電流平均值諧波檢測方法MATLAB仿真

1、電流平均值諧波檢測法MATLAB仿真摘 要本論文首先對國內(nèi)外諧波抑制技術發(fā)展現(xiàn)狀、有源電力濾波器原理與結構及三相瞬時無功功率理論進行了綜述。重點研究了基于瞬時無功功率理論。檢測法及改進的電流移動平均值諧波檢測法。在對電流移動平均值原理進行分析的基礎上，給出了電流平均值諧波檢測方案及實現(xiàn)檢測的原理框圖。接著以MATLAB6.1軟件包中的SIMULINK仿真環(huán)境為平臺，構建了平均值諧波檢測法的仿真模型;對電流平均值諧波檢測方案進行了仿真研究，并與基于濾波器的。諧波檢測法的仿真結果進行了分析對比。結果表明，所采用的仿真方法與所構建的仿真模型不僅有效，而且證實了平均值諧波檢測法比濾波器法有良好的動態(tài)響

2、應性能。在仿真基礎上，提出了基于LF2407ADSP芯片電流平均值諧波檢測法的數(shù)字實現(xiàn)方案，進而開發(fā)了三相并聯(lián)型數(shù)字有源電力濾波器實驗系統(tǒng)。進行了軟、硬件設計。搭建的硬件電路包括:過零同步檢測、電流和電壓檢測、PWM輸出等幾部分。采用模塊化設計思路，用DSP匯編語言編寫了系統(tǒng)軟件，其中包括：ADC及中斷處理、捕獲及捕獲中斷處理、三相到兩相電流轉換、平均值法諧波計算、兩相到三相變換、PI調(diào)節(jié)、PWM輸出控制及主程序等模塊，并在軟件開發(fā)系統(tǒng)下進行了調(diào)試。為實現(xiàn)電流同步采樣處理，根據(jù)LF2407A事件管理器捕獲單元特點，提出一種用軟件實現(xiàn)鎖相環(huán)的控制方法。最后對有源電力濾波器進行了系統(tǒng)調(diào)試。實驗結果

3、表明，采用電流平均值諧波檢測法結合軟件鎖相環(huán)控制方法能有效、準確的檢測諧波，用該檢測法開發(fā)的DSP有源電力濾波器實驗系統(tǒng)，能夠有效消除由非線性負載產(chǎn)生的諧波。關鍵詞有源電力濾波器，瞬時無功功率，諧波電流檢測，電流移動平均值，數(shù)字信號處理器關鍵詞 有源電力濾波器，瞬時無功功率，諧波電流檢測，電流移動平均值，數(shù)字信號處理器目 錄摘要.1第一章 緒論.41.1 概述.41.1.1 諧波含義及其產(chǎn)生.51.1.2 諧波的危害.51.1.3 諧波研究意義.61.2 諧波抑制技術現(xiàn)狀.71.2.1 無源濾波器及其應用.71.2.2 有源電力濾波器發(fā)展概況.101.3 本論文主要工作.11第二章 有源電力濾

4、波器原理和結構.122.1 有源電力濾波器工作原理. 122.2 有源電力濾波器系統(tǒng)構成. 132.2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器.142.2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器.202.3有源電力濾波器的主電路. 212.3.1 PWM逆變器主電路.222.3.2 PWM逆變器工作原理.232.3.3 電流跟蹤控制方式.25第三章 瞬時諧波及無功電流檢測方法.293.1 概述.293.2 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法.303.2.1 瞬時無功功率的基礎理論.303.2.2 三相電路諧波和無功電流實時檢測.333.3 于電流移動平均值原理諧波檢測新方法.363.3.1 電流移動平均值原理.373

5、.3.2 基于移動平均值原理的諧波檢測法.38第四章 電流平均值諧波檢測方法仿真研究.404.1 概述.404.2 電流變換及移動平均值模塊在Simulink下的實現(xiàn). 404.3 電流平均值原理諧波檢測在Simulink下的實現(xiàn).414.4 電流平均值原理諧波檢測仿真結果.434.4.1 負載恒定時的仿真.444.4.2 負載變化時的仿真.45小結.48參考文獻.50第一章 緒 論1.1 概述在一個理想的發(fā)電和供電系統(tǒng)中，電能是以單一恒定的工業(yè)頻率和規(guī)定的電壓水平向用戶供電。在這種條件下，對電能質量是用頻率和電壓來衡量的。但在實際的電力系統(tǒng)運行中，由于負荷的變化，電力系統(tǒng)的頻率和電壓是不能保

6、持恒定不變的。因此，各國對電能質量都是用頻率和電壓的允許偏差值加以衡量并作出規(guī)定。但是僅用這兩個指標來表征電能質量是很不完善的。波形畸變、電壓閃變和三相電力系統(tǒng)中電壓和電流的不平衡也是影響電能質量的重要因素。這幾個問題在過去由于還未對電力系統(tǒng)產(chǎn)生十分嚴重的影響，沒有引起電力和供用電部門的重視，但是近幾十年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率電力電子裝置在工業(yè)各部門的廣泛應用，以及大量家用電器的使用和其它非線性負載的增加，使得電力系統(tǒng)的波形畸變?nèi)找鎳乐?，電網(wǎng)中的諧波含量已經(jīng)大大增加，諧波對電力設備、電力用戶和通信線路等的有害影響己經(jīng)十分嚴重，到了不得不認真對待和考慮的地步了。電力系統(tǒng)的諧波問題早在

7、1920一1930年間就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波問題研究的經(jīng)典論文。到了50一60年代由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，對變流器諧波問題的研究有大量論文發(fā)表。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發(fā)展，各種大容量電力整流、換流設備以及電子設備在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通和家庭中的應用日益廣泛，諧波造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以十分重視和關心，定期召開有關諧波問題的學術研討會。國際電工委員會(IEC)和國際大電網(wǎng)會議都相繼組成了專門的工作組，制訂了包括供電系統(tǒng)、各項電力和

8、用電設備以及家用電器在內(nèi)的諧波標準。我國對諧波問題的研究起步較晚。近年來由于電氣化鐵路的發(fā)展和冶金、化工、有色金屬、煤炭和交通部門大量應用電力整流和換流設備，諧波對電力系統(tǒng)的影響和危害也日益嚴重，認真加以研究并采取相應的管理和治理措施顯得十分迫切。1.1.1 諧波含義及其產(chǎn)生國際上公認的諧波含義為:“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數(shù)倍”。所以，諧波次數(shù)必須為整數(shù)。如:我國電力系統(tǒng)的額定頻率是50HZ，則基波為50Hz，2次諧波為100Hz，3次諧波為150Hz，等等。間諧波(interharmonies)、次諧波(subharmonics)和分數(shù)諧波(fractiona

9、l一harmonics)等概念與諧波的概念不同。本文所提到的諧波，均指基波整數(shù)倍諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，也常稱它為高次諧波。除了特殊情況外，諧波的產(chǎn)生主要是由于大容量的整流或換流設備，以及其他非線性負載造成。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩大類:一是含半導體非線性元件的諧波源;二是含電弧和鐵磁非線性設備的諧波源。前者如各種整流設備、交直流換流設備、變流器、PWM變頻器以及節(jié)能和控制用的電力電子設備等，后者如交流電弧爐、交流電焊機、日光燈、變壓器等。數(shù)量龐大的家用電器分屬于上述兩類諧波源，是不可忽視的諧波源。電氣鐵路機車采用的大容量單相整流供電設備，不但產(chǎn)生大量諧波電流，還對供電系統(tǒng)

10、產(chǎn)生不平衡負荷和負序電流、電壓。這些負荷都使電力系統(tǒng)的電流和電壓產(chǎn)生畸變，并對電力設備及通信線路和電子設備產(chǎn)生危害和干擾。1.1.2 諧波的危害在電力系統(tǒng)中，各種諧波源產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)、電力設備和其它系統(tǒng)的危害是非常嚴重的，歸納起來主要有以下幾個方面：1. 使發(fā)電機、變壓器、供電網(wǎng)、導線和電動機等產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。2. 影響各種電氣設備的正常工作。對電機除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓;增大了變壓器的銅損和鐵損，使變壓器局部嚴重過熱，噪聲增大;對無功補償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而

11、引起電容器過負荷或過電壓而損壞;對電力電纜也會造成電纜的過負荷或過電壓擊穿。這方面國內(nèi)外有過深刻的教訓，發(fā)生過許多無功補償電容器損壞的事故。3. 對繼電保護和自動裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動或據(jù)動。尤其是衰減時間較長的暫態(tài)過程，如變壓器勵磁涌流中的諧波分量，更容易引起繼電保護的誤動作。我國曾發(fā)生過電氣化鐵道造成的負荷電流畸變和不對稱，使某電廠20萬kw機組的保護跳閘及某系統(tǒng)中的220kV線路保護跳閘，造成大面積停電的嚴重事故。4. 影響儀表和電能的計量。電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設計的，當有諧波時將會產(chǎn)生測量誤差。5. 對鄰近的通信線路造成干擾，輕者產(chǎn)生噪聲降低通信質量;重者導致丟失信息，使通

12、信系統(tǒng)無法工作。.1.1.3 諧波研究意義由上一節(jié)的內(nèi)容，諧波的危害十分嚴重，因此開展諧波研究具有非?，F(xiàn)實的意義。諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術自身發(fā)展的影響。電力電子技術是未來科學技術發(fā)展的重要支柱。有人預言，電力電子連同運動控制將和計算機技術一起成為21世紀最重要的兩大技術I。然而電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染己成為阻礙電力電子技術發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。有效地抑制諧波，可以推動電力電子技術的發(fā)展。反過來，電力電子技術的進步，也會促進諧技抑制技術的提高。諧波研究的意義，更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護綠色環(huán)境的角度來認識。對電力系

13、統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標志之一。在電力電子技術領域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲也日益高漲。目前，對地球環(huán)境的保護己成為全人類的共識。對電力系統(tǒng)諧波污染的治理也己成為電工科學技術界所必須解決的問題。有關諧波問題的研究可以分為以下四個方面：1.與諧波有關的功立定義和功率理論的研究；2.諧波分析以及諧波影響和危害的分析；3.諧波的補償和抑制；4.與諧波有關的測量問題和限制諧波標準的研究。其中，諧波補償和抑制技術是研究的重點，而有源濾波技術是諧波抑制的主要研究方向之一，也是本文要重點研究的內(nèi)容。隨著有源濾波技術的發(fā)展，必將逐步消除諧波污染，最終實現(xiàn)電網(wǎng)“綠色化”。1.2 諧波抑制

14、技術現(xiàn)狀解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波;另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這只適用于電力電子裝置為主要諧波源的情況。本文主要討論裝設諧波補償裝置來解決諧波污染的方法。傳統(tǒng)方法是采用交流電抗器和電容器等組成的無源濾波器，這種方法在工程實踐中己經(jīng)非常成熟。而有源濾波器的使用正在成為諧波抑制技術發(fā)展的一個重要趨勢。1.2.1 無源濾波器及其應用無源濾波器是由電力電容器、電抗器和電阻適當組合而成的濾波裝置，又稱為LC濾波器。它利用電路的諧振原理來達到濾波目的，運行中和諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外還兼顧無

15、功補償和調(diào)壓的需要。可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等。實際應用中一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時也與一組高通濾波器配合使用。1.2.1.1 單調(diào)諧濾波器 單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振原理構成，如圖1.1所示。濾波器對n次諧波的阻抗為： 式中一一額定工頻角頻率。由于諧振諧波次數(shù)為n，則在諧振點處，有，由于較小，n次諧波主要由分流，而很少流入系統(tǒng)中。因此，只要將濾波器的諧振次數(shù)調(diào)整為所需要濾除的諧波次數(shù)，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。1.2.1.2 雙調(diào)諧濾波器 雙調(diào)諧濾波器的原理如圖1.2所示。這種濾波器的兩個諧振頻率實際上相當于兩個并聯(lián)

16、的單調(diào)諧濾波器，可同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單調(diào)諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小。正常運行時，串聯(lián)電路的基波阻抗遠大于并聯(lián)電路的基波阻抗，因此串聯(lián)電抗器Ll承受大部分沖擊電壓。這種濾波器結構比較復雜，調(diào)諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的經(jīng)濟優(yōu)越性。1.2. 1. 3 高通濾波器 高通濾波器又稱減幅濾波器。主要形式如圖1.3所示。一階減幅型由于基波功率損耗太大，一般不采用;二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結構也簡單，故工程上用得最多;三節(jié)減幅型比二階濾波器多一個電容C2，提高了對基波頻率的阻抗，使基波損耗更小，但特性不如二階減幅型的，用得也不多;C型濾波器的濾

17、波特性介于二階和三節(jié)之間，主要優(yōu)點是由于Cd與L對基波串聯(lián)調(diào)諧，電阻中基波損耗很小，缺點是它對工頻偏差和元件參數(shù)變化較敏感?？傮w上看，無源濾波器結構簡單、運行可靠、維護方便、造價較低，因此得到了廣泛的應用。但這種方法存在一些難以克服的缺點：1.諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進行濾波，LC參數(shù)的漂移將導致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。2.濾波特性依賴于電網(wǎng)參數(shù)，而電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運行工況隨時改變，造成濾波效果變差。3.電網(wǎng)的參數(shù)與LC可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質量下降。4.電網(wǎng)中的諧波電壓可能在LC網(wǎng)絡中產(chǎn)生很大的諧波電流，使無源濾波器過載，甚

18、至損壞設備。為了克服無源濾波器的上述缺點，人們開始探索研制一種新型的濾波裝置，這就是有源電力濾波器。1.2. 2 有源電力濾波器發(fā)展概況有源電力濾波器也是一種電力電子裝置，其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。有源電力濾波器具有如下特點：1. 不僅可補償各次諧波，還能補償無功、抑制閃變。2. 具有自適應能力，可跟蹤補償變化的諧波，具較快的響應速度。3. 具有自調(diào)節(jié)能力，即使補償對象的電流過大，也不會過載。4. 能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。5. 受系統(tǒng)阻抗的影明小，可消除和系統(tǒng)阻抗

19、發(fā)生諧振的危險。6. 既可對單個諧波私無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行集中補償。由此可見，有源電力濾波器克服了傳統(tǒng)LC無源濾波器諧波抑制和無功補償方法的缺點，具有良好的調(diào)節(jié)性能，因而受到廣泛的重視，并且己在日本等國得到廣泛應月。有源電力濾波器的基本思想在上個世紀六七十年代就已經(jīng)形成。80年代后，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈寬調(diào)制(Pulse Width ModulationPWM) 技術的發(fā)展，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，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。日本在有源電力濾波器技術的應用方面最為成熟，其實用化的產(chǎn)品已經(jīng)批量并系列化生產(chǎn)。日本富士電機從19

20、91年起即開發(fā)有源電力濾波器產(chǎn)品投放市場。1994年9月日本通產(chǎn)省資源能源廳制定出“抑制高次諧波規(guī)程”。1996年富士電機又生產(chǎn)出適用于小容量(MINI)的有源電力濾波器供應市場受到各方的好評。1998年又開發(fā)了上述MINI的上位機，即新型有源電力濾波器FUJIACT200/400A系列。該系統(tǒng)所用電路和部件與通用變頻器可以互換，單機容量從50kvA到最大400kVA。國內(nèi)目前還主要停留在實驗研究和理論研究階段，尚未見有成品化的國產(chǎn)APF產(chǎn)品，實驗研究水平較高的，如西安交通大學，己研制出30kVA樣機，為有源電力濾波器的實用化工作奠定了一定基礎。其他高校和科研機構也正在開展這項研究，分別取得了

21、一定成果。關于數(shù)字有源電力濾波器的討論在國內(nèi)也有所報道，本文是基于TMS320LF2407A數(shù)字信號處理器芯片對三相有源電力濾波器研制的一些初步探討。1. 3 本論文主要工作本論文介紹了電力系統(tǒng)的諧波和諧波抑制技術發(fā)展狀況，有源電力濾波器的原理、結構及在諧波抑制中的應用。對有源電力濾波器的各種諧波電流檢測法、控制方法進行了討論比較，重點分析了基于瞬時無功功率理論的諧波檢測原理，在此基礎上，提出了基于移動電流平均值原理的諧波檢測新方法。在Simulink仿真環(huán)境下建立了各功能模塊，對此新檢測方法進行了仿真，并與采用傳統(tǒng)濾波器法的結果進行了對比，仿真結果初步驗證了該策略的正確性并為實驗提供了參考依

22、據(jù)。討論了基于DSP的電流平均值諧波檢測方法及其軟硬件實現(xiàn)，在此基礎上完成了TMS320LF2407A芯片為核心的有源電力濾波器實驗系統(tǒng)的調(diào)試工作。為進一步研究有源電力濾疚器的數(shù)字化實現(xiàn)奠定了基礎。第二章 有源電力濾波器原理和結構2.1 有源電力濾波器工作原理有源電力濾波器(Actix，ePowerFilter，簡稱APF)系統(tǒng)構成的原理圖如圖2.1所示。圖中e:表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器是一種向電網(wǎng)注入補償諧波電流，以抵消負荷所產(chǎn)生的諧波電流的濾波裝置。它由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生尾路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分構成

23、)。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償尾流。主電路一般采用PWM變流器。作為主電路的PWM變流器在產(chǎn)生補償電流時主要作為逆變器工作，但它并不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側儲能元件充電時，它就作為整流器工作。也就是說，它既工作于逆變器狀態(tài)，也工作于整流狀態(tài)，且兩種工作狀態(tài)無法嚴格區(qū)分。圖2.1所示有源電力濾波器的基本工作原理是，檢測補償對象的電面確疏;經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流

24、發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。例如，當需要補償負載產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流的諧波分量，將其反極性后作為補償電流的指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流即與負載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流中只含有基波，不含諧波。這就達到了抑制電源電流中諧波的目的。上述原理可用如下的公式說明:式中 負載電流的基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的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

25、中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量。2. 2 有源電力濾波器系統(tǒng)構成根據(jù)有源電力濾波器接入電網(wǎng)的方式，將其系統(tǒng)構成分為兩大類，即并聯(lián)型和串聯(lián)型。兩者又分別包括不同的類型，如圖2.2所示。有源電力濾波器每一種類型又各有其特點，因而其工作原理、特性等也就各有其特點。下面將就每一種類型的有源電力濾波器的系統(tǒng)構成和主要特點進行論述。所介紹的原理圖均以單線圖畫出，它們均可用于單相或三相系統(tǒng)。此外，圖中未畫出控制電路。2. 2. 1 并聯(lián)型有源電力濾波器2.2.1.1 單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構成的原理如圖2.3所示。圖中，負載為產(chǎn)生諧波

26、的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側儲能元件共同組成有源電力濾波器的主電路。與有源電力濾波器并聯(lián)的小容量一階高通濾波器(或采用二階高通濾波器)，用于濾除有源電力濾波器所產(chǎn)生的補償電流中開關頻率附近的諧波。由于有源電力濾波器的主電路與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱為并聯(lián)型。又由于其補償電流基本上由有源電力濾波器提供為與其他方式相區(qū)別，稱之為單獨使用的方式。這是有源電力濾波器最基本的形式，也是應用最多的一種。這種方式可用于：(1)只補償諧波;(2)只補償無功功率，補償?shù)拇笮】筛鶕?jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié);(3)補償三相不對稱電流;(4)補償供電點電壓波動:(5)以上方式的組合。這種方式中，只要采用適當?shù)目刂品椒ň?/p>

27、可以達到多種補償?shù)哪康模梢詫崿F(xiàn)的功能最為豐富靈活。但是，由于交流電源的基波電壓直接 (或經(jīng)變壓器)加到變流器上，且補償電流基本由變流器提供，故要求變流器具有較大的容量，這是這種方式的主要缺點。2. 2. 1. 2 與LC濾波器混合使用方式 這種方式正是為克服上一種方式要求容量較大這一缺點而提出的。其基本思想是利用LC濾波器來分擔有源電力濾波器的部分補償任務。由于LC濾波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點在于結構簡單、易實現(xiàn)且成本低，而有源電力濾波器的優(yōu)點是補償性能好。兩者繪合同時使用，既可克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，又可使整個系統(tǒng)獲得良好的性能。并聯(lián)型有源電力濾波器與LC濾波器混合

28、使用的方式又可以分為兩種:一種是有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián);另一種是有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)。圖24是有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式的一種。有源電力濾波器與LC濾波器均與諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)，兩者共同承擔補償諧波的任務，LC濾波器主要補償較高次數(shù)的諧波，是一個高通濾波器。這里，高通濾波器一方面用于消除補償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補償對象中次數(shù)較高的諧波，從而使得對有源電力濾波器主電路中器件開關頻率的要求可以有所降低。這種方式中由于LC濾波器只分擔了少部分補償諧波的任務，故對降低有源電力濾波器的容量起不到很明顯的作用。但因對有源電力濾波器主電路中器件的開

29、關頻率要求不高，故實現(xiàn)大容量相對容易一些。圖2.5所示為有源電力濾器與LC濾波器并聯(lián)的另一種方式。在這種方式中，LC濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，承擔了絕大部分補償諧波和無功的任務。有源電力濾波器的作用是改善整個系統(tǒng)的性能，其所需的容量與單獨使用方式相比可大幅度降低。從理論上講，只要使用LC濾波器就存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能，因此在有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)使用的方式中，需對有源電力濾波器進行有效的控制，以抑制可能發(fā)生的諧振。. 圖2.6所示為并聯(lián)型有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)方式的原理圖。該方式中，諧波和無功功率主要由LC濾波器補償，而有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的

30、濾波特性，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。該方式中，有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。由于有源電力濾波器與LC濾波器一起仍是與諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)，故仍將其歸入并聯(lián)型。目前己大量使用的LC濾波器，改進和提高性能。均可采用圖2.5或圖2.6的方式進行改進和提高性能。2.2.1.3 注入電路方式 這是為降低有源電力濾波器容量而提出的又一種方式，有源電力濾波器容量取決于其承受的電壓和流過的電流。此種方式利用電感電容電路的諧振特性，用電感和電容構成注入回路，使得有源電力濾波器只承受很小部分的基波電壓，從而極大地減小有源電力濾波器的容量。根據(jù)電感電容電路諧

31、振特性的不同，注入電路方式又分為LC串聯(lián)諧振注入電路方式和LC并聯(lián)諧振注入電路方式兩種。圖2.7所示為LC串聯(lián)諧振注入電路方式的系統(tǒng)構成原理圖，其中C2L在電源電壓的基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，基波電壓絕大部分降落在電容Cl上。這樣，有源電力濾波器只需承受其余的很小部分基波電壓。電容Cl還可起到無功補償?shù)淖饔?。圖2.8是采用LC并聯(lián)諧振注入電路方式的系統(tǒng)構成原理圖。在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間串入在基波頻率處諧振的LlC回路，基波電壓絕大部分加在該諧振電路上，有源電力濾波器與L2一樣只承受其余很小部分的基波電壓。該方式還有一個好處是只有很小的基波電流流過LlC及L2。在注入電路方式中，有源電力濾波器

32、不能補償基波無功功率。在多數(shù)情況下，并聯(lián)型有源電力濾波器主要用于補償可以看作電流源的諧波源，如直流側為阻感負載的整流電路。此時，有源電力濾波器向電網(wǎng)注入補償電流，抵消諧波源產(chǎn)生的諧波，使電源電流成為正弦波。這種情況下，并聯(lián)型有源電力濾波器本身表現(xiàn)出電流源的特性。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使用方式和與LC濾波器混合使用方式兩種。2.2.2.1 單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 圖2.9是單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。這種方式的特點是有源電力濾波器作為電壓源串聯(lián)在電源和諧波源之間。串聯(lián)型有源電力濾波器與并聯(lián)型有源電力濾波器不同，主要用于補償可看作電壓源的諧

33、波源。典型的例子是電容濾波型整流電路。針對這種諧波源，串聯(lián)型有源電力濾波器輸出補償電壓，抵消由負載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點電壓波形成為正弦波。2.2.2.2 與LC濾波器混合使用方式 圖2.10是這種方式的原理圖。這種方式是在并聯(lián)的負載和LC濾波器與電源之間串入有源電力濾波器。其特點與圖2.6所示的方式類似，諧波基本由LC濾波器補償，而有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性?？蓪⒂性措娏V波器看作一個可變阻抗它對基波的阻抗為0，對諧波呈現(xiàn)高阻抗阻止諧波電流流入電網(wǎng)，而迫使諧波電流流入LC濾波器。換言之，有源電力濾波器起到了諧波隔離器的作用。另外，串聯(lián)有源電力濾波器還作為阻尼電阻，抑制電

34、網(wǎng)阻抗對LC濾波器的影響，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2.3 有源電力濾波器的主電路有源電力濾波器在實際應用中往往要求容量較大，如采用單個PWM變流器不能達到容量要求時，通常采用多重化的主電路形式。下文介紹單個PWM變流器的主電路形式。2.3.1 PWM逆變器的主電路采用單個PWM變流器有源電力濾波器的主電路，根據(jù)其直流側儲能元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。圖2.11和圖2.12分別示出了可應用于三相三線制系統(tǒng)的電壓型和電流型兩種主電路，圖中a、b、c接至三相電源，V1、V3、V5和V4、V6、V2為各組開關器件的代號。圖中畫的電力電子開關器

35、件為IGBT，實用中還可選用GTO晶閘管、BJT、電力MOSFET等器件。就其結構而言，兩種電路與變頻器、SVG等的主電路基本相同，只是應用場合不同，要求不同，控制方法不同。圖2.13和圖2.14分別示出了應用于單相系統(tǒng)的電壓型和電流型兩種主電路形式。下面簡要概述電壓圣和電流型變流器兩種主要電路的基本特點。1. 電壓型PWM變沉器的直流側接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作毛壓源;電流型PWM變流器的直流側接有大電感，在正常工作時，其毛流基本保持不變，可看作電流源;2. 對于電壓型PWM變流器，為保持直流側電壓不變，需要對直流側電壓進行控制;對于毛流型PWM變流器，為保持直流側

36、電流不變，需要對直流側電流進行控制;3. 電壓型PWM變流器的交流側輸出電壓為PWM波，電流型PWM變流器的交流側輸出電流為PWM波。與電壓型PWM變流器相比，電流型PWM變流器的一個優(yōu)點是，不會由于主電路開關器件的直通而發(fā)生短路故障。但是，電流型PWM變流器直流側大電感上始終有電流流過，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。不過，隨著對超導磁體研究的進展，一旦超導儲能磁體實用化，必將取代大電感，促使電流型PWM變流器的應用增多。2.3.2 PWM逆變器的工作原理下面以電源電壓的中性點與直流電壓的中性點不連接為例，介紹其工作原理。逆變器等效電路如圖2.15所示。圖中表示晶閘

37、管的開關狀態(tài)，S=1代表開關接到的正極，S=0代表開關接到的負極。因此各開關的組合共有8種工況，如表2.1所列。表中為第n種工況的工況系數(shù)，可由電路方程求取。同理可求出其他況系數(shù)如表2.1所示當3個開關同時為關或同時為開時，逆變器為浮接狀態(tài)，工況系數(shù)均為零。在實際中，可根據(jù)電路中所需補償諧波電流的極性來選擇開關模式，輸出期望的諧波電流，來實現(xiàn)諧波補償。2.3.3 電流跟蹤控制方式在2.1節(jié)中介紹過，有源電力濾波器可分為兩大部分，指令電流運算電路的作用是得出補償電流的指令信號，據(jù)此由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流。這部分的內(nèi)容在以后章節(jié)中介紹。電流跟蹤控制電路正是補償電流發(fā)生電路的第一個環(huán)節(jié)，其作

38、用是根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關系，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個器件通斷的PWM信號，控制的結果應保證補償電流跟蹤其指令信號的變化。有源電力濾波器產(chǎn)生的補償電流應實時跟蹤其指令電流信號的變化，這就要求補償電流發(fā)生電路要有很好的實時性，因此電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。目前跟蹤型PWM控制的方法主要有瞬時值比較方式、三角波比較方式和定時比較方式等。2. 3. 3. 1瞬時值比較方式 圖2.17所示為以一相的控制為例，采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式的原理圖。在該方式中，把補償電流的指令信號與實際的補償電流信號進行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器

39、產(chǎn)生控制主電路中開關通斷的PWM信號，該PWM信號經(jīng)驅動電路來控制開關的通斷，從而控制補償電流的變化。這種控制方式中，滯環(huán)的寬度H對補償電流的跟隨性能有較大的影響。當H較大時，開關通斷的頻率即電力半導體器件的開關頻率較低，故對電力半導體器件的要求不高，但是跟隨誤差較大，補償電流中高次諧波較大。反之，當H較小時，雖然跟隨誤差小，但是開關頻率較高。上述控制方式的特點如下:(l)硬件電路十分簡單;(2)屬于實時控制方式，電流響應很快;(3)不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量;(4)屬于閉環(huán)控制方式，這是跟蹤型PWM控制方式的共同特點;(5)若滯環(huán)的寬度固定，則電流跟隨誤差是固定的，但是電力

40、半導體器件的開關頻率是變化的。在采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式中，滯環(huán)的寬度通常是固定的，由此導致主電路中電力半導體器件的開關頻率是變化的。尤其是當變化的范圍較大時，一方面，在 值小的時候，固定的環(huán)寬可能使補償電流的相對跟隨誤差過大;另一方面，在 值大的時候，固定的環(huán)寬又可能使器件的開關頻率過高，甚至可能超出器件允許的最高工作頻率而導致器件損壞。針對這一缺點，一種解決的方法是將滯環(huán)比較器的寬度H設計成可隨 的大小而自動調(diào)節(jié)的;另一種方法是采用定時比較方式，其原理在本節(jié)的第3點詳述。2.3.3.2 三角波比較方式 圖2.18所示為三角波比較方式的原理圖這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方

41、式不同，它不直接將指令信號 與三角波比較，而是將 與 的偏差 經(jīng)放大器A之后再與三角波比較。放大器A一般采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把 控制為最小來進行設計的。與瞬時值比較方式相比，該方式具有如下特點：(1)硬件較為復雜;(2)跟隨誤差較大;(3)輸出電壓所含諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的開關頻率固定，且等于三角載波的頻率;(6)電流響應比瞬時值比較方式的慢。由以上介紹可見，瞬時值比較方式和三角波比較方式各有優(yōu)缺點，實際使用時可根據(jù)系統(tǒng)要求選擇。2.3.3.3 定對比較判斷法 這種方法其實是瞬時值比較法的改進，本

42、文將其單列出來詳述，是區(qū)為其特別適合于數(shù)字實現(xiàn)。這種方法的控制策略和滯環(huán)寬度控制基本是一樣的，但其采用固定的采樣頻率來采樣電流，只在每個采樣點對采樣戮的瞬時電流信號和給定參考電流信號進行比較，以決定逆變器的開關狀態(tài)。每個開關器件導通或關斷的時間是一個或若干個電流采樣周期，開關器件的最大開關頻率等于電流采樣頻率，其平均開關綏率小于電流采樣頻率。這樣電流的比較不需要滯環(huán)，電流的采樣間隔就相當于滯環(huán)比較控制中滯環(huán)的作用。顯然，定時比較判斷法控制的精度是和電流的采樣頻率有關的。定時比較判斷法電流追蹤的示意圖如圖2.19所示。圖中，t為電流采樣間隔， 為補償電流的指令信號， 為實際的補償電流信號。經(jīng)過分

43、析可以知道，最大電流誤差和電流采樣周期是成正比的。因此，定時比較判斷法中電流追蹤控制的電流采樣周期就相當于滯環(huán)寬度控制法中滯環(huán)的作用，提高采樣頻率就能提高電流追蹤的精度。但是采樣頻率的提高受開關器件的最大開關頻率限制。定時比較判斷法電流追蹤型PWM控制非常適合于數(shù)字控制，電流的采樣可以由微控制器定時來控制，實際電流采樣經(jīng)A/D轉換讀入微機，給定參考電流信號由實時計算得出。這樣，數(shù)字化的實際電流和參考電流就可以由微機進行比較，然后可確定逆變器的開關狀態(tài)，這里不需要復雜的算法，程序簡單。滯環(huán)寬度控制則要求電流的比較要實時完成，為此要求用像定時比較判斷法那樣的數(shù)字控制時，A/D轉換以及數(shù)字比較的速度

44、都要非常高，因此實現(xiàn)比較困難。一般，電流滯環(huán)寬度控制法通常由模擬電路實現(xiàn)，整個控制系統(tǒng)要比定時比較判斷法復雜。本課題采用了定時比較判斷法，利用DSP芯片來進行控制和運算。第三章 瞬時諧波及無功電流檢測方法3. 1概述實時、準確地檢測出電網(wǎng)中畸變的電流是有源電力濾波器進行諧波補償?shù)年P鍵。本章就高次諧波及基波無功的檢測問題進行討論。諧波的檢測方法主要有基于頻域的快速傅立葉變換法、時域分析法和基于瞬時無功功率理論法等幾種。由于瞬時無功功率理論比較成熟，為此本文重點討論以瞬時無功功率理論為基礎的諧波檢測方法及其數(shù)字實現(xiàn)。三相電路瞬時無功功率理論最早是1983年由赤木泰文提出的，此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸

45、完善。赤木最初提出的理論亦稱pq理論，是以瞬時實功率p和瞬時虛功率q的定義為基礎，其主要的不足是只適用于三相電壓正弦、對稱情況下的三相電路高次諧波和基波無功電流的檢測，而在電壓非正弦、負載不對稱情況下，該定義不再有明確的物理意義也不能實現(xiàn)瞬時無勸電流的全補償。由Bhattacharya等提出的法，是建立在計算三相瞬時電流分量基礎上。該法構造了以同步電壓速度旋轉的具有兩個正交軸的參考坐標系，即同步參照系。該理論在三相電壓非正弦、非對稱情況下仍可以實現(xiàn)三相電路中的無功、高次諧波和基波負序電流的檢測?；谒矔r無功功率理論為基礎的諧波檢測方法，在使用傳統(tǒng)濾波器時，動態(tài)響應速度較低，硬件復雜。在用數(shù)字處

46、理器實現(xiàn)時，由于基波有功電流的檢測處理需要一段時間，即所檢測分離出來的諧波和無功電流與負載電流相差一段時間，檢測得到的諧波和無功電流在負載電流穩(wěn)定時是準確的，但當負載電流變化較快時，誤差較大。以數(shù)字處理器進行采樣和計算，都要延遲幾個周期后進行補償，只能應用于穩(wěn)定的負載。本文給出了對，法進行改進的一種諧波檢測新方法一一電流移動平均值原理的諧波檢測，算法簡單，特別適用于數(shù)字實現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)濾波器的使用，可以提高動態(tài)響應速度，具有較好的實時性，且不受電壓不平衡的影響。適用于三相對稱或不對稱電路，也可用于單相電路。本章將先介紹基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法，然后介紹基于電流移動平均值原理的諧波檢測方

47、法。3.2 基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法3.2.1 瞬時無功功率的基礎理論設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為和，將它們變換到 兩相正交的坐標系上，得到 兩相瞬時電壓 和 兩相瞬時電流：寫成矩陣形式有根據(jù) 理論，瞬時有功功率p和無功功率q可分別記為：顯然瞬時有功功率為含有能量的實體，是在 平面上存在的實際物理量，而瞬時無功功率是與 平面垂直的向量，即不含能量的虛擬物理量。把式(3一7)寫成矩陣形式有3.2.2 三相電路諧波和無功電流實時檢測以三相電路瞬時無功功率理論為基礎，計算或為出發(fā)點即得三相電路諧波和無功電流檢測的兩種方法： 運算法和法。3.2.2.l 運算法 該檢測方法的原理

48、圖如圖3.2所示。根據(jù)定義計算出，經(jīng)低通濾波器(LPF)得到的直流分量。電網(wǎng)電壓波形無畸變時，為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，為基波。當有源電力濾波器用于補償諧波和無功時，就需同時檢測出補償對象的諧波和無功電流。這種情況下，只需斷開圖3.2中計算q的通道，由即可計算出被檢測電流的基波有功分量為：由于采用低通濾波器(LPF)求取，當被檢測電流變化時，檢測結果有一定延遲。當只檢測無功電流時，則不需低通濾波器，只需將q反變化即可得到無功電流，此時不存在延時。可求得無功電流如下式：由理論分析可知，對于三相三線制電路，當電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，不論三相電壓、電流是否對稱，運算方式的檢測結果都有誤差。3.2.2

49、.2 運算法 該法的原理如圖3.3所示。該法需要用到與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和對應的余弦信號，它們由一個鎖相環(huán)(PLL)和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。這里，無論三相電壓是否畸變，當不對稱或有畸變時，中的直流分量和分別與三相電流的正序基波有功和無功分量相對應，而其中的交流分量分別與諧波或不對稱分量相對應。用LPF分離出和，再對式(3-13)進行反變換，就得到基波分量如下，與p、q運算法相似，當要檢測諧波和無功電流之和時，只需斷開圖3.3中計算的通道即可。而如果只需檢測無功電流，則只對進行反變換即可。理論分析表明，對于三相三線制電路，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，按這種方式進行檢測時，由于只取、參

50、與計算，畸變電壓的諧波成分在運算過程中不出現(xiàn)，檢測結果也不受電壓波形畸變的影響。3.3 基于電流移動平均值原理諧波檢測新方法上述兩種方法，均需使用濾波器。使用模擬低通濾波器時，動態(tài)響應較慢，過渡時間要將近兩個周期。而使用數(shù)字濾波器雖然延遲較小，但數(shù)字實現(xiàn)較為復雜，計算量較大。本節(jié)介紹一種改進的法電流移動平均值原理方法。它不使用傳統(tǒng)濾波器，而是利用電流結構特點，由平均值原理得到與基波分量對應的直流量，進而得到諧波和無功分量，具有較快的動態(tài)響應速度。3.3.1 電流移動平均值原理基于瞬時無功功率的法構造了以同步電壓(系統(tǒng))速度旋轉的具有兩個正交軸的參考坐標系，來得到瞬時電流兩相分量，并通過傳統(tǒng)的濾

51、波器LPF濾波，得到與電流基波分量對應的直流量。電流平均值法也以同步變換為基礎，只是它以一個計算電流i平均值的模塊來代替LPF，實現(xiàn)了“濾波”。此模塊得到的平均值即為與電流基頻成分對應的直流量。原理分析如下:考慮一對稱三相負載，其三相電流將互有電角度的相位差，即三相基波電流相位為：，相序為。則第n次諧波分量的相位為:三的倍數(shù)次諧波的次數(shù)為3*i，1=0，1，2。將n=3*i代入上式，有： ，即三的倍數(shù)次諧波為為零序。如果是三相四線系統(tǒng)，這些諧波分量將出現(xiàn)在中線電流中。對于三相三線，這些諧波分量將不能流通。第6*i+5次諧波，i=0，1，2(即第5次，11次，17次諧波)對基波而言為負序。將n=6*1+5代入式(3-21)，同理得三