電力電子技術(shù)課件第8章

1、第8章 有源電力濾波器,有源電力濾波器(Active Power Filter簡(jiǎn)稱APF)是一種新型的電力電子裝置，從它提出以來(lái)一直受到廣泛的重視。 有源電力濾波器的基本思想是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流等分量，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該分量大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流分量，抵消諧波電流分量從而使流入電網(wǎng)的電流只含基波分量。 它具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償功能多樣化、且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響的特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)LC濾波器和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，是諧波抑制的一個(gè)重要發(fā)展方向。,第8章 有源電力濾波器,8.1 有源電力濾波器概述 8.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論與諧波電流檢測(cè) 8.3 并聯(lián)型有源電力濾波器,8.1 有源電

2、力濾波器概述,8.1.1 有源電力濾波器的發(fā)展 有源電力濾波器從提出到投入實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。 (1)基本原理的提出和概念的形成。 (2)快速發(fā)展。 (3)持續(xù)發(fā)展。,有源電力濾波器在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化階段。世界上有源電力濾波器的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國(guó)西屋電氣公司、德國(guó)西門子公司等。其中有源電力濾波器技術(shù)在日本已經(jīng)成熟。 我國(guó)在有源電力濾波器的研究方面起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末才有論文發(fā)表。20世紀(jì)90年代以來(lái)一些高等院校和科研機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行有源電力濾波器的研究，但有關(guān)研究主要以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主。,8.1.2 有源電力濾波器的基本原理,有源電力濾波器的基本原理

3、如圖所示，圖中，es表示系統(tǒng)的等效電源，提供的電流為is，非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流為iL，有源電力濾波器并聯(lián)在負(fù)載端，產(chǎn)生的電流為iC。 根據(jù)基爾霍夫定律得,圖8-1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖,(8-1),假設(shè)負(fù)載電流含有諧波和無(wú)功分量，如式(8-2)所示，式中iLfp、iLfq和iLh分別負(fù)載電流的基波有功分量、基波無(wú)功分量和諧波分量。,(8-2),當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載電流產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，只需要有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流的諧波分量iLh大小相等、方向相反，如式(8-3)，代入到式(8-1)，與諧波分量相互抵消，如式(8-4)，則電源電流中只含基波分量，不含諧波，這樣就達(dá)到了抑制

4、電源電流中諧波的目的。,(8-3),(8-4),有源電力濾波器的基本工作原理是根據(jù)補(bǔ)償目的，檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾娏髯鳛閰⒖剂?，然后根?jù)有源電力濾波器的控制電路，產(chǎn)生一個(gè)與參考量大小相等、方向相反的諧波或無(wú)功量注入到系統(tǒng)中去，使系統(tǒng)電流最終滿足要求。從另一個(gè)角度講，有源電力濾波器向系統(tǒng)注入的量是諧波分量，所以有源電力濾波器也可以看成是一個(gè)諧波源。,有源電力濾波器應(yīng)該包含兩個(gè)部分： 電流運(yùn)算電路，用來(lái)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功電流等分量； 補(bǔ)償電流發(fā)生電路，即根據(jù)檢測(cè)電路所得出的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。,8.1.3 有源電力濾波器的特點(diǎn),與傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器相比，有源電力濾波器有如

5、下特點(diǎn)： (1)具有自適應(yīng)能力，能自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償頻率和大小都變化的諧波和無(wú)功分量，響應(yīng)速度快，可控性能較高，補(bǔ)償效果好。 (2)補(bǔ)償特性受電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的影響不大，不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，且能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波過(guò)電流。 (3)補(bǔ)償功能、補(bǔ)償方式多樣化。 (4)裝置所占的空間小，初期投資較大，電磁干擾較大。 (5)有源電力濾波器控制快速，不存在過(guò)載問(wèn)題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí)，裝置仍可以運(yùn)行，無(wú)需斷開。,8.1.4 有源電力濾波器的主電路形式,有源電力濾波器主電路目前均采用PWM變流器，根據(jù)直流側(cè)貯能元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。 圖8-2和圖8-3分別示出了可應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)

6、的電壓型和電流型兩種主電路，圖中的電力電子器件為IGBT，實(shí)際中可在GTO、IGBT、IGCT等器件中選擇。,圖8-2 三相電壓型PWM變流器,圖8-3 三相電流型PWM變流器,圖8-4和圖8-5分別示出了應(yīng)用于單相系統(tǒng)的電壓型和電流型兩種主電路形式。,圖8-4 單相電壓型PWM變流器,圖8-5 單相電流型PWM變流器,通過(guò)對(duì)圖8-2和圖8-3的比較分析，可得出電壓型和電流型變流器的區(qū)別： 電壓型PWM變流器的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變，可看作電壓源，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對(duì)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PWM變流器的直流側(cè)接有大電感，在正常工

7、作時(shí)，其電流基本保持不變，可看作電流源，為保持直流側(cè)電流不變，需要對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制，交流側(cè)輸出電流為PWM波。,電壓型的有源電力濾波器，它的優(yōu)點(diǎn)是用 電容器儲(chǔ)存能量，其損耗較小，效率高，但它不能直接控制輸出補(bǔ)償電流，而是通過(guò)控制電壓間接控制電流。 電流型的有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接輸出補(bǔ)償電流，不僅可以補(bǔ)償正常的諧波，還可以補(bǔ)償分?jǐn)?shù)次諧波和超高次諧波，并且不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，因而在可靠性和保護(hù)上占有較大的優(yōu)勢(shì)。,8.1.5 有源電力濾波器的分類,用戶所使用的電源是直流電源和交流電源，所以有源電力濾波器按供電的類型可分為交流有源電力濾波器和直流有源電力濾波器； 根

8、據(jù)有源電力濾波器接入電網(wǎng)的方式，有源電力濾波器主要分為三大類，即并聯(lián)型、串聯(lián)型和串并聯(lián)型。,圖8-6 有源電力濾波器的分類,1.交流有源電力濾波器 (1)并聯(lián)型有源電力濾波器 1)單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器。 并聯(lián)有源電力濾波器消除諧波的方法，其原理圖如圖8-1所示。這是有源電力濾波器中最基本的形式，也是目前應(yīng)用最多的一種。,優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn) 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：通過(guò)不同的控制作用，可以對(duì)諧波、無(wú)功、不對(duì)稱分量等進(jìn)行補(bǔ)償，因此補(bǔ)償功能較多，且連接方便；對(duì)于電流源性質(zhì)的諧波源，補(bǔ)償特性不受電源阻抗的影響。 這種方式的缺點(diǎn)是：電源電壓直接加在逆變橋上，對(duì)主電路中開關(guān)器件的電壓等級(jí)要求較高。有源電力濾波

9、器全部承擔(dān)負(fù)載的諧波補(bǔ)償，當(dāng)負(fù)載電流諧波含量高時(shí)，要求有源電力濾波器容量較大，補(bǔ)償頻帶寬。而PWM變流器的容量和動(dòng)態(tài)性能成反比，很難使APF在保證容量的同時(shí)，還具有良好的動(dòng)態(tài)特性和低的開關(guān)損耗。,適用的場(chǎng)合：主要用于電流源性質(zhì)的諧波源(如帶感性負(fù)載的整流器)。,2)與LC濾波器并聯(lián)的混合有源電力濾波器。 與LC濾波器混合使用的有源電力濾波器的基本思想是利用LC濾波器來(lái)分擔(dān)有源電力濾波器的部分補(bǔ)償任務(wù)，這主要是為了減小有源濾波器補(bǔ)償容量。而且LC濾波器的成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可降低整個(gè)裝置的造價(jià)。,1987年，M. Takeda等人首先提出用LC濾波器和有源電力濾波器并聯(lián)的混合型有源電力濾波器方案。

10、其原理圖如圖所示。,有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式,方案有兩種補(bǔ)償方式： 一種是LC濾波器，主要補(bǔ)償較高次諧波，而大部分諧波由有源電力濾波器補(bǔ)償，這對(duì)減低有源電力濾波器的容量起不到明顯的作用，但因?qū)τ性措娏V波器主電路中器件的開關(guān)頻率要求不高，實(shí)現(xiàn)大容量相對(duì)容易些； 另一種方式是LC濾波器分擔(dān)大部分諧波補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，而有源電力濾波器是為了改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，那么所需容量與單獨(dú)使用方式相比可大幅度降低，在這兩種方式中，有源電力濾波器都相當(dāng)于受控電流源。,方案的缺點(diǎn): 電網(wǎng)與有源電力濾波器及有源電力濾波器與LC濾波器之間存在諧波通道，特別是有源電力濾波器和LC濾波器之間的諧波通道，可能使有源電力

11、濾波器注入的諧波又流入LC濾波器中。,3)與LC濾波器串聯(lián)的混合有源電力濾波器。,1990年，H. Fujit等人提出將有源電力濾波器與LC濾波器相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案，其原理圖如圖所示，其中有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)電流控制電壓源。,并聯(lián)型有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)方式,補(bǔ)償方式 該方式中，諧波和無(wú)功功率主要由LC濾波器補(bǔ)償，而有源電力濾波器的作用是改善無(wú)源濾波器的濾波特性，克服無(wú)源濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響，易與電網(wǎng)發(fā)生諧振等缺點(diǎn)。,方案優(yōu)缺點(diǎn)和使用的場(chǎng)合 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是：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；有源電力濾波器與LC濾波器通過(guò)變壓器連接，電壓隔離和

12、保護(hù)比較方便。有源電力濾波器發(fā)生故障不會(huì)危及電網(wǎng)。 這種方案的缺點(diǎn)：對(duì)電網(wǎng)中的諧波電壓非常敏感。 適用的場(chǎng)合：適于高壓電力系統(tǒng)。,(2)串聯(lián)型有源電力濾波器。 1)單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器。 圖是單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。,單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器,這種方式中，有源濾波器對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)工頻分量呈現(xiàn)低阻抗，因此有源濾波器相當(dāng)于電源和負(fù)載之間的一個(gè)諧波隔離裝置，電網(wǎng)的諧波電壓不會(huì)加到負(fù)載和LC濾波器上，而負(fù)載的諧波電流也不會(huì)流入電網(wǎng)。,方式的優(yōu)缺點(diǎn) 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高，有源濾波器的容量很小，投資少。 這種方式的缺點(diǎn)是：由于有源電力濾波器串聯(lián)于電路中，很難

13、把電源和有源濾波器分開，易發(fā)生短路，絕緣比較困難，而且維修也不方便；有源濾波器一旦發(fā)生故障也將危及電網(wǎng)；在正常工作時(shí)，耦合變壓器流過(guò)所有的電流；不能抑制電源電壓的閃變。,(3)串并聯(lián)型有源電力濾波器。,為實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的多功能補(bǔ)償，1994年，H. Akagi 等人提出一種綜合了串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的混合型濾波器，稱之為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner簡(jiǎn)稱為UPQC)，可兼并二者之間的功能，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。,串并聯(lián)型有源電力濾波器,串聯(lián)有源濾波器用于對(duì)電力系統(tǒng)和負(fù)載之間的諧波起隔離作用，并在電壓波動(dòng)時(shí)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，同時(shí)它可以防止電力

14、系統(tǒng)的內(nèi)阻抗和無(wú)源濾波器之間發(fā)生諧振。并聯(lián)型有源濾波器主要進(jìn)行諧波和無(wú)功功率的補(bǔ)償，它同時(shí)還用于調(diào)節(jié)并聯(lián)型和串聯(lián)型有源電力濾波器所共用的直流側(cè)電容的電壓。,優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)合 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是：具有良好的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)電壓和電流、無(wú)功功率都可補(bǔ)償。 這種方式的缺點(diǎn)是：控制功能比較復(fù)雜，而且并聯(lián)有源電力濾波器負(fù)擔(dān)諧波補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，所需容量大，功耗大。具體實(shí)用性有待于進(jìn)一步的研究。 適用的場(chǎng)合：用于電力配電系統(tǒng)和工業(yè)電力系統(tǒng)。,2. 直流有源電力濾波器 有源電力濾波器應(yīng)用于高壓直流輸電系統(tǒng)起步較晚，1988年，C. Wong和N. Mohan等人首次提出將有源電力濾波器用于高壓直流輸電系統(tǒng)，并于隔年進(jìn)行

15、了可行性的驗(yàn)證。到20世紀(jì)90年代初，直流有源電力濾波器取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，最有代表性的是1991年12月首次將并聯(lián)混合型直流有源電力濾波器樣機(jī)在瑞典丹麥的250kV直流輸電Konti-Skan2工程中投入工業(yè)試運(yùn)行，取得了滿意的結(jié)果。此后直流有源濾波器受到了廣泛的重視。,第8章 有源電力濾波器,8.1 有源電力濾波器概述 8.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論與諧波電流檢測(cè) 8.3 并聯(lián)型有源電力濾波器,8.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論與諧波電流檢測(cè),8.2.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的基礎(chǔ)理論,(1)傳統(tǒng)功率的概念。 傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)的交流電流和電壓的有效值、有功功率、無(wú)功功率的概念都是建立在工頻周期的基礎(chǔ)上的。如對(duì)于單相交

16、流電路，設(shè)其電壓和電流分別為,設(shè) 定義其有功功率為 定義其無(wú)功功率為,對(duì)于三相交流電路，定義其有功功率為三個(gè)單相電路有功功率之和，無(wú)功功率為其三個(gè)單相電路無(wú)功功率之和。 對(duì)于此類電力電子裝置，采用上述功率定義無(wú)法正確地描述裝置在一小段時(shí)間內(nèi)有功功率和無(wú)功功率的意義，因而發(fā)展新的能準(zhǔn)確描述與功率、電壓瞬時(shí)值相對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率等概念是必要的。,(2)瞬時(shí)無(wú)功功率理論。 H. Akagi最初提出的理論亦稱pq理論，是以瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q的定義為基礎(chǔ)，其基本思想是將abc三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成ab坐標(biāo)系上的矢量，將電壓、電流矢量的點(diǎn)積定義為瞬時(shí)實(shí)電功率，電壓、電流矢量的矢量積

17、定義為瞬時(shí)虛電功率，并由此導(dǎo)出相應(yīng)的概念，其主要一點(diǎn)不足是未對(duì)有關(guān)的電流量進(jìn)行定義。,設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ea、eb、ec和ia、ib、ic，將其變換到a-b兩相正交的坐標(biāo)系中，如圖所示。,圖8-12 ab坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量,1)在ab兩相坐標(biāo)系中的定義。 由下面的變換可得到ab兩相瞬時(shí)電壓ea、eb和兩相瞬時(shí)電流ia、ib。,其中,(8-9),(8-10),由矢量圖可知,在上述公式中，其中ip和iq分別為三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流。,定義三相電路瞬時(shí)有功功率p(瞬時(shí)無(wú)功功率q)為電壓矢量的模和三相電路瞬時(shí)有功電流ip(三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流iq)的乘積。即,寫成

18、矩陣形式得出,(8-15),(8-16),得出p、q對(duì)于三相電壓、電流的表達(dá)式,從上式可以看出，三相電路瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率。,由圖8-12還可以得出,以上公式分別表示瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流在ab坐標(biāo)系上的投影。,2)在abc三相坐標(biāo)系中的定義。 定義三相電路各相的瞬時(shí)有功電流iap、ibp、icp(瞬時(shí)無(wú)功電流iaq、ibq、icq)是a、b兩相瞬時(shí)有功電流iap 、 ibp(瞬時(shí)無(wú)功電流iaq 、 ibq)通過(guò)兩相到三相變換所得到的結(jié)果。即,其中C23=C32T。,定義a、b、c各相的瞬時(shí)有功功率 、 、 (瞬時(shí)無(wú)功功率 、 、 )分別為該相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)有功電流(瞬時(shí)無(wú)

19、功電流)的乘積，即,其中，,由上兩式得到,可以看出，傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況。而瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波和任何過(guò)渡過(guò)程的情況。可以看出，瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以認(rèn)為是傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。,下面分析三相電壓和電流均為基波正序分量時(shí)的情況，設(shè)三相電壓、電流分別為,(8-24),(8-25),利用式(8-9)、式(8-10)對(duì)式(8-24)、式(8-25)進(jìn)行變換，可得,(8-26),(8-27),其中，,；,。,

20、把式(8-26)和式(8-27)代入式(8-15)中可得 令 、 分別為相電壓和相電流的有效值，得,上述計(jì)算結(jié)果是假定電壓和電流均為基波正序時(shí)得到的。若電壓無(wú)畸變(僅含基波正序分量)，而電流不僅存在負(fù)序分量，而且存在諧波分量，可以證明，通過(guò)上述公式的計(jì)算推導(dǎo)，所得瞬時(shí)功率不是直流量，而是具有直流偏置的變換量。,8.2.2 三相電路諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè),以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，三相電路諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)主要有兩種方法： p、q運(yùn)算方式 ip、iq運(yùn)算方式,(1)p、q運(yùn)算方式。,圖8-13 p、q運(yùn)算方式的原理圖,該方法的原理圖如圖8-13所示，圖中上標(biāo)-1表示矩陣的逆，C23= C32

21、T。,ia、ib、ic的諧波分量iah、ibh、ich。,當(dāng)有源電力濾波器同時(shí)用于補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率時(shí)，就需要同時(shí)檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象中諧波和無(wú)功電流。這種情況下，只需要斷開圖8-13計(jì)算q的通道即可。這時(shí)，由即可計(jì)算被檢測(cè)電流ia、ib、ic的基波有功分量iapf、ibpf、icpf。,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)間才能得到準(zhǔn)確的 、 。從而使檢測(cè)結(jié)果有一定延時(shí)。但當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，則不需低通濾波器，而只需直接將q反變換即可得出無(wú)功電流，這樣就不存在延時(shí)了，得到的無(wú)功電流,(2)ip、iq運(yùn)算方式。 該方法的原理如圖8-14所示。該方法是根據(jù)式

22、(8-15)、式(8-16)和式(8-26)聯(lián)立分析化簡(jiǎn)而得。圖中,圖8-14 ip、iq運(yùn)算方式的原理圖,與p、q運(yùn)算方式相似，當(dāng)要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需斷開圖8-14中計(jì)算iq的通道即可。而如果只需檢測(cè)無(wú)功電流，則只要對(duì)iq進(jìn)行反變換即可。 通過(guò)比較分析，p、q運(yùn)算方式需要10個(gè)乘法器和2個(gè)除法器，ip、iq運(yùn)算方式只需要8個(gè)乘法器，運(yùn)算比較簡(jiǎn)單。 另外，在電網(wǎng)電壓波形有畸變的時(shí)候，ip、iq運(yùn)算方式比p、q運(yùn)算方式計(jì)算的結(jié)果準(zhǔn)確，所以，在實(shí)際應(yīng)用中，ip、iq運(yùn)算方式應(yīng)用比較多。,第8章 有源電力濾波器,8.1 有源電力濾波器概述 8.2 瞬時(shí)無(wú)功功率理論與諧波電流檢測(cè) 8.3

23、并聯(lián)型有源電力濾波器,8.3 并聯(lián)型有源電力濾波器,在各種有源電力濾波器中，單獨(dú)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(shí)際中應(yīng)用最多的一種。它集中地體現(xiàn)了有源電力濾波器的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，用于三相的占多數(shù)，故本節(jié)重點(diǎn)討論適用于三相三線制的情況。,8.3.1 主電路的工作原理,設(shè)系統(tǒng)電壓為ua、ub、uc，三相補(bǔ)償電流分別為ica、icb、icc，直流側(cè)電容電壓為uc ，交流側(cè)電感為L(zhǎng)，則有：,圖8-15 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的原理,補(bǔ)償電流是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的，主電路的工作情況由主電路中6個(gè)開關(guān)器件的通斷組合決定。將特定的

24、開關(guān)組合所對(duì)應(yīng)的工作情況稱為工作模式，可得下列描述主電路工作情況的微分方程,式中：KaUc、KbUc、KcUc為主電路各橋臂中點(diǎn)與系統(tǒng)電源中點(diǎn)之間的電壓；Ka、Kb、Kc為開關(guān)系數(shù)。,表8-1主電路工作模式和開關(guān)系數(shù),直流側(cè)電容電壓應(yīng)大于交流電源相電壓峰值的3倍，才能控制電感上電流的增加或者減小，以達(dá)到較好的跟蹤補(bǔ)償效果。,8.3.2 指令電流運(yùn)算電路,指令電流運(yùn)算電路的作用是根據(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)，即期望由有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流信號(hào)。 指令電流運(yùn)算電路的核心是諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。 諧波電流檢測(cè)是決定有源電力濾波器補(bǔ)償性能好壞的重要環(huán)節(jié)，自從有源電力濾

25、波器原理提出以來(lái)，諧波電流的檢測(cè)便引起了廣泛的研究。,最早的諧波電流檢測(cè)方法是采用模擬濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用陷波器將基波電流分量濾除，得到諧波分量?；虿捎脦V波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減得到諧波分量。這種方法存在許多缺點(diǎn)，如難設(shè)計(jì)、誤差大、對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)十分敏感等，因而已極少采用。 隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，開始采用傅立葉分析的方法來(lái)檢測(cè)諧波和無(wú)功電流。,根據(jù)Fryze的傳統(tǒng)功率定義來(lái)構(gòu)造檢測(cè)方法。 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的方法 下面主要根據(jù)8.2節(jié)所介紹的ip、iq諧波檢測(cè)方法，并介紹如何將檢測(cè)方法運(yùn)用到有源電力濾波器中，同時(shí)給出一些典型的波形。,既然指令電流運(yùn)算電路

26、的出發(fā)點(diǎn)是為了有源電力濾波器的補(bǔ)償目的，那么首先必須確定補(bǔ)償目的。要確定補(bǔ)償目的，又必須明確補(bǔ)償對(duì)象即負(fù)載的工作情況。假設(shè)此時(shí)作為負(fù)載的三相橋式全控整流器的觸發(fā)延遲角a=30，則此時(shí)負(fù)載電流波形如圖8-16所示。,圖8-16 補(bǔ)償對(duì)象電壓和電流波形,若有源電力濾波器的補(bǔ)償目的是只補(bǔ)償諧波， 則檢測(cè)出負(fù)載電流iL中的諧波分量iLh。補(bǔ)償電 流的指令信號(hào)ic*應(yīng)與iLh極性相反，如圖8-17(a)所示。 若有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ic與ic*完全一致，則補(bǔ)償后的電源電流is如圖8-17(b)所示，與負(fù)載電流的基波分量完全相同。 若有源電力濾波器的補(bǔ)償目的是同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率，則檢測(cè)出負(fù)載電

27、流中的無(wú)功和諧波分量如圖8-18(a)所示，補(bǔ)償后的電源電流如圖8-18(b)所示 圖8-19給出的是只補(bǔ)償無(wú)功時(shí)的波形，在補(bǔ)償后的電源電流中仍包含一定的諧波成分。,圖8-17 只補(bǔ)償諧波時(shí)的情況 (a)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)； (b)補(bǔ)償后的電源電流,圖8-18 同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率時(shí)的情況 (a)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)； (b)補(bǔ)償后的電源電流,圖8-19 只補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)的情況(a)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)；(b)補(bǔ)償后的電源電流,、,(,、,),表8-2ic*與ip、iq (p、q)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的檢測(cè)方法中，補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic*與三相系統(tǒng)的瞬時(shí)有功電流ip、瞬時(shí)無(wú)功電

28、流iq存在著清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在以上三種情況下，ic*與ip、iq的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表8-2所示。表中括號(hào)表示采用p、q運(yùn)算方式時(shí)ic*與p、q的對(duì)應(yīng)關(guān)系。,8.3.3 電流跟蹤控制電路,電流跟蹤控制電路的作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流得出控制主電路各個(gè)器件通斷的PWM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。 由于并聯(lián)型有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨其指令電流信號(hào)的變化，要求補(bǔ)償電流發(fā)生器有很好的實(shí)時(shí)性，因此電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。,目前跟蹤型PWM控制的方法主要有兩種，即瞬時(shí)值比較方式和三角波比較方式。 (1)瞬時(shí)值比較方式。 如圖8-20所示，以一相的控制

29、為例，采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式的原理圖。,圖8-20 采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值 比較方式原理圖,在該方式中，把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic*與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較，兩者的偏差Dic作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開關(guān)的通斷，從而控制補(bǔ)償電流ic的變化。,下面以a相為例進(jìn)一步討論。設(shè)ic的方向如圖8-21所示，則當(dāng)V1器件(IGBT或二極管)導(dǎo)通時(shí)，ic將減小；而當(dāng)V4器件導(dǎo)通時(shí)，ic將增大。,圖8-21 采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式 ic跟隨ic*變化一例,用2H表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬 當(dāng) 時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出保持不

30、變； 當(dāng) 時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出將翻轉(zhuǎn)，假設(shè)后面的驅(qū)動(dòng)電路和主電路無(wú)延時(shí)，則補(bǔ)償電流ic的變化方向隨之改變。 這樣，就在-H和+H之間變化，即ic就在ic*-H和ic*+H之間的范圍內(nèi)，呈鋸齒波狀的跟隨ic*的變化。圖8-22示出了仿真得到的ic跟隨ic*變化的一個(gè)例子。,圖8-22 瞬時(shí)比較控制時(shí)的實(shí)際電流對(duì)諧波電流的跟蹤(a)檢測(cè)的參考電流(t/2ms/div)；(b)補(bǔ)償?shù)膶?shí)際電流(滯環(huán)帶寬=0.2)(t/2ms/div)；(c)補(bǔ)償?shù)膶?shí)際電流(滯環(huán)帶寬=2)(t/2ms/div),從圖8-22看出，通過(guò)瞬時(shí)比較控制，能夠?qū)崿F(xiàn)有源濾波裝置輸出電流對(duì)諧波電流的跟蹤，且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。圖

31、中實(shí)際輸出電流含有高次諧波，這是由滯環(huán)比較的誤差帶寬不為零引起的，并且滯環(huán)帶寬越大，所引起的誤差也越大，如圖8-22(b)和(c)比較所示。另外，滯環(huán)帶寬一定時(shí)，其開關(guān)頻率會(huì)隨著補(bǔ)償電流變化而變化，如圖8-22(c)所示，開關(guān)頻率不均勻，從而會(huì)引起較大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪聲。,根據(jù)上述原理及分析，將這種控制方式的特點(diǎn)總結(jié)如下： (1)硬件電路十分簡(jiǎn)單。 (2)屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快。 (3)不需要載波，輸出電壓中不含特定的諧波分量。 (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(diǎn)。 (5)若滯環(huán)的寬度固定，則電流跟隨誤差范圍是固定的，但是電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率是變化的。,(2)三角波比較方式。 這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同，它不直接將指令信號(hào)ic*與三角波比較，而是將ic*與ic的偏差Dic經(jīng)放大器A之后再與三角波比較。,