有源电力滤波器电流控制器设计说明

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1、本科生毕业论文_ 学 号：专 业： 电气工程及其自动化 论文题目：有源电力滤波器电流控制器设计指导职 称：20XX6 月 XXXX大学毕业论文任务书专业年级学号学生任务下达日期：2013 年 10 月 14 日毕业论文日期：2013 年12月30日至20XX6月7 日毕业论文题目：有源电力滤波器电流控制器设计毕业设计专题题目：毕业论文主要容和要求：主要容：1.研究APF的研究背景、意义和发展概况；2. APF的结构及工作原理；3. APF主电路参数的设计方法；4. 研究APF跟踪控制方法；5. APF仿真及分析；具体要求： 1.查阅相关资料,了解APF的结构及工作原理； 2.分析有源电力滤波器

2、谐波检测方法； 3. APF主电路参数的设计及控制策略的分析； 4建立APF仿真模型并进行仿真验证分析。指导教师签字： 重 声 明本人所呈交的毕业论文,是在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知,除文中已经注明引用的容外,本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。 本人签名： 日期： XXXX大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创

3、新点；工作态度及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日XXXX大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日XXXX大学毕业论文答辩及综合成绩答 辩 情 况 提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年 月 日

4、摘 要 随着电力电子器件的发展,电力系统中非线性负荷大量增加。因此,解决日趋严重的谐波污染与电能质量要求越来越高的问题成为当今科技工作者研究的主要问题。电力有源滤波器以其优越的补偿性能,已成为电力电子技术领域的研究热点之一。主电路参数及电流环跟踪控制策略是影响有源电力滤波器补偿性能的关键因素。本论文通过三相三线并联型有源电力滤波器的数学模型,讨论了主电路参数的设计方法及确定参数的大小,包括：功率开关器件的选取、直流侧电容、直流侧电压、交流侧电感。电流环控制环节要求补偿电流无误差的跟踪指令电流信号,针对无差拍控制方法具有实时性和准确性的特点,论文采用无差拍控制与SVPWM相结合的控制方案。通过无

5、差拍控制方法得出的电压信号经SVPWM调制产生控制主电路开关器件的通断的PWM脉冲,产生补偿电流。在MATLAB/SIMULINK的仿真平台下搭建无差拍与SVPWM相结合的仿真模型,验证了主电路参数设计方法是合理的,分析了交流侧电感值、直流侧电压值对 APF 性能的影响。仿真结果表明采用无差拍与SVPWM相结合的控制方法能快速的跟踪补偿电力系统中的谐波电流,具有良好的动态性能和稳态性能。关键词：主电路参数 ；无差拍 ；SVPWM ；MATLAB/SIMULINKABSTRACTWith the development of power electronic devices, power sys

6、tems a significant increase in non-linear loads. Therefore, to solve the increasingly serious harmonic pollution and the increasing demands of power quality problems become major issues in todays science and technology research workers. Active power filter to compensate for its superior performance,

7、 has become one of the hot technologies in the field of power electronics.The main circuit parameters and current loop tracking control strategy is a key factor affecting the performance of active power filter compensation.In this thesis, from three-phase three-wire shunt active power filter mathema

8、tical model, discusses the design of the main circuit parameters and to determine the size parameters, including：select power switching devices,the DC capacitor,the DC voltage, AC side inductance .Current loop control link requires compensation current error-tracking command current signal for deadb

9、eat control method have Timeliness and accuracy characteristics, the paper adopts deadbeat control scheme combines control and SVPWM.By deadbeat control method derived from the voltage signal SVPWM modulation produced by controlling the main circuit switching devices on and off Produce the PWM pulse

10、 generating compensation current.In the MATLAB / SIMULINK simulation platform to build deadbeat SVPWM simulation model with a combination to validated circuit parameter design method is reasonable,the influence of the AC side inductance value, the value of DC voltage performance of the APF.The simul

11、ation results show that the deadbeat control method combines with SVPWM fast track to compensate the power system harmonic current,with good dynamic performance and steady-state performance.Keywords：Main circuit parameters； deadbeat； SVPWM；MATLAB / SIMULINK目 录1 绪论11.1谐波的危害11.2 抑制谐波的方式21.4 有源滤波技术的研究现

12、状和发展趋势41.5 谐波标准81.6本文主要研究的容102 有源电力滤波器结构及谐波电流检测方法102.1 有源电力滤波器的结构及工作原理102.2 谐波电流检测方法123 并联型有源电力滤波器主电路参数设计方法143.1有源电力滤波器容量153.2 主电路直流侧电压的选取153.3 功率器件的选择163.4 主电路直流侧电容的计算173.5 主电路交流侧电感参数计算184 有源电力滤波器补偿电流跟踪控制方法204.1并联型有源电力滤波器的数学模型204.2 APF控制系统基本原理244.3 有源电力滤波器控制策略的实现284.3.1 SVPWM算法在APF中的应用284.3.2 无差拍控制

13、法284.3.3 SVPWM算法的实现294.4 并联型有源电力滤波器直流侧电压控制375 并联型有源电力滤波器仿真分析395.1谐波检测算法的验证405.2 交流侧电感对补偿性能的影响425.3 直流侧电压值对补偿性能的影响455.4 鲁棒性分析485.5 动态性能分析496 结论52参考文献53翻译部分57英文原文57中文译文73致8989 / 991 绪论随着科学技术的发展和社会的进步,电能己经成为人们生产生活和现代社会生产中必不可少的能源。近几十年来随着电力电子装置在工业生产中的普遍应用,以及非线性负载的容量和数量的增加使得电力系统中的谐波污染越来越严重,然而用户及电力网中的设备对电能

14、质量的要求越来越高。因此,解决日趋严重的谐波污染与电能质量要求越来越高的问题成为当今科技工作者研究的主要问题。有源电力滤波器因有主动的补偿能力且不受系统阻抗特性的影响,在现在的生产中收到普遍的应用。本章从课题研究的背景出发,探讨了谐波治理的研究意义和主要的治理措施,阐述了有源滤波技术的发展概况和国外研究现状,最后简单介绍了本论文的主要容。1.1谐波的危害电力系统谐波产生根源是非线性负载的使用,致使电流和电压波形发生畸变。非线性负载主要包括：冶金工业中的电弧炉、中频炉与轧钢机,电解铝中用的大功率变流装置,传动与控制领域中用的变频器与电力机车,高压直流输电系统的换流阀以及现实生活中的领域的电脑、电

15、视机与电磁炉等。近几十年来,随着电力电子技术的发展,大功率开关器件的广泛应用,使得电网电压和电流波形产生了严重的畸变,不是正常的正弦波,电力电子装置给公用电网中注入了大量的高次谐波,严重影响了电气设备的正常运行,因为谐波的产生引起的各种故障和事故不断发生。电力系统谐波的危害引起了人们的高度重视。目前谐波污染对电力系统和接入电力网中的电气设备产生的危害主要表现在以下几个1：谐波的产生增大了负载电流,由于谐波频率高于基波,产生高频的趋肤效应会使导线的等效截面积减小,导致导线过热；谐波会影响电网中用电设备的正常工作。例如,电动机的附加损耗,使其发热,缩短其使用寿命等；谐波会影响通讯设施运行可靠性；谐

16、波会使电气计量出现误差或错误,使保护设备误动作；非平衡谐波会使UPS大功率整流负载的中线电流过大而烧断。谐波损坏无功补偿设备。随着谐波频率的增大,无功补偿电容的阻抗变小而电流增大,可导致电容因发热而损坏。随着对谐波的研究不断深入,电能质量不能仅用频率和电压两个指标来评价,谐波也是评价电能质量的又一重要指标。为了保障电力系统的正常运行并且保障用户用电设备的正常工作,有效地治理谐波,必将成为当代电力研究领域解决和重点研究对象。1.2抑制谐波的方式 目前所使用的谐波抑制有三种方式：主动治理,从谐波源本身考虑,使谐波源不产生谐波或产生少量的谐波,例如,用脉宽调制PWM技术、增加变流装置的脉动数、多重化

17、技术等都能降低谐波；被动治理,就是加入外部滤波器,使滤波器产生的电流与非线性负载产生的高次谐波相抵消,抑制谐波进入电网,或者抑制电力系统中的高次谐波流入负载端,降低谐波对设备的影响；受端治理,即从谐波影响的设备或者电力系统出发,增加它们抵抗谐波干扰的能力,例如,选择合适的供电方式,降低谐波对电网和用电设备的影响；改变接入电网中的电容器组的数量,降低电容器对谐波的放大影响；提高电网中的设备性能从而增加它们抵抗谐波干扰的能力。主动治理的目标主要是提高电力电子设备的功率因数,虽然能消除谐波,但是对大容量的电力系统来说并不能改善整个电网的性能。受端治理只是在负载端进行改进,增强设备抵抗谐波的干扰能力,

18、并没从根本上消除谐波对电网的危害。因此,无源电力滤波器和有源电力滤波器是治理谐波的有效手段,尤其是先进的有源滤波技术对谐波的治理将起到主导作用。APF将成为综合治理电网污染的最有效手段,能有效的改善电能质量。被动治理谐波的方式有以下几种：采用无源滤波器PF。在电力网和需要补偿的非线性负载即谐波源之间并联按照一定的参数比例构造的含有电抗器和电阻器等无源器件具有滤波效果的的无源滤器。为谐波电流提供低阻抗通路,达到抑制谐波的目的,因为可以同时提供负载所需要的无功功率,因而同时实现了谐波抑制效果和无功功率补偿效果。PF的特点是：成本低、运行维护简单、还可补偿无功功率,但是也存在不足:只对特定次谐波进行

19、滤波,对电网负载中不断变化的谐波次数其滤波效果不理想,不能实现动态补偿；受电网参数影响PF容易与系统发生串联或并联谐振。采用有源滤波器APF。有源电力滤波器的基本原理是通过对电网中的谐波电流与无功电流的检测得出指令信号电流,根据按照指令信号在直流侧主电路产生一个与其大小相等方向相反的补偿电流注入电网,消除了由非线性负载产生的谐波电流与无功电流,同时实现谐波抑制和无功功率补偿的目的。与PF相比,APF的优点：滤波器的性能不受电网参数影响,不会与电力系统发生谐振现象；实时跟踪补偿动态变化的谐波电流和无功功率；可实现连续调节,不会因补偿电流过大而出现过载；对负序电流和无功功率等进行有效的补偿；实现对

20、控制电路的限流保护,系统安全性较高。有源电力滤波器通过电力有源逆变的方式将产生的谐波电流注入电力系统,消除或减少了非线性负载产生的谐波电流。APF是既能实现谐波动态补偿又能实现无功功率补偿的电力电子装置。有源滤波装置能对幅值大小和频率都不断变化的谐波及变化的无功进行有效补偿,克服了无源滤波治理谐波和补偿无功的缺点。有源电力滤波器是解决谐波和无功功率最有效的方法,提高了整个电力系统的电能质量。它的使用既减少了非线性负载产生的谐波电流,补偿了无功功率,保护电网不受污染,又改善电网的供电质量,使用户正常工作。随着电力电子技术的发展,谐波检测理论的不断完善,控制算法的不断优化,以及数字化技术的不断进步

21、。有源滤波器的应用将会越来越广泛,电力系统的稳定具有深远的意义。1.3有源滤波器的发展背景波形畸变一直都是研究者在电力领域研究的问题。上世纪20年代,德国研究者由引起的波形畸变的静止汞弧变流装置提出了电力系统谐波的概念。上世纪50年代,伴随着高压直流输电技术的发展,变流装置谐波问题得到进一步的研究,同时期诞生了大量有关谐波问题的论文。我们国家在谐波的研究领域起步较晚。吴竞昌等在1988年出版的电力系统谐波对我国早期关于谐波问题研究起到了重要作用。1998年,王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿,以及20XX出版的谐波抑制和无功功率补偿是到目前为止国在谐波分析和谐波抑制方面有很重要影响的著作,被

22、研究专家者们广泛的参考和引用。经过最近二三十年对谐波问题的研究,研究者们和电力行业专家对谐波问题的研究做出了巨大的成果,缩短了与国外的差距。近年来,随着我国电力电子技术的迅速发展,实际工业场合中,非线性用电设备的种类、数量增加,导致了电网中的谐波含量增加,给电网和用户的正常运行带来隐患。许多国家和国际组织为此制订了限制用户的用电设备产生谐波的标准。从而使生产电力电子装置的厂家不得不降低其产品产生的谐波。因此,消除或减少电力网中所产生的谐波,提高电力网的运行效率,改善电力网中的电能质量,维护电力系统中的电气设备的安全稳定运行是当代研究的主要目的。1.4有源滤波技术的研究现状和发展趋势随着有源电力

23、滤波技术的发展和进步,谐波的抑制也开始从无源滤波器向有源电力滤波器转变。上世纪七十年代,H. Sasaki等首次相对全面的提出了有源电力滤波器的基本概念。然而受制于当时制造功率半导体器件的水平有限,制造出的全控型功率器件功率小且频率低,使得APF只局限于实验室的研究,无法得到应用。80年代以后,电力电子技术迅速发展,尤其表现在大功率半导体器件的问世,与此同时谐波电流检测方法理论和电流跟踪控制算法不断成熟,伴随着瞬时无功理论的提出,谐波和无功功率的瞬时检测的问题迎刃而解。有源电力滤波器的研制自此从实验室到工业进入实际应用阶段。国外在APF研究领域成果主要表现在：1976年,美国的L.Gyugyi

24、等人首先研制了由PWM控制变流器组成的800KVA有源滤波器,基本确定了主电路的拓扑结构。目前,国外有源电力滤波器发展趋势表现在:装置方面,向提高补偿容量、改善性能、降低损耗、减少研发成本；应用方面,研究优化有源滤波器的配置、电磁兼容及停电和瞬间保打；逐渐提高谐波补偿次数,逐步提高APF单机装置容量,逐步使其应用围从单纯的补偿电气设备的谐波向提高电网电能质量的方向发展。国外生产APF的公司有ABB、TOSHIBA、SIEMENS等。研究有源电力滤波器主要在电力电子新器件的选用和控制策略上的进行改进。APF 的结构多样,可以按照不同的方式进行划分,常见的划分方式有：按变流器直流侧所采用的贮能元件

25、不同,APF 可以分类为电压型及电流型两种。电压型有源滤波器的变流器直流侧所采用的贮能元件为电容,它在正常工作时保持电压恒定,其优点是线路损耗较小、经济实用、效率高,可以用于对电网的谐波进行抑制。电流型有源滤波器的变流器直流侧所采用的贮能元件为电感,当电路中的电流通过电感时会产生不小的损耗, 使 APF 效率降低, 所以电流型有源滤波器不适用于大容量系统。随着电力电子技术的快速发展,采用电容作为变流器直流侧贮能元件的电压型 APF 更具现实意义。依照不同的接入电网方式,APF 可分类为串联型、并联型及统一电能质量调节器,如图 1-1 所示：图1-1有源滤波器系统结构分类1串联型 APF串联型

26、APF 与负载串联。 谐波电压检测模块检测出电网中存在的谐波电压成分,控制APF 以输出与谐波电压大小相同、 方向相反的补偿电压,从而补偿系统中存在的谐波电压。串联型 APF 的主要作用在于对谐波电压进行调节和补偿。但由于串联型 APF 所需的功率和产生的损耗都比较大,所以目前很少被单独使用。串联型 APF 又可以分为独立串联型和混合串联型两类,其拓扑结构如图 1-2 所示： 独立串联型APF 混合串联型APF图1-2 串联型APF拓扑结构2并联型 APF并联型 APF 与负载并联,主要对负载的谐波电流进行补偿。 谐波电流检测模块检测出负载中存在的谐波电流,控制 APF 以输出与谐波电流大小相

27、同、方向相反的补偿电流,以达到对谐波电流进行抑制的目的,并联型 APF 也可以同时对负载的无功功率进行补偿。因此,并联型 APF 与串联型 APF 有所不同,它是一个有源的谐波电流发生器,一般对电流型的负载比较适用。并联型 APF 也可以分为独立并联型和混合并联型两类, 其拓扑结构如图 1-3 所示： a独立并联型APF b混合并联型APF图1-3并联型APF拓扑结构并联型有源电力滤波器作为一种新型的补偿谐波和无功的电力电子设备,己经过专家和学者几十年的讨论、研究和总结,APF的关键技术在于它的三个重要组成部分3：谐波和无功电流的实时检测技术、补偿电流跟踪控制策略和直流侧电容电压控制技术。1谐

28、波和无功电流的实时检测技术谐波和无功电流实时检测是实现APF最关键第一步,APF能否实时动态的补偿电力系统谐波和无功功率,与检测模块能否快速准确的检测谐波和无电流密切相关。近年有关检测技术发表了大量的论文4,主要有：基于傅里叶分析的时域变换法及基于傅里叶变换改进的方法、瞬时无功功率理论及基于瞬时无功功率理论改进的算法、小波变换、同步检测法、自适应检测法、神经网络、重复控制等智能控制算法。现阶段,基于瞬时无功功率理论的检测方法,因其具有很好的精确性、快速性且能同时检测出谐波和基波无功电流,是目前研究最成熟的技术也是应用最为广泛的检测方法。补偿电流跟踪控制策略通过良好的检测技术得到实时准确的补偿电

29、流指令信号后,APF能否产生与谐波和基波无功的幅值等大、相位反向的电流对系统补偿,以达到滤波效果,与补偿电流对期望电流的跟踪情况紧密相关。补偿电流跟踪技术的好坏直接关系到APF滤波器性能的高低。目前应用较多的补偿电流跟踪控制策略主要有5：三角波比较方式、滞环比较器的瞬时值比较方式、周期采样控制、无差拍控制等。三角波比较方法实现简单,对主电路参数和结构的依耐性小但开关损耗大；滞环比较器的瞬时值比较控制法实现简便、响应迅速、鲁棒性佳及实时性好。直流侧电容电压控制技术电压型并联有源电力滤波器的直流侧采用直流电容作为储能元件,由于功率器件、电容电感元件的损耗及负载电流变化影响系统对有功能量的需求变化,

30、使电容过压或欠压,引起直流侧电容电压的突变,影响对谐波电流的补偿效果,严重时危及滤波器的稳定运行,因此确保直流侧电容电压的恒定是至关重要的环节。传统控制直流侧电容电压的方法是为电容供电,提供一个单独的直流电源,通常采用二极管不控整流电路来实现,这种方法虽然能使电压稳定在某个适当值,但增加了一套电路,使系统变得更加复杂,成本和损耗也增加了。而现实情况中,我们只需要对主电路采用适当的控制算法,就能稳定直流侧电容电压,因此,为电容单独提供电源没有必要。通常的控制方法是PI调节控制法,即将直流侧电容电压与给定的参考电压进行比较得到的差通过比例积分调节后得到的调节量,再次叠加到指令信号中,以此实现对电容

31、电压的稳压控制。为得到良好的补偿效果,需要选择适合的积分和比例系数,这两个系数的选择需在调试过程中根据工程经验逐步调整。APF发展趋势体现在以下几个方面：1谐波检测对象的实时性。以前基本停留在稳态谐波检测上,目前电力电了设备受非稳态谐波的影响己不容忽视。谐波检测结果向高精度、高可靠性方向发展。随着DSP的出现,因其运算处理能力优势而成为首选可编程器件。谐波检测逐步智能化和复杂化。瞬时无功功率、神经网络和小波变换检测法等新检测法将得到广泛应用。2提高有源电力滤波器的控制精度。采用PWM调制和多重化技术来提高开关器件的效率,降低开关损耗,实现对高次谐波的有效补偿。改善有源滤波装置的补偿性能。谐波电

32、流检测、电流跟踪控制和主电路脉冲信号的产生等是有源电力滤波器补偿性能的重要因素。因此,控制算法和谐波电流检测方法理论等方面的研究仍是未来研究的方向。增加补偿装置的容量。随着电力电子装置的广泛应用,大容量的谐波补偿装置的研制必将是未来研究趋势。降低有源电力滤波器的制造成本。优化滤波电路的参数。目前,APF装置的成本较高,可以采用APF与LC无源滤波器相并联的装置,减小APF的容量,从而降低滤波装置的成本并且提高补偿效率。1.5 谐波标准谐波对电网的不利影响严重削弱和干扰了电网的经济运行,使供用电设备的安全性降低,因此各国家和相关权威机构制定了谐波标准,对用户注入电网的谐波进行限制。1谐波电压国际

33、电工委员会IEC制定了 IEC 61000 系列标准文件,其中 IEC 61000-2-2公用低压供电系统中低频传导干扰和信号的兼容性标准中规定了中、低压电网电压各次谐波允许值。 IEEE Std. 519-1992 标准也对谐波电压进行了限定,其在谐波电压的限定上对奇次谐波的限制比 IEC 61000 标准要严格,而后者更加注重于谐波的次数,次数越高要求越严格；参照国外谐波标准,国家技术监督局颁布了国家标准 GB/T 14549-1993电能质量公用电网谐波6如表 1-1 所示。国家标准中,将奇次谐波和偶次谐波分开限定,偶次谐波的限定更严格,基本为奇次限定值的 50%。对于低压供电系统,国家

34、标准与 Std. 519-1992基本一致,要求电压总畸变率不超过 5%。表1 GB/T14549-1993公用电网电压线电压限值电网标称电压/KV电网总谐波畸变率奇次谐波电压含有率偶次谐波电压含有率0.385.0%4.0%2.0%64.0%3.2%1.6%104.0%3.2%1.6%353.0%2.1%1.2%663.0%2.1%1.2%1102.0%1.6%0.8%2谐波电流电压的畸变是由于谐波电流作用在系统阻抗或线路阻抗上引起的,因此各标准对谐波电流的限定更加详细。IEC 61000-3-2 与 IEC 61000-3-4 分别对额定电流小于 16A 和额定电流大于 16A 的低压设备做

35、了谐波限定,并根据设备类型或短路比级别进行进一步的细分。IEEE Std. 519-1992 标准在标称电压 120V VN69kV 时对谐波电流进行了规定。 国标 GB/T 14549-1993 规定公共连接点的用户向系统注入的谐波电流有效值不应超过限值,如表2所示,给出了 380V 低压系统各次谐波电流的允许值,最小短路容量与基准短路容量10MVA不同时,需要按式1-1进行换算。表2 注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压/KV基准短路容量23456789101112130.3810786239622644192116281324标准电压/KV基准短路容量14151617181920212

36、22324250.38101112101891689714612 1-1式1-1中,为公共连接点的最小短路容量MVA,为基准短路容量MVA,为表1-2中的第h次谐波电流允许值A,为短路容量为时的第h次谐波电流允许值。1.6本文主要研究的容本文以低压配电网中并联三相三线有源电力滤波器为研究对象,对有源电力滤波器的结构及工作原理进行理论分析,主要研究的是主电路参数及电流环跟踪控制策略。通过三相三线并联型有源电力滤波器的数学模型,讨论了主电路参数的设计方法及确定参数的大小,包括：功率开关器件的选取、直流侧电容、直流侧电压、交流侧电感。电流环控制环节要求补偿电流无误差的跟踪指令电流信号,针对无差拍控制

37、方法具有实时性和准确性的特点,论文采用无差拍控制与SVPWM相结合的控制方案。通过无差拍控制方法得出的电压信号经SVPWM调制产生控制主电路开关器件的通断的PWM脉冲,产生补偿电流。最后在MATLAB/SIMULINK的仿真平台下搭建无差拍与SVPWM相结合的仿真模型,验证主电路参数设计方法是合理的,分析交流侧电感值、直流侧电压值对 APF 性能的影响。仿真结果表明采用无差拍与SVPWM相结合的控制方法能快速的跟踪补偿电力系统中的谐波电流,具有良好的动态性能和稳态性能。2有源电力滤波器结构及谐波电流检测方法2.1有源电力滤波器的结构及工作原理有源电力滤波器原理图如2-1所示,图中是交流电源,非

38、线性负载相当于谐波源,它产生谐波并消耗无功功率。概括的说APF是由：指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分构成。补偿电流发生电路又包括电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路三部分,指令电流运算电路的功能是检测出非线性负载产生的谐波电流及无功电流分量；补偿电流发生电路是根据电压和电流互感器检测的非线性负载产生的电压和电流,经指令运算电路计算得出谐波电流指令信号,该信号在补偿电流跟踪控制电路经放大驱动变流器的开关的导通和关断,得到补偿的谐波电流,由此产生的谐波电流与负载电流中的谐波电流分量抵消,得到期望的正弦电源电流。主电路采用PWM变流器,当产生补偿电流时,PWM变流器作为逆变器产生正弦电流；当

39、电网向APF直流侧电容充电时,作为整流器工作,它既工作于逆变又工作于整流状态,因此称之为变流器。图2-1有源滤波器原理图APF工作的基本原理:检测非线性负载中谐波电压或谐波电流的瞬时值,将得到的瞬时值经指令电流运算电路的运算得出需要补偿的电流指令信号,然后通过补偿电流发生电路的控制策略和PWM技术,产生与系统中的谐波幅值大小相等、极性相反的实际补偿电流,经交流侧电感注入电网中,与谐波相抵消,最后得到期望的标准正弦波波形。 当补偿谐波电流时,APF检测出负载电流中谐波电流为,将其反极性后,作为补偿电流指令信号,由补偿电流发生电路产生的与幅值大小相等、方向相反的实际补偿电流,因此,电源电流中只含有

40、基波成分。此种方式达到抑制电源电流中谐波的效果,具体公式如式2-1所示,2-1式中,为负载电流的基波分量当APF在补偿谐波的同时要求补偿系统的无功功率,则需要在补偿电流的指令信号中增加取与的基波无功分量幅值相等、极性相反的成分。这样电源电流与的基波有功分量相。由APF的基本工作原理可知,APF包括两大部分,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。有源滤波器主要包括谐波检测和无功电流检测,有源滤波器性能的好坏取决于是否能精确的检测出需要补偿的谐波分量,并能动态跟踪。谐波检测不是将各次谐波分量分解出来,而是检测谐波电流或基波无功电流。当三相电流不对称时,需要检测出除基波正序有功分量之外的谐波电流。为

41、了防止电网中的谐波污染,各国纷纷颁布了限制电力系统无功和谐波的法规。因此,电网中的谐波和无功进行检测、抑制及补偿是治理电网中谐波污染的途径。2.2谐波电流检测方法 谐波电流的检测有多种方法,下面对目前常用的谐波电流检测方法进行简单综述。基于频域分析的傅立叶变换FFT检测法。用傅立叶变换检测法检测谐波和无功分量是几个常用的方法之一。通过电网系统中负载电流信号的FFT分析,得到负载电流中各次谐波分量。随着数字信号处理芯片的运算速度不断提高,用FFT分析检测谐波用时越来越短,提高了实时性。FFT检测方法的不足可以概括为,当信号不是周期性信号时,用FFT分析就会带来较大误差；需要进行FFT变换及反变换

42、两次变换,计算量大；当电网电压畸变或者频率波动时,非同步采样误差变大,从而产生栅栏效应和频谱泄漏效应,降低检测精度。2模拟带通或带阻滤波器检测法。大多数情况用50Hz的带通或带阻滤波器滤除负载电流中的50Hz基波分量,获得谐波电流分量。该检测方法的优点：电路结构简单、造价低廉、易于调整。缺点:滤波器可能相移致使输出信号畸变,出现检测误差；元件参数影响滤波器的中心频率,很难获得理想的幅频、相频特性；当电网频率发生波动时,过多的基波分量会在检测的谐波电流中,影响检测精度,相应的需要增加APF的补偿容量；不能单独分离基波有功和无功电流。基于Fryze功率定义检测法。这种方法是将负载电流分解为与电网电

43、压波形一致的有功电流分量和垂直于电压波形的无功电流分量两个正交分量。该方法的缺点是得计算出负载的有功功率和电网电压的有效值,并且有一个工频周期以上的时间延迟,不适用于负载频繁变化的电力系统；无法分离基波无功和谐波电流,因此该方法不适合仅补偿基波无功电流或者谐波电流的电力系统。基于三相瞬时无功功率的谐波检测方法。1984年,日本学者首先提出了瞬时无功功率理论,随后研究者们分别提出了两种谐波电流检测方法:法和法。这两种方法都能准确地检测出三相三线制对称电路中的谐波电流。这两种方法的区别是：当电网电压对称无畸变、负载电流对称时,都能准确地检测出谐波电流分量、基波电流的有功分量、无功分量；当电源电压和

44、负载电流均对称畸变时,运算方法仍能准确地检测出谐波电流,而运算方法就存在误差。当三相电压或三相电流畸变时,方法或运算方法都存在检测误差,不能实现无功分量和谐波电流的完全补偿。瞬时无功功率理论的提出以及法和法的出现,极大的推动了APF的发展。这种方法的缺点是需要用到很多模拟乘法器,计算量大,对参数依赖性大,调整困难,易产生误差。这种检测方法当电网电压发生畸变时,检测精度不理想,因此多用于三相平衡电路系统。自适应谐波检测方法。该方法利用的是自适应噪声对消原理,原始输入是负载电流,参考输入为电网电压,将负载电流中与参考输入的电网电压波形相同的有功分量消去,剩下的就是所有谐波与无功电流的和。此检测系统

45、是一个闭环连续调节的系统,其运行特性几乎不受元件参数的影响,对器件特性依赖不大；因此,当电网电压发生频率波动和波形畸变时,检测系统仍能正常工作,具有比较强的自适应能力,能较好地跟踪信号,但需要得到电网电压的相位,因此动态响应速度较慢。自适应谐波检测方法的优点是原理简单、实现方便,实时跟踪检测信号的变化,具有自适应性,然而该算法是在知道电网电压的相位信息的前提下。这种算法的局限性：它需要选择合适的步长,在动态响应速度与稳态精度之间进行折衷选择。下图是检测原理图,用到了由一个锁相环PLL和一个正余弦信号发生电路产生的与a相电网电压同相位的正弦信号和余弦信号。由瞬时无功功率理论计算出瞬时有功电流和瞬

46、时无功电流,经过低通滤波器得到直流分量、后,再经反变换得出基波有功分量、,与负载电流相减得出谐波分量、。图2-2是检测方法的原理图。 图2-2 法的检测过程框图谐波检测方法的发展趋势：由上分析可得,谐波检测方法的发展趋势可以归结为以下几点：（1） 谐波检测算法向智能化、实用化发展,求解方法也将从函数解析向信号处理过渡；2随着硬件的精度、速度和可靠性的不断提高,高性能检测算法将会应用到检测方法中；3谐波检测效果主要体现在精度、速度和实时性。改善现有方法中检测精度高则速度慢,检测速度快则精度低的弊端。研究新的谐波特性辨识方法,提高检测精度；4谐波检测、分析与控制集成在一起,实现测量、分析与控制一体

47、化；5完善现有的谐波检测理论体系,提出新的更过高效谐波检测方法。本章小结：本章介绍了有源电力滤波器的结构及工作原理,分析几种常用的检测方法,给出了基于瞬时无功功率的检测法的原理图。最后通过对常用的谐波检测技术的分析,给出了谐波检测技术的发展趋势。3 并联型有源电力滤波器主电路参数设计方法主电路参数对有源电力滤波器的补偿效果有重要影响。元器件的参数的合适与否不仅关系到有源滤波系统能否正常运行,而且还会影响有源滤波器的补偿性能指标以及滤波器的成本因素。APF主电路参数设计容包括：确定直流侧电容和电压、交流侧电感、计算主电路开关器件的额定参数等。3.1有源电力滤波器容量的选取有源电力滤波器容量与补偿

48、对象容量大小和补偿目的有关。APF的容量为：3-1 式3-1中,U为APF在电力系统中接入点相电压的有效值；为APF产生的最大补偿电流有效值。由上式可得,与的大小和U有关。采用APF补偿谐波时,补偿电流为负载电流中谐波成分。当有源电力滤波器只补偿谐波时,有。由于电力系统中的非线性负载为三相桥式全控整流器,其。当系统中负载电阻为10时,不接入有源电力滤波装置时测得系统中负载电流约为55A。计算得出补偿谐波电流值为13.75A,通过式3-1得需要采用的有源电力滤波器的容量为10KVA。3.2主电路直流侧电压的选取直流侧电压的稳定是保证系统正常运行的条件之一,如果直流母线电压不稳定,就会导致补偿的无

49、功电流和谐波电流不准确,还有可能造成电压过高,使开关器件击穿。因此直流母线的控制至关重要。当APF正常工作时,实际补偿电流跟随指令电流 的呈锯齿波形状变化,相对于原理图,以A相为例则：3-2式中,Ka是开关系数,表3-1中是主电路中各个工作模式相应的开关系数,1表示上桥臂导通,下桥臂截止；0表示上桥臂截止,下桥臂导通。表3-1主电路工作模式下对应的开关系数的值工作模式主电路各相的工作状态开关系数 1 1 0 0 0 1 1-2/31/31/3 2 0 1 0 1 0 11/3-2/31/3 3 1 1 0 0 0 1-1/3-1/32/3 4 0 0 1 1 1 01/31/3-2/3 5 1

50、 0 1 0 1 0-1/32/3-1/3 6 0 1 1 1 0 02/3-1/3-1/3当时,需要使得补偿电流增大,APF中A相桥壁上桥壁应导通,下桥臂应关断,由表5-1得,为-2/3或-1/3,如果取为-1/3,则, 3-3要使跟踪,应使得增大,要求 3-4根据上式得 3-5其中为电网相电压的峰值。由上式得出,直流侧电容电压的取值应该是电网系统相电压峰值的3倍。在保证3倍的情况下,电压值越大,补偿性能越好。但是相应的对开关耐压的要求越高,成本也将增加,因此在选择直流侧电压时要综合考虑。直流侧电压取900V时,APF的补偿效果最好。3.3功率器件的选择在有源电力滤波器的主电路中,功率开关器

51、件的选择要求决定了有源滤波器谐波补偿电流的跟踪能力,功率开关器件的选择需要综合考虑直流侧电压以及补偿电流等相关参数。在选择功率开关器件之前应当先考虑到其容量以及工作频率。参考有源滤波器容量以及逆变器直流侧电压来决定IGBT的型号。其次,根据补偿谐波频率的高低来选择器件的工作频率。器件工作频率的选择应根据实际要滤除负荷电流最高次谐波的次数来确定,根据采样定理,开关频率必须为最高次谐波频率的 2 倍以上。但实际上,当频率调制比器件的开关频率与最高次谐波频率之比低比如低于 7 11时,会造成邻近谱瓣互相重叠,发生所谓混叠,使得波形出现明显失真。 理论上,器件的开关频率越高,有源滤波器对谐波的补偿能力

52、越强,补偿谐波的效果越好, 但随着开关器件开关频率的增高,开关损耗也会增加,器件工作时对散热的要求也越高,同时器件的价格也会越高。最后,应根据器件的耐压水平、电流水平、开关频率及散热要求,综合考虑主电路的成本,选择合适的开关器件。目前普遍应用的电力电子开关器件主要有三 类 ：MOSFET 器件、IGBT 器件和 GTO/IGCT 器件,MOSFET 器件具有很高的开关频率,且容量较小,而 IGBT 器件具有较高的开关频率, 且容量也较大,而 GTO/I GCT 器件工作频率在 1000Hz 以下,在有源电力滤波器中不适用。因此在有源电力滤波器中主要采用的开关器件为 MOSFET 和 IGBT。

53、IGBT是一种N沟道增强型场控复合器件,兼有功率MOSFET和双极性器件的优点：电压驱动、输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽、饱和压降低、耐压高、电流大。对于中小容量的有源滤波器, 变流器可以选用 MOSFET 作为开关器件,采用较高的开关频率；对于较大容量的有源电力滤波器, 可以选用 I GBT 作为开关器件。目前,IGBT最大容量可达6500V/600A,开关频率可达2KHz。根据上面的分析,本文的10kVA并联型有源电力滤波器选择IGBT作为主电路开关器件,其参数设计主要是器件的电压等级和电流等级的选择。器件电压的选择决定于APF直流母线电压,一般取IGBT耐压为的2倍左右即可以满足要

54、求。器件的电流决定于APF最大补偿电流有效值,考虑一定的安全裕度,通常取IGBT的额定电流为的2倍左右。开关频率取决于所要补偿的最高次谐波的频率。本文需要补偿的谐波的最高次谐波是50次,对应的频率为50 50Hz=2500Hz。有源电力滤波器要对50 次谐波有较好的补偿效果,开关器件的工作频率最好在 7 2500Hz = 17 500Hz 以上。本文的APF系统容量定为10KVA,可得出的电流,由式3-1得： 因此选择电压值为1800V最大可关断电流约为305 0A,的IGBT。3.4主电路直流侧电容的计算主电路直流侧电容的作用是来维持的稳定,维持变流器直流侧和交流侧的能量互相变换。但是在实际

55、中,不会是一个恒定值。如果选择的电容值大,那么电容的重量和体积就会增大,成本也相应的增加；如果选择的电容小,则波动就会很大,那么APF的补偿效果不理想。APF正常工作时,电容一直处在充放电两种交替状态,在一个脉宽调制周期,脉冲间歇期间交流侧电网给电容充电,脉冲作用期间电容放电。设电容直流侧平均电压为 ,APF运行时电容上的最大电压设为,最小电压设为,那么直流侧电压的脉动率可以定义为：3-7由上式3-7可以将和 表示为： 3-8 假设电容完成一次充放电的最大时间将正好是一个PWM周期,在这段时间,电容以最大补偿电流充放电,那么电容的容量计算如下式：3-103-11上式中,表示PWM脉冲频率,它的

56、取值大小决将定了APF补偿谐波的最高次数,对电力电子开关器件工作频率的要求。越小则的纹波越大,反之也成立。针对本文直流侧电容值取1mF。3.5主电路交流侧电感参数的计算 交流电感需满足两方面的要求,一是为了满足交流侧输出的补偿电流的跟随性,它应该取值小；二是必须保证对补偿电流纹波大小的限制,它应该取值大。补偿电流通过电感两侧的电压的变化率产生,如果补偿电流的变化率过大,那么有源滤波器的输出的补偿电流相对于检测的指令电流存在很大的超调。交流侧电感作用是能平衡有源滤波器主电路中点电压、补偿电流的相位调整、保证补偿电流的连续、能量的存储和双向馈赠、缓冲各相谐波的无功功率等。忽略SAPF交流侧电阻：3

57、-12由上式得A相电感的取值是, 3-13上式中, 3-14当并联型有源滤波器运行的时间足够长,那么交流侧电压的平均作用为零,为1/3的概率为2/3,为2/3的概率为1/3,因此,的期望值为4/9,代入式得：3-15输出的补偿电流需要跟踪指令电流的变化,那么在每一个PWM波形周期补偿电流的变化率要求大于指令电流的变化率。因此SAPF跟踪到指令电流的最大变化率,需要满足下式：3-16因此由式和式3-16得出：3-17上式中,针对不同的补偿对象,指令电流的要求不同,根据的经验公式得：3-18上式中,当只含有谐波电流时,有：3-19上式3-19中,f表示基波电流的频率,表示检测的指令电流的有效值。由

58、式3-17、3-18、3-19得：3-20最小的电感值的选取是由系统所能允许的纹波电流的大小决定的。如果要求SAPF实际补偿电流偏离指令电流的最大值为,则： 3-21由上式得,3-22综上所述得,3-23综合选取本设计的有源电力滤波器的交流侧输出电感值为4mH。本章小结：本章分析的是APF主电路参数设计,给出有源电力滤波器的容量、直流侧电容和电压、交流侧电感的计算方法,根据设计的电路选择合适的主电路开关器件。4 有源电力滤波器补偿电流跟踪控制方法4.1并联型有源电力滤波器的数学模型并联型三相三线有源电力滤波器的拓扑图如下图4-1所示:图4-1并联型三相有源电力滤波器的结构图 图中表示电网三相电

59、源电压；L为交流侧电感；R表示交流侧电阻；、为有源滤波器输出的补偿电流。A、B、C、N四点的电压、是以中性点o为零电位参考点。APF是一个复杂的系统,通过对系统中的参数进行理想化来简化数学模型。输出侧电感为理想电感,不考虑阻；电力电子器件为理想的器件,不考虑各个功率器件及二极管的通态压降；不考虑死区时间；理想电源。根据图4-1由基尔霍夫定律得到SAPF的主电路电流电压关系方程:4-1 因、带入上式得：由4-2得,4-3定义一个开关函数、4-44-5三相电源电压之和 ,对三相三线电路有 ,根据4-5得,4-6于是得到4-7,4-7根据开关器件的导通特性得出8中开关状态,分别为000,100,110,010,011,001,101,111,各开关状态下的三相电压值。将这8种状态带入式4-7可以得出各相电压值,如下表4-1所示。表4-1 8种开关状态下各相电压值000000100110010011001101111000将