并聯(lián)型電力有源濾波器的諧波檢算及控制策略_圖文

1、 碩士學(xué)位論文并聯(lián)型電力有源濾波器的諧波檢算及控制策略研究Research on Harmonic detection and Control Methodof Active Power Filter作者:*導(dǎo)師:*2013年8月學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解*有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)*可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索,并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。(保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明學(xué)位論文作者簽名:導(dǎo)師簽名:簽字日期:年月日簽字日期:年月日中圖分類號: UDC:學(xué)

2、校代碼:密級:公開*碩士學(xué)位論文并聯(lián)型電力有源濾波器的諧波檢算及控制策略研究Research on Harmonic detection and Control Methodof Active Power Filter作者姓名:* 學(xué)號:05121677導(dǎo)師姓名:* 職稱:副教授學(xué)位類別:工學(xué)學(xué)位級別:碩士學(xué)科專業(yè):電力電子與電力傳動研究方向:諧波抑制無功補償*2013年8月致謝光陰荏苒,我的研究生生活即將結(jié)束,在此論文完成之際,特向所有關(guān)心支持我的親人、老師、同學(xué)們表示由衷的謝意。首先感謝我的父母,我的每一分成功都因為他們的欣慰而更有意義。其次對我的導(dǎo)師*副教授表示深深地感謝。湯老師從本科時

3、候就一直是我最尊敬的老師,很幸運有緣投其門下。學(xué)習(xí)上,老師深厚的理論知識,豐富的實踐經(jīng)驗使我所獲頗深,時值畢業(yè),我仍然會有些遺憾沒能充分利用機會向老師多學(xué)一些知識。在課題研究中,老師在大方向上把關(guān),鼓勵我們充分在自己的感興趣的領(lǐng)域發(fā)揮,盡所有可能讓我們得到充分鍛煉,同時這篇論文的完成也傾注了老師很多心血,甚至錯字標(biāo)點都一一校正。生活中,老師極強的責(zé)任心和豁達(dá)的人生態(tài)度一直是我學(xué)習(xí)的榜樣。深知老師平日對我們要求不高但期望卻很高,所以每一次老師認(rèn)可和肯定都是推動我做得更好的原動力。即將完成學(xué)業(yè)走上工作崗位,我會踏踏實實工作,本本分分做人,不讓每一個關(guān)心我的人失望。最后,向*電氣學(xué)院的全體老師致敬,

4、我的人生中最寶貴的六年半在交大度過,是你們用辛勤的汗水和無價的知識把我們培養(yǎng)出來。鐵打的營盤流水的兵,在即將離校之際,衷心的祝愿所有老師身體健康,闔家幸福。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文中文摘要中文摘要摘要:隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展以及各種用電設(shè)備對電能質(zhì)量要求的不斷提高,諧波抑制和無功補償問題越來越得到人們的重視。有源電力濾波器作為動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置,對比其他無源濾波等裝置有不可比擬的優(yōu)勢。本文對有源電力濾波器種類及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,選擇電壓并聯(lián)型有源電力濾波器作為研究對象。提出了一套有源濾波器的設(shè)計方案,重點研究了諧波電流檢算方法和電壓電流雙閉環(huán)的控制策略。本文研究了基于瞬時無功

5、理論的兩種諧波電流檢算方法pq法和ip-iq法以及由此衍生出來的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)電流矢量法。分別對三種方法做數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真分析,并對網(wǎng)側(cè)電壓畸變等不同情況下三種方法的諧波電流檢算效果進(jìn)行了對比分析。設(shè)計30階無限長數(shù)字濾波器,在采樣頻率為5KHZ時的響應(yīng)時間為6mS。討論了兩種電流跟蹤控制方法,三角波比較法和滯環(huán)比較法,并根據(jù)IGBT開關(guān)頻率要求提出定頻滯環(huán)比較法,就三角波與定頻滯環(huán)兩種控制方式仿真比較其對補償效果的影響。研究ip-iq法和dq0法在直流電壓控制上的實現(xiàn)方法。本文設(shè)計了基于DSP:TMS320F2812的數(shù)字化控制系統(tǒng),并采用C語言編寫的算法控制軟件。搭建了整套APF實驗平臺,完成了系

6、統(tǒng)主電路和控制電路的設(shè)計與調(diào)試,在三相不控整流負(fù)載下實驗,完成APF的基本功能。仿真和實驗結(jié)果驗證了諧波檢算方法和控制方法的有效性。關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;瞬時無功理論;旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換;諧波;無功分類號:ABSTRACTABSTRACT: Along with the development of power electronics technology, as well as improved requirement of power quality, harmonic suppression (諧波抑制and reactive power compensation(無功補償has got m

7、ore attention. As a dynamic compensation equipment, active power filter has much larger advantages than other compensation methods. Compared with other kinds of APF, this paper chose three phase shunt APF to study and puts forward a design of shunt active power filter based on DSP control, with spec

8、ial attention on harmonic detection and control strategy.There are p-q method, ip-iq method based on instantaneous reactive power theory and dq0 method based on dq0 transformation to be study. Three methods calculation results were compared under different voltage circumstances with simulation. 30 b

9、ands finite digital filter was designed whitch dynamic response time is 6 mS at the sampling frequency of 5 kHz. Two current tracking control methods were discussed and fixed frequency hysteresis-loop comparator was chosen according the requirement of IGBT. DC voltage control method was studied in t

10、he two detecting method.A design of control system selecting DSP as the control core and its hardware design and software flow are introduced in detail. The results validate the method of reactive and harmonic current detection and control strategy in the dissertation, and also meet the design requi

11、rement of APF. KEYWORDS:Active power filter; reactive power; harmonic CLASSNO:目錄中文摘要. i ii ABSTRACT . (iv1 引言 (11.1 諧波抑制和無功補償?shù)囊饬x (11.2 諧波和無功的補償方法 (21.3 有源電力濾波器的原理、分類和發(fā)展 (42 并聯(lián)型有源電力濾波器設(shè)計 (122.1 諧波電流檢算電路 (122.2 數(shù)字濾波器設(shè)計 (252.3 電流閉環(huán)控制 (292.4 電壓閉環(huán)控制 (383 并聯(lián)有源電力濾波器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 (413.1 控制系統(tǒng)總體構(gòu)成 (413.2 TMS320F

12、2812控制板介紹 (413.3 測量電路及調(diào)理電路 (473.4 IGBT主電路 (534 三相并聯(lián)型有源電力濾波器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 (564.1 主程序模塊 (584.2 中斷服務(wù)子程序程序模塊 (595 實驗系統(tǒng)構(gòu)成與方案驗證 (635.1 帶有諧波的負(fù)載側(cè)電路 (635.2 檢測和調(diào)理電路模塊 (645.3 控制電路模塊 (665.4 主電路模塊 (685.5 控制板補償結(jié)果 (696 結(jié)論 (72參考文獻(xiàn) (74作者簡歷. 錯誤!未定義書簽。獨創(chuàng)性聲明. 錯誤!未定義書簽。學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 (761引言1.1諧波抑制和無功補償?shù)囊饬x電力是現(xiàn)代人類社會生產(chǎn)與生活不可缺少的一種主要能源形式

13、。但諧波問題對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在的威脅,給周圍電氣環(huán)境帶來了極大影響。諧波被認(rèn)為是電網(wǎng)的一大公害。對電力系統(tǒng)諧波問題的研究已成為電氣工程領(lǐng)域一個重要的研究課題。感性負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后是眾所周知的,而實際上直流側(cè)含濾波電容的二極管整流電路也是污染嚴(yán)重的諧波源,雖然其輸入電流的基波分量相位與電網(wǎng)電壓相位大體相同,位移因數(shù)接近一,但其輸入電流的諧波分量卻很大,因而總功率因數(shù)很低,給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。逆變和斬波裝置所需的直流電源來自整流電路,尤其是由直流電壓源供電的逆變或斬波裝置,其直流電壓源大多是由二極管整流再經(jīng)電容濾波得到的,因此諧波和無功問題也很嚴(yán)重。

14、此外,彩電和個人電腦等精密家用電器和辦公設(shè)備,都內(nèi)含開關(guān)電源,它們的日益普及所帶來的諧波污染問題亦日益嚴(yán)重。另外,周波變流器和采用相控方式的交流電力調(diào)整電路都是諧波和無功問題最突出的電力電子裝置。由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家用電器中的應(yīng)用日益廣泛,諧波所造成的危害已日益嚴(yán)重1:(1諧波使電能產(chǎn)生傳輸和利用的效率降低,使電器設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲,并使絕緣老化,使用壽命縮短;(2諧波引起電力系統(tǒng)局部串并聯(lián)諧振使諧波含量放大造成電容器等設(shè)備燒毀。(3諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作。(4諧波使電能計量出現(xiàn)混亂。(5諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,輕者

15、產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量;導(dǎo)致信息丟失,使通信系統(tǒng)無法正常工作。因此,改善電能質(zhì)量,采用一定措施抑制諧波的產(chǎn)生或在生成諧波的負(fù)載側(cè)進(jìn)行補償已成為目前的重要趨勢。人們對有功功率的理解非常容易,而要深刻認(rèn)識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中,無功功率的概念是清楚的,而在含有諧波時,至今尚無獲得公認(rèn)的無功功率定義。但是,對無功功率這一概念的重要性,對無功補償重要性的認(rèn)識,卻是一致的。無功功率對供電系統(tǒng)和負(fù)荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的,因此,網(wǎng)絡(luò)元件和負(fù)載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然這些無功功率要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送,通常也是不可能的。合理

16、的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率,即無功補償。無功補償?shù)囊饬x主要有以下幾點:(1提高供電系統(tǒng)及負(fù)載的功率因數(shù),降低設(shè)備容量,減少功率損耗。(2穩(wěn)定受電端電網(wǎng)的電壓,提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,提高輸電能力。(3在三相不平衡的場合,通過適當(dāng)?shù)臒o功補償可以平衡三相有功和無功負(fù)載。諧波抑制和無功補償雖然是兩個相對獨立的問題,但兩者又有非常緊密地聯(lián)系:首先,各類電力電子裝置目前已成為供電系統(tǒng)中主要的諧波源,同時其功率因數(shù)也很低,消耗大量的無功功率;再者,補償諧波的裝置通常也都是補償基波無功功率的裝置,如LC濾波器、電力有源濾波器

17、等。因此,這里把諧波抑制和無功補償兩個問題一起研究。1.2諧波和無功的補償方法解決諧波和無功污染的主要思想有兩種:一是裝設(shè)諧波和無功補償裝置,這對各種諧波源都是適用的;另外可以通過對電力電子裝置本身進(jìn)行改造,使之不產(chǎn)生諧波,且功率因數(shù)為一。后者的應(yīng)用主要有:PWM整流技術(shù),多重化技術(shù),功率因數(shù)校正技術(shù)(Power Factor Corrector-PFC,矩陣式變頻器等。下面對補償諧波和無功的電力電子裝置進(jìn)行簡要介紹。對于諧波的抑制,最早的方法是使用LC無源濾波器,這是由電力電容器、電抗器(常用空心的和電阻適當(dāng)組合而成的濾波裝置,運行中它和諧波源并聯(lián),除起濾波作用外,它還能補償無功功率。圖 1

18、.1為LC無源濾波器的原理圖。由于它結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便,得到了廣泛的應(yīng)用。然而,無源濾波器的缺陷卻也是其本身不可彌補的,這些缺陷包括:無源濾波裝置金屬材料消耗多、體積大;濾波要求和無功補償,調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào);濾波效果不夠理想,只能做成對某幾次諧波有濾波效果,而很可能對其他次諧波有放大作用,且濾波效果易受元件或系統(tǒng)參數(shù)、以及電網(wǎng)頗率等變化的影響;在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振,引發(fā)事故;當(dāng)諧波源增大時,濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重,以至可能因諧波過載不能運行等。 C2圖1.1 LC無源濾波器Fig 1.1 LC filter常用的無功補償措施除用發(fā)電機作為無功功率源外,還有調(diào)相機、并聯(lián)電容器

19、、并聯(lián)電抗器和靜止無功補償裝置。近年來,靜止無功補償裝置(SVC,獲得了很大發(fā)展,已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償以及長距離輸電的分段補償,也大量用于負(fù)載的無功補償。但是靜止無功補償裝置需要電容器和電抗器來貯能,其晶閘管的作用只是調(diào)整電抗器所吸收無功的大小或控制電容器的投切。這樣雖能較好地補償無功,但不能抑制諧波,甚至因晶閘管的相控工作方式使得補償器成為新的諧波電流源。比SVC更為先進(jìn)的現(xiàn)代補償裝置是靜止無功發(fā)生器(SVG。SVG也是一種電力電子裝置,其最基本的電路仍是三相橋式電壓型或電流型變流電路。SVG通過不同的控制,既可使其發(fā)出無功功率,呈電容性;也可使其吸收無功功率,呈電感性。采用PWM

20、控制,即可使其輸入電流接近正弦波。有源電力濾波器(Active Power Filter,縮寫為APF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。自80年代以來,由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和PWM 技術(shù)的發(fā)展,以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流實時檢測方法的提出,電力有源濾波技術(shù)得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比,有源電力濾波器主要有以下突出優(yōu)點2:(1 可對頻率和大小都變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補償,且對補償對象的變化有極快的響應(yīng)。(2 同時補償諧波和無功功率且可連續(xù)補償無功功率。(3 受電網(wǎng)阻抗的影響不大,不容易和電網(wǎng)發(fā)生諧振。(4 由于能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化,故補償特性不

21、受電網(wǎng)頻率變化的影響。(5 既可對一個諧波和無功源單獨補償,也可對多個諧波和無功源集中補 償。因此有源電力濾波器較以上各種諧波抑制和無功補償裝置都有一定的優(yōu)越性。是目前諧波抑制和無功補償應(yīng)用的一個重要發(fā)展趨勢。1.3 有源電力濾波器的原理、分類和發(fā)展電力有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.2所示,e s 表示交流電源,負(fù)載為諧波源,產(chǎn)生諧波并消耗無功。電力有源濾波系統(tǒng)由兩大部分組成1,即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路、和主電路三個部分組成。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;補償電流發(fā)生電路的作用是產(chǎn)生補償電流使其跟隨由指令電流運

22、算電路得到的補償電流的指令信號。主電路目前均采用PWM 變流器。其基本原理是:從補償對象中檢測出諧波電流h i ,由補償裝置產(chǎn)生一個與諧波電流h i 大小相等、方向相反的補償電流c i ,則諧波源所產(chǎn)生的諧波就可以被抵消,電力系統(tǒng)側(cè)的電流s i 僅為基波分量f i 。如果要求電力有源濾波器在補償諧波的同時補償負(fù)載的無功功率,則只要在補償電流的指令信號中增加與負(fù)載電流的無功分量方向相反的電流成分即可。這樣補償電流與負(fù)載電流中的諧波和無功成分相抵消,電源電流就等于負(fù)載電流的基波有功分量。根據(jù)同樣的道理,電力有源濾波器還可對不對稱三相電路中的負(fù)序電流進(jìn)行補償。從廣義的角度,有源濾波器可以看成“將系統(tǒng)

23、中所有有害電流(高次諧波電流、無功電流及負(fù)序電流檢出,產(chǎn)生與其相反的補償電流以抵消母線中有害電流的電力電子裝置”。 圖1.2 電力有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有源濾波器有多種分類方式,根據(jù)APF接入電網(wǎng)的方式不同分為串聯(lián)型APF,并聯(lián)型APF和混合型APF,他們分別適應(yīng)不同的補償對象。每一大類下面又根據(jù)不同的使用方式分類4,具體如圖1.3所示。有源電力濾波器并聯(lián)型串聯(lián)型單獨使用方式與LC濾波器混合使用方式單獨使用方式串并聯(lián)型與LC濾波器混合使用方式與LC濾波器并聯(lián)與LC濾波器串聯(lián)注入電路方式LC串聯(lián)諧振方式LC并聯(lián)諧振方式圖1.3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成分類并聯(lián)型APF等效為一個受控電流源,它向系統(tǒng)注

24、入與諧波電流大小相等,方向相反的電流,從而達(dá)到濾波的目的,圖1.4a為單獨使用的并聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF主要適用于電流源型感性負(fù)載的諧波補償。對于單獨使用的并聯(lián)型APF,它具有投切方便靈活、保護簡單、便于多重化等優(yōu)點。但由于電源電壓是直接加在變流器上,所以對開關(guān)器件耐壓等級要求較高;負(fù)載諧波含量較高時,這種有源濾波裝置容量也必須很大,投資也較高。而將其與LC濾波器并聯(lián),然后再與系統(tǒng)并聯(lián)的混合并聯(lián)型有源電力濾波器,如圖1.4b所示,在補償相同諧波的情況下可以盡量減小APF的容量,從而擴大了補償裝置的補償容量和補償頻帶。 a. 單獨使用的并聯(lián)型APFb. 與LC濾波器混合使用的并聯(lián)型APF圖1.

25、4 并聯(lián)型有源電力濾波器Fig. 1.4 Shunt-type active power filter串聯(lián)型APF經(jīng)耦合變壓器串接入電力線路,可等效為一個受控電壓源,主要是消除電壓型諧波以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負(fù)載的影響,圖1.5a為單獨使用的串聯(lián)型APF。與并聯(lián)型APF相比,由于串聯(lián)型APF中流過的是正常負(fù)荷電流,因此損耗較大;此外,串聯(lián)型APF的投切、故障后的退出及各種保護也較并聯(lián)型APF復(fù)雜。目前單獨使用的串聯(lián)型APF例子較少,研究主要集中在其與LC濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器上,如圖1.5b所示。 a. 單獨使用的串聯(lián)型APFb. 與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型APF

26、圖1.5 串聯(lián)型有源電力濾波器Fig. 1.5 Series-type active power filter圖1.6所示為串并聯(lián)型有源電力濾波器,有的文獻(xiàn)3稱其為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC。在此系統(tǒng)中,一個串聯(lián)APF和一個并聯(lián)APF 通過公共直流母線組合到一起。將串聯(lián)APF控制為電壓源來補償電網(wǎng)基波電壓和諧波電壓,并聯(lián)APF被控制為電流源吸收負(fù)載諧波電流并調(diào)節(jié)直流母線電壓。通過這樣的補償策略,負(fù)載端的電壓變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)正弦電壓,并且電網(wǎng)輸入電流也變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同相的正弦電流。對電網(wǎng)而言,就如同給純阻性負(fù)載供電一樣。 圖1.6 串并聯(lián)型APF有源電力濾波器根據(jù)主電路直流側(cè)儲能原件類型,分為電壓型A

27、PF和電流型APF。電壓型APF直流側(cè)接有大電容,為保持直流側(cè)電壓基本不變,需要對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制,交流側(cè)輸出電壓為PWM 波;電流型APF 直流側(cè)接有大電感,為保持直流側(cè)電流不變,需要對直流側(cè)電流進(jìn)行控制,交流側(cè)輸出電流為PWM 波形。與電流型APF 相比,電壓型APF 效率高,初期投資少,可任意并聯(lián)擴容,易于單機小型化,成本低,適用于電網(wǎng)級諧波補償;與電壓型APF 相比,電流型APF 的一個優(yōu)點是不會由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障,但是電流型APF 的直流側(cè)大電感上始終有電流流過,該電流將在電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大損耗,而且電感較電容體積大,用銅損耗多,因此目前實用裝置90%以上是電

28、壓型APF 。 x y z aba b c L圖1.7 三相電壓型APF 圖1.8三相電流型APF有源電力濾波器根據(jù)電源相數(shù)還可分為單相,三相三線和三相四線等形式。隨著各國對電網(wǎng)諧波污染治理日益重視,“綠色電力”的呼聲愈來愈高,有源電力濾波器將會得到廣泛地推廣應(yīng)用。自80年代以來,由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)和PWM技術(shù)的發(fā)展,以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流實時檢測方法的提出,電力有源濾波技術(shù)得到了迅速發(fā)展。目前有源濾波作為改善供電質(zhì)量的一項重要技術(shù),在日本、歐洲、美國等工業(yè)化國家已得到高度重視和日益廣泛應(yīng)用,從應(yīng)用的情況來看,其發(fā)展趨勢如下:(1為了實現(xiàn)對高次諧波有效補償,需要開關(guān)器件工

29、作在較高頻率。電力電子器件的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成線性關(guān)系,隨開關(guān)頻率提高損耗增加。中、小容量有源濾波器多采用高頻電力電子器件,如IGBT,其可工作在10kHz20kHz開關(guān)頻率范圍內(nèi)。但是,隨著容量增大,器件開關(guān)頻率下降,因此,高頻器件僅適用于中、小容量有源濾波器。采用多重化、多電平等技術(shù)提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率,彌補大容量電力電子器件開關(guān)頻率和耐壓水平不足的缺點567。對于大功率裝置而言,由于功率器件的開關(guān)頻率有限,則PWM調(diào)制與多重化并用成為提高等效開關(guān)頻率的一條重要途徑。例如,采用多組有源濾波器并聯(lián)使用,通過載波移相等控制,使濾波器組按照一定規(guī)律開通關(guān)斷,各組PWM逆變單元產(chǎn)生的補償電流

30、相加后注入電網(wǎng),而等效開關(guān)頻率卻可以提高到實際開關(guān)頻率的N倍(N為并聯(lián)使用單元數(shù),逆變主電路如圖1.1所示。采用H-橋級聯(lián)形式的有源濾波主電路結(jié)構(gòu),每一相都由N個H-橋串聯(lián)而成,而每個橋中開關(guān)器件只承受直流側(cè)總電壓的N分之一,因此,通過這種串聯(lián)型結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)低壓器件對高壓系統(tǒng)的諧波補償,逆變主電路如圖1.2所示。也有人嘗試采用懸浮電容逆變器FCML(Flying-Capacitor Multilevel以及二極管箝位DCML(Diode-Clamped Multilevel逆變器多電平結(jié)構(gòu),用于有源濾波器控制當(dāng)中,實現(xiàn)對高壓系統(tǒng)諧波補償,結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。此外,還可采用無源濾波器與有源濾波器

31、串聯(lián)使用的混合濾波器結(jié)構(gòu),無源部分用來承受主要基波電壓,有源部分僅承受很小的諧波電壓,該結(jié)構(gòu)可直接用于高壓電網(wǎng)。 dc V Block_nBlock_N 1i圖1.9 并聯(lián)多重化Fig. 1.9 Multi-inverter shunt connection L L Case_1Case_N Case_n 圖1.10 H-橋級聯(lián)型結(jié)構(gòu)Fig. 1.10 H-bridge cascaded configuration dc V2dc V 2dc V圖1.11 多電平逆變器Fig. 1.11 Multilevel inverter(2大功率補償裝置往往從經(jīng)濟角度考慮,采用與LC濾波器混合使用的方法

32、8?；旌蠟V波器主要分為兩種類型:(3研究先進(jìn)的諧波檢測方法和控制策略。近年來,日本投入運行的APF中控制裝置大多基于瞬時空間矢量理論。但由于電力系統(tǒng)及補償器具有非線性、多變量等特點,因此研究具有魯棒性的諧波檢測方法和控制策略成為今后有源濾波器研究的重點之一。(4提出新的有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高有源濾波系統(tǒng)補償性能,簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低有源濾波器成本。補償裝置數(shù)字化、智能化、多功能化。提高系統(tǒng)集成度和可靠性,增加濾波器功能,使其除能補償諧波電流外,通過在控制電路上加以改造還可以補償基波無功電流、抑制電壓閃變以及電壓不平衡等,具備綜合補償功能。北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文并聯(lián)型有源電力濾波器設(shè)計2并

33、聯(lián)型有源電力濾波器設(shè)計有源電力濾波器是綜合應(yīng)用電力電子、集成電路、電子與電磁、自動控制及微處理器技術(shù)等的一種多學(xué)科技術(shù)。主要功能模塊為:一是指令電流檢算電路,作用是實時準(zhǔn)確的檢算出所要補償?shù)碾娏餍盘?二是電流跟蹤控制電路,據(jù)此補償信號產(chǎn)生補償電流的發(fā)生電路。2.1諧波電流檢算電路諧波檢算是諧波抑制中的一個關(guān)鍵技術(shù),對諧波抑制效果非常重要。如何準(zhǔn)確、實時地檢算出電網(wǎng)中瞬時變化的畸變電流,是目前諧波抑制領(lǐng)域的一個重要研究課題。傳統(tǒng)的諧波電流檢算方法主要有模擬帶通(或帶阻濾波器檢測法,基于Fryze時域分析的有功電流分離法,基于頻域分析的FFT分解法,基于Akagi瞬時無功功率理論的檢測法,基于同步

34、原理的諧波檢測方法,基于人工神經(jīng)元的諧波檢測方法。其中三相電路瞬時無功理論,在諧波和無功電流的實時檢測方面得到了成功的應(yīng)用,是目前有源電力濾波器的主流算法9。本文主要討論基于瞬時無功理論的PQ檢算法,ipiq法,并研究了根據(jù)瞬時無功理論改進(jìn)的dq0檢算方法。本文所研究的檢算方法全部基于坐標(biāo)變換和矢量控制,所以首先對文中的兩種坐標(biāo)變換進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理意義分析1011。 圖2.1 通用向量圖圖2.1為通用向量圖,其中a-b-c 為三相靜止坐標(biāo)系,-為兩相靜止坐標(biāo)系,d-q 為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。把i 、i 投影到a-b-c 坐標(biāo)系下得到式(2-1。(a b c 1010i i i cos 2/3co

35、s 1/6i K K 1/22i i 1/2i cos 2/3cos 5/62 =- -(2-1 其中,考慮有中線或底線存在零序分量0i 。根據(jù)變換前后瞬時總功率相等原則,得到式(2-2,a ab bc c u i u i u i u i u i +=+ (2-2由式(2-1、(2-2得到系數(shù)-到a-b-c 的坐標(biāo)變換如式(2-3所示。 a b 23c 1 0i i i i 1/2C i i i 1/2 =-= - (2-3 式2-3的反變換如式(2-4所示。a ab 32bc c i i 1 -1/2 -1/2i i C i i 2i i = (2-4 圖2.1中-為兩相靜止坐標(biāo)系,d-q

36、為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,如果用電機系統(tǒng)來描述的話,-矢量屬于定子坐標(biāo)系,d-q 矢量屬于轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。假定同步電機定子abc 三相繞組由平衡的三相正弦交流電壓供電,則變換至同步轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系,abc 三相正序有功電流相當(dāng)于d 軸繞組的直流分量,即在同步電機轉(zhuǎn)子上看,定子三相繞組通以平衡的三相正弦交流,相當(dāng)于轉(zhuǎn)子d 軸繞組通以直流的作用。將變換成隨時間變化的電角度wt 以后可以得到ia ,ib ,ic 歸算到d-q 坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換公式(2-5、(2-6: park(120(240sin sin(120sin(240d a aq b bc ci cos t cos t cos t i ii t t t i C

37、 ii i i- =-= (2-5 1park00sin(120sin(120(240sin(240a d db q qccos t ti i ii cos t t i C ii i icos t t- =-= -(2-6上面兩式給出了在電力系統(tǒng)中abc坐標(biāo)系與dq0坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。公式(2-5和(2-6即為park變換和其反變換。1983年日本學(xué)者赤木提出了瞬時無功功率理論,其核心是對瞬時無功功率的定義。設(shè)三相電路中電壓和電流不含零序分量,其瞬時值分別表示為e a、e b、e c和i a、i b、i c。將它們分別變換到兩相正交的-坐標(biāo)系上, 可得兩相瞬時電壓e、e和兩相瞬時電流i、i,如

38、圖2.2和公式(2-7、(2-8所示。32abceeC eee = (2-732abciiC iii = (2-8圖2.2 -坐標(biāo)系中電壓、電流矢量 i pii在圖2.2所示的-平面上,矢量e ,e 和i ,i 分別可以合成為(旋轉(zhuǎn)電壓矢量e 和電流矢量i ,如式(2-9所示。ee e e e =+= ii i i i =+= (2-9定義三相電路瞬時有功電流ip 和瞬時無功電流iq 為矢量i 在矢量u 及其法線上的投影1:=p i i cos=q i i sin (2-10式中:=-e i三相電路瞬時有功功率和瞬時無功功率分別為:=pp ei=q q e i(2-11寫成矩陣形式得:= -p

39、q e e i i p c e e i i q (2-12把(2-7、(2-8代入上式,可得到p 、q 對于三相電壓電流的表達(dá)式:=+a b b c cp e i e i e i (2-13(b c a c a b a b c q e e i e e i e e i =-+-+-(2-14 從式(2-13中可以看出,三相電路瞬時有功功率就是三相電路的瞬時功率。式(2-12可以表示為:p e i e i =+ q e i e i =-上面兩方程聯(lián)立可以唯一地確定兩個未知量2222u u i p q u u u u =+ (2-15-1 2222u u i p q u u u u =-+ (2-1

40、5-2表示成矩陣形式:1221-= -+pq i e e p p C i e e e e q q、相的瞬時有功電流q i 、q i (瞬時無功電流p i 、p i 分別為三相電路瞬時有功電流ip (瞬時無功電流iq 在、軸上的投影,即22p p e p e ei i cos i p e e e =+ (2-16-1 22p p e p e ei i sin i p e e e =+ (2-16-2 22q q e q e ei i sin i q e e e =+ (2-16-322q q e q e ei i cos i q e e e -=-=+ (2-16-4由上面定義很容易得出以下結(jié)論

41、:222p p p i i i += (2-17-1 222q q qi i i += (2-17-2 p q i i i += (2-18-1 p q i i i += (2-18-2上述性質(zhì)是由軸和軸正交得到的。有功電流p i 和無功電流q i 又可表示為:sin cos cos sin p q i i i t t C i i i tt -= - (2-19其中sin t 是與A 相電壓a e 同相位的正弦信號,cos t -為其對應(yīng)的余弦信號。因為三相對稱電壓為: 111sin2sin(32sin(3abctee tet=-+(2-22經(jīng)過-變換后得到: 1sincose te t= -

42、設(shè)畸變電流的一般表達(dá)式為: 111sin(2sin(32sin(3n nnab n nncn nnn tii n tin t=+=-+ +(2-20經(jīng)過-變換后得到: (11sincosn nnn nnI n tiiI n t=+=+(2-21當(dāng)31n k=+時取上符號,31n k=-時取下符號。三相對稱電壓為: 111sin2sin(32sin(3abctee tet=-+(2-22經(jīng)過-變換后得到:1sin cos e t e t = - (2-23 按pq 運算方式將式(2-21、(2-23代入式(2-12得:111cos(1sin(1nn n n n n I n t p q I n t

43、 = = = ±- (2-24 可以看出,當(dāng)1n =時,即只有基波分量存在時,p 、q 均為常數(shù),當(dāng)負(fù)載電流中含有諧波分量時,瞬時有功p(瞬時無功q中不僅含有直流分量,還有諧波產(chǎn)生的交流分量:p p p=+ ;q q q =+ 。這時只要用低通濾波器把交流分量過濾掉,剩下的直流分量通過還原即為基波電流f i 。再由負(fù)荷電流i 減去基波電流f i就得到諧波電流h i 。這就是諧波電流的p-q 檢算法。p 、q 經(jīng)低通濾波器(LPF 濾波得到:111111cos(3sin(E I p E I q -= - (2-25從而求得基波電流分量為:111231111sin(2sin(32sin(

44、3af bf pq cf t i p i C C t q i t -+ =-+ + (2-26 上式 中如果只反變換回基波有功,則可以得到基波有功電流為p 1p 23p 0a fb f pqc fi p i C C i - = (2-27p-q 法補償諧波和無功電流的Matlab 仿真原理圖如下圖2.3所示 iacibcicc圖2.3 p-q法補償諧波和無功電流的Matlab仿真原理圖method仿真結(jié)果如圖2.4所示A相檢算諧波和實際諧波A相電壓a e與基波有功電流afi圖2.4 p-q仿真結(jié)果可見,該方法準(zhǔn)確地得到了基波電流分量或基波有功電流分量,從而得到系統(tǒng)的諧波電流分量或諧波和無功電流

45、分量之和。但是在三相電壓畸變的情況下,p-q法無法有效的檢測出負(fù)荷中的諧波電流。分析其原因:(1當(dāng)三相電壓畸變時,a b ce e e 含有諧波分量,這些諧波分量與a b ci i i 中同頻率的諧波分量相互作用所得到的瞬時有功功率p 和瞬時無功功率q 也為直流,低通濾波器不能將其濾除。(2通過低通濾波器的瞬時有功功率和瞬時無功功率的直流分量p 和q 與含有諧波的e e 相作用,還原后得到的基波電流f i 、f i 將再次被諧波污染?；冸娏鞯囊话惚磉_(dá)式為(2-20,瞬時有功電流p i 和瞬時無功電流q i 通過計算得到:(132321cos 1sin cos cos sin sin 1a a

46、 n p b b q n c c i i I n t i tt CC i C i i tt I n t i i - = -±- (2-28p i 、q i 經(jīng)LPF 濾波得到:(1111cos sin p q i I i I -= - (2-29 基波電流分量為: 1123231111sin(sin cos 2sin(cos sin 32sin(3af p p bf q q cft i i i t t i C C C t i i t t i t +- =-+ - + (2-30p qi i -電流檢算法的原理是:將得到的A 相電網(wǎng)電壓通過數(shù)學(xué)運算得到與電網(wǎng)A 相電壓同頻率的正弦信號和

47、余弦信號sin ,cos t t 。根據(jù)定義可計算出瞬時有功電流和瞬時無功電流,p q i i,經(jīng)過低通濾波器得到,p q i i 的直流分量,p q i i ,經(jīng)過一系列反變換即可得到基波電流f i。再由負(fù)荷電流i 減去基波電流f i就得到諧波電流h i 。下面就三相全控整流系統(tǒng)產(chǎn)生的電流畸變做諧波電流檢算仿真。圖2.5為仿真原理圖,仿真結(jié)果如圖2.6,2.7所示,從波形上可以看出此方法很好的檢算出了諧波電流。 iacibcicc圖2.5 p qi i 電流檢算法的仿真原理圖圖2.6 A相電壓與電流圖2.7 A相諧波電流因為三相對稱電壓的公式(2-22經(jīng)坐標(biāo)變換到-坐標(biāo)系下得到式(2-23,

48、比較式(2-12和(2-19,可以看出ip-iq法與pq法的本諧波電流的一般表達(dá)式為: =-+-+-+= +-+-+-+(2-31經(jīng)過park 變換后得到: =-+-+-+ -(2-32畸變電流經(jīng)過park 變換后,只有基波正序分量變換為直流分量14,且零軸分量為零,所以零軸可以不予考慮,簡化dq0為dq 坐標(biāo)系。dq0電流矢量檢算法的原理18是:將得到的A 相電網(wǎng)電壓通過數(shù)學(xué)運算得到與電網(wǎng)A 相電壓同頻率的正弦信號和余弦信號sin ,cos t t 。經(jīng)過park 變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流矢量d ,q i i ,經(jīng)過低通濾波器得到,p q i i 的直流分量,p q i i ,經(jīng)過一系列反

49、變換即可得到基波電流f i。再由負(fù)荷電流i減去基波電流f i就得到諧波電流h i 。下面就三相全控整流系統(tǒng)產(chǎn)生的電流畸變做諧波電流檢算仿真。圖 2.8為仿真原理圖,仿真結(jié)果如圖2.9-2.11所示,從波形上可以看出此方法很好的檢算出了諧波電流。 iacibcicc圖2.8 dq0電流矢量檢算法的仿真原理圖-1.5 -1-0.50.511.5圖2.9 三相二極管整流電路的A相電流波形-1.5-1-0.50.511.5圖2.10 濾波波后經(jīng)過dq反變換的A相電流ia- -1.5-1-0.50.511.5圖2.11 A 相諧波分量由圖2.1和式(2-5可知,dq0檢算方法本質(zhì)上就是把-坐標(biāo)乘以旋轉(zhuǎn)因

50、子得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系,與旋轉(zhuǎn)因子同步的電流分量變?yōu)橹绷?并且適當(dāng)選取旋轉(zhuǎn)因子使d 軸或q 軸與電網(wǎng)電動勢Edq 重合,可以把有功電流控制到d 軸或q 軸的分量上。本文旋轉(zhuǎn)因子為網(wǎng)側(cè)A 相電壓經(jīng)鎖相后得到,可以消除電網(wǎng)電壓畸變和不對稱給諧波檢算帶來的影響,但是如果要檢算無功電流,還需要對不對稱的網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行處理。本文主要討論了三種諧波電流檢算法,即基于變換的p-q 法(1和ip-iq 法(2,基于dq0變換的電流矢量檢算法(3。這些方法既可檢測出所有高次諧波分量,同時也可檢測出無功電流分量?；谧儞Q的p-q 法和ip-iq 法,適用于三相三線制的電路,經(jīng)過改進(jìn)還可用于三相四線制電路?；赿q0變換的

51、電流矢量檢算法適用于三相三線制電路和三相四線制電路。下面結(jié)合理論分析和仿真結(jié)果就三種算法的適用范圍作以比較。在三相電壓對稱,無高次諧波的情況下,檢算方法1、2、3均能很好的檢算出諧波電流。三種方法均能很好的檢算出諧波和無功電流之和;在三相電壓對稱,有高次諧波的情況下,同頻率的諧波電壓與諧波電流產(chǎn)生的有功功率也為直流,這時方法1的低通濾波器無法識別直流分量里哪一部分來自基波,哪一部分來自諧波,因此無法得到準(zhǔn)確的檢算結(jié)果。而方法2采用了PLL和正余弦發(fā)生電路,直接檢算有功電流,方法3直接檢算基波有功分量,這兩種檢算方法均與電壓諧波分量無關(guān),因此可以準(zhǔn)確檢算出諧波電流,也能很好的檢算出諧波與無功電流之和;在三相電壓幅值不對稱,且有高次諧波的情況下,方法2能準(zhǔn)確的檢算出諧波電流和諧波與無功電流之和;在三相電壓相位不對稱,且有高次諧波的情況下,方法2由于只有A相基波電壓與負(fù)荷電流耦合,不能得到準(zhǔn)確的檢算結(jié)果。方法3依然可以準(zhǔn)確的檢算出諧波電流和諧波與無功電流之和。從仿真波形可以看出,在穩(wěn)態(tài)時,三種檢算方法均能得到準(zhǔn)