【有源电力滤波器的基本原理分析3300字】

有源电力滤波器的基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u26493有源电力滤波器的基本原理分析 1278061.1APF的基本原理与数学模型 1122981.2APF的传统控制器设计 4222841.2.1谐波检测 443931.2.2坐标变换 532231.2.3谐波补偿控制 61.1APF的基本原理与数学模型在1969年，一种新的优化电能质量的方法被B.M.Bird和J.F.Marsh等人提出，即APF的思想，但是受当时半控型器件功能的水平限制，研究并不顺利，进程缓慢。同时，由于开关器件的精准调制无法实现，造成APF的功能无法开发出来，1976年，相关专家学者提出在APF中使用PWM技术。随着技术的快速发展，于上世纪80年代，瞬时无功功率理论由日本科学家H.Akagi等提出，将其应用于APF中，得到了很好的效果，这为APF日后在实际应用中的研究与发展打下根基，至此，APF的谐波检测、谐波补偿控制、调制控制等APF主要部分得到解决，APF的优点得以开发[9]。目前，目前，在美国、日本、德国等一些发达国家，有源电力滤波器已进入实用阶段。国外知名的有源电力滤波器的生产厂家有：ABB、施耐德、西门子、NOBLE等，国内知名厂家有：苏州和顺、盛宏电气、思源电气、安科瑞等。同时，我国也一直在努力进行这方面的研究，虽然起步比较晚，但是也有了一定的研究成果，如：思源电气研发的QNAPF系列、盛宏电气研发的Sinexcel系列等，这些成果都已达到了国际要求的标准。由此可以看出，我国在抑制谐波方面的研究进展很快，技术发展很迅速。当前，根据APF与电网连接的方式来分类：可以分成并联型APF、串联型APF以及串并联混合型APF。综合APF的性价比和谐波补偿效果，并联型APF使用较广且是本文选用拓扑结构。图2-1有源电力滤波器的类型按照APF的线制，可以将APF分为三相三线制和三相四线制，图2-2是三相三线制APF的结构图，三相APF又可分成三线制和四线制，其选择依据是负载是否平衡。三相三线制APF适用于三相对称负载[46]，这就要求负载在大小和运行过程中，都不能发生波动，但是该结构由于节省了一条线路，减少了设备的成本。当前很多专家学者，致力于三相三线制APF在不平衡负载下应用的研究，由于没有中线，只能采用正负序分离的策略进行不平衡电网的控制，增加了控制的复杂度。三相四线制APF可以在不进行正负序分离的情况下直接适用于三相不对称负载[47-48]，通过中心传输不平衡量。由于配电网中系统三相四线制的结构，大多采用该种接线方式的APF，本文便以三相四线制为对象进行研究。图2-2三相三线制APF的拓扑结构 (a)电容中点式(b)四桥臂式图2-3三相四线制APF的拓扑结构有源电力滤波器的工作过程原理如图2-4所示。在没有APF补偿的情况下，电网电流等于负载电流，由于系统中包含非线性负载，此时电流为畸变电流，含有大量的谐波，当加入APF进行补偿时，电网电流得到改善。APF系统电路主要分为以下几部分：(1)谐波检测部分：通过对负载电流进行谐波检测，将基波与所需补偿的谐波进行分离。(2)坐标变换部分：通过坐标变换，将检测部分得到的谐波进行变换，此部分主要是因为本文不仅研究电网平衡状态，也研究电网不平衡状态，如电网单相电压跌落时的状态、电网两相电压跌落时的状态等。（3）电流谐波补偿控制部分：此部分通过将坐标变换与正负序分离得到的信号进行控制，通过数学模型的推导，得到相应的控制器，从而对谐波进行实时的控制。（4）调制部分：该部分主要实现控制器输出信号的调制，从而产生对APF主电路的控制信号。（5）APF通过调制部分进行控制，从而控制补偿电流的量。图2-4APF的基本原理图根据结构图分析，使用电流互感器CT检测非线性负载电流，从中提取出谐波指令电流ic∗；然后跟踪控制该指令电流，从而得到调制信号；开关管的动作由PWM驱动电路进行控制，使SAPF发出补偿电流。经过补偿，电网侧的电流将只含有基波有功电流，它的波形几乎为正弦波，由此可以看出，电网的电流质量得到了优化，公共连接点（PCC）处的电压畸变将会减少。电网侧电流is、SAPF补偿电流ic和负载电流iL的波形关系如图2-5所示。从中可以看出，将电流总量i图2-5电流波形关系图若将上述原理用算式表达：在PCC处使用KCL可以得到： is+i通过傅里叶级数分析可知，基波分量iLf加谐波分量iLh等于负载电流i iLf+i因为SAPF产生的补偿电流ic在数值大小上等于负载电流的谐波分量i ic=i联立式(2-1)、(2-2)、(2-3)三式可得： is=i由此可知，当谐波被抑制后，电网电流与基波分量相等，输出波形接近于标准的正弦波。1.2APF的传统控制器设计1.2.1谐波检测APF相较于PPF的优点是可以实时跟踪，并进行动态补偿。因此，APF控制中十分重要的一部分就是谐波电流的检测，APF谐波补偿的响应速度以及效果主要由检测的实时性和精准性影响。谐波电流的检测方法主要分为以下四种[65]：①基于频域运算的方法；②瞬间空间矢量法；③基于现代控制理论的方法；④自适应检测法。当前，实际工业中应用较普遍的是第二种方法中以瞬时无功功率理论为基础的ipip−iq谐波检测法的原理如图2-6所示，主要由锁相环(PLL)、坐标变换以及低通滤波器(LPF)三部分构成。网侧电压Vs通过PLL后得到电网的相位角，送到正余弦发生电路中。被检测的三相负载电流iLa、iLb、iLc在经过Clark-Park矩阵转换后，得到dq0坐标系下d轴和q轴的电流分量iLd、iLp；因为只有小于50Hz的分量可以通过LPF，所以由此能够获得dq0坐标系下负载电流的基波电流分量iLdf、iLqf；之后再通过Park-Clark反变换，就能够获取静止abc坐标系下的基波电流分量iLaf、iLbf、iLcf；因为谐波电流分量等于电流总量减去基波电流分量，所以用总三相负载电流iLa、iLb图2-6基于ipip1.2.2坐标变换三相电流和电压均为交流信号，若直接进行控制，则达不到较好的效果，而dq0坐标下电流和电压都是直流信号，如果对直流信号进行控制，将对控制结果有很大的改善。坐标变换的方法不唯一，本文采用的坐标变换公式为：(2-10)其逆矩阵为：(2-11)通过坐标变换将电源电压量、负载电流量进行坐标变换，得到各量在dq0坐标下的分量，为后续控制的设计打下基础。1.2.3谐波补偿控制APF的内环电流控制策略主要有以下几种[17]：PI控制这个方法的原理比较简单，目是目前在各行业应用较多、稳定性较强的一种控制方法，由于只需知道误差、调制PI参数，即可实现误差的控制，所以应用范围较广，不管是电气量的控制还是非电气量，如：温度、转速等，都可以灵活的进行控制，所以受到广泛的使用，但是它可能出现相位偏移以及稳态误差，而且控制效果会受系统带宽影响。另外，该控制方法针对直流量，可以达到非常好的效果，当应用于正弦量时，就会出现误差增大的现象。②三角载波线性控制这个控制方法的调制信号是指令电流和实际补偿电流的差，然后将调制信号和高频的三角波进行对比，从而得到控制信号来操作逆变器的开关器件。这种方法的优点是：电路结构简单、响应速度快；缺点是它的开关损耗相对比较大、控制效果也不是特别理想。③滞环比较控制这个控制方法首先要把至零电流值和实际补偿值相减，得到的值通过具有滞环特性的比较器，根据所得的值的正负来给出PWM控制信号，从而控制逆变器中的开关器件。这种方法相对来说响应速度快、开关耗损小，但是它有着容易产生噪声的缺点。④无差拍控制这种控制方法的计算量很大，主要通过计算机执行，是一种全数字化的控制方法。随着科技的发展，这个方法的提升应用空间很大。⑤非线性无源控制这种控制方法是鲁棒控制方法的一种，该方法是由R.Ortega与M.Spong于1989年在中提出的，无源控制(PBC)在充分考虑被控系统结构特性的前提下，从能量角度出发，寻找与被控变量相关且能收敛到控制目的点的能量存储函数，通过对该函数的控制使系统向期望点收敛。同时，为了增加无源控制系统在干扰下的鲁棒性与能量耗散速度，从而提