最新基于TMS320LF28xx的有源電力濾波器設(shè)計(jì)

1、U D C:密 級(jí)：XX 信息工程學(xué)院學(xué)位論文基于 TMS320LF28XX的有源電力濾波器設(shè)計(jì)論文作者姓名：_申請(qǐng)學(xué)位專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化申請(qǐng)學(xué)位類別：_ 工學(xué)學(xué)士_指導(dǎo)教師姓名（職稱）：_論文提交日期：_編號(hào):分類號(hào)：基于 TMS320LF28xx的有源電力濾波器設(shè)計(jì)摘要隨著電力電子裝置日益廣泛的應(yīng)用，電力電子裝置自身所具有的非 線性導(dǎo)致了電網(wǎng)中含有大量諧波，這些諧波給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的污 染，嚴(yán)重危害了用電設(shè)備和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。雖然傳統(tǒng)的無(wú)源電力 濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí) 也有一些缺點(diǎn)，例如只能抑制固定的幾次諧波，并對(duì)某次諧波在一定條 件下

2、會(huì)與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧振反而而使諧波放大。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器，有源電力 濾波器也是一種電力電子裝置，且相關(guān)技術(shù)的研究也日漸成為研究的熱 點(diǎn)。本文闡述了幾種常見APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)，詳細(xì)分析了 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法，比例控制和前饋控制兩種電流 環(huán)控制策略以及SPWM和SVPWM兩種調(diào)制策略。介紹了電力有源濾波 器的基本原理和結(jié)構(gòu)， 并設(shè)計(jì)了并聯(lián)型有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。 該 系統(tǒng)包括指令電流運(yùn)算、PWM控制和驅(qū)動(dòng)電路模塊。在MATLAB中建立 了各個(gè)子模塊的仿真模型和并聯(lián)型有源電力濾波器的整體仿真模型。仿 真結(jié)果表明，其諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償可以達(dá)

3、到良好的效果，在技術(shù)上是可 行的。關(guān)鍵詞：電力有源濾波器；諧波；諧波檢測(cè)；MATLAB/SIMULINK仿真Design of Active Power Filter Based on MATLABAbstractWith the developme nt of power electr onic device the in creas in gly widespreadapplication of power electronic device, which has resulted in a nonlinear networkcontains a large number of harmo

4、nics, the harmonic of power systems has broughtserious pollution, serious harm to the electrical equipment and the stable running of thecom muni catio n system. although the traditi onal passive power filter has the advantages of simple structure, low cost, mature tech no logy, low running costs, bu

5、t it alsohas some disadva ntages, such as only the in hibiti on of stati onary harm oni cs, and aharm onic un der certa in con diti ons and the grid impeda nee res onance in stead of theharm onic amplificatio n.Currently, the harmonic suppression is an important trend of active power filters,active

6、power filter is a power electro nic devices, and related tech no logies areincreasingly become a hot topic. This paper describes the topology and their advantages and disadva ntagesof several com mon APF, a detailed an alysis of theharmonic detection method based on instantaneous reactive power theo

7、ry, and proportional con trol and feedforward control of two curre nt-loop con trol strategy, and bothSPWM and SVPWM modulation strategy. I ntroduced the basic prin ciples and structureof the active power filter, and design of a shunt active power filter control system. Thesystem con sists of the co

8、mma nd curre nt operati on, PWM con trol and drive circuitmodule. Simulation model of the various submodules and parallel active power filtersimulation model in MATLAB. The simulation results show that the harm onic suppressionand reactive power compe nsati on to achieve good results, istech ni call

9、y feasible.words：Active power filter; harmonic; harmonic detection; MATLABSIMULINK Simulation目錄論文總頁(yè)數(shù)：25頁(yè)1.1 課題背景.01.1.1 諧波基本概念 .01.1.2 諧波主要危害： .01.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 . 21.3 本課題研究的意義 . 21.4 本課題研究方法 . 31.5 本文研究的內(nèi)容. 32.有源電力濾波器.32.1 抑制諧波方法.12.2 APF 的工作原理和結(jié)構(gòu) .32.2.1 APF 的基本原理和種類 . 32.3 APF 的諧波檢測(cè)方法.52.3.1 基于頻域的檢測(cè)方

10、法 .52.3.2 瞬時(shí)空間矢量法 .52.3.3 有功分離法. 52.3.4 自適應(yīng)檢測(cè)法.62.3.5 同步測(cè)定法. 62.4APF 的補(bǔ)償電流控制方法 .62.4.1 三角載波控制.62.4.2 滯環(huán)比較控制.62.4.3 變結(jié)構(gòu)控制. 6Key2.4.4 無(wú)差拍控制與差拍控制 .72.4.5 單周控制（又稱積分復(fù)位控制） .72.4.6 空間矢量調(diào)制.73源電力濾波器諧波檢測(cè)及控制策略 . 73.1瞬時(shí)無(wú)功功率理論簡(jiǎn)介及其應(yīng)用 . 73.1.1 瞬時(shí)無(wú)功理論定義 . 73.1.2 三相電路諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè) . 93.2SVPWM 調(diào)制策略 . 104.電力有源濾波器的仿真實(shí)現(xiàn) .

11、 134.1 源電力濾波器仿真模型的建立 . 134.1.1 APF 的系統(tǒng)仿真模型 . 134.1.2 非線性負(fù)載模型 . 144.1.3 諧波檢測(cè)模型 . 144.1.4 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生 . 174.2 仿真結(jié)果 . 18結(jié)論 . 20參考文獻(xiàn) . 21致謝 . 22聲明 .221引言電能是現(xiàn)代社會(huì)的主要能源之一， 在各行各業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用， 電能質(zhì)量 的好壞直接關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的總體效益。 理想的供電系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷供電時(shí)， 應(yīng)該保 持三相平衡對(duì)稱， 電壓電流波形皆為單頻恒定正弦波，電能質(zhì)量不受負(fù)載變化的 影響。隨著電力電子裝置及非線性、沖擊性設(shè)備的廣泛運(yùn)用， 諧波和低功率因數(shù) 等問(wèn)題越來(lái)

12、越嚴(yán)重。 目前的大型企業(yè)中， 幾乎每家企業(yè)都或多或少有著電網(wǎng)污染 的現(xiàn)象。在供電的過(guò)程中電壓的波形會(huì)由于某些原因而偏離正弦波形， 即產(chǎn)生諧 波。并且在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。供電系 統(tǒng)中的諧波問(wèn)題已經(jīng)引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注， 為了保證供電系統(tǒng)中所有的電 氣、電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、 和諧的工作， 必須采取有力 的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。1.1課題相關(guān)知識(shí)介紹1.1.1諧波基本概念1882年，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅里葉(J.FOURIER,1768-1830)指出，一個(gè)任意函數(shù) 都 可 以 分解 為 無(wú) 窮 多 個(gè) 不 同 頻 率

13、 正 弦 信 號(hào) 的 和 ?；?于 此 ，國(guó) 際 電 工 (IEC:INTERNATIONALELECTROTECHNICAL COMMISSION) 標(biāo) 準(zhǔn) (IEC555-2，1982)定義諧波為：諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的H次分量。把諧波次數(shù)的H定義為：以諧波頻率和基波頻率的之比的整數(shù)。電氣 和電子工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE標(biāo)準(zhǔn)519-1981)定義諧波為：諧波為一個(gè)周期波或 量的正弦波分量， 其頻率為基波的整數(shù)倍。 總結(jié)二者，目前國(guó)際普遍定義諧波為： 諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍9。1.1.2諧波主要危害諧波研究與治理對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)意義重大， 這

14、是因?yàn)橹C波不僅降低電能的 生產(chǎn)、傳輸和利用效率，而且給供、用電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危險(xiǎn)。對(duì)于電 力系統(tǒng)，諧波會(huì)放大系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振現(xiàn)象， 使諧波含量放大， 造成 電容器等設(shè)備燒毀。 諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作， 使電能計(jì)量出現(xiàn) 混亂。對(duì)于電氣設(shè)備， 諧波可以使電氣設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲， 還可以產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn) 象，促使絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。 電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波與普通電 話線路傳輸?shù)囊纛l信號(hào)及人耳的音頻敏感信號(hào)相比在信號(hào)頻帶上具有一定的重 疊性，而且二者功率相差懸殊。對(duì)于通信的干擾，也是諧波的主要危害之一。諧波污染是

15、電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙。電力電子技術(shù)是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā) 展的重要支柱。有人預(yù)言，電力電子連同運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力 電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行 更為有效研究。諧波治理是“綠色電流”的要求。雖然目前還沒有完全證實(shí)高次諧波對(duì)人， 動(dòng)物以及生態(tài)環(huán)境的影響，但已有證據(jù)表明諧波對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響確實(shí)存在，并引起了政府和各界人士的注意，開辟出了一個(gè)新的研究領(lǐng)域一一電磁環(huán)境對(duì)生態(tài) 的影響。目前，對(duì)地球環(huán)境的保護(hù)已成為全人類的共識(shí)。從減少環(huán)境污染、維護(hù) 綠色環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)電力系統(tǒng)這

16、個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的主要標(biāo)士之一9志、0因此，諧波治理已經(jīng)成為電氣工程領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。1.1.3抑制諧波方法隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍的增長(zhǎng)，對(duì) 供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來(lái)越多，電能質(zhì)量(POWER QUALITY)受到人們的日益重視。于是各國(guó)紛紛出臺(tái)措施，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前濾波是治理電網(wǎng)污染的有效方法，濾波就是將信號(hào)中特定的波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。它分為“無(wú)源濾波”(PF: PASSIVE FILTER)和“有源濾波”(APF: ACTIVE POWER FILTER)10。(1)無(wú)源濾波圖1-1無(wú)源濾波器結(jié)

17、構(gòu)無(wú)源濾波器，又稱LC濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的 濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最易于采用的無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與 電容串聯(lián)，可對(duì)主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高 通濾波器都屬于無(wú)源濾波器。無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行可靠性 較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)?；镜臒o(wú)源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖1-1所示。(2)有源濾波目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用電力有源濾波器(ACTIVE POWERFILTER-APF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì) 象中檢測(cè)出諧波電流， 由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償

18、電流，從而消除電網(wǎng)中的諧波。 這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟 蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視， 并且在日本等 國(guó)得到廣泛的應(yīng)用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就己經(jīng)形成。80年代以來(lái)，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PULSEWIDTH MODULATION-PWM)控制技術(shù)的進(jìn)步，以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的 諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)70年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器的概念， 當(dāng)時(shí)由 于電力電子器件制造水平的限制， 這項(xiàng)技術(shù)沒有引起廣泛的關(guān)注。 直到80年代，

19、 隨著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈寬調(diào)制(PWM )控制技術(shù)的進(jìn)步以及 赤木泰文AKAGI H瞬時(shí)無(wú)功功率理論的提出，有源電力濾波器才得到迅速 發(fā)展和完善。作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 有源電力濾波器在日本、 美國(guó)、德國(guó)等 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了高度的重視和日益廣泛的應(yīng)用，目前世界上APF的主要生 產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國(guó)西屋電氣公司和德國(guó)西門子公司等。 我國(guó)在有 源電力濾波器方面的研究起步較晚，1989年才有這方面研究的文章出現(xiàn)，1993年才見到試驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。 但近十幾年來(lái)， 越來(lái)越多的研究單位對(duì)有源濾 波技術(shù)開展了深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)，這些研究有的已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水

20、 平。當(dāng)前研究工作的關(guān)鍵是加快有源電力濾波器在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用， 提高實(shí)際 應(yīng)用水平1。1.3本課題研究的意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， 大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、 具有非線性特性的 用電設(shè)備。廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、交通、化工等工業(yè)領(lǐng)域。如電解裝置、電氣 機(jī)車、軋制機(jī)械、 高頻爐等使電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴(yán)重。 電網(wǎng)中的高次諧 波會(huì)造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器過(guò)熱。 使電力電容器組工作不正常， 甚至造成熱擊穿 損壞。對(duì)電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、 調(diào)相機(jī)、繼電保護(hù)自動(dòng)裝置和電能計(jì)量等也有很 大危害。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作；造成重大事故。諧波污染對(duì)通信、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、 高精度加工機(jī)械， 檢測(cè)儀表等用電設(shè)備也有嚴(yán)重的干

21、擾。 因此，必須采取有效的 措施來(lái)消除電網(wǎng)中的高次諧波。 目前大量采用并聯(lián)型無(wú)源濾波器來(lái)抑制諧波， 它 由電容器、 電抗器、電阻器組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器構(gòu)成。 通過(guò)對(duì)某些 次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻來(lái)達(dá)到濾波的目的。 同時(shí)還兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?由于并聯(lián) 型的無(wú)源濾波器存在不少問(wèn)題， 影響到實(shí)際應(yīng)用。所以目前的趨勢(shì)是采用電力電 子裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償， 這就是電力有源濾波器（APF）。與無(wú)源濾波器（PF）相比,電力有源濾波器能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償， 而且補(bǔ)償特性不受電 網(wǎng)阻抗的影響.國(guó)外電力有源濾波器的研究以日本為代表，已進(jìn)入實(shí)用化階段,隨著容量的逐步提高， 其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用戶自

22、身的諧波問(wèn)題向改善整個(gè)電力 系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 在裝置技術(shù)方面。 主要朝提高補(bǔ)償容量、 改善補(bǔ)償性 能、降低成本和損耗、多功能化和裝置小型化等方向發(fā)展。在應(yīng)用方面，主要致 力于針對(duì)不同諧波源制定相應(yīng)的對(duì)策， 解決最優(yōu)配置、 有源濾波器的相互干擾及 其對(duì)電網(wǎng)上裝設(shè)的LC濾波器的影響以及停電和瞬間保護(hù)等問(wèn)題。 自1976以來(lái)L. GYUGI提出了并聯(lián)有源濾波器方案。 到目前為止已經(jīng)研究出了有關(guān)有源濾波 器的近十幾種濾波方案，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同場(chǎng)合2。1.4本課題研究方法有源電力濾波器是當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段， 本文對(duì)有 源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論研究和分

23、析。MATLAB /SIMUL INK提供 的SIMPOWER工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個(gè)方面。利用SIMPOWER工具箱對(duì)有源電力濾波器裝置進(jìn)行了建模和仿真，能夠?qū)⒂性措娏?濾波器的工作過(guò)程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來(lái),驗(yàn)證了理論分析的正確性。1.5本文研究的內(nèi)容本文主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面： 第一部分為引言， 概述了課題背景、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、 有源電力濾波器發(fā)展 現(xiàn)狀以及本課題研究方法等。第二部分 分析了有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 工作原理和工作特性。 從多個(gè) 方面出發(fā)對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行了分類和介紹，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第三部分 分析了有源電力濾波器諧波檢測(cè)方法， 并

24、分析了各種諧波檢測(cè)方法 的工作原理和特性，通過(guò)對(duì)比選擇P、Q算法作為本文諧波檢測(cè)方法。第四部分在MATLAB/SIMULINK中建立三相三相制有源電力濾波器的仿真 模型，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行仿真和詳細(xì)的闡述。 選擇不同的整流負(fù)載， 對(duì)負(fù)載電流 波形和補(bǔ)償后的電流波形進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了APF的補(bǔ)償性能。第五部分 對(duì)全文做出總結(jié)， 對(duì)有源電力濾波器系統(tǒng)存在的一系列問(wèn)題進(jìn)行探 討，并提出下一步的展望。2.有源電力濾波器1. APF的工作原理和結(jié)構(gòu)1.1.1 APF的基本原理和種類APF的基本原理是檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流。通過(guò)可控功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電

25、流為0,從而達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。其原理框圖如圖2-1所示：圖 2-1 有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖APF的結(jié)構(gòu)形式很多，但其基本原理都是類似的，按電路拓樸結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF和串-并聯(lián)型APF。（1）并聯(lián)型APF圖2-2為并聯(lián)型APF基本結(jié)構(gòu)。由于與系統(tǒng)并聯(lián),可等效為一受控電流源。 并聯(lián)型APF可產(chǎn)生與負(fù)荷電流大小相等、方向相反的諧波電流，從而將電源側(cè) 電流補(bǔ)償為正弦基波電流。主要適用于抵消非線性負(fù)載的諧波電流、無(wú)功補(bǔ)償及 平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。并聯(lián)型APF在技術(shù)上比較成熟。圖 2-2 并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（2）串聯(lián)型APF圖2-3為串聯(lián)型APF基本結(jié)構(gòu)。通過(guò)1個(gè)

26、匹配變壓器將APF串聯(lián)在電源和 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APF相比，串 聯(lián)型APF損耗較大，且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜。因此，很少單獨(dú)使用串聯(lián)型APF,大多將其作為混合型APF的一部分。圖 2-3 串聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（3）串一并聯(lián)APF圖2-4為串-并聯(lián)型APF基本結(jié)構(gòu)。具有串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的優(yōu)點(diǎn),能 解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的電能質(zhì)量問(wèn)題，又稱為萬(wàn)能APF或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串 聯(lián)型APF將電源和負(fù)載隔離，阻止電源諧波電壓串入負(fù)載和負(fù)載電流流入電網(wǎng)。并聯(lián)型APF提供一個(gè)零阻抗的諧波支路，把負(fù)載中的諧波電流吸收掉。這種方 案兼有串、并聯(lián)APF的功能，可以抑制閃

27、變、補(bǔ)償諧波、消除共同耦合點(diǎn)處的 三相電壓不平衡，具有較高的性價(jià)比。該類APF的主要問(wèn)題是控制復(fù)雜、造價(jià) 較咼。圖 2-4 串聯(lián)一并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)2.3 APF的諧波檢測(cè)方法文字說(shuō)明1.基于頻域的檢測(cè)方法這是最早應(yīng)用于指令電流運(yùn)算的一類方法。其基本思想是利用模擬帶（或陷波）濾波器進(jìn)行諧波檢測(cè)時(shí)他的缺點(diǎn)是：當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，所設(shè)計(jì)的濾波器中心 頻率會(huì)發(fā)生偏移，加上該中心頻率易受器件參數(shù)及溫度影響，會(huì)使檢測(cè)出的諧波信 號(hào)中含有大量基波分量，增加了APF的設(shè)計(jì)容量和有功損耗，因此，已基本不 用。2.3.2瞬時(shí)空間矢量法基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應(yīng)用最廣的一種指

28、令電流運(yùn)算方法。最早是由日本學(xué)者HAKAGI于1984年提出，僅適用于對(duì)稱三相電路，后經(jīng)過(guò)不斷地改進(jìn)，現(xiàn)已包括P-Q法、IP-IQ法以及D-P法等。P-Q法最早應(yīng)用，僅適用于對(duì)稱三相且無(wú)畸變的電網(wǎng)；IP-IQ法 不僅對(duì)電源電壓畸變有效，而且也適用于不對(duì)稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn)PARK變換的D-Q法不僅簡(jiǎn)化了對(duì)稱無(wú)畸變下的指令電流運(yùn)算， 而且也適用于不對(duì)稱、 有畸變的電網(wǎng)。2.3.3有功分離法該方法將被檢測(cè)量分解為理想傳輸量（即從公共供電點(diǎn)上看去，負(fù)荷是三相對(duì)稱且純阻性的，該負(fù)荷只消耗有功能量）和另一分量之和，簡(jiǎn)單明了、易于實(shí)現(xiàn)。 但該方法以平均有功功率理論為基礎(chǔ)， 至少存在一個(gè)工頻周期的延時(shí)，

29、實(shí)時(shí)性較 差;并且當(dāng)電源電壓存在畸變時(shí)，與電壓諧波同次的諧波電流（有功部分）將被淹沒 一部分。另外，該方法不能單獨(dú)分離出基波有功分量。2.3.4自適應(yīng)檢測(cè)法該方法基于自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)干擾抵消原理， 從負(fù)載電流中消去基波有 功分量，從而得到所需的補(bǔ)償電流指令值。 該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)電壓畸變、 頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應(yīng)調(diào)整能力， 但目前其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度還較 慢。后來(lái)又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)檢測(cè)法。2.3.5同步測(cè)定法針對(duì)三相不平衡系統(tǒng)提出了同步測(cè)定法,可分為等功率法、等電流法和等電 阻法3類,即把補(bǔ)償分量分配到三相中去,分別使補(bǔ)償后的每相功率、每相電流或 每相電阻相等。該

30、方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大、時(shí)間延遲大。2.4 APF的補(bǔ)償電流控制方法目前電力有源濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是PI控制，另外國(guó)內(nèi)外的 學(xué)者還對(duì)變結(jié)構(gòu)控制， 模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)控制等現(xiàn)代新型控制方法進(jìn)行了研 究。APF控制策略還包括開關(guān)器件的PWM脈沖信號(hào)的形成7。目前PWM生成 方式的研究主要集中在載波比較法、 滯環(huán)控制法、 無(wú)差拍控制法和空間矢量法等 方法上：2.4.1三角載波控制將電流實(shí)際值與參考值之間的偏差經(jīng)P I調(diào)制后與高頻三角載波相比較，所得 矩形脈沖作為逆變器開關(guān)元件的控制信號(hào),從而在逆變器輸出端獲得所需波形。 其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,開關(guān)頻率固定,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是輸出波形中含有與三

31、角載 波相同頻率的高頻畸變分量,開關(guān)損耗較大,在大功率應(yīng)用中受到限制。2.4.2滯環(huán)比較控制它的原理為:將補(bǔ)償電流參考值與逆變器實(shí)際電流輸出值之差輸入到具有滯 環(huán)特性的比較器中,通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制開關(guān)動(dòng)作,使逆變器輸出值實(shí)時(shí)跟蹤 補(bǔ)償參考值。與三角載波控制相比,滯環(huán)比較控制具有開關(guān)損耗小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、 魯棒性好、 控制精度高等特點(diǎn)。 其缺點(diǎn)是系統(tǒng)的開關(guān)頻率、 響應(yīng)速度及電流的跟 蹤精度均受滯環(huán)帶寬影響。當(dāng)帶寬固定時(shí),開關(guān)頻率會(huì)隨補(bǔ)償電流的變化而變化,從而引起較大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪音。為了解決開關(guān)頻率變化的問(wèn)題,提出了基于電壓矢量的滯環(huán)電流控制法8。2.4.3變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制是一種控制系

32、統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，適用于線線性及非線性系統(tǒng)。包括 控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。它具有一些優(yōu)良特性，尤其是 對(duì)加給系統(tǒng)的攝動(dòng)和干擾有良好的自適應(yīng)性。 近年來(lái)，這種設(shè)計(jì)方法受到了國(guó)內(nèi) 外的廣泛重視， 得到了很快的發(fā)展。 但變結(jié)構(gòu)控制對(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感,具有很強(qiáng)的魯棒性。本質(zhì)上可視為帶寬等于零的滯環(huán)比較控制,所以他同樣存在開關(guān)頻率高、變化范圍大的缺點(diǎn)。2.4.4無(wú)差拍控制與差拍控制 無(wú)差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的全數(shù)字化控制技 術(shù)。他利用前一時(shí)刻補(bǔ)償電流的參考值和實(shí)際值,計(jì)算出下一時(shí)刻的電流參考值 及各種開關(guān)狀態(tài)下的逆變器電流輸出值,然后選擇某種開關(guān)模式作為

33、下一時(shí)刻的 開關(guān)狀態(tài),從而達(dá)到電流誤差等于零的目標(biāo)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且易于 計(jì)算機(jī)執(zhí)行,缺點(diǎn)是計(jì)算量大、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大、魯棒性差、瞬態(tài)響應(yīng)的 超調(diào)量大。2.4.5單周控制(又稱積分復(fù)位控制) 單周控制技術(shù)具有調(diào)制和控制的雙重性,通過(guò)復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路 及比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。其基本思想是控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量平均值與控制參考量相等或成比例。 單周控制能在一個(gè)周期內(nèi)自 動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)誤差,前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。這種控制方法具有 反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。2.4.6空間矢量調(diào)制SVM ( SPACE V

34、ECTOR MODULATION)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn):直流側(cè)電壓 的利用率比SPWM提高15%;采用不連續(xù)開關(guān)方式調(diào)制時(shí),開關(guān)器件的損耗降低1 /3;調(diào)制方法便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。3有源電力濾波器諧波檢測(cè)及控制策略3.1瞬時(shí)無(wú)功功率理論簡(jiǎn)介及其應(yīng)用三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論由日本學(xué)者赤木泰文最先提出， 此后，該理論經(jīng) 不斷研究逐漸完善。赤木最初提出的理論亦稱P、Q理論，是以瞬時(shí)實(shí)功率和虛 功率的定義為基礎(chǔ)， 其主要的一點(diǎn)不足是未有對(duì)有關(guān)電流量進(jìn)行定義。 該理論的基本思路是：將ABC三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成A,B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)

35、 無(wú)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(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。 但該方法對(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， 且只適用于三相系統(tǒng)， 不能用于單相系統(tǒng)7。3.1.1瞬時(shí)無(wú)功理論定義瞬時(shí)無(wú)功理論在無(wú)功補(bǔ)償和諧波檢測(cè)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，以該理論 為基礎(chǔ)構(gòu)成的APF可以實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率和大小都變化的無(wú)功與諧波電流進(jìn)行實(shí)時(shí) 的檢測(cè)。這種檢測(cè)方法有可以分為P-Q法和IP-IQ法

36、。本論文就是利用IP-IQ法 進(jìn)行諧波與無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)的。本文研究的系統(tǒng)為三相三線制系統(tǒng)，可以先將三相的電壓和電流轉(zhuǎn)換到靜止 的a-p系統(tǒng)中9。設(shè)三相電路各相瞬時(shí)電壓和電流分別為ea,eb, 分別將它們變換到兩相正交的iP,即=a = 3|sin(wt - )IHp 2m|-cos(wt -;：所以得到瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率為a-p坐標(biāo)上，兩項(xiàng)瞬時(shí)電壓為eec和ia,ib,ic, ,ep，電流為ia,Fu1二1-2J3eaeb32ebFi式中,Q為：pI I_qC32是三相到兩相的坐標(biāo)變換陣,FU1 Fiua*U1輕FiJ !一iaiaib=C32ib.ic一iicP和無(wú)功功率iaJp -

37、現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)三相電壓和三相電流均為正序基波正弦信號(hào)時(shí), 三相電流分別為：設(shè)三相電壓、UaEmsinwtUb= Emsin(wt-2/3)Uc一.EmSin(wt +2n/3)_(4)alImsi nwtIb= |Imsin(wt -2冗/3).cjlmSin(wt +2冗/3) j(5)則變換到A-B兩相靜止坐標(biāo)系中的向量為:Fi定義瞬時(shí)有功功率ec1_ 2、3233P =Fui*Fi=2Em1 2mCOS ,q= F“：Fj= ?EmImSin (8)從式(8)可以看出，在三相系統(tǒng)的電壓和電流均為基波正序電壓和電流時(shí)， 按照上面定義計(jì)算的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率P、Q只包含直流分量，并且與傳統(tǒng)

38、的三相有功功率和無(wú)功功率計(jì)算的結(jié)果一樣。瞬時(shí)無(wú)功功率理論只用了一個(gè) 時(shí)刻三相電壓和電流的數(shù)值，所以這種功率計(jì)算方法大大提高了計(jì)算的效率。3.1.2三相電路諧波和無(wú)功電流實(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)，計(jì)算 得出三相電路諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的兩種方法，IQ方式4。(A)P、Q運(yùn)算方式該檢測(cè)方法原理如圖1所示。圖中上標(biāo)-1該方法由定義計(jì)算的P、Q經(jīng)低通濾波器LPF濾波得到P、Q的直流分量P1、Q1。電源電壓無(wú)畸變時(shí),P為基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生，Q為基波無(wú)功電流與 電壓作用產(chǎn)生。因而，由P、Q即可計(jì)算出被檢測(cè)電流IA、IB、IC的基波分量IAF、IBF、ICF。如式(9)所示：圖 3-1

39、p、q 運(yùn)算方式原理將laf、Ibf、Icf與la、Ib、Ic相減，即得la、Ib、Ic的諧波分量lah、Ibh、Ich。(B)IP、IQ運(yùn)算方式該檢測(cè)方法原理如圖2所示。且圖中矩陣C如(10)式所示。c= sinwt2 LT AP、Q或IP、IQ為出發(fā)點(diǎn)即可分別稱之為P、Q運(yùn)算方式和IP、表示矩陣求逆。(9)5ar= 4c.(10圖 3-2 ip、iq 運(yùn)算方式原理圖該方法用一鎖相環(huán)和一正、余弦發(fā)生電路得到與電源電壓Ea同相位的正弦 信號(hào)sinwt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-coswt,這兩個(gè)信號(hào)與la、lb、Ic一起計(jì)算出女、Iq ,經(jīng)LPF濾波得出Ip、Iq的直流分量啦、口。這里，如 是由laf、

40、Ibf、Icf產(chǎn)生。3.2 SVPWM調(diào)制策略采用同步旋轉(zhuǎn)變換的控制方法得到DQ兩相的電壓給定后，可以采用正弦脈 寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)來(lái)得到三相VSR六個(gè)開關(guān)管的開關(guān)信號(hào)。基本的原理是： 根據(jù)式（1）的反變換將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓給定變換到三相靜止坐標(biāo)系中，標(biāo)定后與頻率固定的三角波進(jìn)行比較，就可以得到脈寬調(diào)制信號(hào)，這種方法在早 期的三相VSR控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)隨著算法的不斷改進(jìn)和控制芯片的迅猛發(fā)展，電壓空間矢量脈寬調(diào)制 技術(shù)（SVPWM）被引入高頻變流領(lǐng)域的研究中。（SVPWM）是一種優(yōu)化的PWM技術(shù)，此方法控制簡(jiǎn)單，電流波形畸變小，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，能明顯減少交流側(cè) 電流的諧波

41、成分，提高電壓利用率（比SPWM高15%），已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì)?；镜目刂扑枷肴缦?0:定義三相VSR網(wǎng)側(cè)輸入電壓空間矢量URF:22八亍,a心）（11）.1 jn其中a= e3，根據(jù)三相VSR開關(guān)信號(hào)S的定義，整流器有八種導(dǎo)通模式， 對(duì)應(yīng)八個(gè)空間電壓矢量：U（000）、U1（100）、U2（110）、U3（010）、U4（011）、U5（001）、U6（101）、U7（111）。其中U1U6六個(gè)非零矢量為基本有效矢量，U0（000）、U7（111）為兩個(gè)零矢量。在一個(gè)電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零 矢量結(jié)束。用六個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量去逼近電壓源，整流器三相橋輸入

42、端會(huì)得到等效的三相正弦波波形。這樣對(duì)任一空間電壓矢量就可以用兩個(gè)相鄰的非零 矢量和兩個(gè)零矢量去逼近，使三相橋的輸入為等效正弦波。如URF在第一扇區(qū)，則有：如下圖所示:URFTS= U1T1+U2T2(12)圖 3.1 空間電壓矢量分解圖T1和T2分別為空間矢量U1和U2的作用時(shí)間，TS為一個(gè)PWM周期。(1)空間電壓矢量所在扇區(qū)的計(jì)算由于-I，所以在一個(gè)電流采樣周期TS中，URF的作用效果可等O效表示為：.-，如叮眛在第一扇區(qū)，則有0arctg(Ua/UB)0且(Ua/UB) . 3。同理可得URF在其他扇區(qū)時(shí)的等價(jià)條件。定義：ZU。B = V3Ua UBr(13)C = -V3U a- uB

43、X = sin g (A) + 2 sin g (B) + 4 sin g (C)1 M X0這里得sin g( M)是符號(hào)函數(shù)，滿足：sing(M)=X與空間電壓0 M TS，則過(guò)飽和。針對(duì)這種情況就需要對(duì)同時(shí)得到零矢量的開通時(shí)間：T1和T2進(jìn)行歸一化處理,T1T2ToT1T2Ts(T1T2)(T1T2)Ts- T1- T2(17)(15)此時(shí)開關(guān)變換順序?yàn)椋?00100110111110100000。同理可以得到其他扇區(qū)開關(guān)變換轉(zhuǎn)換順序，如下表所示圖 3.2 空間矢量在第一扇區(qū)時(shí)三相橋臂的開通時(shí)間分配表 2 各扇區(qū)開關(guān)變換順序扇區(qū)作用于三相橋臂上的向量的轉(zhuǎn)換順序I0001001101111

44、10100000n000110010111010110000m000010011111011010000IV000011001111001011000V000001101111101001000000101100111100101000各扇區(qū)三相各相橋臂的導(dǎo)通時(shí)間計(jì)算如下表所示:表 3 各相橋臂在不同扇區(qū)中的導(dǎo)通時(shí)間分配表相ABC扇區(qū)IT0一 4+T斗T2T042 2424nT0_ + Ti+上424224T0T0丄 T1丄 T2T0丄 T2m442242VT空T0一+匚+442422V上ToT0一+匚+424422To -+ Zj-“+空42 24424.有源電力濾波器的仿真MATLAB是美

45、國(guó)MATHWORKS公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以 及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境，MATLAB是一個(gè)高度集成的系統(tǒng)，分為核心部分和各種工具箱兩個(gè)部分。 核心部分有數(shù)百個(gè)內(nèi)部核心函數(shù)；SIMULINK工具箱作為MATLAB的一部分，為系統(tǒng)模塊提供了一個(gè)可綜合分析的集成環(huán)境。 在該環(huán)境下，用戶可通過(guò)拖拉和連接典型模塊的方式就可以繪制系統(tǒng)電路，從而很容易就能構(gòu)造出需要的連續(xù)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)模型。4.1有源電力濾波器仿真模型的建立4.1.1 APF的系統(tǒng)仿真模型基于MATLAB的優(yōu)點(diǎn)與有源電力濾波器的特點(diǎn)，本文采用SIMULINK的POWERSYSTEMS工具箱建立了非線性負(fù)載模型

46、、諧波檢測(cè)模型、控制算法模塊、主電路模塊。如圖4-1所示為有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成模型圖 4-1 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成模型4.1.2非線性負(fù)載模型本文仿真系統(tǒng)中選擇三相整流橋?yàn)樨?fù)載，因?yàn)樵陔娏ο到y(tǒng)中，它應(yīng)用非常廣 泛,是諧波污染非常嚴(yán)重的諧波源之一。完整的三相橋式整流電路時(shí)由整流變壓 器以及6個(gè)橋式連接的晶閘管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。圖4-2所示為非線性負(fù)載仿真模塊。圖 4-2 所示為非線性負(fù)載仿真模塊n:MeasurEmentVtkice Measurement!ThrwPhiSE I snesRLC Branchhl Ab-I Mi沖Pre grji iB VaJ u弓和旬OXl

47、L* Ti Li-DD& tent0E CuSi-swr-&CMI4.1.3諧波檢測(cè)模型實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地提取出負(fù)載中的諧波對(duì)有源電力濾波器的補(bǔ)償效果有重要影響。本小節(jié)采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的P、Q運(yùn)算公式計(jì)算出諧波。諧波檢測(cè)模塊仿真圖如圖4-3所示。圖 4-3 諧波檢測(cè)模塊由于三相三線制系統(tǒng)中電流和電壓信號(hào)是獨(dú)立的，因此利用CLARKE變換可以將三相電流、電壓信號(hào)變換為正交的AB坐標(biāo)系中的向量，如圖4-4所示 的三相/兩相的仿真模塊就是實(shí)現(xiàn)此功能。當(dāng)三相系統(tǒng)中的電流、電壓均為正序 時(shí)，利用兩相/兩相的變換可以分別計(jì)算出瞬時(shí)的有功電流IP和瞬時(shí)無(wú)功電流IQ。 經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高次諧波后， 得到瞬時(shí)有功電流和無(wú)功電流的直流分量，然后對(duì)直流分量進(jìn)行兩相/兩相和兩相/三相得逆變換，得到三相電流的基波分量， 最后與三相被檢測(cè)的電流相減，這樣就只剩下三相諧波分量。諧波檢測(cè)模塊中的 各個(gè)子模塊具體介紹如下：也疊三相/兩相變換的仿真模型OutlA n a IFilter Dc-l-gnBut日OLitliaf