【《并联型三相三线制有源滤波器的理论基础概述》3800字】

第页并联型三相三线制有源滤波器的理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u8113并联型三相三线制有源滤波器的理论基础概述 1143291.1有源滤波器的分类 1310131.2并联型三相三线制有源滤波器的结构 194751.3并联型三相三线制有源滤波器的基本原理 3273801.3.1有源滤波器的工作原理 3136841.3.2谐波电流的检测模块 4220561.3.3电流的跟踪控制模块 6132761.3.4补偿电流产生模块（APF的主电路） 8有源滤波器的分类站在不同的角度，APF有着不同的分类，对于APF的分类大致可概括为如下几个方面[8]，如图2-1所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11APF的分类并联型三相三线制有源滤波器的结构 虽然APF的种类很多，但并联型APF由于其方便接入电网，且易于扩充容量等优点成为了目前最普遍应用的有源滤波器，所以本文主要探讨此种结构的APF，其原理结构图如图2-2所示[7]：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12APF的拓扑结构 从图2-2可知整体的拓扑结构大致可以分为三个组成部分：第一个部分是三相电压源，它是用来产生三相正弦电压电流的；第二个部分是谐波源，采用以整流电路作为谐波源，用来产生谐波；第三个部分是有源滤波器，这是本文设计仿真的主要环节。下面大体介绍以下图中的参数：——交流电源产生的三相电压——电源侧电流——负载侧电流——APF发出的补偿电流——每相线路等效电阻——滤波电感的值C——直流侧电容值 另外从图2-2可以看出本文设计的APF主电路采用的是PWM变流器，它有两种工作状态：将其当逆变器使用时，是APF在向电网中发出所需的补偿电流；将其当整流器使用时，是电网在反方向给APF的直流侧电容充电。这两种工作状态相辅相成，共同使主电路可以正常的进行工作。并联型三相三线制有源滤波器的基本原理有源滤波器的工作原理 有源滤波器APF的工作原理如下图2-3所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13APF的工作原理图 图中虚线框圈住的部分即为有源滤波器的整体结构，归纳起来说，有源滤波器主要包括两大电路或三大模块。两大电路：一是谐波分量的检测和运算电路；二是生成用于抵消谐波电流的电路。三大模块：一是谐波电流检查测量模块，含有谐波分量的负载电流经此模块可以将其中的谐波抽取出来。二是电流追踪控制模块，此模块可精准跟踪检测出的谐波分量的变化，然后将控制信号给到主电路。三是补偿电流产生模块，主电路接受到控制信号后，向电网发出补偿电流。 下一步利用公式对有源滤波器的工作原理进行进一步的说明，具体公式如下所示[4]： 由上述公式可知，在交流电网中接入APF后，它会先将交流电网的电压和电流测出来，得到负载电流后，经APF的检测模块将其中的谐波分量检测出来，并制造一个与谐波分量大小幅值相等、正负极性相反的指令电流，然后控制主电路生成与指令电流一样的电流用于抵消谐波，就得到了我们所希望的电流，从而实现了改善电网电流波形的目的，这便是有源滤波器的工作原理。谐波电流的检测模块谐波电流的检测模块是整个有源滤波器最终能否起到滤波效果的先决条件，若没有很好的检测策略，就不能很好的从负载电流中提取出谐波分量，APF后续环节的工作将无法开展，所以找到迅速、灵敏、精准的检测方法是十分有必要的。目前，针对谐波的检查与测量在不断的进步，其主要的方法有：基于无功功率理论的检测方法（主要包括算法和算法）、FFT变换法以及基于模糊理论、神经网络的检测方法等等。本文有源滤波器的检测环节主要采用算法，此方法具有电路结构相对简易、检测速度快、延时短的优点，因此下面对其进行重点讨论。1、p-q算法三相瞬时无功功率理论是由日本的学者提出的，这个理论的产生对有源滤波器有着至关重要的作用，该方法大体思路为：首先对检测出的交流电网的三相电压和三相电流分解到相互正交的坐标系下，得到和，然后由定义算出p和q，再经只允许低频率通过的滤波器得到中的直流分量，由于这里的直流分量追其根源是由基波电流所产生的，所以可以利用检测出的先算出坐标系下的电流再经反变化变为三相坐标系下的基波电流，最后用交流电网的三相电流减去基波电流，即可算出高次谐波电流。[4]其基本原理如图2-4所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14p-q算法原理图2、算法算法是由由上述算法经过改动和完善后而得的，采用算法不用去检测电网的电压，因而即使电网电压由于某些原因波形发生了严重的变化，也会对最终检测出的谐波分量产生影响。所以本论文将采用这种方法作为谐波检测环节的具体实现方法。[9]算法的大体思路与p-q算法大同小异，下面将利用具体的计算公式对算法进行进一步的说明：先将三相电流变换到相互正交的坐标系下，公式如（2-1）所示：式中（2-1）与p-q算法不同的是，算法是构造了一个与电网中a相电压相位一致的的正余弦量sinωt、−cosωt取代了算法中的，并与一起，得出瞬时有功、无功电流，公式如下（2-2）所示[10][11]：（2-2）计算得到的经滤波器LPF过滤后，得到所需的直流分量，这里的直流分量和算法一样是由正弦电流产生的，因此可利用其计算出基频正弦电流，公式如（2-3）：（2-3）最终谐波电流由电网的三相交流电流减掉基频正弦电流而得，如式（2-4）所示：（2-4）算法的原理如图2-5所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15算法原理图电流的跟踪控制模块电流的跟踪控制模块是有源滤波器最为关键的一个环节，也是目前有源滤波器研究的重点、难点。它主要起到使APF主电路发出与我们检测出的谐波电流的矢量和恰好为零的补偿电流，并且补偿电流可以根据谐波电流的变化而快速的进行变化。目前控制方法也有很多，比较常用的有[12]：（1）滞环比较控制法 滞环比较控制法在各种控制系统中比较常用，它的关键是采用了滞环比较器。这种方法需要先给定标准电流和容许误差（带宽），然后以标准电流为基准，以容许误差为界限，在标准电流附近形成一个误差上下限，构造出我们所需要的滞环。用实际电流与标准电流作比较，当实际电流与标准电流的差值超出了规定的容许误差，滞环比较器就发出脉冲信号，控制主电路电力电子开关元件的开关状态，以达到最终的控制目标。其缺点是控制的准确度会受所选择的滞环带宽的影响，当确定好带宽后，开关元件的动作频率会受主电路发出电流的影响，导致开关元件的动作噪音较大。[13]（2）三角载波控制法 由于有源滤波器的主电路采用PWM变流器，因此可以采用利用载波（三角波）与调制波（正弦波）作大小比较后再进行调制的方法进行控制。该方法是将给定的电流与实际的电流作大小比较之后得到的差值，经某些元件放大后，和已知频率的载波作进一步的比较，通过两种波的相对大小关系，从而发出对应的脉冲对主电路进行控制的方法。其缺点是会产生与载波同频的谐波电流，使损耗变大。（3）谐振控制 顾名思义，谐振控制就是利用电路的谐振原理而进行的控制，采用这种控制方法可对特定频率的波形进行无差的跟踪控制。但是谐振控制的局限性也很大，它只能对特定频率的波形起作用，要想对各次谐波都起到一定的作用，就需要对各次谐波分别打造适宜的控制器，这就使得整个装置体积巨大，结构复杂，生产的成本也大大增加。（4）重复控制 这种控制方法的核心理论是内模理论，即闭环系统的反馈控制器需要有外面扰动的动态模型，只有这样才能使系统可以不受外界扰动和本身参数变化的影响。这种控制具体的做法是被控对象除了输入偏差信号外，还要输入上一周期对应时间的偏差，这样做的好处是即使输入信号为0，仍会续叠加与上个周期相同的信号，这样就可以把它当做任意波形的发生器。它的缺点是延时长、响应慢，当谐波电流变化大的时候，重复控制最少经过一个周期才能做出反应。（5）PI控制 PI控制包含两个环节[14]：一个是比例环节，它的作用是按一定的比例反应偏差，只要输入信号存在偏差，就可以保证PI控制器立刻可以起到相应的控制作用。越大，稳态误差越小，快速性越好，但也不能太大，太大反而会导致系统的稳定性变差。另一个是积分环节，它是用来是彻底消除误差的，实现系统的无差调节，只要有偏差，积分环节就一直在起作用，直到没有偏差，积分环节才会停止工作。积分常数越大，积分环节的作用就越弱。 如今，国内外对于PI控制的研究已经比较成熟，PI控制的关键在于对PI参数的整定，目前，PI参数整定的方法有很多，例如临界比例度法等等。并且目前对于像MATLAB等仿真软件，已经有了PI控制器参数的自整定功能，这都极大的方便了我们对于PI控制器的使用和研究，另外PI控制还具有结构简单，使用方便等优点，所以本论文主要应用PI控制的方法对电流进行跟踪控制。传统PI控制的传递函数由式子（2-5）所示：（2-5）补偿电流产生模块（APF的主电路） 根据APF装入电网的连合形式分类，可分为并联形式的APF和串联形式的APF，由于本文谐波源采用整流电路且带有阻感性负载，故本文采用可表现出电流源特性的并联型APF；根据实际电网系统结构分类，APF有三相三线形式和三相四线形式两种结构，本论文APF采用应用较多的三相三线制拓扑结构，根据主电路的PWM变流器直流侧所使用的元件分类，元件为电感的称为电流型；元件为电容的称为电压型，由于电流型APF中的电感元件始终在耗费电能，这样就会使得主电路额外消耗的电能增大[4]，另外电流型APF单台容量小且不能级联使用，所以目前广泛应用的是电压型APF，故本论文也主要研究电压型APF。 综上所述，本文研究的APF结构采用能够并联接入电网的三相三线制结构，且主电路使用电压型的变流器，其结构图如图2-6所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s16主电路结构图在实际应用中，开关元件的种类多