电力电子课程设计-三相电力有源滤波器的设计与仿真

1、中南大学电力电子技术课程设计报告 课题: 三相有源电力滤波器设计与仿真班级: 电气工程及其自动化学号: 姓名: 指导老师: 前言电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。电力电子技术以快速可控的电能变换技术为主要对象,以方便,节约,安全,为特点,大大

2、提高了人类在生产和生活中的效率和舒适性,从而得到了日益广泛的普及。但是作为电网的非线性和时变性负荷的电力电子装置(如逆变器,整流器等)的大规模应用,其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量,导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真,早已替代传统的变压器和铁磁材料的非线性引起的谐波成为最主要的谐波源。电力电子设备的大量使用使得谐波问题日益严重,有源电力滤波器作为一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,有着非常好的发展前景。本文综述了电力谐波抑制技术的发展概况以及有源电力滤波器的发展趋势,深入分析了有源滤波器的结构及工作原理。本次课程设计是进行三相有源

3、电力滤波器的设计。首先对谐波的相关知识做了简要的介绍，叙述了谐波的产生途径，所造成的危害，并对治理谐波的两种常用方法：无源滤波器与有源滤波器的各自特点做了介绍及对比。接下来对有源滤波器的原理做了介绍，对课题中所要求的非线性负载，三相不可控整流电路的运行特性及产生的谐波成分做了分析；对用来生成跟踪电流的逆变电路进行了理论分析，并设计了用来初期滤波的无源单调谐滤波电路；同时对上述电路的参数进行了计算并对主要元器件进行选型。有源滤波器的重要部分是谐波电流的检测与补偿电流的控制。文中介绍了基于瞬时功率理论的谐波电流检测及提取方法。由于方法运算量大，实时性强，所以选择DSP芯片进行处理。用来PWM波控制

4、逆变电路产生补偿电流。最后用matlab中的simulink电力系统工具箱进行软件仿真，详细介绍了仿真模型及最终的仿真结果，仿真证明了本文方案的可行性。目录1 课题要求与背景知识11.1设计要求.11.2有源滤波器的背景知识.11.2.1谐波简介及其来源.11.2.2谐波的危害11.2.3治理谐波的方法21.2.4无源滤波器简介21.2.5有源滤波器简介22 三相有源滤波器主电路设计32.1有源滤波器原理简介32.2三相不可控整流电路分析52.2.1运行特性52.2.2谐波分析52.2.3整流电路的元件选型62.3直交逆变器电路分析72.3.1逆变器电路及其运行特性72.3.2元件选型82.4

5、辅助无源滤波器的设计83 有源电力滤波器谐波检测及控制策略93.1瞬时无功功率理论简介及其应用93.1.1 瞬时无功理论定义93.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测103.2谐波信号的采集测量电路113.2.1谐波信号测量电路113.2.2信号处理电路133.3有源滤波器的补偿电流控制方法143.4驱动电路154 有源电力滤波器的仿真154.1 有源电力滤波器仿真模型的建立154.1.1 有源电力滤波器系统154.1.2 非线性负载模型164.1.3 三相逆变及PWM波形发生模型174.1.4辅助无源滤波器174.2有源电力滤波器184.2.1谐波电流检测184.2.2 谐波电流跟踪控制20

6、4.3仿真结果215 设计心得25课题要求与背景知识1.1设计要求三相有源电力滤波器设计与仿真主要性能指标要求：电源线电压380V，额定输出电流50A，不可控制整流器负载，电源电流总谐波畸变率小于5%。具体内容：要求学生在深入学习和分析三相有源电力滤波器的组成和工作原理基础上，完成主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在MATLAB SIMULINK 平台上，完成谐波电流检测算法、直流电压和输出电流控制的仿真。1.2有源滤波器的背景知识1.2.1谐波简介及其来源现如今，在人们日常生活、工作和学习中都离不开电能的供应，电能已成为世界上最重要的能源，进而电能的质量也是衡量一个国家科技水平高低

7、的主要标志之一。电能质量关系到供电、用电设备的安全和经济运行，电能质量的严重下降会导致灾难性的供电事故和人员伤亡，给社会造成巨大的经济和财产损失。谐波是电能质量中的一个重要指标，谐波的大量存在会严重的影响电网安全运行和各类大型工厂的正常生产。因此如何有效的治理谐波，在现阶段已是全世界关注和研究的焦点。国内外通用的谐波定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数”。在特殊的条件下，一些非线性波动负荷会发出非基波频率整数倍的谐波，称其为间谐波，当间谐波的频率低于基波频率时可称为次谐波。近年来，谐波的概念扩大到了泛指电力系统中非正弦性的电压和电流的波形畸变。 电力系统中的谐波

8、来源可分为如下几种： （1）发电机侧产生谐波，这是由于发电机绕组和铁心在制造的过程中精度不够，导致了三相不平衡产生部分谐波，但是相对来说不是很多。 （2）输配电过程中产生谐波，当有大电流流过电力变压器时会使铁心达到饱和，产生部分的奇数次谐波，其中3次谐波含量较多。 （3）用电设备产生的谐波，主要有如下两种：第一种含有电弧和铁磁的非线性设备，例如交流弧焊机，旋转电机，电弧炉等；另一种是含有半导体非线性元件，例如整流器，逆变器，变频器等。伴随着科技的不断进步，现代的电力电子装置的使用越来越广，产生谐波的比重也越来越多，使得用电设备产生的谐波成为了电力系统主要的谐波污染源。经统计表明：由整流装置产生

9、的谐波占所有谐波的近 40%，如果整流装置为单相整流电路，接入感性负载时电流中含有奇次谐波成分，其中 3 次谐波的含量可达基波的 30%；如果整流装置为三相全控桥 6 脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流；如果是 12 脉冲整流器，含有 11 次及以上奇次谐波电流。本次课程设计中负载为工业中应用广泛的三相不可控整流器负载。这种整流器价格低，性能可靠，获得了广泛的应用，但是与此同时给交流侧带来了严重的谐波污染。1.2.2谐波的危害谐波所产生的危害主要包括：谐波会使电力系统产生谐振，谐波中的某些次分量使得电网中的补偿电容与电网中的感性部分产生串联或并联谐振，产生很高的过电

10、流或过电压，损毁电网设备，引发事故；谐波中含有高次分量对电缆的集肤效应明显，使电缆的交流电阻值增加，产生附加损耗而过热，无功损耗增大。当谐波中零序分量过高时会使电缆的中性线上电流明显增大，导致线路故障；谐波会影响电气设备的正常运行，使变压器的铜耗（如涡流损耗和漏磁损耗）和铁耗（如磁滞损耗）增加，导致变压器局部过热，噪声增加；谐波还会使继电保护和自动装置出现误动作，使计量仪表出现误差。1.2.3治理谐波的方法现阶段，电力系统中对谐波的治理方法，主要有以下三种：优化设备的结构，使其抗谐波干扰的能力增强；针对产生谐波的电力电子装置，在其内部进行改进，使其不产生谐波；安装谐波补偿装置，将其装设在谐波源

11、侧，以阻止谐波注入到电网中。目前电力系统中应用最多的还是第三种方法，主要的谐波补偿装置有无源滤波器 PPF 和有源电力滤波器 APF。本设计采用装设有源电力滤波器APF为主并与无源滤波器配合使用的方法抑制谐波。1.2.4无源滤波器简介无源滤波器，又称 HYPERLINK /view/605242.htm t _blank LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路； HYPERLINK /view/629836.htm t _blank 单调谐滤波器、 HYPERLINK /vi

12、ew/629841.htm t _blank 双调谐滤波器、 HYPERLINK /view/204523.htm t _blank 高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。基本的无源滤波器的拓扑结构图1所示。图1 无源滤波器结构图无源滤波器本身含有一些缺陷无法克服，例如它只能滤除特定次谐波，无法滤除指定谐波以外的其它次谐波，它无法对谐波进行精确的补偿，并且与电网有发生串并联谐振的可能，使得它很难应用于补偿精度较高的场合。1.2.5有源滤波器简介电力有源滤波器的基本思想形成于上个世纪六七十年代,是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力

13、电子装置,80年代以来,由于新型电力半导体器件的出,PWM技术的发展,以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,有源滤波器得以迅速发展。有源滤波器具有以下一些特点:实现动态补偿,可对频率和大小均变化的谐波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速度;它的接入对系统阻抗不会产生影响,因此此类装置适合系列化、规模化生产;当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大,不存在与电网阻抗发生谐波的危险,同时还能抑制串并联谐振;补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需要的储能元件不大；用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流;当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波

14、器不会发生过载,并且能正常发挥作用,不需要与系统断开;有源滤波器分类见图2：图2 有源滤波器分类图2 三相有源滤波器主电路设计2.1有源滤波器原理简介图3 有源滤波器原理图三相并联型有源电力滤波器的原理图如图3所示，其中、表示电网向负载提供的电压和电流，三相有源滤波器的结构图见图4。图4 三相有源滤波器结构图 除整流器负载，三相逆变电路等主电路外，用来采集谐波信号的信号采集电路、分离出谐波信号的指令运算电路和根据谐波电流产生逆变电路的控制信号的电流跟踪电路是最重要的部分，这部分电路逻辑复杂，需要进行大量运算，并且高精度的谐波补偿对实时性有着很严格的要求。所以这部分电路采用专业的数字信号处理芯片

15、DSP芯片来进行设计。DSP的引入又带来了低压电路控制高压电路的问题，由此产生的电压匹配及电气隔离问题又值得设计中注意。2.2三相不可控整流电路分析要设计有源滤波器来抑制非线性负载产生的谐波污染，需要明确线路中含有哪些谐波分量，因此对非线性负载做必要的分析必不可少。本节对课题中的非线性负载即三相不可控整流电路原理做出简要的介绍，并分析其产生的谐波，最后针对课题的要求对电路的主要元器件功率二极管做出选型。2.2.1运行特性图5 电容滤波的三相桥式不可控整流电路如图5所示是三相桥式不可控整流电路的电路图。某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电当

16、没有二极管导通时，由电容向负载放电，图6 不可控整流桥的电压电流波形图考虑实际电路中存在的交流侧电感以及为抑制冲击电流而串联的电感时的工作情况：电流波形的前沿平缓了许多，有利于电路的正常工作。随着负载的加重，电流波形与电阻负载时的交流侧电流波形逐渐接近。2.2.2谐波分析(1)交流侧谐波：交流侧谐波组成有如下规律：谐波次数为6k1次，k =1，2，3；谐波次数越高，谐波幅值越小；谐波与基波的关系是不固定的。功率因数的结论如下：位移因数通常是滞后的,但与单相时相比,位移因数更接近1；随负载加重（wRC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。(2)直流侧谐波：m脉波整流

17、电压的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为mk次；当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn因为本课题主要研究不可控整流电路这一非线性负载对电网造成的谐波干扰，并设计有源电力滤波器进行谐波治理，所以我们只关心不可控整流电路对交流侧造成的谐波影响，通过以上分析我们可以知道，这种负载会在三相交流电网中产生6k1次谐波，其中5,7次谐波影响最大，不含3次谐波。这些特点为设计有源电力滤波器提供了依据。2.2.3整流电路的元件选型整流电路各参数间的主要数量关

18、系如下：（1）Ud在（2.34U2 到2.45U2）之间变化。（2）输出电流平均值IR为IR = Ud/R；Id =IR；二极管电流ID平均值ID = Id/3=IR/3。（3）二极管承受的反相电压6由题目条件可知：电源线电压380V，额定输出电流50A，不可控制整流器负载。通过以上公式计算得，电源相电压为220V，整流电路输出电压平均值为530V左右，输出电流平均值为50A，电力二极管流过平均电流为16.7A，电力二极管最高承受反向电压538.9V。按照双倍裕量的规范，决定选用反向击穿电压1000V，正向允许电流30A的大功率整流二极管。最终选取的型号是：ST公司的MUR30100快恢复二极

19、管。图7 常用功率二极管技术指标2.3直交逆变器电路分析有源电力滤波器的补偿电流通过三相逆变电路产生，通过控制三相逆变电路6个IGBT器件的开通与关断，来实现产生与谐波电流一致的补偿电流，本节对逆变器的主要原理做介绍并完成逆变电路的元件选择。2.3.1逆变器电路及其运行特性图8 三相并联电压型有源滤波器结构如图所示的三相并联电压型有源电力滤波器拓扑结构，其逆变器上下桥臂分别有V1 、V3 、V 、V4 、V6 、V2 的6 个开关器件，每个桥臂上下两个开关均工作在互补状态，即V、V3 或V 开通时对应的V4、V6 、V2 关断; V4 、V6 或V2 开通时对应的V 1 、V3 、Vs 关断，

20、用 表示三个桥臂的开关情况：将三相电源等效为三相负载。当Sa=O 表示上桥臂V 1 关断，下桥臂V4 开通; Sb=O表示土桥臂V3 关断，下桥臂V6 开通; Sc=1表示上桥臂Vs 开通，下桥臂V2 关断时。此时有Ua=-U；U=-U；U=U。类似的，可以得到逆变电路的所有运行状态，一共种。定义开关系数为Ka 、Kb 、Kc 使得Ua = KaUd；Ub = KbUd ；Uc = KcUd可列出如下关系表。图9 工作模式和开关系数通过个开关的精确控制，就能够实现对需要电流的跟踪。2.3.2元件选型有源滤波器直流侧最大电压是380V,开关器件IGBT的耐压水平应为其两倍以上；器件最大峰值电流为

21、10A，则器件最大可关断电流为其两倍以上；应根据补偿谐波频率的高低来选择器件的工作频率。器件的工作频率应根据实际要滤除负荷电流的最高次谐波的次数决定，根据采样定理，开关频率必须为高次谐波频率的两倍以上。但实际上是，当频率调制比比较低时，会出现明显的波形失真。本例中最高次谐波按21次计算，开关器件工作频率应该是7倍以上。综上所述，IGBT器件应该满足耐压水平大于700V，最大可关断电流大于20A，工作频率大于1050Hz。下图为常用IGBT型号及参数，最终选20N1120CND这一型号器件。图10 常见IGBT型号及参数表2.4辅助无源滤波器的设计在三相不可控整流电路中所产生的谐波中，5次谐波含

22、量最大，造成的影响也最大，所以在有源滤波器之前用无源LCR电路对5次谐波进行初步的滤波。滤除特定次数的谐波可以采取单调谐滤波器的方法。经过比较，我采取并联形式的无源单调谐滤波器，它的电路结构与阻抗特性曲线如下：图11 单调谐滤波器结构图与阻抗特性图从图中可以看出，在谐振点处，单调谐滤波器的阻抗最小，而呈现纯电阻特性，由于电阻很小，因此该次谐波主要有电阻分流，很少流入电网中。而对于偏离谐振点的其他次数谐波。滤波器分流很少，因此，只要设定好滤波器谐振次数，则该次谐波大部分流入滤波器，从而消弱该次谐波。3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略3.1瞬时无功功率理论简介及其应用三相电路瞬时无功功率理论由日

23、本学者赤木泰文最先提出，此后，该理论经不断研究逐渐完善。赤木最初提出的理论亦称p、q理论，是以瞬时实功率和虚功率的定义为基础，其主要的一点不足是未有对有关电流量进行定义。该理论的基本思路是：将abc三相系统电压、电流转换成，坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率；将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果。但该方法对于三相不平衡负荷所产生的无功和

24、谐波电流，补偿效果则不理想，且只适用于三相系统，不能用于单相系统。3.1.1 瞬时无功理论定义瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用，以该理论为基础构成的 APF 可以实现对频率和大小都变化的无功与谐波电流进行实时的检测。这种检测方法有可以分为 p-q法和ip-iq法。本论文就是利用ip-iq法进行谐波与无功电流的实时检测的。本文研究的系统为三相三线制系统，可以先将三相的电压和电流转换到静止的-系统中9。设三相电路各相瞬时电压和电流分别为ea，eb，ec和ia，ib，ic，分别将它们变换到两相正交的-坐标上，两项瞬时电压为e，e，电流为i，i，即 (1) (2)式中，C32是

25、三相到两相的坐标变换阵，定义瞬时有功功率 p 和无功功率q为： (3)现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时，设三相电压、三相电流分别为： (4) (5)则变换到-两相静止坐标系中的向量为： (6) (7)所以得到瞬时有功功率和无功功率为:, (8)从式(8)可以看出，在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时，按照上面定义计算的瞬时有功功率和无功功率 p 、q只包含直流分量，并且与传统的三相有功功率和无功功率计算的结果一样。瞬时无功功率理论只用了一个时刻三相电压和电流的数值，所以这种功率计算方法大大提高了计算的效率。3.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测以三相电路瞬时无功

26、功率理论为基础，计算p、q或ip、iq为出发点即可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p、q运算方式和ip、iq方式4。(1)p、q运算方式该检测方法原理如图12所示。图中上标- 1表示矩阵求逆。该方法由定义计算的p、q经低通滤波器LPF滤波得到p、q的直流分量p1、q1。电源电压无畸变时, p为基波有功电流与电压作用产生, q为基波无功电流与电压作用产生。因而,由p、q即可计算出被检测电流 ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf 。如式（9）所示：iaf图12 p、q运算方式原理将iaf、ibf、icf与ia、ib、ic相减,即得ia、ib、ic的谐波分量iah、i

27、bh、ich。(2)ip、iq 运算方式该检测方法原理如图13所示。且图中矩阵C如(10)式所示。C=sinwt图13 ip、iq运算方式原理图该方法用一锁相环和一正、余弦发生电路得到与电源电压ea 同相位的正弦信号sinwt和对应的余弦信号- coswt,这两个信号与ia、ib、ic一起计算出ip、iq ,经LPF滤波得出ip、iq的直流分量ip、iq。这里, iq 是由iaf、ibf、icf 产生。3.2谐波信号的采集测量电路3.2.1谐波信号测量电路信号采集电路将被测电流和电压信号通过霍尔传感器转换成弱电信号，再通过信号调理电路，将信号范围固定在 03.3V 内，最后送到 DSP 进行

28、AD 转换。 (1)电流检测采样电路 电流霍尔传感器用原理为霍尔效应闭环的 CSM010CG 型号，它的电流输入端与输出端是相互隔离的，能测量交流、直流、脉冲和各种不规则的电流形，两侧额定输入和输出电流都是 10A，匝数比是 1:1000，供电电压是12V15V，响应时间小于 1us，测量范围在 020A，测量频带宽度是 0100kHz。在实际应用中将原边导线绕上四匝，副边电流测量值有 6A 左右，满足检测电路要求。运算放大器采用的型号为 OPA2227，能处理较高频率的信号，高频特性好，输出信号不会出现失真，抑制共模干扰信号的能力较强，因此它是一种高精度、低噪声的运算放大器。如下图所示，R1

29、 为采样电阻，采用精度为 0.1%的精密电阻，以减少采样误差。A1 为电压跟随器，起到缓冲和隔离的作用，增大输入阻抗，减小输出阻抗，其输出端 1 脚的电压为 5V。A2 是加法器，起到抬升电压的作用，将电流传感器检测到的正负交变的电压信号抬升到 0V 以上，成为直流信号。图14 电流检测采样电路(2)电压过零检测电路 电压过零检测电路基本工作过程为：当电网 A 相电压波形从负半周向正半周转换时，电压过零检测电路检测到波形到达零点立即由低电平跳变到高电平，而当电压波形从正半周过零点向负半周转换时，过零检测电路由高电平跳变到低电平，其产生的方波信号与电压周期相同，DSP 捕获上升沿信号作为定时器的

30、起始信号，下一个上升沿信号作为定时器的停止信号，进行周期计数，以此检测出电压周期。图15 电压过零检测电路(3)逆变器直流侧电压检测电路 逆变器直流侧电容电压的实际值是由直流侧电压检测电路来采集完成，其经PI 调节器与给定值比较对其误差进行调节，通过 ADC 模块送入 DSP 控制器，调节逆变器的开关信号，使得电容电压接近给定值，达到稳定。图16 逆变器直流侧电压检测电路3.2.2信号处理电路主要由 DSP 数字信号处理器、电源芯片、片外存储器和各种通信芯片构成，它需要进行大量的算数运算和控制逻辑处理，所以 DSP 的选型一定要满足控制系统的实时性和高效性要求，本系统采用 TI 公司生产的 T

31、MS320LF2407A 型号的 DSP 芯片。 它是 TI 公司 C2000 系列中一款性价比很高的芯片，它包括了最多的片内外设和片内存储器。其运算速度可以达到 40MIPS，单指令周期为25ns，运用增强型的哈佛总线结构，其有单独的数据存储器与程序存储器总线，以达到提高运算速度、同时读取数据和指令等目的。执行一条指令可分为四个阶段：即取指、译码、取操作数和执行，同时运用 4 级流水线操作，当前指令正执行时，下条指令被预先存取，提高了执行速度。EVA 和 EVB 两个事件管理器是 TMS320LF2407A 片内外设资源，每个事件管理器模块都包含 2 个通用定时器、3 个比较单元、3 个采集

32、单元和 3 个正交编码的脉冲倍频电路。EVA 和 EVB 的 4 个 16 位通用定时器，可实现 6 对共 12 路互补PWM 输出，具有死区设置功能，保证了 IGBT 开关器件的可靠关断。下图是芯片的外围电路图。图17 DSP芯片外围电路结构图3.3有源滤波器的补偿电流控制方法目前电力有源滤波器的闭环控制策略中最常用的是PI控制，另外国内外的学者还对变结构控制，模糊控制和人工神经网控制等现代新型控制方法进行了研究。APF控制策略还包括开关器件的PWM脉冲信号的形成7。目前PWM生成方式的研究主要集中在载波比较法、滞环控制法、无差拍控制法和空间矢量法等方法上：(1)三角载波控制将电流实际值与参

33、考值之间的偏差经P I调制后与高频三角载波相比较,所得矩形脉冲作为逆变器开关元件的控制信号,从而在逆变器输出端获得所需波形。其优点是动态响应好,开关频率固定,实现简单,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。(2)滞环比较控制它的原理为:将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器中,通过比较器的输出来控制开关动作,使逆变器输出值实时跟踪补偿参考值。与三角载波控制相比,滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快、鲁棒性好、控制精度高等特点。其缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度均受滞环带宽影响。当带宽固定时,开关

34、频率会随补偿电流的变化而变化,从而引起较大的脉动电流和开关噪音。为了解决开关频率变化的问题,提出了基于电压矢量的滞环电流控制法8。(3)变结构控制变结构控制是一种控制系统的设计方法，适用于线线性及 HYPERLINK /view/1423768.htm t _blank 非线性系统。包括控制系统的调节，跟踪，自适应及不确定等系统。它具有一些优良特性，尤其是对加给系统的摄动和干扰有良好的自适应性。近年来，这种设计方法受到了国内外的广泛重视，得到了很快的发展。但变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感,具有很强的鲁棒性。本质上可视为带宽等于零的滞环比较控制,所以他同样存在开关频率高、变化范围大的缺点

35、。(4)无差拍控制与差拍控制无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术上发展起来的全数字化控制技术。他利用前一时刻补偿电流的参考值和实际值,计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下的逆变器电流输出值,然后选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是动态响应快且易于计算机执行,缺点是计算量大、对系统参数依赖性较大、鲁棒性差、瞬态响应的超调量大。(5)单周控制（又称积分复位控制）单周控制技术具有调制和控制的双重性,通过复位开关、积分器、触发电路及比较器达到跟踪指令信号的目的。其基本思想是控制开关占空比,在每个周期内强迫开关变量平均值与控制参考量相等或成比例。单

36、周控制能在一个周期内自动消除稳态、暂态误差,前一周期的误差不会带到下一周期。这种控制方法具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等优点。(6)空间矢量调制SVM ( Space Vector Modulation) 技术具有以下优点: 直流侧电压的利用率比SPWM 提高15%;采用不连续开关方式调制时,开关器件的损耗降低1 /3;调制方法便于数字实现。3.4驱动电路IGBT逆变器模块的控制需要 DSP 控制板发出 PWM 脉冲信号到三相桥臂的六个门极，控制其导通和关断。IGBT门极所需要的驱动电压为 15V，而 DSP 发出脉冲经 CPLD电压转换幅值在 5V 左右，所以需要

37、设置驱动电路进行升压和隔离处理。图18 脉冲信号驱动电路图采用 HCPL-4504 型号的 IPM 模块专用光耦芯片，具有高速、高共模抑制比，其延时小于 0.8s。图19 光耦隔离电路4有源电力滤波器的仿真MATLAB 是美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境，MATLAB是一个高度集成的系统，分为核心部分和各种工具箱两个部分。核心部分有数百个内部核心函数；Simulink工具箱作为MATLAB的一部分，为系统模块提供了一个可综合分析的集成环境。在该环境下，用户可通过拖拉和连接典型模块的方式就可以绘制系统电路，从而很容易就能构造出需要的连续系

38、统、非线性系统和离散系统模型。4.1 有源电力滤波器仿真模型的建立4.1.1 有源电力滤波器系统基于MATLAB的优点与有源电力滤波器的特点，本文采用Simulink的PowerSystems工具箱建立了非线性负载模型、谐波检测模型、控制算法模块、主电路模块。本文使用软件版本为matlab 2010a。谐波是由三相桥式整流电路这一非线性负载产生的，在实验中采用了两种抑制谐波的方法，一种是并联无功补偿电容器和LC滤波器，另一种是并联一个有源电力滤波器。目标是经过这两次滤波，使谐波电流的畸变率降到5%左右。下图所示为有源滤波器系统构成仿真模型图。图20 三相三线制并联型有源滤波器系统构成图带有很高

39、谐波分量的电流首先通过变压器进行第一次滤波；然后通过一组并联的RLC无源滤波器进行第二次滤波，这次滤波主要是滤掉三次和五次的谐波。然后由有源滤波器进行谐波补偿。4.1.2 非线性负载模型本文仿真系统中选择三相不可控整流桥为负载，因为在电力系统中，它应用非常广泛，是谐波污染非常严重的谐波源之一。完整的三相不可控桥式整流电路时由整流变压器以及 6 个桥式连接的功率二极管、负载、触发器和同步环节组成。下图所示为非线性负载仿真模块。图21 非线性负载仿真模型由于阻感负载的三相桥式整流电路主要产生五次谐波和七次谐波，为了模拟谐波的产生以及掌握对谐波电流的补偿原理，在低压端增加了三次谐波发生器。三次谐波发

40、生器的结构如下图所示。图22 三次谐波发生器仿真模型4.1.3 三相逆变及PWM波形发生模型 三相逆变电路通过控制IGBT的导通与关断来产生谐波电流的补偿电流。图23 三相逆变模型4.1.4辅助无源滤波器用两个三相单调谐滤波器并联，实现对两种频率的谐波的过滤，这两种谐波是影响最大的三次谐波与五次谐波。图24 单调谐无源滤波器模块根据所学的知识，这种无源滤波器是三阶的滤波器。三阶滤波器与二阶滤波器相比电感多串联了一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减小基波损耗，这是三阶滤波器的主要优点。我们可以通过设置电感、电阻以及电容的参数达到滤除三次谐波和五次谐波的目的。4.2有源电力滤波器有

41、源电力滤波器的模块如下图所示。这个模块的输入有三相的电压、三相电流还有滞环信号。图25 有源电力滤波器模块4.2.1谐波电流检测下面继续分解这个模块，可以看出有源电力滤波器的核心环节主要有两个，一个是谐波电流的检测环节，还有一个是谐波控制环节。再根据所学的有源电力滤波器结构的知识，谐波控制环节包括电流跟踪和主电路。图26 有源滤波器内部模块下面先看谐波电流检测环节，其具体结构如下所示（以A相为例）。图27 谐波电流检测左上角是一个锁相环电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这样就保持了频率和相

42、位的稳定。中间部分是谐波电流的检测方法。在这个实验中，有源电力滤波器的目的只是补偿谐波，则利用ip、iq方式，可以检测出负载电流iL中的谐波分量iLh，补偿电流的指令信号ic应与谐波分量iLh极性相反。若补偿电流ic和ic完全一致，则补偿后的电源电流与负载电流的基波分量完全相同。谐波提取算法仿真图如下。图28 谐波电流计算4.2.2 谐波电流跟踪控制图29 谐波控制模块上图左下方是电流跟踪控制电路。由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式，目前主要的方法有两种，即瞬时值比较方式和三角波比较方式。

43、本实验采用的是瞬时值比较方式。在该方式中，把补偿电流的指令信号ic与实际补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差c作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。滞环比较器的电路结构如下图所示。图30 滞环比较器4.3仿真结果以上就是有源电力滤波器的结构和原理。下面介绍这个仿真实验中滤波的效果。这次实验，我选取了四个节点B3、B2、B1、B7来说明滤波的效果。节点B3的电压和电流波形及傅里叶分析如下：（注：上面为电压波形，下面为电流波形，下同）图31 B3节点的电压电流波形及其傅里叶分析通过图10和图11可以看出，电网接入非线性负载和三次谐波发生器后，电流波形失真非常厉害，电流的畸变率达到了36.41%。主要的谐波为三次、五次和