（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的并联型混合有源电力滤波器的研究.pdf

基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 a b s t r a c t a c t i v cp a l w e ff i l t e ri sc o n s i d e r e d 舔t h en m s te 骶c t i v em e t h o dt 0h a m e s st h es e f i 伽s 什p 0 1 w e rp o l l u t i o n ”，i ti sa l s o 姐a d v 觚c c dp o w e r e l e c t r o n i cd c v i c e ，w h i c hh 弱m a n ya d v 觚t a g c s a n df 打0 瑚l b l e p r o s p e c t sm p a r e dw 浊m ec o n v e n t i 伽a lm e 弱u r 伪 r e s e 鲫c h觚d a p p l i c a t i o na r ew i d e l ys t u d i e d ，n 坞c o m p e 璐a t i o np 咖c i p l eo ft h et n d i t i i 嘶a ls h u n tt y p c 拟i v e 舯啊c r6 l t c ri sd i s c i l s d ， w h i c h 啪s h o wt h a ti ti s0 n l yu s e dt 0c o m p e n s a t et h eh a r m o n i cc i l r r e n ts o u r c c c o n s i d e r i n g t h ew e a l m e s s ，t h ei n v e s t i g a t e ds u b j e c to ft h ep r o j e c ti sp r o p o s e d ，w h i c hi sas i n l p l i f i e ds h u n t 咖eh y b r i da c l i v ep o w e rf i l t e r ，n l eo p e r a t 吨州n c i p l e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g a i l dt h e c 0 m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h e s u b j e c t a r cd i s c i l s s e d i nd e t a i l i i ia d d i t i o n ，t h e d e t e 咖i n a t i o nm e t h o do ft h em a i np a u r 锄e t e 璐i sd e d u c e d ，w h i c hc 觚p r 0 v i d et h et h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ed e s i 弘觚di l i l p l e m e n t a t i o no ft h ep r o t o t y p e t h et h e s i si n t r o d u c e s 细ok i n d so f 糟a lt i l i l eh 锄o n i c 肌dr c a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s ，w l l i c ha b 猫eo ni n s t a n t a n e o u s r c a d i v ep o w e rt h e o r y an e wh a r m o i l i ch a 姗o i l i c 姐dr e a c t i v ec u l l r e n td e t e c t i o nm e t h o da n da h 锄o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db 弱eo nb 锄d p 勰sf i l t e ra r ei n t r o d u c c di nt h i st h c s i s s h u n t 砌i v ep o w e rf i l t e r sc o n t r o ls t r a t e g yi n d u d i n gc o m p e n s a t o r yc l l 仃c n tc o n 们l 孤dd c v o l t a g c c 0 n t r o l i s 锄a l y z e di nd e t a i l c o m p e n s a t o r yc l l 玎e n tc o n t r o la d o p t st f i 柚g l cw a v ec o m p a r c c o n 仰l ，a n dd cv o l t a g cc o n t r o la d o p t sp ic 1 0 s e d1 0 0 pc o n t r o l t h et h e s i si n t r o d u c e ss h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m sh 椭a 他a n ds o f t w a r cd e s i 弘 、i t ht m s 3 2 0 i 砣钺) 7d s p h 缸d w a r c 弛d f i t w a r c ss t m c t u 赳l df t i n c i i o na r cd e s c r i b e di n d e t a i l t 1 l et h e s i sm a l 【伪t h es i m u l a t i o nf o rs h u n ta c t i v cp 0 1 w e rj e i l t e r s y s t e m ，t 1 l ep r o p o s e d h 锄o i l i c 锄dr e a c t i v ec u 盯e n td e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t m t e g yo fs h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ra t e s t c d a n ds a t i s f a c t o r yr e s u l ti sd r a w n t h es i m u l a t i o nr 璐u l t sv 晒f yv a l i d i t y 锄d e f f e c t i v e 玳爆so ft h e 饥r r e n td c t c c t i o nm e t h o da n dt h ec o n 仃0 ls t m t e g y k e yw o m s ：s h 蚰th y b da c 廿v ep o w e rr l t e bd e t e c t i 蚰m e t h o d ，c o n t m i t e 踽d s e 硕士学位论文 插图索引 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成9 图2 2 三相有源电力滤波器主电路等效电路图1 l 图2 3 三相有源电力滤波器系统电路原理图1 4 图2 4 单相并联型a p f 等效电路图1 5 图2 5 谐波源等效模型1 7 图2 6 并联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路图1 7 图2 7 简化的三相并联型混合a p f 电路原理图2 0 图3 1 口一卢坐标系中的电压、电流矢量2 7 - 图3 2p g 检测方法原理图2 8 图3 3f p 一检测方法原理图2 9 图3 4 改进算法的检测原理图3 1 图3 5 特性曲线3 4 图4 1 控制系统结构图3 5 图4 2 滞环比较p 删电流控制方式的原理图3 6 图4 3 采用滞环比较控制时电流与p 删控制信号波形3 7 图4 4 三角波比较p 删电流控制方式的原理图3 8 图4 5 采用三角波比较控制时调制波与p 嘲控制信号波形3 8 图4 6 有源滤波器电流内环控制结构图4 1 图4 7 有源电力滤波器系统的能量流动简图4 2 图4 8 直流侧电容电压波形4 3 图4 9 功率损耗等效电路图4 3 图4 1 0 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路4 5 图4 1 1 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路4 5 图4 1 2 有源滤波器电压外环控制结构图4 6 图4 1 3 有源滤波器电压外环控制简化结构图4 6 图4 1 4 电压环开环对数幅频特性和相频特性4 7 图5 1 并联型a p f 系统硬件整体结构框图5 0 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 图5 2 驱动、保护电路5 l 图5 3 过流检测电路5 1 图5 4 采样信号电平转换电路5 2 图5 5 电平转换电压产生电路5 3 图5 6d s p 电源电路5 3 图5 7d s pp l l 电路5 4 图5 8 主程序流程图5 5 图5 9比较单元和p 硼电路产生对称的p 删波形5 昏 图5 1 0a d c 中断服务予程序流程图5 7 图5 1 13 2 位扩展定点乘法示意图5 9 图6 1 三相对称时仿真波形6 0 图6 2 负载电流变化时的仿真波形6 1 图6 3 补偿前后电网侧a 相的电流波形6 2 图6 4 补偿前后电网侧a 相的电流频谱分析6 2 图6 5a 相谐波指令电流和输出补偿电流的对比6 2 图6 6 补偿后的三相电流6 3 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：戥强力7 日期：o 万年罗月2 ，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：裁缝力节 导师签名：妒矽洳呼 日期：o 了年乡月哆日 日期：则年厂月乃日 硕士学位论文 第1 章绪论 二十世纪初以来，随着电力电子学步入历史舞台，电力电子装置得到日益广泛的应 用，电能得到更加广泛的利用，电能的利用率也得以提高。但是电力电子设备自身多具 有非线性特性，因而为电网系统引入了大量的谐波和无功，对电能的传输利用、用电设 备的正常工作造成极其严重的危害。因此伴随着电力电子设备的应用发展，谐波治理问 题也逐渐引起学术界和工业界的广泛关注。为此，各国学者提出了各种各样的方法，如 无源l c 滤波、电路的多重化、有源滤波等。 其中最受推崇也是目前较实用的是有源滤波技术，各国学者对有源滤波的相关技术 进行了深入的研究。 1 1 谐波及无功问题 谐波和无功功率的产生 在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例。变压器、异步电动机、日光灯 等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无 功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感 负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等 非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调 整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。 公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置( 含家用电器、计算机等的电源部分) 、 变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源 是电力变压的励磁电流，其次是发电机。 近3 0 年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。 在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路大都采用相 控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负 载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波 的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电 压相位大体相同，因而基波功率因数接近1 ，但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周 波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。 除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接d c d c 变换器的应用也较多。 这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率问题也很严重。在 这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网 的谐波污染问题也日益突出。 谐波和无功功率的危害 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面n 1 ： ( 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5 备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热其至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备 过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使 上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面n 3 ： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发 电机、变比器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、 测量仪表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的 损耗增加，这是显而易见的。设线路总电流为，p + ，叮，线路电阻为r ，则线路损耗卸 为 a p l ，2 尺；以+ ，孑皿。乌箬尺 式中，( q 2 u 2 沁这一部分损耗就是由无功功率引起的。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生 剧烈波动，使供电质量严重降低。 2 硕士学位论文 1 2 谐波抑制和无功补偿 谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的问题，但两者之间又有非常紧密的联系。这 是因为：产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置，如各种电力电子装置、 电弧炉和变压器等；另外，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置。例如 下文将要提到的l c 滤波、有源电力滤波器中的许多类型都在限制谐波的同时还可以补偿 无功功率。 解决电力电子装置及其他非线性负载产生的谐波污染问题，可以采取两种方法。其 一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ，这当然只 适用于作为主要谐波源的电力电子装置。其二是通过装设谐波补偿装置来补偿或抑制谐 波源产生的谐波，减少谐波源对电力系统公共连接点其他负荷的影响。本文的研究内容 属于第二种方法。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 无源滤波器，这种方法既可以补偿谐波， 又可以补偿无功功率。由于无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维 护方便等优点，因此无源滤波器是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由 于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由 系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点： ( 1 ) 滤波特性受系统参数的影响较大，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大。 ( 2 ) 只能消除固定频率的谐波。 ( 3 ) 滤波要求和无功补偿要求有时难以协调。 ( 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。 ( 5 ) 有效材料消耗多，体积大。 由于无源滤波具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，谐波抑制的一个重要 趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 。其基本原理是从补偿对象中 检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流， 从而使电网电流只含有基波分量，达到实时补偿谐波电流的目的。这种滤波器能对频率 和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛 应用。 与无源滤波器相比，有源电力滤波器( a p f ) 具有高度可控性和快速响应性，其具体特 点如下： 3 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大。 ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作 用。 ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 7 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 1 3 有源电力滤波器的研究现状和发展 有源电力滤波器的国内外发展历史及研究现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和 j f m a r s h 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的 谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然没有出现“有源电力滤波器 一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了有源电力滤波器 的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因 而仅在实验室中研究，未能在工业中实用起来。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用大功率晶体管p 删控制变换器构成的有源电力滤 波器，并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑 结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当 时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，有源电力滤波器仍然 局限于实验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p 删控制技术的发展，对有源电力滤波器的研 究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。国外有源电力滤波器的研究 以日本为代表，已进入大量实用化阶段。由于日本社会的电气化进程早，一直受电网谐 波问题的困扰，有源电力滤波器的研究在日本受到了相当的重视，因此从七十年代有源 电力滤波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的人力物力进行了深入的研究，现在 有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家越来越多。 4 硕士学位论文 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论 8 ”，以该理论为基 础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有 源电力滤波器的发展，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了实验室。此后这一理 论不断完善，在此基础上有源电力滤波器的研究十年间有了长足的进展。 a k a g i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器消除谐波。有源电力滤波器在这种装 置中相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波 电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为正弦波，通过不同的控制，还可以 对谐波、无功、不平衡等分量补偿，因此功能多，联结也方便，但该方法也存在诸多缺 点。 + 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混 合型有源电力滤波器方案。在这种电路中，有源电力滤波器仍起谐波补偿的作用，无源 滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这种有源电力滤波系统在使 用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐波通道。 f z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构，在这 种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。因此有源电 力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和 无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波 器的综合有源滤波器。其目的是在电网与公共连接点之间提供一个电压和电流净化装置， 消除用户对电网的谐波污染，同时保证用户得到正弦供电电压。串联有源电力滤波器将 电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源滤波器，同时阻止电源谐波电 压流入负载端。并联有源电力滤波器提供一个零阻抗的谐波支路，使得负载中的谐波电 流不会在无源滤波器上产生谐波电压。该方案从拓扑上实现了两种方法的综合。这种方 式也称为统一电能质量调节器( u p q c ) ，目前还处于试验阶段。这种有源电力滤波器兼有 串、并联有源电力滤波器的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有 较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。 近几年来，国外学者己经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同时抑制 和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波一书 是我国有关谐波问题较有影响的著作。此外，唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了 5 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内有较大的影响。在有源电力滤波器方 面，我国的研究同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章，1 9 9 3 年才见到试 验性的工业应用实验，国内的研究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行这方面研究 的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，以理 论研究和实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定的研究， 以瞬时功率理论为基础提出厶厶谐波检测算法，对基于d s p 芯片的单相综合有源电力滤 波系统的数字控制系统的实现进行了研究。浙江大学的钱照明等都做了一些很有意义的 研究。华中科技大学的陈乔夫等人提出了基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器， 向串联变压器付方注入基波补偿电流，使串联变压器对电网基波电流呈低阻抗，对谐波 电流呈高阻抗，从而抑制谐波。 目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距，这与我 国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工作的深入开展 和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜 力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 有源电力滤波器的发展趋势 从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器( a p f ) 具有如下的发展趋 势。 ( 1 ) 通过采用p 删调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次 谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采i g b t 以及p 删技术进 行谐波补偿；当容量大5 m v a 时，通常采用g t o 以及多重化技术进行谐波补偿。 ( 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器并联使用的 混合型有源滤波系统，以减a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。从长远角度 看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降；同时，随着半导体器件制造 水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消 失，而串一并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装 置。目前一个应用的新趋势是在供电系统的供电侧安装称为“统一电能质量调节器 的 有源电力滤波器，这是一种综合解决电力系统谐波问题的方法。 ( 3 ) 可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理，有源线路调节器 ( a c t i v ep 0 w e rl i n ec o n d i t i o n e r ，缩写为a p l c ) 的出现，表明电力系统谐波治理正朝着 6 硕士学位论文 动态、智能、经济效益好的方向发展。这种a p l c 其结构与a p f 相似，因此过去很多文献 上都将a p l c 等同于a p f 。其实，从原理上看，与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是 向网络中某个( 或几个) 优选节点注入消谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内 流动，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。由于a p l c 代表的是谐波治理的一种 更高层次，不应将两者等同。目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段，实时确定 补偿电流、优选补偿节点、在线测量谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 ( 4 ) 在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低成本和损耗，进一 步改善补偿性能，多功能化，有源装置小型化等。在有源电力滤波器的应用方面主要应 解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源电力滤波器的相互干扰，有源电力 滤波器对电网上已装设的l c 滤波器的影响，有源和无源滤波器结合方式的研究。 1 4 本课题研究的主要内容 本文研究主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 确定本文的研究对象为一种简化的并联型混合有源电力滤波器，并对其进行了细 致的研究，研究内容包括工作原理分析、模型的建立和补偿特性的分析，工作原理和建 模分析为有源电力滤波器控制系统的设计奠定了基础，补偿特性分析表明该滤波器能够 同时补偿电流型谐波源和电压型谐波源，补偿效果良好。最后对简化的并联型混合有源 电力滤波器主电路参数设计进行了研究。 ( 2 ) 介绍一种基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流实时检测算法。提出一种新的 检测算法，检测谐波及无功电流的改进算法。 制。 ( 3 ) 分析并联型有源电力滤波器的控制策略，包括补偿电流跟踪控制和直流侧电压控 ( 4 ) 结合t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，介绍有源电力滤波器系统的硬件和软件设计。 ( 5 ) 基于m a t l a b 进行仿真研究，给出相应的仿真结果。 7 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 第2 章并联型混合有源电力滤波器主电路研究 2 1 引言 在有源电力滤波器的实际工业应用中，三相三线制a p f 占绝大多数。其中，单独使用 的并联型a p f 是最基本的一种，在工业实践中也应用最广泛。并联型a p f 主要用于补偿可 以看作电流源的谐波源，而对于可以看作电压源的谐波源，补偿效果很差。并联型与串 联型联合使用的混合型a p f 可以补偿电流型和电压型的谐波源，但是由于过于复杂且造价 昂贵，并未能在工业中实际应用。为此，本文将针对一种造价低且结构简单的并联型混 合a p f 进行研究，此拓扑是在单独使用的并联型a p f 的负载侧增加三个串联电抗器而构成 的。拓扑结构中，串联电抗器的选择至关重要，它直接影响到a p f 的补偿效果，一旦选择 了合适的电抗器，此并联型混合a p f 就能对电流源型谐波源和电压源型谐波源起到很好的 补偿效果。本章通过分析并联型a p f 的工作机理和补偿缺陷，逐步推导出本文研究的并联 型混合a p f ，并对它的拓扑结构、工作原理、补偿特性以及主电路参数设计进行研究。 2 2 并联型有源电力滤波器研究 对于传统的有源电力滤波器来说，谐波检测和控制技术是决定它补偿性能好坏的决 定性因素。随着现代控制理论和智能控制技术的发展，以及有源电力滤波器研究工作的 进一步进展，在有源电力滤波器中应用新的控制技术来提高滤波性能是一个背受关注的 课题，已经成为有源电力滤波器的研究热点之一。将新的控制理论和控制技术应用于有 源电力滤波器，首先要对有源电力滤波器的工作原理、物理意义、补偿特性以及控制机 理等有较为明确的认识。 2 2 1 工作原理分析 图2 一l 为传统的并联型有源电力滤波器系统的原理图。图中电网电源为单相或三相交 流电源，f ，为电源电流，非线性负载为谐波源，f 。为负载电流。有源电力滤波器系统由两 部分构成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 包括电流跟踪控制电路、驱动电路 和主电路三部分组成) 。其中指令电流运算电路的核心是检测出负载电流中有害电流( 包 括谐波、无功以及可能存在的负序电流) 。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算 8 硕士学位论文 电路得出补偿电流的指令信号f 二，产生实际的补偿电流f c 。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成 图2 1 所示并联型有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算电路计算得到补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路，得到 补偿电流，该补偿电流与负载电流中的有害电流相互抵消，使得电源电流中只含有基波 电流，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。负载电流f 。，按傅里叶级数展开，可以 表示为： 屯。善l s i 砸甜+ 以) _ j r lc o s 吼s m 甜+ j r l s i l l 吼c o s 耐+ 荟l s 1 吣耐+ 以) ( 2 1 ) 。l 印+ l 工叮+ l 肪。l 上，+ l 工 式中，= ，l c o s 吼s i i l 甜为基波有功电流； = s i l l q c o s 耐为基波无功电流： 么2 薹l s l n o “+ 吼) 为高次谐波电流； 0 0 + k 为基波电流； 或为基波电流初相位； 口。为n 次谐波初相位： 为系统电源基波角频率。 由图2 1 可以看出：负载电流f ，由电源电流和有源电力滤波器输出的电流共同提 供。当需要补偿负载产生的高次谐波电流f ： 时，可以控制有源电力滤波器的输出电流， 使其产生一个与么大小相等方向相反的补偿电流屯，则系统电源中就只需供给基波电流 ( 有功和无功) 了，从而达到谐波抑制的目的。上述补偿原理可用如下的一组公式来描述： 9 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 b 。匕+ l c l 工。+ l c 。1 上 b 4 l 巧 ( 2 2 a ) ( 2 2 b ) ( 2 2 c ) ( 2 2 d ) 由上述分析我们还可以看到，有源电力滤波器可同时补偿无功功率，这时只需使 t 一一+ k ) 则一0 ，即系统电源中就只需要供给负载电流中的基波有功电流。 作为主电路的p 删变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，此时可以将其 称为逆变器。但当电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作， 也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态。为了保持通用性，在有源电力滤 波器的建模过程中，将其称为变流器。 2 2 2 建立数学模型 有源电力滤波器的主电路根据储能元件的不同，可以分为电压型( 图卜3 ) 和电流型 p 删变流器( 图卜4 ) 。由于电压型滤波装置效率高、初期投资小、易于单机小型化，目前 9 0 9 6 以上的装置使用电压型p w m 变流器。本节以电压型p 删变流器作为有源电力滤波器的主 电路，推导变流器数学模型，本文在此基础上完成三相并联型有源电力滤波器的建模工 作。 三相电压源型p w m 变流器的数学模型 ( 1 ) 基于开关函数的数学模型 图卜3 为电压源型p w m 变流器的电路结构图。为了描述方便，可以用理想开关s 来代替 主电路开关元件，从而得到如图2 2 所示的三相有源电力滤波器主电路等效电路图。“。， 比曲和h 。为三相对称且稳定的电网电源，尺。，凡和r 为等效电阻，它综合了直流电源的 等效串联内阻、滤波电感的等效串联电阻、开关死区效应等非理想因素。，。为电流源， 表示负载汲取的电流，其波形依负载不同而不同。 1 0 硕士学位论文 d s ps c 、 a c 一 七 厂 b _ _= b 还势圭曲 ic s ： s c 、 图2 2 三相有源电力滤波器主电蹯等效电路图 由于逆变器通断规律为：同一桥臂的两个管子本能同时导通：总有三个管子是导 通的。所以可以定义开关函数瓯为： 跏黼徽 缇3 ) 一 lo ，下桥臂导通，上桥臂关断 其中七一口，6 ，c 在图2 2 中，取电感电流( 七一口，6 ，c ) 和电容电压匕作为状态变量。对于a 相，可以 得到如下方程： 三。警+ 兄乞一“脚一 删+ 搿d ) ( 2 4 ) 当s 。导通，s ：关断时，开关函数s 。= 1 ，一圪；当s 。关断，s ：导通时，开关函 数s 。= o ，一0 。则有“肼一圪s 。，因此，式( 2 4 ) 可以表示为： 三。! 皇l + 也屯。“。一( 屹咒+ 比肋) ( 2 5 ) 口f 同理，对于b 相和c 相分别有： 三曲曼+ 心屯。口曲一。乞s 6 + 口o ) ( 2 6 ) 口f 工卵! 耋- + r k 。跖钟一。乞s 。+ h 脚) ( 2 7 ) 口f 对于一个三相三线平衡系统，有 “。+ “西+ h 肛o ，屯+ + t - 0 ( 2 8 ) 联立式( 2 5 ) ( 2 8 ) ，可得： 一一等。娶 亿9 ) 由图2 2 可以得到有关直流侧电容电压的方程： 1 1 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 为： c 叱s 4 也b s b + i c c s c - l o ( 2 1 0 ) 将式( 2 5 ) ( 2 7 ) 和式( 2 1 0 ) 联立，可得三相电压源型p 删逆变器的开关函数模型 其中， zx | a x b e x k 屯乞】r ；e k 期砧曲“卵l 】r ； z d 曙【己。三曲工朋c 】；b = d 如f g 乜11 1 】； 么 一凡 oo o 一瓦 o o0 一r s 4s bs c s 肼一s 。 s m s b s 。一s 。 o 其中，瓦为p 咖开关周期；d 。等为占空比；j 为采样点。 ”。 将开关函数展开成傅氏级数，其傅里叶系数为： 口。昙rs o 渺_ 豺，口露2 昙rs o ) c o s ( 知万丢渺一( 一1 ) 4 砉s i n m 妇) ， 屯a 昙f 跗s i n ( 2 ，l 万争_ 0 因此，开关函数的傅氏级数展开式为： s d + 萃( 删去s i i l 胁灿譬) 对于三相p 硼变流器，每一相的开关函数可以表示为： & 咄+ 砉( 卅丢s i n 枷譬) ，胁，6 ，c ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 硕士学位论文 其中 。娶一i 娶+ 刮和4 去s 缸，c o 晕】 将式( 2 1 4 ) 和( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 1 ) ，可得： 彳一a + 4 4 = 一凡 00 d 。一d 。 0 一凡 o d 。一d 6 00 一rd 。一d 。 d 。d 6 d 。 驴 小吾。三， 4 a0 o0 o0 o0 6 钿6 拈 o 6 。4 o 6 6 4 0 6 。4 6 4 c 0 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 屯$ 一薹c d “去 s m 埘一言；三；m 似力卜s 譬协i 咖，c 小一薹( 刮去s i n 倒川c o s 譬泓叱如 状态变量也可以相应地分成两部分：x x ，+ x 。，将其代入( 2 1 1 ) 得： z ( x ，+ x ) 一o 毛+ 4 ) ( y ，+ z ) + 占e ( 2 1 7 ) 此式可以分解成如下两个模型： z x f 一4 五+ 砸 ( 2 1 8 ) z x - 4 x ，+ 4 x + 4 x ( 2 1 9 ) 式( 2 1 8 ) 为低频模型，式( 2 1 9 ) 为厂之正( 开关频率) 范围的高频模型。在高开关频 率下，忽略开关函数的高频谐波成分，可以得到三相电压源型p w m 变流器的状态空间平均 模型( 即低频模型) 。通常在不引起混淆的情况下，可将置的下标省略，因此变流器的状 态空间平均模型为： z xa 4 x + 髓 ( 2 2 0 ) 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 由此可见，状态空间平均模型是开关函数模型忽略高频谐波情况下的简化结果，用 来描述整流器的低频静杰和动杰特性。 三相并联型有源电力滤波器建模 三相并联型有源电力滤波器系统电路原理图如图2 3 所示，主电路采用三相电压源型 p 咖变流器。k 、k 和三。为电源侧等效电感，也、如和也。为电源侧等效电阻；工向、 l 声和工彦为逆变器交流测滤波电感，凡、r 和r 为等效电阻。 c 图2 。3 三相有源电力滤波器系统电路原理图 对于图2 3 所示的三相并联型a p f ，我们可以通过对其中的一相进行工作原理分析， 并建立相应模型。以a 相为例，从工作原理上看，可以将逆变器开关管认为是理想开关， 其电路图如图2 4 ( a ) 所示。此处以并联型a p f 对电流源型谐波源进行补偿为例，其单相等 效电路图如图2 4 ( b ) 所示。图中比。是电源电压，z 。是电源侧等效阻抗，f 。是电源电流；f ，仃 为等效谐波电流源，z ，是负载侧等效阻抗，f ，是负载电流；z 。是逆变器交流侧等效阻抗， 距。为逆变器交流侧输出电压。工作时，通过a p f 产生一个与负载谐波电流大小相等方向相 反的谐波电流t 注入电网，抵消负载产生的谐波电流，使f 。接近正弦波。因此，并联型a p f 本质上属于受控电流源，它以电流源方式进行谐波补偿。 1 4 硕士学位论文 “s (a)(” 图2 4 单相并联型 p f 等效电路图 对图2 4 ( a ) 和( b ) 进行分析，可以得到： 卜t 鲁删，屿鲁以帆 ( 2 2 1 ) k f 。+ 屯 根据2 2 2 1 节中关于逆变器的状态空间模型的分析，可以假定本文研究的并联型 a p f 逆变主电路工作在低频状态，由公式( 2 1 9 ) 的推导过程，可以得出逆变器交流测输出 电压撑。可以表示成开关器件占空比d 和直流侧电压圪的函数。占空比d 是经过p 硼调制得 到的，设“为p w m 的调制量，为三角波载波的幅值，那么p 删调制策略可以表示为式： 生。丘 ( 2 2 2 ) 一一 厶厶厶， h 假设p 聊的调制量在0 1 之间变化，三角波载波的最大幅值为1 ，即一1 ，则： 口。= ”屹 ( 2 2 3 ) 考虑到本论文控制系统采用间接电流控制策略，电流环控制对象为电源电流f 。，所以 取f 。为系统的状态变量，同时电源电压和负载电流的波动可以看作是系统的未知干扰，联 立式( 2 2 3 ) 和( 2 2 1 ) ，可得： 弛，+ 鲁- 一眠+ r y ，一“匕+ ，等+ 瓯+ “， ( 2 2 4 ) 忽略电源线路阻抗，并令秽p ) 一三，警+ 观+ 巧，为系统的扰动项，可以得到理想的单 相并联型a p f 的数学模型： ，等一吨叫k 忉1 0 f ) ( 2 2 5 ) 根据式( 2 2 5 ) ，可以分别获取三相系统中a ，b c 三相的数学模型，从而可以推导出理 想三相并联型a p f 的状态空间模型： 基于d s p 的并联型混合有源电力滤波器的研究 么z 一目艮+ c h + 巧o ) 其中，x k 屯】r ；“一匦。6h 。】r ： 彳一幽昭k 归声乒j ；c 一硪昭【- 圪 一屹一屹】； 口2 - 主乙一三毛一曼乙】；万一口2 【： 一：毛 一：乙j 。万= ( 2 2 6 ) 从式( 2 2 6 ) 表示的三相并联型a p f 的模型看，这是一个多输入多输出系统，可以看出 a b ，c 三相之间井没有相互耦合项，所以在控制系统中可以将此多变量控制化为三个单变 量控制，而在参数对称的情况