节器后得到调节信号，它叠加到瞬时有功电流的直流分量，经过矩阵运算后，指令信号中包含一定的基波有功分量，补偿电流发生电路根据产生补偿电流注入电网，使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Uc调节至给定值。4APF直流侧电压控制一、模拟PID控制系统组成模拟PID控制系统原理框图二、模拟PID调节器的微分方程和传输函数PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID调节器的微分方程式中

:三、PID调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4APF直流侧电压控制5三电平APF拓扑结构

在图中，每相桥臂上有4个IGBT，2个箝位二极管和4个反向恢复二极管。在运行过程中，始终保证每相桥臂的1、3管互锁，2、4管互锁，每相输出有三种电平。例如，在A相同时导通S1、S2，关断S3、S4，在