諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究

1、分類號(hào)UDC 4密級(jí)學(xué) 位 論 文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究(題名和副題名郭曉(作者姓名指導(dǎo)教師姓名 匿麴堡 塾量申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 :亟±專業(yè)名稱 電力丕笪叢基自塾絲 論文提交日期 2QQ§.§.g 論文答辯日期學(xué)位授予單位和日期 壹室堡三叁生、:之 答辯委員會(huì)主席評(píng)閱人年 月 日注1:注明國(guó)際十進(jìn)分類法UDC>>的類號(hào)。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究摘 要首先對(duì)國(guó)內(nèi)外諧波和無(wú)功電流綜合補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論 進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)研究了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測(cè)諧波和無(wú)功電流的i。一己法。 接著對(duì)有源電力濾波器原理與結(jié)

2、構(gòu)予以介紹。并以MATLAB6.5軟件包中的 SIMULINK仿真環(huán)境為平臺(tái),構(gòu)建了基于i。一i。檢測(cè)算法的綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流 的并聯(lián)型有源電力濾波器仿真模型。研究產(chǎn)生補(bǔ)償電流的P1】|M變流器的內(nèi)環(huán)控制方法 以及使APF穩(wěn)定運(yùn)行的外環(huán)控制方法。結(jié)果表明,所構(gòu)建的仿真模型和所采用的內(nèi)外 環(huán)控制方法是有效,而且補(bǔ)償效果較好。在仿真基礎(chǔ)上,建立了基于TMS F240DSP控制器的綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的 三相并聯(lián)型有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)。搭建的硬件電路包括:電流和電壓檢測(cè)電路、基于IR2233J的PWM驅(qū)動(dòng)電路、PWM三相變流橋主電路及 IGBT保護(hù)電路等幾部分。系統(tǒng)軟件部

3、分用DSP匯編語(yǔ)言編寫,其中包括:定時(shí)器中 斷控制及AD采樣、軟件方法實(shí)現(xiàn)與電壓過(guò)零同步、基于f。一i。法的諧波和無(wú)功電流 的計(jì)算、平均值數(shù)字濾波、直流側(cè)電壓數(shù)字PI控制、PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出控制和外 部中斷保護(hù)控制。最后對(duì)綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的有源電力濾波器進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明,開(kāi)發(fā)的基于DSP控制的綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的并聯(lián)型有源電力濾波器實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng),能夠有較好的補(bǔ)償效果。關(guān)鍵詞:諧波電流,無(wú)功電流,綜合補(bǔ)償,有源電力濾波器,瞬時(shí)無(wú)功功率理論 Matlab仿真,數(shù)字信號(hào)處理器碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究AbstractA general descriptio

4、n of the development of harmonic elimination and reactive compensation technique aroundthe world and theory of three-phase instantaneousreactive power is given in this thesis at first.Theiriqmethod based on theory of instantaneous reactive power in detecting harmonic and reactive current is research

5、ed as emphases,Then the principle and structure of Active Power Filter is introduced.The simulation mode of Active Power Filter in harmonic elimination and reactive compensation based on iPiqAt the basis of simulation,the experiment of integrated compensating harmonic and reactive currents shunt APF

6、 controlled by TMS F240DSP is established.The hardware system and the software system of this device arc designed.The hardware circuits include the current andvoltage detecting,the PWM driving circuit based in IR2233Jchip,the main circuit and theprotecting circuit ofIGBT.The software system is writt

7、en by DSP compile language.The main program includes the interrupt control,zero point detecting of voltage,harmonic and reactive currents detect,digital filter,the DC bar voltage control,the PWM control and the protecting contr01.Finally the APF device is tested。The shunt APF ofintegrated compensati

8、ng harmonicand reactive currents controlledby DSP iS effective.Key Words:Harmonic currents,Reactive current,Integrated compensation,Active Power Filter(APF,Instantaneous reactive power,Matlab simulation,Digital Signal Processor(DSPII聲 明本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果,盡我所知,在本 學(xué)位論文中,除了加以標(biāo)注和致謝的部分外,不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 公布

9、過(guò)的研究成果,也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過(guò)的材料。與我一同工作的同事對(duì)本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說(shuō)明。研究生簽名:盤亟 2口辨加27日學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔,可以借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容,可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并 授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。對(duì)于堤字 論文,按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名:孟丑 2蟛-年白27日,碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究1緒論隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)電能的需求量極大增長(zhǎng),同時(shí)電能質(zhì)量 也越來(lái)越顯示其重要性,電

10、力部門和用戶對(duì)電能質(zhì)量的關(guān)注也目益增加。電能質(zhì)量不 良將會(huì)造成工業(yè)生產(chǎn)的非計(jì)劃停產(chǎn)或設(shè)備損害,使用戶遭受相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)損失。其中, 無(wú)功和諧波的問(wèn)題是最為重要和基本的一個(gè)問(wèn)題。1.1引言理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應(yīng)以恒定的頻率,標(biāo)準(zhǔn)的電壓和正弦波形對(duì)用戶供電。同時(shí), 在三相交流系統(tǒng)中,各相電壓和電流幅值應(yīng)大小相等,相位對(duì)稱且互差120。但電力 系統(tǒng)的非線性,以及現(xiàn)階段電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,理想狀態(tài)并不存在,產(chǎn)生了大 量的諧波電流,諧波電壓和無(wú)功61。這些諧波和無(wú)功就產(chǎn)生了電網(wǎng)運(yùn)行和供電環(huán)節(jié)中 的各種問(wèn)題,如損耗增加,效率降低,噪聲和過(guò)壓過(guò)熱等。如果輸配電系統(tǒng)能夠少送 或不輸送無(wú)功,以便減少電能傳輸損耗

11、降低電能成本,提高用戶用電裝置的性能,減 少不必要的損耗,將帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。于是各國(guó)的電力科技人員對(duì)諧波抑制和無(wú) 功補(bǔ)償這方面課題的研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。并且隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,在 這方面取得一些突破性進(jìn)展,其中美日兩國(guó)的科研人員取得了巨大的成就,而國(guó)內(nèi)多 處在起步階段,但也有了不小的進(jìn)步,因此選擇這個(gè)課題是很有意義的。由于諧波的 存在,傳統(tǒng)的無(wú)功功率的定義和無(wú)功功率理論就顯得不夠完善,存在著多種無(wú)功功率 理論,因此這個(gè)課題的研究也有較大的理論意義。1.2諧波和無(wú)功電流的產(chǎn)生原因及其危害和不良影響1.2。1諧波和無(wú)功電流的產(chǎn)生原因電網(wǎng)中的諧波主要是由各種大容量電力變流設(shè)備以及其它非

12、線性負(fù)載產(chǎn)生的,其 中主要的諧波源是各種電力電子裝置,包括各種整流裝置、交流調(diào)壓裝置、變流裝置、 電弧爐、辦公及家用電器、照明設(shè)施等等。電力機(jī)車中采用的大容量單相整流裝置, 除產(chǎn)生諧波電流外,還引起三相交流供電系統(tǒng)的三相電流不平衡。此外,一些鐵磁非 線性設(shè)備,如發(fā)電機(jī)、變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等也是不可忽視的諧波源。所有這些都 使得電力系統(tǒng)的電壓、電流波形發(fā)生畸變,從而產(chǎn)生高次諧波“”。在工業(yè)和生活用電負(fù)載中,感性負(fù)載占有很大的比例。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變壓器、傳 統(tǒng)的日光燈鎮(zhèn)流器等都是典型的感性負(fù)載。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和變壓器所需要的無(wú)功功率在 電力系統(tǒng)所提供的無(wú)功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空

13、線等也需 要一些無(wú)功功率”1。一些電力電子裝置,特別是各種相控裝置,如相控整流器、相控 交流電力調(diào)節(jié)裝置等,在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓,要吸收大量的無(wú)功功率。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究工業(yè)用電弧爐在工作時(shí),不但要吸收大量的無(wú)功功率,且因其電弧不穩(wěn)定,所吸收無(wú) 功功率的波動(dòng)也很大。所有這些負(fù)載在工作中都需要大量的無(wú)功功率。高次諧波對(duì)各種電力設(shè)備、通信設(shè)備及線路都會(huì)產(chǎn)生有害的影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成 設(shè)備的損壞和電力系統(tǒng)事故。尤其是近年來(lái)電力電子設(shè)備的迅速增長(zhǎng),諧波的危害日 趨嚴(yán)重。高次諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害主要有以下幾個(gè)方面“”“3:(1諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的

14、功率損耗,降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備 的效率:(2諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作,使旋轉(zhuǎn)電機(jī)(發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、產(chǎn) 生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲,使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱,使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、 壽命縮短,以至損壞:(3諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng),并使電氣測(cè)量?jī)x表的計(jì) 量不準(zhǔn)確;(4諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量:重者導(dǎo) 致信息丟失,使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作;(5諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振,從而使諧波放大,這就 使前幾個(gè)方面的危害大大增加,甚至引起嚴(yán)重事故。無(wú)功功率對(duì)公用電網(wǎng)的不良影響主要有以下幾個(gè)方面。¨町”1:(1增加設(shè)

15、備容量。無(wú)功功率的增加,會(huì)使發(fā)電機(jī)、變壓器及其它電氣設(shè)備容量 和導(dǎo)線的容量增大。同時(shí),電力用戶的起動(dòng)及控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表的尺寸和規(guī)格也要 加大;(2設(shè)備及線路損耗增加;(3無(wú)功功率的變化會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng),使一些用電設(shè)備無(wú)法正常工作,降 低供電質(zhì)量。1.3電力系統(tǒng)諧波和無(wú)功電流的綜合補(bǔ)償方法不論是諧波還是無(wú)功,從物理本質(zhì)上看,都可以歸結(jié)為波形的問(wèn)題。諧波是工頻 正弦波畸變,無(wú)功是電壓電流波形相位不同“”。正是由于這種物理本質(zhì)的統(tǒng)一性,可 以對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波和無(wú)功進(jìn)行綜合補(bǔ)償。有源電力濾波器(Active Power Filter 就是一種諧波和無(wú)功的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)。和前面論述的諧波和無(wú)功抑制

16、方法相比,有源 電力濾波器具有以下一些特點(diǎn)叫n4“例:(1實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。有源電力濾波器可對(duì)頻率和幅值都變化的諧波以及變化的 無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償,對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng);2(2可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償,也可單獨(dú)補(bǔ)償諧波或無(wú)功,且補(bǔ)償無(wú)功的程 度可連續(xù)調(diào)節(jié);(3在實(shí)際應(yīng)用中,有源電力濾波器的貯能元件容量很小;(4即使需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^(guò)其額定值,也不會(huì)發(fā)生過(guò)載情況,并能在其額定容 量?jī)?nèi)繼續(xù)正常工作;(5受電網(wǎng)阻抗的影響較小。不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振;(6能跟蹤諧波頻率的變化,補(bǔ)償性能不受諧波頻率的影響;(7既可對(duì)特定的諧波源和需要無(wú)功的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償,也可對(duì)多個(gè)諧波源和需要 無(wú)功的負(fù)載迸行補(bǔ)償?？梢?jiàn)

17、,采用有源電力濾波器可以獲得比以往諧波和無(wú)功抑制方法優(yōu)越的補(bǔ)償性 能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力電子器件容量的增加,成本的下降,有源電力濾 波器將會(huì)成為一種具有良好應(yīng)用前景的諧波和無(wú)功綜合補(bǔ)償裝置。有源電力濾波器還可以補(bǔ)償三相不對(duì)稱非線性負(fù)載電流中的負(fù)序電流,則有源電 力濾波器在抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的同時(shí),還可以達(dá)到平衡三相負(fù)載的目的,使有源電 力濾波器的性能得到更充分的發(fā)揮啡”3。有源電力濾波器的作用己不僅僅限于濾波, 因此也有人將之稱為有源線路調(diào)節(jié)器(Active Power Line Conditionerso”。1.4國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)諧波和無(wú)功功率問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都是十

18、分重要的問(wèn)題,也是近年來(lái)各 方面關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在無(wú)功和諧波的理論研究方面,兩者雖然看似兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立問(wèn) 題。但實(shí)際兩者有著緊密的聯(lián)系。這是因?yàn)樵跊](méi)有諧波的情況下,無(wú)功功率有其固定 的概念和定義。但在含有諧波情況下無(wú)功定義和諧波有密切的關(guān)系,同時(shí)產(chǎn)生諧波的 裝置大都也是消耗基波無(wú)功功率的裝置,所以在研究時(shí)都將兩者統(tǒng)一起來(lái)。電力系統(tǒng)中,由于電壓電流諧波的存在,功率現(xiàn)象比較復(fù)雜,建立包含畸變和不 平衡的完善功率理論,在理論中是一個(gè)重要的基礎(chǔ)性課題,迄今,主要有三種功率理 論,各有各的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)【引。第一類功率理論適用于諧波和無(wú)功功率的辨識(shí),包括諧 波源的確定,諧波和無(wú)功功率的理解,Czamecki和

19、Depenbrock對(duì)這一類功率問(wèn)題的 解決起重要的作用。第二類功率理論是由H.Akagi等人提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論,該 理論解決了諧波和無(wú)功功率的瞬時(shí)檢測(cè)和不用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題,對(duì) 諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置研究和開(kāi)發(fā)起到很大推動(dòng)作用。第三類功率理論適于儀表測(cè)量和 電能的管理,收費(fèi),但至今未取得大的突破。所以,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)無(wú)功和諧波理論上 的研究方向是如何把以上三類無(wú)功理論的優(yōu)點(diǎn)統(tǒng)一起來(lái),找到一種徹底解決問(wèn)題的理 論和方法,但這較為困難。在理論上只能對(duì)上述幾類理論進(jìn)行小的改進(jìn)以適應(yīng)工程上 3的應(yīng)用,很難取得大的突破。電力系統(tǒng)中,諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償實(shí)際裝置工程技術(shù)的發(fā)展較理論的發(fā)展要快很

20、 多。傳統(tǒng)的無(wú)功功率控制方法有很多,同步發(fā)電機(jī)直接輸出無(wú)功,使用同步調(diào)相機(jī), 同步電動(dòng)機(jī)和并聯(lián)電容器提供無(wú)功,但這些方法存在很多無(wú)法克服的缺點(diǎn)。本世紀(jì) 70年代以來(lái),電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,使晶閘管控制的靜止 無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC礙到迅速的應(yīng)用【191。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是現(xiàn)階段廣泛使用的無(wú)功 補(bǔ)償裝置,技術(shù)已經(jīng)很成熟。隨著全控型電力電子器件GTO,IGBT的發(fā)展,一種新 型的無(wú)功補(bǔ)償裝置靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG發(fā)展起來(lái)【201,原理和控制與SVC有很大 不同,是動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝囂的發(fā)展方向。日本和美國(guó)已有少數(shù)幾臺(tái)80100MVA的 SVG投入運(yùn)行。在中國(guó),清華大學(xué)和河南省電力公司合

21、作,自主研制出20MVA靜止 無(wú)功發(fā)生器【2l】,達(dá)到國(guó)際水平,使我國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)擁有SVG自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)家 之一。在諧波抑制方面,傳統(tǒng)的抑制方法是使用LC濾波器,但其損耗大,參數(shù)易變, 不能動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)已不能滿足電能質(zhì)量的要求。動(dòng)態(tài)抑制諧波,補(bǔ)償無(wú)功的新型電 力電子裝置有源電力濾波器(APF成為近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)。APF是在1971年由 Sasaki.H最早提出。從80年代開(kāi)始,發(fā)達(dá)國(guó)家在有源電力濾波器領(lǐng)域取得進(jìn)展:1982年世界上第一臺(tái)并聯(lián)型有源濾波器投入工業(yè)應(yīng)用;1987年Takeda等提出并聯(lián)APF加 并聯(lián)無(wú)源濾波器的混合有源電力濾波器(I-IAPF;1988年,F.Z,Peng等

22、提出串聯(lián)APF 加并聯(lián)無(wú)源濾波器的HAPF;1990年,H.Fujit等提出APF與無(wú)源濾波器相串聯(lián)的 HAPF;1994年,H.Akagi等提出串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的HAPF等等。最近又有人 提出統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC221156,結(jié)合并聯(lián)有源電力濾波器和串聯(lián)有源電力 濾波器的優(yōu)點(diǎn),綜合改善電能質(zhì)量?，F(xiàn)階段有源電力濾波器的研究方向是如何減少開(kāi) 關(guān)損耗,增大系統(tǒng)容量,其中基于SPWM的多電平級(jí)聯(lián)變流器是研究的熟點(diǎn)ll”。90年代后期,并聯(lián)APF在日本、美國(guó)等國(guó)開(kāi)始廣泛應(yīng)用。日本迄今至少有500多臺(tái)APF 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。國(guó)外現(xiàn)已有50kVA-1MVA的APF產(chǎn)品。在國(guó)內(nèi),西安交大、浙大、清

23、 華、哈工大等高校正在積極研究,取得了階段性成果,其中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法方面 取得了一定的成果,但離產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)甚遠(yuǎn),有很多關(guān)鍵技術(shù)如APF大容量化,模塊 化,標(biāo)準(zhǔn)化有待解決f13】【17】,還未見(jiàn)到有應(yīng)用性成果報(bào)道。諧波和無(wú)功綜合補(bǔ)償是在補(bǔ)償諧波的同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功,即在APF裝置中同時(shí)補(bǔ)償 基波無(wú)功,能降低設(shè)備的總成本。能綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功的APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與只補(bǔ) 償諧波的APF很相似,但綜合補(bǔ)償裝置還是有很多特別的地方。其中最大的不同是 兩者的指令運(yùn)算系統(tǒng)。綜合裝置不但檢測(cè)出諧波電流還檢測(cè)出無(wú)功電流,這樣補(bǔ)償電 4碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜臺(tái)控制技術(shù)的研究流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中就包含有無(wú)

24、功電流。也就是說(shuō)對(duì)有源電力濾波器的指令 系統(tǒng)加以改進(jìn)就既可以抑制諧波也可以補(bǔ)償無(wú)功。再有兩者的容量也有區(qū)別,一般綜 合補(bǔ)償?shù)腁PF容量大,對(duì)器件的要求更高。在日本已投入的APF中就有20%能同時(shí) 補(bǔ)償無(wú)功。這也看出能夠綜合治理電能質(zhì)量的裝置是將來(lái)的一種趨勢(shì),是一種有前途 的濾波裝置。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō),首要的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)APF的產(chǎn)業(yè)化,盡早有產(chǎn)品投入運(yùn)行, 其中比較經(jīng)濟(jì)的做法是與LC濾波器混合使用的有源電力濾波器【40lt451。除裝設(shè)APF外,另一條抑制諧波的途徑是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造,使其 不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)可控制為1,稱之為高功率因數(shù)整流器¨“。1.5論文的主要工作論文中研究的

25、課題是根據(jù)中國(guó)電能質(zhì)量現(xiàn)狀,諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際情況, 追蹤當(dāng)前課題學(xué)術(shù)前沿,研究能夠同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功的綜合控制技術(shù),最后通過(guò)研 制有源電力濾波器的樣機(jī),用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證補(bǔ)償效果。課題研究的諧波和無(wú)功綜合補(bǔ)償技術(shù)是面向0.4kV電壓等級(jí)的諧波源和無(wú)功消 耗大戶,如住宅小區(qū),辦公大樓以及大型整流裝置。實(shí)際投入后降低220V用戶流入 電網(wǎng)的諧波,實(shí)現(xiàn)用戶諧波和無(wú)功的就地補(bǔ)償,達(dá)到較好的效果。論文中仿真和實(shí)驗(yàn)用的綜合補(bǔ)償裝置(即有源電力濾波器APF是能對(duì)諧波及無(wú) 功電流進(jìn)行綜合補(bǔ)償?shù)?主要工作包括以下幾個(gè)方面:(1首先要理解各諧波源產(chǎn)生諧波的特點(diǎn),了解諧波和無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的危害,研究 綜合治理諧波和無(wú)功

26、的辦法。(2解決諧波和無(wú)功精確檢測(cè)問(wèn)題,其中的檢測(cè)方法有很多,論文中選取瞬時(shí)無(wú) 功法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中諧波和無(wú)功電流檢測(cè)算法將采用德州儀器公司生產(chǎn)的型號(hào)為 TMS 320F240的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP編程實(shí)現(xiàn)。(3研究產(chǎn)生補(bǔ)償電流的PWM變流器的控制方法,即APF內(nèi)環(huán)控制方法。仿真 和實(shí)驗(yàn)中將采用定時(shí)滯環(huán)電流控制,PWM變流器的控錈4器也將采用TMS 320F240的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP。定時(shí)滯環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)以及PWM變流器的觸發(fā)脈沖 的產(chǎn)生均通過(guò)對(duì)DSP編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4研究能使APF穩(wěn)定運(yùn)行的控制方法,即APF外環(huán)控制方法。論文中用Matlab 軟件對(duì)APF進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并對(duì)整個(gè)APF系

27、統(tǒng)進(jìn)行仿真,討論APF在外環(huán)控制算法 下的穩(wěn)定性問(wèn)題。(5對(duì)綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的三相并聯(lián)型有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了 硬件設(shè)計(jì)。搭建的硬件電路主要包括:電流和電壓檢測(cè)電路、基于IR2233J的PWM 驅(qū)動(dòng)電路、PWM三相變流橋主電路及IGBT保護(hù)電路等幾部分。(6對(duì)綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的三相并聯(lián)型有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件部分用DSP匯編語(yǔ)言編寫,其中包括:定時(shí)器中斷控制及AD 采樣、軟件方法實(shí)現(xiàn)與電壓同步、基于f,一i。法的諧波和無(wú)功電流的計(jì)算、平均值數(shù) 字濾波、直流側(cè)電壓的數(shù)字PI控制、PWM波輸出控制和外部中斷保護(hù)

28、程序。其中,實(shí)驗(yàn)中綜合補(bǔ)償裝置的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是論文中的重要部分。最后通過(guò)實(shí) 驗(yàn),對(duì)諧波和無(wú)功的綜合補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行驗(yàn)證。6碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜臺(tái)控制技術(shù)的研究2諧波和無(wú)功電流檢測(cè)算法的研究研究諧波和無(wú)功電流的綜合補(bǔ)償技術(shù),首先要解決諧波和無(wú)功電流的精確檢測(cè)問(wèn) 題,本章對(duì)各種檢測(cè)算法予以介紹,重點(diǎn)研究基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波和無(wú)功電 流檢測(cè)法。2.1諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法在有源電力濾波器中,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流是很重要的,方法有很 多種。最早的諧波檢測(cè)方法是用模擬帶通濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于濾波器中心頻率固定, 當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí),濾波效果會(huì)大大下降。此外濾波器的元件參數(shù)受溫度及

29、老化的影 響,要使濾波器得到理想的幅頻特性和相頻特性是很困難的,并且這種方法也不能同 時(shí)分離出無(wú)功電流和諧波電流。第二種是基于Fryze功率定義的檢測(cè)方法。其原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波 形一致的分量,將其余分量作為廣義無(wú)功電流(包括諧波電流。它的缺點(diǎn)是:因?yàn)?Fryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的,所以要求的瞬時(shí)有功電流需要進(jìn)行一個(gè) 周期的積分,再加其它運(yùn)算電路,要有幾個(gè)周期延時(shí)。因此,用這種方法求得的瞬時(shí) 有功電流實(shí)際是幾個(gè)周期前的電流值。第三種是基于FFT的采樣數(shù)字計(jì)算方法,此方法只能檢測(cè)有限次數(shù)的諧波,且需 進(jìn)行兩次FFT變換。由于需要一定的采樣計(jì)算時(shí)間,造成諧波檢測(cè)速度慢。瞬時(shí)

30、性誤 差較大,特別是對(duì)高次諧波的撿測(cè)精度影響較大啪兒”1。第四種是基于自適應(yīng)噪聲相消的檢測(cè)方法,自適應(yīng)嗓聲抵消技術(shù)是信號(hào)處理中的 一種信號(hào)檢測(cè)技術(shù),它能把一個(gè)信號(hào)從加性噪聲的干擾中分離出來(lái)。此方法其工作特 性和器件參數(shù)幾乎無(wú)關(guān),對(duì)器件的依賴不大。因此,只要保證輸入信號(hào)不超過(guò)其線性 動(dòng)態(tài)范圍,系統(tǒng)就可正常工作。該系統(tǒng)基本上克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法的缺陷,是一種性 能優(yōu)越的自適應(yīng)快速檢測(cè)系統(tǒng)。第五種是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的畸變電流瞬時(shí)檢測(cè)方法。瞬時(shí)無(wú)功功率理論突 破了傳統(tǒng)功率理論在“平均值”基礎(chǔ)上的功率定義,使諧波及無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)成 為可能。該方法對(duì)于三相平衡系統(tǒng)的瞬變電流檢測(cè)具有較好的實(shí)時(shí)性,有利

31、于系統(tǒng)的 快速控制,可以獲得較好的補(bǔ)償效果。在具體檢測(cè)時(shí)存在兩種檢測(cè)方法。Pq法和 i。一i。法,Pq法對(duì)于三相不平衡負(fù)荷所產(chǎn)生的無(wú)功和諧波電流,補(bǔ)償效果則不理想, 但f。一屯法在電壓畸變和不平衡時(shí)沒(méi)有誤差,取得廣泛的應(yīng)用?！薄?塒3?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法和基于小波分析的諧波檢測(cè)法研究不多,不再多述。 綜合以上比較,基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法實(shí)時(shí)性好,延時(shí)小,既能檢測(cè)諧 波又能檢測(cè)無(wú)功?；诟盗⑷~快速變換的諧波檢測(cè)法,在諧波檢測(cè)、無(wú)功補(bǔ)償和頻譜7碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究分析方面,均獲得較廣泛的應(yīng)用,這兩種是目前采用的主要方法。在諧波和無(wú)功綜合 補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)中將采

32、用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)i。一iq法。2.2基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法經(jīng)過(guò)對(duì)幾種常用的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法的比較,基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧 波和無(wú)功電流檢測(cè)法實(shí)時(shí)性最好,最適于實(shí)驗(yàn)中綜合補(bǔ)償裝置的檢測(cè)應(yīng)用。下面介紹 瞬時(shí)無(wú)功功率理論。在三相三線制電路中,設(shè)各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為e。,e。,e。和f。,i。, i。由于P。+P6+P。=0,ia+屯+f。=0,所以三相電壓和三相電流各只有兩個(gè)獨(dú)立分 量,其中一個(gè)分量可由另兩個(gè)分量求出。為分析問(wèn)題方便,把它們分別變換到兩相正 交的口一盧坐標(biāo)系上研究。由式(2.1和式(2.2的變換,得到兩相瞬時(shí)電壓e。,P。和兩 相瞬時(shí)電流屯

33、,。Ie“1-C32"剮 ?！?小:。圖 cz.z,其中C32=42/3 11.122.打 訂U一 22(2.3 _ .+"-k 斗在如圖2。1所示的口一平面上,矢量e。,e和名,分別合成電流矢量e與 電流矢量了。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究z印 荔.0i :=q圖2.1d一口坐標(biāo)系e=P口十e口=eLfk, (2.4 彳:藝+:f么死 (2.5 式中P,i為e,f的模。三相電路瞬時(shí)有功電流i,和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量i在矢量e及其法線上 的投影。即i。=icos (2.6a iq=isinCl(2.6b 式中=丸一線,i。,iq示于圖2.1。三相電路瞬時(shí)

34、無(wú)功功率q(瞬時(shí)有功功率P為電壓矢量e的模和三相電路瞬時(shí) 無(wú)功電流毛(瞬時(shí)有功電流,的乘積。即P=eipr2.7a g=eiq(2.7b 式(2.6與廬=廬。一疵代入式(2.7,得躊I:羔朝 億s, 把式(2.1和(2.2代入式(2.8,得P=eaia+%+ecJc (2.9ag=苦酩。一eck+(P。一eaf。+0。一B。k】 (2.9b 叫j從式(2.9a可以看出,三相電路的瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率。以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)有兩種方法,一是以 9碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究計(jì)算瞬時(shí)有功功率P,瞬時(shí)無(wú)功功率g為出發(fā)點(diǎn)的Pg運(yùn)算方式,另一

35、個(gè)是以計(jì)算瞬時(shí)有功電流f,瞬時(shí)無(wú)功電流為出發(fā)點(diǎn)的f,一運(yùn)算方式。p-g運(yùn)算方式31該檢測(cè)方法的框圖如圖2.2。圖中上標(biāo)一1表示矩陣的逆。labl她k圖2.2Pg運(yùn)算方式原理圖該方法根據(jù)定義算出P和q,經(jīng)低通濾波器(LPF得P,q的直流分量i,石。 電網(wǎng)電壓波形無(wú)畸變時(shí),p為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生,i為基波無(wú)功電流與 電壓作用所產(chǎn)生。于是,由j,石即可根據(jù)下式計(jì)算出被檢測(cè)電流f。,i。,i。的基波分量0,0,i礦,哳k =c。c:匿=吉c。c。匿cz.,。,靴獷樞鏟臣/-,-11ea!。w27h將0,i釅,0與iQ,i。,相減,即可得出i。,i。,i。的諧波分量0,i。當(dāng)有源濾波器同時(shí)用于

36、補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí),就需要同時(shí)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功電流。在這種情況下,只需斷開(kāi)圖2.2中計(jì)算q的通道即可。這時(shí)由i即可計(jì) 算出被檢測(cè)電流屯,i。,i。的基波有功分量o,7w,lcpf為l耐rW|cpf嗎群阡扣。圈將切,lbpf,何與,i6,屯相減,即可得出i。,i5,ic的諧波分量和基波無(wú)功分量之和匕,i。,i。下標(biāo)d表示由檢測(cè)電路得出的檢測(cè)結(jié)果。lO%巳.0. %,k碩上論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究在檢測(cè)時(shí),由于采用了低通濾波器(LPF求取;,;,故當(dāng)被檢測(cè)電流發(fā)生變化 時(shí),需經(jīng)一定延遲時(shí)間才準(zhǔn)確測(cè)出一P,石。該檢測(cè)方法的框圖如圖2.3。8Z曲Z鼬圖23iPig運(yùn)算方式原

37、理圖圖中c:l鋤evtCO.似l,Lc0S研一Sill叫j件 L q J c球l i I 泣竭該方法中,需要用到與口相電網(wǎng)電壓e?；ǚ至客辔坏恼倚盘?hào)sincot和對(duì)應(yīng) 的余弦信號(hào)一cost”t,sinoJt相當(dāng)于電壓矢量e的cos。,一coscot相當(dāng)于電壓矢量e的 sin。,它們由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL和個(gè)正余弦信號(hào)發(fā)生電路得到。由此計(jì)算出i, 經(jīng)LPF濾波得出iP,iq的直流分量f,i。這里f,i9代表著f。,ib,ic的基波分量 i礦,iv,i礦。因此,同pg運(yùn)算方式,可計(jì)算出i礦,iv,i,進(jìn)而計(jì)算出i。,i6, jc的諧波分量o,。若需要用到的正弦信號(hào)sin(hi與a相電網(wǎng)電壓e。

38、基波分量不同相,而是相差一個(gè) 相位角0,則正余弦信號(hào)為sin(tot+口和一cos(dot+0,經(jīng)過(guò)證明這種相角誤差并不影 響最終諧波分量檢測(cè)的結(jié)果。與Pg運(yùn)算方式相似,當(dāng)要檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流之和時(shí),只需斷開(kāi)圖2.3中 的屯計(jì)算通道。當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí),只要對(duì)i。進(jìn)行反變換。理論分析表明,對(duì)于三相三線制電路,當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變,不論三相電壓、電 流是否對(duì)稱,P-q運(yùn)算方式的檢測(cè)結(jié)果都有誤差。而對(duì)f。一運(yùn)算方式即使電網(wǎng)電壓 發(fā)生畸變,按這種方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí),由于只取sincot和一cosot參與計(jì)算,畸變電壓的碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜臺(tái)控制技術(shù)的研究諧波成分在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn),檢測(cè)結(jié)果也不

39、受電壓波形畸變的影響。比較兩個(gè)方法 后,f。一屯運(yùn)算方式檢測(cè)精度高,所以論文中對(duì)APF系統(tǒng)的仿真和具體實(shí)驗(yàn)時(shí)均采用 i,一i。運(yùn)算方式?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的諧波與無(wú)功電流檢測(cè)方法,盡管在理論上比傳統(tǒng)的各種 諧波檢測(cè)方法有很大的改進(jìn),但諧波檢測(cè)效果實(shí)際上與檢測(cè)電路中采用的低通濾波器 的性能有很大關(guān)系。因?yàn)闉V波器在響應(yīng)時(shí)有一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,還有一個(gè)濾波精度問(wèn)題, 這直接關(guān)系到諧波電流檢測(cè)的快速性與準(zhǔn)確性,是檢測(cè)電路中的關(guān)鍵。因此選取一個(gè) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且精度高的濾波器非常必要。但動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性與檢測(cè)結(jié)果的精確性是 矛盾的,快速性好的精度性不高,精度高的響應(yīng)慢。常用的模擬低通濾波器主要有四種:巴特沃,冒

40、,(Butterworth低通濾波器,契比雪 夫(chebyshev氐通濾波器,貝塞爾(bessel低通濾波器,橢圓函數(shù)型(ellip低通濾波器。 由于i。一法中的低通濾波器是在計(jì)算過(guò)程中對(duì)得到的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電 流濾掉交流部分,保留直流部分,所以我們對(duì)這一過(guò)程用Matl曲軟件對(duì)各種濾波器 進(jìn)行仿真,比較濾波效果。設(shè)定負(fù)載為阻感性的全控橋式整流電路。由于APF系統(tǒng)的 實(shí)時(shí)性要求較高,為加快響應(yīng)速度,仿真時(shí)選取的幾種低通濾波器階數(shù)較低,均為3階,截止頻率50Hz。電路中需要濾波的瞬時(shí)有功電流波形如圖2。4。圖2.4瞬時(shí)有功電流波形 圖2.5巴特沃思低通濾波器的響應(yīng)巴特沃思u位erwort

41、h低通濾波器的響應(yīng)如圖2.5,契比雪夫(chebyshevI型低通 濾波器的響應(yīng)如圖2.6,契比雪夫(chebyshevII型低通濾波器的響應(yīng)如圖2.7,橢圓函 數(shù)型(ellip低通濾波器的響應(yīng)如圖2.8,貝塞爾(bessel低通濾波器的響應(yīng)如圖2.9。2碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研窒圖2.6契比雪夫I型低通濾波器的響應(yīng) 圖2.7契比雪夫II型低通濾波器的響應(yīng) 圖2.8橢圓函數(shù)型低通濾波器的響應(yīng) 圖2.9貝塞爾低通濾波器的響應(yīng)圖2.10基于平均值法的濾波器響應(yīng)由以上的響應(yīng)結(jié)果可知,契比雪夫(chebyshevII型低通濾波器的響應(yīng)超調(diào)量大且 響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng);契比雪夫(chebysh

42、evI型低通濾波器的響應(yīng)和橢圓函數(shù)型(ellip低通濾 波器的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng),但超調(diào)量較小;巴特沃思(Buttcrworth低通濾波器的響應(yīng) 較快,但超調(diào)量較大;只有貝塞爾(bessel低通濾波器的響應(yīng)效果最好,響應(yīng)最快超調(diào) 最小。所以在第三章的仿真研究中采用貝塞爾(bessel3階低通濾波器。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究在具體設(shè)計(jì)的有源電力濾波器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,由于濾波器的作用僅是保留直流, 濾掉交流,要求較低,并針對(duì)三相不控整流負(fù)載電路的特點(diǎn)以及簡(jiǎn)化DSP匯編編程的 需要,在數(shù)字濾波環(huán)節(jié)采用平均值法濾波,即用當(dāng)前采樣值和之前一個(gè)工頻周期內(nèi)的 采樣值的平均值作為當(dāng)前時(shí)刻的直

43、流分量值,濾波效果的仿真如圖2.10,響應(yīng)結(jié)果 沒(méi)有超調(diào),響應(yīng)時(shí)間只有1/6個(gè)工頻周期,在具體實(shí)驗(yàn)情況下基于平均值法的濾波效 果是最好的,在實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)是可行的。2.3本章小結(jié)本章首先對(duì)諧波和無(wú)功電流的各種檢測(cè)方法予以介紹,并比較各種方法的優(yōu)缺 點(diǎn),得出基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法是最適合于諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢 測(cè)。然后詳細(xì)的介紹瞬時(shí)無(wú)功功率理論,研究了基于瞬時(shí)無(wú)功理論的Pq檢測(cè)法和 i。一f。檢測(cè)法,因?yàn)榕cPq檢測(cè)法相比j。一f。檢測(cè)法不受電壓畸變影響,檢測(cè)精度高, 在仿真和實(shí)驗(yàn)中都采用f。一f。檢測(cè)法。最后研究了濾波器對(duì)諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的影 響,得出仿真中效果最優(yōu)的通用濾波方法和在

44、實(shí)驗(yàn)中較為簡(jiǎn)單實(shí)用的平均值濾波法。14碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究3綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的有源電力濾波裝置的Matlab仿真 3.1并聯(lián)型有源電力濾波器概述并聯(lián)型有源電力濾波器是與需補(bǔ)償?shù)呢?fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)的。單獨(dú)使用的并聯(lián)型有 源濾波器的系統(tǒng)框圖如圖3.1。有源電力濾波器由兩大部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路,補(bǔ) 償電流發(fā)生電路又由電流跟蹤控制電路,驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分組成13。其中,指 令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電路中的諧波和無(wú)功電流部分,因此也稱之 為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路,大多數(shù)采用的方法是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的i。一i。運(yùn) 算方式。補(bǔ)償電流

45、發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信 號(hào)產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流,主要是通過(guò)控制器(單片機(jī)或DSP來(lái)控制主電路三相橋變 流器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。作為主電路的PWM變流器,在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí),主要作為逆變器工作,但它不 僅僅是作為逆變器工作,當(dāng)電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件充電時(shí),它就作為 整流器工作。也就是說(shuō),它既工作于逆變狀態(tài),也工作于整流狀態(tài),且工作狀態(tài)無(wú)法 區(qū)分【3】。=相 電 源i廠、lilL 4一、。I ! j虬 ;載 Z¨1丘 量生j。、。?/三。. !山-,1_,、.丕 j _調(diào)壓器 一去V _f錙 f 、卜。!生,、一v一,一Lr。1jf直,、,、1kj,-

46、、,1,、,-糾土y 鑰 、圖3.1單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究圖3.1中的并聯(lián)型有源電力濾波器的基本工作原理是,根據(jù)有源電力濾波器的補(bǔ) 償目的得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)i:,產(chǎn)生補(bǔ)償電流t。檢測(cè)算法一般是采用2.2節(jié)中 介紹的基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。指令電流運(yùn)算電路是以有源電力濾波器的補(bǔ)償目的為出發(fā)點(diǎn),那么首先確定APF 的補(bǔ)償目的。若有源電力濾波器的補(bǔ)償目的只補(bǔ)償諧波,則利用i。一i。運(yùn)算方式,可 檢測(cè)出負(fù)載電流i,的諧波分量i,。,補(bǔ)償電流的指令信號(hào)應(yīng)與i。極性相反,若有源 電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流t與i:完全一致,則

47、補(bǔ)償后的電源電流與負(fù)載電流的基 波分量f,完全相同。當(dāng)圖3.I中有源電力濾波器的補(bǔ)償目的是同時(shí)補(bǔ)償諧波與無(wú)功功率,補(bǔ)償電流的 指令信號(hào)C應(yīng)為負(fù)載電流的諧波及基波無(wú)功分量之和大小相等,極性相反。此時(shí)補(bǔ)償 后的電源電流與負(fù)載電流的基波有功分量f:。完全相同。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的綜合補(bǔ)償裝置中。指令運(yùn)算電路及電流跟蹤控制電路由運(yùn)算速度極 快的數(shù)字信號(hào)處理器芯片(DSP實(shí)現(xiàn),它可以滿足補(bǔ)償信號(hào)實(shí)時(shí)性的要求。3.2補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真設(shè)計(jì)現(xiàn)在使用Matlab軟件中提供的SIMULINK仿真環(huán)境對(duì)三相電路中單獨(dú)使用的并 聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行仿真,SIMULINK提供了豐富的模型庫(kù)(Bl

48、ockset,尤其近 幾年推出的電力系統(tǒng)模型庫(kù)(Power System Blockset可以提供電力系統(tǒng)中常見(jiàn)的裝 置及器件模型,用其對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究非常方便。Matlab仿真設(shè)計(jì)的綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的有源電力濾波器系統(tǒng)模型如圖 3.1,主電路為三相三線制,三相電壓為有效值220V,頻率50Hz的正弦對(duì)稱電壓, 負(fù)載為阻感性的全控橋式整流電路。3.2。1指令電流運(yùn)算電路的仿真設(shè)計(jì)指令電流運(yùn)算電路是檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流,并給出應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾娏餍盘?hào)C,其原 理在3.1節(jié)中已闡述。在仿真時(shí),e要同時(shí)補(bǔ)償諧波電流i。和無(wú)功電流b。即i:為 一(i。+f彬。檢測(cè)電路采用基于瞬時(shí)無(wú)功理論的i,一i

49、。運(yùn)算方式,除了有一定的濾波 延時(shí)外,可以及時(shí)準(zhǔn)確的得出補(bǔ)償信號(hào)e。三相電路的f。一i。運(yùn)算方式的檢測(cè)Matlab 仿真電路如圖3.2,其中Ma仃k Gainl為三相變兩相矩陣C",Matrix GBin2為兩相變?nèi)?相矩陣c,濾波器filter為截止頻率為50Hz的三階Bessel低通濾波器,GenerateSin模 塊為i。一i。法中的正余弦運(yùn)算信號(hào)sin耐和一cos街t,最后求出的i:為諧波和無(wú)功電流 補(bǔ)償信號(hào)。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究圖3.2補(bǔ)償信號(hào)e的發(fā)生電路電流跟蹤控制電路是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)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

50、路中主電路各個(gè)器件通斷的P刪信號(hào),控制的結(jié)果應(yīng)保證補(bǔ) 償電流跟蹤其指令信號(hào)的變化。內(nèi)環(huán)控制方法有很多,常用的主要有滯環(huán)電流控制和 三角波比較控制。在仿真時(shí)采用定時(shí)滯環(huán)電流比較方式的PWM控制。滯環(huán)比較方式是補(bǔ)償電流的指令信號(hào)e與實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)t進(jìn)行比較,兩者的 偏差作為遲滯比較器的輸入,通過(guò)遲滯比較器的輸出控制PWM主電路中的開(kāi)關(guān)通斷信 號(hào)。該P(yáng)1vM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷,從而控制補(bǔ)償電流t的變化。PWM變流器采用電壓型主電路,補(bǔ)償電流t的正方向如圖3.1。PWM變流器Matlab 仿真電路如圖3.3。碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究圖3.3PVflII變流器電路對(duì)圖3.

51、1中PwM;E Fg路a相開(kāi)關(guān)通斷進(jìn)行控制的邏輯如表3.1。1。其中t的+一邏 輯由滯環(huán)比較器的輸出決定,VD表示二極管,+表示邏輯1,一表示邏輯0。表3.1a相開(kāi)關(guān)通斷邏輯表從上面邏輯表中得到03a相K的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為f。ul二,L的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為Ai。nj二:同理,b相蠔的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為屯u匕,圪的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為如nf二;c相K的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為f。uf二,巧的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為f。nf二。在遲滯比較器的環(huán)寬H固定。在f。值小時(shí),補(bǔ)償電流相對(duì)誤差大,而f。值較大時(shí), 將會(huì)使器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高,因此在K一圪的邏輯輸出后加一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)控制的D觸 發(fā)器,使得驅(qū)動(dòng)輸出至少一個(gè)時(shí)鐘周期才變化一次,即定時(shí)滯環(huán)控制。用Matlab設(shè)計(jì)

52、的a相K,觸發(fā)邏輯驅(qū)動(dòng)如圖3.4,其中遲滯環(huán)將比較差值模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字邏輯信號(hào)輸出,D觸發(fā)器模塊為定時(shí)邊沿觸發(fā)。,L。l。d圖3.4a相K,的觸發(fā)邏輯驅(qū)動(dòng)電路b相c相的觸發(fā)邏輯驅(qū)動(dòng)與a相相同。圖3.1中的電壓型P1vM主電路中的電容是一個(gè)主要器件。為了使有源電力濾波器 有較好的補(bǔ)償電流跟隨性能,必須將該電容上的電壓控制為個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。根?jù)經(jīng)驗(yàn), 直流側(cè)電容電壓理想值應(yīng)大于交流側(cè)電源線電壓峰值的1倍以上,于是在仿真時(shí)的控 制電壓設(shè)為800V。包含對(duì)直流側(cè)電壓%的控制檢測(cè)框圖。1如圖3.5。Z神 l曲 圖3.5包括直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)的指令電流運(yùn)算電路圖中,u女是%的給定值,為800V。U,是%的反

53、饋值,兩者之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器 后得到調(diào)節(jié)信號(hào)f。,它疊加在瞬時(shí)有功電流的直流分量i。上,經(jīng)運(yùn)算在指令信號(hào)f:中 包含有一定的基波有功電流,補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)f:產(chǎn)生補(bǔ)償電流i得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量,從而使有源電力濾波 器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量,將“調(diào)節(jié)至給定值。兒“1。具體的Matlab仿真電路如圖3.6。其中輸入Inl為檢測(cè)的直流側(cè)電容電壓,輸 出Outl疊加到指令電流運(yùn)算電路的i。上,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)U。的控制。lnl圖3.6直流側(cè)電壓的Pr控制電路若希望u,上升(例如有源電力濾波器投入運(yùn)行時(shí)建立u。的過(guò)程,只需令A(yù)i,>0即可。此時(shí)有源電力濾波器從電源得

54、到能量,持續(xù)向直流側(cè)傳遞,使璣上升。從原 理上講,只要Ai。>0,U。就上升,可以達(dá)到任意值,這一點(diǎn)可以由電路中交流側(cè)電 感的貯能作用和對(duì)功率器件通斷的控制來(lái)保證。反之,若Ai。<0,則有源電力濾波 器向外傳遞能量,直流側(cè)電容上的能量減少,使得%值下降“4”。3.3有源電力濾波裝置外環(huán)控制方法的仿真研究下面對(duì)仿真的綜合補(bǔ)償裝置補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的效果進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)電路仿真參數(shù)如下,三相電壓為有效值220V,頻率50Hz的正弦對(duì)稱電壓;非線性負(fù)載為三相橋式整流負(fù)載,直流側(cè)為20Q,電感20mH,整流電路的觸發(fā) 延遲角為嘭,負(fù)載電流中存在諧波和無(wú)功電流;電源和負(fù)載之間的線路電阻為i Q

55、,電感為2mH;PWM變流器與電網(wǎng)的聯(lián)結(jié)電感為0.02H;遲滯環(huán)的環(huán)寬H為O.5A;D觸發(fā)器的控制時(shí)鐘周期為0.0001s。直流側(cè)電容的大小設(shè)為60uF,為了保證直流側(cè)電容上的電壓在一到兩個(gè)電源頻 率周期內(nèi)上升到給定值800v,電容的PI控制器的傳遞函數(shù)為日0:_o.020+25。 ZS 為了使有源電力濾波器得到理想的補(bǔ)償效果,有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。下?對(duì)不加外環(huán)控制和加入外環(huán)控制的有源電力濾波器進(jìn)行仿真比較。在前面介紹APF原理時(shí)就是這種控制方式,也是最常用的方式,在這種方式中, 補(bǔ)償電流能較好的跟蹤指令電流信號(hào)?！?。以a相為例,給出綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電 流的并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真

56、波形圖,其它兩相波形分別滯后于81200和240。20仿真波形圖如下,圖3。7a相負(fù)載電流波形 圖3.9a相基波有功電流波形圖3。8a相基波電流波形 圖3.10a相基波無(wú)功電流波形圖3.11直流側(cè)電容電壓Ud的波形 圖3.12a相補(bǔ)償后的電源電流波形 從以上的波形圖可以看出,所設(shè)計(jì)的綜合補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的有源電力濾波器 的仿真模型和參數(shù)設(shè)定是正確的,可以較好的補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流,使補(bǔ)償后電源電 流只有基波有功分量,由于實(shí)際補(bǔ)償?shù)碾娏魇撬矔r(shí)跟蹤補(bǔ)償電流信號(hào),所以波形微觀 上呈鋸齒狀。注入電網(wǎng)后,電源電流也呈鋸齒狀跟蹤理想的電源電流。波形中還存在碩士論文 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究一些

57、尖頂?shù)拿?這是因?yàn)橛捎诖嬖诼?lián)結(jié)電感,實(shí)際補(bǔ)償?shù)碾娏鞑荒芟駲z測(cè)出的補(bǔ)償 電流信號(hào)那樣有電流的不連續(xù)突變。波形峰值處毛刺比其它地方更大,這是因?yàn)椴捎?的定時(shí)滯環(huán)控制方法在電流變化平穩(wěn)時(shí)開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高所致。由于直流側(cè)電容較小,并且對(duì)電容進(jìn)行了PI控制,所以電容電壓經(jīng)兩個(gè)周期后 能夠達(dá)到給定值800V,并且在以后的時(shí)間除有少量紋波外基本保持800V左右不變。 紋波存在的原因是由于三相瞬時(shí)有功有高頻波動(dòng),使PWM主電路與電網(wǎng)有著有功功 率的交換。為了濾除調(diào)開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波,可以在電源側(cè)加入高通濾波器后。根據(jù)線路阻 抗值,設(shè)計(jì)的二階高通濾波器的參數(shù)為,電阻R為O.25Q,電感L為0.2mH,電容 c為20I擴(kuò)。等效電路圖如圖3.13。整流負(fù)載的諧波和無(wú)功電流與APF產(chǎn)生的補(bǔ)償電 流之和可等效為電流源“。仿真結(jié)果表明,雖然較高頻率的諧波成分被濾除,但是卻發(fā)生了諧振,使補(bǔ)償后 的電源電流波形發(fā)生了畸變,補(bǔ)償效果更差。如圖3.14。圖3.13APF單相等效電路圖 3.14加入高通濾波器后的電源電流波形 為了抑制諧振,使有源電力濾波器更加穩(wěn)定的工作。需要對(duì)APF進(jìn)行外環(huán)控制