毕业设计论文有源滤波器谐波控制算法仿真研究

中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： XXX 学 号：学 院： 信息与电气工程学院 专 业： 电气工程与自动化 设计题目： 有源滤波器谐波控制算法仿真研究 专 题： 指导教师： XXX 职 称： 副教授 2009 年 6 月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院信电学院专业年级电气工程与自动化2005-11学生姓名 XXX 任务下达日期：2009 年 2 月 16 日毕业设计日期： 2009 年 2 月 16 日至 2009 年 6 月 20 日毕业设计题目： 有源滤波器谐波控制算法仿真研究毕业设计主要内容和要求：1、了解并联有源滤波器的工作原理。2、了解有源滤波器的谐波检测的基本理论,谐波控制算法的基本理论以及直流侧电压控制的基本理论。3、设计并联有源滤波器的系统仿真平台。4、采用Matlab/Simulink对并联有源滤波器系统进行仿真。5、翻译与论文相关的电气自动化方面专业外文资料约3000字。6、用OFFICE-WORD打印论文院长签字： 指导教师签字： 摘 要以半导体开关器件为核心的功率传输、变换技术的应用给电网注入了大量谐波，电力有源滤波器作为目前谐波抑制非常行之有效的措施，对它的研究很有价值。本文从电力有源滤波器的原理入手，从结构上和电路原理上分析了电力有源滤波器抑制谐波的原理。从降低有源滤波器容量的角度出发分析目前较为典型的并联拓扑结构的特点。然后对几种谐波检测方法进行概述，确定本文选择目前较为流行的谐波电流检测法,接着详细分析了基于瞬时无功功率和无功电的实时检测谐波电流检测法；又对并联电力有源滤波器的控制策略进行了概述，本文选择三角波比较方式,滞环比较PWM电流控制以及基于电压空间矢量的滞环电流控制方式，接着详细分析了基于电压空间矢量的滞环电流控制方式；最后详细分析了并联电力有源滤波器直流侧电压控制策略。文末用Matlab中的Simulink工具进行上述设计仿真，给出仿真分析。主要是几种控制算法的对比分析。关键词：电力有源滤波器； 谐波； 谐波电流检测法； 控制算法仿真ABSTRACTApplication of power conversion and transmission,based on the semiconductor switching element，introduces plenty of harmonics into the electric network，Active Power Filter(APF)then was developed in this background，So study on APF will be meaningfulThis paper analyses the APF function principle from the structure form and circuit theoryThen the most effective topology structure is obtained by the comparison between two classical structure which would reduce the capacity in APF, and restraining the harmonics on a large scaleThen ,this paper analyses some of the detection methods of the harmonics briefly. The method is widely used in most occasions, so this method was chosen in this paper. Then this paper elaborates the theory of the method. Meanwhile，detecting way was the most important technique in APF has been paid attention greatly. so ,based on the brief analyse of some of the detecting ways, This paper choosed three methods to give simulation. Meanwhile,the method of Voltage Space Vector was analysed in detail.at last,this paper elaborated the control method of the APF .In the end，the Simulink in Matlab Simulation is carried out to confirm what has been analysed in above paper.Keywords: Active Power Filte; Harmonics；method of ；Simulation of control method目 录1 绪论 .11.1课题研究的背景11.2电力滤波器的研究现状概述21.2.1 无源滤波器21.2.2有源滤波器31.2.3混合滤波器51.3并联电力有源滤波器的基本原理71.4 APF的研究现状81.4.1谐波检测方法研究现状81.4.2补偿电流控制方法81.5 APF的前景101.6本文的主要工作112 并联有源滤波器结构特点及其滤波原理122.1并联型电力有源滤波器的结构特点122.1.1单独使用的并联有源滤波器122.1.2有源、无源混合型APF122.1.3 无源和有源的串联注入式拓扑结构132.1.4 并联滤波器主电路的工作原理142.2 并联有源滤波器主电路的数学模型152.2.1 开关函数描述的数学模型152.2.2 采用占空比描述的VSR数学模型172.3 并联滤波器滤波原理分析192.3.1 受控电流源变换支路阻抗192.3.2 阻抗变换应用于APF的滤波原理192.4 小结.203 并联有源滤波器谐波算法及直流侧电压控制策略213.1谐波电流检测法213.1.1 谐波检测的方法213.1.2 瞬时无功功率理论及其应用223.2 并联有源滤波器谐波电流补偿263.2.1 有源电力滤波器的电流控制方法263.2.2 基于电压空间矢量的滞环电流控制方式293.3 直流侧电压控制策略343. 3. 1 直流电压控制方法353. 3. 2 并联型有源电力滤波器的直流侧与交流侧的能量交换363.3.3 关于功率平衡383.3.4 直流侧电压的运行值确定393.4 小结.3404 基于MATLAB的有源电力滤波器的仿真及分析414.1 Matlab仿真环境简介414.2仿真模型的建立424.2.1电源和非线性负载424.2.2谐波提取模块434.2.3PWM信号产生模块454.3.1 ip、iq谐波检测的仿真474.3.2 补偿系统仿真结果分析及控制方法的对比分析484.3.3直流侧电压波形584.3小结.585 总结与展望59致 谢.60参考文献.61附录.64翻译部分.66中文译文.66 英文原文.741 绪论1.1课题研究的背景随着电力电子技术的飞速发展，各种功率开关器件以及其他非线性负载得到了广泛的应用，这一方面给电能的变换带来了方便并提高了变换的效率；另一方面也导致谐波大量的注入电网，即电力污染；而现代社会对于电能质量的要求也越来越高。很多国家都制定了限制谐波的规定和国家标准，国际电工委员会(IEC)、电气电子工程师协会(IEEE)等国际组织也推出了谐波标准。电力谐波问题受到越来越多的关注。如何抑制电网谐波，改善电能质量成为近年来研究的热点1 2。谐波对公用电网和其他系统危害主要表现在以下方面1 2：1)谐波对电力系统中补偿电容器组造成影响。谐波能够引起电网局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大，造成危险的过电压或过电流，这往往导致电气元件及设备损坏，影响电力系统安全运行；2)谐波威胁公用电网电力设备的安全运行。对于电网中的发电机、变压器、传输电缆而言，谐波首先增加了设备的损耗，降低了设备的使用效率；其次引发过热问题，使设备无法正常工作；3)谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗，使其发热，缩短使用寿命。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩，加重机械振动，使设备无法运行；4)谐波能使电网中的继电保护及其他自动装置误动作，甚至造成跳闸事故，严重威胁电网的安全运行；5)使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量；6)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。谐波的来源34：1)铁磁饱和型：各种铁芯设备，其铁磁饱和特性呈非线性。如变压器的励磁回路实际是具有铁芯绕组的电路，在不计磁滞和铁芯未饱和时，它基本上是线性电路；铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变。饱和愈深，电流波形畸变越严重；2)电子开关型 ：各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM 变频器等电力电子设备；3)电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等；4)旋转电机：交流电机磁场的磁路，是由定子磁轭、定子齿、空气隙组成闭合回路。当铁芯未饱和时，可以认为磁通势集中在2个空气隙。若气隙是均匀的，则磁通势沿定子转子表面均匀分布，但不是正弦分布，将它分解可得谐波分量，在电压、电流中，会有相应分量产生。另外，由于定子开槽，气隙磁导不是沿表面均匀不变，而是以槽距进行周期变化的，也会有相应的谐波产生。以上这些，即使供给它理想正弦波电压，它取用的电流也是非正弦的，所以常被看作谐波恒流源。抑制或减小电网谐波主要有2个途径1：1)是对产生渚波的谐波源装置本身进行改进，使其不产生或少产生谐波，以减少其同电网的谐波注入，显然对大量原有装置进行改造是不现实的，此方法只能对电网新增装置产生作用；2)是装设谐波滤波补偿装置，对电网谐波进行有效滤波和补偿，如使用各种滤波装置、无功发生器以及其他校正补偿设备；目前，常用的有无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器。电力有源滤波器(active power filter，简称APF)是无功补偿的先进方法,并联型电力有源滤波器是一种最基本的形式，也是目前应用最为广泛的一种。1.2电力滤波器的研究现状概述1.2.1 无源滤波器51.2.1.1无源滤波器的基本结构无源滤波器(passive power filter，PPF)在电力系统中可兼顾无功补偿与滤除谐波的作用。无源滤波器因其功率大、成本低等优势在大功率用电系统中得到了广泛的应用。无源滤波器的电路结构相对简单，通常由几组单调谐滤波器及一组高通滤波器组成，每一通道依靠LC参数谐振原理构成某次谐波的带通滤波器。图1.1为35 kV母线电压下电弧炉系统滤波装置模型。分别为及高次滤波通道的电抗、电容及电阻；分别为及高次滤波通道与系统电抗的回路电流；为电力系统等效感抗值；为电弧炉等效感抗值。加装上述滤波装置后，通过改变各个通路的参数设置( )，很好地抑制了奇次谐波进入到电网中，系统的功率因数也得到了提高，满足了电网对无功补偿的要求。图1.1 基波下滤波装置模型1.2.1.2 无源滤波器的优缺点它的优点是：结构简单，成本低，技术成熟，易于实现。它的缺点是：1)它的补偿特性受电网阻抗的影响，依赖于电网和负载的参数；2)可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振，使滤波器和电网侧的谐波较之负载的电流谐波有所增加；3)不能对谐波和无功功率实现动态补偿；4)有效材料消耗多，体积大。1.2.1.3 无源滤波器的主要应用方向作为最传统的滤波装置，无源滤波器虽然有它本身不可克服的缺陷，但因其结构简单，成本低，技术成熟，易于实现，所以在各个行业起着重要的作用，特别是在能够检测出谐波次数的时候它有着不可替代的作用，像是钢厂、铁厂中所用的电磁炉，一般都可以测出谐波次数，使用无源滤波器对于降低成本还是非常有效的。在高压直流输电中，12相整流得到了广泛应用，特别是大容量整流变压器，通过移相可以形成l2脉波整流，这对减小直流输出电压的纹波幅度、提高纹波频率、减少电压畸变、降低谐波电流对电网的影响都有理想的效果。但通过分析换流变压器的结构特点可知，理论上二次侧产生特征谐波主要是次， ；其中，尤以次谐波含量最高，滤波器的设计主要以次为主要目标；但在实际运行中，由于交流系统存在着非线性负荷或者三相参数不完全对称，在系统中存在基波的负序和零序电压分量，对于12脉波系统实际运行情况，交流侧存在 次，也存在3倍次非特征谐波。综合考虑各种条件可采用双调谐无源滤波器和高通滤波器。结构如图1.2所示。图1.2 滤波装置结构在目前流行的开关电源中，在电源的输人端加入无源滤波器可以有效地抑制电源传人开关电源的干扰，也可以抑制开关电源反向串入电源的干扰。1.2.2有源滤波器1.2.2.1 有源滤波器的基本结构有源滤波器装置的基本构造见图1.3。补偿指令电流检测及控制电路对负载电流 进行检测，通过瞬时无功功率理论或DSP技术产生的谐波及无功电流分量，与精密波形发生器产生的三角载波进行比较，获得PWM 波形，用于控制主电路内的功率电子开关器件，把直流电流信号变成补偿交流电流。对主电路输出的补偿电流进行检测是为了使主电路输出的补偿电流更好地跟踪由于负载电流的变化而引起的谐波大小的变化。图1.3 有源滤波器基本构造1.2.2.2 有源滤波器的发展历程及主要应用1971年日本的Machida首先提出了有源滤波器的原始模型。1976年，美国的Strycula提出了用PWM 逆变器结构构成有源滤波器，确立了当今滤波器的基本结构。1982年，第1台采用GTO作为开关元件的电流源PWM 逆变器构成的有源滤波器(80O kVA)在日本研制成功并投人使用。1983年，日本的Akagi等人提出了瞬时无功功率理论，表明实现有源滤波器补偿功能的条件已经具备，使有源电力补偿技术实用化研究得到了极大的发展。1986年，日本的Komasugi和Imura研制出一套用于三相整流器补偿的电流补偿器，可补偿19次以下的高次谐波。1991年，南非的Enslin和Wyk研制出综合补偿系统。经过2O多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显的改善。其中在日本，已投入使用的APF从5O kV A到6O MVA功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。目前有源滤波器已用在提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。在中国，直到2O世纪80年代末期才开始有相关方面文章的出现，起初论文中所采用的谐波检测方法陈旧，补偿效果不理想。进入2O世纪9O年代，国内的多所高校和研究机构也加入到了有源滤波器的研究中来，这方面的工作主要以理论研究和实验为主。目前以西安交通大学和浙江大学为代表，他们已经形成了比较系统的研究体系和理论基础；另外，国内的一些研究所也在开展研究工作。在实际应用方面，国内已经有人试制出了有源滤波器的样机，并且在小功率的场合使用。哈尔滨工业大学电气工程系研制开发出一种单相有源滤波器产品，目的是改善单相用户接入点的电网品质，进而改善配电网的品质。浙江省新技术推广站已经把30 kVA有源滤波器产品化，并开始投向市场。但总的说来，由于各种条件限制，中国的有源滤波器的实际应用水平不高，范围不大。所以目前的主要方向是加快有源滤波器的产品化，提高它在实际生产中的应用水平。1.2.2.3 有源滤波器的优缺点12 13 14 15有源滤波器的优点如下:1)实现了动态补偿，可对频率和大小变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；3)补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大；4)即使补偿对象电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用 ；5)受电网阻抗影响不大，故补偿性能不受电网频率变化的影响；6)既可对个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功功率集中补偿。有源滤波器的缺点：1)数字化测量系统参数稳定性好，但计算量较大，相应加大了检测过程的延迟时间；2)就目前来说，APF还难以实现大功率的滤波，并且成本较高。1.2.2.4 有源滤波器的分类和连接方式目前投入使用的有源滤波器种类繁多，其分类方法也多种多样。根据应用场合的不同可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器2大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电压；后者则应用于交流电力系统。根据逆变电路的储能元件不同，有源滤波器可分为电流型和电压型2种。电压型滤波装置效率高，初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，适用于电网级谐波补偿。目前使用装置9O%以上为电压型，技术相对成熟、完善。电流型滤波装置作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构简单，性能可靠，但损耗较大，不适用于大容量系统。1.2.3混合滤波器51.2.3.1 混合滤波器的基本结构尽管APF具有无源滤波器无可比拟的巨大优势，但由于成本问题，目前还不可能完全代替无源滤波装置。一种可能的措施就是采用无源滤波和有源滤波相结合的技术口 ，构成混合型滤波系统。其中滤波和无功补偿主要有无源滤波器承担，有源滤波器用来进一步改善滤波和补偿的性能，并抑制串、并联谐振，由此，其安装容量不大，也容易实现。在无源滤波器的基础上引入有源滤波器，可改变电路的阻抗频率特性，从而改变系统的滤波效果。有源滤波器是由全控型开关器件构成的变流装置，可视为受系统的谐波电流或谐波电压控制的线性受控源。在不同的控制系数与电路结构下，混合滤波器体现出不同的阻抗特性，灵活性强。1.2.3.2 混合滤波器的研究热点近年来，减少混合滤波器中有源装置中的安装容量成为了研究热点，这需要从降低有源滤波器承担的基波电压与基波电流2个方面来考虑。研究人员提出串联LC电路的APF注入结构，可大大降低其容量。FUJITA等提出的混合型滤波电路可大大降低有源装置承担的基波电压。详见图1.4。图1.4 新型混合型有源滤波器拓扑流过无源滤波器的基波电流将全部注入有源装置，尽管此时有源滤波器不承受低电压，但其容量还是很大，这时可将有源滤波器与无源滤波器的电感部分相并联，则通过无源滤波器的电流只有部分通过有源滤波器，这样就进一步减少了有源滤波器的容量。若图1.4的有源滤波器的进线电感与滤波电感取值相同，流人有源滤波器的电流仅为无源支路的12，同时有源装置只承担很小的基波电压，这对于有效减少有源滤波器的容量不失为一个好办法。1.3并联电力有源滤波器的基本原理20图1.5 APF工作原理如图1.5有源滤波器的工作原理可简述如下：当需要补偿负载产生谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐波分量，由控制电路使主电路产生补偿电流与大小相等、相位相反，因而两者相抵消，最终使得电源电流只含基波，不含谐波。其中是要主电路所产生的补偿电流，根据具体情况，可以仅是谐波，可以同时是谐波和基波无功电流1。以下研究都是以谐波和无功同时补偿为条件的。有源滤波器具有如下功能和特点：1)实现了动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度；2)有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产；3)当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时还能抑制串并联谐振；4)补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大；5)用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿；6)当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开；7)装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不但减小了有源滤波器的总容量，还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。1.4 APF的研究现状电力有源滤波器的研究主要包括两方面的内容：负载电流谐波检测方法(或称为指令电流运算方法)和产生补偿电流的控制策略。1.4.1谐波检测方法研究现状谐波电流检测是APF的关键，直接影响到补偿速度和精度，是补偿的核心所在。准确、实时地检测出电网中瞬态变化的电压或电流信号是有源滤波器进行精确补偿的关键，在有源滤波器补偿分量检测方法的研究方面，从历史来看，经历着一个由频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。目前，补偿电流的检测方法主要有以下几种：1)基于频率运算的方法；2)瞬时功率法：这是基于瞬时无功功率理论。瞬时功率间矢量法是目前APF中应用最广的一种补偿电流检测方法。最早是由日本学者HAkagi于1989年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断的改进现已包括法、法和法等。其中法最早应用，它仅适用于对称且无畸变的电网；而法不仅对电源电压畸变有效，也适用于不对称三相电网：基于同步旋转park变换的法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称有畸变的电网6 78910；3)基于现代控制理论的检测方法：直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的值；4)自适应检测圆法：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值；5)基于神经网络控制法：该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。1.4.2补偿电流控制方法1.4.2.1滞环比较PWM电流控制采用滞环比较的PWM电流控制方法16 171819原理图如图图1.6：图1.6滞环比较方式在该方式中，把补偿电流指令信号和实际补偿电流信号进行比较，其差值作为滞环比较器的输入，滞环比较器是一个设置门槛电压的比较电路，通过判断补偿电流差值的大小和方向来产生驱动逆变器的PWM信号，来控制主电路的通断，从而使补偿电流跟踪指令电流的变化。不失一般性，下面以相为例说明此方法的工作原理。设的方向如主电路图2-3所示，当 (无论是IGBT还是二极管，只要一个导通即可)导通时，换句话说：当相上桥臂导通时，较少，而当导通时将增大。假设用来表示滞环比较器的宽度(即门槛电压)，当时，滞环比较器的输出保持不变，而当时，PWM的正负将发生翻转，情况如下：若的值碰到了，则应该减小，即体现在主电路中的互应该被触发导通，反之，若的值碰到了，则就应该增加，相应的就应该被触发导通。于是，无论指令电流如何变化，在滞环电流的控制方法下，实际补偿电流总能以指令电流为基准呈图1.7所示锯齿波形状上下波动，即实际的补偿电流被限制在规定的误差带限内。以上分析，不难看出，滞环带宽对补偿电流的跟踪性能影响很大。若较小，则实际补偿电流跟踪指令电流的精度就比较高，但同时它要求半导体器件必须具有较高的开关频率，这不仅会增大开关损耗，还对半导体的开关性能提出了根高要求；若较大，自然，就会增大，相对应的实际补偿电流的跟踪精度就差，但也降低了半导体的开关频率，降低了开关损耗。图1.7 滞环比较的瞬时值比较1.4.2.2 三角波比较方式图1.8为三角波比较方式的原理图：图1.8 三角载波比较方式这种方式与其它用三角波作为载波的PWM控制方式不同，它不是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。放大器往往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。与瞬时值比较方式相比，该方式具有以下特征：1)硬件较为复杂；2)跟随误差较大；3)输出电压中谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波；4)放大器增益有限；5)器件的开关频率固定，且等于三角波的频率；6) 电流响应比瞬时值比较方式慢。这种方式并不直接将指令信号与三角波比较，而是通过闭环来进行控制的。从图1.8中可以看出，把补偿电流指令和实际补偿电流进行比较，求出偏差电流，通过放大器后得到调制波，和高频二角波进行比较，产生PWM波形，作为功率开关器件的控制信号，从而获得所需的补偿电流。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器，比例系数或比例、积分系数将直接影响着电流跟踪特性。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。采用三角波比较控制时调制波与PWM控制信号波形如图1.9：图1.9 采用二角波比较控制时调制波与PWM控制信号波形1.5 APF的前景13 21 222324有源滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。自1981年以来，仅在日本，已有500多台APF投入运行，容量范围由50kVA到60MVA。从近年来的研究和应用中可以看出APF具有如下的发展趋势：1)通过采用PWM调制可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。当APF的容量小于2MVA时，通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿。当容量大于5MVA时，通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿；2)当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用APF与LC无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小APF的容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中LC滤波器用来消除高次谐波，APF用来补偿低次谐波分量；3)从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降；同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联APF由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置；4)可通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的APLC的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。5)器件容量的增大和开关频率的提高。为实现电流的快速控制和提高补偿效果，开关频率是关键。此外，应用多重化技术也能提高器件的等效开关频率。从经济的角度考虑，应使用高容量、大功率的器件，但这与使用高频率产生矛盾。因为大容量受到频率的限制，如何从两者中找到一个折中，获得最佳效果，是值得研究的问题；6)降低装置的价格并使其多功能化。APF能消除高次谐波还能提高电力系统稳定性，抑制闪变和补偿无功，一机多用最为经济，也符合电力系统发展的需要。然而有源滤波器造价较高，与LC滤波器是不可比拟的。如何提高装置的性价比是电力电子器件制造技术面临的问题；7)降低损耗提高系统可靠性。这方面主要工作包括：采用合理的开关频率；选择适当的吸收回路以提高装置的使用效率；采用过流、过压保护技术及故障诊断技术，使系统可靠工作；8)APF技术至今未在各国普遍使用的一个重要原因是补偿电流的精度检测等问题始终没有很好解决。中国在研制APF时应着力采用新理论和新方法，结合中国国情采用小额定值的APF配以无源滤波器的混合型电力滤波的方式是可行的。随着电力有源技术的发展。1.6本文的主要工作本文主要工作的内容主要包括下面几个方面：1)介绍了电力有源滤波器的主要拓扑结构、分析了其滤波原理；2)对几种谐波检测方法进行概述，详细分析了基于瞬时无功功率和无功电的实时检测谐波电流检测法；3）对并联电力有源滤波器的控制策略进行了概述，详细分析了基于电压空间矢量的滞环电流控制方式；4）最后详细分析了并联电力有源滤波器直流侧电压控制策略；5)给出仿真分析。2 并联有源滤波器结构特点及其滤波原理2.1并联型电力有源滤波器的结构特点由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称并联型。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。这种方式中，由于电源的基波电压直接加到变流器上，使得变流器的容量较大。但是这种方式可以对无功功率进行补偿，且补偿的程度是连续可调的。本论文主要对并联型电力有源滤波器的控制算法进行了仿真分析，并联型电力有源滤波器是相对于串联型有源滤波器而言的，目的是针对一些电流源型谐波用户来说的，例如直流侧是阻感负载的整流电路，即通过补偿用户端的电流谐波使谐波流入APF而避免注入电网，从而使电网电流为基波正弦波25 26272829。2.1.1单独使用的并联有源滤波器这是APF的最基本形式。即为图2.1去掉并联支路的无源滤波器之后的部分，负载为产生谐波电流的电流源负载，即电流源谐波源，变流器和与它相连的滤波电感、直流侧储能电容共同组成电力滤波器的主电路。但其中变流器的出口处接电容和滤波电感组成高通滤波器，用来消除变流器开关器件产生的高次谐波电流。控制电路通过采集的电压和电流信号经运算产生使变流器产生指令电流信号的开关信号。单独使用的并联滤波器结构简单，但是，由于变流器直接和电网相连，电网电压直接加在了变流器端，APF就需要较大的容量。由于电力电子器件额定电压和电流的限制，以及大容量电容涉及成本高的问题，就限制了此种情况下APF的使用只能是需要补偿容量不大的场合。如：小用户端。2.1.2有源、无源混合型APF目前工程上应用最多的还是无源LC滤波器，它结构简单，投资少，可靠性高，运行费用也比较低。它滤除谐波的原理实质上是为电路中的谐波提供一条低阻抗路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可通过滤波器不注入系统。无源滤波器(Passive Power Filter,简称PPF)，通常是采用电力电容器、电抗器和电阻按功能要求组合而成，最简单的是单调谐LC滤波器。要滤除若干个特征次谐波，就用若干个单调谐滤波器并联接到电网上。无源滤波器还可以设计成双调谐的，它同时可以滤除两种频率的谐波；也可以做成多阶的，但电路复杂，应用较少。另外，PPF还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次以上的谐波。无源滤波器由于其结构简单、成本低，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数；同时无源滤波器又具有维护方便，以及有较成熟的技术、设计和制造经验，因此无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑制和补偿无功的主要手段。但PPF就存在以下缺点：1)滤波特性受系统参数与运行工况影响比较大，设计起来较困难，谐振频率依赖元件参数；2)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；3)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。而APF和PF混合使用却能在充分利用PF结构简单、成本低等优点的基础上，最大发挥APF的性能。并联型有源滤波器与LC滤波器混合使用的方式有两种：一种是APF和LC的串联；一种是APF和LC的并联，并联结构如下图2.1。在混合结构中，LC滤波器承担了大部分的谐波补偿，APF的作用是对LC滤波器补偿的优化和补充，在这种情况下，LC滤波器将不再受电网参数变化的影响而降低，如果采用串联谐振来分压，则可以使APF的主电路不承担基波电压，从而大大降低了APF的容量。图2.1 APF与PF并联使用结构2.1.3 无源和有源的串联注入式拓扑结构论文仍然采用混合型滤波器结构。达到的目的:1)降低APF容量；2)抑制电网和LC滤波器可能的谐振；3)APF主电路不承受基波电压。基于以上目的论文采用如下结构，如图2.2所示：图2.2并联APF混合结构上图中，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滤波器的滤波性能，克服LC滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式下，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。另外，诸如注入式方式，APF也不需要承受基波电压，从而也有效的降低了有源滤波器的容量，但注入回路中并联的基波串联(或并联)谐振支路在降低APF承受基波电压的同时，也使补偿电流中的基波分量(包括有功、无功部分)分流，从而间接的增大了补偿的有功基波分量。而文中采用的拓扑结构避免了上述缺陷。2.1.4 并联滤波器主电路的工作原理把逆变电路中的SPWM控制技术用于整流电路，就形成了PWM控制整流电路，通过对PWM整流电路的适当控制，就可以达到对交流侧输入电压及其相位的控制，亦可以通过间接方法达到控制交流侧输出电流的目的，而本文正是通过对电压控制而间接控制电流，这将在控制方法中介绍。图2.3变流器主电路三相桥式整流电路可以工作于逆变和整流两种工作状态，当在整流状态时属于升压型整流电路，其输出的直流电压理论上可以高出交流侧峰值电压的许多倍，通过适当的控制就能在交流侧得到期望的电压电流波形。2.2 并联有源滤波器主电路的数学模型主电路图2-3三相电压源整流器的数学模型是根据它的拓扑结构在三相静止坐标系(a，b，c)中、利用电路基本定律对三相电压源整流电路的一种数学描述。进行数学描述时，通常进行以下假设：1)电网电压为三相稳定的正弦波电压(，)；2)网侧电感是线性的、不考虑饱和。根据三相电压源整流器的特性分析需要，其数学模型一般有两种：1)采用开关函数描述的一般数学模型；2)采用占空比描述的一般数学模型。2.2.1 开关函数描述的数学模型采用开关函数描述的数学模型方便对电压源整流器(voltage source rectifor,for short：VSR)开关过程的精确描述，较适用于VSR的波形仿真，常用于校正控制系统设计的恶性能指标。现以图2-3所示的拓扑结构建立用开关函数描述的VSR数学模型。当时，VSR可运行于逆变状态也可运行于整流状态。为方便分析，先对主电路的开关逻辑进行定义： 忽略功率器件的损耗，根据基尔霍夫电压定律建立三相VSR的三相回路方程为： 现确定,和的关系：我们知道，在任何情况下，总有三个功率开关器件导通，即相对于三个桥臂的上下桥臂必用一个导通，不乏广泛性，现在取一组开关组合状态，且假定三相的电流方向：,相电流从,点流出(相对变流桥)，相电流点流进。那么，,点同电位且和直流侧电容的正极(上端)同电位，而点与直流侧电容的负极(下端)同电位。此状态简化后的电路如图2.4：图2.4变流器简化运算电路图根据图2.4，可以得到如下方程： 上式中的,以点位参考点。由于是三相对称系统，则： 式(2-4)和式(2-5)联立可得： 由式(2-3)和式(2-6)可得： 以上假设各种开关运行状态中的一种，但无论那种运行状态，在以简化电路的表示形式中必有两相电压相同，且相同相的电压的绝对值必为，而另一相的电压的绝对值为。观察主电路图2.3的运行状态，可以发现，若不考虑交流侧电流流出时的电压极性，在图2.4所示电流流向时，开关状态共有两种，换句话说，对应每种电流流向就会有相对应的两种开关组合。而此时的电压可以用相应的开关组合函数来表示为(如相)： 如图2.4对应两种开关组合、恰和、对应，那么，对于,相： 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： 把以上式(2-8，2-9，2-10)式代入式(2-2)式整理得： 2.2.2 采用占空比描述的VSR数学模型为简化VSR的数学模型，可忽略开关函数中的高频分量，只考虑低频分量，从而获得采用占空比描述的低频数学模型。为消除开关函数描述的VSR一般数学模型中的高频分量，在开关函数模型中引入傅里叶变换： 当开关频率远高于电网频率时，可用规则采样法代替自然采样法(自然采样法中PWM波形不对称)，此时在一个开关周期内，PWM开关函数波形图2.5所示，波形是对称的。图2.5 PWM及开关函数波形在图2.5中，其中，为PWM开关频率，为对应的相的PWM占空比，且。开关函数及占空比间的关系为： 根据上式求得傅里叶系数整理得： 式(2-7)和(2-14)(2-15)关系表明：PWM占空比实际上是一个开关周期上开关函数的平均值 显然： 把式(2-16)、式(2-18)代入 式中为高频分量，在设计中可以忽略。2.3 并联滤波器滤波原理分析有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，同时又能抑制电网和无源滤波部分产生谐振。并联APF在系统中相当于一个电流受控电流源，受负载谐波电流的控制。其原理可以用以下的原理电路来解释：2.3.1 受控电流源变换支路阻抗如下图2.6所示，在原支路上并联一个受控电流源，由于有源单元的加入，其支路等效阻抗为：上式可以看出支路阻抗由原来的增大为。图2.6 变阻抗原理2.3.2 阻抗变换应用于APF的滤波原理图2.3的单相等效电路如图2.7所示，不考虑电压源谐波的影响，负载可看作一个谐波电流源，同时APF可以看作一个受负载谐波源，控制的受控电流源。根据基尔霍夫电流定律和电压定理： 图2.7 APF的简化运算图消去： 而当没有接入APF时的: 比较上式(2-21)、式(2-22)、式(2-21)的等效电路可以由式(2-22)通过变换得到，如下图2.8：图2.8阻谐波原理图通过以上分析可知：这种控制策略实质上等效通过控制有源电力滤波器改善无源滤波器的谐波阻抗特性的同时，又增大了电网谐波阻抗，从而可极大提高滤波效果，抑制了电网和LC无源滤波器可能产生的谐振。2.4 小结介绍了有源滤波器的功能特点，详细叙述了电力有源滤波器的数学模型，介绍分析电力有源滤波器和PF的混合结构，从而选择了一种满足设计目的的拓扑结构，并对其特点进行了分析。最后在简化电路结构的基础上分析了电力有源滤波器滤波原理。3 并联有源滤波器谐波算法及直流侧电压控制策略有源电力滤波器系统由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路,驱动电路和主电路三部分构成)如图3.1所示 。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,因此有时也称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,产生实际的补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流。主电路目前均采用PWM变流器。图3.1 并联有源滤波器的基本拓扑结构3.1谐波电流检测法3.1.1 谐波检测的方法30谐波检测的方法较多。如快速傅里叶变换(FFT)、瞬时无功功率理论与广义旋转坐标变换、小波变换(WT)、神经网络等目前，FFT技术已成熟。但也有局限性：1)需要信号是稳态的；2)没有反映随时间变化的频率，当需要在任意频率范围产生频谱信息时，FFT不一定适用；3)FFT需要一定时间的采样值，计算量大，计算时间长，致使检测时问长，实时性差；4)即使信号是稳态的，当信号频率和采样频率不一致时，也会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，致使计算的信号参数(频率、幅值和相位)不准确。无法满足检测精度的要求。瞬时无功功率理论与广义旋转坐标变换：前者当电网电压对称且无畸变时，实现基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量电路的检测简单、延时小、实时性好，用其实时测量谐波总量有优势，但不能检测各次谐波。该法主要用于三相三线制；后者可实现各次谐波的检测，但由于电路损耗大，尚处于探讨中。小波变换是用FFT分析非稳态信号的局限性时形成和发展的一种时频分析工具，WT中采用不同的尺度。可在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，但缺乏规范的最佳小波基的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格、能量集中的小波函数。随着神经网络的发展。提出了基于多层前馈神经网络和神经网络RBF(Redial Basis Function)相结合的电力系统谐波检测方法，该检测方法计算量小、检测精度高、实时性好、抗干扰性强。目前广泛应用的是谐波电流检测法,本文使用此种方法进行谐波电流检测。3.1.2 瞬时无功功率理论及其应用6 78910 三相电路瞬时无功功率理论自上世纪80年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。本节将首先论述瞬时无功功率理论，然后介绍基于该理论的谐波和无功电流实时检测方法。3.1.2.1 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论亦称理论，是以瞬时实功率和瞬时虚功率的定义为基础，最主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。下面将要介绍的是以瞬时有功电流和瞬时无功电流为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为,和,为分析问题方便，把它们三相变换到两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到,两相瞬时电压,和,两相瞬时电流 , 。式中: 在图3.2所示的平面上，矢量， 和，分别可以合成为(旋转)电压矢量和电流矢量：式中， , 分别为矢量。、的模；，分别为矢量。、的幅角。图3.2 坐标系中的电压、电流矢量 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流。分别为矢量在矢量及其法线上的投影。而三相电路瞬时无功功率 (瞬时有功功率)为电压矢量的模和三相电路瞬时无功电流 (三相电路瞬时有功电流)的乘积。即由图3-2中各矢量的关系，可得瞬时有功功率定义为:瞬时无功功率定义为：写成矩阵形式即为：瞬时有功功率及瞬时无功功率在坐标轴上的投影即为，相的瞬时有功电流 , 及瞬时无功电流 , ，某一相的瞬时有功电流和瞬时无功电流也可分别称为该相瞬时电流的有功分量和无功分量。，相的瞬时无功功率， (瞬时有功功率，)分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流(瞬时有功电流)的乘积。三相电路各相的瞬时无功电流， (瞬时有功电流，是，两相瞬时无功电流 , (瞬时有功电流 , )通过两相到三相变换所得到的结果。即式中传统理论上的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功功率中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。由上面的推导过程不难证明，当,均为标准正弦波时，则，的值为标量且与平均有功功率和平均无功功率相同。这也是瞬时无功功率理论在电压、电流均为正弦波时的例证。瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率路论，比传统理论有更大的适用范围。3.1.2