并联型三相四线制有源电力滤波器滞环控制电路设计毕业设计

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1、 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 毕业设计 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 摘要 随着电力电子装置及其它非线性负载的广泛应用，电网中的谐波和无功污 染日趋严重，对电力系统和用户造成了一系列危害。并联有源电力滤波器作为 一种新型的谐波、无功综合补偿系统，是电能质量控制领域中的研究热点。近 年来，三相四线制电网中的谐波和负载不平衡问题日益突出，为此本文研究了 三相四线制系统中谐波和无功功率的统一补偿问题。 本文首先简单介绍了电力系统谐波的基本概念、基本原理及其对整个电力 系统的影响，然后介绍国内外有源电力滤波器的控制方法的发展趋势和应用情 况，不同类型有源电力滤波器的基本原

2、理、结构和控制方法，混合型并联有源 电力滤波器的基本原理、结构，最后重点分析并联型三相四线制有源电力滤波 器控制方法，绘制并联型三相四线制有源电力滤波器的原理图及其框图，绘制 整个控制电路原理图及框图，并利用 MATLAB 仿真软件对有源电力滤波器进 行仿真，得出了预期波形。 关键词：谐波；电力有源滤波器；控制电路；滞环电路 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 SHUNT THREE-PHASE FOUR-WIRE ACTIVE POWER FILTER DESIGN OF HYSTERESIS CIRCUIT Abstract The pollution of harmonics a

3、nd reactive power in power grid becomesserious and endangers the power system and customers while power electronicdevices and other nonlinear loads are applied widely.The study on shunt activepower filter, which is a novel device compensating harmonics and reactive power simultaneously,is the focus

4、in the field of power quality control.Inrecent years,the issues of harmonics and loads unbalance in three-phase four-wire power grid are more and more serious. In this paper, a brief account of the power system harmonics of the basic concepts, the basic principles and its impact on the entire power

5、system.And then the paper gives an introduction about active power filters controlling method and Application, Different types of active power filters the basic principles, structure and control method,.Parallel hybrid active power filters basic principles, structure is also introducede ,at last ,th

6、e paper gives analysis of parallel three-phase four-wire active power filter control methods, draws parallel three-phase four-wire active power filter and its schematic diagram, maps the entire control circuit schematic diagram and block diagram,and uses MATLAB to simulate APF , reachs the desired w

7、aveform. Key words: Harmonics; Active filter of power; Control circurt 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 目 录 第 1 章 绪论 .4 1.1 电力系统谐波 .4 1.1 1 电力系统谐波概述 .4 1.1 2 谐波的基本概念 .4 1.1 3 谐波的危害 .4 1.2 有源电力滤波器及其控制方法的发展趋势与研究现状 .6 1.2 1 有源电力滤波器的发展历程 .6 1.2 2 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 .6 1.2 3 有源电力滤波器的控制技术发展趋势 .6 1.3 电力有源滤波器简介 .7 1.3

8、1 传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷 .7 1.3 2 电力有源滤波器的优点 .8 1.4 电力有源滤波器的分类 .9 1.5 电力有源滤波器工作原理简介 .10 1.5 1 常用谐波电流检测方法 .10 1.5 2 常用的补偿电流的控制方法 .11 第 2 章 各种有源电力滤波器的结构、控制方法及原理分析 .12 2.1 并联型有源电力滤波器 .12 2.1 1 并联型有源电力滤波器的基本原理 .12 2.1 2 并联型有源电力滤波器的基本结构 .13 2.2 串联型有源电力滤波器 .14 2.2 1 串联型电力有源滤波器的基本原理及结构 .14 2.3 混合型有源电力滤波器 .15 2.

9、4 各种有源电力滤波器的控制方法 .16 第 3 章 瞬时无功功率理论及谐波无功电流检测方法 .18 3.1 瞬时无功功率理论概述 .18 3.2 其他谐波及无功电流检测方法 .21 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 3.2 1 带通(带阻)滤波器检测法 .21 3.2 2 快速傅里叶变换法（FFT） .21 3.2 3 同步检测法 .21 第 4 章 并联型三相四线制有源电力滤波器的控制方法研究 .23 4.1 三角载波电流控制 .23 4.2 滞环跟踪控制 .24 4.3 三相四线制 APF 主电路分析 .26 第 5 章 并联型有源电力滤波器仿真分析 .28 5.1 并联型有源

10、电力滤波器的仿真电路 .28 5.2 仿真分析 .29 5.3 仿真总结 .31 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 1 页 共 32 页 第 1 章 绪论 1.1 电力系统谐波 1.1.1 电力系统谐波概述 一个理想的电力系统是以单一恒定频率与规定幅值的稳定电压供电的。但 实际上，由于近年来随着科学技术的不断发展，在电力系统中大功率换流设备 和调压装置的利用、高压直流输电的应用、大量非线性负荷的出现以及供电系 统本身存在的非线性元件等使得系统中的电压波形畸变越来越严重，对电力系 统造成了很大的危害，如：使供电系统中的元件损耗增大、降低用电设备的使 用寿命、干扰通讯系统等。严重时甚

11、至还能使设备损坏，自动控制失灵，继电 保护误动作，因而造成停电事故等及其它问题。 1.1.2 谐波的基本概念 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频 率为基波频率的整数倍数。 ”由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常 称它为高次谐波。在国际电工标准中，对谐波的明确定义则为：“谐波分量为周 期量的傅利叶级数中大于 1 的 h 次分量，其中 h 是以谐波频率和基波频率之比 表达的整数。 ”但在 IEEE 标准中，谐波的定义则为：“谐波为一周期波或量的正 弦波分量，其频率为基波频率的整数倍数。 ” 1.1.3 谐波的危害 （1）对供电网和导线，增加供电网的损耗 当发

12、生谐振或放大现象时，损耗更加严重。是因为谐波电流在导线上的发 热比均方根电流造成的预期以发热为高。这是由于集肤效应和邻近效应造成的。 集肤效应是由于导线内部被外部各层所屏蔽，电流集中于外部，导线的电阻增 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 2 页 共 28 页 加并随频率和导线的直径而增加。邻近效应是由于导线磁场使邻近导线内的电 流分布畸变。 三相四制的配电网向单相负荷供电时，在中性导线上会造成不正常的高电 流(3 次谐波电流) ，整流器中性线电流可达相电流的 1.7 倍并造成中性线的过负 荷。 谐波电流的存在，大大增加了电力网中发生谐振的可能，从而造成很大的 过电流或过电压，引发

13、事故的危险性。增加附加损耗，降低发电、输电及用电 设备的效率和设备的利用率。 （2）谐波对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动作或拒动。 尤其是一些衰减时间较长的暂态过程。各种类型继电器在波形畸变下运行 性能都不尽相同，不同制造厂生产的相同形式的继电器对同样的畸变的反应也 不相同。改变电压或电流的基波分量与谐波分量间的相角明显地改变继电器的 反应。双输入继电器各输入量中谐波间的相角关系也影响继电器的性能。大多 数研究结果表明，在没有进行试验前很难预测继电器的性能变化 （3）对电力系统的仪表和电能计量的影响 现代指示均方根值的电压表和电流表相对地不受波形畸变的影响。 受谐 波影响较大的计量电

14、能的感应型电能表，其误差与由于频率性和非线性度造成 的误差有关。在高度非正弦的情况下，应避免使用感应型电能表，因为计量误 差大并且在 4001000Hz 范围内可能发生机械谐振故障。 除电表本身产生误差外，谐波负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐 波功率。这样受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又从谐波源吸收无用的 谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费而受害的用户反要多付电费。 1.2 有源电力滤波器及其控制方法的发展趋势与研究现状 1.2.1 有源电力滤波器的发展历程 发展有源电力滤波器的思想早在 1967 年就被提出。80 年代后，由于电力 电子和控制技术的发展，APF 技术逐步走向

15、成熟。90 年代 APF 技术进入实际 应用，截止 2005 年，已有 500 多台 APF 投入运行，其总容量已达 600MVA。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 3 页 共 28 页 从使用的主电路形式看，滤波器的主电路形式可分为电压型和电流型，目前实 用装置 90%以上为电压型。从补偿对象的连接方式来看，有源电力滤波器可分 为并联型，串联型和串并联型，以及有源电力滤波器与无源 LC 滤波器混合使 用的混合型。 1.2.2 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 我国在电力有源滤波器方面的研究起步较晚，直到 1989 年才见到这方面研 究的文章，1993 年才见到试验性的工业应

16、用实验。近几年进行这方面研究的单 位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看， 以理论研究和实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。目前的关 键是加快电力有源滤波器在生产实际中的应用，提高实际应用水平。 为了抑制非正弦系统的高次谐波和补偿无功功率，近几年出现了许多新型 的无功功率补偿装置，有源电力滤波器就是其中的杰出代表。有源电力滤波器 控制的关键就是变流器的脉冲宽度调制技术（PWM ） 。 1.2.3 有源电力滤波器的控制技术发展趋势 为了抑制非正弦系统的高次谐波和补偿无功功率，近几年出现了许多新型 的无功功率补偿装置，有源电力滤波器就是其中杰出的代表。有源电

17、力滤波器 控制的关键就是变流器的脉冲宽度调制技术（PWM ） 。为了获得更为优越的有 源电力滤波器输出特性，国内外科学工作者对 APF 控制进行了大量卓有成效的 研究，提出了许多新的脉冲宽度调制技术。下面对已出现的两种典型且常用的 APF 控制技术进行简要介绍。 （1）三角波电流控制。三角波电流控制技术是一种传统的脉冲宽度调制技 术，是最早在脉冲宽度调制技术中得到应用的方法之一，也是最简单的一种有 源电力滤波器控制方法。三角波电流控制技术时将检测环节得到电流实际值与 设置值之间的偏差与高频三角波之间做比较，所得到的矩形脉冲作为变流器各 开关器件的控制信号，从而在变流器输出端获得所需波形。这种控

18、制技术开关 频率恒定、实现电路简单、稳定性好、得到应用的时间长技术成熟、装置安全 性较高，但响应速度较慢，精度较低。因此在高频谐波跟踪控制中，响应速度 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 4 页 共 28 页 和控制精度成为难以克服的缺陷。 （2）滞环电流控制。目前应用于有源滤波器的电流控制技术一般有两类， 即滞环电流控制技术和三角波控制技术。滞环控制技术是目前在有源滤波器控 制中应用最成功的有效控制技术之一。滞环电流控制是一种简单的 bang-bang 控制，它集电流控制与 PWM 于一体，滞环控制技术给定一个允许误差带，只 要高次谐波的大小超过这个容差带，变流器开关就动作。 1

19、.3 电力有源滤波器简介 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条:一条 是装设谐波补偿装置，这对各种谐波源都适用;另一条是对电力电子装置本身进 行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为 l，这只适用于主要谐波源是电 力电子装置的情况。目前谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器 (Active Power Filter，缩写为 APF)。 1.3.1 传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷 目前我国电力系统中普遍采用由电抗器和电容器串联后组成的分路调谐 LC 滤波器作为滤波器，但这种无源型 LC 滤波器抑制谐波的效果并不理想，且系 统 LC 也经常变化，当系统阻抗参数运行

20、条件变化，会发生与系统并联或串联 谐振问题，造成电源侧某一频率上谐波电流倍增，严重影响滤波性能，它一般 只适用于静态补偿。其主要存在以下问题: （1）电源阻抗严重影响滤波特性 （2）随着电源侧谐波的增加，滤波器有可能过载 （3）在同一系统内设置很多 LC 滤波回路情况下，难以取得高次谐波流入的平 衡。 现阶段在电力网中广泛应用静止型无功补偿器(SVC:Static Var Compensation)，其内部的电力电子开关元件多为晶闸管，它有两种基本类型: 晶 闸管可控电抗器(TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)。晶闸管在导通期间处于失控 状态，这使 SVC 每步补偿时间间隔至少为工频的半个周期

21、。若被补偿的负荷为 急剧波动的干扰性负荷时，常用的 SVC 因固有的时间延迟使其响应不够快。上 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 5 页 共 28 页 面所说的两种补偿装置都离不开大容量的储能元件，这是由于电感和电容储存 和交换电能的特点向系统提供无功功率的补偿容量决定的，因此，其容量的大 小应不少于所补偿的无功功率。另外，这些大容量储能元件存在固有的时滞影 响，使它们不可能做到瞬时无功补偿。晶闸管控制投切电容器组虽然己能相对 平滑地快速调节容性无功功率的大小，实现动态无功功率补偿作用，但是这种 无功功率补偿器的容量明显受到安装点电压变化的制约(与安装点电压平方成正 比)。当电网

22、无功功率不足引起电压下降时，电容器提供的无功功率减少，导致 母线电压进一步降低。 综上所述，传统无功功率的定义和概念，只限于处理系统运行参数是正弦 周期的情况，对功率急剧变化所出现的瞬时或随机变化的非周期现象已不能适 应。 1.3.2 电力有源滤波器的优点 电力有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置， 它能对大小和频率都变化的谐波以及无功进行补偿，其应用可克服 LC 滤波器 等传统的谐波抑制和电容器等无功补偿手段的缺点，是电力系统柔性交流传输 系统(FACTS) 中的一个重要的发展方向。这种滤波器的特点为： （1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功

23、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，且补偿无功功率大小可做到连续 调节； （3）补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也 不大; （4）即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也不会发生过载，并能正常 发挥补偿作用; （5）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振; （6）能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响; （7） 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补 偿。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 6 页 共 28 页 1.4 电力有源滤波器的分类 按照不同的划分标准，电

24、力有源滤波器有多种分类的方法，分别介绍如下 （1）根据接入电网的方式不同，可以分为两大类:并联型电力有源滤波器和 串联型电力有源滤波器。并联型电力有源滤波器与负载并联接入电网，主要适 用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补偿。串联型电力有源滤波器与负 载串联接入电网，主要消除电压型谐波源对系统的影响。串联型电力有源滤波 器中流过的是正常负载电流，损耗较大;并且串联型电力有源滤波器的投切、故 障后的退出及各种保护也比并联型电力有源滤波器复杂，因此使用范围受到很 大的限制。 （2）根据主电路的贮能元件不同，可以分为电压型电力有源滤波器和电流 型电力有源滤波器两种。电压型电力有源滤波器的主电路直流

25、侧接有大电容， 正常工作时其电压基本保持不变。电流型电力有源滤波器的主电路直流侧接有 大电感，正常工作时其电流基本保持不变。但由于电流型主电路的直流侧始终 有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。 （3）根据主电路所使用的 PWM 变流器数目，可以分为单个主电路电力有 源滤波器和多重化主电路的电力有源滤波器。后者可以提高电力有源滤波器的 容量，降低单个器件的工作频率。 （4）根据接入系统的不同，可以分为单相电力有源滤波器和三相电力有源 滤波器。后者又可以分为用于三相三线制电路的电力有源滤波器和用于三相四 线制电路的电力有源滤波器。 在各种电力有源滤波器中，单独使用的

26、并联型电力有源滤波器是最基本的 一种，也是工业实际中应用最多的一种，它集中地体现了电力有源滤波器的特 点，因此，本文主要以并联的电压型三相电力有源滤波器为研究对象。 1.5 电力有源滤波器工作原理简介 电力有源滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电 路。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电 流分量，因此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 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 7 页 共 28 页 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。 主电路目前均采用 PWM 变流器。作为主电路的 P

27、WM 变流器，在产生补偿电 流时，主要作为逆变器而工作。但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电 网向电力有源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， 它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。因 此，一般称其为变流器，而不称之为逆变器。 1.5.1 常用谐波电流检测方法 电力有源滤波器谐波电流的检测不同于一般的谐波测量仪，它一般不需要 分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流或基波有功电流之外总的畸变电 流即可。 目前电流的检测方法可分为频域和时域两大类。基于频域的电流检测主要 有带通( 带阻)滤波器检测法、快速傅里叶变换法等，但由于它们固有的缺陷，

28、 检测效果差，不能满足准确、实时性的要求。时域电流检测法在电力有源滤波 器中应用广泛，主要有同步检测法、自适应电流检测法和基于瞬时无功功率理 论电流检测法等。 电力有源滤波器的谐波和无功电流检测法对其整体性能至关重要，而基于 瞬时无功功率理论的电流检测法具有较高的准确性和实时性，所以是目前电力 有源滤波器中使用最多的谐波和无功电流检测法。本文也主要对基于瞬时无功 功率理论的电流检测法作深入讨论。 1.5.2 常用的补偿电流的控制方法 电力有源滤波器要动态补偿负载中的谐波和无功电流，其电流波形可能复 杂、变化速度快且有很大的随机性。因此当电力有源滤波器的主电路及控制对 象确定后，其补偿电流的控制

29、方法将成为决定其性能和效率的关键性环节。现 在比较常用的有三角波脉宽调制电流控制方法、滞环比较电流控制方法、无差 拍电流控制方法。日本电气学会的调查结果表明，三角波脉宽调制方法和滞环 比较电流控制方法在实际应用中大体各占了一半。这两种方法各有优缺点，在 实际应用中可以根据系统要求进行选择。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 8 页 共 28 页 第 2 章 各种有源电力滤波器的结构、控制方法及原理分析 2.1 并联型有源电力滤波器 并联型电力有源滤波器通过检测负荷产生的谐波和吸收的无功电流，利用 电力电子装置注入与负荷谐波和无功电流大小相等、相位相反的电流，实现对 无功和谐波的补

30、偿。 2.1.1 并联型有源电力滤波器的基本原理 并联型电力有源滤波器的基本结构如图 2.1 所示。它主要由补偿电流检测 回路、控制驱动回路以及由电力电子器件和电容或电感构成的主回路组成。 设非线性负荷产生的周期性非正弦电流为 ，将其分解为基频有功电流()Lit 、基频无功电流 ，谐波电流()lpit()lqit()lhit 其中 = + + （2-Litlplq()lhit 1） 又由图 2.1 可得： = + （2-()sitL()cit 2） 假设： = - =- + （2-()citlp()Litlqit()lh 3） 则系统仅需向负载提供基频有功电流，即 = （2-()sitlp 4

31、） 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 9 页 共 28 页 图 2.1 并联电流型电力有源滤波器的基本结构 图 2.1 中各部分的功能如下： （1）补偿电流检测回路主要是完成谐波和无功电流的检测，是实现补偿的 基础。由于这种检测不需要分解出各次谐波分量和无功电流，只需检测出谐波 或谐波与无功电流之和，同时考虑到基波的检测比谐波的检测容易得多，因此 常常采用检测负荷的基频或基频有功电流的方法来得到参考补偿电流。 （2）驱动控制回路的主要任务是根据参考指令电流，确定各电力电子器件 的开关状态，并由此形成各个通道的驱动信号。 （3）主回路主要是根据控制触发信号产生所需的补偿电流，主回路

32、各器件 决定的容量决定了该装置的补偿容量。 2.1.2 并联型有源电力滤波器的基本结构 APF与系统相并联，相当于一个谐波电流发生器，可产生与负载谐波大小 相等方向相反的谐波电流，从而抵消线路上的谐波电流而将电源侧电流补偿为 正弦波。同时，并联型APF 也可用于补偿负荷的无功功率、工频电流的负序和 零序等。目前并联型APF 技术已相当成熟，工程上应用较多，具体结构如图 2.2。 2.2 串联型有源电力滤波器 串联型电力有源滤波器具有多种结构形式，这里将详细介绍一种具有很好 应用前景的基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器。 基于基波磁通补偿的串联有源滤波器只需检测电网电流的基波，并跟踪产 生基波补

33、偿电流，在满足补偿条件下，将串联变压器铁心中基波主磁通补偿为 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 10 页 共 28 页 零，从而实现串联变压器对电网基波电流呈低阻抗，而对谐波电流呈高阻抗， 它可以单独使用，也可以与并联无源(并联有源)构成串联混合型滤波器。 电力系统 L APF C 非线性负载 图 2.2 并联型有源电力滤波器结构图 APF通过变压器串联在电网与负载之间，相当于一个受控电压源。 其工作 原理是通过检测环节测量电网中的谐波电压分量，产生与之相反的附加电压信 号，从而实现系统与谐波的隔离，使电源端电压恢复为正弦波。串联型APF主 要用于调节电压和功率因数、消除电压变、

34、隔离电压谐波等。由于串联型APF 损耗大，投切故障后的退出及各种保护比并联型复杂，目前单独使用的较少。 基本结构如图2.3 2.3 混合型有源电力滤波器 APF，这种滤波器充分利用无源滤波器(PF)和有源滤波器的优点。PF用来 消除高次谐波，APF用来补偿低次谐波分量。两者相互弥补不足，达到降低成 本，提高效率的目的。并联APF与并联PF相结合的混合型APF方案中PF分担大 部分谐波，APF仅补偿所需的各次谐波电流，因此APF容量很小，但使用这种 混合滤波器时，电源与APF之间及APF 与PF之间存在谐波通道，特别是后者可 能使APF注入的谐波电流又流入PF及系统中联接的滤波电容中。串联APF

35、加并 联PF的结构方案中APF对工频呈低阻抗而对谐波呈高阻，因此APF相当于电源 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 11 页 共 28 页 和负载之间的谐波隔离器，保证电网的谐波电压不会加到负载和PF上，而负载 的谐波电流也不会流入电网。APF通过变压器串联在系统中，绝缘较困难，并 且APF要承担所有负载电流，这将直接影响该种混合滤波器的补偿性能。APF 与PF相串联的混合型APF方案中APF产生与系统中谐波分量成比例的电压，相 当于一个电流控制电压源。为了便于保护和隔离，注入变压器要联接在PF的中 性点上。该电路的缺点是采用开环控制策略，这样会对电网中的谐波电压非常 敏感。其结

36、构图如图2.4 电力系统 L T APF C 非线性负载 图2.3 串联型有源电力滤波器结构图 电力系统 L T APF C 非线性负载 PF 图 2.4 混合型有源电力滤波器 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 12 页 共 28 页 2.4 各种有源电力滤波器的控制方法 由于有源电力滤波器的类型和控制目标很多，这就决定有源电力滤波器的 控制技术非常丰富，总体来说，有源电力滤波器的控制方式可以分为三大类： 对系统电源侧电压、电流进行控制；对系统负载侧电压、电流进行控制；对系 统电源和负载侧电压、电流同时进行控制。由于有源电力滤波器中的可控功率 元件开关频率需要高于被补偿的最高次谐

37、波频率的2倍以上，控制可控功率元件 开关状态的信号是脉冲宽度调制信号，因此有源电力滤波器的控制策略主要是 如何实现脉冲宽度调制。 三角载波线性电流控制和滞环跟踪控制适用于模拟控制系统和微机控制系 统，目前是使用最多也是最成熟的两种控制方法。特定次数谐波消除控制方法 和自适应控制方法适用于微机控制系统。特定次数谐波消除控制方法需要事先 计算出要消除的若干次指定谐波，在负载经常变化的情况下，跟随特性难以保 证，目前较少使用；自适应控制方法因反应较慢，算法复杂，目前尚在理论研 究之中，在有源电力滤波器中没有得到工程应用。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 13 页 共 28 页 第三章

38、 瞬时无功功率理论及谐波无功电流检测方法 3.1 瞬时无功功率理论概述 三相电路瞬时无功功率理论自八十年代提出来以来，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 时无功功率和瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础的谐波和无功电流 实时检测方法在电力有源滤波器中得到了成功和广泛的应用。本章首先介绍瞬 时无功功率的基本理论，然后介绍基于该理论的谐波和无功电流实时检测方法。 1983年，Akgai 等人提出了 坐标系下的瞬时无功功率理论，其基本思路是:将 abc三相系统电压、电流转换成 坐标系下的矢量，将电压、电流矢量的点积定 义为瞬时实电功率，电压、

39、电流矢量的矢量积定义为瞬时虚电功率，并由此导 出瞬时无功电流和瞬时无功功率。 （1）abc坐标系与-坐标系之间的变换关系 设三相电路各相电压、电流的瞬时值分别为 、 、 和 、 、 把它aebcaibci 们分别变换到两相正交的-坐标系: （3-1）32 abceC （3-2）32 abciii 式中 = （3-3）32C1302 （2） 三相电路瞬时有功电流 和瞬时无功电流piqi 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 14 页 共 28 页 三相电路瞬时有功电流 和瞬时无功电流 分别为矢量 三相电路瞬时piqii 有功电流 （ 的法线）上的投影：e = （3-picos 4） =

40、 （3-qisn 5） 式中： 。ei （3） 三相电路瞬时无功功率q和瞬时有功功率p 三相电路瞬时无功功率q(瞬时有功功率P)为电压矢量 的模与三相电路瞬e 时无功电流 (瞬时有功电流) 的乘积: qiqi （3-pqei 6） 经变换可得： = （3-epqipqCi 7） 式中 = ，显然可得p、q对于三相电压、电流的表达式:pqCe （3-abceii 8） （3-1()()()3bcacabbaqeieiei 9） 从（3-8）式可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 （4） 、相的瞬时无功电流 ， 和瞬时有功电流 ， qipi 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路

41、设计 第 15 页 共 28 页 、相的瞬时无功电流 ， 分别为三相电路瞬时无功电流 在、轴qi qi 上的投影，瞬时有功电流 ， 则分别为三相电路瞬时有功电流 在、轴p p 上的投影,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电流的有 功分量和无功分量。 （5）、相的瞬时无功功率 、 和瞬时无功功率 、qp 、 相的瞬时无功功率 、 分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流的乘积， 、相的瞬时无功功率 、 则分别为该相瞬时电压和瞬时有功电流的乘积，p 即: = ， = ， = ， = epiepiqeqiepi （3-10） 从以上定义可得到如下性质： + = + =0 （3-pq 11）

42、（6） 三相电路各相的瞬时无功电流 ， ， 和瞬时有功电流 ， ，aqibcqiapibcpi 三相电路各相的瞬时无功电流 ， ， 是、 两相瞬时无功电流 ，q 通过两相到三相变换所得到的结果，而各相的瞬时有功电流 ， ， 是qi apibcpi 、 两相瞬时有功电流 ， 通过两相到三相变换所得到的结果，即：pi （3-23 appbciiCi 12） 式中： = （3-23CT 13） 又以上各式反应了如下性质： + = = = （3-0apbcpii0aqbcqiiapiqaibpqibcpqici 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 16 页 共 28 页 14） 上述性质反

43、应了a 、b、c 三相的对称性。 （7）a、b、 c各相得瞬时无功功率 ， ， 和瞬时有功功率 、 、aqbcapbc a、b、c各相得瞬时无功功率 ， ， 分别为该相瞬时电压和瞬时无功 电流的乘积，而各相得瞬时有功功率 、 、 则分别为该相瞬时电压和瞬apbc 时有功电流的乘积。 传统理论中的有功功率、无功功率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。从以上定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念， 在形式上和传统理论非常相似，可以看成传

44、统理论的推广和延伸。 3.2 其他谐波及无功电流检测方法 3.2 1 带通(带阻) 滤波器检测法 模拟的带通(带阻) 滤波器用于分离出被测信号中的基波分量，一般采用50hz 的带通或带阻滤波器把被测电流中的50Hz基波分量分离出来而得到谐波电流。 该方法的优点在于电路结构简单、造价低、输出阻抗低、品质因数易于控制。 但也有许多缺点，滤波器中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大， 难以获得理想的幅频特性和相频特性;当电网频率发生波动时，不仅影响检测精 度而且检测出的谐波电流含有较多的基波分量，大大增加了有源滤波器的容量 和运行损耗。此外，这种方法不能同时分离出无功电流。 3.2 2 快速

45、傅里叶变换法（FFT） 该方法的基本原理是将负荷电流分解为两个正交分量:一个是与电压波形完 全一致的分量，即有功电流;另一个分量作为广义无功电流，也就是负荷电流与 有功电流的差值。该方法的缺点是，要计算出有功电流，必须对上一个电源周 期的电压、电流进行积分运算，再加上其他运算电路所需要的时间，因此该方 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 17 页 共 28 页 法检测出的广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟。 3.2 3 同步检测法 这种方法多用于不平衡三相系统中谐波和无功电流检测，其基本思想是分 别考虑各相情况，并把补偿分量分配到三相中，统一确定各相补偿电流，即该 方法

46、不是从电流的分解出发，而是从功率平衡的角度来确定补偿电流。对三相 系统来说，同步检测法在补偿无功及谐波和无功电流的同时，还具有平衡三相 电流的作用。但是由于该检测法是根据总平均功率确定补偿后的电流，再计算 出补偿指令电流，而在计算补偿后电流时，不仅需要知道三相电路的平均功率， 还需要知道每个相电压的幅值，因此检测过程中的延迟较大。而且该方法仅适 于三相电压均为正弦波的情况。若电压波形存在畸变，必将影响检测精度。此 外，该方法检测出的补偿电流包含无功电流、谐波电流和一些不平衡分量，无 法将它们分离出来，因而大大限制了它的应用范围。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 18 页 共 2

47、8 页 第 4 章 并联型三相四线制有源电力滤波器的控制方法研究 由于有源电力滤波器的类型和控制目标很多（其原理图见图4.1） ，这就决 定了有源电力滤波器的控制技术也非常丰富。总体说来，有源电力滤波器的控 制模式可以分为三大类：对系统电源侧电压、电流进行控制；对系统负载侧电 压、电流进行控制；对系统电源和负载侧电压、电流同时进行控制。由于有源 电力滤波器中的可控功率元件开关频率需要高于被补偿的最高次谐波频率的2倍 以上，控制可控功率元件开关状态的信号是脉冲宽度调制（PWM）信号，因此 有源电力滤波器的控制策略主要是如何实现脉冲宽度调制（PWM） 。目前得到 应用的控制策略归纳起来。可以分为经

48、典方法、现代方法和智能方法。下面对 有源电力滤波器中常用的控制策略进行简要介绍。 指令电流 运算电路 电流跟踪 控制电路 驱动电路 三相电源 T 1 H P F A P F cU负载LisaecUci*iabceLiCbai 图4.1 并联型APF原理图 4.1 三角载波电流控制 三角波载波电流控制法（Liner Current Control）是最简单的一种电流控制方 法，其原理图如图3.1。三角载波线性控制时一种有瞬时值比较法衍生出的一种 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 19 页 共 28 页 线性控制方法。它以指令信号与实际补偿电压（或电流）之间的差值作为调整 信号，被控

49、制量与它的给定值在给定的范围比较，以确定电力变流器开关元件 的开关时序与高频三角载波相比较，从而得到变流器开关器件所需的控制信号。 它与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同，不是将指令信号 与三角波*ci 比较，而是将调制后的电流实际值 与参考值 之间的偏差 经过放大与高频ci*cici 的三角调制波进行实时比较，得到它们的交点作为变流器开关动作的依据。该 方法的优点是开关频率固定，而且简单易行，响应速度快，对高开关频率的系 统具有较好的控制特性，可预先确定主电路器件的开关频率，调整也十分方便 具有动态响应好，电流跟随能力强的优点，特别适合于模拟控制系统，它已为 交直交变流系统和有源电力滤

50、波器广为采用。缺点是硬件较为复杂、跟随 误差大、调制器的带宽有限、无法滤除所有调制信号的脉动，并且由于高频的 三角波使变流器始终以高频状态工作，从而产生较大的开关损耗和高频失真， 在大功率应用受到限制，在开关频率过低时，会使补偿电流的高次谐波分量复 制效果变差。 P M W 信号 A ci *cici 三角波 图4.2 三角波比较方原理图 A-放大单元 4.2 滞环跟踪控制 滞环跟踪控制是一种简单的Bang-bang控制。他预先给定一个允许的容许误 差，在补偿对象与滤波器输出之差值的大小超过这个容许误差时，主电路中的 开关元件动作。滞环跟踪控制的基本思想是实际值与允许的的上、下限相比较， 交点

51、作为开关点，在上、下限形成一个环带，故称“滞环跟踪控制” 。有源电力 滤波器中使用的滞环跟踪控制有滞环电流控制和滞环电压控制。它将指令电流 值与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，实际电流与指令电 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 20 页 共 28 页 流的上下限，交点作为开关点，指令电流的上、下限形成一个滞环，然后用比 较器的输出控制变流器的开关器件，因此称为滞环电流控制。滞环电流控制是 电压源变流器输出电流的输出电流的一种有效的非线性控制方法。滞环电流控 制具有简单灵活，性能与系统参数无关、动态响应速度快、鲁棒性好、精度较 高等优点，因此是在跟踪谐波电流或电压的

52、控制方面应用最多。但是它也有许 多缺点，例如开关频率不固定，输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均匀 分布在较宽频带范围内。下面以并联有源电力滤波器进行电源侧单位功率因数 补偿为例，说明滞环电流控制原理和控制效果。 滞环电流控制原理框图如图3.2所示。高频采样频率连续检测系统的电源侧 电流 和并联有源电力滤波器输出的 ，以电源侧电流 中的非基波正序有功电si cisi 流作为指令信号 。取 与 的代数差 输入到如图3.2所示的滞环比较器。zizci 设 和 分别为滞环比较器哦的高低阀值（一般取 =- ） 。若 ,滞环比12 12ci1 较器的输出信号HL上跳至高电位； ,HL下跳至低电位；当

53、时，ci2 2 HL保持原值。根据信号HL，得到可控电力电子元件栅极 、 的PWM信号 、1G2S 。 、 的逻辑表达式非常简单，可表示 = ， =HL。 、 信号送至1S2 1SHL21 驱动电路，即可产生 、 所需的触发信号。1G2 电流滞环控制的特点是使被控制量围绕其给定值作锯齿形态变化,输出电流 在PWM波的控制下围绕指令信号 波动,波动的幅度由滞环比较器的阈值决定,ci zi 通过调节滞环比较器的阈值 和 ,便可以调节SAPF的输出补偿效果.一般地,滞12 环比较器阈值的模越小,SAPF的补偿效果越好,对可控电力电子元件的开关频率 要求越高, SAPF的功耗越大;相反,滞环比较器阈值

54、的模越大,SAPF的补偿效果越 差,对可控电力电子元件的开关频率要求越低,SAPF的功耗越小.因此,可以根据 SAPF补偿效果的工程需要以及可控电力电子元件的开关频率限制性,选择恰当的 阈值。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 21 页 共 28 页 - 滞环比 较电器 P S W 脉冲发 生器 12 H L ciz ci 图4.3 滞环电流控制的原理框图 4.3 三相四线制 APF 主电路分析 和三相三线制电路相比，三相四线制电路零线中有电流流过。有源滤波器 不仅要对三相谐波进行补偿，还要对零线电流进行补偿，使三相电源电流对称。 具体说来，就是要使指令电流运算电路快速准确检测出

55、负载侧电流中的谐波、 基波负序等电流分量;而主电路也要能精确地按照指令电流信号产生对应的补偿 电流。 三相非线性不对称 负载 saebsc cV C 图 4.4 采用四相变流器的三相四线制 APF 主电路结构及其与负载的连线 指令信号 由零线电流分离法检测出的系统零线电流反极性得到。产生的*CNi 零线补偿电流 与负载零线电流 相抵消，使得电源侧零线电流为零。如图 4.4LNi 所示，从以上分析可知，采用四相变流器时的主电路分工明确，各相补偿电流 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 22 页 共 28 页 的产生和零线电流的补偿可以看作是由各对桥臂独立完成的，整个系统可看作 是一个

56、四相电流跟踪控制系统。 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 23 页 共 28 页 第 5 章 并联型有源电力滤波器仿真分析 计算机仿真是现代科学研究中的一种重要手段，应用软件在计算机上模拟 实际的系统，尤其应用在实际试验可能对元件具有破坏性的系统中。在电力电 子技术方面，由于实际试验可能会造成元件或试验设备的烧毁，尤其在高压电 力系统中去进行试验，甚至发生更严重的事故。因此，计算机仿真已经成为一 种公认的经济、有效的设计方法。通过仿真对其进行各方面性能的检测，避免 了一些事故的发生，也降低了开发成本。 现在，用 Matlab 软件对电网装设并联型有源电力滤波器进行仿真分析。 5.

57、1 并联型有源电力滤波器的仿真电路 图 5.1 为并联型有源电力滤波器在 MATLAB 中的仿真模型。整个功率电路 由三相 APF 和三相非线性负载组成。系统电源采用标准的正弦波电压源来模拟， 相电压为 220 V，频率为 50 Hz。三相非线性负载由二极管、电感、电容和电阻 组成，其中电感值为 10mH，电容值为 20uF，电阻值为 100 。三相 APF 由检 测电流电阻、滤波电感、二级管、功率开关、电解电容和假负载电阻组成。其 中检测电流电阻值为 0.02 ，滤波电感值为 10mH，电解电容值为 2500pF，假 负载电阻值为 10K 。控制电路中，正弦波为参考输入电压，与三厢电源完全

58、一致，幅值为 2V；阶跃信号用于延时启动控制电路，阶跃时刻为 0.02s。 5.2 仿真分析 系统运行进入稳态后，三相非线性负载的输入电压和输入电流波形如图 4-2 所示，图中，电压波形为标准正弦波波形，由于谐波的影响，电流波形不规则； 三相 APF 的输入电压和电流波形如图 5.2 所示，输入电压为标准正弦波，输入 电流波形为不规则波形，对三相非线性负载的输入电流进行补偿；图 5.4 为单 相 APF 输出直流电压波形，其直流平均电压为 703.6V，纹波电压的最大峰值为 1V。图 5.5 所示为系统补偿后电源输出电压和输入电流波形，可见各次谐波电 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计

59、 第 24 页 共 28 页 流符合 5.3 仿真总结 采用建模仿真和实验调试相结合的方法对并联有源电力滤波器的参数和补 偿效果进行了检验，给出了仿真和实验波形，并对结果进行了分析。仿真结果 表明，并联型有源电力滤波器能有效的抑制谐波 图 5.1 并联混合型电力滤波器结构示意图 图 5.2 三相非线性负载输入电压和输入电流波形 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 25 页 共 28 页 图 5.3 三相 APF 输入电压和电流波形 图 5.4 单相 APF 输出直流电压波形 图 5.5 补偿后电源输入电压和输入电流波形 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 26 页 共

60、28 页 参考文献 1 粟时平，刘桂英 .静止无功功率补偿技术 中国电力出版社 2006 2靳龙章，丁毓山.电网无功补偿实用技术M.北京: 中国水利电力出版社， 1997. 3王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业 出版社，2002. 4Xiao Xiangning， Xu Yonghai， Liu Hao.A Hybrid Active Filter for Filtering Power System Harmonics. Power System and Communications Infrastructures for the Future， Beijing，

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63、7 16 Chen, Bing; Xie, Yunxiang; Song, Jingxian Three-phase three-wire three-level APF based on vector mode one-cycle control Dianli Xitong Zidonghua Automation of Electric Power Systems 并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计 第 28 页 共 28 页 致谢 在本科毕业设计完成之际，首先向导师粟时平教授表示衷心感谢。粟老师 具有丰富的实践经验和扎实的理论功底，知识、严谨的治学态度给我留下了极 为深刻的印象，将是我一生学习的楷模。 在论文的进行过程中，我还得到了众多老师和同学的热情帮助和指点，这 对论文的完成起了很大的作用，在此，向他们表示衷心的感谢。 最后感谢我的家人在我学习的过程给予我的支持。