基于DSP控制的并聯(lián)型電力有源濾波器的設(shè)計(jì)與研究

基于 制的并聯(lián)型電力有源濾波器的設(shè)計(jì)和研究 摘 要 電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，一方面給電能的變換和應(yīng)用帶來(lái)了方便，另一方面又給電力系統(tǒng)帶來(lái)了較嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，如諧波污染、無(wú)功問(wèn)題、電壓波動(dòng)及不平衡等。有源電力濾波器 (公認(rèn)為是治理電網(wǎng)諧波及無(wú)功污染、改善電能質(zhì)量最有效的手段，已成為電力電子技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)比較新的研究熱點(diǎn)。但是 國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到成熟階段，與無(wú)源濾波器相比， 在實(shí)際應(yīng)用中仍然居于次要地位， 有很多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究和完善。為此，本文設(shè)計(jì)了容量為 50有源濾波器并對(duì)其電流檢測(cè)檢測(cè)、控制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，這些研究工作對(duì)于 早日工業(yè)化推廣應(yīng)用具有重大的意義。 本文対 50聯(lián)型 主電路及其外圍電路進(jìn)行了深入的研究。詳細(xì)討論了主電路開(kāi)關(guān)器件的選擇、緩沖電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)；并且采用理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，給出了直流母線電壓的取值、直流母線電容量的選擇以及交流側(cè)輸出電感值的選擇方法。并根據(jù)上述分析方法的出了 50聯(lián)型 主電路具體器件選型及外圍電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)。 本文還討論了 50聯(lián)型 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 采用了基于 并對(duì)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。 硬件電路中采用定時(shí)器控制死區(qū)、 統(tǒng)一邏輯硬件保護(hù)以及利用 485 總線傳輸觸發(fā)脈沖信號(hào)使得系統(tǒng)的安全性和可靠性大大提升，同時(shí)利用 富的接口功能擴(kuò)展了鍵盤、液晶、 線等使得控制系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中， 針對(duì)電流檢測(cè)采用了一種基于滑窗迭代的實(shí)時(shí)傅立葉變化的電流檢測(cè)方法，該算法軟件實(shí)現(xiàn)十分方便，計(jì)算量很小，使用范圍廣，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的一致性， 并針對(duì)直流側(cè)電壓設(shè)計(jì)了單周期控制的控制策略。軟件算法的計(jì)算周期為 100得 有良好的動(dòng)態(tài)特性。 最后在 50聯(lián)型 驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并給出了典型的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)和波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文上述工作的正確性。 關(guān)鍵詞： 諧波，有源電力濾波器， 窗迭代，單周期控制 F N he of on on to in as or a in to as PF in to in in in on is of to 0PFs of of C DC C of of of 0PF to In of of PF is of SP( of is up 0PF in 目 錄 第一章 緒論 .力系統(tǒng)諧波問(wèn)題研究概述 . 諧波產(chǎn)生的原因 . 諧波的危害及質(zhì)量意義 . 電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn) .波的抑制方法 .源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 . 分類 . 電流檢測(cè)方法 . 電流控制方法 .文所做的工作及意義 .二章 有源電力濾波器主電路的研究 .電路功率開(kāi)關(guān)器件及其外圍電路的選擇 . 主電路功率開(kāi)關(guān)器件的選擇 . 緩沖電路 . 驅(qū)動(dòng)電路 .流母線電容的設(shè)計(jì) . 直流母線電壓的選擇 . 直流母線電容量的選擇 .流側(cè)輸出電感設(shè)計(jì) .0聯(lián)型有源電力濾波器主電路參數(shù)設(shè)計(jì) .章小結(jié) .三章 有源濾波器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .功能模塊整體設(shè)計(jì) .感器模塊 .號(hào)轉(zhuǎn)換和調(diào)理模塊 .動(dòng)模塊 .護(hù)模塊 . 死區(qū)控制電路 . 統(tǒng)一保護(hù)邏輯的設(shè)計(jì) .信及外圍模塊 .源的設(shè)計(jì) .章小節(jié) .四章 有源濾波器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .程序流程 .時(shí)傅立葉變換 .流側(cè)電壓控制 .令電流的計(jì)算 .章小結(jié) .五章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .驗(yàn)系統(tǒng)組成 .驗(yàn)波形 .章小結(jié) .六章 結(jié)論 .考文獻(xiàn) . 謝 .讀碩士學(xué)位期間發(fā)表論文 . 1 頁(yè) 第一章 緒論 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加。各種非線性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開(kāi)關(guān)電源大規(guī)模的應(yīng)用，其負(fù)面效應(yīng)也日益明顯。電力電子裝置的開(kāi)關(guān)動(dòng)作向電網(wǎng)中注入了大量的諧波和次諧波分量，導(dǎo)致了交流電網(wǎng)中電壓和電流波形的嚴(yán)重失真， 從而代替了傳統(tǒng)的變壓器等鐵磁材料的非線性裝置引起的諧波，成為最主要的諧波源。同時(shí)辦公自動(dòng)化和家用電器的日益普及，民用和商業(yè)用電在城市中的比例日益增大，并且工作同時(shí)性強(qiáng)，所以逐漸成為配電網(wǎng)諧波污染的主要來(lái)源。電能質(zhì)量的下降嚴(yán)重影響著供、用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，降低了人們的生活質(zhì)量。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備的燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤操作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實(shí)施“綠色電力電子”的呼聲日益高漲。對(duì)于電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一，對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染的治理也已成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問(wèn)題。 力系統(tǒng)諧波問(wèn)題研究概述 “諧波”一詞起源于聲學(xué)，在聲學(xué)中表示一根弦或一個(gè)空氣柱以基波頻率的倍數(shù)頻率振動(dòng)，電氣信號(hào)中的諧波定義也是如此。 在理想的交流供電系統(tǒng)中，電源以單一恒定的頻率 (我國(guó)是 50規(guī)定幅值的電壓、完整的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點(diǎn)的電壓和電流彼此之間僅存在幅值和相位的差異。 但隨著各種電力電子變流裝置和非線性負(fù)載的比重不斷增加，引起電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形產(chǎn)生了畸變。從頻域的角度來(lái)看，在這些畸變的電流和電壓波形中，不僅包含了與供電電源同頻率的正弦量，而且出現(xiàn)了一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦分量，這一系列的正弦分量統(tǒng)稱為諧波。在國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn) (國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 (文獻(xiàn)中定義： “諧波分量為周第 2 頁(yè) 期量的傅立葉級(jí)數(shù)中大于 1 的 h 次分量” 。 我國(guó)對(duì)諧波1研究起步于上世紀(jì) 80 年代，在 90 年代有了長(zhǎng)足的發(fā)展，與國(guó)外研究水平的差距正在不斷縮小。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)期刊和有關(guān)會(huì)議上發(fā)表的諧波相關(guān)問(wèn)題的研究論文也非常多，諧波問(wèn)題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。 波產(chǎn)生的原因 引起波形畸變的諧波源6多種多樣的，在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都有可能會(huì)產(chǎn)生諧波。一般情況下，電網(wǎng)中的諧波主要來(lái)自以下3 個(gè)方面： 一是供電電源本身產(chǎn)生諧波； 二是輸配電系統(tǒng)中的相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波占的比重最大。 發(fā)電機(jī)是公共電網(wǎng)中的電源。當(dāng)在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組中通以直流電流，并在磁極作用下產(chǎn)生按正弦分布的磁場(chǎng)時(shí)，定子繞組中將感應(yīng)出標(biāo)準(zhǔn)的正弦電動(dòng)勢(shì)。但這只是理想的情況，在實(shí)際的發(fā)電機(jī)中，由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱、鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致以及其它一些原因，定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不可能是理想的正弦波，因此在電源側(cè)輸出電壓中就會(huì)包含一定含量的諧波，這種諧波電動(dòng)勢(shì)的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無(wú)關(guān)，可以看作恒定的諧波電壓源。由于在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，通常會(huì)采取許多措施削弱諧波電動(dòng)勢(shì)的影響，所以其輸出電壓的諧波含量是很小的。 輸配電系統(tǒng)中最主要的諧波源是電力變壓器。 由于變壓器鐵心存在不同程度的飽和以及磁化曲線的非線性，再加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密通常選擇在磁化曲線的近飽和段上，就會(huì)使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有分布較廣的奇次諧波。各次諧波的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中 3次諧波電流甚至可達(dá)額定電流的 其次，一些由功率開(kāi)關(guān)器件控制的基于移相原理的補(bǔ)償和自動(dòng)裝置，如高壓直流換流站的整流 /逆變裝置等，由于器件開(kāi)關(guān)特性的影響， 也會(huì)造成波形的不連續(xù)或形變， 從而在輸配電線路中形成諧波。 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載11隨著現(xiàn)代工業(yè)、電氣化鐵路和人民生活的高速發(fā)展，大量非線性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，使電能質(zhì)量下降。以晶閘管整流設(shè)備為例，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，給電網(wǎng)留下的也是另一部分第 3 頁(yè) 缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。由于晶閘管整流器在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。統(tǒng)計(jì)表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近 40%，這是最大的諧波源。另外，工礦企業(yè)中用到的各種變頻裝置、電弧爐、電石爐等設(shè)備，也均是較大的諧波源，而且其諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還可能含有分?jǐn)?shù)次諧波，由于這類裝置的功率一般較大，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波危害也越來(lái)越大。除此以外，其它像電視機(jī)、日光燈、電池充電器等居民用電裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波。雖然這些單個(gè)裝置的功耗都不大，但由于數(shù)量很多，它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。 波的危害及質(zhì)量意義 諧波對(duì)各種電力設(shè)備、通信設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生有害的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的損壞和電力系統(tǒng)事故。尤其是近年來(lái)電力電子設(shè)備的迅速增長(zhǎng)，諧波的危害日趨嚴(yán)重。諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害13要有以下幾個(gè)方面： （ 1）諧波使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的功 率損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。在二相四線制電網(wǎng)系統(tǒng)中，零線會(huì)由于流過(guò)大量的 3 次及其倍數(shù)次諧波電流造成零線過(guò)熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。 （ 2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使旋轉(zhuǎn)電機(jī) (發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī) )發(fā) 熱、產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、 絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 （ 3）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，并使電氣測(cè)量?jī)x表的訓(xùn)一量不準(zhǔn)確。 （ 4）諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。 （ 5）諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大， 這就使前幾個(gè)方面的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。 綜上所述，對(duì)電能質(zhì)量已經(jīng)不能僅用頻率和電壓這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)了，諧波已成為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。 因此， 無(wú)論是從保障電力系統(tǒng)安全、 穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度還是從用戶用電設(shè)備安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內(nèi)，還電網(wǎng)一個(gè)潔凈的電氣環(huán)境，營(yíng)造“綠色電網(wǎng)” ，都第 4 頁(yè) 已經(jīng)迫在眉睫。整體而言，我國(guó)諧波治理的水平還比較低，對(duì)電力科技工作者來(lái)說(shuō)，諧波治理問(wèn)題的研究具有十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn) 諧波的危害和影響引起了世界各國(guó)的高度重視，紛紛制訂了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)供電電網(wǎng)和用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波進(jìn)行限制。 美國(guó)海軍早在 20世紀(jì) 70年代就發(fā)現(xiàn)了諧波的影響并第一個(gè)制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn) 前仍然被美國(guó)軍方廣泛使用。 1982 年國(guó)際電工委員會(huì)一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即 在其后的執(zhí)行過(guò)程中修訂完善，目前已經(jīng)被世界許多國(guó)家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)成為強(qiáng)行執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。 1993 年，美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì) 一步完善了 準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充了對(duì)高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，形成了 19波限制標(biāo)準(zhǔn)。 我國(guó)對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題的研究始于 20 世紀(jì) 80 年代。 1982 年 9 月，原水電部組成電力系統(tǒng)諧波研究小組，重點(diǎn)考察了英國(guó) 1976 年頒發(fā)的 電力系統(tǒng)諧波管理技術(shù)規(guī)范工程導(dǎo)則16，并組織編寫(xiě)了電力系統(tǒng)諧波管理的暫行規(guī)定267，自 1985 年 1 月 1 日起執(zhí)行。 1986 年 4 月，原國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局關(guān)于發(fā)送“一九八六年制、修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目計(jì)劃”的通知中明確指出“電力系統(tǒng)高次諧波分量”的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)由原水電部生產(chǎn)司和鐵道部基建總局共同起草。 1991年，諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)起草小組提交了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波初稿。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 14549能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波18，從 1994 年 3 月 1 日開(kāi)始實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還規(guī)定了諧波測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法19 該標(biāo)準(zhǔn)的正式頒發(fā)標(biāo)志著我國(guó)諧波綜合治理工作走上了標(biāo)準(zhǔn)化道路。 波的抑制方法 目前諧波治理的措施主要有兩種： （ 1）主動(dòng)治理：即從諧波源本身出發(fā)，對(duì)其 進(jìn)行改造，降低諧波源產(chǎn)生的諧波和消耗的無(wú)功功率，如有源功率因數(shù)校正技術(shù)和各種 流技術(shù)。 第 5 頁(yè) （ 2）被動(dòng)治理：即設(shè)置諧波補(bǔ)償裝置，外加各種無(wú)源、有源濾波裝置，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。 這兩種方法有各自的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，近年來(lái)都得到了較快的發(fā)展。 主動(dòng)治理措施主要有以下幾種： （ 1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)21，但是這會(huì)使得裝置更加復(fù)雜。 （ 2）采用多重化技術(shù)。將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。 （ 3）采用脈寬調(diào)制 (術(shù)。采用 術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。 （ 4）設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。比 如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為 1。 被動(dòng)治理措施主要有以下幾種： （ 1）采用無(wú)源濾波器 (在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單。 （ 2）采用有源電力濾波器 (在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型 可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。 （ 3）采用混合型有源電力濾波器 ( F 成本低廉和 能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬與 分支和發(fā)展。 在被動(dòng)治理諧波的措施中，無(wú)源濾波器本質(zhì)上是頻域處理方法，也就是將非正弦周期電流分解成傅立葉級(jí)數(shù)，對(duì)某些諧波進(jìn)行吸收以達(dá)到治理的目的。有源濾波器則是在時(shí)域中對(duì)非正弦周期電流進(jìn)行分解后，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娏餮a(bǔ)償，從而改善系統(tǒng)的電流波形。 在電力系統(tǒng)中裝設(shè) 直是傳統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功 和抑制諧波的主要手段22 第 6 頁(yè) 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可補(bǔ)償無(wú)功，又可抑制諧波而一直被廣泛應(yīng)用。但 存在如下缺點(diǎn)：濾波補(bǔ)償特性依賴于電網(wǎng)和負(fù)載參數(shù)； 數(shù)的漂移會(huì)導(dǎo)致濾波特性的改變；具有負(fù)的電壓調(diào)整效應(yīng)；重量大、體積大；容易與系統(tǒng)發(fā)生諧振等。 目前的趨勢(shì)是采用電力電子裝置對(duì)諧波進(jìn)行抑制24即使用 術(shù)進(jìn)行諧波抑制。 一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波和無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ) 缺點(diǎn)，獲得比 好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置26 源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源濾波的思想最早是在 1971 年由 出的，當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，損耗大、成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。 1976 年， 人提出用四象限 流器構(gòu)成有源電力濾波器，正式確立了有源濾波的概念，并提出了相應(yīng)的主電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。 其基本原理是通過(guò)向電網(wǎng)注入與原有諧波和無(wú)功電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無(wú)功電流為零，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。但是由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，加上限于當(dāng)時(shí)控制策略和控制芯片的水平，因而有源濾波器仍局限于實(shí)驗(yàn)研究， 70年代后半期沒(méi)有得到大的進(jìn)展。直到進(jìn)入 80 年代以來(lái)，隨著新型電力半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展、 脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，使 到迅速完善和發(fā)展。 分類 目前投入使用的 類繁多，其分類方法也多種多樣，可以從主電路結(jié)構(gòu)、接入電網(wǎng)方式和供電系統(tǒng)形式等幾個(gè)方面對(duì) 行分類。 1按主電路結(jié)構(gòu)分類 根據(jù)主電路貯能元件的不同， 分為電流型和電壓型兩種31其電路結(jié)構(gòu)如圖 1示。 電流型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變，但由于電流型主電路直流側(cè)始終有電流流過(guò)，該電流將在電感的第 7 頁(yè) 內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，不適用于大容量系統(tǒng)，目前較少使用33不過(guò)隨著超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可能會(huì)有更多電流型 入使用。 電壓型 主電路直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變。電壓型 耗小、效率高、初期投資小，可任意并聯(lián)擴(kuò)容，易于單機(jī)小型化，經(jīng)濟(jì)性好，適用于電網(wǎng)級(jí)諧波補(bǔ)償35目前使用裝置 90%以上為電壓型，技術(shù)相對(duì)成熟、完善。 圖 1主電路結(jié)構(gòu) 按接入電網(wǎng)方式分類 從接入電網(wǎng)的連接方式看， 分為并聯(lián)型37串聯(lián)型41串 5大類，其具體種類劃分如圖 1示。 圖 1統(tǒng)分類 聯(lián)型 圖 1-3(a)所示，是有源電力濾波裝置中最基本的構(gòu)成方式。并聯(lián)型 系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個(gè)受控電流源，向系統(tǒng)注入與諧波電流大小相等，方向相反的電流，從而達(dá)到濾波的目的，主要適用于電流源型感性負(fù)載的諧波補(bǔ)償。并聯(lián)型 過(guò)耦合變壓器或直接并入系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，具有投切方便、靈活以及保護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；另外，并聯(lián)型 可以并聯(lián)使用第 8 頁(yè) 以提供大的電流，可以應(yīng)用于多種容量的場(chǎng)合 。目前工業(yè)上已投入運(yùn)行的 并聯(lián)型 可以分為單獨(dú)使用方式、與無(wú)源濾波器混合使用方式和注入電路方式三種。其中，并聯(lián)型 無(wú)源濾波器混合使用方式又分為并聯(lián)方式和串聯(lián)方式兩種，如圖 1-3(b)，圖 1-3(c)所示；注入電路方式也分為串聯(lián)諧振注入式和并聯(lián)諧振注入式兩種，如圖 1-3(d)，圖 1-3(e)所示。 圖 1聯(lián)型 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) of 聯(lián)型 圖 1.4(a)所示，經(jīng)耦合變壓器串入系統(tǒng)，它可等效為一個(gè)受控電壓源， 主要是消除電壓源型諧波以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。與并聯(lián)有源濾波器相比，其主要缺點(diǎn)是流過(guò)很大的負(fù)載電流，使得變壓器的額定參數(shù)上升，體積變大；此外串聯(lián)型 投切和故障后的退出以及保護(hù)也較為復(fù)雜。它的主要優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡電壓，對(duì)電壓敏第 9 頁(yè) 感性負(fù)載尤為適用，可以為負(fù)載提供一個(gè)好的系統(tǒng)電壓。目前，串聯(lián)型 應(yīng)用較少。 串聯(lián)型 可以分為單獨(dú)使用方式、與無(wú)源濾波器混合使用方式兩種。其中，串聯(lián)型 無(wú)源濾波器混合使用方式如圖 1.4(b)所示。 圖 1聯(lián)型 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) of 圖 1示，又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（ 。它綜合了串聯(lián)型 及并聯(lián)型 種結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，共同組成一個(gè)完整的用戶電力裝置來(lái)解決電能質(zhì)量的綜合性問(wèn)題。并聯(lián)型 接并入系統(tǒng)，起到補(bǔ)償諧波電流、無(wú)功電流、二相不平衡以及直流母線電壓調(diào)節(jié)作用；串聯(lián)型 過(guò)耦合變壓器串入系統(tǒng)，起到補(bǔ)償諧波電壓、消除系統(tǒng)不平衡、調(diào)節(jié)電壓波動(dòng)與電壓閃變等作用。時(shí)擁有并聯(lián)型 串聯(lián)型 者的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最理想的 其主要缺點(diǎn)在于成本較高和控制復(fù)雜。對(duì) 路結(jié)構(gòu)和控制方法的研究是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。 圖 1基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電流檢測(cè)方法 對(duì)于 言，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波電流是非常關(guān)鍵的，它的快速性、第 10 頁(yè) 準(zhǔn)確性、靈活性以及可靠性直接決定 補(bǔ)償性能。為了能快速檢測(cè)諧波電流，人們已經(jīng)提出了許多方法，下面對(duì)目前常用的諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述： 1模擬濾波器51 模擬濾波器的實(shí)現(xiàn)原理是：用帶通濾波器來(lái)獲取基波分量，再與被檢測(cè)電流相減后得到諧波電流分量，如圖 1示。該方法的原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，能濾除一些固有頻率的諧波。但這種檢測(cè)方法有很多缺陷： (1)檢測(cè)誤差大，電網(wǎng)頻率變化時(shí)尤其明顯； (2)對(duì)電路元件參數(shù)十分敏感，參數(shù)變化時(shí)檢測(cè)效果明顯變差； (3)無(wú)法分離出基波電流中的有功與無(wú)功分量。 圖 1擬濾波器原理圖 he of 基于 統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測(cè)法52該檢測(cè)方法的原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量， 將其余分量作為廣義無(wú)功電流 (包括諧波電流 )。它的缺點(diǎn)是：因?yàn)?率定義是建立在平均功率的基礎(chǔ)上，傳統(tǒng)計(jì)算平均功率的方法是通過(guò)一個(gè)周期數(shù)據(jù)的積分得到，這樣會(huì)給瞬時(shí)無(wú)功電流的檢測(cè)帶來(lái)至少一個(gè)周期的延時(shí)， 這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)合就不能夠滿足要求，不適于負(fù)載變化頻繁的場(chǎng)合。而且只能同時(shí)檢測(cè)出諧波及無(wú)功電流，不能只檢測(cè)諧波電流或只檢測(cè)無(wú)功電流，有很大的局限性。 3頻域分析的快速傅立葉變換 (檢測(cè)法55該方法是建立在 析的基礎(chǔ)上的，因此要求被補(bǔ)償?shù)牟ㄐ问侵芷谧儞Q的， 否則會(huì)帶來(lái)較大誤差。通過(guò) 檢測(cè)到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)進(jìn)行分解，得各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過(guò)帶通濾波器或傅立葉變換器得到所需的誤差信號(hào)，再將該誤差信號(hào)進(jìn)行 變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。 其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，通過(guò)附加的計(jì)算，該方法還可以通過(guò)電網(wǎng)電壓基波分量與負(fù)載電流基波分量的相位關(guān)系， 計(jì)算出負(fù)載電流的基波有功第 11 頁(yè) 和基波無(wú)功電流；而且受環(huán)境因素影響也較小。但是該方法需要進(jìn)行 換及其反變換，計(jì)算量非常大，因而有較大的時(shí)間延遲。當(dāng)電網(wǎng)電壓波形畸變嚴(yán)重或者頻率波動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起較大的非同步采樣誤差，對(duì)諧波電流的檢測(cè)精度影響很大。 4瞬時(shí)空間矢量法57 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法是目前 應(yīng)用最廣的一種檢測(cè)方法，最早是由日本學(xué)者赤術(shù)泰文于 1984 年提出的，經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，現(xiàn)在包括 、 。其中， 適用于電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無(wú)畸變情況下諧波電流的檢測(cè)； 電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效；而基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的 可在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱、畸變情況下精確地檢測(cè)出諧波電流。 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)技術(shù)， 物理概念明確、 硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高，由于延時(shí)很小，所以動(dòng)態(tài)特性好；缺點(diǎn)是運(yùn)算量較大，且只適用于對(duì)稱無(wú)畸變的三相電壓，對(duì)于三相不對(duì)稱負(fù)載所產(chǎn)生的諧波和無(wú)功電流，檢測(cè)效果不太理想。 5自適應(yīng)干擾抵消原理的自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)法58該方法利用信號(hào)處理的自適應(yīng)干擾對(duì)消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，而得到所有諧波與無(wú)功電流之和。按此原理構(gòu)成的檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，故其運(yùn)行特性與元件參數(shù)幾乎無(wú)關(guān)，對(duì)器件特性的依賴性也不大。 當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波形畸變以及頻率 波動(dòng)時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)仍能正常工作， 具有良好的自適應(yīng)能力，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。由于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和電流自適應(yīng)的能力，因此人們將智能控制理論應(yīng)用到無(wú)功和諧波電流檢測(cè)上。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論與信號(hào)處理中的自適應(yīng)噪聲對(duì)消技術(shù)相結(jié)合， 提出了一種基于單個(gè)神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)方法。但這些方法大多停留在仿真研究，還沒(méi)有應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中。 6基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法61 該方法是隨著神經(jīng)控制理論在系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展起來(lái)而形成的一種新型智能控制手段。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以自學(xué)功能性強(qiáng)，進(jìn)化算法和方向傳播用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第 12 頁(yè) 的訓(xùn)練，不但避免了對(duì)于給定補(bǔ)償電流的復(fù)雜計(jì)算，且有廣泛的適應(yīng)性?？捎糜谘a(bǔ)償單相、三相三線或三相四線制非線性負(fù)載的 統(tǒng)。具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）可以通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)，所以該方法簡(jiǎn)單而方便； （ 2）該方法對(duì)負(fù)載具有自適應(yīng)的特點(diǎn)； （ 3）該方法克服了采用電子濾波的時(shí)延現(xiàn)象； （ 4）該方法可以同時(shí)檢測(cè)諧波、無(wú)功、基波負(fù)序和零序電流。 電流控制方法 對(duì)于補(bǔ)償諧波電流而言， 作為一個(gè)受控電流源工作的，因此如何控制逆變器產(chǎn)生與指令電流相同的補(bǔ)償電流是決定 償性能的一個(gè)重要方面。 電流控制應(yīng)該滿足下面的基本要求： （ 1）在很寬的頻帶內(nèi)，沒(méi)有幅值和相角誤差 (理想跟蹤 )； （ 2）很好的動(dòng)態(tài)性能； （ 3）有限的或恒定的開(kāi)關(guān)頻率以保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件； （ 4）較高的直流母線電壓利用率。 目前， 用的電流控制方法有滯環(huán)電流控制、三角波調(diào)制控制、空間矢量調(diào)制控制、無(wú)差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、單周控制、預(yù)測(cè)控制等，下面對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。 1滯環(huán)電流控制62滯環(huán)電流控制 (目前應(yīng)用最廣泛的一種非線性閉環(huán)電流控制方法， 它利用滯環(huán)比較器形成一個(gè)以給定電流為中心的死區(qū)或滯環(huán)，通過(guò)反饋電流與給定電流的滯環(huán)比較誤差來(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。滯環(huán)電流控制中電流反饋的存在加快了動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，增強(qiáng)了抑制環(huán)內(nèi)擾動(dòng)的能力，控制精度較高，并且不需要知道負(fù)載的參數(shù)，還可通過(guò)防止逆變器過(guò)流而保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件。傳統(tǒng)滯環(huán)控制也有開(kāi)關(guān)頻率變化范圍大、電流變化劇烈、負(fù)載換路時(shí)被控制量常常不能得到有效控制等缺點(diǎn)。近年來(lái)，有學(xué)者在滯環(huán)電流控制的改進(jìn)上，如矢量化、定頻化等方面作了許多研究，并取得了一定的進(jìn)展。 2三角波調(diào)制控制65三角波調(diào)制控制是一種由瞬時(shí)值比較法衍生出的線性控制方法， 它將實(shí)際的出電流與指令電流的差值進(jìn)行 制，然后再經(jīng)三角載波進(jìn)行調(diào)制輸出關(guān)控制信號(hào)。三角波調(diào)制控制方法的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，但是系統(tǒng)的第 13 頁(yè) 響應(yīng)受到反饋環(huán)穩(wěn)定性要求的限制，而反饋環(huán)的穩(wěn)定性還依賴于負(fù)載參數(shù)的變化，因此即便在穩(wěn)態(tài)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相位滯后的問(wèn)題。 3空間矢量調(diào)制控制69空間矢量調(diào)制 (由在交流電機(jī)調(diào)速中提出的磁通軌跡控制思想演變而來(lái)，該方法物理概念清晰，適合用數(shù)字化方案實(shí)現(xiàn)。它將三相整流器件作為一個(gè)整體來(lái)考慮， 通過(guò)控制與參考矢量最接近的二個(gè)開(kāi)關(guān)矢量組合的作用時(shí)間，使一個(gè)控制周期內(nèi)開(kāi)關(guān)矢量輸出的平均效果與參考矢量相等。 其基本思想是在矢量空間中用有限的靜止矢量去合成和跟蹤調(diào)制波的空間旋轉(zhuǎn)矢量，使合成的空間矢量含有調(diào)制波的信息。采用空間矢量脈寬調(diào)制，通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)矢量可有效降低開(kāi)關(guān)頻率和減小交流側(cè)線電流的總諧波畸變率； 但受一般微控制器運(yùn)算能力所限，該控制方法經(jīng)常 要在實(shí)現(xiàn)速度與合成脈寬調(diào)制 (形質(zhì)量之間進(jìn)行折衷，應(yīng)用 使該控制系統(tǒng)向高可靠、高性能的全數(shù)字化方向發(fā)展。 4無(wú)差拍控制73無(wú)差拍控制 (法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)，它根據(jù)空間矢量理論， 利用系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當(dāng)前的狀態(tài)信息推算出下一采樣周期的開(kāi)關(guān)控制量，最終達(dá)到使輸出量跟蹤輸入量的目的。該方法能快速跟蹤電流的變化，特別適應(yīng)于快速暫態(tài)控制。但是，由于其計(jì)算量大，因而對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，而有源電力濾波器是一個(gè)非線性多變量系統(tǒng)，所以無(wú)差拍控制在有源電力濾波器中應(yīng)用較少。 5滑模變結(jié)構(gòu)控制75滑?？刂?(又稱變結(jié)構(gòu)控制，它最早由前蘇聯(lián)學(xué)者在 20 世紀(jì) 50 年代提出， 并得到不斷的發(fā)展。 它是一種設(shè)計(jì)與分析緊密結(jié)合、具有對(duì)模型不確定和對(duì)外界擾動(dòng)不變化及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)的控制方法， 其原理是利用控制的不連續(xù)性， 依靠其高頻轉(zhuǎn)換強(qiáng)