三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真與研究_設(shè)計說明

1、摘 要隨著電力電子裝置大量的應(yīng)用到生產(chǎn)生活當(dāng)中，它們使電能的轉(zhuǎn)換應(yīng)用變得更加容易，但同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。目前，并聯(lián)有源電力濾波器(shunt active power filter，SAPF)已成為無功和諧波動態(tài)補償?shù)挠行侄沃?。在三相四線制電力系統(tǒng)中除了無功和諧波需要治理，負載不平衡問題也變得日益突出，因此，本文研究與設(shè)計適用于三相四線制下的SAPF來解決這些問題。針對三相四線制SAPF諧波電流檢測問題，本文詳細的推導(dǎo)基于瞬時無功理論的算法，論證它無需改進即可直接應(yīng)用到三相四線制系統(tǒng)里；選擇了滯環(huán)比較法作為補償電流的控制策略；采用了三橋臂變流器作為SAPF的主電路。文章的

2、最后，利用 MATLAB/Simulink 軟件，搭建了仿真平臺，對主電路出線電感參數(shù)和軟啟動方案進行單獨仿真分析，證明電感值參數(shù)選擇的合理和軟啟動方案可行。對 SAPF 和所要補償?shù)南到y(tǒng)進行了整體仿真，結(jié)果證明在所選參數(shù)下，能夠?qū)ζ胶夂筒黄胶夥蔷€性負載所帶來的諧波有很好的動態(tài)補償效果，對不平衡負載有很好的平衡作用；進而也說明檢測方確，控制策略得當(dāng)。關(guān)鍵詞 諧波動態(tài)補償；并聯(lián)有源電力濾波器；三相四線制；算法MATLAB/SimulinkAbstractWith extensive application of power electronic devices in production and

3、 life,they make power energy conversion and application easily, but also lead to theserious harmonic pollution in the power system. At present, the shunt activepower filter (SAPF) has been an effective way to dynamically compensatereactive power and harmonic. In addition to these problems, the load

4、unbalance ismore and more serious in three-phase four-wire system, therefore, SAPF appliedto three-phase four-wire system is researched and designed to solve theseproblems in this paper.For the harmonic current detection of SAPF in three-phase four-wire system,thealgorithm based on the instantaneous

5、 reactive theory is detailedlyderived, and this algorithm is demonstrated it could be directly applied tothree-phase and four-wire system without being improved. Hysteresis-bandcomparison method is chosen as compensation current control strategy. The three-leg converter which has clear division is a

6、dopted as the main circuit.At the end of the paper, the simulation platform is built by use ofMATLAB/Simulink software. The output inductance parameter and soft-startscheme are simulated respectively. The results prove that output inductanceparameter is reasonable and the soft-start scheme is feasib

7、le. Then, the integratedsimulation for SAPF and compensation system is carried out. Finally, simulationresults show that SAPF has a good compensation characteristic for the harmonicproduced by the balance and unbalance nonlinear loads, and balances three-phaseloads in three-phase and four-wire syste

8、m. At the same time, simulation resultsshow that harmonic detection method is correct and the control strategy is proper.Keywords：harmonic dynamic compension； shunt active power filter；three-phasefour-wire system；algorithm；MATLAB/Simulink第一章 緒論41.1 諧波概述與其危害41.2 諧波抑制強51.2.1 無源電力濾波器51.2.2有源電力濾波器61.2.3

9、 混合型有源電力濾波器71.3 有源電力濾波器的發(fā)展和應(yīng)用81.3.1 有源電力濾波器的發(fā)展81.3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用91.4 本文的研究的意義和容設(shè)置與主要任務(wù)9第二章 三相電路諧波與無功電流的檢測102.1 基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法102.1.1 瞬時無功理論原始定義與發(fā)展102. 1. 2 瞬時無功功率理論102. 1. 3 坐標(biāo)變換152.2 三相四線制系統(tǒng)中基于瞬時無功功率理論的檢測方法162.2.1 法檢測電流16222 指令運算方法162.3 諧波分量的處理172.3.1 對基波零序分量的處理182.3.2 對基波負序分量和高次諧波分量的處理182.4 運算方式

10、和運算方式的優(yōu)缺點18第三章 并聯(lián)型三相四線制補償電流發(fā)生電路方案選擇193.1 三相四線制系統(tǒng)APF主電路形式和結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計193.1.1 四相變流器結(jié)構(gòu)形式203.1.2 三相變流器結(jié)構(gòu)203. 2 三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器主電路的參數(shù)選擇213. 2. 1主電路容量的確定213. 2. 2 系統(tǒng)開關(guān)頻率223. 2. 3電容總電壓的選擇223. 2. 4 電容選擇準(zhǔn)則和參數(shù)選擇233. 2. 5 交流進線電感選擇準(zhǔn)則和參數(shù)選擇243.3 電流跟蹤控制電路253.3.1 三角波比較方式253.3.2 三角波比較方式26第四章 仿真274.1 三相四線制不平衡負載的諧波源設(shè)計274.2

11、諧波電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計304. 2. 1低通濾波器構(gòu)成原理304.2.2 檢測334.3 PWM信號發(fā)生模塊的建立354.4 仿真模型的整體結(jié)構(gòu)374.5 本章小結(jié)37第六章 結(jié)論與展望386.1本文的主要研究成果與完成的主要工作38致39參考文獻40第一章 緒論 從上世紀(jì)20至30年代，人們已經(jīng)注意到了由靜止汞弧變流器弓I起的電網(wǎng)電壓和電流的畸變問題。而今，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性電力電子設(shè)備投入電網(wǎng)，它們產(chǎn)生的大量的諧波與無功電流也隨之注入電網(wǎng)。導(dǎo)致電能質(zhì)量的惡化。如電網(wǎng)的諧波、三相不平衡、閃變與頻率變化等。如何改善電能質(zhì)量，對供電系統(tǒng)的諧波與無功進行補償，一直是人們研究的重要課

12、題。1.1 諧波概述與其危害 70年代以后，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子設(shè)備進入了人們生產(chǎn)、生活的各個角落。從低壓小容量的家用電器到高壓大容量的工業(yè)變流裝置，應(yīng)用十分廣泛。其產(chǎn)生的諧波日益嚴(yán)重，引起了世界各國對諧波與其抑制的重視。 諧波源歸納起來，主要有以下幾種： (1)靜止變流器。如整流器、交流調(diào)壓器、通用變頻器等。它們產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)影響最為嚴(yán)重，被稱為電網(wǎng)中“公害”。 (2)工業(yè)用電弧爐、逆變焊機等。雖然他們數(shù)量不多，但它們?nèi)萘枯^大，它們產(chǎn)生的諧波成份十分豐富，對電網(wǎng)的危害極大。 (3)電力變壓器的非線性勵磁。 (4)旋轉(zhuǎn)電機。 (5)各種民用電力電子設(shè)備。如：各種家用電器、熒光

13、燈、計算機開關(guān)電源等。雖然它們的容量不大，但數(shù)量眾多，它們對電網(wǎng)造成的諧波污染也越來越嚴(yán)重。諧波對電力系統(tǒng)中的其它用電設(shè)備，尤其是一些精密儀器影響嚴(yán)重，其危害主要表現(xiàn)在以下幾方面： (1)電力方面的危害： 1)諧波容易引起電網(wǎng)與無功補償電容器之間的串聯(lián)或并聯(lián)諧振。使諧波電流放大，造成過電流，導(dǎo)致電容器、與之相連的電抗器和電阻器的損壞。 2)使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電與用電設(shè)備的使用效率，增加電網(wǎng)的線損。在三相四線制系統(tǒng)中，中線會由于流過3次與其倍數(shù)的諧波電流造成零線過熱。 3)諧波會產(chǎn)生額外的熱效應(yīng)，從而引起用電設(shè)備的發(fā)熱、絕緣老化、降低設(shè)備的使用壽命。 (2)在信號

14、干擾方面： 1)諧波通過電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對鄰近的電力電子設(shè)備和通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾嚴(yán)重時還會導(dǎo)致設(shè)備無常運行。 2) 諧波還會引起保護設(shè)備的誤動作。 3)因目前很多電能測量儀表是電動式電度表，這種測量儀表是在純正弦波情況下進行校驗的，因此諧波會使儀表產(chǎn)生測量誤差。諧波問題日益嚴(yán)重，如何對諧波進行抑制，成為眾多科研工作者的研究課題。1.2 諧波抑制強 解決非線性負載產(chǎn)生的諧波問題思路有二。一是設(shè)計諧波補償裝置，對電力系統(tǒng)中非線性負載產(chǎn)生的諧波進行補償。二是對電力系統(tǒng)中主要諧波源的電力電子裝置進行自身的改造。使其完成自身功能的同時，不產(chǎn)生諧波與無功。如：有源功率因數(shù)校正技術(shù)(SPFC)，各種P

15、WM整流技術(shù)等。這兩種思路各有優(yōu)點，從近年來的科技文獻可以看出都得到了很好的發(fā)展。諧波補償裝置經(jīng)歷了從無源電力濾波器(Passive Power Filter)到有源電力濾波器(Active Power Filter)的發(fā)展。因有源電力濾波器成本較高，近年來，混合型有源電力濾波器由于其成本合理和較好的性能也受到了人們的關(guān)注。1.2.1 無源電力濾波器 無源電力濾波器(原理如圖1-1)是傳統(tǒng)的諧波補償方法，目前大量應(yīng)用的是由交流電抗器和電容器組成的“LC無源濾波器(LC Passire Power Filter)”。雖然無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點，但它也存在以下缺點： (1)

16、如果系統(tǒng)中諧波電流超量，濾波器將過載。 (2)如果高次諧波的圍較寬，則需要設(shè)置多個無源支路。 (3)無源濾波器的補償效果隨系統(tǒng)運行情況的變化而變化，對交流電源的阻抗和頻率的變換極其敏感，在此情況下難以保證補償效果。特別是在一個復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個實際的濾波器要滿足要求的諧波衰減是很困難的。 (4) 當(dāng)系統(tǒng)阻抗參數(shù)和頻率變化時，濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振(從負載側(cè)看)或串聯(lián)諧振(從源側(cè)看)，使系統(tǒng)無常工作，嚴(yán)重時將導(dǎo)致局部電網(wǎng)的崩潰。圖1.1 無源電力濾波器原理圖1.2.2有源電力濾波器與無源濾波器相比，有源電力濾波器(APF)具高度的可控性和快速的響應(yīng)

17、性，其主要優(yōu)點如下： (1)實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和幅值都變化的諧波以與變化的無功功率進行實時補償，對補償對象的變化有極快的響應(yīng)。 (2)可同時補償諧波與無功，也可單獨補償諧波。 (3)補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件的容量也不大。 (4)正常情況下，即使補償對象電流過大，有源電力濾波器裝置也不會發(fā)生過載。 (5)諧波補償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可避免與被補償系統(tǒng)發(fā)生諧振。 (6)既可以對單個諧波和無功源進行補償，也可以對多個諧波和無功源集中補償。 根據(jù)APF與被補償系統(tǒng)的連接方式不同，APF可分為：串聯(lián)型有源電力濾波器(Series APF如圖1-2 a)，并聯(lián)型有源電

18、力濾波器(Shunt APF如圖1-2 b)和串并聯(lián)型(又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC如圖1-2 c)。a 串聯(lián)型有源電力濾波器b 并聯(lián)型有源電力濾波器（c）混合型有源電力濾波器圖 1-2 有源電力濾波器與負載之間的連接原理圖1.2.3 混合型有源電力濾波器 混合型有源電力濾波器的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)有以下兩種：（a）串聯(lián)型APF與LC PF組成的APF（b） 并聯(lián)型APF與LC PF組成的APF圖1.3 兩種混合型有源電力濾波器1.3 有源電力濾波器的發(fā)展和應(yīng)用1.3.1 有源電力濾波器的發(fā)展 早在1969年，BMBird在他的論文1中描述了通過向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流以減少電源電流中的諧波，改

19、善電源電流的波形。該方法便是有源電力濾波思想的雛型。 1976年美國西屋電器公司的LGyugyi和ECStrycula在文2中提出了應(yīng)用PWM逆變器構(gòu)成有源電力濾波器。此文討論了有源電力濾波器的實現(xiàn)方法和控制原理，并建立了有源電力濾波器的基本拓撲結(jié)構(gòu)。但受當(dāng)時半導(dǎo)體器件發(fā)展水平的影響，它只處于實驗室階段。 有源電力濾波器的真正發(fā)展是從80年代開始的。隨著新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)、PWM變流技術(shù)的發(fā)展以與HAkagi瞬時無功理論的提出，有源電力濾波器得到了極大的發(fā)展。80年代后期，許多有源電力濾波器的商業(yè)發(fā)展計劃完成并投入了實踐。隨著各種大功率開關(guān)器件的出現(xiàn)和PWM變流技術(shù)的成熟，有源電力濾波器已達

20、到實用化階段。 到目前為止，多數(shù)有源電力濾波器的研究工作是在三相三線制系統(tǒng)中進行的。而三相四線制系統(tǒng)在工業(yè)、辦公與民用住宅、城市供電、工廠供電等電力輸配電系統(tǒng)中廣為應(yīng)用?，F(xiàn)在三相四線系統(tǒng)中的諧波和三相不平衡所產(chǎn)生的問題日趨嚴(yán)重，引起了人們的極大重視。由于零序電流的存在，諧波與無功補償要比在三相三線系統(tǒng)中復(fù)雜的多所以關(guān)于三相四線系統(tǒng)有源電力濾波器的研究仍在繼續(xù)。國外已有三相四線有源電力濾波器的樣機出現(xiàn)19I，但仍處于試驗階段，未能廣泛應(yīng)用。隨著有源濾波技術(shù)的成熟和有源電力濾波器容量的提高，其應(yīng)用圍也必將從補償用戶自身的諧波問題向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。1.3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用

21、1.3.2.1有源電力濾波器在國外的應(yīng)用情況 有源電力濾波技術(shù)在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家的發(fā)展和應(yīng)用較為成熟。1997年日本電氣委員會發(fā)表了一項有關(guān)諧波危害的調(diào)查報告，該報告反映了有源電力濾波器在日本的應(yīng)用情況。基本情況如下： 1)使用的類型 從實際投入的設(shè)備來看，在355臺設(shè)備中僅有4臺設(shè)備與負載連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混臺型。大多是并聯(lián)型有源電力濾波器。其主電路為電壓型逆變器(VSI)結(jié)構(gòu)。 2)諧波檢測的方法諧波的檢測方法有負載電流檢測法、電源電流檢測法和電源電壓檢測法。在這些方法中，用負載電流檢測法與用電源電流檢測法的比率為10：1?？梢妼嶋H應(yīng)用中，負載電流檢測法應(yīng)用最為廣泛。同時，應(yīng)

22、用電源電壓檢測的比率也在增加，檢測電壓的目的是在于補償電網(wǎng)電壓閃變。 3)功能 有源電力濾波器除了補償負載電流諧波，還可補償基波無功、校正三相不平衡、抑制電網(wǎng)電壓閃變等功能。在這355臺設(shè)備中有76臺附有補償基波無功的功能。1.3.2.2有源電力濾波器在國的應(yīng)用情況我國在電力有源濾波器方面的研究起步較晚。直到1989年才見到這方面的研究的文章。1993年才見到試驗性的工業(yè)應(yīng)用試驗。近些年進行這方面研究的單位在逐漸增加，主要集中在一些高等院校和少數(shù)研究機構(gòu)。從發(fā)表的文章看，這些理論研究和實驗為主，這些研究有的已經(jīng)達到或接近國際先進水平。尤其最近幾年，將智能控制、最優(yōu)控制理論應(yīng)用于有源濾波器的各個

23、環(huán)節(jié)的事例都取得了不錯的效果。1.4 本文的研究的意義和容設(shè)置與主要任務(wù) 本文就瞬時無功理論在三相四線制系統(tǒng)中的適用性進行了深入研究，對三相四線制有源電力濾波器所補償?shù)墓β食煞葸M行了詳細分析。為解決電網(wǎng)電壓不平衡對p-q算法的影響。本文推導(dǎo)出了正交坐標(biāo)系中求取電網(wǎng)電壓正、負序分量的變換矩陣，用了算法。最后對三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器進行設(shè)計。本文一切為了應(yīng)用，因此在理論分析時注重與實際的結(jié)合：在系統(tǒng)實現(xiàn)時，盡量使用現(xiàn)有的成熟技術(shù)和模塊。做到重點突出，不泛泛而談。通過本文的研究和分析，希望為將來的實際應(yīng)用做出有益指導(dǎo)。工作的主要任務(wù)：（1）理解瞬時無功功率理論的主要容，并確立在此基礎(chǔ)上的檢測諧

24、波的方法。（2）有源電力濾波器各部分結(jié)構(gòu)方式的比較與選擇。（3）有源電力濾波器的各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計。 （4）在MATLAB/Simulink條件下進行系統(tǒng)仿真。第二章 三相電路諧波與無功電流的檢測 在有源電力濾波器等無功諧波電流動態(tài)補償裝置中，對無功與諧波電流的實時檢測中提出了很高的要求，如何準(zhǔn)確、實時地檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的電壓電流信號是APF 等動態(tài)補償裝置進行精確補償?shù)年P(guān)鍵。因此，研究無功與諧波電流的實時檢測與控制方法具有非常重要的意義。2.1 基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法2.1.1 瞬時無功理論原始定義與發(fā)展 1983年HAkagi等提出瞬時無功的概念，它是咀瞬時有功功率P和瞬時無

25、功功率q的定義為基礎(chǔ)的，所以該理論亦稱p-q理論。隨后又發(fā)展了以瞬時有功電流和瞬時無功電流定義為基礎(chǔ)的法：將三相電流轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)電壓同步旋轉(zhuǎn)的同步坐標(biāo)系中的法。需要說明的是，以上各種方法都是在三相三線制系統(tǒng)中建立的。2. 1. 2 瞬時無功功率理論變換原理：若在空間上相位差為120的同步電機定子三相繞組過時間上相差120的三相正弦交流電，那么在空間上會建立旋轉(zhuǎn)磁場，且此旋轉(zhuǎn)磁場的角速度為；若將時間上相差90的兩相平衡交流電通過定子空間上相差90的兩相繞組，此時若建立的旋轉(zhuǎn)磁場與三相繞組是等效的，則可用兩相繞組代替三相繞組。 圖2.1等值繞組相對位置 如上圖所示，旋轉(zhuǎn)磁場的角速度為，圖中使a相軸

26、線與相軸線重合，相繞組軸線超前相軸線90，這樣就可以達到簡化三相兩相變換關(guān)系的目的。記、為三相電壓，為三相電流。將三相電壓、電流分別通過-變換到坐標(biāo)系下，得到坐標(biāo)系下的兩相瞬時電壓、和瞬時電流。（2-1）（2-2）式中，圖2.2 坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量如上圖中坐標(biāo)系下的電壓、電流矢量關(guān)系所示，電壓、電流矢量、可分別分解為坐標(biāo)軸上的、和、，即可用以下兩個式子表示：（2-3）根據(jù)三相瞬時無功功率理論，對圖中的電壓、電流矢量關(guān)系進行分析，就可以得到瞬時無功功率理論對有功電流、無功電流以與有功功率、無功功率的定義。1）、在坐標(biāo)系中，電流矢量在電壓矢量上的投影為三相電路瞬時有功電流，電流矢量在電壓矢量

27、法線上的投影為三相瞬時無功電流。即：（2-4）式中，2）、電壓矢量的模|和三相電路瞬時無功電流的乘積為三相電路瞬時無功功率q，|和三相電路瞬時有功電流的乘積為三相電路瞬時有功功率p。即：（2-5）聯(lián)立以上幾式，并用矩陣表示三相瞬時有功功率p和瞬時無功功率q：（2-6）其中，。 從而可以得出三相瞬時有功功率p和三相瞬時無功功率q：（2-7）（2-8）3)、三相電路瞬時無功電流投影到軸上為相的瞬時無功電流，三相瞬時有功電流投影到軸上為相的瞬時有功電流：（2-9）4)、相的瞬時電壓和瞬時無功電流的乘積為、坐標(biāo)系下的瞬時無功功率，瞬時電壓和瞬時有功電流的乘積為坐標(biāo)系下的瞬時有功功率。（2-10）5）、

28、坐標(biāo)系下的瞬時無功電流通過變換得到三相的瞬時無功電流，坐標(biāo)系下的瞬時有功電流通過變換得到三相的瞬時有功電流。（2-11）（2-12）式中，由上可以推得：a相瞬時無功電流 （2-13）b相瞬時無功電流 （2-14）c相瞬時無功電流 （2-15）a相瞬時有功電流 （2-16）b相瞬時有功電流 （2-17）c相瞬時有功電流 （2-18）式中：（2-19）6）、各相的瞬時電壓和和瞬時無功電流的乘積為該相的瞬時無功功率，瞬時電壓和瞬時有功電流的乘積作為該相的瞬時有功功率：a相瞬時無功功率 （2-20）b相瞬時無功功率 （2-21）c相瞬時無功功率 （2-22）a相瞬時有功功率 （2-23）b相瞬時有功功

29、率 （2-24）c相瞬時有功功率 （2-25）2. 1. 3 坐標(biāo)變換在各種無功電流檢測法中，基于瞬時無功功率理論和變換的無功電流檢測方法因其具有良好的檢測精度和響應(yīng)速度且能夠同時檢測諧波電流和無功電流，從而得到廣泛的應(yīng)用。正向變換依據(jù)2.1將三相電流通過變換為坐標(biāo)系下的兩相電流，再由通過變換為有功電流和無功電流。（2-26）其中 .反向變換先將有功電流和無功電流通過變換為坐標(biāo)系下的電流，再通過變換為對應(yīng)的三相電流。（2-27） 式中 （2-28）2.2 三相四線制系統(tǒng)中基于瞬時無功功率理論的檢測方法2.2.1 法檢測電流 經(jīng)低通濾波器（LPF）得 p 、q的直流分量。電網(wǎng)電壓波形無畸變時，

30、為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，為基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生。于是，由 、即可計算出被檢測電流、的基波分量、。將、與、相減，即可得、出的諧波分量、。指令運算方法的原理如圖22所示。圖2.2 指令運算法原理圖（2-29）當(dāng) APF 同時用于補償諧波和無功時，就需要同時檢測出補償對象中的諧波和無功電流。在這種情況下，只需要斷開圖 2.2 中計算q的通道即可。這時，由 即可計算出被檢測電流、的基波有功分量、為：（2-30）將、與、相減，即可得出、的諧波分量和基波無功分量之和、。下標(biāo)中的d表示由檢測電路得出的檢測結(jié)果。由于采用了低通濾波器(LPF)求取、故當(dāng)被檢測電流發(fā)生變化時，需經(jīng)一定延遲時間才能

31、得到準(zhǔn)確的、，從而使檢測結(jié)果有定延時。但當(dāng)只檢測無功電流時，則不需低通濾波器。而只需直接將q反變換即可得出無功電流，這樣就不存在延時了，得到的無功電流如下式所示：（2-31）222 指令運算方法指令運算方法的原理如圖2-2所示。圖2.3 算法原理基于無功電流實時檢測的具體步驟如下： （1）基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法是將相電壓經(jīng)過一個鎖相環(huán)（Phase Locked Loop 簡稱 PLL）和一個正、余弦發(fā)生器得到與電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和余弦信號。（2）將負載側(cè)的三相電流進行CLARK坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)變?yōu)樽鴺?biāo)下的兩相坐標(biāo)，求出靜止兩相坐標(biāo)系對應(yīng)有功電流分量與無功電流分量。（3）使電流的無功

32、分量經(jīng)過低通濾波器得到電流的基波無功分，然后將經(jīng)過 PARK 逆變換得到坐標(biāo)下的基波無功分量電流。（4）最后將無功分量電流經(jīng)過 CLARK 逆變換得到相應(yīng)的三相坐標(biāo)的基波無功電流。（5）對于三相四線制和單相電路中的無功電流檢測，都可以先轉(zhuǎn)換為三相三線，然后重復(fù)上述步驟完成無功電流的檢測。（2-32）式中，。、經(jīng)過低通濾波器(LPF)濾波后得到直流分量、，由、經(jīng)反變換便可求出負載電流的基波分量、。（2-33）將、與、相減，便可求得、的諧波分量、。2.3 諧波分量的處理 根據(jù)對稱分量法，三相四線不平衡系統(tǒng)的負載電流除了含有基波正序分置外，還含有基波零序，基波負序和高次諧波分量。根據(jù)補償目標(biāo)，負載電

33、流的,和，都要補償?shù)簟?.3.1 對基波零序分量的處理 系統(tǒng)首先經(jīng)坐標(biāo)變換由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化到正交坐標(biāo)系中，此變換是可逆的。（2-34）（2-35）在正交坐標(biāo)系中，根據(jù)式(23)，0軸對應(yīng)于系統(tǒng)的零序分量(包含基波零序分量)，而，映射到聲坐標(biāo)平面。由于在補償之列，在正交坐標(biāo)系中可以把，去掉，而不影響算法的正確性。經(jīng)過后面的減法，還會在指令電流中出現(xiàn)，式如下。2.3.2 對基波負序分量和高次諧波分量的處理和同在盧正交坐標(biāo)系中，根據(jù)補償目標(biāo)，和也要被補償?shù)簟Ｓ捎谠贑LARKE變換中，系統(tǒng)被處理掉，這里只有諧波正序和諧波負序分量。同三相三線系統(tǒng)一樣，經(jīng)過PARK變換后，只有變?yōu)橹绷?。通過選擇LPF合適的截

34、止頻率，便可以濾掉。經(jīng)過PARK反變換和CLARKE反變換可以得到目標(biāo)電流。當(dāng)補償目標(biāo)為時，以上分析從理論上說明了在三相三線系統(tǒng)中廣為應(yīng)用的瞬時無功理論在三相四線系統(tǒng)中完全適用。法、法和d-q法都可推廣到三相四線系統(tǒng)。2.4 運算方式和運算方式的優(yōu)缺點運算方式和 運算方式的優(yōu)缺點如下： 當(dāng)電源電壓無畸變或畸變可以忽略的情況下，運算方式和運算方式均能夠準(zhǔn)確地檢測出諧波電流。運算方式需把三相電壓變換至坐標(biāo)下，計算量稍大一些；、運算方式則只需用一個鎖相環(huán)來產(chǎn)生正余弦信號。 在電源電壓畸變的情況下，運算方式中,、 不僅有基波電壓電流相作用的成分，而且還含有高次電壓和電流相作用的成分,因此將、反變換后得

35、到的電流不僅包含基波電流，還包含諧波電流，故運算方式不能準(zhǔn)確檢測出諧波的大小。運算方式用鎖相環(huán)產(chǎn)生正弦信號，與電壓無關(guān)，因此運算方式在電壓發(fā)生畸變時仍能準(zhǔn)確地檢測出系統(tǒng)的諧波電流。第三章 并聯(lián)型三相四線制補償電流發(fā)生電路方案選擇補償電流發(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構(gòu)成。在這三部分中首先需要對主電路進行設(shè)計。在設(shè)計主電路時，首先需確定主電路的形式，之后確定選擇什么樣的主電路，電流跟蹤方式；再按所選的器件和電流跟蹤方式設(shè)計驅(qū)動電路，并設(shè)計整個裝置的各種保護電路。3.1 三相四線制系統(tǒng)APF主電路形式和結(jié)構(gòu)選擇設(shè)計 三相四線制系統(tǒng)中由于零線的存在，使系統(tǒng)中 APF 主電路與控

36、制電路的構(gòu)成與三相三線制系統(tǒng)有所不同。常用的 APF 主電路形式可分為四相變流器和三相變流器兩種形式 。 目前，三相三線制 APF 己經(jīng)成功地在一些工業(yè)中得到應(yīng)用。三相四線制 APF的拓撲雖然早在 80 年代就有了介紹，但在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用仍然處于研究階段，還有許多問題需要研究和解決。隨著三線四線制系統(tǒng)在整個電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波的比重越來越大，研究如何用 APF 對三相四線制系統(tǒng)諧波和無功進行補償有重要意義。3.1.1 四相變流器結(jié)構(gòu)形式在三相四線制系統(tǒng)中，APF 除了要對三相電源電流諧波進行補償外，還要對零線電流進行抑制，使三相電源電流對稱，消除零線電流。具體來說，就是要使指令電流運算電路快速準(zhǔn)確

37、檢測出負載側(cè)電流中的諧波、基波負序等電流分量；而主電路也要能精確地按照指令電流信號產(chǎn)生對應(yīng)的補償電流。指令信號 由前面所述檢測法檢測出的系統(tǒng)零線電流反極性得到。產(chǎn)生的零線補償電流 與負載零線電流相抵消，使得電源側(cè)零線電流為零。采用四相變流器 APF 主電路與負載之間的連線如圖3.1 所示，從以上分析和文獻的介紹可知，采用四相變流器時的主電路分工明確，各相補償電流的產(chǎn)生和零線電流的補償可以看作是由各對橋臂獨立完成的，由于采用了一對開關(guān)管直接控制零線電流的補償，因此零線的補償效果較好。整個系統(tǒng)可看作是一個四相電流跟蹤控制系統(tǒng)。主電路直流側(cè)電容上的電壓控制也可仿照三相三線制系統(tǒng)直流側(cè)電壓控制的方法進

38、行。圖3.1 三相四橋APF主電路3.1.2 三相變流器結(jié)構(gòu) 圖 3.2 為采用三相變流器 APF 主電路與負載之間的連線圖。圖中，三相電源的零線與直流側(cè)兩個一樣電容器中點相連，給零線電流提供通道。三相變流器結(jié)構(gòu)形式的三相四線制 APF 對零序電流的控制是一種間接方式。從結(jié)構(gòu)上看，三相變流器比四相變流器采用的開關(guān)管數(shù)目少。但從控制的角度來說，由于零線電流在兩個電容上可能引起電壓不平衡的情況，所以控制電路要比四相變流器的控制電路復(fù)雜一些。采用三相變流器由于所用器件少，因而更經(jīng)濟一些，所以本設(shè)計采用后一種方式，文中的設(shè)計和仿真分析均是針對三相變流器 APF 進行的。圖3.2 電容中點型APF主電路

39、模型3. 2 三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器主電路的參數(shù)選擇 三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)確定后,另一項重要的工作就是主電路參數(shù)的選擇。系統(tǒng)的一些參數(shù)的選擇與設(shè)計是相互聯(lián)系、相互制約的,不能由一個簡單的目標(biāo)函數(shù)直接求得,要重點考慮主要參數(shù)的極限值,結(jié)合約束條件進行合理選擇。3. 2. 1主電路容量的確定有源電力濾波器的容量由下式計算（3-1）式中：U為電網(wǎng)相電壓的有效值，為補償電流的有效值。由電網(wǎng)電壓有效值，和補償電流有效值決定。而電網(wǎng)電壓有效值一般是不變的，因此只與補償電流的有效值有關(guān)。而的大小與補償?shù)囊笠耘c負載的容量大小均有關(guān)系。當(dāng)有源電力濾波器只補償負載電流中諧波成分時

40、，則有，此時，裝置容量取決于負載電流中諧波電流所占的比例。假如補償裝置所接負載的容量為100kVA，以三相整流電路為例，其交流側(cè)負載電流中的諧波分量有效值約所占總有效值的比例為25%，因此有源電力濾波器的容量至少要為負載容量的25%，即25kVA。若有源電力濾波器在補償諧波的同時還補償無功電流，則滿足要求的容量還需更大。綜合考慮上述因素，本課題樣機確定容量為。3. 2. 2 系統(tǒng)開關(guān)頻率 為了能夠更好地補償諧波電流，開關(guān)管的開關(guān)頻率越高越好(理論上要大于兩倍的諧波最高頻率)，但開關(guān)管的頻率過高又會帶來其他方面的負面影響。例如，開關(guān)損耗過大。所以脈寬調(diào)制選擇了電流滯環(huán)控制技術(shù)，該技術(shù)的特點是:開

41、關(guān)頻率是變化的。通過參考文獻，調(diào)制頻率與環(huán)寬的關(guān)系如下:（3-1）（3-2）上式中:HB為滯環(huán)寬度，為電容總電壓，L為交流進線電感。（3-3）式中:為A相指令電流信號 由（3-2）可知，當(dāng)滯環(huán)寬度HB固定時，調(diào)制頻率的取值圍由電容電壓和指令電流斜率m的變化來確定。由（3-3）式可以估算出系統(tǒng)調(diào)制頻率最高可達20KHZ。3. 2. 3電容總電壓的選擇電容電壓不能選的過低，過低會嚴(yán)重影響補償?shù)男Ч?電容電壓也不宜選的過高，過高的電容電壓雖然能夠產(chǎn)生較高的，雖然能改善補償效果，但它也能使有源濾波器產(chǎn)生的紋波增大。若忽略開關(guān)損耗，和交流進線電感的阻抗，且假定。再結(jié)合以下關(guān)系綜合考慮 則 n=1 時：（

42、3-4） n=2 時：（3-5）式中: n為諧波次數(shù)，為基波角頻率，為交流進線電感，基波電壓幅值，為n次諧波電流幅值。為計算方便，采用經(jīng)驗算法，為使APF能正常工作，直流側(cè)電壓必須滿足，其中為電網(wǎng)線電壓的有效值。在本次的樣機實驗條件下，為380V，須滿足，取為800V 。而在實際應(yīng)用中，要留有一定的欲度，直流電容的額定電壓值要高于系統(tǒng)運行時的實際電壓值。綜合考慮實際因素，根據(jù)目前市場上普遍使用的電解電容的型號，選擇，通過串聯(lián)的兩個電容來實現(xiàn)。3. 2. 4 電容選擇準(zhǔn)則和參數(shù)選擇 SAPF的工作在某種意義上就是直流側(cè)電容的充、放電的過程，所以其直流側(cè)電容電壓值必須維持基本不變，才能保證濾波器的

43、正常工作。在三相逆變中，電容起電壓支撐的作用，作為直流電源為逆變提供能量，還可以濾除整流產(chǎn)生的部分紋波。實際上，電容電壓值不可能是恒定的的，逆變過程中由于電容電壓的波動會產(chǎn)生紋波，紋波又會使變流器產(chǎn)生諧波，而較大紋波所形成的浪涌電壓或電流可能會燒毀電容器。 電容C的選擇應(yīng)使電容電壓的紋波限定在一定的圍之，典型為:1%-2%。所以電容容量的選擇應(yīng)按照系統(tǒng)運行于最壞情況下進行?？蓞⒖家韵玛P(guān)系式進行討論選擇:（3-6）其中n=3,5,7.定義電容電壓紋波百分比（3-7）（3-8）（3-9）由此可知電容容量與負載類型有關(guān)，式（3-9）的功率成份與補償目標(biāo)有關(guān)，但考慮到上式的計算討論過程比較復(fù)雜，通常電

44、容量的選擇可按如下經(jīng)驗公式求得。（3-10）式中: 為變流器的額定電流,為逆變器輸出電壓的基波角頻率,為額定狀態(tài)下的直流側(cè)電容總壓,K為直流側(cè)電容電壓的波動系數(shù)(正常運行狀態(tài)下)，取值為0.01。取 ：，（為為電網(wǎng)基波頻率50HZ），k=0.01。（3-11）根據(jù)計算與仿真分析選擇，因為直流側(cè)有兩個電容串聯(lián)所以確定。3. 2. 5 交流進線電感選擇準(zhǔn)則和參數(shù)選擇 SAPF通過電抗器向系統(tǒng)注入或吸收電流，因此電抗器的大小決定了變流器所能流過的最大電流值，影響了有源電力濾波器的補償效果。若電抗器L太大，則跟蹤電流變化緩漫，會導(dǎo)致跟蹤電流和參考電流之間誤差較大，會影響SAPF對補償電流的跟蹤控制能力

45、:若電抗器L太小，補償電流中紋波過大，使濾波器的輸出電流相對于期望的補償電流有很大的超調(diào)，且易形成毛刺;另外，L如果太小，開關(guān)管開通關(guān)斷引起的波動將會使電網(wǎng)電壓中產(chǎn)生諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)電壓質(zhì)量。對于交流進線電感L的選擇必須綜合考慮以上幾個因素。 (1)當(dāng)電抗取最大值時:SAPF輸出補償電流的最大變化率為:（3-12）式中 : 為A相補償電流，為直流側(cè)電容電壓，為電網(wǎng)電壓的幅值。若要保證SAPF對補償電流的跟蹤控制能力，即能跟隨指令電流的變化率則需:（3-13）結(jié)合式以上（3-12），（3-13）兩式得:（3-14）計算的經(jīng)驗公式為（3-15）當(dāng)只含諧波電流時 （3-16）當(dāng)只含諧波與無功電流時

46、（3-17）為所補償電流的有效值，即非線性負載諧波或無功電流的有效值，可見的取值取決于負載。 （2)當(dāng)電抗取最小值時:SAPF輸出補償電流的最大變化率為:（3-18）若SAPF主電路輸出地實際補償電流偏離指令電流的幅度為，則（3-19）整理上式得：（3-20）討論到此，可知交流進線電感的取值為:（3-21） 因為交流進線電抗值的選擇跟具體的負載和補償要求有密切的關(guān)系，并且需要根據(jù)仿真實驗和實際實驗才能在理論計算取值區(qū)間選出合適的電抗值，所以本文只是介紹了電抗參數(shù)選擇的一種參考方法。該主電路中，綜合考慮上述因素，L選擇1mH。3.3 電流跟蹤控制電路 對諧波電流進行補償時，則需產(chǎn)生與諧波電流大小

47、相等方向相反的的補償電流。這時就需要對諧波電流進行跟蹤。電流跟蹤控制電路有兩種方式，一是瞬時值比較方式；二是三角波比較方式。3.3.1 三角波比較方式a） 滯環(huán)比較方式 原理圖如下所示 圖3.3 滯環(huán)比較方式 H為滯環(huán)比較寬度。這樣在和之間波動。滯環(huán)寬度H對補償電流的跟隨性能有較大的影響，若環(huán)寬固定,誤差值也固定,但開關(guān)器件的幵關(guān)頻率卻有很大的變化,易引起開關(guān)噪聲。當(dāng)H較大式，電力半導(dǎo)體開關(guān)頻率較低，導(dǎo)致誤差較大；反之開關(guān)頻率高誤差小。而且同一開關(guān)頻率下輸出的電流中含有較多的諧波分量,又給交流進線電感的選擇帶來了新的限制條件b）時鐘信號比較方式 圖3.4 時鐘比較方式 此方法可避免器件開關(guān)頻率

48、過低的情況發(fā)生，但其補償電流跟隨性能不固定，從波形上看，毛刺忽大忽小。3.3.2 三角波比較方式圖 3-5 三角波比較方式 此方法是基于最小來設(shè)計的。將放大再與三角波比較，誤差較大。輸出電壓中諧波少，但含有與三角波同頻率的諧波。相比較三種方式滯環(huán)比較有其突出的優(yōu)點： 1)電路簡單。 2)實時控制,且電流響應(yīng)快,相位偏移小。 3)不需要載波,輸出電流中不含有特定頻率的諧波分量。 4)對檢測信號的傳感器要求較高,必須具有很寬的頻帶。 5)閉環(huán)控制,穩(wěn)定性較強。第四章 仿真4.1 三相四線制不平衡負載的諧波源設(shè)計 本文建立的是220V的三相四線制電網(wǎng)系統(tǒng)，可以利用電力系統(tǒng)工具包的交流電壓源模塊，在這

49、個模塊里可以設(shè)定交流電壓的幅值、頻率、相角參數(shù)，通過設(shè)置這些參數(shù)可以構(gòu)造出三相四線制電網(wǎng)電壓。 圖 4.1 三相四線不平衡諧波源如果有需要還可構(gòu)造畸變電壓模型。如圖4.1所示，Three-Phase Series RLC Branch模塊為系統(tǒng)線路的電感、電阻和電容值，他們都非常小。非線性負載本文采用的是典型的直流側(cè)帶阻感負載的三相二極管整流橋，在仿真不平衡系統(tǒng)時，可在C相和中線上加一個單相整流負載，由這些來組成諧波源。其仿真結(jié)果圖如下41 / 41（a） 電流波形 （b）電流波形 圖 4.2 （a）（b）分別為、三相電流的波形圖4.3 零線電流的波形 由于接入了一個三相不控整流橋，負載是電感

50、和電阻，得出A、B、C三相電流發(fā)生畸變，A相和B相電流畸變程度差不多如圖4.3（a）所示。但在C相上加了一個單項不控整流橋，導(dǎo)致C相電流和A相與B相電流不在一致，由圖形可以看出C相在零線周圍的電流呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，并且隨著仿真時間的延長最后趨于穩(wěn)定圖如5-4所示，而C相多出的這部分電流只有從零線上流過。這便是三相四線制中的零序電流。圖4.4 時間加長后零序電流趨于穩(wěn)定 4.2 諧波電流檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計 按照第二章本文所選定的基于瞬時無功理論的算法無需改進，搭建諧波檢測模型，如圖 4.4 所示。在 Simulink 工具箱中，提供了大量的數(shù)學(xué)運算模塊，可以方便對采入的各種信號進行運算，這其中的，

51、和 C 子模塊就可以由這些數(shù)學(xué)模塊來實現(xiàn)。 在諧波電流檢測模塊中低通濾波器的設(shè)計很重要的，若濾波器的階數(shù)高則濾波效果好，但動態(tài)響應(yīng)慢；而如果階數(shù)低則精度差，但響應(yīng)速度快；濾波器在同樣階數(shù)下，截止頻率低則精度高但響應(yīng)慢，而若截止頻率高則精度差但響應(yīng)快。目前常用的有無限沖激響應(yīng)濾波器(IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)。雖然 FIR 濾波器可以得到嚴(yán)格的線性相位，但是要實現(xiàn)一樣指標(biāo)的要求話，F(xiàn)IR 濾波器的階數(shù)一般比 IIR 濾波器要高 5-10 倍左右，因此 IIR 濾波器所需的存儲空間少，運算次數(shù)也少，實時性強。再者本文諧波檢測環(huán)節(jié)中所用數(shù)字濾波器的作用在于通直流，阻交流，而對相位的要求不

52、高，但對計算速度要求極高，故而選用 IIR 數(shù)字濾波器。 IIR 濾波器常用的類型有 Butterworth、Chebychev、Bessel 和 Elliptic 濾波器。在低頻段，Butterworth 濾波器檢測的精確性最好，Elliptic 濾波器次之，Bessel 濾波器最差；而 Bessel 濾波器的動態(tài)特性最好，Butterworth 濾波器次之，Elliptic 濾波器的動態(tài)特性最差。因此，綜合各種 IIR 濾波器原型的性能，本文選用 Butterworth 低通濾波器。4. 2. 1低通濾波器構(gòu)成原理根據(jù)輸出端口對信號頻率圍的要求，設(shè)計專門的網(wǎng)絡(luò)，置于輸入輸出端口之間，使輸出

53、端口所需要的頻率分量能夠順利通過，而抑制不需要的頻率分量，這種具有選頻功能的中間網(wǎng)絡(luò)，工程上稱為濾波器。工程上利用電感L和電容C彼此相反而又互補的頻率特性，設(shè)計具有一定濾波功能的“單元電路”，然后再用搭“積木”方式（如并聯(lián)、級聯(lián)等），連接成各種各樣的濾波網(wǎng)絡(luò)，低通濾波電路主要包括L形、T形和形結(jié)構(gòu)，本文采用最為簡單的低通濾波器巴特沃斯低通濾波器。巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計原理和設(shè)計電路濾波器的性能可用它的傳遞函數(shù)表達：（4-1）式中和分別為輸入電壓和輸出電壓，理想的濾波器通帶和阻帶的界限是截然劃分的，但實際上是不可能實現(xiàn)的。用電路元件可以制作出接近于理想特性的實用濾波器，它的傳遞函數(shù)可以表示成兩

54、個多項式的比：（4-2）其中為實常數(shù)，分母多項式的冪次，即為濾波器的階數(shù)。若(2)式除外所有分子項系數(shù)均為零，則傳遞函數(shù)變?yōu)槌?shù)與多項式之比。這時傳遞函數(shù)有有限極點而無限零點，這種濾波器稱為全極點濾波器，階巴特沃斯濾波器也是全極點濾波器。全極點濾波器傳遞函數(shù)為：（4-3）令(3)式的得：（4-4）這里為常數(shù)，歸一化為，若，傳遞函數(shù)可以分解為：（4-5）若，傳遞函數(shù)可以分解為：（4-6）在上述兩種情況下，設(shè)定，并令，則各項系數(shù)表示如下：（4-7）顯然，如式(4)所描述的那樣，巴特沃斯低通濾波器的增益即為式中常數(shù)(在時的傳遞函數(shù)值)。對于階低通濾波器，給定了它的傳遞函數(shù)，可用下圖的級聯(lián)方式：圖4.

55、5 濾波器的級聯(lián) 它把傳遞函數(shù)分解為諸因式的乘積，每一因式構(gòu)成一級濾波電路，相應(yīng)為，最后把各級電路級聯(lián)。分別變化每節(jié)的傳遞函數(shù)而不影響其他的節(jié)，這樣可獲得原來的傳遞函數(shù)。(5)或(6)中各個因式的系數(shù)即為該因式對應(yīng)電路節(jié)的增益，而濾波器的總增益應(yīng)該是各節(jié)所有增益的乘積。 截止頻率為的二階低通濾波器的典型全極點傳遞函數(shù)可以寫成：（4-8） 式中常數(shù)和是歸一化系數(shù)，由于，這個傳遞函數(shù)可以從的(4)式演化而來，常數(shù)即為增益。 對于高階濾波器，(8)式為每節(jié)二階電路的典型傳遞函數(shù)，為各節(jié)增益。和為各節(jié)歸一化因數(shù)。下圖是實現(xiàn)(8)式低通傳遞函數(shù)的一種簡單的濾波器電路。因為這個電路具有和兩條反饋支路，并將運算放大器作