（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器单周控制方法的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d yo no n e c y c l ec o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf i l t e r m a j o r e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i o n n a m e - w a n g j i n g s u p e r v i s o r p r o f t o n gx i a n g q i a n a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： w i t hm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o no ft h ep o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，t h ep o w e rq u a l i t y p r o b l e mc a u s e db yt h eh a r m o n i ci np o w e rn e tb e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt oc o n s u m e r i t n o to n l ya f f e c t st h es e c u r i t ya p p l i c a t i o no fe l e c t r i c i t yf o rp o w e rc o n s u m e r sb u ta l s oi n t i m i d a t e s s a f ea n de c o n o m yo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m h a r m o n i cs u p p r e s s i o nh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t r e s e a r c hs u b j e c ti ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga r e a t h ei m p o r t a n tt r e n do fh a r m o n i cs u p p r e s s i o ni s u s i n ga c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) h o w e v e r , t h es t u d yo nc o n t r o ls t r a t e g yo fa p f i so n eo ft h e c o r ep r o b l e m s i nr e c e n ty e a r s ，an e wc o n t r o lt e c t 面q u 争o n e - c y c l ec o n t r o ls u p p l i e san e w m e t h o df o rt h ec o n t r o lo f a p e i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ec a u s eo fh a r m o n i cg e n e r a t i o na n dt h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fa p f , t h em e c h a n i s mo fa p fh a r m o n i cs u p p r e s s i o ni sd i s c u s s e d t h eh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o lt e c h n i q u eo fa p fa r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d o nt h eb a s i st h e o n e - c y c l ec o n t r o lo fa p f i sp r o p o s e d t h e no n e c y c l ec o n t r o lt h e o r yi sf o r m u l a t e di nd e t a i l ，t h e a p p l i c a t i o no fo n e c y c l ec o n t r o lt e c h n i q u ei na p f i sf u r t h e rr e s e a r c h e d t h e o n e c y c l ec o n t r o lm o d e l so fs i n g l e - p h a s ep a r a l l e la p fa n dt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea p f a r ep r e s e n t e d ，t h e nr e s p e c t i v es i m u l a t i o nm o d e l sb a s e do np s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r ea r e e s t a b l i s h e d t h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea p fa d o p t st h r e e - a l t nv o l t a g ei n v e r t e rt om a k eu pm a i n c i r c u i t i tc a l lc o m p e n s a t eh a r m o n i c ，r e a c t i v ep o w e rc u r r e n t si nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo fw i t hn e w o n e - c y c l ec o n t r o l ，w h i c hh a sn o to n l y g o o ds t a t i cc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eb u ta l s or a p i dd y n a m i cf o l l o w i n gp e r f o r m a n c e t h e p r o p o s e da p f c a ne f f e c t i v e l yc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e rc u r r e n t sa n ds oo n i no r d e rt o t e s tt h eh a r m o n i cc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da p fw i t h o n e c y c l ec o n t r o l ，t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m i s e s t a b l i s h e d a i m i n g a tt h e t h r e e p h a s e s y m m e t r i c a ll o a d ，t h eh a r m o n i cc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ei st e s t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s v e r i f yt h a tt h ep r o p o s e da p fc a nc o m p e n s a t eh a r m o n i c ，r e a c t i v ep o w e rc u r r e n t sa n ds oo n k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e i ；o n e - c y c l ec o n t r o l ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o n i l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 - 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。一? ，7 一一，本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 4 _t 互 一1一一 论文作者签名：一二上宦芏一? 。7 ：蛆年月31 日 学位论文使用授权声明 本人：圭醯在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 一提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 - 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 。理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) ， 论文作者签名：啦导师签名：l 驻，l ? _ - q 寸年 月f 日 绪论 1 绪论 1 1 引言 “谐波一词起源于声学，电气学中谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际系 统频率( 既电网额定频率) 的整数倍。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会 议( c i g l 迮) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的h 次分量 。i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍”。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的 谐波分析方法至今仍被广泛应用。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基 波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波 频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。电网中还存在谐波频率与基波频率的 比值n 不为整数，频率非基波频率整倍数的分量，称为间谐波( n o n h a r m o n i c s ) 或分数谐波 ( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) ，频率低于工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的间谐波又称为次谐波 ( s u b h a r m o n i c ) 2 1 。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染 。 一方面，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通 及家庭中的应用日益广泛，此类非线性或时变特性负荷产生的谐波对电网造成的危害日趋 严重；另一方面，随着电力工业的发展，国民经济各个部门的电气化水平日益提高，此类 负荷对电能质量要求愈来愈高。因此治理电力系统谐波污染己经成为电力系统领域所面临 的一个重大课题。 1 2 电力谐波产生的原因与危害 1 2 1 电力谐波产生的原因 电网中的谐波主要是由各种变流设备以及其它非线性负载产生的。当正弦基波电压 ( 当电源阻抗为零阻抗时) 施加于非线性负载时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同， 畸变电流影响电流回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上 产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。 1 2 。2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，使得用电设备所处的环境恶化，同时对周围的通信系统 和公用电网以外的设备带来危害。大致有以下几方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率。 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 谐波会对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。 ( 3 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。 ( 4 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波电流放大几倍 甚至数十倍，使得上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 5 ) 谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带 来直接的经济损失。 ( 6 ) 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还对设备邻近的通信系统产 生干扰，降低通信质量，甚至导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 3 电力谐波抑制方法 谐波治理的途径主要有两种- 5 1 ： ( 1 ) 主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐 波。 ( 2 ) 被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系 统的谐波流入负载端。 1 3 1 主动治理 ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。 ( 2 ) 改变谐波的配置或工作方式。 ( 3 ) 采用多重化技术。 ( 4 ) 谐波叠加注入。 ( 5 ) 采用p w m 技术。 ( 6 ) 设计或采用高功率因数变流器。 1 3 2 被动治理 ( 1 ) 无源电力滤波器p f ( p a s s i v ef i l t e r ) 。无源电力滤波器由l 、c 、r 组成，针对 某次或某几次含量较大的谐波进行吸收。以结构简单、运行可靠、维修方便，除滤波外还 兼有无功补偿功能，容量可设计成很大等优势一直被广泛应用。但它存在滤波补偿特性依 赖于电网和负载参数，l c 参数的漂移会导致滤波特性的改变，具有负的电压调整效应， 同时又有体积大，易同系统发生谐振等缺点。 ( 2 ) 有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。有源电力滤波器是一种可动态地 补偿谐波、无功及负序电流等的电力电子装置。从而弥补了无源电力滤波器的缺点。但其 容量大、成本高。在高电压、大容量的输电系统中，受电力电子器件的限制，有源电力滤 波器难以得到应用。 2 绪论 ( 3 ) 混合型有源电力滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。h a p f 兼有p f 成 本低廉和a p f 性能优越的优点，属于a p f 的分支和发展。 1 4 单周控制有源电力滤波器的发展现状 在各种各样的谐波抑制方法中，有源电力滤波器凭借其良好的动态抑制各种有害电流 的特性，倍受学者们的关注“一1 。在有源电力滤波器的研究中，主要研究的问题有：有害 电流的检测、变换器的控制技术等。而单周控制是近年提出的一种新技术，采用单周控制 的有源电力滤波器可以有效的提高有源电力滤波器的动态性能，为有源电力滤波器的控制 开辟了一条新途径。 1 4 1 单周控制的发展 1 9 9 1 年，美国学者加利福尼亚大学k m s m e d l e y 和c u k , s 在他们的文章 “o n e c y c l ec o n t r o lo fs w i t c h i n gc o n v e r t e r s 中，首次提出了单周控制的基本思想与方法阳1 。 同时，用常频积分复位开关实现了单周控制开关，并把它应用于b u c k 变换器的控制中。 随后一些学者们又对单周控制进行了深入性的研究。 之后，单周控制技术逐渐应用到d c a c 、a c d c 、d c d c 等各种类型的电力电子 变换器的控制中。至此，单周控制技术的应用得到充分发展，应用范围也迅速扩大 1 。 1 4 2 单周控制有源电力滤波器的发展 随着单周控制技术研究的不断发展和应用范围的不断扩大，人们开始把单周控制技术 应用于有源电力滤波器的控制中。2 0 0 0 年2 月，正式提出了基于单周控制技术的有源电 力滤波器，论述了基于单周控制的单相并联有源电力滤波器的基本控制思想与建模方法。 从此，开始了单周控制有源电力滤波器的研究。 在国内，近几年出现一些有关有源电力滤波器单周控制方法的研究报道。这些研究的 主要内容涉及单周控制单相有源电力滤波器直流分量的抑制方法和控制方案，三相四线制 有源电力滤波器的单周控制方法与控制模型，直流侧有源电力滤波器的单周控制方法等。 现有的单周控制有源电力滤波器的研究主要集中在单相并联有源滤波器和三相三线 并联有源电力滤波器。国内直流测有源滤波器的单周控制只是文献报道，还需要深入研究。 对于三相四线系统中的单周控制有源电力滤波器研究非常少，而单周控制串联型有源滤波 器的研究几乎为空白。 1 5 本课题研究内容 针对目前有源电力滤波器的研究现状，特别是针对近年来提出的有源电力滤波器的单 周控制技术，进行了深入全面的研究。在研究有源电力滤波器的单周控制方法与技术的基 西安理工大学硕士学位论文 础上，还进行了仿真与实验研究。仿真与实验研究的结果证明了理论研究结果的正确性 和可行性。本文主要任务概括为： ( 1 ) 在深入、全面分析了目前有源电力滤波器工作原理的基础上，总结出了有源电 力滤波器谐波抑制机理。指出有源电力滤波器在抑制不同谐波源的谐波时有补偿和滤波两 种工作方式。 ( 2 ) 总结了单周控制技术的特点及应用现状，特别是分析了现有的单周控制有源滤 波器的研究成果。 ( 3 ) 从简单的单相并联有源电力滤波器着手，在分析了工作原理的基础上，建立了 数学模型并进行了仿真研究。 ( 4 ) 针对三相四线制系统的广泛应用，提出了一种基于三相四线制系统的并联型有 源电力滤波器的单周控制模型。在此基础上进行了仿真和实验研究。 ( 5 ) 搭建了有源电力滤波器实验电路，通过实验测试验证了提出的有源电力滤波器 单周控制方法的合理性。 4 有源电力滤波器 2 有源电力滤波器 有源电力滤波器( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 的基本原理，是由日本学者h s a s a k i 和t m a c h i d a 于1 9 71 年在其论文“an e wm e t h o dt oe l i m i n a t ea ch a r m o n i cc u r r e n t sb y m a g n e t i cc o m p e n s a t i o nc o n s i d e r a t i o no nb a s i cd e s i g n ”中首次提出的，该文首次从理论上完 整地描述了有源电力滤波器的基本原理：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电 路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿 电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。 目前，对于有源滤波器的研究主要集中在：主电路结构形式，畸变电流的检测以及滤 波器控制技术等方面。因此，本章在分析了有源电力滤波器结构和形式的基础上，研究了 谐波抑制机理。总结了目前的谐波检测方法和有源电力滤波器控制方法等问题。 2 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器有不同的分类方法。按主电路接入电网形式不同，可以分为并联型、 串联型以及串并联混合型有源电力滤波器；按逆变电路直流侧储能元件的不同可分为电压 型和电流型有源电力滤波器；按是否与无源滤波器配合工作，又可以分为单一型和混合型 有源电力滤波器。从结构不同出发，阐明不同有源电力滤波器的结构和特点。 ( 1 ) 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是最早提出的一种有源电力滤波器。与电网的连接方式如图 2 - 1 所示。工作时，有源滤波器相当于一个谐波电流发生器，它能自动跟踪负载的谐波电 流，产生一个大小相等，方向相反的谐波电流分量抵消负载的谐波电流，使电源电流保持 为正弦基波。由于电网电压直接加在逆变桥上，故对开关器件的电压等级要求较高，有源 电力滤波器的容量要求也大。 图2 - 1 并联有源电力滤波器 f i g 2 一lp a r a l l e l a c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 2 串联有源电力滤波器 f i g 2 - 2s e r i e s a c t i v ep o w e rf i l t e r ( 2 ) 串联有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器的主电路如图2 2 所示。它由变换器、变压器等部分构成。 工作时，有两个作用：一是可以调节电压，实现对于电压中谐波分量的补偿；二是可以构 成一个谐波高阻支路，抑制谐波电流。串联型有源滤波器可用于对谐波电压的补偿，不适 西安理工大学硕士学位论文 用于对谐波电流的补偿。 ( 3 ) 串并联混合型有源电力滤波器 1 9 9 4 年，a k a g i h 等人又提出了一种把串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器 结合起来的混合型有源滤波器，如图2 3 所示。在此基础之上，1 9 9 8 年又提出了统一电 能质量调节器( u p q c ) 的概念与模型，如图2 4 所示。无论是串、并联混合有源电力 滤波器还是统一电能质量调节器，都是在电源与用户之间建立了一个电能净化装置。此时， 串联型部分用于抑制负载端产生的谐波电压，并联部分主要用于补偿负载的谐波电流。 电 图2 - 3 串并联混合型有源电力滤波器 f i g 2 - 3h y b r i do fp a r a l l e la n ds e r i e s a c t i v ep o w e rf i l t e r 2 2 有源电力滤波器谐波抑制原理 2 2 1 非线性负载谐波源特性分析 电 m 曙 图2 - 4 统一电能质量调节器 f i g 2 - 4u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r 在电网中，产生谐波电流的非线性设备均称为谐波源负荷。按照谐波源负荷产生的谐 波电流的大小与电源阻抗的关系，通常将谐波源负荷分为电压源型谐波源和电流源型谐波 源1 5 1 。 如果谐波源负荷的谐波电流大小与电源内阻抗无关，则称该谐波源为电流型谐波源， 其典型电路为直流侧串接大电感滤波的整流电路，如图2 5 所示。当滤波电感l 足够大时， 其直流侧电流保持恒定，注入电网的谐波只由直流侧电流的大小和各半导体器件的切换方 式决定，电流谐波成分基本与交流侧的内阻和电压无关，因此此类谐波源可以等效为一理 想电流源；如果某谐波源负荷的谐波电流大小与电源内阻抗密切相关，则称其为电压型谐 波源，其典型电路为直流侧并接大电容滤波的整流电路，如图2 - 6 所示。当滤波电容c 足够大时，因为滤波电容的谐波阻抗远小于系统的交流谐波阻抗( 电源内阻抗) ，交流系 统阻抗在很大程度上影响最后产生的谐波电流，而其直流侧电压保持恒定，通过各半导体 开关器件的切换加到交流侧，整流桥输入侧电压不依赖于系统阻抗，此类谐波源谐波电压 仅由负载本身决定，所以这种谐波源可以等效为一理想电压源。 2 2 2 不同类型谐波源的谐波补偿原理 对于谐波的抑制，可以从补偿和滤波两个方面考虑。在抑制谐波源产生的谐波时有源 6 有源电力滤波器 电力滤波器可以表现出补偿特性，也可以表现出滤波特性。 【d lj。 ! 产一 jr ， ， ， e d 3 j 【】 图2 - 5 电流型谐波源典型电路 图2 - 6 电压犁谐波源典型电路 f i g 2 5 t y p i c a lc u r r e n t - s o u r c en o n l i n e a rl o a d f i g 2 - 6t y p i c a lv o l t a g e s o u r c en o n l i n e a rl o a d 从补偿思想出发，要使非线性负载产生的谐波电流不流经电源侧，则应该有一个谐波 电流源为非线性负载另外提供谐波电流，即电源只向负载提供基波电流，而谐波电流源承 担向负载提供谐波电流的任务，其等效电路如图2 - 7 所示。电源电流i 。只提供负载电流 i 。中的基波电流成分，即i 。= in ，而i 。中的谐波成分由谐波电流源i 。提供，即i o = i 。 根据基尔霍夫电流定律可以得到i ，= i 。+ i 。这样电源电流为正弦，其中就不含有谐波成 分，达到了谐波补偿的目的。 图2 7 谐波电流补偿电路 图2 - 8 谐波电流滤波电路 f i g 2 - 7t h ec i r c u i tf o rc o m p e m s a t i n gh a r m o n i cc u r r e n tf i g 2 - 8t h ec i r c u i tf o rf i l t e r i n gh a r m o n i cc u r r e n t 从滤波思想出发，要使非线性负载产生的谐波电流不流经电源侧，则可以滤除电源电 流中的谐波。一方面是为谐波电流提供一个通路，即该支路对于谐波电流呈低阻抗或零阻 抗，对于基波电流呈高阻抗。显然，该通路应该并联在电源与负载之间；另一方面可以在 负载与电源之间增加一个对于谐波电流呈高阻抗，而对基波电流呈低阻抗或零阻抗的支 路。而该支路则应该串联在负载与电源之间。等效电路如图2 - 8 所示。其中，z h 对谐波 电流呈高阻抗，对基波电流呈低阻抗或零阻抗；z l 对基波电流呈高阻抗，而对谐波电流呈 低阻抗或零阻抗。这样，谐波电流不流经z h 和电源，基波电流不流经z l 。此时，电源中 没有谐波电流，电源两端也没有谐波电压。 2 3 有源电力滤波器谐波检测方法 谐波检测的准确性和实时性，直接影响着有源电力滤波器工作的有效性和补偿效果， 从某种意义上说，甚至起着决定性的作用。因此，如何从电网中的畸变波形中准确、快速 地检测出谐波和无功分量，已成为有源电力滤波器研究中的重要内容之一。下面就目前主 要的谐波检测方法作以简单介绍。 1 、模拟滤波器 西安理工大学硕士学位论文 这是最早采用的谐波电流检测法，使用模拟滤波器来实现。可以分为两种：采用陷波 器滤除基波电流分量，得到谐波电流分量；或者采用带通滤波器得出基波电流分量，再与 被检测电流相减后得到谐波电流分量。该检测法实现电路简单，造价低，输出阻抗低，品 质因数易于控制。但此方法中滤波器的中心频率对电路元件参数十分敏感，容易受外界环 境的影响，而且当电网频率产生波动时，检测精度较低，检测出的谐波电流中含有较多的 谐波分量，大大增加了有源电力滤波器的容量及损耗。 2 、基于f r y z e 传统功率定义的谐波检测法 该检测法的原理为将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广义无 功电流( 包括谐波电流) 。但是f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得 瞬时有功电流需要进行一个周期的积分，再加其它运算电路，将会有几个周期延时，因此 实时性较差。 3 、基于瞬时无功功率理论的谐波检测法1 8 2 3 1 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等基于时域提出了非正弦条件下的瞬时无功功率理论，并 迅速应用于电力系统谐波检测。基于瞬时无功功率理论的谐波检测法的原理是：将含有谐 波的电流变换到p q 坐标系，经变换后，基波无功、有功分量均变换为直流，可以用低 通滤波器分离出来。然后，用含有谐波和无功分量的被检测量减去基波有功分量，即得到 谐波和无功分量。基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法又可以分为两种：一种是通过分 离基波无功功率和基波有功功率实现，该方法又称为p 、q 法( 瞬时无功、有功功率法) ； 另一种是通过分离基波无功电流和基波有功电流实现，该方法又称为i p 、i q 法( 瞬时无 功、有功电流法) 。图2 - 9 和图2 - 1 0 分别为p 、q 检测法和i p 、i q 检测法原理图。 此方法是目前有源电力滤波器使用最为广泛的一种检测方法。该方法的优点是当电网 电压对称且无畸变时，可以实时的检测出基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量。 i p 、i q 检测法也适用于电网电压不对称且存在畸变时。但是此理论是基于三相三线制电路 提出的，对于单相电路，必须首先将三相电路分解，然后再构造基于瞬时无功功率理论的 单相电路的谐波检测电路。 8 图2 - 9p - q 检测法原理图 f i g 2 9t h ep - qd e t e c t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 1 h k k 有源电力滤波器 图2 1 0i p - i q 检测法原理图 f i g 2 - 10t h ei v - i qd e t e c t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 其峨= 痧 三兹 = e e e ：乏c i 卜s i n m t 4 、基于傅立叶变换的谐波检测法舯1 k k 将检测到的畸变电流( 或电压) 进行傅立叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再 将其合成为总的补偿电流。该方法检测精度较高，但需要一定时间的电流值，计算量大， 需花费较多的计算时间，难以实现实时控制。以上是针对稳态谐波的检测而言，由于傅立 叶变换存在频域完全局部化时域完全无局部性的缺陷而难以实现对时变谐波的检测。 5 、基于神经网络的谐波检测法 由于人工神经元网络具有自学习和自适应能力，因此人们将人工神经元网络理论应用 到谐波电流的检测中“4 娟。目前研究较多的是基于多层前馈神经网络的谐波电流检测方 法。该方法利用多层前馈网络的函数逼近能力，通过构造特殊的多层前馈神经网络来进行 谐波检测。另外又提出将神经网络和自适应对消噪声技术相结合的谐波检测方法。这一类 方法还处于仿真研究阶段。 6 、基于小波变换理论的谐波检测方法 由于小波分析克服了傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点，它 在频域和时域都具有局部性，因此人们将小波理论应用到谐波检测中乜7 均1 。利用小波变 换方法检测谐波的基本过程为：对含有谐波的畸变电流进行采样，然后把采样得到的数据 ( 瞬时值) 作小波变换，即送入小波滤波器滤波，分离出基波电流分量。然后，用原有畸 变电流减去该基波电流，即得到谐波电流。目前基于小波变换理论的谐波检测方法与基于 神经网络的谐波检测方法一样，主要处于仿真研究阶段。 2 4 有源电力滤波器的控制策略 谐波检测电路的作用是得到补偿电流的指令信号，而补偿电流的产生则是通过电流跟 踪控制电路完成，控制方法的不同，也会对有源电力滤波器工作性能，补偿效果产生重要 影响。因此有源电力滤波器的控制也是有源电力滤波器研究的热点之一。为了取得理想的 9 1j 研 研 宝m c s 一 一 西安理工大学硕士学位论文 补偿效果，提出了许多控制方法。概括起来主要有：三角波控制、滞环电流控制、数字无 差拍控制、滑模变结构控制及最新的单周控制等啪1 。 1 、三角波控制 三角波控制是一种最基本的控制方法。其原理是将实际补偿电流值与指令电流值之间 的偏差通过一个p i 调节器调制之后，与一个高频三角载波进行实时比较，由它们的交点 得到脉宽调制信号3 。 2 、滞环电流控制 滞环电流控制基本原理是以实际补偿电流值与指令电流值之间的偏差作为滞环比较 器的输入信号，通过滞环比较器产生开关通断的控制信号，从而控制逆变器产生的补偿量 跟踪指令信号的变化3 2 川。这种控制方式中滞环的宽度h 对跟踪性能有较大的影响。当 h 较小时，响应速度快精确度高，但开关频率也相应较高，导致开关损耗增加：反之，h 较大时，开关频率低，但控制精度差，误差较大。该方法的主要缺点是开关频率随输入信 号变化，给滤波器的参数设计带来一定困难。 3 、数字无差拍控制 无差拍控制是以微机或d s p 芯片为基础的p w m 控制方法。它是根据系统的状态方程 和输出反馈信息推算出下一个采样周期的开关时间，是一种采用数字技术实现的预测控制 方案嘶1 。它以电流误差等于零为控制目标，根据第k 个时刻的电流参考值和实际值计算 k + l 时刻的电流参考值，及各种开关状态下逆变器电流输出值，选择使电流误差最小的开 关模式作为第k + 1 时刻的开关状态。该方法可以快速响应电流的突然变化，特别适合快 速暂态控制。无差拍控制的缺点是：计算量很大，而且对系统参数依赖性也较大等。因此， 对于有源滤波器这样一个非线性、多变量系统而言，应用无差拍控制法也有其局限性。 4 、滑模变结构控制 其基本思想是：利用高速开关将系统的相轨迹引导到一个所选择的可到达的曲面 s ( x ) = o 上，这一曲面被称为切换面或滑动面，它位于状态空间中，只要满足s s 0 这一条 件，则称曲面s ( x ) = 0 是可到达的。系统的状态向量进入切换面后，就被约束在s ( x ) = 0 的 子空间中作小幅度、高频率的上下运动，即“滑模”运动。此时，系统的动态品质由切换 面的参数决定，而与系统参数的扰动的影响无关，即变结构控制对滑模变动具有不变性， 这种不变性称之为完全鲁棒性或理想鲁棒性。在变结构控制设计中难点在于合理地选择切 换面s ( x ) ，因为它直接影响着滑模运动的动态性能m 1 。 5 、单周控制理论 美国学者k e y u em s m e d l e y 和s l o b o d a nc u k 提出了新型大信号、非线性控制法单周控 制，其与现有p w m 控制法比，结构简单、响应速度快、稳定性好，可适应高精度、高速度和高 抗干扰的控制要求。目前单周控制的应用已涉及到各种领域，如d c d c 变换、功率因数校正、 有源电力滤波器、不间断电源、功率放大和光伏电源最大功率点跟踪控制等8 3 7 硼1 。 l o 有源电力滤波器 2 5 本章小结 本章分析了有源电力滤波器结构和形式的基础上，研究了谐波抑制机理，总结了目前 的谐波检测方法和有源电力滤波器控制方法，为下面对有源电力滤波器主电路分析，进行 系统建模打下基础。 西安理工大学硕士学位论文 3 有源电力滤波器的单周控制 单周控制( o n e c y c l ec o n t r o l 记为o c c ) 理论是美国学者、加利福尼亚大学k m s m e d l e y 博士于1 9 9 1 年提出的。它是一种大信号非线性控制方法，特别适合于开关电路 的控制。 与其它常频p w m 控制方法相比较，单周控制方法不仅具有响应速度快，控制稳定性好， 具有很好的鲁棒性等特点，而且实现单周控制电路简单方便。同时，单周控制在一个周期 内可以自动消除稳态、瞬态误差。因此，前一周期内的误差不会带到下一周期，可适应高 精度、高速度和高抗扰的控制要求。 本章首先介绍单周控制的基本原理和单周控制开关的工作过程，然后分析单相并联有 源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器主电路工作原理，在此基础上分别建立单相并 联有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器的控制模型，最后提出单周控制器的结 构。 3 1 单周控制理论 所谓单周控制就是在每个开关周期内控制开关管的占空比，使开关变量的平均值与控 制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差3 盯。该控制器主要由几个带复 位的积分器、比较器、触发器和一些线性元件组成，控制电路的原理如图1 所示。 图3 一l 恒定开关频率单周控制结构图 f i 9 3 1t h es t r u c t u r eo f c o n s t a n tf r e q u e n c yo n e - c y c l ec o n t r o l 图3 - 1 中s 为开关，坦t ) 为开关s 的输入信号，h t ) 为开关s 的输出信号。假设开关s 的开 关频率是五，开关周期是瓦，贝i 螈= l l t , ，开关函数双t ) 可表示为式3 1 ： s ( t ) ：j 1 0 k 乙 ( 3 1 ) 一【0 乙t 瓦j 式中，表示开关的开通时间，开关的关断时间矿瓦一，开关的占空 ：l d = t o n 瓦， 输入信号坦t ) 经过开关s 输出信号坎d ，输出和输入信号之间的关系为式3 2 ： y ( f ) = s ( f ) x ( ，) ( 3 2 ) 假设开关频率正远大于输入信号坂t ) 的频率，则在每个开关周期内输入信号坂t ) 可以看 成常量，那么在一个开关周期内输出信号坎t ) 的平均值可表示为 1 2 有源电力滤波器的单周控制 一y ( t ) = 专了s o o ) 出x o ) 毒1 萝a t = x ( t ) = x o ) d ( 3 3 ) 如果控制开关的占空比d 使开关变量在每个开关周期中的平均值等于参考量在该开关 周期中的积分值，即式3 4 ： 勺孑 jx ( t ) d t 2 j ( ，渺 ( 3 4 ) 假设开关频瓤比参考量g e l ( t ) 的频率大得多，则在每个开关周期内参考量“t ) 也可 以看成常量，有式3 5 ： 歹c r ，= 丢了x 。妙= 丢了o 渺= c ， 因此，通过单周控制，开关输出信号】，( f ) = 捌( f ) = ( ，) 。 3 2 基于单周控制的单相并联有源电力滤波器 3 2 1 主电路分析和单周控制模型的建立 ( 3 5 ) 如图3 2 所示为单相并联有源电力滤波器的主电路结构。它包括电源电压v s 、非线 性负载、电压源型变换器构成的有源电力滤波器a p f 等。 c 图3 2 并联型有源电力滤波器主电路 f i 9 3 - 2m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fs i n g l e - p h a s ep a r a l l e l - a c t i v ep o w e rf i l t e r 有源电力滤波器工作时，能量在交流电源和有源电力滤波器直流侧电容之间进行交 换。变换器工作在四象限，变换器桥臂的上、下对应两个开关应该互补开通。设开关( 时 钟) 周期为乃，信号占空比为d ，如果开关s l 、s 4 的导通时间为t - = 砀_ = d t s ，则开关s 2 、 s 3 的导通时间为f 珞死w = ( 1 d ) t s 。因此，根据图3 2 可以分别得到0 t d t s 和d t s t t s 的等效电路如图3 3 ( a ) 、( b ) 所示。 因此，我们可以得到有源电力滤波器交流侧电压v i 在单个开关周期内的波形图如图 3 - 4 所示。 根据图3 - 4 在单个开关周期内可将有源电力滤波器等效为一个受开关占空比d 控制的 电压源，在每个开关周期内，受控电压源的平均电压都可表示为式3 v 形。：望尘旦! ! 二塑兰! 二坠：2 施一e ( 3 6 ) c 1 3 西安理工大学硕士学位论文 + y s ( a ) 0 t d t s + vs 图3 - 3 系统等效电路 f i g 3 - 3s y s t e me q u i v a l e n tc i r c u i t v i ( b ) d t s t 0 时，无论哪个开关管导通，圪。上升，屹，下降： 当t 0 时，无论哪个开关管导通，k 。下降，k ，上升； 利用以上关系，为控制电容c i 、c 上各自的电压，在形成指令电流时根据这两个电 压的差值将指令电流作修正，在原有的指令电流基础上通过引入零序分量，以控制电容 c l 、c 上各自的电压。首先检测两个电容上各自的电压，对它们的差值a v 进行滤波处理 1 9 西安理工大学硕士学位论文 ( 主要避免由于频繁切换而造成的系统不稳定) 。滤波后的信号与按以下方法得到的限幅函 数进行量化合成，从而形成新的指令信号。该指令信号包括了谐波补偿信号和平衡电容 c l 、c 2 上电压的零线电流信号。其中量化的大小与电流跟踪的灵敏度有关。量化函数如 下式3 1 6 所示： 图3 1 4 电流流向与k l 、屹2 电压升降的关系 f i g 3 14t h er e l a t i o nb e t w e e nc u r r e n tf l o wa n d 圪l ，圪2 l i f t 1 ， 0 0 5 v , 矿 其中是直流侧电压的参考值。则当g 0 时，升高屹：， 降低圪。控制结构如图3 1 5 所示： f 口 l i l l 6 i 1 l c 图3 - 1 5 直流侧电压平衡控制 f i g 3 15t h eb a l a n c ec o n t r o lo f t h ev o l t a g eo nd cs i d e ，瓦。 一o 有源电力滤波器的单周控制 3 4 小结 本章介绍了单周控制的基本原理和单周控制开关的工作过程，分析了单相并联有源电 力滤波器和三相四线制有源电力滤波器主电路工作原理，在此基础上分别建立单相并联有 源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器基于单周控制数学模型，提出单周控制器的结 构，并进一步讨论了关于三相四线制有源电力滤波器直流侧电压的稳定平衡控制策略。 2 l 西安理工大学硕士学位论文 4 基于单周控制的有源电力滤