有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究優(yōu)秀畢業(yè)論文 參考文獻 可復制黏貼.pdf

河北工業(yè)大學 碩士學位論文 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 姓名：胡相彬 申請學位級別：碩士 專業(yè)：控制科學與工程 指導教師：杜太行 20091201 河北工業(yè)大學碩士學位論文 i 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 摘摘 要要 在電力系統(tǒng)中，理想的電力系統(tǒng)是以單一恒定頻率與規(guī)定幅值的穩(wěn)定電壓來供電的。 但實際上，由于電力電子技術的迅猛發(fā)展使得大量電力電子裝置廣泛的應用到現(xiàn)代工業(yè)、 企業(yè)、運輸部門以及家用電器中，使得系統(tǒng)中的電壓波形畸變越來越嚴重，電網(wǎng)中諧波污 染也日益加劇。因此，對諧波污染的抑制和無功功率的補償不斷地受到專業(yè)人士的關注。 傳統(tǒng)的各種無功補償及諧波抑制措施已難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要。有源電力濾波器是 一種應用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都發(fā)生變化的諧波及 無功進行補償。由于我國對apf的研究不是很完善，而對電能質量治理工作仍在持續(xù)的開 展，利用有源電力濾波器進行電能質量改善將會有巨大的市場應用潛力。 本文重點研究的是三相并聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型有源電力濾波器分為兩大部 分，一是檢測出諧波電流，另一是控制產(chǎn)生補償電流。而濾波性能的好壞與它所采用的諧 波電流檢測方法有很大的關系。準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波電流，是濾波 器進行精確補償?shù)年P鍵。論文分析了目前常用的諧波電流的檢測方法，基于瞬時無功功率 理論的諧波檢測方法是目前應用的最普遍的方法。文中對基于瞬時無功功率理論的各種檢 測方法進行了分析，包括 p-q 檢測法，ip-iq 檢測法以及 d-q 檢測法。文中討論了這幾種方 法的適用范圍，經(jīng)分析得出最優(yōu)的諧波電流檢測方法，經(jīng)過仿真證明該檢測方法不僅具有 很快的動態(tài)響應速度，還具有很好的精度。 當濾波器主電路確定后，控制方法成為決定其輸出性能和效率的關鍵。有源電力濾波 器的補償控制方法主要有三角波控制、滯環(huán)控制和空間矢量控制。則論文介紹了三角波比 較控制、滯環(huán)電流控制和空間電壓矢量 pwm 控制的基本原理，對其進行了仿真，其結果 表明基于空間電壓矢量 pwm 技術的補償電流控制方法的補償效果最佳。為進一步提高基 于空間矢量控制策略的補償效果，改善補償后出現(xiàn)的毛刺問題，在閉環(huán)控制的基礎上，引 入 pi 控制器，減小了補償電流的跟蹤誤差并降低了補償后電源側電流的畸變率。 最后給出了在 matlab7.0/simulnik 中仿真測試得到的結果，并對結果做出了簡要 的分析。 通過仿真取得的大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,可以為實際的研制和試驗工作提供參考和依據(jù), 具有重要的指導意義。 關鍵詞：關鍵詞：有源電力濾波器，瞬時無功功率理論，三角波控制，空間矢量控制，仿真 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 ii study on the improved method of space voltage vector in active power filter abstract in the power system, the ideal power system supply voltage which is under a single constant frequency and voltage amplitude. but in fact, the rapid development of power electronic technology makes a large number of power electronic devices applied to the modern industries, enterprises, transport sector and household appliances. that makes the system of voltage waveform become more and more serious. and the harmonic pollution is also growing. therefore, the inhibition of harmonic pollution, and compensation of reactive power has constantly exposed to professional attention. a variety of conventional compensation of reactive power and harmonic suppression measures has been difficult to meet the needs of modern power systems. active power filter is a new type of harmonic suppression applied to dynamic power electronic device that can compensate the harmonics and reactive power whose size and frequency also change. because our study of the apf is not very perfect, while the power quality control work is still continuing. the use of active power filter for power quality improvement will have a huge market potential for application. this article focuses on the three-phase shunt active power filter. the shunt active power filter is divided into two parts, one is to detect harmonic currents, and the other is to control the compensation current. the harmonic current detection method has an important effect on the filtering performance. accurate, real-time detection of transient changes in network harmonic current is the key filter for accurate compensation. paper analyzes the commonly used harmonic current detection method, based on instantaneous reactive power theory of harmonic detection method is the most commonly method. paper analyzes a variety of detection methods which based on instantaneous reactive power theory. that includes the p-q detection, ip-iq test method as well as the d-q assay. the paper discusses the scope of application of these methods. and find the optimal harmonic current detection method. the simulations show that the detection method not only has fast dynamic response speed, but also has very good accuracy. when the filter main circuit is established, the control methods become he key to determine 河北工業(yè)大學碩士學位論文 iii its output performance and efficiency. the control methods of active power filter include triangular wave control, hysteresis control and space vector control.the paper describes the basic principles of the triangular wave control, hysteresis current control, space voltage vector pwm control and then carry out the simulation. the results show that the technique based on space voltage vector pwm current control method of compensation to the compensation is the best method. to further enhance the compensation effect of space vector control strategy, improve the tippy issue which generates after compensation. then introduce pi controller based on the closed-loop control, reduce the compensation current tracking error and reduce the supply side of the compensated current distortion rate. finally, the result of simulation tests is obtained from the matlab7.0/simulnik makes a brief analysis for the tests. a lot of data and experience which come from simulation will provide reference and basis for the actual development. there is important guiding significance. key words: shunt active power filter, instantaneous reactive power theory, triangle wave control, space vector control, simulation 河北工業(yè)大學碩士學位論文 1 第一章第一章 緒論緒論 隨著電力電子技術的發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)、企業(yè)以及運輸部門中，晶閘管整流技術和變流技術得到了 很廣泛的應用。其次在居民用電設備中，例如電視機、洗衣機、收錄機、電冰箱等這些家用電器也已經(jīng) 廣泛普及。這些存在的負荷的非線性、沖擊斷口不平衡的用電特征對供電質量造成了不同程度的污染。 現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶在某種程度上對供電質量提出了更高的要求。尤其是it產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，這 就更加使得人類對數(shù)字化設備所提供的信息與服務的依賴度加深了， 且數(shù)字化的設備對供電質量的要求 要更高一些。 而近來公用電網(wǎng)中的諧波電流和電壓對電網(wǎng)環(huán)境造成了嚴重的污染。 電力電子裝置目前是 公用電網(wǎng)中最主要的諧波來源，隨著電力電子裝置應用的不斷增加，電網(wǎng)中的諧波污染也在日益加劇。 此外，由于大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)比較偏低，也給電網(wǎng)帶來了額外的負擔，并時時刻刻影響著供 電質量。因此，對諧波污染的抑制和無功功率的補償已經(jīng)成為了電力電子技術、電氣自動化技術和電力 電子系統(tǒng)研究領域面臨的一個重大課題，不斷地受到專業(yè)人士的關注1。因此本課題所研究的諧波和無 功電流治理的方案一一有源電力濾波器，在當今時代具有極為重要的意義。 1-1 諧波及其危害諧波及其危害 簡單來說， 諧波其實就是一種頻率為基波整數(shù)倍的系列正弦波2。 國際上公認的諧波含義定為： “諧 波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)” 。在國際電工標準和國際大電網(wǎng)會議 (cigre)的文獻中3， 對諧波都做了明確的規(guī)定：“諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的h次分量” 。 而對諧波次數(shù)h的定義則為： “以諧波頻率和基波頻率之比表達的整數(shù)” 。在ieee標準中定義為： “諧波 為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)” 。本文中所提到的諧波，都指的是基波頻 率整數(shù)倍數(shù)的諧波。就目前來講，在現(xiàn)代工業(yè)中，電力系統(tǒng)中的波形畸變主要來源于兩大因素：一是由 非線性負載帶來的諧波； 另一則是由大量使用的電力電子裝置而產(chǎn)生的諧波。 隨著電力電子裝置在工業(yè)、 民用中的廣泛應用，電力裝置已經(jīng)成為當今世界各國的電力系統(tǒng)諧波的主要來源。 當諧波源接至交流電網(wǎng)時，交流電流就會變?yōu)楹懈叽沃C波的畸變電流6。無功諧波電流與電網(wǎng)的 阻抗相互作用，會使得電網(wǎng)電壓波動增大，波形發(fā)生畸變，將會給連接在同一電網(wǎng)中的其它電氣設備帶 來危害，其危害主要有以下幾個方面： 1) 諧波會使電網(wǎng)的損耗增加。 諧波會使公共電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電和用電設備的效率，大量的 3 次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至可能發(fā)生火災。 2) 諧波會使電能的利用率下降。 諧波的存在將使電網(wǎng)中的無功功率增加， 這將導致電流增大和視在功率增加， 這些無功功率將在能 量循環(huán)中產(chǎn)生無謂的損耗，從而使發(fā)電機、變壓器及其它電氣設備容量和導線容量增加。 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 2 3) 諧波會使電網(wǎng)的可靠性下降。 在電力系統(tǒng)中，為了補償負載的無功功率，提高功率因數(shù)，常常在負載處設置并聯(lián)電容器。除此之 外，為了消除諧波，也會設置由電容器和電抗器組成的濾波器。工頻下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感 抗大很多，不會產(chǎn)生諧振。但對諧波頻率而言，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小的話，就可能產(chǎn)生并 聯(lián)諧振或者是串聯(lián)諧振。 這種諧振將會使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍， 會對系統(tǒng)特別是對電容器和與 之串聯(lián)的電抗器造成很大的威脅，甚至嚴重到可能會引起事故。 4) 諧波會對電網(wǎng)上電氣設備造成干擾。 諧波會影響各種電氣設備的正常工作。 諧波電流產(chǎn)生的脈動轉矩會引起電機的機械振動和噪聲， 所 有這些將縮短電機的壽命， 情況嚴重時可能會損壞電機。 電力系統(tǒng)當中的諧波會改變保護繼電器的性能， 引起繼電器誤動作或拒絕動作。 5) 諧波也對計算機通信系統(tǒng)、自動控制設備造成了干擾。 諧波干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度，干擾嚴重時將會引起信號的丟失。諧波還會 引起自動控制系統(tǒng)的誤動作，干擾計算機的正常運行。 1-2 諧波抑制諧波抑制 傳統(tǒng)的諧波抑制方法主要有三類：第一類是受端治理。即從受到諧波影響的設備或系統(tǒng)出發(fā)，提高 它們抗諧波干擾能力；第二類是主動治理。即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不再產(chǎn)生諧波，或是降低諧 波源產(chǎn)生的諧波；第三類是被動治理，即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入到電網(wǎng)中，或是阻礙 電力系統(tǒng)的諧波流入負載端4。 傳統(tǒng)的補償無功和諧波的方法主要是采用 lc 無源濾波器。 但是由于無源濾波器是通過在系統(tǒng)中為 諧波提供一個并聯(lián)低阻抗通路，以此起到濾波作用，其補償特性由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比來決定的，則 存在以下缺點： 1) lc 濾波器是為特定的特定頻率的諧波而設定的。當電網(wǎng)中有其他頻率的諧波注入時，這將使電 容器過載以致燒壞。 2) lc 濾波器有可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振。將使諧波電流放大，從而導致系統(tǒng)不能正常工作， 甚至使 lc 濾波器燒壞。 3) 由于電網(wǎng)中諧波的頻率范圍較寬，一般需要設置多個 lc 濾波器，而基波電流會流過各濾波器， 這就會使得濾波器容量要增大，相應的體積也會大。 4) lc 濾波器由于對電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，濾波效果也不易保證。 5) lc 濾波器的阻抗是固定的，不能跟蹤負載無功的變化，也不能實現(xiàn)無功的動態(tài)補償。 針對lc無源濾波器的缺點，各國研究學者在不斷探索新的諧波抑制方法過程中，提出了有源濾波 器的概念， 有源電力濾波器是一種應用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置， 它能夠對大小和頻率都發(fā) 生變化的諧波進行補償5。有源電力濾波器的特點有：能夠同時對諧波、無功電流進行補償，也可以單 獨補償諧波和無功電流； 在實際應用中有源電力濾波器的貯能元件容量比較小； 當需要補償?shù)碾娏鞒^ 額定值的時候不會發(fā)生過載情況，能在其額定容量內(nèi)繼續(xù)正常工作；受到電網(wǎng)阻抗的影響較小，不易與 河北工業(yè)大學碩士學位論文 3 電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振； 能對特定的諧波源和需要無功的負載進行補償， 同時可對多個諧波源和需要無功的 負載進行補償。 但是，有源濾波器相對于無源濾波器硬件成本較高，而且控制系統(tǒng)設計相對復雜，這是限制有源濾 波器推廣應用的關鍵。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，器件的性價比將不斷提高，有源濾波器必然會得到廣 泛的應用。 1-3 有源電力濾波的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢有源電力濾波的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1-3-1 有源電力濾波器的發(fā)展歷史有源電力濾波器的發(fā)展歷史 在各種濾波方案中，無源濾波器出現(xiàn)的最早。盡管無源濾波器成本較低，技術較成熟，但仍然存在 一些固有缺陷：只能對主要諧波進行濾波；諧振頻率依賴于元件參數(shù)；濾波特性依賴于電網(wǎng)參數(shù)，電網(wǎng) 的參數(shù)與 lc 無源發(fā)生并聯(lián)諧振將使該次諧波分量變大，使電網(wǎng)供電質量有所下降；電網(wǎng)中的某次諧波 電壓可能會在 lc 無源網(wǎng)絡中產(chǎn)生很大的諧波電流。因此產(chǎn)生了有源電力濾波器。 在上個世紀 70 年代初期，就有日本學者提出了有源電力濾波器的概念，但在當時由于電力電子器 件制造水平的限制，這項技術并沒有引起廣泛的關注78。一直到了 80 年代的時候，隨著大中功率全控 型半導體器件的成熟，脈寬調制(pwm)控制技術的進步和赤木泰文瞬時無功功率理論的提出，有源電 力濾波器這才得到了迅速的發(fā)展和完善。 在電力電子技術的發(fā)展、微機控制技術的完善、數(shù)字信號處理器(dsp)運算速度的提高以及補償控 制策略的不斷改進， 有源濾波器控制系統(tǒng)的簡化與數(shù)字化得到了實現(xiàn)， 裝置的可靠性得到進一步的提高； 對諧波理論的進一步研究，現(xiàn)有的諧波檢測理論體系完善了，并建立了新體系，在此基礎上提出許多新 的檢測方法和控制策略， 在線測量諧波電流的技術和產(chǎn)品得到更進一步的發(fā)展。 雖然有源電力濾波器得 到了廣泛應用， 然而有源電力濾波器技術目前仍然不夠完善， 在實際應用中還有許多問題需要進一步解 決。例如提高裝置容量，解決控制系統(tǒng)延時的問題，降低設備的損耗，提高補償效果以及性能，提高性 價比等等。 因此當前研究工作關鍵的是如何加快有源電力濾波器在生產(chǎn)實際當中的應用， 提高實際的應 用水平。 1-3-2 有源電力濾波器國內(nèi)外研究狀況有源電力濾波器國內(nèi)外研究狀況 上世紀 80 年代以后，隨著大功率可關斷器件性能的不斷提高，價格的不斷降低，及對非正弦條件 下無功功率補償理論的更加深入的研究，尤其是瞬時無功理論的提出，為有源電力濾波器（apf）的實 用化提供了必要的條件，使之在工業(yè)上得到了廣泛的應用。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，apf 技術已日趨成 熟。 現(xiàn)在世界上 apf 的主要生產(chǎn)廠家有日本的三菱電機公司、美國的西屋電氣公司、德國的西門子公 司等。從 80 年代以來，有源電力濾波技術已在日本、美國、德國等少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家得到了廣泛應用。 apf 的應用主要是單獨使用，并聯(lián)型 apf 已經(jīng)比較成熟。在日本，已有 500 多臺 apf 投入到了實際運 行中，絕大部分為并聯(lián)型 apf。在德國北部，由西門子公司制造的歐洲最大的一臺 610kva 工業(yè)用并 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 聯(lián) apf 已經(jīng)運行了將近 8 年。 而我國由于電子工業(yè)發(fā)展的限制有源濾波器的研究起步較晚，直到 1989 才出現(xiàn)了這方面的文章， 1992 年試驗性的工業(yè)應用才出現(xiàn)。到了 1997 年 7 月，由哈爾濱工業(yè)大學和黑龍江省省力局聯(lián)合開發(fā)的 廣義有源電力濾波器投入到電網(wǎng)中運行，且通過了電力組織部的部級鑒定。 又經(jīng)過了 20 多年的研究和探索，有源濾波技術在不斷地提高，越來越多的apf投入了運行，無論 是在實際功能還是運行效率上都有了明顯的改善。目前，apf已應用在提高電能質量，調節(jié)三相電力系 統(tǒng)中的終端電壓，抑制電壓波動，改善電壓平衡以及抑制諧波和改善功率因數(shù)等問題上。我國也有越來 越多的研究單位對有源濾波技術開展了深入的理論研究和實驗， 這些研究有的已達到或接近國際先進水 平9。 1-3-3 有源濾波器的發(fā)展趨勢及其前景展望有源濾波器的發(fā)展趨勢及其前景展望 有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置。 它能對大小和頻率均發(fā) 生變化的諧波以及變化的無功進行補償， 其應用能夠克服 lc 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法 的缺點。 盡管有源電力濾波器在發(fā)達國家得到了廣泛應用， 然而有源電力濾波器技術目前還不夠完善， 在實 際應用中還存在著許多問題需要進一步解決。如提高裝置容量，解決控制系統(tǒng)延時，降低設備損耗，提 高補償效果及性能，提高性價比等。apf 技術近期研究主要集中在： l) 諧波理論的進一步完善； 2) 控制系統(tǒng)的簡化和數(shù)字化； 3) 補償裝置的多功能化； 4) 降低裝置容量，提高補償效率。 由于電力系統(tǒng)的諧波污染問題得日益嚴重，使得對 apf 的需求不斷增加。隨著我國對 apf 不斷的 深入研究和對電能質量治理工作的持續(xù)開展， 利用 apf 進行電能質量改善將會有巨大的市場應用潛力。 在補償諧波、中線電流、不平衡電流和功率因數(shù)校正等方面，apf 技術將會得到更加廣泛的應用。 1-4 本文的主要研究內(nèi)容本文的主要研究內(nèi)容 本文的主要研究內(nèi)容有以下幾點： 1）首先對諧波及其危害、有源電力濾波器的發(fā)展歷史、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作了綜述性的 報告。在闡述有源電力濾波器的基本原理的基礎上，對有源電力濾波器進行了分類，并分析了并聯(lián)型有 源電力濾波器的系統(tǒng)構成和主電路形式。 2）準確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波電流，是 apf 進行精確補償?shù)年P鍵。論文對三相系 統(tǒng)中常用的基于瞬時無功功率理論的諧波與無功電流檢測方法其中包括 p-q 檢測法、 pq ii檢測法、d-q 檢測法進行討論，分析結果本文采用 d-q 檢測法對諧波電流進行檢測。 3）有源電力濾波器消除諧波的性能取決于控制方法，它控制有源濾波器產(chǎn)生預期的補償電流。在 這部分中主要討論三角波比較控制方法、 滯環(huán)電流控制方法和空間矢量控制方法。 重點討論了本文采用 4 河北工業(yè)大學碩士學位論文 5 的空間電壓矢量 pwm 控制的基本原理， 在此基礎上研究基于空間電壓矢量 pwm 技術的有源電力濾波 器補償電流控制方法的具體實現(xiàn)步驟。 4）最后針對檢測電流和產(chǎn)生補償電流的控制方法做了驗證，對構成有源電力濾波器系統(tǒng)的三部分 非線性負載、諧波電流檢測、補償電流控制及整個系統(tǒng)進行了仿真研究。針對仿真波形對結果進行了分 析，加深了檢測方法和控制方法及有源電力濾波器的工作原理的認識和理解。 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 第二章第二章 并聯(lián)有源電力濾波系統(tǒng)及其數(shù)學模型并聯(lián)有源電力濾波系統(tǒng)及其數(shù)學模型 2-1 有源電力濾波器的分類有源電力濾波器的分類 根據(jù)不同的標準有源電力濾波器（apf）有不同的分類。根據(jù)用戶使用的電源類型是直流電源還是 交流電源，可將 apf 分為直流 apf 和交流 apf；根據(jù)接入系統(tǒng)的相數(shù)不同，可將 apf 分為單相 apf 和三相 apf；根據(jù)主電路的形式不同，將 apf 分為單個主電路型和多重疊加主電路型；根據(jù)直流側儲 能元件的不同，將 apf 分為電壓型和電流型；根據(jù) apf 和電網(wǎng)連接方式的不同，將 apf 分為并聯(lián)型、 串聯(lián)型和串-并聯(lián)型，這是目前對 apf 分類的主要方法。其中串聯(lián)型和并聯(lián)型又可以繼續(xù)細分為不同的 類型，其具體分類如下圖 2.1 所示： 圖 2.1 有源電力濾波器的分類 fig.2.1 class of active power filter 由于有源電力濾波器的每一種類結構都各有其特點，那么它的工作原理、特性等就各有特點。接下 來就對每一種類型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成和主要特點進行論述。 2-1-1 串聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成串聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成 2-1-1-1 單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成 圖 2.2 是單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。 這種濾波器的特點是有源電力濾波器作為電 壓源串聯(lián)在電壓源和諧波源之間。 串聯(lián)型有源電力濾波器與并聯(lián)型有源濾波器不同， 主要是用來補償可 看作電壓源的諧波源。 6 河北工業(yè)大學碩士學位論文 圖 2.2 單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 fig.2.2 singlehanded series active power filter 2-1-1-2 與 lc 濾波器混合使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 由于串聯(lián)型濾波器損耗比較大，各種保護電路也比較復雜，所以很少單獨使用，多數(shù)情況下是與 lc 無源濾波器混合使用，如圖 2.3 所示。這種方式的特點是在負載和 lc 無源濾波器與電網(wǎng)電源之間 串入有源電力濾波器，諧波基本上是由 lc 無源濾波器補償，而有源電力濾波器只是為了改善 lc 無源 濾波器的濾波性能而產(chǎn)生的?？梢园延性措娏V波器看作是一種可變阻抗，它對基波的阻抗為零，對諧 波的阻抗很高，這樣可以使得諧波電流不流入電網(wǎng)，而流入 lc 濾波器。因此，有源電力濾波器就起到 了諧波隔離器的作用，從而抑制電網(wǎng)阻抗對 lc 無源濾波器的影響，避免電網(wǎng)與 lc 無源濾波器之間發(fā) 生諧振的可能，因此極大地改善了 lc 無源濾波器的性能。 s e 圖 2.3 串聯(lián)型有源電力濾波器與 lc 濾波器混合使用方式 fig.2.3 hybrid series active power filter connecting with lc filter 2-1-2 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成 并聯(lián)型有源電力濾波器是 apf 最基本的方式，也是目前最廣泛被應用的一種類型，可被用于補償 7 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 諧波、電壓波動、三相不對稱電流、無功功率等。采用這種方式的有源電力濾波器只要采用適當?shù)目刂?方法就可以達到多種補償目的，實現(xiàn)的功能更為豐富靈活。 2-1-2-1 單獨被使用的并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成 由于有源電力濾波器的主電路要與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)， 故稱為并聯(lián)型。 又由于其補償電流基本上是 由有源電力濾波器組成的，為了與其他方式向區(qū)別，稱其為單獨使用的方式。這是有源電力濾波器中最 基本的方式，也是目前應用最多的一種，本文所討論的就是這種類型的有源電力濾波器。其系統(tǒng)構成的 原理如圖 2.4 所示。 s e 圖 2.4 單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 fig.2.4 singlehanded shunt active power filter 2-1-2-2 與 lc 濾波器混合使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 與 lc 濾波器混合使用的并聯(lián)型有源電力濾波器分為與 lc 濾波器并聯(lián)使用和與 lc 濾波器串聯(lián)使 用兩種類型，如圖 2.5 所示。由于 lc 濾波器擁有結構簡單、易于實現(xiàn)且成本低等特點，而有源電力濾 波器的又補償特性好，所以兩者的相結合就可以克服單獨使用時容量大、成本高的缺點，使整個系統(tǒng)獲 得良好的控制性能。 8 河北工業(yè)大學碩士學位論文 圖 2.5.1 與 lc 濾波器并聯(lián) 圖2.5.2 與 lc 濾波器串聯(lián) 圖 2.5 與 lc 濾波器混合使用的 apf fig.2.5 the mixed topology of apf with lc filter 圖 2.5.1 中 apf 與 lc 無源濾波器被并聯(lián)接入電網(wǎng)，兩者共同承擔起補償諧波的任務。lc 無源濾 波器擁有多組單調諧濾波器及高通濾波器，主要任務是補償較高次的諧波，承擔了絕大部分補償任務。 apf 的任務是改善整個系統(tǒng)的性能，其所需容量與單獨使用的時候相比大大降低。在理論上，凡使用 lc 了濾波器的場合均存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能性， 因此在上述的并聯(lián)使用方式中， 就需要對 apf 進行有效的控制來抑制可能發(fā)生的諧振。 圖 2.5.2 為 apf 與 lc 無源濾波器被串聯(lián)接入電網(wǎng)，lc 濾波器在上述方式中起到了主要的作用， 諧波與無功電流主要由 lc 濾波器補償，而 apf 只是用來改善 lc 濾波器的濾波特性，從而克服 lc 濾 波器易受電網(wǎng)阻抗影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點。在上述方式中，由于 apf 不承受交流電源的 基波電壓，因此裝置的容量就可以小一些。由于 apf 與 lc 濾波器一起仍然是與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)， 故仍稱其為并聯(lián)型。 2-2 有源電力濾波器主電路形式和數(shù)學模型的建立有源電力濾波器主電路形式和數(shù)學模型的建立 2-2-1 有源濾波器的主電路形式有源濾波器的主電路形式 有源電力濾波器在實驗和應用中往往需要較大的容量， 如果采用單個 pwm 變流器而不能達到容量 要求時， 通常都是采用多重化的主電路形式。 下面就介紹基本的， 采用單個 pwm 變流器的主電路形式。 對于使用單個 pwm 變流器的 apf 主電路，可根據(jù)其直流側貯能元件的不同，來可分為電壓型和 電流型兩種。圖 2.6 所示為用于三相三線制系統(tǒng)的電壓型主電路，而圖 2.7 所示為用于三相三線制系統(tǒng) 的電流型主電路。由圖中可看出，a、b、c 接至三相電源，v1、v2、v3 和 v4、v6、v2 為各組開關器 件的代碼。圖中可見采用的電力電子開關器件為 igbt，而 gto 晶閘管、bjt、igbt、電力 mosfet 等器件也可以根據(jù)不同的要求來代替 igbt。 9 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 cb i cc i ca i c u a b c 圖 2.6 三相電壓型 pwm 變流器 fig.2.6 three-phase voltage-type pwm converter cb i cc i ca i a b c dc i 圖 2.7 三相電流型 pwm 變流器 fig.2.7 three-phase current-type pwm converter 把大電容接在電壓型 pwm 變流器的直流側，在正常工作的時候，其電壓大致上保持不變，可以看 作是電壓源。對電壓型 pwm 變流器來說，為了使直流側電壓保持恒定，就要控制其直流側電壓。在電 壓型變流器的交流側輸出的電壓為 pwm 波。 與電壓型 pwm 變流器相比，電流型 pwm 變流器的直流側接的是大電感，在變流器正常工作時， 電流基本上是恒定的，可當作電流源來使用。為了保持電流型 pwm 變流器的直流側電流不變，則要控 制直流側電流。與電壓型不同，電流型變流器的交流側輸出的電流是 pwm 波。電流型變流器一個突出 的優(yōu)點是， 不會因為主電路開關器件的直流而發(fā)生短路故障。 但是電流型變流器直流側大電感仍舊有電 流通過，該電流會在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生不小的損耗，因此目前對其的使用比較少。 2-2-2 并聯(lián)型有源電力濾波器數(shù)學模型的建立并聯(lián)型有源電力濾波器數(shù)學模型的建立 并聯(lián)型有源電力濾波器主要由主電路和控制系統(tǒng)兩部分構成。如圖 2.8 所示，其中主電路主要由電 容 c、逆變器和電抗器 l 組成。圖中、 a e b e、是電網(wǎng)電壓，電阻 r 是 apf 逆變電路交流側等效電阻， 電感作為非線性負載的進線電感，l1 和 r1 則分別為非線性負載的等效電感和電阻。 c e f l 10 河北工業(yè)大學碩士學位論文 a e b e c e r 圖 2.8 并聯(lián)型 apf 拓撲結構 fig.2.8 the topology of shunt apf 有源濾波器一般采取基于開關函數(shù)描述的數(shù)學模型， 采用開關函數(shù)描述的一般數(shù)學模型是對有源電 力濾波器開關過程的精確描述，較適合主電路的仿真10。 引入開關函數(shù)、 a s b s、，其定義為： c s k s= k=a，b，c （2.1） 1 0 上臂通，下臂斷 上臂斷，下臂通 采用基爾霍夫電壓定律建立三相有源濾波器的 a 相回路方程為 nno ca caaaoaa di lrieueuu dt +=+（） （2.2） 當上橋臂導通而下橋臂關斷時， a 1s =，有 andc uu=；當上橋臂關斷而下橋臂導通時，開關函數(shù) ，有；由于，式（2.2）可改寫成 a 0s = an 0u= andca uu s= no ca caada di lrieu su dt +=+（） （2.3） 同理，可得 b 相、c 相方程如下： no cb cbbdb di lrieu su dt +=+（） （2.4） no cc cccdc di lrieu su dt +=+（） （2.5） 考慮三相對稱系統(tǒng)，則有 abc abc 0 0 eee iii += += （2.6） 聯(lián)立式（2.3）（2.6） ，得 dc k , , = 3 no k a b c u u = s （2.7） 11 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 另外，對直流側電容正極節(jié)點處應用基爾霍夫電流定律 d dccaacb bccc du ici si si s dt =+ （2.8） 聯(lián)立式（2.3）（2.8） ，可得采用單極性二值邏輯開關函數(shù)描述的并聯(lián)型有源電力濾波器一般數(shù)學模型 為 , , , , , , 1 00 3 000 1 00000 3 000 1 0000 00 3 0 ak k a b c cacaa bkcbcbb k a b c ccccc dd ck k a b c abc rss iile rssiile d iiledt uuc rss sss = = = =+ （2.9） 基于以上的有源濾波器的數(shù)學模型， 在已知電網(wǎng)電壓和直流側電壓后， 對 6 個開關器件進行合適的 通斷控制，即控制，就可以實現(xiàn)補償電流的調節(jié)，達到補償?shù)哪康模簿褪钦f有源濾波器實 現(xiàn)諧波補償實際上是通過開關器件動作改變變流器橋臂中點輸出電壓相對于電網(wǎng)電壓的大小和相位， 通 過交流側電感 l 為橋梁最終改變補償電流達到諧波補償?shù)哪康摹?a s b s c s 2-3 并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理 有源電力濾波器是一種用于抑制動態(tài)諧波、 補償無功功率的新型電力電子裝置， 它能對大小和頻率 都發(fā)生變化的諧波以及變化的無功進行補償， 其應用可以克服 lc 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率 補償方法的缺點。 下圖 2.9 所示為并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構成的原理圖。 圖中，表示交流電源， 負載為諧波源， 它產(chǎn)生諧波并消耗無功。 有源電力濾波器的系統(tǒng)是由兩大部分構成的， 即指令電流運算電路和補償電流 發(fā)生電路，補償電流發(fā)生電路包括三部分：電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路。其中，指令電流運 算電路的主要作用是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量， 因此也可以稱之為諧波和無功電 流的檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)諧波和無功電流的檢測電路得出的補償電流的指令信 號，產(chǎn)生合理的補償電流。 s e 12 河北工業(yè)大學碩士學位論文 s e s i l i c i 圖 2.9 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖 fig.2.9 shunt active power filter schematic 上圖 2.9 是并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的原理圖，它的基本工作原理為：指令電流運算電路首先檢 測出負載電流 l i，在電流 l i中包含了諧波電流、無功電流以及負序電流和零序電流，即 jxw0l iiiiii = + (2.10) 式（2.10）中， 代表的是負載基波電流；代表負載諧波電流；代表的是負載無功電流；i j i x i w i 代表負 載負序電流；而則表示的是負載零序電流。 0 i 通過運算方式將負載電流中的諧波電流、 無功電流以及負序電流和零序電流計算出來， 將其定義為 ，即 c i cxw iiiii =+ 0 iiii= += (2.11) 通過對電流跟蹤控制電路和驅動電路的控制，使變流器產(chǎn)生電流，讓它和大小相等極性相反。 這樣電網(wǎng)電流 就變?yōu)?c i c i s i s1cj (2.12) 這樣負載電流中的諧波電流、無功電流、負序電流和零序電流均被抵消為零，此時電網(wǎng)電流就只剩 下基波有功正序電流。 根據(jù)這個原理，作為主電路的 pwm 變流器，在產(chǎn)生補償電流時，主要工作在逆變狀態(tài)；而在電網(wǎng) 向 apf 直流側儲能元件充電的時候，又工作在整流狀態(tài)。由于其既能作為逆變器來工作又能作為整流 器工作，故稱作其為變流器。 2-4 系統(tǒng)模型總體框圖系統(tǒng)模型總體框圖 根據(jù)前面所述有源電力濾波器的原理，論文采用的是并聯(lián)型由于電力濾波器，利用 matlab 中的 simulink 建模系統(tǒng)對并聯(lián)型有源電力系統(tǒng)做了一個模型仿真。整體系統(tǒng)控制仿真模型如圖 2.10 所示： 13 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 圖 2.10 apf 控制系統(tǒng)仿真圖 fig.2.10 apf system simulation diagram 2-5 電力系統(tǒng)與非線性負載模塊電力系統(tǒng)與非線性負載模塊 非線性負載是電網(wǎng)中主要的諧波來源。 非線性負載種類很多。 其中最具有代表性的諧波源是直流側 帶感性負載的二極管整流橋和三相可控硅整流橋， 這類負載在電網(wǎng)中的應用較為廣泛， 而且產(chǎn)生的諧波 含量也較大。因此，諧波源一般采用三相可控硅整流橋電路，控制三相可控橋式整流器采用同步六脈沖 發(fā)生器。其仿真模型如下圖 2.11 所示。 圖 2.11 三相整流電路仿真模型 fig.2.11 simulation model of three-phase rectifier circuit 14 河北工業(yè)大學碩士學位論文 上圖中控制三相可控橋式整流器是同步六脈沖發(fā)生器。 當其導通角輸入為 0 度時， 負載電流中僅含 有高次諧波電流:當導通角輸入為 60 度時，負載電流中不僅包含諧波分量，而且包含一定的無功分量。 對仿真模型中的電路參數(shù)設置為：三相電源相電壓 220v/50hz，可控整流橋直流側電阻為 1 歐姆，電感 值為 1mh。仿真算法選用 ode23tb，時間設置為 0.2s，以 a 相為例，則仿真得負載畸變電流波形如下圖 2.12 所示： 圖2.12 a相負載電流波形 fig.2.12 a-phase load current waveform 2-6 諧波成份分析模塊諧波成份分析模塊 利用 matlab 仿真工具中的電力系統(tǒng)專用模塊庫中的 powergui 模塊對仿真波形進行 fft 分析， powergui 是電氣系統(tǒng)模塊庫提供的一個十分有力的工具，通過它可以對仿真模型進行諧波分析。使用 powergui 只需將其拷貝到模型中，當模型仿真完畢之后雙擊打開，點擊 fft 分析即可。下圖 2.13 所示 是負載的波形與頻譜分析圖。 2.13.1 a 相負載電流波形 15 有源濾波器改進空間矢量控制方法的研究 2.13.2 頻譜分析 圖 2.13 負載電流波形及其頻譜分析 fig.2.13 the load current waveform and its spectrum analysis 圖 2.13.1 為 a 相電流仿真波形，圖 2.13.2 為 fft 分析結果圖。由圖中可以看出 a 相電流中，3 次， 5 次，7 次，9 次，11 次諧波所占的比例最大，造成電網(wǎng)電壓的明顯畸變。于此同時，a 相電流中存 在較大的偶次諧波和電流分量。 下圖 2.14 是經(jīng)過有源濾波器補償后的電流波形圖及其頻譜圖。由 2.14.1 圖可以看出補償后的電流 波形比較平滑，基本上為正弦波形。而從 fft 分析圖中可以看出，經(jīng)過補償后