并聯(lián)型有源電力濾波器的電流數(shù)字控制

1、分 類 號 學號 2003611310061 學校代碼 10487 密級 碩士學位論文并聯(lián)型有源電力濾波器的電流數(shù)字控制技術學位申請人：方 昕學科專業(yè)：電力電子與電力傳動指導教師：康 勇 教 授戴 珂 副教授答辯日期：A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the RequirementsFor the Degree of Master of EngineeringThe Digital Control on Current of Parallel Active Power FilterCandidate:Fang XinMajor: Powe

2、r Electronics and Electric DriveSupervisor:Prof. Kang Yong Vice Prof. Dai KeHuazhong University of Science and TechnologyWuhan, Hubei P.R. China 430074April, 2006獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法

3、律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權華中科技大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密 ，在_年解密后適用本授權書。本論文屬于 不保密。（請在以上方框內(nèi)打“”） 學位論文作者簽名： 指導教師簽名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日89摘 要電力電子技術為工業(yè)設備提供了高速、高效和節(jié)能的控制手段，但同時也給電網(wǎng)注入了不可

4、忽視的無功以及諧波電流。在眾多諧波抑制和無功功率補償技術中，以有源電力濾波器的應用最為廣泛。本文在研制一臺三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的基礎上，對其諧波指令的產(chǎn)生、滯環(huán)比較控制進行了介紹和初步的分析。重點對電流環(huán)的數(shù)字控制方式，包括數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的設計、重復控制器的應用做出了比較詳細的分析。本文首先給出了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成以及工作原理。詳細地介紹了瞬時無功功率理論，選擇檢測負載電流的方式以提取諧波。提出了用滑窗迭代作為低通濾波的數(shù)字算法，以快速分離負載電流中的基波分量得到諧波指令。在有源電力濾波器的電路結構上建立了數(shù)學模型，分析了并網(wǎng)電感對補償電流的影響。對電流滯環(huán)控制

5、的方式進行了介紹和仿真，分析了傳統(tǒng)滯環(huán)的不足并介紹了兩種改進方法。 以全數(shù)字控制為重點，本文提出了有源電力濾波器的電流PWM載波控制方式,建立了交流側帶RC濾波器的對象模型。分析了PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，指出了純PI調(diào)節(jié)器在有源濾波中的局限性。進而提出了在數(shù)字電流環(huán)中引入重復控制技術以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，給出了重復控制器各個環(huán)節(jié)的設計過程。并建立了重復控制器與PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)的系統(tǒng)模型，給出了相應的仿真。最后本文通過實際系統(tǒng)的各種實驗對所論述的內(nèi)容進行了驗證，并對結果進行了相關分析，實驗結果證明了這種數(shù)字控制方式的有效性。關鍵詞：諧波抑制 無功功率補償 有源電力濾波器 瞬時無功功率 滯環(huán)控制數(shù)

6、字PI調(diào)節(jié)器 重復控制技術AbstractBeing the fast, potent, and economical control means to industrial devices, power electronics, however, have also deteriorated power quality by injecting the non-negligible harmonics and reactive current to the network. Among those technologies in harmonic suppression and reacti

7、ve compensation, the active power filter (APF) is the most famous one. This thesis, first of all, has introduced the harmonic reference generation of APF and the typical hysteresis control based on the design and realization of the three-phase three-wire parallel APF, and then chosen digital control

8、 as its centre content with detailed analysis on PI conditioner and repetitive control.Firstly, this thesis has presented the system structure and operation principles of three-phase three-wire parallel APF. Specified introductions of the instantaneous reactive power theory are given, and a sliding

9、window recursive method as the low pass filter is proposed which is supposed to depart the fundamental current from the load and get the harmonic reference.The influence on the compensation current, caused by the inductance connecting to the network, is given in this thesis after the establishment o

10、f mathematic model of APF. Typical hysteresis control on current is introduced and its simulation results have depicted its compensation characteristics, which are followed by two improved methods in brief as to overcome the inner deficiencies of traditional hysteresis control.Taking the digital con

11、trol as its centre content, this thesis has proposed a PWM control way on current. The control plant with a RC filter placed on the AC side of APF is established. Whats more, the thesis has analyzed how PI parameters affect the system of APF and pointed out the limitation of simple PI conditioner in

12、 active filtering. In order to achieve better characteristics in the steady state of APF, this thesis has proposed a way of adding the repetitive control technology to the digital current loop. Detailed procedures of designing every block of the repetitive controller are given, and the simulation mo

13、del of an improved current controller with PI conditioner and repetitive controller working in parallel is presented in this thesis. The simulation results are provided after that.In the end, experiments have been carried out in different conditions which are discussed in this thesis, and their resu

14、lts have proved the effectiveness of this digital control method.Keywords: harmonic suppression reactive power compensation active power filter instantaneous reactive power hysteresis control digital PI conditionerrepetitive control目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 電力電子技術概述11.2 有源電力濾波器(APF)簡介31.3 本文主要研究內(nèi)容82

15、并聯(lián)型APF的工作原理和諧波檢測方法102.1 并聯(lián)型APF的基本原理102.2 諧波檢測位置及其相應控制122.3 諧波指令的提取與瞬時無功功率理論152.4 低通濾波器與滑窗迭代法202.5 本章小結233 并聯(lián)型APF的滯環(huán)控制方式253.1 并聯(lián)型APF的電路結構和數(shù)學模型253.2 并聯(lián)型APF的滯環(huán)比較控制分析293.3 本章小結334 并聯(lián)型APF的載波控制方式344.1 APF電流環(huán)的控制結構344.2 電流環(huán)PI參數(shù)對系統(tǒng)的影響414.3 電流環(huán)PI控制下的系統(tǒng)仿真454.4 本章小結515 重復控制在APF中的應用525.1 重復控制的基本思想和結構525.2 APF電流環(huán)

16、的重復控制應用565.3 本章小結636 實驗與結果646.1 實驗臺架介紹646.2 實驗結果分析696.3 本章小結737 全文總結757.1 本文所進行的研究工作757.2 存在的不足767.3 未來工作展望76致謝78參考文獻79附錄1 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文841 緒 論1.1 電力電子技術概述以電力為對象的電子技術稱為電力電子技術（Power Electronics）,它是一門利用電力電子器件對電能進行控制和變換的學科。電力電子技術包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，其中以電力電子器件的制造技術為核心1。作為電力、電子、控制三大電氣工程技術領域之間的交叉學科，電力電子

17、技術隨著科學技術的發(fā)展，又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前，它已逐漸成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。電力電子技術使用電力電子器件，通過電力電子變換電路及相應的控制理論，實現(xiàn)對電能的高效變換和控制，具體包括對電壓、電流、頻率、相位、波形、相數(shù)、有功以及無功等參數(shù)的變換和控制2-5。如今許多高新技術均與電網(wǎng)的電流、電壓、頻率和相位等基本參數(shù)的變換與控制相關，現(xiàn)代電力電子技術能夠實現(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和和高效率的處理,為多項高新技術的發(fā)展提供了有力的支持。因而，它不但本身是一項高新技術，而且還是其它多項高新技術的發(fā)展基礎。電力電子技術及其產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)

18、展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并對現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠的影響。電力電子技術在世界范圍內(nèi)已有40年的歷史，由于它對生產(chǎn)的明顯作用，如優(yōu)化性能和節(jié)能等，世界各國都很重視這一技術，因而發(fā)展速度很快。至1980年，傳統(tǒng)的電力電子器件已由普通晶閘管衍生出了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等，形成了一個SCR家族，同時各類SCR的性能也有很大改善。但是實際上由于SCR為半可控器件，而且工作頻率低，所以，以SCR為代表的傳統(tǒng)電力電子器件的發(fā)展日趨緩慢。80年代以來，微電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的功率集成

19、器件，從而使電力電子技術進入了新的發(fā)展階段。首先，各種高頻化全控型器件如雨后春筍般地不斷問世，并得到迅速發(fā)展。這些器件有：功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）等。其次是電力電子變換電路及控制系統(tǒng)隨著新器件的問世不斷革新。如各種各樣的脈寬調(diào)制（PWM）電路，零電流零電壓開關諧振電路以及高頻斬波電路等。與新型電路相適應的新一代交流電機調(diào)速裝置、不間斷電源（UPS）以及其他電力電子裝置隨之相應出現(xiàn)。這些運行可靠的電力電子裝置在機電一體化的載體上開始進入各個應用領域，電力電子已成為世界范圍內(nèi)的一項重要產(chǎn)業(yè)。目前，電力電子技術正朝著以下幾個方向發(fā)展：高頻化、模塊化、多功能化以及控

20、制技術數(shù)字化。PWM電路、諧振電路及高頻斬波電路這些本來用于弱電領域的電路，今已成為電力電子電路的主要形式，而控制這些電路的技術正朝著全數(shù)字化的方向發(fā)展67。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種大功率開關器件被大量應用到各種電源裝置和電動機的調(diào)速中，為工業(yè)裝置提供了高速、高效、節(jié)能的理想控制手段。但是，利用開關動作對電能進行有效變換的同時，裝置本身產(chǎn)生了無功電流和高次諧波，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的危害8。無功功率將增大設備容量，在公用電網(wǎng)中增加設備和線路的損耗，使線路和變壓器的壓降增大，沖擊性的無功還會使電壓產(chǎn)生巨大的波動，嚴重影響了供電質(zhì)量。高次諧波電流流入用電設備會引起諸如旋轉電機和電力電容器的

21、噪音、過熱和振動以致?lián)p壞就是這個所導致的。高次諧波電壓則會對數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使其誤動作。另外，諧波電流流經(jīng)高壓線路的時候還會造成線路損耗，通過感應電勢對臨近的通訊線路造成干擾。當諧波引起公用電網(wǎng)中的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振時還會使諧波放大，從而加劇諧波的危害，惡化電網(wǎng)供電質(zhì)量。 當今世界科學技術日益更新，電力電子裝置被廣泛應用，從改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)可靠性出發(fā)，提高功率因數(shù)，抑制諧波這兩大課題推動了各種諧波抑制和無功補償技術的競相發(fā)展9-14。在諧波抑制方面有：LC調(diào)諧濾波器，有源電力濾波器(Active Power Filter)APF，統(tǒng)一潮流變換器，多重化技術，與PWM配合技術等。

22、對于無功補償有：同步調(diào)相機，并聯(lián)電容器，靜止無功補償，靜止無功發(fā)生器等。過去，國內(nèi)外大量采用無源濾波裝置來進行諧波抑制、無功功率補償和提高功率因數(shù)。傳統(tǒng)的無源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，具有結構簡單、設備投資較少、運行可靠性高、運行費用較低和維護方便等優(yōu)點。但也存在不足和缺陷，如諧波補償頻帶窄，只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會發(fā)生放大作用；濾波特性受到系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，當系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，可能會與電網(wǎng)阻抗之間發(fā)生串聯(lián)或者并聯(lián)諧振現(xiàn)象；裝置笨重、體積大、損耗大等等。隨著功率集成電路技術以及相關的諧波理論的發(fā)展，七十年代提出了應用電力電子裝置進行諧波和無功補償?shù)姆?/p>

23、法，這就是有源電力濾波器 15-18。其基本原理就是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。與無源濾波器相比，有源濾波器具有明顯的優(yōu)勢。它能對變化的各次諧波和無功同時進行跟蹤補償，補償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小，控制電路容易實施限流保護以提高系統(tǒng)的安全性，因而受到了極大的關注。1.2 有源電力濾波器(APF)簡介1.2.1 有源濾波技術的歷史發(fā)展七十年代初有源濾波器的基本原理和電路拓撲結構就已經(jīng)確定，但是由于受到當時功率半導體器件水平以及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗研究階段。直到進入八十年代

24、以來，隨著新型電力半導體器件的不斷發(fā)掌、脈寬調(diào)制技術的不斷進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，使得有源電力濾波器得到迅速完善和發(fā)展。自1982年世界第一臺APF（800kVA）在日本研制成功而被正式投入使用以來，經(jīng)過20多年的研究和探索，APF技術得到了長足的發(fā)展，越來越多的APF投入了運行，不論從實現(xiàn)功能還是運行效率上都有明顯改善。其中在日本，已經(jīng)投入使用的APF從50KVA到60MVA功率范圍越來越寬，從諧波補償?shù)揭种崎W變和電壓調(diào)節(jié)，應用越來越豐富。與國外廣泛應用APF相比,我國的有源濾波技術的工業(yè)化應用還不夠成熟。這與我國目前諧波污染日益嚴重的狀況很不適應。隨著我國

25、電能質(zhì)量治理工作的深入開展,利用APF進行諧波治理將會具有巨大的市場應用潛力,有源濾波技術必將得到廣泛的應用。1.2.2 有源濾波器的分類目前投入使用的APF種類繁多，其分類方法也多種多樣。圖1.1從不同角度對APF進行了分類。根據(jù)應用場合的不同，APF可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類。前者主要用來消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流測的諧波電壓；后者則應用于交流電力系統(tǒng)。根據(jù)逆變電路的儲能元件不同，有源濾波器可以分為電流源型和電壓源型兩種。電壓源型濾波裝置效率高、初期投資小、可任意并聯(lián)擴容，易于單機小型化，經(jīng)濟實用，目前實用裝置90以上為電壓源型，技術相對成熟、完善。電流源型濾波裝置則相對

26、結構簡單、性能可靠，但損耗較大。圖1.1 有源濾波器的分類從與電網(wǎng)的連接方式來看，有源濾波器可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型的APF相當于一個受控電流源，可以消除負載引起的諧波電流，也可以補償無功和平衡三相電流。其適用于感性電流源型負載的諧波無功補償，優(yōu)點是它只流過補償電流和小部分基波有功電流，另外并聯(lián)型的APF可以多臺并聯(lián)使用以提供大的電流。但由于APF是和被補償?shù)闹C波負載并聯(lián)在電網(wǎng)上的，須承受電網(wǎng)的基波電壓，這就使其容量很大，開關損耗也比較高。串聯(lián)型的APF通過變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負載之間，相當于一個受控電壓源。其主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓源型諧波源負載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側電壓

27、諧波與電壓波動對敏感負載的影響。串聯(lián)型APF的主要優(yōu)點是能補償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏感性負載尤為適用。但與并聯(lián)有源濾波器相比，主要缺點是流過很高的負載電流，使得變壓器的體積變大，損耗大；此外串聯(lián)型APF投切、故障后的退出以及各種保護也較為復雜。目前，應用裝置中并聯(lián)型占有大多數(shù)。雖然APF能實現(xiàn)大容量和低損耗以及多功能，但由于受到開關器件的限制，容量的增大往往有限，而且造價隨之增大。而無源濾波器具有結構簡單、造價低廉等特點，人們便提出各種APF和無源濾波器相結合的混合型APF來減小APF的容量，提高裝置的經(jīng)濟性。1.2.3 有源濾波器的檢測技術有源濾波器控制的一個重要環(huán)節(jié)是補償指

28、令的獲取，這一環(huán)節(jié)將直接影響到有源濾波器的性能，因為如果不能準確地得到指令信號，電流的控制將無從談起。計算補償指令，首先必須根據(jù)補償目的將諧波和無功電流分量或者正序、負序以及零序等分量進行分離。根據(jù)補償目標，可以對電流進行不同的分解。比如，在補償所有高次諧波分量以及單位功率因數(shù)的條件下，只需檢測基波有功電流分量即可；如果只是進行某些次諧波消除以及基波無功分量補償，則需要分別檢測出各次諧波分量以及基波無功分量。在不對稱的情況下，還要檢測出電流中的正序、負序以及零序分量（三相三線制中沒有零序分量）。分離諧波和無功分量的方法大體上有以下幾種：l 基于頻域分析的模擬帶通或者帶阻濾波器檢測法帶通（或者帶

29、阻）濾波器用于分離出被檢測信號中預定的某一單一頻率分量，是用模擬的方法實現(xiàn)頻域分析的一種方法，也是最早被采用的諧波電流檢測法，該檢測方法的優(yōu)點在于電路結構簡單、造價低廉、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制19-21。但是這種濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性；當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動的時候，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含有較多的基波分量，大大增加了有源電力濾波器的補償容量和運行損耗。此外，這種方法只能區(qū)分負載電流中的不同頻率分量，無法將基波有功和無功電流相分離，因而目前很少采用。l 基于Fryze時域分析的有功電流檢測方法該方法的基本原理是將負

30、載電流分解為兩個正交分量：一個是與電網(wǎng)電壓波形完全一致的電流分量，稱為有功電流分量；另外一個分量為負載電流與有功電流的差值，包含基波無功和諧波，稱為廣義無功電流分量。這種方法的主要缺點是必須計算負載的有功功率和電網(wǎng)電壓的有效值，用該方法計算出廣義無功電流瞬時值至少有一個周期以上的時間延遲，故不適用于頻繁變化負載的補償。而且，它僅僅區(qū)分有功電流和廣義無功電流，卻無法將基波無功和諧波電流從基波電流中分離出來，因此這種方法只能適用于全補償?shù)膱龊?2。l 基于頻域分析的快速付氏變換（FFT）檢測法該方法建立在Fourier分析的基礎上，因此要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓?，否則會帶來較大的誤差。通過FFT

31、將檢測到的一個周期的諧波信號進行分解，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或傅立葉變換得到所需的誤差信號，再將該誤差信號進行FFT反變換，即可得到補償信號23。其優(yōu)點是可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，通過附加的計算，該方法還可以通過電網(wǎng)電壓基波分量與負載電流基波分量的相位關系，計算出負載電流的基波有功和基波無功電流；而且受電網(wǎng)的影響也比較小。但是這種方法需要進行FFT變換及其反變換，計算量非常大，因而有較大的時間延遲。而且當電網(wǎng)波形畸變嚴重或者頻率波動時，將引入較大的非同步采樣誤差，對諧波電流的檢測精度影響很大。l 基于采樣保持原理的諧波電流檢測法此方法將負載電流經(jīng)過一個帶

32、通濾波器得到相電流基波瞬時值，經(jīng)過輸入采樣和保持電路得到相應的數(shù)字信號。采樣保持電路與相電壓峰值同步，獲得的直流信號正比于電流有功分量幅值。用同樣的方法得到另外兩相的直流信號。根據(jù)負載的有功功率，對這三相直流信號進行平均，平均后的直流信號與三個對稱的正弦參考波形相乘，可以獲得各相對稱基波有功電流，然后它們與實際負載電流相減就得到了所需的補償電流值2425。該方法得到的檢測電路既可以用于諧波抑制、補償功率因數(shù)；又能平衡系統(tǒng)三相功率。沒有復雜的坐標變換和乘除數(shù)學運算。但對電路元器件精度要求較高，調(diào)整較為困難。l 基于Akagi三相瞬時無功功率理論的檢測方法這一檢測方法在有源電力濾波器的發(fā)展過程中起

33、到了巨大的推動作用，是目前在APF中應用最廣的一種檢測方法26-31。它最早由日本學者H.Akagi于1984年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷的改進現(xiàn)已經(jīng)包括pq法，ipiq法以及dq法等等。其中pq法最早應用，它僅適用于對稱且無畸變的電網(wǎng)；而ipiq法不僅對電源電壓畸變有效，也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉Park變換的dq法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運算，而且也適用于不對稱有畸變的電網(wǎng)。本論文將在第二章對瞬時無功功率理論進行更詳細的介紹。l 自適應檢測法 該方法是根據(jù)信號處理技術中的自適應干擾對消的原理發(fā)展起來的3233。自適應檢測法對于市電電壓畸變，頻率偏移以及市電參數(shù)

34、變化有較好的自適應調(diào)整能力，且電路簡單，可以應用于三相或者單相電路。但是他的動態(tài)響應速度還不夠快。l 基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制法該方法是隨著神經(jīng)網(wǎng)絡理論在系統(tǒng)中的應用而發(fā)展起來的一種新型智能控制檢測手段34。人工神經(jīng)網(wǎng)絡自學功能性強，將進化算法和反向傳播用于神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練，避免了對于給定補償電流的復雜計算。從以上檢測方法看，目前占有主導地位的還是基于瞬時無功功率理論的檢測方法，其性能良好，并且已經(jīng)趨于完善和成熟。自適應檢測法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制法等新型檢測法目前在理論研究中比較多，是否能應用于工程實際，還有待進一步的研究驗證。1.2.4 有源濾波器的控制技術補償電流通常是由PWM的電壓源型變換器產(chǎn)生，從

35、電流控制的角度來看，目前有以下幾種方法，三角載波線性控制35，無差拍控制3637，滯環(huán)比較控制38-40等。l 三角載波線性控制通過將檢測環(huán)節(jié)得到電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波相比較,所得到的矩形脈沖作為逆變器各開關元件的控制信號,從而在逆變器輸出端獲得所需的波形。該方法的優(yōu)點是動態(tài)響應好,開關頻率固定,實現(xiàn)電路簡單,缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關損耗較大。但是由于其開關頻率固定，如果采用合適的濾波電路可以將輸出中的開關噪聲濾除。l 無差拍控制無差拍控制是一種全數(shù)字化控制技術。該技術利用前一時刻的補償電流參考值和實際值,計算出下一時刻的電流參考值及各種開

36、關狀態(tài)下逆變器電流輸出值,選擇某種開關模式作為下一時刻的開關狀態(tài),從而達到電流誤差等于零的目標。該方法的優(yōu)點是能夠快速響應電流的突然變化，缺點是對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。l 滯環(huán)比較控制是將補償電流參考值與逆變器實際電流輸出值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器,通過比較器的輸出來控制開關的開合,從而達到逆變器輸出值實時跟蹤補償電流參考值。采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式的優(yōu)點是：硬件電路比較簡單；屬于實時控制方式，補償量響應快。但是傳統(tǒng)滯環(huán)控制沒有運用載波，在逆變器的輸出中不含特定頻率的開關噪聲，對用于濾除噪聲的高通濾波器帶來了很大的設計難度。在以上的控制方法中，三角載波法和滯環(huán)比較控制法是目前應用最為

37、廣泛的兩種方法，可以通過多重化技術、自適應滯環(huán)等改進措施來克服固有的缺陷，提高其適用效率?；谌珨?shù)字化控制技術的無差拍控制法隨著數(shù)字信號處理器（DSP）運算速度的不斷提高，也將在APF中得到廣泛的應用。近年來，一些學者又提出了基于內(nèi)?？刂?、滑模控制及神經(jīng)網(wǎng)絡控制等的非線性控制方法應用于有源濾波器的電流控制中。這些非線性控制具有良好的應用前景，但在各種負載條件下的補償特性尚需要進一步研究。1.2.5 有源濾波器的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代社會對電能質(zhì)量要求的日益提高，APF的應用也將日益廣泛。但目前APF對電網(wǎng)電能質(zhì)量進行補償時還存在許多缺陷，有許多需要進一步研究解決的問題。如提高裝置容量、解決控制系統(tǒng)延

38、時、降低設備損耗、提高補償效果及提高性價比等等?；诮鉀Q這些問題的要求，APF的發(fā)展近期主要在以下幾個方面41-46。（1） 通過采用PWM調(diào)制及提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現(xiàn)高次諧波的有效補償。當APF的容量小于2MVA時，通常采用IGBT及PWM技術進行補償。當容量大于5MVA時，通常采用GTO及多重化技術進行諧波補償。（2） 降低成本和提高補償效率，將APF和LC無源濾波器聯(lián)合使用，這樣既能克服無源濾波器的缺點，又可以提高有源濾波器的補償功能，取長補短，相得益彰。（3） 為適應APF多功能復雜控制的需要，采用一些先進的控制策略包括變結構和智能控制，以得到更好的控制性能和效果。

39、（4） 開發(fā)多點諧波抑制的新型APF，通過向網(wǎng)絡中的幾個優(yōu)選點注入電流，實現(xiàn)多點諧波電壓的綜合治理，是諧波治理更為有效的手段。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文以研制一臺三相三線制并聯(lián)型有源濾波器為基礎，對這種電壓源型的有源濾波器進行了以下幾個方面的研究。 （1） 介紹了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構成以及其工作原理；從諧波檢測位置的角度出發(fā)，對檢測電流的控制方式和檢測電壓的控制方式分別進行了簡單的分析；詳細地介紹了瞬時無功功率理論；提出了一種以滑窗迭代作為低通濾波的數(shù)字算法，并給出了相應的仿真。（2） 給出了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的電路結構，建立了相應的數(shù)學模型。推導了一相補償電流

40、的時域解，分析了并網(wǎng)電感對補償電流的影響。介紹了有源電力濾波器的滯環(huán)控制方式，由仿真給出了補償效果。通過對其跟蹤原理的分析，指出了傳統(tǒng)滯環(huán)控制存在的問題，并簡單地介紹了兩種改進型的控制方式。（3） 以全數(shù)字控制為本文的核心內(nèi)容，提出了有源電力濾波器電流環(huán)的PWM載波控制方式。首先以有源電力濾波器的基本電路結構和數(shù)學模型為基礎，給出了以PI調(diào)節(jié)器為核心的控制結構，并通過該結構開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性分析了其系統(tǒng)性能。建立了有源濾波器交流側帶C型濾波器時的補償電流與控制電壓及電網(wǎng)擾動之間的關系，并在此基礎上推導了此時帶PI調(diào)節(jié)器的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)及其閉環(huán)傳遞函數(shù)。通過對兩種結構的閉環(huán)

41、特征方程以及各自頻率特性分析，指出了PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在離散域中建立了整個系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真說明了這種數(shù)字控制方式的諧波補償效果，同時指出了PI調(diào)節(jié)器在有源濾波中的局限性，在非理想因素影響下，其補償效果可能下降。（4） 基于PI調(diào)節(jié)器對周期信號無法實現(xiàn)無靜差補償?shù)木窒扌?，提出了以?nèi)模原理為核心的重復控制技術。介紹了重復控制的基本原理及其控制結構的基本環(huán)節(jié)。在對控制對象進行頻率特性分析的基礎上，給出了重復控制器各個環(huán)節(jié)的設計過程，并通過此時電流環(huán)的閉環(huán)特征方程分析了重復控制增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后對重復控制器模型與PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)的系統(tǒng)建立了仿真模型，并通過仿真驗證了重復控制可以

42、改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提高諧波補償?shù)木?，也驗證了PI調(diào)節(jié)器在動態(tài)過程中能夠快速響應。對重復控制在非理想因素影響下的補償效果也做出了仿真分析。（5） 最后本文介紹了本項目的實驗臺架，同時以論文所討論的基本內(nèi)容為基礎，給出了不同情況下的實驗結果，驗證了這種電流數(shù)字控制的有效性。2 并聯(lián)型APF的工作原理和諧波檢測方法有源電力濾波器是一種用于抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。在各種有源電力濾波器中，單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本的一種，也是工業(yè)實際中應用最多的一種，它集中體現(xiàn)出了有源

43、電力濾波器的特點。2.1 并聯(lián)型APF的基本原理圖2.1 并聯(lián)型APF的系統(tǒng)構成原理圖圖2.1所示為并聯(lián)型APF的系統(tǒng)構成原理圖，也是最基本的有源電力濾波器的系統(tǒng)結構圖。圖中Vs代表電網(wǎng)電壓，負載則為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。虛線所框起來的部分就是APF，由于它是以一種與負載并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，故被稱為并聯(lián)型APF。它主要由圖示三個部分組成：諧波和無功電流檢測電路，控制脈沖驅動電路和PWM變換器。諧波和無功電流檢測電路根據(jù)補償要求提取出諧波和無功電流，產(chǎn)生補償指令。當檢測電流時，所檢測的位置可以是負載側（K2合上，K1打開），或電源側（K1合上，K2打開），或兩者的綜合（K1，K2均合上）

44、。檢測電壓是近年來所提出的一種檢測控制方式，其選擇的檢測點在APF與電網(wǎng)所連接的點，即檢測公共耦合點PCC（Point of Common Coupling）的電壓。通過電壓與電流之間的關系，轉換出對應的諧波電流指令。不同的檢測方法和檢測位置所使用的控制策略是不同的，稍后將作具體分析。根據(jù)檢測電路所產(chǎn)生的補償指令，控制脈沖驅動電路將采用適當?shù)目刂品椒?，如緒論中提到的滯環(huán)比較控制，三角載波控制等方法，實時地跟蹤補償指令，產(chǎn)生相應的諧波和無功電流對應的脈沖以驅動后面的PWM變換電路。圖中的PWM變換電路的模型是一個逆變電路，由電容作為儲能元件。在產(chǎn)生補償電流的時候，能量由直流側傳遞到交流側，類似于

45、逆變器工作。但是當電網(wǎng)向APF直流側的電容充電的時候，能量從交流側傳遞到直流側，又類似于整流器工作。因此我們一般不稱之為逆變器或者整流器，而稱為PWM變換器。作為系統(tǒng)的主電路，它負責產(chǎn)生實際的補償電流。當補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波以及無功等電流抵消的時候，就可以得到期望的電網(wǎng)電流，達到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。例如，將負載電流分為基波電流和諧波電流，電網(wǎng)電流為負載電流和APF產(chǎn)生的補償電流之和。當需要補償負載所產(chǎn)生的諧波電流時，APF首先檢測出補償對象負載電流中的諧波分量，根據(jù)圖示的電流方向，將該諧波電流反極性后作為補償電流的指令信號，當補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負載電流中的諧波分量

46、大小相等、方向相反時，兩者互相抵消，使得電源電流中只含有基波，不含諧波。這樣就達到了電源電流中諧波抑制的目的。用公式可以這樣表達： （2-1） （2-2） （2-3）其中表示負載電流的基波分量，表示諧波分量。如果要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，補償負載的無功功率，則只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補償電流與負載電流中的諧波以及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量，實現(xiàn)電網(wǎng)側單位功率因數(shù)。在圖2.1中還有一個部分就是由RCL組成的高通濾波器（High Pass Filter），簡稱HPF。它主要是用來濾除開關噪聲附近的諧波電流，以平滑

47、補償電流。2.2 諧波檢測位置及其相應控制2.2.1 檢測電流的控制方式如前面所提到的根據(jù)被檢測電流的位置不同，APF對應的控制方式亦不同，可以分為三種：檢測負載電流的控制方式，檢測電源電流的控制方式，和復合控制方式47。為了便于分析，我們以圖2.1為對象，給出并聯(lián)APF的單相等效電路，其中各個變量意義與圖2.1一致。即為電源電壓，為電源側電流，為并聯(lián)APF產(chǎn)生的補償電流，為負載電流。如果定義為負載電流與并聯(lián)APF產(chǎn)生的補償電流之和，即，可以把APF與負載一起等效為一電流源，也就是說APF相當于負載的一個可調(diào)并聯(lián)阻抗。將圖2.1中用于消除開關噪聲的高通濾波器用一個與APF并聯(lián)的阻抗來表示。圖2

48、.2 并聯(lián)型APF一相等效電路圖2.3 檢測負載電流的控制框圖檢測負載電流的控制方式是最基本的，也是通常使用的一種控制方式，它以檢測的負載電流為電流運算電路的輸入信號。在圖2.2中，斷開開關K1，閉合K2即為檢測負載電流的等效電路。令is相對icL的傳遞函數(shù)為Gp(s)，如果以is為輸出，iL為輸入，那么它們之間的控制框圖可以由圖2.3表示。由于用于產(chǎn)生補償電流的電力電子變換器通常工作在高頻開關通斷狀態(tài)下，為了消除開關頻率附近的高次諧波，通常在電網(wǎng)并聯(lián)電力有源濾波器的同時設置RCL濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)中。在圖2.3中，Gp(s)主要是由主電路的外部參數(shù)，包括與APF并聯(lián)的高通濾波器HPF的RCL參

49、數(shù)決定的。而Gi(s)是補償電流發(fā)生器的傳遞函數(shù)，它的核心是電流控制器和PWM變換器。一般情況下可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)來等效。這種控制方式，結構簡單，意義明了。但是從圖中我們也可以看出這里以電源電流為輸出，但是并沒有引入電源電流的反饋，而是通過檢測負載電流以產(chǎn)生希望的補償電流去改善電源電流的波形。這種控制方式對電源電流，即我們最終希望控制的對象來說，實際上是一種開環(huán)控制。那么對于環(huán)外的傳遞函數(shù)Gp(s)，其控制效果是有限的。對于HPF來說，因為濾波次數(shù)很高，所以其容量并不要求很大。它的引入能夠很好地消除高次諧波，但是在檢測負載電流的方式下來控制APF，并聯(lián)的HPF可能會引起諧振，造成電源電流畸

50、變，使補償特性變差。這也正是因為產(chǎn)生諧振的傳遞函數(shù)在環(huán)外，不能得到有效控制而造成的。但是作為最基本的控制方式，檢測負載電流的APF仍然是值得學習和研究的重點，本論文所討論的有源電力濾波器即采用了這種檢測方法。圖 2.5 復合檢測的控制框圖圖 2.4 檢測電源電流的控制框圖針對檢測負載電流控制方式的缺點，提出檢測電源電流的控制方式。既然有源電力濾波器的作用主要是補償諧波，最終使電源電流成為正弦波，那么可以把電源電流處作為檢測點，目的即是通過電源電流的反饋將Gp(s)包含在閉環(huán)內(nèi)，見圖2.4，選擇適當?shù)男Ｕh(huán)節(jié)Gc(s)即可以很好地抑制由HPF引起的諧振。但是為了獲得良好的補償特性，要求Gc(s)

51、有比較大的放大倍數(shù)以增大系統(tǒng)的開環(huán)增益，這又給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)，因為過大的放大倍數(shù)有可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 綜合這兩種方式的優(yōu)缺點，提出復合控制方式，即同時引入負載電流和電源電流。其中指令電流主要來自負載電流，補償負載中的諧波成分，電源電流通過其校正環(huán)節(jié)，主要是抑制HPF和電網(wǎng)阻抗的并聯(lián)諧振。此時，電源電流并不需要承擔補償諧波電流的主要任務，所以不需要太大的放大倍數(shù)，這樣就容易保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性了。復合控制方式綜合了前兩種控制方式的優(yōu)點，是一種比較合理的控制方式。其控制框圖如圖2.5所示。2.2.2 檢測電壓的控制方式在應用中大多數(shù)有源電力濾波器都是通過檢測相關節(jié)點的電流來計算諧波指

52、令進行諧波補償，這種濾波器在指定的工況下足夠實現(xiàn)要求的補償性能。然而在電網(wǎng)的分布情況復雜時，這種檢測電流方式的APF將帶來很多實際問題48，如當電網(wǎng)帶載的情況比較復雜時，檢測某一位置的電流就顯得不太合適了。近年來，國內(nèi)外許多文獻提出基于檢測公共耦合點的電壓來產(chǎn)生諧波指令的高適用性新型有源濾波器。簡單來說，這種檢測控制方法的基本原理是通過調(diào)制公共耦合點電壓達到使電網(wǎng)電流正弦化的目的。以圖2.1為例，對于電網(wǎng)來說，通常存在線路阻抗，即圖中電網(wǎng)側的電感以及線路電阻。如果沒有有源電力濾波器的作用，當諧波源投入電網(wǎng)以后，由于非線性負載引入了諧波電流，該諧波電流必定在電網(wǎng)側的線路阻抗上產(chǎn)生諧波壓降，從而導

53、致了PCC點的電壓發(fā)生畸變。如果能夠使PCC點的電壓跟隨電網(wǎng)電壓，即將其正弦化，那么很容易理解由于此時落在電網(wǎng)側線路阻抗上的電壓為正弦，必然使得電網(wǎng)側的電流為正弦，保證電網(wǎng)側的電能質(zhì)量。所以這種控制方式是通過將PCC點電壓正弦化，或者說將電網(wǎng)電壓與PCC點電壓的壓差正弦化（當電網(wǎng)電壓本身存在畸變時），以改善電網(wǎng)側的電流波形。最初提出來這種有源濾波器是以降低公共耦合點的電壓畸變?yōu)槟繕?，以非線性最優(yōu)化理論為基礎計算出需要由有源電力濾波器注入電網(wǎng)的補償電流。這種結構的前提是電網(wǎng)的畸變電壓可以被量化，同時通過實際測量或者計算就能夠獲得網(wǎng)絡的阻抗矩陣49。然而由于以上存在一些前提的理想化，使得這種結構的

54、實用性不佳。有文獻提出了一種以減弱諧波傳播為核心思想的檢測控制方法，這種方法在減弱諧波傳播的同時也減少了諧波含量。這種檢測電壓的控制方式相對于檢測電流的控制方式來說，最大的好處即是它具有更廣泛的適用性，而且從系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)來分析，這種檢測電壓的控制方式比檢測電流的控制方式具有更高的穩(wěn)定性48。 2.3 諧波指令的提取與瞬時無功功率理論三相電路瞬時無功功率理論，首先在諧波和無功電流的實時檢測方面得到了成功的應用。目前有源電力濾波器中，基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應用最多。這一節(jié)將比較詳細的介紹一下瞬時無功功率理論。圖2.6 瞬時電流和瞬時功率示意圖三相瞬時無功功率理論首先由日本

55、學者H.Akagi于1984年提出，此后經(jīng)不斷研究逐漸得到完善?，F(xiàn)已包括p-q法50、ip- iq法51和d-q法52。其中p-q法最早應用，僅適用于對稱三相且無畸變的市電電網(wǎng)；ip- iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且在不對稱三相市電電網(wǎng)的檢測中，相對于p-q法來說，檢測誤差要小一些；基于Park變換的d-q法，不僅簡化了電網(wǎng)對稱無畸變的電流檢測，而且也適用于不對稱、有畸變的市電電網(wǎng)檢測。 假設三相電路的電壓和電流瞬時值分別為、和、。為了分析方便，將他們都變換到兩相正交坐標系中。有如下表達式： （2-4） （2-5） （2-6）上式中，和，分別是旋轉電壓矢量和電流矢量在坐標系相對于和的投影，圖2.6給出了在坐標系中的電壓、電流相量，以及后面將要定義的瞬時有功電流、瞬時無功電流等變量的示意。 （2-7） （2-8）分別表示相量模長，分別表示相量的幅角。根據(jù)圖2.6，定義三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為相量在向量及其法線上的投影，即： （2-9） （2-10） （2-11）定義三相電路瞬時有功功率（瞬時無功功率）為電壓相量的模和三相電路瞬時有功電流（瞬時無功電流）的乘積，即： （2-12） （2-13）將方程（2-9）、（2-10）和