本科論文有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略研究(共19頁)

1、淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGE PAGE 20 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)學(xué)生姓名張帆學(xué) 號(hào)170908040院 (系)物理與電子電氣工程學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化題 目有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略的研究指導(dǎo)教師 周凱杰 助教/碩士2013年5月摘 要：針對(duì)有源電力(dinl)濾波器（APF）傳統(tǒng)滯環(huán)電流跟蹤方式逆變器的開關(guān)頻率高且頻率范圍大的問題，研究(ynji)了一種可變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤控制策略。該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬，不僅能夠有效的降低開關(guān)頻率和頻率變化范圍(fnwi)，而且在跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能上也比傳統(tǒng)滯環(huán)比較法優(yōu)越。通過MATLAB

2、仿真表明：該策略的電流跟蹤精度滿足有源電力濾波器的要求。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器，滯環(huán)比較法，電流跟蹤，自適應(yīng)Abstract：In view of the active power filter (APF), traditional hysteresis current tracking mode inverter of high switch frequency and the frequency range is big problem, researched a variable loop width of hysteresis current tracking control stra

3、tegy. The strategy based on the system switch frequency, dc side voltage and main circuit inductance parameters such as dynamic adjust the ring width of hysteresis comparator, not only can effectively reduce the switching frequency and frequency range, but also on the tracking precision and dynamic

4、performance than traditional hysteresis comparison method is superior. Through the MATLAB simulation show that the strategy of current tracking precision meet the requirements of active power filter. Key words: active power filter, hysteresis comparison method,the current tracking,the adaptive 目 錄 T

5、OC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc28144 1 緒論(xln) PAGEREF _Toc28144 4 HYPERLINK l _Toc1411 1.1前言(qin yn) PAGEREF _Toc1411 4 HYPERLINK l _Toc28022 1.2有源電力(dinl)濾波器的發(fā)展史 PAGEREF _Toc28022 4 HYPERLINK l _Toc8204 1.3 有源電力濾波系統(tǒng)工作 PAGEREF _Toc8204 5 HYPERLINK l _Toc9643 2 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理 PAGEREF _Toc9643 6 HYP

6、ERLINK l _Toc26264 3 滯環(huán)電流跟蹤算法 PAGEREF _Toc26264 9 HYPERLINK l _Toc28834 3.1傳統(tǒng)滯環(huán)比較原理 PAGEREF _Toc28834 9 HYPERLINK l _Toc25988 3.2 自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式數(shù)學(xué)建模 PAGEREF _Toc25988 9 HYPERLINK l _Toc8588 3.3 自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc8588 11 HYPERLINK l _Toc25182 4 仿真結(jié)果及其分析 PAGEREF _Toc25182 12 HYPERLINK l _Toc128

7、89 結(jié)論 PAGEREF _Toc12889 16 HYPERLINK l _Toc30599 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc30599 17 HYPERLINK l _Toc848 致謝 PAGEREF _Toc848 181 緒論(xln)1.1前言(qin yn)電力電子設(shè)備的大規(guī)模使用給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時(shí)，也給電網(wǎng)注入了大量諧波(xi b)，致使電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重，目前有源電力濾波器（APF）成為治理諧波污染的有效手段之一1。有源電力濾波器（APF）不僅能夠主動(dòng)抑制諧波，而且能夠?qū)o功功率進(jìn)行補(bǔ)償，具有良好的動(dòng)態(tài)性能，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)無源濾波器補(bǔ)償方法的不足。APF的原理是產(chǎn)生

8、與諧波源諧波電流大小相同、相位相反的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)濾除諧波電流的目的。而產(chǎn)生的補(bǔ)償電流必須能實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確的跟蹤指令電流的變化，目前APF中常用的電流跟蹤控制方式主要有三角波比較方式和滯環(huán)電流比較方式2。 三角波比較方式采用固定的開關(guān)頻率可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，但由于采用的是定頻控制，因而誤差較大；并且由于它采用三角載波，因而在輸出波形中會(huì)存在載波分量。滯環(huán)電流比較方式開關(guān)頻率并不固定，且不需要載波，跟蹤精度高，響應(yīng)快，魯棒性好，且在輸出中不會(huì)存在載波分量。但是，由于在傳統(tǒng)滯環(huán)電流比較方式中是采用固定的環(huán)寬H，由此帶來的問題是：當(dāng)電流偏差過大或偏差變化率過大時(shí)，環(huán)寬H小會(huì)使得 APF補(bǔ)償能力不足或

9、不能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的跟蹤指令電流；而當(dāng)電流偏差過小或電流偏差變化率過小時(shí)，固定環(huán)寬H又會(huì)使得產(chǎn)生的補(bǔ)償電流過大，導(dǎo)致APF濾波效果不好，尤其是在電流過零點(diǎn)和峰值的時(shí)候尤為明顯3。 針對(duì)該問題，本文提出了一種可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略，該策略能夠該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬，從而有效的彌補(bǔ)傳統(tǒng)固定環(huán)寬滯環(huán)比較策略的缺陷，本文并在此基礎(chǔ)上利用matlab軟件搭建仿真模型，對(duì)這兩種策略進(jìn)行仿真比較，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略的準(zhǔn)確性和有效性。1.2有源電力濾波器的發(fā)展史20世紀(jì)60年代末產(chǎn)生的有源電力濾波器的思想，BMBird JF

10、Marsh在1969年發(fā)表的一篇論文中，三次諧波電流注入交流電網(wǎng)，以減少電源電流諧波成分，從而抑制諧波，新的方法來提高電流波形。雖然本文沒有提到的“有源電力濾波器”，但它是有源電力濾波器思想的種子。在1971年，H.Sasaki T.Machida全面(qunmin)介紹了有源電力濾波器（APF）的基本工作原理。通過線性擴(kuò)增方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，但成本高，損耗，從而在實(shí)驗(yàn)階段(jidun)，還沒有應(yīng)用到項(xiàng)目。1976年，L.Gyugyi等人提出了一種新的方法來產(chǎn)生(chnshng)補(bǔ)償電流通過PWM轉(zhuǎn)換器。盡管是理想的補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路PWM轉(zhuǎn)換器，但限于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)，全控半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻

11、率和低功耗的有源濾波器的水平仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。在論文中，主電路的有源電力濾波器的控制方法和基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)建立，正式提出有源電力濾波器的概念。Akagi.H于1983年提出三相電路瞬時(shí)無功功率理論，廣泛應(yīng)用于有源電力濾波器基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波和無功電流檢測(cè)方法，極大地促進(jìn)了有功功率的過濾器的開發(fā)與應(yīng)用。 FZPeng等于1988年提出有源電力濾波器和并聯(lián)型無源濾波器相結(jié)合的混合設(shè)備。串聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)諧波電流呈高阻抗，對(duì)基波呈低阻抗，使負(fù)載側(cè)的高次諧波電流也不會(huì)流入電網(wǎng)，電網(wǎng)的諧波電壓不添加無源濾波器和負(fù)載。H.Akagi等在1994年提出并聯(lián)有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器集

12、成有源濾波裝置。有源電力濾波器系列的電源和負(fù)載隔離，以防止電網(wǎng)的諧波電壓，負(fù)載和無源濾波器和無源濾波器，還可以防止負(fù)載側(cè)諧波電流擴(kuò)散到電網(wǎng)并聯(lián)有源電力濾波器諧波提供了一個(gè)零阻抗分支，以防止在無源濾波器諧波電壓的負(fù)載產(chǎn)生的高次諧波電流。該器件結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)的功能和特點(diǎn)，應(yīng)用范圍廣，具有非常高的性價(jià)比，它是值得未來發(fā)展的方向。目前，國(guó)外許多國(guó)家將有源電力濾波器應(yīng)用于工程，諧波抑制，提高整體素質(zhì)，從電網(wǎng)電源和負(fù)載兩端的。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)諧波起步較晚，技術(shù)相對(duì)落后，許多學(xué)者如吳鄧景昌在中國(guó)統(tǒng)一的諧波問題作出了突出貢獻(xiàn)，前者在1988年出版的“電力系統(tǒng)諧波”一書我們諧波的研究中，有著深遠(yuǎn)的影響。我國(guó)

13、在有源電力濾波器研究方面滯后，國(guó)內(nèi)研究處于實(shí)驗(yàn)和理論研究階段，直到最近幾年，在這方面的研究單位逐漸增加，但主要集中在一些國(guó)家科研院所和高等院校。西安交通大學(xué)王釗等諧波檢測(cè)算法，以及浙江大學(xué)錢照明基于DSP的單相有源電力濾波器，都做出了突出貢獻(xiàn)。有源電力濾波器在我們國(guó)家不是許多工程的應(yīng)用，這并不符合中國(guó)的電動(dòng)電力系統(tǒng)諧波污染的現(xiàn)狀，我相信，隨著重視有源電力濾波器的諧波問題，持續(xù)改善諧波污染的控制工作，我國(guó)的有源電力濾波器將會(huì)得到快速發(fā)展和廣泛運(yùn)用。1.3 有源電力濾波系統(tǒng)(xtng)工作 有源電力(dinl)濾波器提供了基波動(dòng)態(tài)(dngti)無功補(bǔ)償和對(duì)電壓閃變的抑制使負(fù)載有諧波時(shí)得到有效治理裝

14、置。通過關(guān)閉開關(guān)，熔斷器的電流限流電阻，以限制通電的瞬間電流沖擊，給電容充電，當(dāng)電容達(dá)到額定值，自閉QF1接觸，設(shè)備開始工作，電容作為能量存儲(chǔ)元件，補(bǔ)償輸出電流的PWM逆變器和反應(yīng)器內(nèi)部向外提供能量時(shí)，電容器也可以提供控制和監(jiān)視系統(tǒng)的工作電源，CT1檢測(cè)到的負(fù)載電流，CF2電網(wǎng)電流被檢測(cè)到。的高次諧波分量的高次諧波分量的高速數(shù)字處理器（DSP）PWM驅(qū)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的高次諧波分量完全抵消的分析可以自動(dòng)消除系統(tǒng)中的諧波。 負(fù)載電壓變化的波形測(cè)量和調(diào)節(jié)有源電力濾波器的幅頻，消諧器通過使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，還具有以下功能：防止諧振電容有源濾波器應(yīng)用不用擔(dān)心隱患諧振電路的參數(shù)，并可以提供無功功率控制功能

15、的浪涌電壓和負(fù)載頻繁變化。 圖11APF系統(tǒng)原理圖 Fig. 11 APF system diagram有源濾波器APF三相三線工業(yè)負(fù)荷整流器，逆變器，UPS電源，中頻爐，電弧爐和其他工業(yè)非線形2-60次諧波，可以過濾掉。三相四線制適用于商業(yè)寫字樓，照明，計(jì)算機(jī)，UPS，電梯，變頻空調(diào)負(fù)荷第三次諧波產(chǎn)生的2-25次諧波過濾掉中心線。另外，在按照適當(dāng)?shù)臒o功功率補(bǔ)償電容器連接到負(fù)載的性質(zhì)，并提高功率因數(shù)。 APF系統(tǒng)核心圖補(bǔ)償電流和無功功率補(bǔ)償電流的諧波電流檢測(cè)6。2 有源電力(dinl)濾波器的結(jié)構(gòu)和工作(gngzu)原理APF有源電力(dinl)濾波器從不同的角度看，有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)逆變

16、器的能量存儲(chǔ)元件的直流側(cè)，APF分為電流型和電壓型。相比電流型有源濾波器，電壓APF效率高，初期投資較少，可以并行擴(kuò)展，易于獨(dú)立的小型化，經(jīng)濟(jì)，適用諧波補(bǔ)償，實(shí)際的器件APF電壓型現(xiàn)在比例超過90。根據(jù)應(yīng)用的不同，可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器APF。前者主要用于消除高壓直流（HVDC）系統(tǒng)逆變器的直流側(cè)的電流和電壓諧波，后者適用于交流電力系統(tǒng)。根據(jù)將APF連接到電網(wǎng)方式的不同，可以把APF分為并聯(lián)型，串聯(lián)型，混合型和串聯(lián)-并聯(lián)型，如圖21所示。 圖21有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 Fig. 21 Active Power Filter System Structure Classific

17、ation 圖22顯示了并聯(lián)有源濾波器。載入并聯(lián)有源濾波器的技術(shù)已經(jīng)成熟，它主要適用于非線性負(fù)載的電流源，無功功率補(bǔ)償，消除三相系統(tǒng)中的不平衡電流的諧波電流，是目前最廣泛使用的APF拓?fù)洹?圖22并聯(lián)(bnglin)型APF Fig. 22 Shunt Active Power Filter 圖23是一個(gè)串聯(lián)(chunlin)型有源濾波器，通過一個(gè)匹配變壓器，將APF串聯(lián)連接在電源(dinyun)和負(fù)載之間，以消除電壓諧波平衡或負(fù)載的端子電壓的調(diào)整。相比，并聯(lián)型APF，串聯(lián)型APF的損耗大，各種保護(hù)電路也比較復(fù)雜，串聯(lián)型APF的研究很少單獨(dú)使用，而且大部分混合型APF的一部分加以研究。圖23串

18、聯(lián)型APFFig. 23 Shunt Active Power Filter圖24是混合型APF基本結(jié)構(gòu)。在串聯(lián)型APF的基礎(chǔ)上用大容量的LC濾波網(wǎng)絡(luò)來去除低次諧波，并無功補(bǔ)償任務(wù)，串聯(lián)型的APF，以消除高次諧波和阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗諧波諧振為任務(wù)。不僅如此，串聯(lián)型的有源濾波器的電壓和電流額定值大大減少（的功率容量可以減少到小于負(fù)載的5），也減小了體積，并降低成本。從經(jīng)濟(jì)的角度來看，這種結(jié)構(gòu)是值得推薦的。但隨著電力電子器件的性能的不斷提高，成本不斷下降，性能較高的混合型APF可能會(huì)被性能更高串-并聯(lián)APF代替，如圖25所示。 圖24混合型APF Fig. 24 Hybrid Active

19、 Power Filter圖25串-并聯(lián)(bnglin)型APF Fig. 25 String - Parallel Active Power Filter3 滯環(huán)電流跟蹤(gnzng)算法3.1傳統(tǒng)(chuntng)滯環(huán)比較原理 傳統(tǒng)的滯環(huán)比較電流跟蹤控制方式原理如圖31所示。該方式將指令信號(hào)與實(shí)際電流兩者的偏差作為輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM信號(hào)，從而控制補(bǔ)償電流的變化。 圖31滯環(huán)比較(bjio)方式原理圖Fig.31 Schematic diagram of hysteresis 傳統(tǒng)的滯環(huán)比較方式(fngsh)盡管具有精度高且響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，但開關(guān)頻率波動(dòng)大，在滿足器件最大開關(guān)頻率的

20、容許范圍內(nèi)，無法獲得較高的跟蹤精度。3.2 自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式(fngsh)數(shù)學(xué)建模 圖32為并聯(lián)型有源電力濾波器（SAPF）原理圖。APF通過電壓和電流傳感器檢測(cè)出負(fù)載側(cè)電壓、電流的補(bǔ)償電流，從而達(dá)到抑制諧波的目的1。SAPF能否有效的抑制諧波與指令電流的跟蹤精度密切相關(guān)，因此采取有效的電流跟蹤策略就顯得尤為重要。目前，滯環(huán)電流跟蹤方式是采用的較為廣泛且有效的一種電流跟蹤策略，因此對(duì)其進(jìn)行研究和分析就很有意義。 圖32 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖Fig.32 Principle diagram of shunt active power filter 圖33為A相電流和電壓PWM波形。滯

21、環(huán)比較方式的基本原理使用指令電流與補(bǔ)償電流的偏差作為滯環(huán)控制器的輸入，而輸出則為PWM脈沖信號(hào)，如果偏差超過滯環(huán)上限時(shí)，則主電路的上面開關(guān)管導(dǎo)通，下面關(guān)斷；反之偏差低于滯環(huán)下限時(shí)，則上面關(guān)斷，下面開關(guān)管導(dǎo)通3。由此可知，這些半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率是隨著滯環(huán)控制器的輸入即電流偏差信號(hào)變化而變化的，并不是固定的。因此針對(duì)傳統(tǒng)滯環(huán)固定環(huán)寬控制器開關(guān)器件開關(guān)頻率高且范圍廣的問題，建立如下數(shù)學(xué)模型4-7。圖33 A相滯環(huán)電流(dinli)和電壓PWM波形Fig.33Phase A current and voltage waves with hysteresis band current contro

22、l根據(jù)基爾霍夫電壓(diny)定律，由圖1可得： (1) 公式(gngsh)（1）中，Vsa為A相電源側(cè)電壓；Va為a點(diǎn)電壓，當(dāng)a橋臂上半部導(dǎo)通時(shí), Va等于0.5Vdc；反之，當(dāng)a橋臂下半部導(dǎo)通時(shí)，Va等于-0.5Vdc，此時(shí)當(dāng)逆變器實(shí)際輸出電流等于指令電流i*ca時(shí)，可得： (2) 公式（2）中，為a點(diǎn)參考電壓，當(dāng)a點(diǎn)實(shí)際電壓等于參考電壓時(shí)，逆變器主電路輸出電流等于指令電流。將式（2）減去式（1）得：其中令。 (3)由圖（2）可知，當(dāng)時(shí)，此時(shí)有： (4)反之(fnzh)，當(dāng)時(shí)，此時(shí)(c sh)有： (5)將式（2）、（4）、（5）聯(lián)立可得： (6) 式中：HB為滯環(huán)寬度(kund)；Vdc

23、為直流側(cè)電壓；fc為開關(guān)管開關(guān)頻率；Vsa為電源側(cè)電壓；L為電感系數(shù)；i*ca為指令電流。從式（6）中，可以看出，在傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制中，HB是固定不變的，因此開關(guān)頻率是隨著直流側(cè)電壓、電源側(cè)電壓以及指令電流的斜率改變而變化的。所以只要環(huán)寬HB能夠隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而調(diào)整，就能控制開關(guān)管的開關(guān)頻率保持不變。本文基于此，設(shè)計(jì)了隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而變化的可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器。3.3 自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制策略存在固定環(huán)寬所固有的問題，本文在前文對(duì)APF建模的基礎(chǔ)上得到了環(huán)寬HB與直流側(cè)電壓、電源電壓以及指令電流偏差之間的數(shù)學(xué)

24、關(guān)系，可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。將指令電流與補(bǔ)償電流之間的偏差信號(hào)送入滯環(huán)比較器后輸出PWM脈沖信號(hào)，來驅(qū)動(dòng)主電路產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流。其中滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度由滯環(huán)寬度計(jì)算器得到，滯環(huán)寬度計(jì)算器輸入分別是電源電壓、直流側(cè)電壓以及指令電流偏差。本文利用matlab中simulink搭建仿真模型，滯環(huán)寬度計(jì)算器如圖34所示。 圖34 可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 Fig.34 Diagram of the adaptive hysteresis band controller 圖35 滯環(huán)寬度(kund)計(jì)算器模塊 Fig.35 The block of hysteresis band ca

25、lculator4 仿真(fn zhn)結(jié)果及其分析利用(lyng)matlab軟件對(duì)其進(jìn)行仿真，對(duì)兩種電流控制算法進(jìn)行直觀的比較。仿真模型中包括三個(gè)部分：三相對(duì)稱電源、諧波負(fù)載以及SAPF。為了對(duì)兩種算法進(jìn)行對(duì)比，仿真中采取相同的參數(shù)，三相電源380V/50Hz，諧波負(fù)載三相可控硅整流橋，交流側(cè)濾波電感8mh。圖41 可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器Fig.41Varriable hysteresis band current controller利用MATLAB軟件搭建的滯環(huán)電流可變寬控制器如圖41所示，本文分別對(duì)兩種電流跟蹤算法固定環(huán)寬滯環(huán)電流和可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法進(jìn)行仿真，兩種算法對(duì)電流跟蹤

26、的圖形如下圖42、圖43所示。從兩張圖形中不難看出，可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法無論是在跟蹤精度上，還是在響應(yīng)速度上都要比固定環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤算法優(yōu)越，而在指令電流比較大的時(shí)刻，效果尤為明顯。 圖42 可變環(huán)寬滯環(huán)電流(dinli)跟蹤圖 Fig.2 Diagram of the Varriable hysteresis band current tracking 圖43 固定(gdng)環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤圖 Fig. 43 Diagram of the hysteresis band current tracking 結(jié)論(jiln)本文針對(duì)固定環(huán)寬滯環(huán)電流(dinli)跟蹤算法的不足，對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，