（電機(jī)與電器專業(yè)論文）基于模糊控制技術(shù)的有源濾波器的研究.pdf

摘要 a b s t r a c t h a r m o n i cp o l l u t i o ni sa ni n c r e a s i n gp r o b l e mt h a ta f f e c t su s e r st h r o u g h o u tt h e e l e c t r i cg r i d ，a n dh a ss i g n i f i c a n te c o n o m i cc o n s e q u e n c e sf o rm a n yd i f f e r e n tt y p e so f f a c i l i t i e s d i f f e r e n ts o l u t i o n t e c h n o l o g i e s h a v eb e e ni n t r o d u c e dt o m i t i g a t e t h e c o n s e q u e n c e so fs u c hd i s t u r b a n c e a c t i v ep o w e rf i l t e r sr e p r e s e n tt h em o s ta d v a n c e d ： t h ea i mi st o g e n e r a t e ac u r r e n u v o l t a g ea b l et oc o m p e n s a t ef o rt h e p o l l u t i n g c u r r e n t v o l t a g eg e n e r a t e db yt h ed i s t o r t i n gl o a d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa c t i v ep o w e rf i l t e r ，f o l l o w e d w h i c hi ti n t r o d u c e st h ec o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf i l t e r a f t e rt h a t ，i ta n a l y s e st h es y s t e m s t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da c t i v ep o w e rf i l t e rm a i nc i r c u i ta n d p a yg r e a t e m p h a s e so nt h ei n v e r t sb a s e dp w m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m ， t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ec o n t r o ls y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do i lf u z z y c o n t r o la n dd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h el a s t c h a p t e r , t h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h em o d e lb u i l d i n go fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s em a t l a b s i m u l i n k b y s i m u l a t i n gt h ea c t u a ls y s t e m ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z ya c t i v ep o w e rf i l t e r h a sa g o o dp e r f o r m a n c e k e y w o d s ：h a r m o n i c a c t i v ep o w e rf i l t e r f u z z yc o n t r o l p w m 華南理工大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn) 行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方 式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：叼鏟 日期：2 0 0 5年5月日 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學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華南理工大學(xué)可以將 本學(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，可以采 用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密。 ( 請?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“4 ”) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 叼切斷 拗 日期：2 0 0 5 年5 月日 日期：2 0 0 5 年5 月日 第一章緒論 第一章緒論 隨著電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載的日益增多，如何抑制由這些負(fù)載引起的電力系統(tǒng)的諧 波成了電氣工程師們目前面臨的一個(gè)難題。諧波污染造成電力系統(tǒng)中電壓和電流波形的 嚴(yán)重畸變，不僅導(dǎo)致極低的功率因數(shù)，而且危害用電設(shè)備和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 衡量電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，僅僅考慮頻率和電壓的允許偏差是不夠的，因?yàn)殡娏鳌?電壓波形畸變程度也是影響電能質(zhì)量的重要因素。然而一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)并未引起人 們足夠的重視，近年來系統(tǒng)內(nèi)大量非線性負(fù)載的發(fā)展，這種影響因素變得越來越突出。 像許多形式的污染一樣，電力系統(tǒng)中由于各種原因所產(chǎn)生的諧波也構(gòu)成對電網(wǎng)的污染、 從而惡化了整個(gè)電力生產(chǎn)環(huán)境，必須采取有效措施加以治理。 1 1電力系統(tǒng)諧波 諧波是相對于基礎(chǔ)正弦波而言的，所謂正弦波( 電壓、電流) 只是一種理想的參數(shù)波 形。而實(shí)際應(yīng)用的交流發(fā)電機(jī)既沒有高度精確分布的線圈結(jié)構(gòu)，也沒有極其均勻變化的 磁場，因此所產(chǎn)生的電壓波形，其隨時(shí)間的變化關(guān)系都或多或少的偏離正弦波而發(fā)生畸 變。因此在任何系統(tǒng)中都含有諧波畸變。 電力系統(tǒng)中諧波一詞系用來定義不同頻率和幅值的電壓、電流引起的畸變了的正弦 波，諧波是一種頻率為基波整數(shù)倍的系列正弦波。這些表示系統(tǒng)狀態(tài)的不同頻率、幅值 的系列正弦波使系統(tǒng)正弦電流、電壓產(chǎn)生不對稱。諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍( 1 、2 、 3 、4 、，如在5 0 h z 系統(tǒng)，其3 次、5 次諧波的頻率即分別為1 5 0h z 和2 5 0h z 。至 于頻率不是基波整數(shù)倍( 頻率小于基波的) 稱作分諧波，本文不做討論。 造成畸變的原因不同，其畸變波形形狀也各異。如采用橋式整流電路的變頻啟動(dòng)過 程，其畸變波形為獨(dú)特的雙尖項(xiàng)形的電流波；計(jì)算機(jī)負(fù)載由于電容電流作用，產(chǎn)生的畸 變波形為較陡的尖峰電流波；熒光燈的畸變波形呈低而平緩的波形；電弧爐的波形畸變 極大，且正負(fù)半周不等。 總之，可以認(rèn)為自第一臺發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行之同起就存在諧波，只是電力系統(tǒng)發(fā)展早 期，諧波的有害影響并不突出，因此未引起足夠重視。然而隨著電力電子工業(yè)的迅猛發(fā) 展，非線性負(fù)載的大量出現(xiàn)，嚴(yán)重地惡化了電力生產(chǎn)環(huán)境，諧波已成為污染電力生產(chǎn)的 公害，因此引起包括我國在內(nèi)各工業(yè)化國家的重視。 1 1 1 諧波的產(chǎn)生 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生主要源于兩大方面，其一是發(fā)電機(jī)、變壓器制造上的缺欠或風(fēng) 能、太陽能發(fā)電造成的；其二則是非線性負(fù)載造成的。就電網(wǎng)的發(fā)展來看，非線性負(fù)載 華南理工大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 的驚人發(fā)展則是造成諧波污染的主要根源。 當(dāng)某一個(gè)正弦電壓施加在某種負(fù)載上，形成的電流是和施加的電壓及負(fù)載阻抗成比 例的，并且隨電壓。波形變化而變化，這樣的負(fù)載叫做沒有畸變的線性負(fù)載，如電阻加 熱器、白熾燈、恒速電機(jī)等；若某些負(fù)載每半周里產(chǎn)生的電流和施加的電壓不呈比例性 變化，波形呈非正弦畸變波，這種負(fù)載就屬于非線性負(fù)載，如變頻啟動(dòng)電機(jī)、蓄電池充 電器、鎮(zhèn)流器等等。 近年來，高壓直流輸電技術(shù)、大容量無功補(bǔ)償技術(shù)等在電力系統(tǒng)的應(yīng)用，以及工業(yè) 生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用大容量晶閘管、可控硅整流器、逆變器、變流器等電子設(shè)備，這些設(shè)備 應(yīng)用在大到軋鋼機(jī)、電力機(jī)車、電鍍設(shè)備、電弧爐，d , n 變頻啟動(dòng)電機(jī)、不停電電源m p s ) 、 計(jì)算機(jī)、醫(yī)療設(shè)備、冰箱、微波爐等，都屬非線性負(fù)載。 諧波的影響程度及所引起的各種電氣損耗的計(jì)算，理論上有詳細(xì)的計(jì)算公式，本文 不做贅述。 1 1 2 諧波的危害 電力系統(tǒng)存在的大量諧波嚴(yán)重地降低了電能質(zhì)量，由于電力網(wǎng)上安裝有大量的高、 中、低頻加熱設(shè)備、開關(guān)電源、u p s 電源、各種類型的電源變換器、控制器以及大型鍛 壓沖壓設(shè)備等大量諧波源、沖擊源，在電路中產(chǎn)生大量的諧波和電壓電流瞬變，對電網(wǎng) 造成嚴(yán)重污染。諧波、瞬變的大量存在，會導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)降低，電能傳輸效率下降， 損耗增大。其主要危害分設(shè)備及運(yùn)行兩大方面。 一、對系統(tǒng)設(shè)備的危害 由于諧波的存在可能引起多種不良效應(yīng)，如串、并聯(lián)諧振引起的過電壓、過電流、 機(jī)械諧振等，從而引起過熱、絕緣老化、軸扭振等。：具體設(shè)備危害如： a 使電機(jī)、變壓器、電容器等嚴(yán)重發(fā)熱，損耗增大： b 諧振引起的過壓、過流可使電機(jī)、變壓器、電纜等絕緣老化，降低使用壽命； c 能使晶體管等電子元件發(fā)熱擊穿； d 使電機(jī)軸發(fā)生扭振，危及設(shè)備安全。 二、對系統(tǒng)運(yùn)行的影響 由于諧波的存在，通過電氣傳導(dǎo)、電磁感應(yīng)等方式影響繼電保護(hù)、計(jì)量系統(tǒng)和通訊 遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)正常工作。 a 諧波量大時(shí)可使繼電器拒動(dòng)或誤動(dòng)，如零序電流過大可能造成接地保護(hù)誤動(dòng)： b i 皆波量大時(shí)能使系統(tǒng)中反應(yīng)工頻正弦量的多數(shù)監(jiān)示、測量儀表出現(xiàn)誤差； c 諧波的存在不僅影響通訊系統(tǒng)通話的清晰度，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生諧振干擾整個(gè)通訊系 統(tǒng)； d 諧波影響功率因數(shù)補(bǔ)償效果： 第一章緒論 e i 皆波嚴(yán)重時(shí)可使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失控。 1 1 3 諧波的管理原則 要提高電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)的諧波，必須加強(qiáng)對諧波的管理。本著限制諧波源注入 諧波電流，將諧波電壓限制在允許范圍內(nèi)的原則。首先要掌握系統(tǒng)中的諧波源及分布， 限制諧波負(fù)載在允許范圍內(nèi)方可入網(wǎng)，未達(dá)標(biāo)的必須采取治理措施，以防諧波擴(kuò)散。為 此國際電工委員會( i e q 和美國i e e e 都有推薦標(biāo)準(zhǔn)，如i e e e 規(guī)定的電流諧波極限標(biāo)準(zhǔn) 見表1 - 1 。 l s c 1 lh 1 11 l h 1 71 7 h 2 32 3 h 3 53 5 ，使諧波的治理走上了標(biāo)準(zhǔn)化的軌道。 1 3 1 主題內(nèi)容與適用范圍 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測試方法，標(biāo)準(zhǔn)適用于交流額定頻率為 5 0 h z ，標(biāo)稱電壓1 1 0 k v 及以下的公用電網(wǎng)。標(biāo)稱電壓為2 2 0 k v 的公用電網(wǎng)可參照 1 1 0 k v 執(zhí)行。公用電網(wǎng)諧波電壓( 相電壓) 限值見表1 2 。 注：本標(biāo)準(zhǔn)不適用于暫態(tài)現(xiàn)象和短時(shí)惻諧波。 表1 2 公用電網(wǎng)諧波電壓( 相電壓) 限值 電網(wǎng)標(biāo)稱電壓總諧渡各扶諧渡電壓含百翠， 電壓k v畸變率 哥狀偶扶 0 3 85 04 02 0 6 4 0 3 21 6 1 0 3 5 b 5 3 0 2 41 2 1 i 0 2 01 50 8 第一章緒論 1 3 2 諧波電流允許值 公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量( 方均根值) 不應(yīng)超過表1 - 2 中 規(guī)定的允許值。 表1 2 a 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值 基準(zhǔn)短路 譴渡i 怒數(shù)廈譴渡電琉兜i 午值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓k y 客量m v 1 4 l s i 6 l t 1 6 t 9 2 02 l 2 2 2 32 4 2 5 1 0l o o3t l t1 3 26 o 2 8 5 4 2 62 日23452t4l 基準(zhǔn)短路 諧誼次數(shù)及諧渡電琉允許值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓k v 容量m v 2 3 458 t 89l ol l1 21 3 3 52 5 8 1 5 1 2t11 25l8 8384l3l5 b 2 b 7 1 4i 5 1 5 1 7 1 8 1 9 2 02 12 22 3 2 42 5 2 225l 目3b1 t32l ，5l8l ，427l32 5 基準(zhǔn)短路 誼鍍、文數(shù)爰諧渡窀流兜許值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓h 窯量m v 23458t891 0l l1 2 1 3 6 65 0 01 6i 3e 11 3 5 1g 34l4 3 3 3s 92t s0 1 4i s1 61 71 81 92 02 l2 22 32 4 2 5 2 3262 03 81 83 41 b1 g1 52 81 42 b 基準(zhǔn)短路 諧波次數(shù)爰譴渡電流允許值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓w 窯量_ v 234s87b9 1 0l i1 21 3 1 1 0t s 01 296609b4 0583 0 3 2244 3203 7 1 41 51 61 t 1 81 92 02 12 2 2 32 42 5 lt1 9152b1 32512l4l l21 101g 表1 2 b 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值 基準(zhǔn)短路 諧凌次數(shù)及諧波電流允許值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓w 容量h v 23456te9 1 01 11 2t 3 03 日1 07 8 6 23 9 6 2拍4 41 92 11 8 2 81 32 1 41 5 l b1 71 81 92 02 l2 2 2 32 2 s 1 l1 2gt1 8861 6t88 9tll 651 2 基準(zhǔn)短路 諧波次；畎譴波宅嶄t 允許值， 標(biāo)準(zhǔn)電壓塒 容量_ n 2 3 4s6t89 1 01 l1 21 3 61 0 04 3 3 4 2 13 41 42 4l ll l851 67l 1 3 1 4 1 51 6 1 t 1 81 92 02 12 22 32 4 2 5 邑l88 531 04 t9 0 it3t93 qt4 3bb8 基準(zhǔn)短黯 譴渡次數(shù)及澶竣窀流兜許短， 標(biāo)準(zhǔn)電壓w 容量m 2345 b t 891 01 1 1 21 3 1 01 0 02 82 b 1 32 08 51 5b 468519 343 t9 注： 2 2 0 k v 基準(zhǔn)短路容量取2 0 0 0 m v a 。 同公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議 9 華南理下大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 容量與其公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配。 1 4a p f 的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢 有源濾波器作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國 家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。目前，世界上a p f 的主要生產(chǎn)廠家有日本三 菱電機(jī)公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。自1 9 8 1 年以來，僅在日本，已 有4 0 0 多臺a p f 投入運(yùn)行，容量范圍由5 0 k v a 到6 0 m v a 。 1 4 1 應(yīng)用情況 有源電力濾波器技術(shù)在日本已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開始進(jìn)入實(shí)用化階段，從1 9 8 3 年到 1 9 9 5 年，共有4 5 5 套有源電力濾波器投入實(shí)際使用。下面就幾個(gè)方面給出一些基本情況。 ( 1 ) 生產(chǎn)臺數(shù)和容量 從1 9 9 1 年到1 9 9 5 年累計(jì)生產(chǎn)3 5 5 臺，與1 9 8 3 年到1 9 9 1 年約7 年間共生產(chǎn)了近1 0 0 臺相比，產(chǎn)量有了大幅度上升，圖1 - 6 給出了生產(chǎn)臺數(shù)與容量的基本情況圖示。從圖中 可以看出，2 0 0 k v a 以下的占7 0 左右，超過1 0 0 0 k v a 的約為7 。實(shí)際上，近1 2 年5 0 k v a 以下的臺數(shù)增加顯著，也反映了對諧波抑制重要性的認(rèn)識在提高。 t 0 0 0 k v , 吼k 弛 圖1 - 6 不同容量的比率 f i g 1 6p o w e ro f a c t i v ep o w e rf i l t e r ( 2 ) 用途 圖1 - 6 給出了有源電力濾波器在實(shí)際中不同行業(yè)的使用情況，使用在供水和污水處 理設(shè)備中的約占4 0 ，建筑約占1 7 。 ( 3 ) 使用的類型 從實(shí)際投入的設(shè)備來看，有源電力濾波器與負(fù)載連接的大多將并聯(lián)型作為一種標(biāo)準(zhǔn) 方式，主電路多為電壓型，在生產(chǎn)出的3 5 5 臺設(shè)備中，僅有4 臺與負(fù)載的連接為串聯(lián)型 或串聯(lián)混合型。在有源電力濾波器實(shí)用化初期所選用的電流型主回路基本上未再采用。 1 0 第一章緒論 業(yè)j i t ? 圖1 - 6 不同行業(yè)使用的臺數(shù)比率 f i g 1 6t y p e so fa c t i v ep o w e r f i l t e r ( 4 ) 諧波的檢測方法 諧波的檢測方法可以有負(fù)載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等檢測方法， 在這些方法中，用負(fù)載電流的檢測方法與用電源電流的檢測方法之比為1 0 ：1 ，從這5 年 的情況變化可以看出，今后，負(fù)載電流的檢測方法為主要使用方法，同時(shí)，應(yīng)用電壓檢 測方法的比例也有所增加，設(shè)置檢測電壓的目的在于補(bǔ)償閃變。 ( 5 ) 其它控制功能 有源電力濾波器除補(bǔ)償諧波電流外，還可補(bǔ)償基波無功、平衡三相電壓、抑制電壓 閃變等功能，在這3 5 5 臺設(shè)備中有7 6 臺( 2 1 ) 附有補(bǔ)償基波無功的功能。 ( 6 ) 與l c 無源濾波器混用情況 從有源電力濾波器的本身工作原理來看，它完全可以補(bǔ)償?shù)痛沃C波，但由于使用 l c 濾波器可以使有源部分的容量大大減小。所以，采用混合使用方式的實(shí)例逐步增加。 ( 7 ) 使用的器件 大部分中小容量的有源電力濾波器中，主回路采用的器件基本為i g b t ，只有當(dāng)容 量達(dá)到m w 級的大容量裝置才使用g t o 。 1 4 2a p f 的發(fā)展趨勢 從近年來的研究和應(yīng)用中可以看出a p f 具有如下的發(fā)展趨勢： a 通過采用p w m 調(diào)制和可提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對高次 諧波的有效亭卜i 償。當(dāng)a p f 的容量小于2 m v a 時(shí)，通常采用i g b t 及p w m 技術(shù)進(jìn)行諧波 補(bǔ)償。當(dāng)容量大于5 m v a 時(shí)，通常采用g t o 及多重化技術(shù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償。 b 當(dāng)前大功率濾波裝置從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用a p f 與l c 無源濾波器并聯(lián)使用的 混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小a p f 的容量，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。其中l(wèi) c 濾波器用來消除高次諧波，a p f 用來補(bǔ)償?shù)痛沃C波分量。 c 從長遠(yuǎn)角度看，隨著大量換流器用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，其價(jià)格必然下降；同時(shí)，隨 華南理下大學(xué)工學(xué)碩十學(xué)位論文 著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展，尤其是i g b t 的廣泛應(yīng)用，混合型有源濾波系統(tǒng)低 成本的優(yōu)勢將逐漸消失，而串一并聯(lián)a p f 由于其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，將是一種很有 發(fā)展前途的有源濾波裝置。 d 可通過單節(jié)點(diǎn)單裝置的裝設(shè)，達(dá)到多節(jié)點(diǎn)諧波電壓綜合治理的a p l c 的出現(xiàn)，表 明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動(dòng)態(tài)、智能、經(jīng)濟(jì)效益好的方向發(fā)展。 與國外廣泛應(yīng)用a p f 相比，我國的有源濾波技術(shù)還處在研究試驗(yàn)階段，工業(yè)應(yīng)用 上只有少數(shù)幾臺樣機(jī)投入運(yùn)行，這與我國目前諧波污染f | 益嚴(yán)重的狀況很不適應(yīng)。隨著 我國電能質(zhì)量治理工作的深入丌展，利用a p f 進(jìn)行諧波治理將會具有巨大的市場應(yīng)用 潛力，有源濾波技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。 1 5 本論文主要研究內(nèi)容和意義 本論文主要研究內(nèi)容包括如下： 第二章介紹了有源電力濾波器基本原理。有源電力濾波器的主電路一般由p w m 逆 變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器( 儲能元件為 電容) 和電流型有源濾波器( 儲能元件為電感) 。逆變器交流側(cè)輸出為p w m 波形，是目前 廣泛采用技術(shù)。 第三章介紹了模糊控制的基本理論。模糊控制以模糊集理論為基礎(chǔ)，主要包括模糊 化、模糊推理與模糊判決三部分，其最大的特點(diǎn)是將專家經(jīng)驗(yàn)和知識表示成語言控制規(guī) 則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。應(yīng)用模糊理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)可以對沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模 型或者數(shù)學(xué)模型極其復(fù)雜的系統(tǒng)加以控制。 第四章介紹了模糊控制有源電力濾波器的工作特性，詳細(xì)分析了基于模糊控制技術(shù) 的有源電力濾波器的電流控制系統(tǒng)的工作原理，通過占空比數(shù)學(xué)函數(shù)分析電流跟蹤機(jī) 理，總結(jié)出了模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則，并且提出基于單片機(jī)的模糊控制器的設(shè)計(jì)方案， 探討了有源電力濾波器模糊邏輯控制技術(shù)的研究方向。 第五章用m a t l a b s i m u l i n k 建立了模糊控制電力有源濾波器的仿真模型，對投 入無源濾波器和有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明模糊控制有源濾波 器對抑制系統(tǒng)諧波可以起到非常好的效果。 第二章有源電力濾波器 第二章有源電力濾波器 有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大 小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好 的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置。早在7 0 年代，有源電力濾波器的基本原理 和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就己被確定，但由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，未能使有源電力濾波器 得以實(shí)施。進(jìn)入8 0 年代后，新型電力電子器件的出現(xiàn)、p w m 控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時(shí) 無功功率理論的提出，極大地促進(jìn)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展，近年來，國外已開始 在工業(yè)和民用設(shè)備上廣泛使用有源電力濾波器，并且單機(jī)裝置的容量逐步提高，其應(yīng)用 領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 采用傅里葉級數(shù)對非正弦連續(xù)的時(shí)間周期函數(shù)進(jìn)行變換是諧波分析最基本和常用 的方法。這種方法根據(jù)采集到的一個(gè)電周期的電流值進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧 波次數(shù)。其缺點(diǎn)是需要一定的時(shí)間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不好， 因此該方法大多用于諧波的離線分析，難以用于有源電力濾波器所要求的實(shí)時(shí)檢測。該 方法早期曾在有源電力濾波器中用過，8 0 年代瞬時(shí)無功功率理論出現(xiàn)后已不再采用。 圖2 - 1 有源電力濾波器的分類 f i g 2 1 s o r t so fa c t i v ep o w e rf i l t e r 為了能在線實(shí)時(shí)檢測和補(bǔ)償諧波，日本學(xué)者赤木泰文等人提出了瞬時(shí)無功功率理 論。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無功功率、瞬 時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無 功電流的實(shí)時(shí)檢測方法，對于諧波和無功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動(dòng)作用。 華南理丁大學(xué)t 學(xué)碩士學(xué)位論文 但這一理論也存在一些缺點(diǎn)，一些量的物理概念比較模糊，在解決一些傳統(tǒng)概念和問題 時(shí)遇到困難。 三相電路瞬時(shí)無功功率理論已經(jīng)成功地應(yīng)用到三相三線制系統(tǒng)并取得了良好的補(bǔ) 償效果，在國外有源電力濾波器已被廣泛使用。有源電力濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域己從原先的 三相三線制系統(tǒng)逐步擴(kuò)展到其它類型的電路如單相電路、三相四線制電路以及直流輸電 等更為廣泛的領(lǐng)域。 2 1 有源電力濾波器的基本原理 有源電力濾波器系統(tǒng)主要出兩大部分組成，即指令電流檢測電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電 路。指令電流檢測電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電 流，然后將其反極性作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù) 主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，計(jì)算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作 用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ) 償?shù)哪康摹?圖2 - 2 有源濾波器示意圖 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fa c t i v ep o w e rf i l t e r 有源電力濾波器的主電路一般由p w m 逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的 不同，可分為電壓型有源濾波器( 儲能元件為電容) 和電流型有源濾波器( 儲能元件為電 感1 。電壓型有源濾波器在工作時(shí)需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變， 因而逆變器交流側(cè)輸出為p w m 電壓波。 電流型有源濾波器在工作時(shí)需對直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不 變，因而逆變器交流側(cè)輸出為p w m 電流波。 電壓型有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)有源濾波器 采用的主電路結(jié)構(gòu)。電流型有源濾波器由于電流側(cè)電感上始終有電流流過，該電流在電 感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。 1 4 第二章有源電力濾波器 圖2 - 3 電壓型有源濾波器 f i 9 2 3v o l t a g es o u r c et y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r 圖2 - 4 電流型有源濾波器 f i g 2 4c u r r e n ts o u r c et y p ea c t i v ep o w e r f i l t e r 圖2 - 4 所示為串聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它通過一個(gè)匹配變壓器將有源濾波器 串聯(lián)于電源和負(fù)載之間，以消除電壓諧波，平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓。與并聯(lián)型有源濾 波器相比，串聯(lián)型有源濾波器損耗較大，且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜，因此，很少研究單 獨(dú)使用的串聯(lián)型有源濾波器，而大多數(shù)將它作為混合型有源濾波器的一部分予以研究。 圖2 - 5 混合型有源濾波器 f i g 2 - 5h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r 圖2 5 所示為混合型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它是在串聯(lián)型有源濾波器的基礎(chǔ)上使 用一些大容量的無源l - c 濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波，進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)。而串聯(lián) 華南理工大學(xué)- r = 學(xué)碩士學(xué)位論文 型有源濾波器只承擔(dān)消除高次諧振及阻尼無源l c 網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振的任 務(wù)。從而使串聯(lián)型有源濾波器的電流、電壓額定值大大減少( 功率容量可減少到負(fù)載容 量的5 以下) ，降低了有源濾波器的成本和體積。從經(jīng)濟(jì)角度而言，這種結(jié)構(gòu)形式在目 前是一種值得推薦的方案。 2 2a p f 補(bǔ)償電流的檢測 a p f 補(bǔ)償電流的檢測不同于電力系統(tǒng)中的諧波測量。它不須分解出各次諧波分量， 而只須檢測出除基波和有功電流之外的總的高次諧波和無功畸變電流。難點(diǎn)在于準(zhǔn)確、 實(shí)時(shí)地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流，為有源電力濾波器控制系統(tǒng)進(jìn)行精確補(bǔ)償提 供電流參考，這是決定a p f 性能的關(guān)鍵。a p f 中所使用的幾種諧波電流檢測方法，除 了各自存在的難以克服的缺陷外，共同存在的問題是，由于是開環(huán)檢測系統(tǒng)，敵對元件 參數(shù)和系統(tǒng)的工作狀況變化依賴性都比較大，且都易受電網(wǎng)電壓畸變的影響。對單相電 路的諧波和無功電流的檢測還存在實(shí)時(shí)性較差的缺點(diǎn)。 a p f 的控制主要由諧波信號的檢測和補(bǔ)償分量的產(chǎn)生兩大部分組成。由圖4 可見， a p f 通過檢測電路檢測出電網(wǎng)中電流電壓的畸變部分，然后采用某種控制方式控制功率 電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流分量，并注入到電網(wǎng)中，以達(dá)到消除諧波的目的。 i 一一一一一建皇燮堂一一一一j 圖2 - 6a p f 原理圖 f i g 2 - 6p r i n c i p l eo f a m i v ep o w e rf i l t e r 精確、實(shí)時(shí)地檢測出電網(wǎng)中瞬時(shí)變化的畸變電流，是提高有源電力濾波器補(bǔ)償精度 的一個(gè)關(guān)鍵問題，以下是目前采用的幾種檢測方法。 2 2 1 基于f r y z e 功率定義的檢測方法 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功電 流( 包括諧波電流) 。它的缺點(diǎn)是：因?yàn)閒 r y z e 功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的，所 以要求得瞬時(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。 1 6 第二章有源也力濾波器 2 2 2 用模擬帶帶通濾波器撿測的方法 用模擬帶通濾波器( 或陷波器) 檢測有害電流。由于濾波器中心頻率固定，當(dāng)電網(wǎng) 頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果會大大下降。此外濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，這樣 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 離出無功電流和諧波電流。 2 2 3 基于頻域分析的f f t 檢測法 此方法需進(jìn)行兩次f f t 變換，約需8 0 m s ，瞬時(shí)性誤差較大，且電壓畸變將帶來較 大的非同步采樣誤差，特別是對高次諧波的檢測精度影響較大a 2 2 4 基于瞬時(shí)無功功率理論的畸變電流瞬時(shí)檢測方法 瞬時(shí)無功功率理論的基本思路是：將a b c 三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成a b o 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)有功功率：將電壓、電流矢量的叉積定義 為瞬時(shí)無功功率，然后再將這些功率逆變?yōu)槿嘌a(bǔ)償電流。瞬時(shí)無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，使諧波及無功電流的實(shí)時(shí)檢測成為可能。 該方法對于三相平衡系統(tǒng)的瞬變電流檢測具有較好的實(shí)時(shí)性，有利于系統(tǒng)的快速控制， 可以獲得較好的補(bǔ)償效果。 l l h i 哺 i c h 圈2 _ 7 瞬時(shí)檢測方法 f i g 2 - 7i n s t a n t a n e o u sd e t e c t i n gm e t h o d 圖2 - 7 中，l p f 為低通濾波器，變換矩陣為三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系( d q 坐標(biāo)系) 的變換陣。在諧波及無功電流的檢測系統(tǒng)中，首先檢測基波有功電流，然后從 三相負(fù)載電流中減去基波有功電流，從而獲得諧波及無功電流。根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論 可以推導(dǎo)如下結(jié)論：三相負(fù)載電流經(jīng)過d q 變換，得到有功電流助和無功電流由( 圖1 中未畫出) ?；ㄓ泄﹄娏髟赿 q 坐標(biāo)系下表現(xiàn)為電流印中的直流分量。在d q 坐標(biāo)系下， 將有功電流強(qiáng)拄行低通濾波得到直流分量，經(jīng)過d q 反變換可以得到基波有功電流。 1 7 華南理t 大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 上述檢測方案具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電路采用開環(huán)結(jié)構(gòu)， 檢測系統(tǒng)魯棒性較差，需要采用高精度模擬乘法器。為了增強(qiáng)檢測系統(tǒng)的魯棒性，將閉 環(huán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與瞬時(shí)無功功率理論的原理結(jié)合起來。 2 3a p f 控制電路 a p f 主電路可采用p w m 逆變電路，逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩 種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。 電流型逆變電路主要存在兩個(gè)缺陷：一是輸出電流中含有較大的紋波，用濾波器消除會 影響高頻波形的產(chǎn)生；二是不便于調(diào)試和穩(wěn)定。 正弦脈寬調(diào)制( s p w m ) 法是通過改變p w m 輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平 均值接近于正弦波。具體實(shí)現(xiàn)的方法是以正弦波作為基準(zhǔn)波( 調(diào)制波) ，用- - y i j 等幅的 三角波( 載波) 與基準(zhǔn)正弦波相交，由交點(diǎn)來確定逆變器的開關(guān)模式，使輸出的脈沖系 列的占空比按正弦波規(guī)律變化，當(dāng)正弦值最大時(shí)，脈沖寬度也最大；當(dāng)正弦值較小時(shí)， 脈沖寬度也最小。 根據(jù)輸出脈沖的幅度是在o 一+ e 之間還是在e 一+ e 之間跳躍，s p w m 法可分為單 極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。 2 3 1 p w m 控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量指 窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅 在高頻段略有差異。 a )c ) ( f ) d 專 m 圖2 - 8 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f i g 2 8p u l s ew i t hd i f f e r e n ts h a p e 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，正弦半波n 等分，看成n 個(gè)相 連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等。用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合， 面積( 沖量) 相等，寬度按正弦規(guī)律變化。而s p w m 波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化 1 8 。攀0：； 第二章有源電力濾波器 而和正弦波等效的p w m 波形，要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬 度即可。 由直流電源產(chǎn)生的p w m 波通常是等幅p w m 波，如直流斬波電路及本章主要介紹 的p w m 逆變電路。輸入電源是交流，得到不等幅p w m 波。 p w m 波形可等效的各種波形，如直流斬波電路等效直流波形，而s p w m 波則等