一種實(shí)用的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

1、煙臺大學(xué)文經(jīng)學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘要諧波電流的存在，對電力系統(tǒng)是一種“污染”。目前，消除諧波電流的方法主要是有源電力濾波器（APF）、無源電力濾波器（PPF）和混合型有源電力濾波器（HAPF）。有源電力濾波器是一種無功補(bǔ)償裝置，可對諧波、無功電流以及負(fù)序電流實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的補(bǔ)償。本文以并聯(lián)型APF作為研究對象，系統(tǒng)地分析并聯(lián)型APF的工作原理、補(bǔ)償特性等問題。深入研究了基于瞬時(shí)無功功率理論下的改進(jìn)型諧波電流檢測的法，對并聯(lián)型有源電力濾波器的三角波載波控制策略也進(jìn)行了研究，本文還利用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行了并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真，仿真結(jié)果顯示有源電力濾波器能夠?qū)χC波電流起到了較好

2、的動態(tài)補(bǔ)償作用。關(guān)鍵詞:并聯(lián)型有源電力濾波器；三角波載波控制；諧波電流檢測；MATLABAbstract:The presence of harmonic current on the power system is a “pollution”.At present,methods to eliminate the harmonic current is the active power filter(APF)、the passive power filter(PPF) and the hybrid active power filter(HAPF).Active power filter i

3、s a reactive power compensation device to achieve real-time,accurate compensation of harmonics,reactive curren and negative sequence current.In this paper,the shunt active power filter as the object of study,systematically analyse the working principle of shunt active power filter、the principles of

4、the compensation characteristic and so on.Further research improved harmonic current detection which is based on instantaneous reactive power theory and also studied the triangular wave carrier control strategy of shunt active power filter.We also use the MATLAB/SIMULINK to simulate the shunt active

5、 power filter.The simulation results show that the active power filter has played a dynamic role in compensating the harmonic current.Key words:Shunt active power filter;Triangular wave carrier control;Harmonic current detection;MATLAB目 錄1 緒論11.1 引言11.2 諧波產(chǎn)生的原因及危害11.3 諧波的抑制21.4 電力濾波器的發(fā)展趨勢21.4.1 無源濾波

6、器的缺陷21.4.2 有源濾波器的優(yōu)勢32 有源電力濾波器基本原理42.1 有源濾波器的工作原理42.2 APF的類型52.2.1 按變流器類型分類52.2.2 按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類53 諧波檢測理論83.1 電流運(yùn)算電路83.2 檢測法84 有源濾波器的電流跟蹤控制114.1 采樣控制理論114.2 三角載波線性控制法125 負(fù)載電流發(fā)生模塊156 系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果166.1 系統(tǒng)仿真模型166.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析166.2.1 濾波前電流波形166.2.2 濾波之后的電流波形176.3 MATLAB的仿真研究186.3.1 MATLAB簡介186.3.2 SIMULINK簡介196.3

7、.3 SimPowerSystems庫19結(jié)束語20致 謝21參考文獻(xiàn)22251 緒論1.1 引言進(jìn)入信息時(shí)代后，電子器件在工業(yè)中的應(yīng)用更加廣泛，電網(wǎng)中的諧波污染問題也日益嚴(yán)重。因此為了提高電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的安全性和可靠性，保證電能質(zhì)量、諧波抑制和無功補(bǔ)償成為急需解決的問題。減少和消除電力系統(tǒng)污染及諧波對電網(wǎng)的危害，成為電力電子技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。當(dāng)前，消除諧波的方法主要有無緣電力濾波器（passive power filter，PPF）、有緣電力濾波器（active power filter,APF）和混合型有緣電力濾波器（hybrid active power filter,HAPF）。簡單

8、易操作是無緣濾波器的特點(diǎn)，但也存在很多不足：無源濾波器只能抑制固定的幾次諧波，放大某些條件下產(chǎn)生的諧振諧波；系統(tǒng)參數(shù)對濾波特性影響比較大，有時(shí)調(diào)壓要求很難與濾波特性相協(xié)調(diào)；對固定的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，但不能補(bǔ)償變化的無功負(fù)載；重量與體積較大等等。新型電力電子裝置有緣電力濾波器可用于抑制動態(tài)諧波、補(bǔ)償無功功率，它能夠補(bǔ)償大小和頻率都變化的諧波和動態(tài)的無功，有效地克服了LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。本文重點(diǎn)研究了并聯(lián)型有源電力濾波器。有源電力濾波器的兩大關(guān)鍵技術(shù)是諧波檢測和補(bǔ)償電流控制。準(zhǔn)確地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的諧波與無功電流是有源電力濾波器的中心環(huán)節(jié)，它主要負(fù)責(zé)控制有源電力濾波

9、器產(chǎn)生預(yù)期的補(bǔ)償電流。本文首先對有源電力濾波器的工作原理進(jìn)行了介紹。文中對諧波電流的檢測采用了基于瞬時(shí)無功功率理論的適用于電網(wǎng)電壓有畸變的法，對補(bǔ)償電流的產(chǎn)生采用三角波線性控制方法，最后為驗(yàn)證檢測和控制方法的正確性，用MATLAB/SMULINK進(jìn)行仿真。1.2 諧波產(chǎn)生的原因及危害電力系統(tǒng)的諧波問題，早在20世紀(jì)20年代就引起人們注意。到20世紀(jì)50至60年代隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了大量關(guān)于換流器產(chǎn)生諧波問題的文章，70年代以后，在電力系統(tǒng)中大量使用各種電子裝置，諧波危害也變得越來越嚴(yán)重。尤其是近二三十年來，在各種電子裝置中大量使用微電子技術(shù)和高頻開關(guān)，人們更加重視諧波產(chǎn)生的問題。在電

10、力系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的裝置主要是一些具有非線性伏安特性的輸電設(shè)備和用電設(shè)備，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生的原因主要有：（1）由電力變壓器產(chǎn)生的非線性勵磁；（2）由旋轉(zhuǎn)電機(jī)引起的諧波；（3）電弧爐引起的波形畸變；（4）各種電器設(shè)備的工作電源產(chǎn)生的諧波。在電力系統(tǒng)中電力電子裝置不斷增加，上述四個(gè)原因產(chǎn)生的諧波也越來越大，在諧波源中占有很大的比重。理想的電網(wǎng)提供的電壓有固定的頻率并且電網(wǎng)電壓的大小保持在一定的范圍之內(nèi)。在實(shí)際電網(wǎng)中，大量使用非線性的負(fù)載，造成負(fù)載電流不是完整的正弦波，此外還使得負(fù)載兩端電壓發(fā)生畸變，導(dǎo)致諧波在電網(wǎng)中產(chǎn)生。電力系統(tǒng)因諧波的產(chǎn)生將危害其自身。諧波的出現(xiàn)，污染了公共電網(wǎng)，在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)

11、用以前，人們對諧波及其危害進(jìn)行了一些研究，并有產(chǎn)生一定認(rèn)識，并沒有引起足夠的重視。近年來，公共電網(wǎng)因各種電子裝置的廣泛使用而受到污染變得日益嚴(yán)重，不斷出現(xiàn)各種諧波引發(fā)的故障和事故，人們對諧波的危害引發(fā)了高度重視。諧波對公共電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致為：諧波使得電網(wǎng)損耗增加、諧波使電能利用率下降、諧波使電網(wǎng)的可靠性下降、諧波影響電網(wǎng)上的電氣設(shè)備等等。一般而言，電力系統(tǒng)中容量較大的受變頻器影響不是非常明顯，對于容量較小的，就不能忽視諧波造成的干擾，它污染了公用電網(wǎng)，諧波對電網(wǎng)造成的危害大致有：（1）增加了電網(wǎng)元件產(chǎn)生的附加諧波損耗，因此降低了用電設(shè)備的使用率，中線中流入三次諧波電流使線路過熱從而引發(fā)

12、火災(zāi)；（2）電氣元件的正常工作收到諧波的影響，除了附加損耗外是由諧波對電機(jī)的影響產(chǎn)生的以外，機(jī)械的振動、噪音和過電流、電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣老化、壽命縮短以致?lián)p壞都是諧波引起；（3）局部電網(wǎng)的串并聯(lián)諧振也是諧波造成的，進(jìn)一步放大了諧波，很大程度上增加了其造成的危害，甚至?xí)?dǎo)致及其嚴(yán)重的事故；（4）通訊系統(tǒng)常常受到諧波干擾，降低通訊系統(tǒng)的質(zhì)量，將所獲信息丟失，容易導(dǎo)致通訊系統(tǒng)無法正常工作。1.3 諧波的抑制諧波抑制的方法有很多，其中有：用于補(bǔ)償諧波的諧波補(bǔ)償器；改造電子裝置使其不產(chǎn)生諧波；采用適當(dāng)方法對諧波進(jìn)行抑制，具體方法如下：（1）安裝合適的電抗器電子裝置內(nèi)部的活動目錄和域控制器變換電

13、路決定了變頻器輸入端的功率因數(shù)，對于活動目錄的電抗器可采用并聯(lián)型的功率因數(shù)校正，域控制器串聯(lián)在電源側(cè)，降低流入電流量。 （2）裝設(shè)APF將APF串聯(lián)或并聯(lián)在主電路中，將諧波電流從補(bǔ)償對象中隨時(shí)監(jiān)測出來，補(bǔ)償電流會由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生并且大小與諧波電流相等，補(bǔ)償電流與其相反，最終電網(wǎng)電流只有基波分量。 （3）采用多相脈沖整流在條件允許的情況下，可采用多相整流的方法。1.4 電力濾波器的發(fā)展趨勢1.4.1 無源濾波器的缺陷諧波和無功治理是電能質(zhì)量問題的核心內(nèi)容之一，也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切要求。采用電力濾波裝置就近吸收非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功電流，是抑制諧波和無功污染的有效措施。由電阻器、電抗器和電

14、力電容器組合而成的LC無源濾波器是傳統(tǒng)抑制諧波和補(bǔ)償無功的主要手段，無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、投資成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠且維護(hù)方便，是目前采用的較普遍的抑制諧波和補(bǔ)償無功的方法。由于PPF為諧波提供了一個(gè)低阻抗并聯(lián)電路，通過該方法達(dá)到濾波作用，系統(tǒng)和濾波器的阻尼比決定了濾波的特性，但存在一下不足之處：系統(tǒng)參數(shù)決定了諧波的頻率，主要諧波成為濾波的主要對象，不能對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，濾波特性改變了LC的參數(shù)，導(dǎo)致濾波特性不穩(wěn)定，難以協(xié)調(diào)濾波特性、無功的補(bǔ)償、電壓調(diào)節(jié)要求；只能針對特定諧波進(jìn)行消除，而諧波分量放大可能是由于電網(wǎng)參數(shù)與LC產(chǎn)生的并聯(lián)諧振引起的，由電網(wǎng)提供的電流質(zhì)量下降。電網(wǎng)的參數(shù)決定

15、了濾波的特性，電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況決定了諧頻和電網(wǎng)阻抗的變化，因而增大了設(shè)計(jì)的困難；諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載。由于無源濾波器存在以上自身難以克服的缺點(diǎn)，因此單獨(dú)使用時(shí)難以滿足現(xiàn)代電力生產(chǎn)和生活需要。1.4.2 有源濾波器的優(yōu)勢目前諧波抑制的一個(gè)重要趨勢是采用有源濾波器，有源濾波器是一種電力電子裝置。這種濾波器能對幅值和頻率都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，并且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。既可以對一個(gè)無功源和諧波進(jìn)行補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償，因而受到廣泛的重視。有關(guān)有源電力濾波器今后研究及發(fā)展的方向主要集中在以下幾個(gè)方面：（1）諧波電流檢測方法的進(jìn)一步研究；（2）有

16、源濾波器功能的進(jìn)一步完善。除了補(bǔ)償諧波電流及無功功率的要求外還要使有源濾波器能夠抑制諧波電壓、抑制電壓波動、抑制不平衡電流等功能； （3）通過PWM調(diào)制和提高開關(guān)器件的等效開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)對告辭諧波補(bǔ)償。2 有源電力濾波器基本原理有源電力濾波器（active power fileter,APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波，補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置。它能對大小和頻率都變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而克服無緣濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波源，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流大小相等但極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量，從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電

17、流的目的。有緣電力濾波器具有補(bǔ)償對象瞬態(tài)響應(yīng)快，受電源阻抗影響不大，且不易和電源阻抗發(fā)生諧振等優(yōu)點(diǎn)。此外，它在補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲能元件容量也不大。有緣電力濾波器作為一種新型的諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置。2.1 有源濾波器的工作原理并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，有源電力濾波器的基本工作原理敘述如下：當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器的指令運(yùn)算電路會檢測出需要補(bǔ)償對象的負(fù)載電流的諧波分量，由電流跟蹤控制電路使得主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流與諧波分量相等、相位相反，從而使得電源電流只含基波不含諧波，達(dá)到了抑制諧波補(bǔ)償無功的目的。 圖1 APF原理結(jié)構(gòu)圖可用公式（2-

18、1）（2-2）（2-3）（2-4）表示： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）其中，為APF檢測出的負(fù)載電流諧波分量；為負(fù)載電流中的基波分量。脈寬調(diào)制變流器應(yīng)用于主電路里，補(bǔ)償電流出現(xiàn)時(shí)，充當(dāng)逆變器來工作。但是并不是僅僅充當(dāng)逆變器的作用，若APF直流側(cè)的貯能元件由電網(wǎng)充電時(shí)，當(dāng)做整流器來運(yùn)行。換言之，他工作于兩種狀態(tài)中，一個(gè)是逆變狀態(tài)，一個(gè)是整流狀態(tài)，但無法精確區(qū)分。如果要求APF在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，通過增加負(fù)載的基波分量來補(bǔ)償電流指令。負(fù)載中的電流諧波與補(bǔ)償電流相互抵消，電源供電電流與負(fù)載中的電流基波分量相等。2.2 APF的類型APF可以按照所使用的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)、變

19、流器類型及電源相數(shù)進(jìn)行分類。按其與負(fù)載連接的拓補(bǔ)類型分為三類：串聯(lián)型、并聯(lián)型及串并聯(lián)混合型；還可根據(jù)其使用場合電源相數(shù)來分可分為單相、三相三線制和三相四線制等；按其變流器類型還可分為電流型和電壓型。2.2.1 按變流器類型分類APF的主電路類型主要有兩類，電流型脈寬調(diào)制變流電路和電壓型脈寬調(diào)制變流電路。直流一端的儲存能量的元件不同是區(qū)分二者的標(biāo)準(zhǔn)。電流型PWM電路的直流側(cè)儲能元件是大電感，具有較高的可靠性，但卻有較高的損耗，因此在一般場合下使用較少。而電壓型PWM電路有一個(gè)容量大的電容在其直流一端，它的作用是產(chǎn)生電流來補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，它輕便且特性較好，故應(yīng)用較為廣泛。2.2.2

20、按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類最初的APF為力圖單獨(dú)應(yīng)用并聯(lián)型APF，為了盡量發(fā)揮APF的特長、讓其性能提高，于是出現(xiàn)了串聯(lián)型APF、串聯(lián)混合APF、并聯(lián)混合型APF等。根據(jù)APF接入電網(wǎng)方式的不同，將其系統(tǒng)構(gòu)成分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型三大類。它們又分別包括不同的類型，具體劃分為如圖2.2所示。每一種類型的有源電力濾波器結(jié)構(gòu)不同，因而其工作原理和特性也各有不同。圖2.2 有源濾波器類型2.2.2.1 并聯(lián)型APF并聯(lián)型APF是濾波器中使用最為廣泛的一種。包括單獨(dú)使用方式，與PPF混合使用方式，注入方式和與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并用等多種方式。（1）單獨(dú)使用的并聯(lián)型APF單獨(dú)使用的并聯(lián)型APF，制造諧波的諧波源是負(fù)載，AP

21、F的主電路是由變流器、電感以及直流側(cè)一段的電容一起組成的。與AFP并聯(lián)的小容量一階高通濾波器，作用于消除APF產(chǎn)生的其它元件產(chǎn)生的諧波。由于電網(wǎng)是APF中的主電路并聯(lián)在負(fù)載上的，故稱并聯(lián)型。又由于APF提供補(bǔ)償電流，為了區(qū)別其它方式，稱其為單獨(dú)使用的方式。這是APF中最基本的形式，也是目前應(yīng)用最多的一種。在這種方式中，為實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償效果可以使用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，它可以?shí)現(xiàn)各種豐富靈活的功能。但是變流器收到交流電壓基波影響，由于變流器提供補(bǔ)償電流，因此變流器的容量必須很大，這一缺點(diǎn)是這一方式主要不足。（2）與PPF混合使用方式這種方式是用來解決容量大這個(gè)不足才提出來的。大體思路是用PPF來承擔(dān)AP

22、F的一定補(bǔ)償。由于PPF與APF比，構(gòu)造簡單、實(shí)現(xiàn)成本較低，而APF的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償性能好。同時(shí)利用兩者，不僅解決了APF容量較大、成本較高的問題，而且保持了系統(tǒng)良好的特性。并聯(lián)型APF與PPF混合使用的類型有兩種，一種是APF并在PPF上，另一種是APF串聯(lián)在PPF上。但是，電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能性是由LC濾波器引起的，因此在APF與LC濾波器混合使用的方式中，需對APF進(jìn)行有效的控制，來抑制可能發(fā)生的諧振。（3）注入電路方式電感和電容共同組成了注入電路方式，電容電感電路的諧振性能被其利用，使得APF只承受很小部分的基波電壓，從而極大的減小APF的容量。 在注入電路方式中，補(bǔ)償電流流進(jìn)的電網(wǎng)和負(fù)

23、載的連接處必須有所保障，對流入電網(wǎng)中的電感和電容參數(shù)需要進(jìn)行合理的配置。根據(jù)電感電容諧振特性的不容，串聯(lián)諧振注入電路和并聯(lián)諧振注入電路是注入電路的兩種不同的方式。（4）與旋轉(zhuǎn)電機(jī)并用方式 采用了與繞線轉(zhuǎn)自異步電動機(jī)構(gòu)造相同的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過控制轉(zhuǎn)自側(cè)所接的逆變器來控制電機(jī)的勵磁電流，從而向電網(wǎng)中注入補(bǔ)償電流。這種方式的特點(diǎn)也是可以減小變流器的容量。2.2.2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)型有源電力濾波器包括單獨(dú)使用方式和LC濾波器混合使用方式兩種。（1）單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器將APF串聯(lián)在電壓源與負(fù)載之間是這種方式的特點(diǎn)。串聯(lián)型APF與并聯(lián)型APF不同，主要用于電源側(cè)諧波的補(bǔ)償。（2）與

24、LC濾波器混合使用方式APF是在并入的負(fù)載和LC濾波器兩者之間的，諧波基本上由LC濾波器補(bǔ)償，改善濾波器的濾波特性是APF的主要作用?？蓪⒂蠥PF看做一個(gè)可變阻抗，它對基波的阻抗為零，而對諧波表現(xiàn)出高阻狀態(tài)，抵抗諧波流入電源電網(wǎng)中，從而強(qiáng)迫諧波流入濾波器。換句話說，APF的作用就是隔離諧波流入電網(wǎng)。同時(shí)降低了濾波器收到諧波的影響，以及抑制電網(wǎng)與LC濾波器之間可能發(fā)生的諧振，從而極大地改善LC濾波器的性能。3 諧波檢測理論準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測出電網(wǎng)中的瞬態(tài)變化的畸變電流是并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵，因?yàn)橹C波補(bǔ)償必須要先檢查出所要補(bǔ)償?shù)闹C波。諧波檢測是APF非常關(guān)鍵的一環(huán)，諧波檢測環(huán)節(jié)給出

25、了APF需要補(bǔ)償諧波的參考值，參考數(shù)值決定了控制系統(tǒng)產(chǎn)生相對應(yīng)的驅(qū)動脈沖，控制APF產(chǎn)生相應(yīng)補(bǔ)償電流或電壓跟蹤該參考值，從而起到補(bǔ)償效果。本文主要采用了法對系統(tǒng)的諧波和無功電流進(jìn)行檢測。3.1 電流運(yùn)算電路指令電流元算電路的作用主要是依據(jù)APF的補(bǔ)償對象道道需補(bǔ)償?shù)碾娏鞯闹噶钜?。它的核心就是諧波和無功電流實(shí)時(shí)檢測方法。以三相電路瞬時(shí)無功功率理論為基礎(chǔ)，計(jì)算或?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)即可得出三相電路諧波和無功電流檢測的兩種方法。3.2 檢測法由瞬時(shí)無功功率理論可以推到出瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流的表達(dá)式為式（3-1）： (3-1)其中檢測方法的原理如圖3.1所示：圖3.1檢測方法的原理圖該方法用了一個(gè)過零比較

26、電路和一個(gè)正弦余弦發(fā)生電路，從而得到了與a相電網(wǎng)電壓相位相同的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號，利用這個(gè)信號和、一起計(jì)算、，再經(jīng)過LPF得出、的直流分量、，這里的、是由、產(chǎn)生的，因此由、就可以計(jì)算出、的基波分量、相減，從而得出諧波分量、。但是如果要在補(bǔ)償諧波電流的同時(shí)補(bǔ)償無功電流，則其原理圖如圖3.2所示。圖3.2 諧波補(bǔ)償原理圖理想電網(wǎng)電壓的波形為正弦波，但實(shí)際的波形因各種原因會產(chǎn)生畸變，而這種畸變在一定限度內(nèi)是允許存在的。上述兩種方法均適用于三相三線制電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓無畸變時(shí)，兩者都能準(zhǔn)確的檢測出諧波電流。檢測方法選取了與電壓信號同相位的正弦信號和余弦信號參與運(yùn)算，電壓信號的諧波成分在運(yùn)算過程中不

27、出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，能夠充分保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確。除以上介紹的方法外，還有以下幾個(gè)檢測方法：（1）基于FFT的數(shù)字分析法。其原理是將檢測到的一個(gè)周期的諧波信號用FFT分解，便可得到各次諧波的幅值和相位，從而也得到了各次諧波的表達(dá)式。FFT方法思路簡明，原理清晰，適用于各種狀況。但是其缺點(diǎn)是由于需要對誤差信號進(jìn)行重構(gòu)，運(yùn)算較為復(fù)雜，股具有一定的延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。（2）基于現(xiàn)代控制理論的檢測方法。就是直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓或電流求出所需要的電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦?。?）根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制的方法。（4）自適應(yīng)檢測法。 4 有源濾波器的電流跟蹤

28、控制電流跟蹤控制是補(bǔ)償電流發(fā)生電路中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路長主電路各個(gè)期間通斷的PWM信號，使得控制的結(jié)果能保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號的變化。有源濾波器的電流跟蹤控制系統(tǒng)一般由四部分組成，即控制算法部分、觸發(fā)脈沖發(fā)生部分、開關(guān)器件驅(qū)動和變流器，如圖4.1所示圖4.1 有源濾波器控制系統(tǒng)其中控制算法處理部分對諧波檢測化解送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，檢測出所需要的諧波同有源濾波器產(chǎn)生的諧波比較，根據(jù)二者的差值采用一定的控制方法產(chǎn)生出發(fā)脈沖信號送個(gè)觸發(fā)脈沖發(fā)生部分，觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖去

29、驅(qū)動有源濾波器的變流器，使其產(chǎn)生諧波電流與所需要的諧波電流相同，達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?.1 采樣控制理論在采樣控制理論中有一個(gè)重要的理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把個(gè)輸出波形進(jìn)行傅里葉分解，其低頻特性非常接近，盡在高頻段略有差異，脈寬越窄時(shí)輸出響應(yīng)越接近。上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制的重要理論基石。目前有源電力濾波器的輸出電流控制方法主要有：三角載波線性控制法和滯環(huán)比較控制法。上述原理可以稱為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基石。例如，圖4.2（a）、

30、（b）、（c）所示的三個(gè)脈沖形狀不同。a為三角形脈沖，b為正弦半波脈沖、c為矩形脈沖，但它們的面積相等。當(dāng)它們分別作用于同一慣性系統(tǒng)時(shí)，輸出響應(yīng)基本相同，而且脈沖越窄，輸出差異就越小。圖4.2 各種脈沖示意圖4.2 三角載波線性控制法三角載波線性控制（trangle wave-linear control）是一種最簡單的控制方法，原理圖如圖4.3和圖4.4所示圖4.3 三角載波線性控制圖圖4.4 三角載波線性控制圖由上圖中可以看出矩形脈沖的寬度是按照正弦規(guī)律變化的。通過沖量相等效果相同的原理可知，PWM波形和正弦波作用在慣性環(huán)節(jié)上是等效的。有源電力濾波器采用的三角波載波PWM控制的具體方法如圖

31、4.4所示。圖4.5 三角波線性控制法原理圖由上圖將補(bǔ)償電流指令值與補(bǔ)償電流的反饋值相比較后，經(jīng)比例控制乘以放大倍數(shù)K進(jìn)行誤差放大，誤差信號與三角波進(jìn)行比較。三角波比較方式雖然開關(guān)頻率固定，跟隨誤差較大等缺點(diǎn)，但是輸出電壓中所含諧波較少，因此本設(shè)計(jì)采用三角波比較方式。這種方式與其他三角波作為載波的PWM控制方式有所不同，它不直接將指令信號與實(shí)際輸出電流的差值經(jīng)過比例環(huán)節(jié)或者比例幾分環(huán)節(jié)放大后和三角載波相比，得到脈寬調(diào)制信號，用這個(gè)脈寬調(diào)制信號控制主電路的功率開關(guān)器件，使得實(shí)際輸出電流能夠快速跟蹤指令電流的變化。比例系數(shù)K越大，三角波的周期越小，電流跟蹤的性能就越好，APF的補(bǔ)償效果也就越明顯。

32、但是比例系數(shù)K不能太大，否則的大小就會超出了三角波幅值，從而失去了脈寬調(diào)制的作用，使得系統(tǒng)不能控制。另外，三角波頻率的選取也受電力電子器件的最高工作頻率的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體要求選取適當(dāng)?shù)腒和三角載波頻率。三角載波現(xiàn)行控制方法有以下特點(diǎn)：（1）輸出電流含有較少的電流諧波，但含有與三角波相同頻率的諧波；（2）開關(guān)器件的開關(guān)頻率是固定的，并且等于三角波的頻率；（3）電流響應(yīng)速度較慢；（4）電流跟隨誤差較大；（5）三角波載波控制方式電路較為復(fù)雜；（6）屬于閉環(huán)控制，具有一定的控制穩(wěn)定性。5 負(fù)載電流發(fā)生模塊非線性負(fù)載是電網(wǎng)中主要的諧波源。非線性負(fù)載種類很多，例如：三相可控硅整流電路、三相

33、二極管橋式整流電路、變壓器等，其中最具代表性的諧波源是帶感性負(fù)載三相橋式全控整流電路，這種負(fù)載在電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛，并且產(chǎn)生的諧波含量也較大。仿真模型如圖5.1所示，觸發(fā)角為30度。圖5.1 負(fù)載電流發(fā)生電路6 系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果6.1 系統(tǒng)仿真模型并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖6.1所示圖6.1 系統(tǒng)仿真模型相電壓電流檢測模塊向負(fù)載供電，其中在電壓與負(fù)載之間設(shè)有電力濾波器。從三相電壓電流檢測模塊的三相電壓和三相電流端口分別引出三相電壓和三相電流作為諧波檢測的諧波源，經(jīng)諧波檢測模塊BLIC后將檢測到的諧波與濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流作為PWM調(diào)制的信號源，來控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生，最終將產(chǎn)生

34、的補(bǔ)償電流加到負(fù)載，從而達(dá)到抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波。6.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析6.2.1 濾波前電流波形由于負(fù)載是一個(gè)三相橋式整流電路，且觸發(fā)角是30度，故濾波前電流波形圖6.2所示。圖6.2 濾波前電流波形圖6.2.2 濾波之后的電流波形圖6.3 濾波后的波形圖6.3 MATLAB的仿真研究MATLAB是一個(gè)數(shù)學(xué)分析和計(jì)算機(jī)仿真的軟件，建立動態(tài)系統(tǒng)模型、對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真等是SIMULINK的主要功能。圖形用戶的界面是它提供的，可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模型，分層結(jié)構(gòu)被其應(yīng)用，用戶通過它上面所反映的情況不僅可以了解模型動態(tài)，用戶還可以從中進(jìn)一步了解各個(gè)器件、元件、甚至系統(tǒng)工作的情況。在仿真過程中，用戶可

35、以改變參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)變化?？梢灾苯釉赟IMULINK環(huán)境中運(yùn)作的工具包有很多，已覆蓋通信、信號處理、控制等很多領(lǐng)域，設(shè)計(jì)內(nèi)容很多。它支持離散、連續(xù)及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。因此，SIMULINK特別適合信號系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的仿真分析，其中SimPowersystems 是SIMULINK專門用于電力電子仿真的工具箱，可以方便快捷建立起電力電子仿真模型。6.3.1 MATLAB簡介MATLAB是用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析及數(shù)值計(jì)算等的高級計(jì)算語言，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是Matrix laboratory的簡稱，它可用于矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)、創(chuàng)建用戶界面等等

36、，主要應(yīng)用于控制設(shè)計(jì)、信號處理、圖像處理、信號檢測等領(lǐng)域。 MATLAB語言有以下特點(diǎn):（1）提供了便利的開發(fā)環(huán)境MATLAB提供了一組可供用戶操作函數(shù)和文件的具有圖形用戶界面的工具，包括主界面、命令窗口、編輯和調(diào)試、在線瀏覽幫助、工作空間等可視化工具窗口。（2）編程語言簡易高效MATLAB提供了和C 語言幾乎一樣多的運(yùn)算指令,既具有結(jié)構(gòu)化控制語句又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數(shù)壓縮一切不必要的編程工作。程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，并且有很強(qiáng)的用戶定義函數(shù)能力。（3）提供強(qiáng)大的數(shù)字應(yīng)用功能MATLAB可進(jìn)行包括基本函數(shù)、復(fù)雜算法、更高級的矩陣運(yùn)算等非

37、常豐富的數(shù)學(xué)應(yīng)用功能，特別適合矩陣代數(shù)。它具有許多高性能數(shù)值計(jì)算的高級算法，庫函數(shù)及其豐富，使用也很方便靈活。（4）功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個(gè)部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。擴(kuò)大符號計(jì)算能力是功能性工具箱主要的作用，它還有圖示建模仿真功能，文字處理和隨時(shí)觀察硬件的功能。多種工具箱都用功能性工具箱。專業(yè)性比較強(qiáng)是學(xué)科性工具箱，如control、signal processing、commumnication、powersys toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高

38、的專家編寫的，所以基礎(chǔ)程序無用戶自己編寫，可以直接研究。6.3.2 SIMULINK簡介SIMULINK有兩個(gè)特別明顯的功能：仿真與連接。即可以直接利用鼠標(biāo)在模型窗口中畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再用軟件提供的功能來對控制系統(tǒng)直接進(jìn)行模擬。SIMULINK獨(dú)特之處：（1）創(chuàng)建動態(tài)模型并對其進(jìn)行仿真。SIMULINK是一種圖形化的仿真工具，動態(tài)系統(tǒng)模型的創(chuàng)建和制定控制規(guī)律都是由它來完成的。SIMULINK支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)或離散系統(tǒng)以及多變量系統(tǒng)，它可以分析任意系統(tǒng)。（2）以直觀方式建?？梢岳肕ATLAB仿真系統(tǒng)建立系統(tǒng)模型。模塊包括輸入信號源、動力學(xué)元件、線性非線性函數(shù)。（3）增添

39、定制模塊元件和用戶代碼。SIMULINK模塊庫是可定制的，能夠擴(kuò)展以包容用戶自定義的系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊。用戶也可以修改已有模塊的圖標(biāo)，重新設(shè)定對話框，甚至換用其它形式的彈出菜單和復(fù)選框。（4）快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行設(shè)計(jì)模擬。SIMULINK較好的積分算法給非線性系統(tǒng)仿真帶來了較高的精度。先進(jìn)的常微分方程求解器可用于求解線性的和非線性的系統(tǒng)。SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，只需要利用鼠標(biāo)進(jìn)行簡單的操作，便可使得系統(tǒng)變得繁雜。SIMULINK的有點(diǎn)很多，它適應(yīng)性強(qiáng)、仿真效果逼真、高效率、與現(xiàn)實(shí)貼近等很多有點(diǎn)，在以上優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上它還被控制理論、數(shù)字信號的處理等各個(gè)方面廣泛應(yīng)用于仿真。6.3.3 SimPowerSystems庫SimPowerSystems是SIMU