学位论文--有源电力滤波器直流侧电压控制设计

PAGEPAGE1摘要有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置。通过向电网送入与原有谐波幅值相等、相位相反的电流，达到改善和提高电能质量的目的。这种技术能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗影响，具有响应快、可控性高、自适应性强等特点，克服了传统无源滤波的缺点，因而受到广泛的重视。最后根据实际装置的研制经验,系统地讲述了并联型APF直流侧电压的计算和电容的选取。有源电力滤波器直流稳压的实现其中列举了有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。关键词：有源电力滤波器(APF)，直流电压，模糊控制，直流侧电容，PI控制，MATLAB仿真ABSTRACTTheactiveelectricpowerwavefilteristhatonekindisusedfordevelopmentrestraintharmonicandimprovesthepowerfactornewmodelelectricpowerelectronicdevise.Sendinelectriccurrentoppositetotheoriginalharmonicamplitudeequality,phasebyfacinganelectrifiedwirenetting,achieveimproveandimproveelectricenergymass'spurpose.Thistechnologycancarryoutcompensationontheharmonicandidleworkthatfrequencyandamplitudeallchange,thepersoncompensatescharacteristicpropertynotacceptingelectrifiedwirenettingimpedanceeffect,strongfromadaptability,haveovercomepassivewavefilteringoftraditionshortcoming,haveacceptedbroadtakingseriouslyasaresult.Finaldevelopingaccordingtoactualdeviceexperiences,thedirect-currenthavinggivenanaccountofparalleltypeAPFsystematicallyinclinesthevoltagecalculationandthecapacitancechoice.Activeelectricpowerwavefilterdirect-currentstabilivoltrealizationhaslistedactiveelectricpowerwavefilterdirect-currentobliquetonescapacitancevoltagestabilityunderthecontrolofamongthem:Direct-currentobliquetonescapacitancevoltagecontrollingprinciple,blurredHcontrolsprinciple,mixedtypeactivewavefilterdirect-currentinclinesvoltagestabilityunderthecontrolof,paralleltypeelectricpoweractivewavefilterdirectcurrentholdsvoltage.KeyWords：Thewavefilter(APF),directcurrentcontrol,mixupactiveelectricpowerunderthecontrolof,direct-currentinclinescapacitance,PIcontrols,MATLABsimulates前言电力系统中的谐波问题并不是一个新的问题，早在20世纪20年代，在德国就已经提出静态整流器产生的波形畸变问题。1945年J.C.Read发表的关于变流器谐波的论文是最早对谐波问题进行研究的论文。到了五六十年代，随着高压直流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的论文。近年来，随着非线性负载，尤其是电力电子装置的大量使用，使谐波和无功功率大量进入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡等问题，影响电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。随着谐波危害的日趋严重，电力系统的谐波问题在世界范围内得到广泛关注。如何有效地抑制谐波注入电网是当前国际和国内的研究重点之一。各国学者提出了各种各样的方法，如无源LC滤波、电路的多重化、有源电力滤波等。其中最受推崇也是目前较实用的是有源电力滤波技术，本论文将对有源滤波的相关技术进行深入地研究。对与论文相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波问题及其危害、谐波的抑制技术和有源电力滤波器的国内外发展概况，表明了有源电力滤波器应用的重要性以及本文工作的意义。目录TOC\o"1-3"\f\h10120第一篇绪论 19059第一章引言 120810第一节谐波及其产生的原因 19181第二节高次谐波的危害 25440第三节主要谐波源 319445第二章抑制谐波 529871第一节无源滤波器 52977第二节有源电力滤波器 627735第三章研究现状 93779第四章研究内容和论文构成 1031302第一节主要研究内容 117702第二节研究路线 119102第二篇谐波电流检测技术 125279第一章引言 12111第二章检测谐测 1230122第三章离散傅立叶变换法 1319175第四章基于瞬时无功功率理论的检测方法 1620372第五章小结 182772第三篇有源电力滤波器直流稳压的实现 1914828第一章引言 195127第二章有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制 1929118第三章三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法 2128146第一节直流侧电压控制的基本原理 2227900第二节模糊H控制原理 2314815第三节模糊H控制的实现 2418015第四章注入式有源电力滤波器直流侧电压的剖析 255077第一节系统结构 2611584第二节系统分析 262955第三节电网电压对系统的影响 278496第五章混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制 2932290第一节直流侧电压波动原因及其稳定控制方法 3016217第二节仿真研究及实验结果 317802第四篇系统的建模与仿真 3322517第一章引言 3310587第二章系统模型 3329782第三章控制系统模块 3527600第一节直流侧电压控制模块 3531316第二节谐波电流检测模块 3713663第三节电流跟踪控制模块 3716423第四章仿真结果 3823816第一节直流侧电容电压仿真结果仿真结果 3815335第二节三相四线有源电力滤波器直流侧电压 4030512参考文献 415204经验总结 433038致谢 44第一篇绪论引言电力系统中的谐波问题并不是一个新的问题，早在20世纪20年代，在德国就已经提出静态整流器产生的波形畸变问题。1945年J.C.Read发表的关于变流器谐波的论文是最早对谐波问题进行研究的论文。到了五六十年代，随着高压直流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的论文。近年来，随着非线性负载，尤其是电力电子装置的大量使用，使谐波和无功功率大量进入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡等问题，影响电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。随着谐波危害的日趋严重，电力系统的谐波问题在世界范围内得到广泛关注。如何有效地抑制谐波注入电网是当前国际和国内的研究重点之一。各国学者提出了各种各样的方法，如无源LC滤波、电路的多重化、有源电力滤波等。其中最受推崇也是目前较实用的是有源电力滤波技术，本论文将对有源滤波的相关技术进行深入地研究。本章对与论文相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波问题及其危害、谐波的抑制技术和有源电力滤波器的国内外发展概况，表明了有源电力滤波器应用的重要性以及本文工作的意义。谐波及其产生的原因国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量。其频率为基波的整数倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称为高次谐波。除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以及其它非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和50Hz基波电压值以及供电网的阻抗几乎无关。因此，大多数谐波源可以视为恒流源，它们与50Hz基波不同，后者一般是恒压源。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下，它们本身不会造成电网电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动时(例如系统发生短路故障时、切合空载线路或空载投入变压器)以及超出其正常工作条件时(例如变压器运行在其额定工作电压以上)将可能增大其产生的谐波含量。高次谐波的危害随着电力电子技术的进步，非线性负荷的种类、数量和比重都迅速增加，谐波对电力系统的污染日益严重，它对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。调研谐波的具体影响和各种设备承受谐波的能力，是制定谐波标准和治理谐波措施的重要前提。国内外对谐波影响已做过许多研究与试验，发表了不少文献，对这一问题的研究提供了有益的参考。但因为谐波的变化有很大随机性，以及许多因谐波影响而发生的事故和设备的损坏是在事后发现的，因此国内外对谐波影响的认识和分析的精深程度，都很不够；不同国家和不同人员对某些谐波影响的分析结论也不一致。总之，这一问题值得深入研究。下面介绍谐波的影响。(1)谐波会引起谐振和谐波电流的放大。为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器，为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器，此外，为了滤出谐波，会装LC滤波器。工频时，电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会发生谐振，但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，常常使电容器和电抗器烧毁。日本的统计数据显示,电容器和与之串联的电抗器烧毁在谐波引起的事故中约占75%。(2)谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，影响电器设备正常工作。谐波对电机的主要影响是引起附加损耗，从而产生附加温升，当发电机中谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈机械振动并伴有强烈的噪音。(3)谐波电流流经变压器时，除引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热，谐波也使变压器噪声增大。(4)谐波会引起电缆浸渍绝缘的局部放电、介质损耗和温升增大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负荷下当电网电压温升上升而使谐波电压也升高时，电缆很容易出故障。(5)谐波对通信线路的干扰主要通过电容耦合、电磁感应和电气传导。话音的频率范围是500Hz～3KHz，在这范围内的谐波都会影响通话质量。(6)谐波电流在电网中流动会产生有功功率损耗，构成了电网线损的一部份，对电网的经济运行很不利。(7)谐波对电子设备的影响主要有：为减小损耗和电磁干扰，变流装置中的功率器件通常选择在电压或电流的过零点动作，谐波的存在影响了过零点的准确检测，影响了正确的开关动作。谐波对继电保护和电力测量的影响：谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作，引起事故。谐波会使电工测量仪表产生测量误差，影响计量及测量的准确性。非整数和超低频谐波影响了一些视听设备的视听效果。由于谐波电压而引起的电压峰值点的变化影响了电视机和计算机画面大小和明暗的变化。谐波引起计算机死机或程序运行不正常，从而导致自控设备误动作(8)谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会有影响，使测量仪表计量不准确，降低了测量数据的准确性和可靠性。主要谐波源谐波是由非线性元件和非线性负荷产生的，相对于系统而言可称其为谐波源。所谓非线性设备就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生非正弦电压的设备。作为谐波源，非线性设备可以被划分为如下几类[5]：(1)电力电子装置。电力电子装置近年来发展迅猛，是最严重的谐波源。它有单相和多相之分;从功能上看，有整流、逆变、交流调压和变频之分。大型的有达百万千瓦级的HDVC装置和大型铝厂的整流装置，小型的有电动机节能器、家用充电器和家用调光灯。影响面较大的单相换流装置用于工频交流电力机车。(2)电弧炉。通常所谓的电弧炉是指，用于钢铁冶炼的交流电弧炉。大型电弧炉的发展方向是采用更经济更有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电弧炉由整流器馈电，故应列入电力电子装置。铁合金矿石炉、电石炉和电弧炉虽都采用石墨电极来注入熔化电流，但用电特性有很大区别。(3)家用电器。例如日光灯、电视机、调速风扇、空调、电冰箱等。(4)高新技术应用的多种设备。例如电子计算机、敏感电子器件、功调器、激光切割设备、卫星传送器、核磁共振设备、节能灯(例如高压钠灯和其他气体放电灯)等。国外的经验表明，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。表1-1列出了1980年、1985年和1990年陕西省电网发电量和电气化铁道、电解铝的用电量的统计值。由表可以看出，这些非线性负荷用电量的年增长率远高于发电量年增长率。这是陕西电网的谐波问题，尤其是陕西各地区电网中的电气化铁道的谐波问题，在80年代以来迅速恶化的根源。表1-1陕西省电网发电量和电气化铁道、电解铝用电量的统计项目年电量(亿kWh)年增长率(％)1980198519901980～19851985～1990发电量79.1108.8149.76.586.59电气化铁道用电量2.5053.9375.6969.467.67电解铝用电量0.9920.9723.941-0.41表1-2列出了1980年、1985年和1990年我国全国的发电装机容量、发电量和电气化铁道长度及其用电量的统计值，同样表明了电气化铁道用电量的增长率远高于发电量的年增长率。与此相应，电气化铁道负荷较重的电网，自80年代以来，都尖锐地反映了电气化铁道谐波污染和危害问题。表1-2中国发电装机容量、发电量和电气化铁道长度及其用电量统计项目年统计值年增长率(％)1980198519901980～19851985～1990发电装机容量(万kW)60008495135007.29.71发电量(亿kWh)3006406061506.28.66电气化铁道长度(km)16674150.56940.820.010.83电气化铁道用电量(亿kWh)2.86712.95237.87135.224.94发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将迅猛增加。例如美国IEEE学会认为，伴随着当代一项重大的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现，其负荷在90年代后期的美国要上升到1992年的4～5倍。英国有学者认为，自60年代以来由于电力电子技术的发展，若不进行有效的谐波控制，在80年代末，英国的供电电压畸变率可能高达10％[7~8]。日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策委员会论述说：日本当前的重要谐波源依次是电力换流器(占谐波源总数的66％)、家用电器(占谐波源总数的23％)以及大型电弧炉。在高技术的电力电子领域中，换流装置占核心位置。在日本，从这种装置的15年销售量累计比例来推测，这种装置在2000年的普及率和增长率达到1987年的2.5倍。若按照合同电力的增长，估计日本到2000年，谐波电流和电力系统容量的比例要上升到1990年的2倍左右。很明显，随着我国改革开放和经济建设的发展，我国电网已经遭遇并面临发达国家当前的谐波局面，即谐波源随着高新技术的发展而猛增，电网电压畸变率也将上升。第二章抑制谐波消除谐波，应从产生谐波的装置即电力电子装置出发来研究解决的方法。消除谐波主要有两种途径[9]：主动型：从装置本身出发，设计不产生谐波的变流器；被动型：外加电力滤波器，比如在电力系统中加上LC滤波器，或加有源电力滤波器等。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。主动型的变流器谐波抑制方案主要有：多脉冲整流及准多脉冲整流，多电平变流技术，脉宽调制(PWM)技术等，主动型的谐波抑制代表了电力电子技术的发展方向。被动型的谐波抑制即安装电力滤波器是本文研究的重点。滤波器可分为无源滤波器和有源电力滤波器。无源滤波器对于谐波污染，目前主要采用电感和电容组成的无源谐振电路作为一定频率谐波电流、电压的通路，从而消除谐波的影响。当滤波器的固有频率(1-1)与某阶次谐波频率相等，即时，滤波器在该次谐波频率下的阻抗最低，大部分谐波电流注入滤波器，被滤波器吸收。因此无源滤波器可以设计成针对特定谐波阶次的滤波设备，如3次、5次、7次、11次谐波滤波器。当时，则滤波器对该次谐波来讲为容性负载，因此所有各阶次谐波的滤波器对基波来讲都呈容性，能够起到对基波的补偿作用。任何高一阶次的滤波器，对于低阶次谐波来讲都是容性负载，有放大低阶次谐波的作用，因此，电网中存在多阶次谐波并采用多个阶次的谐波滤波器时，投入和切除的顺序应为：先投入后切除低阶次谐波的滤波器，后投入先切除高阶次谐波的滤波器，避免投切过程中发生谐波放大。无源滤波器适用于负荷运行平稳，谐波频率大小确定功率因数不高等需要补偿的场所。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点。但存在以下难以克服的缺陷：滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次的谐波，谐振频率依赖于元件参数，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。滤波器依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，因而LC参数的设计比较困难。电网阻抗与LC可能产生串联谐振，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流。电网阻抗与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。对于变化范围较大的负载，谐振电路还存在过电流和过电压问题。体积大、损耗大。为了解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的是有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。第二节有源电力滤波器有源电力滤波器(APF:ActivePowerFilter)是属于柔性交流输电(FACTS)的新一代电力电子产品，利用了大功率电力电子器件(如IGBT、GTO)。有源电力滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1971年，日本H.Sasaki和T.Machida首次发表论文完整描述有源电力滤波器的基本原理[14]。1976年，美国的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出采用脉宽调制(PWM：PulseWidthModulation)控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型电力半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi[16]等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大的促进了有源电力滤波器的发展。图1-1为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路(谐波电流检测)和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。1-1有源电力滤波器系统构成的原理图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及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。当只补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流，两者相互抵消，使得电源电流中只含基波、不含谐波。上述原理可以用如下一组公式描述：(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)式中，为负载电流的基波分量。当在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：(1)适应功能，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，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。(3)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以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。但有源电力滤波器也存在价格昂贵、运行成本高和难以构成大容量补偿装置等缺点。无源滤波器和有源电力滤波器的工程造价与谐波要求关系如图1-2所示[17]。从图1-2可以看出，谐波标准越高，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源电力滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂度，硬件的造价基本不受影响。因此对于电能质量要求越来越严格的今天，采用有源电力滤波器作为谐波消除装置的优点越来越突出。造价造价无源滤波器有源电力滤波器谐波要求严格图1-2有源电力滤波器和无源电力滤波器性价比的对照第三章研究现状工业APF在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛应用[18]。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司、ABB公司等。在国外有源电力滤波器技术已经成熟，产品已批量生产。富士电机从1991年起即开发有源电力滤波器产品投入市场。1996年富士电机又生产出适用于小容量(MINI)的有源电力滤波器供应市场，受到各方好评。1998年又开发了上述MINI的上位机，即新型有源电力滤波器FUJIACT200/400系列。该系统所有电路与部件与通用变频器可以达到互换、单机容量可以从400kVA到最大。据介绍，自1982年以来，日本已有500多台有源滤波器投入市场。容量由50kVA到60MVA。有源滤波器的容量越来越宽，功能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可以补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。例如：将由5MVA的串联型APF和25MVA的并联型PPF组成的混合型滤波器安装于高速磁悬浮列车上，用于抑制谐波。由三个APF并联组成的48MVA并联型APF安装于向“子弹头”列车供电的某电站，用于补偿无功电流和负序电流，抑制电压闪变和三相电压不平衡。与国外的广泛应用相比，我国的APF的研究与应用远落后于国外，尚处于实验研究和理论研究阶段，这与我国目前谐波污染严重的状况很不适应。许多高校都对APF进行介绍、研究、研制和试验。西安交通大学已研制出120kVA的并联型有源滤波器的实验样机。哈尔滨工业大学电力电子研究所与其他单位合作完成了100kVA广义电力有源滤波器，株洲变流技术国家工程研究中心于2005年11月研制出10kV/260kVA的并联型有源滤波装置，并在怀化电力局肖家变电站正式投入使用。我国在有源电力滤波器方面研究起步较晚，目前还主要以理论研究和实验为主,今后加强引进发达国家技术,提高器件制造水平，发展适合我国电力系统标准的控制技术,研制开发低损耗、低价格、大容量的APF是加快在生产实际的应用,改善电能质量的有效途径。在有源电力滤波器的发展过程中，先进的检测方法和控制方法的提出和改进，一直是各国学者研究的一大热点。目前APF的控制方法主要有三角载波调制法、电流滞环控制法、无差拍控制法、电压空间矢量法等。其中三角载波调制法虽然最简单易行，但是跟踪误差大、调制带宽有限、无法滤除所有调制信号的脉动；电流滞环控制法的开关损耗小，动态响应快，具有很强的鲁棒性，但是开关频率不固定，容易引起脉电流和开关噪声；无差拍控制法[20]最显著的优点是能快速响应电流的突然变化，但是计算量大，造成延迟，且对系统参数依赖较大，影响整个系统的稳定性。电压空间矢量精确度高，但一般需要进行较为复杂的坐标转换。有源电力滤波器工作时等效于一个无功和谐波源，基于目前一些常用控制方法，在指令电流变化较大时补偿电流往往不能完全跟踪指令，从而在补偿后的主电流中有比较大的“尖峰”现象出现。滑模变结构控制(SlidingModeControl，SMC)对系统内摄动和外干扰具有完全鲁棒性，即系统的运动与摄动及干扰无关。由于滑模变结构控制具有快速性、鲁棒性、稳定性和对外界的干扰不敏感等特性从而使其适合于有源电力滤波器的控制。如何寻求一种跟踪能力强、稳态误差小的新的控制方法是各国学者努力的目标。第四章研究内容和论文构成有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置。通过向电网送入与原有谐波幅值相等、相位相反的电流，达到改善和提高电能质量的目的。这种技术能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗影响，具有响应快、可控性高、自适应性强等特点，克服了传统无源滤波的缺点，因而受到广泛的重视。最后根据实际装置的研制经验,系统地讲述了并联型APF直流侧电压的计算和电容的选取。重点介绍了有源电力滤波器直流稳压的实现，其中列举了有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。第一节主要研究内容有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。第二节研究路线研究采用了解析分析、仿真研究和实验研究三者紧密结合的方法，理论上充分利用已有的谐波特性分析及抑制策略的研究成果，高起点对有源电力滤波器的技术方案及控制系统设计问题展开分析、研究工作。通过解析分析获得定性和半定量的结论，并运用计算机仿真这一先进的研究手段进行辅助分析，从而获得了直观和感性的认识。依托株洲变流技术国家工程研究中心，建立了完整的实验系统，通过大量实验工作，实现了从理论到实践的全面、综合研究。第二篇谐波电流检测技术引言有源电力滤波器可分为两部分，即谐波电流检测(指令电流运算电路)和补偿电流发生。准确、实时地检测出电网中的谐波电流是有源电力滤波器进行精确补偿的关键。本章首先对近年来发展起来的谐波电流检测技术进行了概述，然后详细讨论了两种检测技术：傅立叶检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法，从理论上详细分析了它们的原理、优缺点，并用MATLAB进行了建模仿真，为后面的研究打下基础。检测谐测有源电力滤波器的检测方法经历了一个由频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。基波电流减去法该方法是早的谐波电流检测方法，它使用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中滤去，从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但这样的有源电力滤波器功能单一(只能消除高次谐波)，而且带阻滤波器是理想的模型，工程上不可能实现。这种方法多用于补偿效果要求不高的场合，已不能适应现代电力系统的需要。傅立叶检测法该方法的基础是傅立叶级数分析，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。由于傅立叶变化需要进行大量的运算，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时计算有困难，不适合实际控制。瞬时空间矢量法利用瞬时无功功率理论，检测出三相电压与负载电流，计算出瞬时实功率和瞬时虚功率，算出补偿电流。该方法的优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，系统频率特性不变，即使高次谐波增加，系统也不会过载，且不受电网参数和负载变化的影响；缺点是成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波电流次数较高时，需要较高的PWM控制开关频率。基于现代控制理论的方法最早应用的基于P-I控制器的方法，因P-I控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等现代控制方法，它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需的电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需的补偿电流的指令值。自适应检测法该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波有功分量，从而得到需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频偏及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢。基于神经网络检测法该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起来而形成的一种新型智能控制手段。人工神经网络以自学功能性强，进化算法和方向传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算，且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性负载的APF系统。具有一下优点：可以通过模拟电路实现，所以该方法简单而方便；该方法对负载具有自适应的特点；该方法克服了采用电子滤波的时延现象；该方法可以同时检测谐波、无功、基波负序和零序电流。但是目前出现的很多方法，例如基于现代控制理论、基于神经网络检测等方法，大多处于理论研究阶段，在实际中运用的很少。目前应用较广泛的谐波电流检测方法是频域中的快速傅立叶分解法(FFT)、时域的瞬时无功功率理论法。下面对这两种方法进行详细研究。离散傅立叶变换法离散傅立叶变换法在谐波检测与分析中早有应用。这种方法原理比较简单，将检测到的畸变电流(电压)进行傅立叶变换，得到各次谐波的幅值和相位，将欲消除的谐波分量进行傅立叶反变换，得到补偿参考信号。由于该方法是根据采集到的一个周期内的电流值进行计算，计算结果有一个周期的延时，且计算量大，实时性不好，因此在20世纪80年代，瞬时无功功率理论出现后就不再采用。但随着微计算机技术和数字信号处理(DSP)技术的迅猛发展，基于离散傅立叶变换的谐波电流检测方法再次引起人们的关注。按照前面关于谐波的定义，采用傅立叶分析，要完整地描述、获得电力系统中的电压或电流的谐波需要一个工频周期(对于50Hz的系统为20ms，对于60Hz的系统为16.67ms)的时间。因此如果严格按照谐波的定义检测谐波，然后采用有源滤波装置进行补偿，所需的响应时间至少在20～25ms以上。而由于很多非线性负荷对于谐波的反应时间小于10ms(如基于变流器的非线性负荷，响应时间可能小于5ms)，因此采用谐波定义方法计算谐波，再进行快速补偿，就不能很好地消除谐波对敏感负荷的影响。提出了一种用离散傅立叶变换DFT(DiscreteFourierTransform)实现特殊滤波器的瞬时谐波电流的检测方法。该滤波器在基频处的幅值无衰减，相位无延时，能将2次以上的谐波全部滤掉。根据滤波器冲激响应的特点得到了滤波算法的递推关系，大大地节约了计算量。以A相负载电流为例，因其为非正弦周期信号，则可表示为：(2-1)式中T为的周期，=0,1,2,…。一般满足狄里赫利条件，因此，它可展开为一个收敛的傅立叶级数，即(2-2)式中，(2-3)(2-4)(2-5)对负载电流进行离散采样，一个周期T内的采样个数取为N，则采样周期为＝T/N，设的N个采样值为[1]，[2]，…[N],与其对应的电源电压的幅值为1的正弦离散采样值为，，…，，由式(2-4)可得(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)式中，0，1，2，…，N-1。这是离散傅立叶变换的基本公式，求出基波和各次谐波有功电流幅值，再用负载电流减去基波有功电流，就可以求出需补偿的谐波和无功电流。从公式中可以看出，它要求从固定点的起始点开始，定义的一个周期内的N个采样数据同时参与计算，计算量和延时都非常大。在这里，我们采用移动窗口方法，即每采样得到一个新数据，则剔除一个时间最早的数据，将新数据与其它数据一起构成新的数据窗，进行傅立叶分析得到各次谐波。(2-10)(2-11)(2-12)式中为最新的采样数据点。用代替了，用代替了，淘汰了最老的数据，而最新的实时数据参与负载电流检测，大大加快了采样数据的更新速度，提高了系统跟踪电流变化的能力。但由于新的采样点逐步加入进行的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周期的测量，傅立叶分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以该方法存在一个周期的延时。图2-1傅立叶检测方法的MATLAB仿真模型图2-1为MATLAB仿真模型，输入信号LoadAC、LoadBC、LoadCC为a、b、c相的负载电流信号，输入信号经过zero-orderhold模块离散化后，进入S函数模块计算出谐波电流含量。傅立叶方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以有目的的选择，适用于各种情况。但缺点是这种方法由于需要对误差信号进行重构，运算较为复杂，故具有一定的延时，实时性较差；而且该方法是建立在傅立叶分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期性变化的，否则会带来较大的误差，所以限制了其使用的范围。基于瞬时无功功率理论的检测方法图2-2检测法的原理图1983年，Akagi等人提出了三相电路的瞬时无功功率理论，其基本思路是：将abc三相系统电压、电流转换成坐标系下的矢量，将电压电流矢量的点积定义为瞬时有功功率，电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，并由此导出瞬时有功、无功电流。很多学者运用该理论对谐波电流检测。在此，我们以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算(有功电流)、(无功电流)为出发点即可以得出三相电路谐波和无功电流检测方法，称为方式。方式用一个锁相环PLL和一个正、余弦发生电路得到与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号。将谐波和无功分量反极性后即可作为补偿电流的指令信号。指令电流运算电路原理如图2-2所示。图中、、为负载电流的瞬时值，为电源相电压，LPF为低通滤波器。把三相电路各相负载电流的瞬时值、、变换到两相正交的坐标系上＝(2-13)式中，＝(2-14)在图2-3所示的平面上，矢量、可以合成为电流矢量：(2-15)式中，为矢量的模。、分别为矢量、的幅角。图2-3坐标系中的电压、电流矢量三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量在矢量及其法线上的投影。即＝(2-16)式中，(2-17)根据式(2-16)计算出、，经低通滤波器LPF滤波后得出直流分量和，将和反变换可得到负载电流的基波分量。用负载电流减去其基波分量就可得到负载电流中的谐波分量，该谐波分量反极性后即作为补偿电流的指令电流信号。即(2-18a)(2-18b)(2-18c)式中，、、为a、b、c三相电流；、、为a、b、c三相的谐波电流；、、为a、b、c三相基波电流。图2-4采用检测法的仿真模型仿真模型如图2-6所示，输入为LoadAC、LoadBC、LoadCC为a、b、c相的负载电流信号，采用瞬时无功功率理论可以只对单次谐波进行补偿，也可以全补偿。小结通过前面的理论分析及仿真，我们发现傅立叶方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，可以对单次或多次谐波进行补偿，但是运算较为复杂，具有一定的时延，用MATLAB进行仿真时，仿真过程比较慢，但是如果用DSP实现的话，效果还是比较好的；基于瞬时无功的检测方法，能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，也可以对单次或多次谐波进行补偿，且运算相对傅立叶方法来说要简单很多，用MATLAB仿真时，仿真过程明显加快，后面的研究中我们采用基于瞬时无功的法检测谐波。第三篇有源电力滤波器直流稳压的实现引言在现代工业企业和家用电器中,非线性电力负荷在大量增加,对供电质量造成严重的污染。另一方面,现代工业、商业及居民用户对供电质量提出了更高的要求。有源电力滤波器(APF)具有高度可控和快速响应的特性,它不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,有一机多能的特点。其滤波特性不受系统阻抗的影响,同时还具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化的谐波。近年来,有源电力滤波器作为提高电力系统稳定性、改善供电质量的一项关键技术得到广泛的重视并取得了很大发展。本文根据对实际装置的研制经验,详细讨论了直流侧电压的相关问题。第二章有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制有源电力滤波器的作用是使电源侧电流与电源电压同相并保持或接近正弦波形.在稳态情况下,对于一个无损耗的有源电力滤波系统,电源提供的功率必须等于负载消耗的功率,因此,变流器直流电容的平均电压将保持为一定值.当功率不平衡时,如负载发生变化,变流器的直流电容将提供电源与负载间的功率差,这将导致直流电容的平均电压发生变化.如果系统电源提供的功率低于负载需要的功率。那么直流电容的平均电压将降低,此时就需要提高系统电流的幅值以增加系统电源提供的有功功率;反之,直流电容的平均电压将升高,此时,需要减小系统电流的幅值以降低系统提供的功率.直流侧电容的平均电压的变化能够反映出主电路与负载间功率的转换情况.因此,期望的电源侧电流幅值可以通过调整直流侧电容电压获得.器传输的瞬时有功功率为Pf,则在电源、负载和有源电力滤波器的公共交点处,电网中瞬时能量的传输关系应满足:因此,它们的平均值Ps、Pl和Pf之间应满足同样的关系,即:如果忽略有源电力滤波器本身的损耗,则根据瞬时能量守恒,可得如下关系:式中,C为直流侧电容,Udc为直流侧电容电压.由式(3)可计算出有源电力滤波器传输的瞬时有功功率的平均值Pf,即式中,T代表一个开关周期,Udc(0)、Udc(T)分别是t=0和t=T时的直流侧电容电压,!Udc2是t=T与t=0时的直流侧电容电压的平方差.综合式(2)和式(4),有又因为电源侧的平均功率为:式中,Us、Is分别是系统电源侧电压、电流的幅值.因此,综合式(5)和式(6),得到Is和!Udc2的关系式:式(8)表明,如果Is不等于2Pl/Us,则直流侧电容电压将会有波动;式(7)指出,Is可以由直流侧电容电压Udc的变化量!Udc确定.为使有源电力滤波器正常工作,达到预期的补偿效果,直流侧必须有足够高的电容电压Udc并保持稳定,以保证在动态补偿的任何瞬间都能根据控制要求输出所需的补偿电流;但由于补偿电流的时变性和变流器的自身损耗,如不采取适当的控制措施,直流侧电容电压Udc将发生衰减或很大的波动,造成变流器不能正常运行.根据式(7)和式(8),可采用PI控制器将直流侧电容电压维持在要求的水平,具体做法是将电容电压Udc与设定的电压参考值Uref进行比较,并将比较结果送入PI控制器,PI控制器的输出就是电源侧电流期望的幅值Is,也即负载侧电流基波有功分量的幅值。第三章三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法针对传统直流侧电压控制方法存在超调量和静差较大的问题，提出了模糊PI控制方法，该方法根据直流侧电压的变化情况，采用模糊控制规则对PI控制参数的初始值进行自动调整，使其在任意时刻都能采用最适合的PI控制参数。与传统直流侧电压控制方法相比较，该控制方法具有超调小、响应速度快、静差较小的特点。仿真结果验证了该方法的正确性。有源电力滤波器(APF)是一种新型的谐波抑制和无功补偿的电力电子装置。它由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路4部分组成，其中直流侧电容用于为逆变器主电路提供稳定的直流电压。若直流侧电容电压不能保持稳定，则脉宽调制(<PWM)驱动电路无法产生正确的开关信号，谐波补偿效果势必受到影响。若直流侧电压波动较大，就可能出现过补偿或欠补偿，其中欠补偿使得补偿的精度降低，过补偿使得APF的干扰性谐波电流增加。因此，对直流侧电容电压进行控制，使其保持稳定，对于APF的补偿效果具有重要意义。影响直流侧电容电压的因素主要是:首先，逆变器工作时会产生能量损耗引起直流侧电压降低;其次，三相四线制系统中的负序电流和系统电压在直流侧产生的能量脉动也可使直流电压波动;如果系统中存在不同次的谐波电压和谐波电流，它们的相互作用将与电容产生能量交换，从而使得直流侧电压发生波动;此外，由于三相四线制系统存在中线以及中线电流，直流侧电压的波动对中线电流也有影响，因此，直流侧电压的控制显得更为重要。第一节直流侧电压控制的基本原理通常采用的直流侧电压控制的基本原理是:根据直流侧电容电压的实际测量值Ud。与基准值Uset之差，通过一种电压控制方法得到调节结果IP，将此调节结果叠加到瞬时有功电流的直流分量上，补偿电流生成电路产生与其相应的补偿电流1,进人系统，使得API'的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使APF的直流侧与交流侧产生能量交换，将Ua}调节到基准值。根据直流侧电压控制的基本原理，在三相四线制系统中可以采用简单的PI控制方法来实现直流侧电容电压的控制，它与三相三线制系统中直流侧电压控制的PI控制方法并无区别。简单PI控制能对直流侧电压起到有效的控制作用，但其缺点是导致被控系统呈现严重的非线性，具有较大的超调量和静差，响应速度也较慢;同时，PI控制参数选择困难且适应的区域较小。针对简单PI控制的缺点，提出了一种———能量PI控制，即利用APF直流侧电容的能量偏差作为电压控制的输人量。式中:C为逆变器直流侧电容值;。为系统接人点基波电压合成矢量的幅值;，为直流侧电容器的充电时间。其控制方法原理如图3-3能量PI控制方法实质上是将原来非线性较强的控制系统进行线性化，减少了被控系统非线性因素的影响;同时，这种方法可以按照需要整定PI控制器的参数，扩大了PI控制对于系统运行状态变化的适应范围。随后的仿真也表明，在三相四线制系。第二节模糊H控制原理模糊控制方法用于被控过程没有数学模型或很难建立数学模型的工业过程。模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性系统控制的一种有效途径。模糊PI控制是一种基于模糊理论的PI控制方法，它的基本原理是根据直流侧电容电压的实时变化情况，采用模糊控制器来对PI控制参数的初始值进行自动调整，使其在任意时刻都能采用最适合的PI控制参数，能有效地提高直流侧电容电压的控制效果。第三节模糊H控制的实现利用MATLAB的模糊控制工具箱(fuzzylogictoolbox)即可实现模糊PI控制首先，选定模糊输人量和输出量。本文所设计的模糊控制器采用两输人两输出系统，两输人分别是电容电压与参考电压的差值及其变化量△Ud。和，两输出分别是PI控制的两个参数K和KI的修正值△KP和△KI。输人量和输出量的模糊取值{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，其中NB为最大负值NM为中间负值，NS为最小负值，ZR为零,PB为最大正值,PM为正中间值PS为最小正值。其次，确定模糊控制规则。根据PI控制参数KP和KI对系统输出特性的影响，制定合理的△KP和△KI的模糊控制规最后，确定模糊推理和去模糊化的方法。本文的模糊推理方法采用最大一最小法，即总条件的满足度由子条件的隶属函数的最小值求出，而总的模糊关系是各模糊关系的累加;去模糊化方法采用面积重心法得到模糊控制器的两个输出量。模糊控制的两个输出量△KP和△KI分别对PI控制参数KP和KI，的初始值进行调整，即实现了模糊PI控制对直流侧电压进行控制的目的。第四章注入式有源电力滤波器直流侧电压的剖析针对现在有源电力滤波器应用要求,提出了一种新型的注入式混合有源电力滤波器拓扑结构,这种新型有源电力滤波器能补偿一定的无功,注入电路采用基波谐振的方法大大降低了有源滤波器的容量,使其适用于高压系统中。在分析系统的滤波原理的基础上建立了系统的数学模型。在考虑系统参数的选择上,分析了系统的动态过程,建立了电网电压与有源滤波器直流侧电压微分方程的关系。通过仿真实验验证了系统模型与参数选择的有效性。随着有源电力滤波器的应用越来越广泛,有源滤波器的容量要求也越来越大,而且还要适应在高压系统中应用,大功率混合型有源电力滤波器]的新型结构在主电路结构上采用了新颖的注入方式,APF仍起谐波补偿的目的,PF分担大部分谐波和无功补偿,最大限度地减少了有源滤波器的容量。而且注入支路中基波谐振电路使有源滤波器APF承担极小的基波电压,即使在6~10kV系统中,有源滤波器承担的基波电压也在100V以下。虽然大功率混合型有源电力滤波器能够在高压系统中使用,由于高压系统电压高,其稍有变化,对于有源滤波器的直流侧电压的影响都是非常大的,因此本文分析了电网电压对有源滤波器直流侧电压影响的机理。第一节系统结构电网电压对混合型有源滤波器的影响。这种结构主要是让C2和L2构成基波谐振,C3承担电网电压,这样就减小了有源滤波器承担的基波电压和电流。系统注入支路中,由于C2和L2构成基波谐振,C3就相当于补偿无功的电容器[5-6],因此系统补偿无功的容量也是由C3确定的。第二节系统分析系统单相电路如图3-7所示。L0是输出滤波阻抗在变压器副边的等效值,Us是电网电压,IL是将非线性负载等效的电流源。U0是在变压器副边等效的逆变器输出电压,I0是逆变器输出到电网的谐波电流。根据电路图可以得到系统控制模型Uo作为控制量,系统传递函数为因此在选择C2、L2和C3时,要考虑系统输出的要求,根据系统传递函数可以得到系统幅频特性和相频特性,来调整C2、L2和C3的取值。第三节电网电压对系统的影响本文考虑三相对称电源,因此只分析单相电路。因为C2和L2构成基波谐振电路,R为电感L2的内阻,因为有源部分的C1,L1以及逆变器对变压器电网侧分压基本没影响,本文不予考虑。当电压闪变时,相当于系统的零状态响应。系统电压方程为:式(4)两边求导,并将式(5)(6)(7)代入其中可以得到:系统是一个二阶系统。根据系统方程可以得微分方程的特征方程:由于L2和C2构成基波谐振电路,所以:式中ω0为基波的角频率。根据一般工程应用可知:电感的内阻R很小,可以得到:4L2-R2C2=4-(Rω0C2)2ω20C2>0即:Δ<0设δ=R2L2,ω2=1L2C2+1L2C3-(R2L2)2因此可以解得:根据上述公式可知,基波谐振支路的分压是一个衰减振荡过程,对于电力开关元件IGBT来说,由于续流二极管的原因,相当于向直流侧电容充电。由此可知,C3越大,电网电压反馈到逆变器导致直流电容的电压越大,因此在选择C3上,特别是在高压系统中,要考虑到逆变器开关器件所承受的电压,以免由于电压的闪变导致逆变器的过压而损坏开关器件。第五章混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制分析了一种并联混合型有源滤波器系统中直流侧电压波动的原因，针对直流侧电压的波动对系统性能影响，提出了采用模糊一Pl控制器来保证直流侧电压的稳定以提高系统整体性能的方法，并给出了具体获得系统参考信号的实现方法。这种控制直流侧电压稳定的方法有较强的处理非线性和不确定性过程的能力，且算法简单，不需要增加复杂硬件，是一种经济的解决措施。实验结果证明了该方法的有效性。有源电力滤波器的工作性能，很大程度上取决于对谐波电流以及基波无功电流的高精度、实时的检测。基于瞬时无功功率理论的，算法可以检测电网中的负序和谐波电流、基波正序有功电流、基波正序无功电流，以及广义无功电流，且准确性不受电网电压畸变或不对称的影响，所以本系统采用。算法对补偿电流进行检测，实现框图。正余弦函数Sinwt、cos采用锁相环加正余弦函数发生器的方法，从而自动实时跟踪电网频率，根据定义计算出和后，经低通滤波器得到直流分量，其中几对应于基波正序有功电流，对其进行反变换后所得再与电网电流信号相减便得到电网中的谐波其中，低通滤波器应保证对直流分量的增益为并尽可能地衰减交流分量，此外，为了不使低通滤波算法过于复杂，LPF的维数不应太高，系统选用维数不需太高即可满足指标的nR滤波器。第一节直流侧电压波动原因及其稳定控制方法直流侧电压常因以下原因出现大幅度波动:①滤波器和电网之间大容量的无功交换;②负序电流和系统电压在直流侧产生能量脉动，使得直流电压波动;③逆变器开关损耗引起直流侧电压降低。直流侧电压的波动将会引起逆变器产生的补偿电流的变化，从而影响滤波器的补偿性能。模糊控制器的作用是通过计算机，根据精确量转化而来的模糊作为输人信息，按照语言控制规则进行模糊推理，给出模糊输出判决，再将其转化为精确量，对受控对象进行控制。其算法简单，且不必知道受控对象的精确数学模型，具有较好的动态性能。针对并联型混合有源滤波器直流侧电压波动产生的原因，采用模糊一Pl控制方法，通过算法检测滤波器支路的基波电流，使有源滤波器产生与基波电流方向相同或相反的基波电压，控制有源滤波器从电网吸收或向电网释放有功功率，从而达到控制直流侧电压稳定的作用。有源滤波器产生基波电压的大小通过直流侧电容电压的实际值偏离设定值误差的大小决定。采用模糊一Pl控制器结合电流源谐波电流跟踪控制算法获得系统参考信号的控制原理。为给定直流侧电压为实际电容电压为直流侧电压的脉动值为电网中谐波电流为滤波器支路的电流为滤波器支路的基波电流。综合电网残余谐波电流和电网背景谐波电压的补偿，以及直流侧电容电压的稳定控制，有源滤波器的控制参考信号为根据两端口网络的能量守恒定律，忽略逆变桥的开关损耗，它从交流侧吸收或释放的能量应等于它向直流侧电容充电或放电的能量，则应有:式中:分别为逆变器交流侧和直流侧的功率为有源部分藕合变压器的变比为三相滤波器支路基波电流的有效值;化简式3当瞬时实际电流鉴其均方根值时，在Ts内将电容电压提高或降低时，三相逆变器产生大小不同的基波电压，需有不同的凡值，采用模糊控制算法通过模糊推理来确定当前采样周期的凡值，取为模糊输人。采用上述方法实现凡的在线自适应调整，有利于直流侧电容电压的稳定控制，可避免电容电压的超调现象。第二节仿真研究及实验结果研制了一套并联型混合有源滤波器实验装置，直流侧电压波形如图3-12所示。无源滤波器的设计同时兼顾单次谐波消除和无功补偿两个方面，逆变。强电与弱电分离，将电源电路和放大电路分为两块印制版制作，以避免强电信号对弱电信号的干扰;另外，采用屏蔽技术，利用金属材料制成容器，将电路包在其中，这样可以防止电场或磁场的藕合干扰。软件方面采用去极值平均滤波川，连续采样n次后累加求和，同时找出其中的最大值和最小值，再从累加和中减去最大值和最小值，按(n一2)个采样值求平均，可得到有效采样值，我们在设计时n取13，先排序，剔除首值与尾值，再求平均。此外，设计时使用了指令冗余和软件陷阱技术。第四篇系统的建模与仿真第一章引言随着电子计算机技术的进步，仿真技术有了突飞猛进的发展。仿真计算软件己成为电力科研工作者进行系统规划，设计确定运行方式，进行事故分析，开发保护和自动装置等工作的重要工具。应用MATLAB语言，特别是Simulink模块，简化了设计过程及步骤，使进行系统设计和系统仿真变得简单易行。在本章中，我们将采用第二章介绍的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术，以及第三章介绍的基于滑模变结构的控制方法，对在第四章中我们设计的有源电力滤波器进行仿真验证。系统模型图4-1系统模型系统仿真模型如图4-1所示，它是由电源、等效的电源阻抗、负载、APF模块、控制模块以及数据采样模块组成。其中APF模块模型如图4-2所示，它是由IGBT逆变器模块、直流侧稳压电容、连接电抗器、输出滤波器、耦合变压器、电流检测单元等组成。系统的工作原理在前面几章中已经详细介绍过，在此就不再赘述。图4-2APF模块各部分参数我们采用第四章中设计的参数：电源三相对称交流线电压为6KV，频率为50Hz，电源阻抗等效为0.516mH主电路直流侧稳压电容在确定了有源电力滤波器的补偿方式和补偿范围后，也就确定了的变化范围，以及允许的波动范围，按此原则即可确定电容器的电容量为：=3200有源电力滤波器主电路交流侧连接电抗器适当的选择电感L的值，可以减少由于IGBT开关动作引起的高频分量电流，选择电感值为：L=0.4mH耦合变压器耦合变压器的变比为6KV/900V,容量为400KVA。逆变器输出滤波器(a)电容：5μf，容量84kvar；电感：1.2mH，容量70kvar(b)电容：50μf，容量18kvar；电阻：5.67第三章控制系统模块图4-3控制系统模块控制系统模块是由谐波电流检测、直流侧电压控制、电流跟踪控制等模块组成。其工作原理如图4-3所示。谐波电流检测我们采用第二章中介绍的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法；电流跟踪控制技术我们采用第三章中提出的基于滑模变结构的电流跟踪控制方法；有源电力滤波器的控制问题中还有一个很重要的部分，就是要保持直流侧电容电压的稳定，下面对该问题进行研究。第一节直流侧电压控制模块对于并联型有源电力滤波器系统而言，电网主要给负载提供能量，同时提供一小部分能量给逆变器以补偿其能量的消耗。其能量流动的关系反映在各部分的有功功率上，如图4-4所示：图4-4并联型有源电力滤波器的能量流动分配图系统正常工作必须保证等于与之和。当负载一定，若过大，逆变器吸收的能量超过其自身消耗的能量，则剩余的能量只能存储于直流电容器，这将导致逆变器直流侧电容电压升高，若电容电压过高则有可能毁坏系统；若过小，逆变器吸收的能量小于其自身消耗的能量，则不足的能量由直流电容器提供，将导致电容电压下降，逆变器无法正常工作。为了保证主电路有良好的补偿电流跟随特性，直流侧电压必须大于电网线电压峰值，方能实现电流可控，因此必须将变流器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。图4-5直流侧电压的PI控制原理直流侧电容电压控制采用传统的PI控制方法，如图4-5所示，是的给定值，是实测值，两者之差经PI调节器后得到调解信号，即=PI控制器各环节的控制作用如下:(1)比例环节：为比例系数，它决定了响应力度，成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差信号一旦产生，控制器立即产生控制信号，以减少偏差；(2)积分环节：为积分系数，它决定了消除残留误差的能力。主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分控制作用的强弱，决定于积分时间常数，越大积分作用越强，反之积分作用越弱。将叠加到瞬时有功电流的直流分量上，这样经运算在指令信号中就包含了一定的基波有功电流。补偿电流发生电路根据指令电流信号产生补偿电流注入电网，使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将直流侧电压调至给定值。仿真模型如下图所示：图4-6直流侧电压控制仿真模型Loaduc为实测的直流侧电容电压，它与给定值1800比较，然后经过PI调解后，得到一个调解电流Loadui，此电流与电流检测模块测得的电流一起进入谐波电流检测模块，叠加到瞬时有功电流的直流分量上。第二节谐波电流检测模块图4-7谐波电流检测模块与前面图的仿真模块稍有不同，的仿真模型中，采用了一个理想的直流电源来代替在直流侧电容，因此图中没有对直流侧的电压进行调节。而我们现在采用的实际的仿真模型中，直流侧是用一个电容来实现稳压的，正如节中所讲述的，需要对这个电压进行调节，那么这里谐波电流检模块就有4个输入：a、b、c相的负载电流信号LoadAC、LoadBC、LoadCC，还有一个信号就是直流侧电压的调节电流信号Loadui。此电流将叠加到瞬时有功电流的直流分量。第三节电流跟踪控制模块电流跟踪控制我们采用了第三章介绍的基于滑模变结构的控制方法，模块的仿真模型如图3-9所示，因为我们采用的的耦合变压器变比为6KV/900V，所以我们需要把逆变器实际输出的电流折算到负载侧，因此要把逆变器输出电流ControlledAC、ControlledBC、ControlledBC乘以一个折算系数0.15，然后再与电流检测单元计算出的谐波电流进行比较。采用滑模变结构控制的原理，在第三中已经详细介绍，在此不再赘述。第四章仿真结果采用PI控制器进行电压控制仿真实验,实验时三相整流桥直流侧接阻感性负载,在0.03s和0.14s,直流侧负载发生变化.图2给出了变流器直流侧电容电压调整的仿真结果.当负载减小时,负载所需的有功功率减少,电源提供的多余有功功率由变流器直流侧电容吸收,因此直侧电容的平均电压升高.此时,电源侧电流的幅值将降低,电源提供的有功功率也将减少.第一节直流侧电容电压仿真结果仿真结果图4-8直流侧电容电压波形图4-9直流侧电容电压与给定值比较后的值从图4-8可以看出直流侧电容电压稳定在1800V，而从图4-9可以看出直流侧电容电压与给定值比较后的值稳定在0V，直流侧电压的稳定效果良好图4-10APF输出电流波形图4-11负载电流波形图图4-12滤波后电源电流波形图4-13负载侧电流波形的FFT分析图4-14滤波后电源电流波形的FFT分析经过PI控制器一段时间的调整,变流器直流侧电容电压恢复并保持在参考电压值,电源侧电流也稳定在指定值,说明电源提供的有功功率与负载需求的有功功率趋于一致.当负载增加时,直流侧电容提供负载额外需要的有功功率,直流侧电容电压降低,经过一段时间调整,又恢复并稳定在参考电压值。仿真结果表明