（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償綜合控制技術(shù)的研究.pdf

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 a b s t r a c t ag e n e r a ld e s c r i p t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n dr e a c t i v e c o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ea r o u n dt h e w o r l da n dt h e o r yo ft h r e e p h a s ei n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e ri sg i v e ni n t h i st h e s i sa tf i r s t t h e i r i q m e t h o db a s e do nt h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ri nd e t e c t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti sr e s e a r c h e da s e m p h a s e s t h e nt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o n m o d eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri nh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nb a s e do n i p i q m e t h o di sg i v e ni ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a b 6 5s o f t w a r e s i m u l a t i o n r e s e a r c ht ot h em e t h o do fp w mc o n t r o lo fg e n e r a t i n gc o m p e n s a t i v ec u r r e n ti sd o n e t h e s y s t e mc o n t r o lt ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e ri sa l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s i m u l a t i o nm o d ea n dt h e s i m u l a t i o nm e a n si m p l e m e n t e da r ep r o p e ra n de f f i c i e n t a tt h eb a s i so fs i m u l a t i o n t h ee x p e r i m e n to fi n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t ss h u n ta p fc o n t r o l l e db yt m sf 2 4 0 d s pi se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r es y s t e ma n d t h es o f t w a r es y s t e mo ft h i sd e v i c ea r cd e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d et h ec u r r e n ta n d v o l t a g ed e t e c t i n g t h ep w md r i v i n gc i r c u i tb a s e di ni r 2 2 3 3 jc h i p t h em a i nc i r c u i ta n dt h e p r o t e c t i n gc i r c u i to fi g b t t h es o f t w a r es y s t e mi sw r i t t e nb yd s pc o m p i l el a n g u a g e t h e m a i np r o g r a mi n c l u d e st h ei n t e r r u p tc o n t r o l z e r op o i n td e t e c t i n go fv o l t a g e h a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t sd e t e c t d i g i t a lf i l t e r t h ed cb a rv o l t a g ec o n t r o l t h ep w mc o n t r o la n dt h e p r o t e c t i n gc o n t r 0 1 f i n a l l yt h ea p fd e v i c ei st e s t e d t h es h u n ta p fo f i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i c a n dr e a c t i v ec u r r e n t sc o n t r o l l e db yd s pi se f f e c t i v e k e yw o r d s h a r m o n i cc u r r e n t s r e a c t i v ec u r r e n t i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i o n a c t i v e p o w e rf i l t e r a p f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r m a t l a bs i m u l a t i o n d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r d s p i i 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2 7 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2 7 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1 2 0 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 6 1 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 1 2 2 諧波的危害和無(wú)功的不良影響 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)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 a c t i v ep o w e rf i l t e r 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)功抑制方法相比 有源 電力濾波器具有以下一些特點(diǎn)叫n 4 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 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 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 可見(jiàn) 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 a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r s o 1 4 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì) 1 4 1 諧波和無(wú)功功率的理論研究 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 c z a m e c k i 和d e p e n b r o c k 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 a k a g i 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 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 的應(yīng)用 很難取得大的突破 1 4 2 諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置的研究現(xiàn)狀 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 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) 7 0 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 s v c 礙到迅速的應(yīng)用 1 9 1 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g t o i g b t 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 s v g 發(fā)展起來(lái) 2 0 1 原理和控制與s v c 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)8 0 1 0 0 m v a 的 s v g 投入運(yùn)行 在中國(guó) 清華大學(xué)和河南省電力公司合作 自主研制出2 0 m v a 靜止 無(wú)功發(fā)生器 2 l 達(dá)到國(guó)際水平 使我國(guó)成為少數(shù)幾個(gè)擁有s v g 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l c 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 a p f 成為近些年來(lái)研究的熱點(diǎn) a p f 是在1 9 7 1 年由 s a s a k i h 最早提出 從8 0 年代開始 發(fā)達(dá)國(guó)家在有源電力濾波器領(lǐng)域取得進(jìn)展 1 9 8 2 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 1 9 8 7 年t a k e d a 等提出并聯(lián)a p f 加 并聯(lián)無(wú)源濾波器的混合有源電力濾波器 i i a p f 1 9 8 8 年 f z p e n g 等提出串聯(lián)a p f 加并聯(lián)無(wú)源濾波器的h a p f 1 9 9 0 年 h f u j i t 等提出a p f 與無(wú)源濾波器相串聯(lián)的 h a p f 1 9 9 4 年 h a k a g i 等提出串聯(lián)a p f 和并聯(lián)a p f 的h a p f 等等 最近又有人 提出統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 u p q c 2 2 1 1 5 6 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 現(xiàn)階段有源電力濾波器的研究方向是如何減少開 關(guān)損耗 增大系統(tǒng)容量 其中基于s p w m 的多電平級(jí)聯(lián)變流器是研究的熟點(diǎn)l l 9 0 年代后期 并聯(lián)a p f 在日本 美國(guó)等國(guó)開始廣泛應(yīng)用 日本迄今至少有5 0 0 多臺(tái)a p f 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 國(guó)外現(xiàn)已有5 0 k v a 1 m v a 的a p f 產(chǎn)品 在國(guó)內(nèi) 西安交大 浙大 清 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a p f 大容量化 模塊 化 標(biāo)準(zhǔn)化有待解決f 1 3 1 7 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a p f 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a p f 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與只補(bǔ) 償諧波的a p f 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)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)腶 p f 容量大 對(duì)器件的要求更高 在日本已投入的a p f 中就有2 0 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)a p f 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l c 濾波器混合使用的有源電力濾波器 4 0 l t 4 5 1 除裝設(shè)a p f 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 4 k v 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2 2 0 v 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a p f 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 t m s3 2 0 f 2 4 0 的數(shù)字信號(hào)處理器 d s p 編程實(shí)現(xiàn) 3 研究產(chǎn)生補(bǔ)償電流的p w m 變流器的控制方法 即a p f 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 p w m 變流器的控錈4 器也將采用t m s3 2 0 f 2 4 0 的數(shù)字信號(hào)處理器 d s p 定時(shí)滯環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)以及p w m 變流器的觸發(fā)脈沖 的產(chǎn)生均通過(guò)對(duì)d s p 編程來(lái)實(shí)現(xiàn) 4 研究能使a p f 穩(wěn)定運(yùn)行的控制方法 即a p f 外環(huán)控制方法 論文中用m a t l a b 軟件對(duì)a p f 進(jìn)行數(shù)學(xué)建模 并對(duì)整個(gè)a p f 系統(tǒng)進(jìn)行仿真 討論a p f 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i r 2 2 3 3 j 的p w m 驅(qū)動(dòng)電路 p w m 三相變流橋主電路及i g b t 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d s p 匯編語(yǔ)言編寫 其中包括 定時(shí)器中斷控制及a d 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p i 控制 p w m 波輸出控制和外部中斷保護(hù)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f r y z e 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)?f 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f f t 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f f t 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)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 p q 法和 i 一i 法 p q 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 2 塒3 基于神經(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 基于傅立葉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)中將采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)i 一i q 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 2 2 1 瞬時(shí)無(wú)功功率理論基礎(chǔ) 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 p 6 p 0 i a 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 i e 1 c 3 2 剮 眨 小 圖 c z z 其中c 3 2 4 2 3 1 1 1 2 2 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 0 i q 圖2 1d 一口坐標(biāo)系 e p 口十e 口 e l f k 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 i c o s 2 6 a i q i s i n c l 2 6 b 式中 丸一線 i i q 示于圖2 1 三相電路瞬時(shí)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 e i p r 2 7 a g e i q 2 7 b 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 e a i a e c j c 2 9 a g 苦酩 一e c k p 一e a f 0 一b k 2 9 b 叫j 從式 2 9 a 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 2 2 2 三相電路諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè) 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p g 運(yùn)算方式 另一個(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 2 2 2 1p g 運(yùn)算方式 3 1 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 l a b l 她 k 圖2 2p g 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 l p f 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 c z 靴獷樞 鏟臣 1 1e a w2 7 h 將0 i 釅 0 與i q 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 7 w l c p f 為 l 耐 r w c p f 嗎群阡扣 圈 將切 l b p f 何與 i 6 屯相減 即可得出i i 5 i c 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 l o 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 l p f 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 2 2 2 2 i 一f g 運(yùn)算方式 3 1 該檢測(cè)方法的框圖如圖2 3 8 z 曲 z 鼬 圖2 3 i p i g 運(yùn)算方式原理圖 圖中c l 鋤e v t c o 似l l c 0 s 研一s i l l 叫j 件lqj c 球li i 泣竭 該方法中 需要用到與口相電網(wǎng)電壓e 基波分量同相位的正弦信號(hào)s i n c o t 和對(duì)應(yīng) 的余弦信號(hào)一c o s t t s i n o j t 相當(dāng)于電壓矢量e 的c o s 一c o s c o t 相當(dāng)于電壓矢量e 的 s i n 它們由一個(gè)鎖相環(huán) p l l 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)l p f 濾波得出i p i q 的直流分量f i 這里f i 9 代表著f i b i c 的基波分量 i 礦 i v i 礦 因此 同p g 運(yùn)算方式 可計(jì)算出i 礦 i v i 進(jìn)而計(jì)算出i i 6 j c 的諧波分量o 若需要用到的正弦信號(hào)s i n h i 與a 相電網(wǎng)電壓e 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s i n t o t 口 和一c o s d o t 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p g 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s i n c o t 和一c o s o t 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)a p f 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 2 2 2 3 濾波器對(duì)諧波與無(wú)功電流檢測(cè)的影響 基于瞬時(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 b u t t e r w o r t h 低通濾波器 契比雪 夫 c h e b y s h e v 氐通濾波器 貝塞爾 b e s s e l 低通濾波器 橢圓函數(shù)型 e l l i p 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m a t l 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a p f 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5 0 h z 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e r w o r t h 低通濾波器的響應(yīng)如圖2 5 契比雪夫 c h e b y s h e v i 型低通 濾波器的響應(yīng)如圖2 6 契比雪夫 c h e b y s h e v i i 型低通濾波器的響應(yīng)如圖2 7 橢圓函 數(shù)型 e l l i p 低通濾波器的響應(yīng)如圖2 8 貝塞爾 b e s s e l 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i i 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 1 0 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 c h e b y s h e v i i 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 c h e b y s h e v i 型低通濾波器的響應(yīng)和橢圓函數(shù)型 e l l i p 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 b u t t c r w o r t h 低通濾波器的響應(yīng) 較快 但超調(diào)量較大 只有貝塞爾 b e s s e l 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 b e s s e l 3 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d s p 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)刻的直流分量值 濾波效果的仿真如圖2 1 0 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p q 檢測(cè)法和 i 一f 檢測(cè)法 因?yàn)榕cp q 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實(shí)驗(yàn)中較為簡(jiǎn)單實(shí)用的平均值濾波法 1 4 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m a t l a b 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1 3 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d s p 來(lái)控制主電路三相橋變 流器的開關(guān)狀態(tài) 作為主電路的p w m 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 l i l l4 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l r 1 j f 直 1 k j 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a p f 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 d s p 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m a t l a b 軟件中提供的s i m u l i n k 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 s i m u l i n k 提供了豐富的模型庫(kù) b l o c k s e t 尤其近 幾年推出的電力系統(tǒng)模型庫(kù) p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 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 m a t l a b 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2 2 0 v 頻率5 0 h z 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 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)m a t l a b 仿真電路如圖3 2 其中m a 仃kg a i n l 為三相變兩相矩陣c m a t r i xg b i n 2 為兩相變?nèi)?相矩陣c 濾波器f i l t e r 為截止頻率為5 0 h z 的三階b e s s e l 低通濾波器 g e n e r a t e s i n 模 塊為i 一i 法中的正余弦運(yùn)算信號(hào)s i n 耐和一c o s 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 3 2 2 電流跟蹤控制電路的仿真設(shè)計(jì) 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p w m 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p w m 主電路中的開關(guān)通斷信 號(hào) 該p 1 v m 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制開關(guān)的通斷 從而控制補(bǔ)償電流t 的變化 p w m 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 p w m 變流器m a t l a b 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 3p v f l i i 變流器電路 對(duì)圖3 1 中p w m ef g 路a 相開關(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 v d 表示二極管 表示邏輯1 一表示邏輯0 表3 1a 相開關(guān)通斷邏輯表 從上面邏輯表中得到0 3 a 相k 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 f u l 二 l 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為a i n j 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n f 二 c 相k 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 f u f 二 巧的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為 f n f 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m a t l a b 設(shè)計(jì)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) 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 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 3 2 3 直流側(cè)電壓控制的仿真設(shè)計(jì) 圖3 1 中的電壓型p 1 v m 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?根據(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8 0 0 v 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8 0 0 v u 是 的反饋值 兩者之差經(jīng)p i 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 入電網(wǎng) 使on 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m a t l a b 仿真電路如圖3 6 其中輸入i n l 為檢測(cè)的直流側(cè)電容電壓 輸 出o u t l 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 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 l n l 圖3 6 直流側(cè)電壓的p r 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 i 0 即可 此時(shí)有源電力濾波器從電源得到能量 持續(xù)向直流側(cè)傳遞 使璣上升 從原 理上講 只要a i 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a i 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2 2 0 v 頻率5 0 h z 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2 0q 電感2 0 m h 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iq