畢業(yè)設(shè)計(jì)—并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì).doc

精品文檔 1歡迎下載 二二 七七 年年 六六 月月 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題題 目目 并并聯(lián)聯(lián)型型有有源源電電力力濾濾波波器器的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 學(xué)學(xué)生生姓姓名名 xxxx 學(xué)學(xué) 院院 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 系系 別別 自自 動(dòng)動(dòng) 化化 系系 專專 業(yè)業(yè) 自自 動(dòng)動(dòng) 化化 班班 級(jí)級(jí) 自自 動(dòng)動(dòng) 化化0 0 3 3 3 3 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師 xxxx 精品文檔 I歡迎下載I歡迎下載I歡迎下載 摘 要 隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用 電力系統(tǒng)的無功及諧波問題日趨嚴(yán)重 傳 統(tǒng)的無功補(bǔ)償及諧波抑制方法已難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要 作為一種新型 的補(bǔ)償裝置 有源電力濾波器以其對(duì)電網(wǎng)負(fù)載 系統(tǒng)參數(shù)變化的自適應(yīng)能力和 較高的反應(yīng)速度被認(rèn)為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o功和諧波補(bǔ)償方法 本文以并聯(lián)電壓型有源電力濾波器為研究對(duì)象 系統(tǒng)地分析了并聯(lián)電壓型 有源電力濾波器的工作原理 補(bǔ)償特性 諧波電流檢測(cè)方法 補(bǔ)償電流控制策 略等問題 并對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì) 最后 利用 MATLAB 提供的 電力系統(tǒng)仿真工具箱對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析 仿真結(jié)果表明 并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)帶有阻感的三相二極管橋式整流 負(fù)載產(chǎn)生的諧波具有較好的補(bǔ)償效果 關(guān)鍵詞 諧波抑制 并聯(lián)型有源電力濾波器 瞬時(shí)無功功率 仿真 精品文檔 II歡迎下載II歡迎下載II歡迎下載 Abstract The substantial increase in the use of power electronic equipment results in harmonic pollution and reactive burden above the tolerable limits Many conventional solutions to the power quality issues can t meet the conditions of modern power system Active power filters are known as a dynamic adjustable and potential solution to the power quality problems The shunt voltage type APF has been analyzed in this paper in terms of the working principle the compensation characteristics the harmonic current detection approaches and the current compensation strategies the shunt active power filter are designed At last the simulation models are built up by the Simpowersystems toolbox of Matlab The results show that the designed shunt APF can well suppress the harmonic distortion generated by a three phase diode rectifier KeyKey WordsWords Harmonic elimination Shunt active power filter Instantaneous reactive power Simulation 精品文檔 III歡迎下載III歡迎下載III歡迎下載 目錄 引 言 1 第一章 緒論 2 1 1 諧波問題及研究現(xiàn)狀 2 1 1 1 諧波的基本概念 3 1 1 2 諧波分析 3 1 1 3 諧波的產(chǎn)生和危害 6 1 2 諧波的抑制 7 1 2 1 諧波抑制技術(shù) 7 1 2 2 有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展 7 1 3 研究并聯(lián)型有源電力濾波器的現(xiàn)實(shí)意義 7 第二章 有源電力濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu) 9 2 1 三相電路瞬時(shí)無功功率理論 9 2 2 有源電力濾波器的工作原理 14 2 3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成 15 2 3 1 有源電力濾波器的分類 15 2 3 2 有源電力濾波器主電路的結(jié)構(gòu) 16 2 3 3 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 17 2 4 有源電力濾波器的特性 18 2 4 1 雙向補(bǔ)償特性 18 2 4 2 其他特性 19 2 5 有源電力濾波器的控制方法 19 2 5 1 滯環(huán)比較方式 19 2 5 2 三角波比較方式 20 2 5 3 空間矢量控制 21 2 5 4 本文采用的控制方法 21 第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 22 3 1 概述 22 3 2 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 22 3 2 1 主電路 變流器 設(shè)計(jì) 22 精品文檔 IV歡迎下載IV歡迎下載IV歡迎下載 3 2 2 主電路交流側(cè)電感的計(jì)算 25 3 2 3 直流側(cè)電壓計(jì)算和電容選取 26 3 3 電流電壓檢測(cè)設(shè)計(jì) 28 3 3 1 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 28 3 3 2 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) 28 第四章 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真 29 4 1 仿真環(huán)境 29 4 2 仿真模型的建立 29 4 2 1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型 29 4 2 2 主電路的仿真 30 4 2 3 諧波電流檢測(cè)電路的仿真 31 4 3 仿真結(jié)果 32 4 3 1 補(bǔ)償前電網(wǎng)電流仿真波形與分析 32 4 3 2 補(bǔ)償后電網(wǎng)電流仿真波形與分析 33 4 3 3 數(shù)字低通濾波器截止頻率對(duì)指令電流精度的影響 35 4 3 4 仿真結(jié)果 38 結(jié)論及展望 39 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 43 精品文檔 1歡迎下載1歡迎下載1歡迎下載 引 言 隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛 電力電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制 領(lǐng)域 用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高 1 而電力電子裝置已經(jīng)成為主要的 諧波干擾源 它們?cè)斐傻奈：σ呀?jīng)引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注 在我國 近年來 由于電氣化鐵道的大量發(fā)展以及化工 冶金 鋼鐵 有色金屬 煤炭和交通等 工業(yè)部門電力電子裝置的大量應(yīng)用 使電力系統(tǒng)中諧波問題已經(jīng)日趨嚴(yán)重 對(duì) 電力系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生了嚴(yán)重危害和影響 必須認(rèn)真加以研究和采取相應(yīng)的 限制措施 因此 諧波抑制已成為電力電子技術(shù) 電氣自動(dòng)化技術(shù)及電力系統(tǒng) 研究領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題 正在受到越來越多的關(guān)注 所以 面對(duì)我國 目前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱和輸配電技術(shù)普遍存在的技術(shù)落后 自動(dòng)化水平低的現(xiàn)狀 針對(duì)諧波問題 研究電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償新技術(shù) 具有十分重要的理論和 現(xiàn)實(shí)意義 諧波是指電壓 電流波形發(fā)生畸變 這主要是負(fù)荷的非線性造成的 為抑 制非線性設(shè)備諧波污染 出現(xiàn)了許多方法 設(shè)置無功補(bǔ)償電容器和LC 濾波器是 傳統(tǒng)的補(bǔ)償無功功率和諧波的主要手段 已獲得廣泛應(yīng)用 但這種無源補(bǔ)償裝 置的補(bǔ)償性能較差 難以對(duì)變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效的補(bǔ)償 晶閘管獲 得廣泛應(yīng)用后 以晶閘管控制電抗器 TCR 為代表的靜止無功補(bǔ)償裝置 SVC 有了長足的發(fā)展 可以對(duì)變化的無功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償 近年來 隨著以 GTO BJT 和 IGBT 為代表的全控型器件向大容量化 高頻化方向的不斷發(fā)展 采 用電力電子技術(shù)的各種有源補(bǔ)償裝置發(fā)展很快 主要用于補(bǔ)償諧波的有源電力 濾波器比 LC 濾波器具有更優(yōu)越的性能而得到發(fā)展和應(yīng)用 是一種很有發(fā)展前景 的諧波抑制技術(shù) 因此 本文就并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究 精品文檔 2歡迎下載2歡迎下載2歡迎下載 第一章 緒論 由于電力電子裝置的廣泛應(yīng)用 使得電網(wǎng)中諧波的含量大量增加 它替代 了傳統(tǒng)的變壓器等鐵磁材料的非線性引起的諧波 成為主要的諧波源 對(duì)電力 系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電氣設(shè)備的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重的危害 因此 諧波治理成為 了電能質(zhì)量問題的核心內(nèi)容之一 也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切要求 2 有源電力濾波器 Active Power Filter APF 是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波 補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置 它能對(duì)大小和頻率都發(fā)生變化的諧波以及變化 的無功進(jìn)行補(bǔ)償 其應(yīng)用可克服 LC 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法的 缺點(diǎn) 有源電力濾波器的控制技術(shù)是有源電力濾波器的關(guān)鍵之一 傳統(tǒng)有源電 力濾波器主要采用模擬控制 但模擬控制存在電路復(fù)雜 控制性能差 易受環(huán) 境干擾等缺點(diǎn) 近年來隨著高速數(shù)字處理器DSP 的出現(xiàn)及其性價(jià)比日益提高 有 源電力濾波器的數(shù)字控制方案引起人們的重視 相對(duì)于模擬控制有很多優(yōu)點(diǎn) 在實(shí)際系統(tǒng)中被廣泛采用 1 1 諧波問題及研究現(xiàn)狀 諧波 一詞起源于聲學(xué) 有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18 世紀(jì)和 19 世紀(jì)已經(jīng)奠 定了良好的基礎(chǔ) 傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛使用 電力系統(tǒng)的諧波問題早在20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代就引起了人們的注意 到了 50 年代和 60 年代 由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展 發(fā)表了有關(guān)變流器引 起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文 70 年代以來 由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展 各種電力電子裝置在電力系統(tǒng) 工業(yè) 交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛 諧波所 造成的危害也日趨嚴(yán)重 世界各國都對(duì)諧波問題予以充分的關(guān)注 不少國家和 國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定 制定限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)是解決電力系統(tǒng)諧波危害的影響的重要措施 在國際 上 各個(gè)國際組織 如國際電氣電子工程師協(xié)會(huì) IEEE 國際電工委員會(huì) IEC 和國際大電網(wǎng)會(huì)議 CIGRE 也紛紛推出了各自建議的諧波標(biāo)準(zhǔn) 其中較 有影響的是IEEE519 1992 和 IEC555 2 參照國外標(biāo)準(zhǔn) 我國先后于1984 年和 1993 年分別制定了限制諧波的規(guī)定和 國家標(biāo)準(zhǔn) 我國原水利電力部于1984 年根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批準(zhǔn)的 全國供用 電規(guī)則 的規(guī)定 制定并發(fā)布了 電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定 SD126 84 國 精品文檔 3歡迎下載3歡迎下載3歡迎下載 家技術(shù)監(jiān)督局于1993 年又發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB T14549 93 電能 質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 1 1 1 諧波的基本概念 1822 年 法國數(shù)學(xué)家傅立葉指出 一個(gè)任意函數(shù)都可以分解為無窮多個(gè)不 同頻率正弦信號(hào)的和 基于此 國際電工 IEC International Electrotechnical Commission 標(biāo)準(zhǔn) IEC555 2 1982 定義諧波為 諧波分量為 周期量的傅立葉級(jí)數(shù)中大于1 的 h 次分量 把諧波次數(shù)h 定義為 以諧波頻率和 基波頻率之比表示的整數(shù) 電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)519 1981 定義諧波為 諧波為一個(gè)周期波或量的正弦波分量 其頻率為基波頻率的整數(shù)倍 總結(jié)二者 目前國際普遍定義諧波為 諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量 其頻率為基波頻率的整數(shù)倍 1 1 2 諧波分析 設(shè)正弦電壓可表示為 1 1 2sin Uwtu t 式中 電壓有效值 U 初相角 角頻率 w 當(dāng)正弦電壓施加在非線性電路上時(shí) 電流就變?yōu)榉钦也?非正弦電流施 加在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降 使電壓波形也變?yōu)榉钦也?對(duì)于周期為 的非正弦電壓 一般可分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù) 2 Tw u wt 1 2 0 1 cossin nn n u wtaanwtbnwt 式中 精品文檔 4歡迎下載4歡迎下載4歡迎下載 2 0 0 2 0 2 0 1 2 1 cos 1 sin 1 2 3 n n au wt d wt au wtnwtd wt bu wtnwtd wt n 或 1 3 1 0 sin nn n cnwtu wta 式中 和 的關(guān)系為 n c n n a n b 22 arctan sin cos nnn nnn nnn nnn ab ab ac bc c 在式 1 2 或 1 3 中 頻率為 1 T 的分量為基波 頻率為大于 1 整數(shù) 倍基波頻率的分量為諧波 諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比 以上公 式對(duì)于非正弦電流也適用 n 次諧波電壓含有率以HRUn Harmonic Ratio Un 表示 1 4 1 100 n n U HRU U 第 n 次諧波電壓有效值 方均根值 n U 基波電壓有效值 1 U n 次諧波電流含有率以HRIn 表示 1 5 1 100 n n I HRI I 第 n 次諧波電流有效值 n I 基波電流有效值 1 I 諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為 H U H I 精品文檔 5歡迎下載5歡迎下載5歡迎下載 1 6 2 2 Hn n UU 1 7 2 2 Hn n II 電壓諧波總畸變率THDu total harmonic distortion 和電流諧波總畸 變率分別定義為THDi 1 8 1 100 H U THDu U 1 9 1 100 H I THDi I 下面討論對(duì)稱三相電路中的諧波分析 以相電壓為例 三相電壓可表示為 2 3 2 3 a b c uu wt uu wt uu wt 設(shè) a 相電壓所含的 n 次諧波為 2sin 2 2sin 3 2 2sin 3 annn bnnn cnnn uUnwt uUn wt uUn wt 1 n 3k k 1 2 3 下同 三相電壓的諧波大小和相位均相同 為零序 諧波 2 n 3k 1 b 相電壓比a 相電壓滯后 c 相電壓比 a 相電壓超前 2 3 2 3 這些次數(shù)的諧波均為正序諧波 對(duì)稱三相電路的基波本身也是正序的 精品文檔 6歡迎下載6歡迎下載6歡迎下載 3 n 3k 1 b 相電壓比 a 相電壓超前 c 相電壓比 a 相電壓滯后 2 3 2 3 這些次數(shù)的諧波均為負(fù)序諧波 對(duì)于各相電壓來說 無論是三相三線電路還是三相四線電路 相電壓中都 可以包含零序諧波 而線電壓中都不含零序諧波 對(duì)于各相電流來說 在三相 三線電路中 沒有零序通道 因而沒有零序電流 在三相四線電路中 零序電 流可以從中性線中流過 3 1 1 3 諧波的產(chǎn)生和危害 電網(wǎng)諧波來源于三個(gè)方面 其一是電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波 其二是輸電網(wǎng) 產(chǎn)生的諧波 其三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波 其中以用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多 具體情況如下 1 整流設(shè)備 由于晶閘管整流的廣泛應(yīng)用 如電力機(jī)車 鋁電解槽 電池充電 器等 給電網(wǎng)造成大量的諧波 2 電弧爐 電石爐 由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不 平的爐料 使得燃燒不穩(wěn)定 引起三相負(fù)荷不平衡 產(chǎn)生諧波電流經(jīng)變壓器注 入電網(wǎng) 3 變頻裝置 變頻裝置常用于風(fēng)機(jī) 水泵 電梯等設(shè)備中 它含的輸入電流 波形為尖峰狀 其諧波成份很復(fù)雜 除含有整數(shù)次諧波外 還含有分?jǐn)?shù)次諧波 隨著變頻調(diào)速的發(fā)展 對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也很嚴(yán)重 4 家用電器 如電視機(jī) 錄像機(jī) 電子調(diào)光燈具 調(diào)溫炊具等 因具有調(diào)壓 整流裝置 會(huì)產(chǎn)生的諧波 洗衣機(jī) 電風(fēng)扇 空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中 因不 平衡電流的變化也能產(chǎn)生諧波 諧波對(duì)電網(wǎng)及其它系統(tǒng)的危害有以下幾個(gè)方面 1 諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗 降低了發(fā)電 輸電 和用電設(shè) 備的效率 2 諧波影響了各種電氣設(shè)備的正常工作 諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振 動(dòng) 噪聲 和過電壓 使變壓器局部嚴(yán)重過熱 還會(huì)使電容器 電纜等設(shè)備過熱 絕緣老 化 壽命縮短 以致?lián)p壞 3 諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振 從而使諧波放大 大大增 精品文檔 7歡迎下載7歡迎下載7歡迎下載 加了上述的危害 并可能引起嚴(yán)重事故 4 諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作 并會(huì)使電氣測(cè)量儀表 測(cè)量不準(zhǔn) 確 5 諧波對(duì)通信系統(tǒng)和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾 對(duì)諧波進(jìn)行研究 其意義一方面在于對(duì)諧波影響及危害的分析 另一方面 在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響 電力電子技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的 重要支柱 有人預(yù)言 電力電子連同運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為 21 世紀(jì) 最重要的兩大技術(shù) 4 1 2 諧波的抑制 1 2 1 諧波抑制技術(shù) 為抑制和消除電力電子裝置和其它諧波源的諧波 基本思路有兩種 一種 是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波 這對(duì)各種諧波源都是適用的 本文主要討論 此類補(bǔ)償方式 另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造 使其不產(chǎn)生諧波 且 功率因數(shù)可控制為 1 這只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置 裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法是采用 LC 濾波器 這種方法既可補(bǔ)償諧波 也可補(bǔ)償無功功率 而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 被廣泛應(yīng)用 但是這種方法的主要缺點(diǎn)是 補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響 容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振 導(dǎo)致諧波 放大 使 LC 濾波器過載甚至燒毀 此外 它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波 補(bǔ)償效 果也不是很理想 目前 采用有源電力濾波器 已經(jīng)成為諧波抑制的一個(gè)趨勢(shì) 有源電力濾 波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置 它能對(duì)幅度和頻率 都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償 補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響 是一 種很有前途的諧波抑制方法 1 2 2 有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展 有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經(jīng)形成 但由于受到當(dāng)時(shí)功 率半導(dǎo)體器件水平以及控制策略的限制 有源電力濾波器的研制一直處于試驗(yàn) 研究階段 八十年代以來 由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟 脈沖寬度 調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步 以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出 有源濾波器才得以迅速發(fā)展 國外有源電力濾波器的研究以日本為代表 已步 精品文檔 8歡迎下載8歡迎下載8歡迎下載 入大量實(shí)用化的階段 隨著容量的逐步提高 其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用戶自身的 諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展 我國在電力有源濾波器方面的 研究起步較晚 目前很多大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)正積極進(jìn)行這方面的相關(guān)研究 部分 單位已經(jīng)研制出樣機(jī)并投入試運(yùn)行 但由于用電機(jī)制以及成本等因素 在我國 廣泛應(yīng)用 APF 還需要一段時(shí)間 1 3 研究并聯(lián)型有源電力濾波器的現(xiàn)實(shí)意義 電力電子技術(shù)的快速發(fā)展給人們的生產(chǎn)與生活帶來巨大變化 但是同時(shí)給 電網(wǎng)帶來嚴(yán)重污染 影響了供電質(zhì)量 電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載種類繁多 不同 類型的有源電力濾波器對(duì)不同類型非線性負(fù)載的補(bǔ)償特性也不相同 當(dāng)今 大型整流設(shè)備 冶金工業(yè)和電力機(jī)車等大型的諧波源都是典型的非 線性負(fù)載 它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)給電網(wǎng)注入了大量諧波 而這些大型的諧波源一般都 采用大電感濾波的電流源諧波負(fù)載 適合用并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償 因此 研究并聯(lián)型有源電力濾波器有著重要的現(xiàn)實(shí)意義 精品文檔 9歡迎下載9歡迎下載9歡迎下載 第二章 有源電力濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu) 2 1 三相電路瞬時(shí)無功功率理論 三相電路的瞬時(shí)無功功率理論作為諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)算法的理論基礎(chǔ) 首 先于 1983 年由赤木泰文提出 此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸完善 赤木泰文最 初提出的理論亦稱理論 是以瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的定義為基pqpq 礎(chǔ)的 在以瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流為基礎(chǔ)的理論體系中 設(shè)三相電 p i q i 路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為 和 為分析問題方便 a e b e c e a i b i c i 把它們變換到 兩相正交的坐標(biāo)系中研究 由下面的變換可以得到 兩相瞬時(shí)電壓 和 兩相瞬時(shí)電流 e e i i 2 c b a e e e e e 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 1 2 2 c b a i i i i i 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 3 2 在這里 令 2 3 2 3 0 2 1 2 1 1 32 C 在圖2 1所示的矢量 平面上 和 分別進(jìn)一步合成為旋轉(zhuǎn)電 e e i i 壓矢量 和旋轉(zhuǎn)電流矢量 ei 2 3 e eeee 2 4 i iiii 式中 為矢量電壓和電流的模 為矢量 的幅角 ei e i ei 定義定義 1 1 三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流分別為矢量 在矢量 p i q ii 及其法線上的投影 即 e cosiip 精品文檔 10歡迎下載10歡迎下載10歡迎下載 2 5 2 6 siniiq 式中 ie 圖 2 1 坐標(biāo)系中的電壓 電流矢量 定義定義 2 2 三相電路瞬時(shí)有功功率 無功功率 為電壓矢量 的模和三pqe 相電路瞬時(shí)有功電流 三相電路瞬時(shí)無功電流 的乘積 p i q i 2 7 p eip 2 8 q eiq 將式 2 3 和 2 4 代入上面即可寫出矩陣形式 2 9 e e q p e e i i C i i pq 其中 e e Cpq e e 把式 2 1 2 2 代入上式 可以得出 可以看出 三相電路瞬時(shí)pq 有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率 2 10 ccbbaa ieieiep 2 11 3 1 cbabacacb ieeieeieeq 定義定義 3 3 相的瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 分別 q i q i p i p i 為三相電路瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 在 軸上的投影 即 q i p i 精品文檔 11歡迎下載11歡迎下載11歡迎下載 2 12 p ee e i e e ii pepp 2 2 cos 2 13 p ee e i e e ii pepp 2 2 sin 2 14 q ee e i e e ii qeqq 2 2 sin 2 15 q ee e i e e ii qeqq 2 2 cos 從上面定義得到如下性質(zhì) 2 222 ppp iii 16 2 222 qqq iii 17 2 iii qp 18 2 iii qp 19 定義定義 4 4 相的瞬時(shí)無功功率 瞬時(shí)有功功率 分 q q p p 別為 相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 的乘積 即 2 20 p ee e iep p 2 2 2 2 p ee e iep p 2 2 2 21 2 q ee ee ieq q 2 2 22 精品文檔 12歡迎下載12歡迎下載12歡迎下載 2 q ee ee ieq q 2 2 23 從中可以看出 ppp 0 qq 定義定義 5 5 三相電路各相的瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 aq i bq i cq i ap i 是 兩相瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 通過兩 bp i cp i q i q i p i p i 相到三相變換所得到的結(jié)果 即 2 24 p p cp bp ap i i C i i i 23 2 25 q q cq bq aq i i C i i i 23 式中 T CC 3223 從以上各式可得到如下性質(zhì) 2 26 0 cpbpap iii 2 27 0 cqbqaq iii 2 28 aaqap iii 2 29 bbqbp iii 2 30 ccqcp iii 上述性質(zhì)分別反映了和兩相的正交性和a b c三相的對(duì)稱性 定義定義 6 6 a b c各相的瞬時(shí)無功功率 瞬時(shí)有功功率 a q b q c q a p 分別為該相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)無功電流 瞬時(shí)有功電流 的乘積 即 b p c p 2 31 A p eiep aapaa 2 3 2 32 A p eiep bbpbb 2 3 2 33 A p eiep ccpcc 2 3 2 34 A p eeeieq cbaaqaa 精品文檔 13歡迎下載13歡迎下載13歡迎下載 2 35 A p eeeieq acbbqbb 2 36 A p eeeieq baccqcc 從以上還可以看出和 pppp cba 0 cba qqq 從定義4和6的性質(zhì)可見 各相的瞬時(shí)無功功率對(duì)總的瞬時(shí)功率 瞬時(shí)實(shí)功率 沒有任何貢獻(xiàn) 而是在各相之間相互傳遞 這也正是赤木泰文給出瞬時(shí)實(shí)功率 瞬時(shí)虛功率即各相瞬時(shí)無功功率 瞬時(shí)有功功率的依據(jù) 傳統(tǒng)理論中的有功功 率 無功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的 它只適用于電壓 電流均為正弦波時(shí)的情況 而瞬時(shí)無功功率理論中的概念 都是在瞬時(shí)值的基 礎(chǔ)上定義的 它不僅適用于正弦波 也適用于非正弦波和任何過渡過程的情況 從以上各定義可以看出 瞬時(shí)無功功率理論中的概念 在形式上和傳統(tǒng)理論非 常相似 可以看出這是傳統(tǒng)理論的推廣和延伸 當(dāng)三相電壓 電流為對(duì)稱正弦波時(shí) 設(shè) 2 37 sin am eEt 2 38 sin 2 3 bm eEt 2 39 sin 2 3 cm eEt 2 40 sin am iIt 2 41 sin 2 3 bm iIt 2 42 sin 2 3 cm iIt 代入式 2 1 得 2 43 t t E e e m cos sin 2 2 44 sinsincoscos sincoscossin cos sin 22 tt ttt I t t I i i mm 式中 mm EE2 3 2 mm II2 3 2 把式 2 43 2 44 代入 2 9 中可得 2 45 cos2 3 mmI Ep 2 46 sin2 3 mmI Eq 令 分別為相電壓和相電流的有效值 得2 m EE 2 m II 2 47 3cospEI 精品文檔 14歡迎下載14歡迎下載14歡迎下載 2 48 3sinqEI 從上面的式子可以看出 在三相電壓和電流均為正弦波時(shí) 均為常pq 數(shù) 且與傳統(tǒng)理論算出的有功功率和無功功率完全相同 pq 把式 2 42 2 43 代入式 2 12 和 2 14 中可得a相的瞬時(shí)有功電流和瞬 時(shí)無功電流 2 49 tIi map sincos 2 2 50 tIi maq cossin 2 可以看出 a相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流的表達(dá)式與傳統(tǒng)功率理論中 相電流的有功分量和無功分量的瞬時(shí)值表達(dá)式完全相同 對(duì)于相及三相 a b c各相也能得出同樣的結(jié)論 由上面的分析不難看出 瞬時(shí)無功功率理論包含了傳統(tǒng)的無功功率理論 比傳統(tǒng)無功功率理論由更大的適用范圍 2 2 有源電力濾波器的工作原理 圖 2 2 所示為有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖 圖中 負(fù)載為諧波源 它產(chǎn)生諧波并消耗無功 有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成 即指令電流運(yùn) 算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路 由補(bǔ)償電流控制電路 隔離與驅(qū)動(dòng)電路和主電路 三個(gè)部分構(gòu)成 其中 指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和 無功等電流分量 因此有時(shí)也稱之為諧波和無功電流檢測(cè)電路 補(bǔ)償電流發(fā)生 電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào) 產(chǎn)生實(shí)際的 補(bǔ)償電流 主電路目前均采用 PWM 變流器 圖 2 2 有源電力濾波器的基本原理圖 圖 2 2 中 有源電力濾波器的基本工作原理為 檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電 流 經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào) 該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā) 精品文檔 15歡迎下載15歡迎下載15歡迎下載 生電路放大 得出補(bǔ)償電流 補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電 流抵消 最終得到期望的電源電流波形 例如 當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波 電流時(shí) 有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流中的諧波成分 將其反 L i Lh i 極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào) 這樣由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流 C i 與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等 方向相反 因而兩者互相抵消 使得 c i Lh i 電源電流中只含基波 不含諧波 這樣就達(dá)到了抑制電源電流中諧波的目的 S i 上述原理可用如下的一組公式描述 2 SLC iii 51 2 LLfLh iii 52 2 CLh ii 53 2 SLCLf iiii 54 式中為負(fù)載電流的基波分量 9 Lf i 負(fù)載電流 的傅里葉級(jí)數(shù)展開為 l i 1111 12 sin cossinsincossin lnnnn nn iIn tItItIn t 2 hlqlp iii 55 式 2 55 中 是基波有功電流 tIilp sincos 11 是基波無功電流 是高次諧波電流 tIiq cossin 11 2 sin hnn n iIn t 為基波電流初相位 為 n 次諧波初相位 為系統(tǒng)電源基波角頻率 5 1 n 由此可知 有源補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是 諧波電流的檢測(cè) 適當(dāng)?shù)目刂品?法 主電路的設(shè)計(jì) 精品文檔 16歡迎下載16歡迎下載16歡迎下載 2 3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成 2 3 1 有源電力濾波器的分類 有源電力濾波器可以按照所使用的變流器類型 主電路結(jié)構(gòu)和電源相數(shù)進(jìn) 行分類 根據(jù)使用的場(chǎng)合電源相數(shù)可分為單相 三相三線和三相四線用有源電 力濾波器等 按有源電力濾波器在系統(tǒng)中的連接方式可分為串聯(lián)型 并聯(lián)型和 兩者混合使用的統(tǒng)一型等 圖 2 3 給出了有源電力濾波器的分類示意圖 圖 2 3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成分類 2 3 2 有源電力濾波器主電路的結(jié)構(gòu) 有源電力濾波器主電路的基本結(jié)構(gòu)見圖2 4 儲(chǔ)能元件 電感或電容 的作用是 充當(dāng)直流電源 電流源或電壓源 為可控開關(guān)電路進(jìn)行逆變提供保證 可控開關(guān) 電路實(shí)為一PWM 變流器 在圖2 2 中檢測(cè)電路從系統(tǒng)中檢測(cè)并分離出基波無功和 諧波電流 使控制電路產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)去控制可控開關(guān)電路的開合 可控開 關(guān) 圖 2 4 有源電力濾波器主電路結(jié)構(gòu)圖 精品文檔 17歡迎下載17歡迎下載17歡迎下載 電路的作用是根據(jù)控制信號(hào)把儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的電能以適當(dāng)?shù)男问浇?jīng)輸出電路 接入 系統(tǒng)中 產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電流 根據(jù)儲(chǔ)能元件 電容或電感 的不同 將有源電力濾波器分為電壓型和電流 型兩種 圖2 5 所示為電壓型有源電力濾波器的主電路圖 其儲(chǔ)能元件為電容 可控開關(guān)電路通常由 GTO 或 IGBT 等大功率電力電子元件構(gòu)成 電壓型有源電力 濾波器的工作原理是根據(jù)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生PWM 輸出電壓 再經(jīng)交流側(cè)電抗器轉(zhuǎn)換成 所需要的補(bǔ)償電流 圖 2 6 所示為電流型有源電力濾波器 其儲(chǔ)能元件是電感 與電壓型 PWM 逆變器相比 電流型 PWM 逆變器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是 不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直 通而發(fā)生短路故障 但是 電流型 PWM 逆變器直流側(cè)大電感上始終有電流流過 該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗 因此目前較少采用 而電壓型有 源電力濾波器有能量損耗小和易于控制等優(yōu)點(diǎn) 目前有源電力濾波器的研究方 向主要是電壓型有源電力濾波器 圖 2 6 三相電流型有源濾波器主電路 圖 2 5 電壓型有源濾波器主電路 精品文檔 18歡迎下載18歡迎下載18歡迎下載 2 3 3 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理如圖2 7 所示 圖中負(fù) 載為產(chǎn)生諧波的諧波源 變流器和與其相連的電感 直流側(cè)儲(chǔ)能元件 圖中為電 容 共同組成有源電力濾波器的主電路 它們均可用于單相或三相系統(tǒng) 由于有 源電力濾波器的主電路與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng) 故稱為并聯(lián)型 又由于其補(bǔ)償電 流基本上由有源電力濾波器提供 與其它方式相區(qū)別 稱之為單獨(dú)使用方式 這是有源電力濾波器中最基本方式 也是目前應(yīng)用最多的方式 這種方式可用 于 1 只補(bǔ)償諧波 2 只補(bǔ)償無功功率 補(bǔ)償?shù)亩嗌倏梢愿鶕?jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié) 3 補(bǔ)償三相不對(duì)稱電流 4 補(bǔ)償供電點(diǎn)電壓波動(dòng) 5 以上任意項(xiàng)的組合 在 這種方式中 只要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢赃_(dá)到多種補(bǔ)償?shù)哪康?本文也主 要是討論這種類型的濾波器 2 4 有源電力濾波器的特性 2 4 1 雙向補(bǔ)償特性 有源電力濾波器的雙向補(bǔ)償特性為 當(dāng)負(fù)載電流含有較大的諧波時(shí) 為了 負(fù)載的諧波不流入系統(tǒng)電源 在負(fù)載端通過有源電力濾波器就地給予抑制使系 統(tǒng)電源不受諧波污染 它的檢測(cè)電路在負(fù)載側(cè) 負(fù)責(zé)輸出的主電路在系統(tǒng)電源 側(cè) 如圖 2 8 a 另外有些負(fù)載 如通信系統(tǒng) 對(duì)電源要求較高 而系統(tǒng)電源又 含有較大的諧波 這時(shí)可通過有源電力濾波器在系統(tǒng)電源流入負(fù)載前對(duì)電源進(jìn) 行凈化 即抑制系統(tǒng)電源的諧波 使之不影響負(fù)載工作 這種情況的檢測(cè)電路 在系統(tǒng)電源端 而負(fù)責(zé)輸出的主電路在負(fù)載端 如圖 2 8 b 圖 2 7 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 精品文檔 19歡迎下載19歡迎下載19歡迎下載 a 抑制負(fù)載諧波流入系統(tǒng)電源 b 抑制系統(tǒng)電源諧波流入負(fù)載 圖 2 8 APF 的雙向補(bǔ)償特性 2 4 2 其他特性 除了雙向補(bǔ)償特性外 根據(jù)對(duì)其工作原理的分析可知有源電力濾波器還有 下述特點(diǎn) 1 對(duì)各次諧波均能有效地抑制 且可提高功率因數(shù) 實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波和基 波無功功率的補(bǔ)償 2 系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí) 不會(huì)影響補(bǔ)償效果 3 不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象 且能抑制由于外電路諧振產(chǎn)生對(duì)諧波電流的放大 4 不存在過載問題 即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí) 裝置仍可運(yùn)行 無需斷開 有源電力濾波器之所以具有這些特性是因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是一個(gè)電流源 對(duì)于不同 的負(fù)載 根據(jù)補(bǔ)償指令電流的大小來輸出所需的電流 可用于大的負(fù)載 也可 用于小的負(fù)載 僅是補(bǔ)償程度不同 6 2 5 有源電力濾波器的控制方法 有源電力濾波器要求補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流實(shí)時(shí)跟蹤指令電流 信號(hào)的變化 因此電流控制電路通常采用跟蹤型 PWM 控制方式 比較常用的 PWM 的控制方法主要有滯環(huán)比較方式 三角波比較方式和空間矢量控制 此外 近年來無差拍控制和特定消諧法等也受到人們的關(guān)注 下面就簡(jiǎn)要介紹一下最 精品文檔 20歡迎下載20歡迎下載20歡迎下載 常用的三種控制方法 2 5 1 滯環(huán)比較方式 圖 2 9 所示為滯環(huán)比較方式的原理圖 圖中以一相的控制為例來說明該方 式的原理 圖 2 9 滯環(huán)比較方式原理圖 在滯環(huán)比較方式中 把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)進(jìn) c i c i 行比較 二者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入 通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電 c i 路中開關(guān)通斷的 PWM 信號(hào) 該 PWM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來控制開關(guān)的通斷 最終控 制補(bǔ)償電流的變化 可見 滯環(huán)比較方式根據(jù)給定補(bǔ)償信號(hào)和測(cè)得的逆變器 c i 輸出電流的誤差來控制逆變器的開關(guān)動(dòng)作 但誤差超過上 下限 由滯環(huán)寬度 決定 時(shí)開關(guān)立即動(dòng)作 從而使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi) 圍繞其參考滯 環(huán)上下波動(dòng) 因此該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 響應(yīng)快 對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng) 輸出電壓 中不含特定頻率的諧波分量 這種控制方式中 滯環(huán)寬度對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性 能有較大的影響 滯環(huán)寬度大 開關(guān)通斷的頻率即器件的開關(guān)頻率較低 故對(duì) 開關(guān)器件的要求不高 但是跟隨誤差大 補(bǔ)償電流中高次諧波較大 反之 當(dāng) 滯環(huán)寬度較小時(shí) 雖然跟隨誤差小 但是開關(guān)頻率較高 引起損耗增加 通常 滯環(huán)的帶寬為固定值 這就導(dǎo)致主電路中器件的開關(guān)頻率是變化的 會(huì)引起較 大的脈動(dòng)電流和開關(guān)噪聲 尤其當(dāng)變化的范圍較大時(shí) 一方面 在值小的 c i c i 時(shí)候 固定的環(huán)寬可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差較大 另一方面 在值大 c i 的時(shí)候 固定的環(huán)寬又可能使器件的開關(guān)頻率過高 甚至可能超出器件允許的 最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞 針對(duì)采用滯環(huán)比較器的上述缺點(diǎn) 一種解決方 法就是采用定時(shí)控制的瞬時(shí)值比較方式 其原理圖如圖 2 10 所示 精品文檔 21歡迎下載21歡迎下載21歡迎下載 圖 2 10 定時(shí)比較方式原理圖 這種方式不用滯環(huán)比較器 而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘 以固定的采樣周期 對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣 并根據(jù)二者偏差的極性來控制逆變電路開 關(guān)器件的通斷 使被控量跟蹤指令信號(hào) 由于每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)判斷一次 c i 使得 PWM 信號(hào)需要至少一個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)變化一次 器件的開關(guān)頻率最高不會(huì) 超過時(shí)鐘頻率的一半 這樣時(shí)鐘信號(hào)的頻率就限定了器件的最高工作頻率 從 而可以避免器件開關(guān)頻率過高的情況發(fā)生 但和滯環(huán)比較方式相比 這種方式 的電流控制誤差沒有一定的環(huán)寬 控制精度要低一些 2 5 2 三角波比較方式 圖 2 11 所示為三角波比較方式的原理圖 這種方式與其他用三角波作為載 波的 PWM 控制方式不同 它不直接將指令信號(hào)與三角波比較 而是將與的 c i c i 偏差經(jīng)放大器 A 之后再與三角波比較 放大器 A 往往采用比例放大器或比 c i 例積分放大器 這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來進(jìn)行設(shè)計(jì) c i 的 圖 2 11 三角波比較方式原理圖 與滯環(huán)比較方式相比 該方式具有如下特點(diǎn) 1 輸出電流所含諧波較少 但是含有與三角載波相同頻率的諧波 2 器件的開關(guān)頻率固定 且等于三角載波的頻率 這要優(yōu)于滯環(huán)控制 3 放大器的增益有限 4 電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式慢 精品文檔 22歡迎下載22歡迎下載22歡迎下載 5 跟隨誤差范圍不確定 2 5 3 空間矢量控制 空間矢量控制技術(shù)是建立在交流異步電機(jī)磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上的一種控制策略 現(xiàn)在已成為一種流行的 PWM 控制技術(shù) 相對(duì)于滯環(huán) PWM 技術(shù) 三角波 PWM 技術(shù) 空間矢量控制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn) 1 提高了直流電壓的利用率 2 采用不連續(xù)開關(guān)方式調(diào)制時(shí) 降低開關(guān)器件的開關(guān)損耗 3 調(diào)制方法便于數(shù)字實(shí)現(xiàn) 2 5 4 本文采用的控制方法 通過以上幾種控制方法的介紹 本文采用了滯環(huán)比較方式 這種控制方式 的硬件電路十分簡(jiǎn)單 屬于實(shí)時(shí)控制方式 電流響應(yīng)很快 而且輸出電壓中不 含特定頻率的諧波分量 能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果 精品文檔 23歡迎下載23歡迎下載23歡迎下載 第三章第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 3 1 概述 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3 1 所示 圖中 負(fù)載為諧波源 采用三相橋式不可控整流器 其直流側(cè)為阻感性負(fù)載 系統(tǒng)原理已經(jīng)在第二章 中介紹過 在此不再敘述 圖 3 1 并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 3 2 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 3 2 1 主電路 變流器 設(shè)計(jì) 有源電力濾波器主電路根據(jù)其直流側(cè)貯能元件的不同 可分為電壓型和電 流型 根據(jù)2 3 2 節(jié)所述 本文主電路采用三相電壓型PWM 變流電路 其結(jié)構(gòu)見 圖 3 2 所示 主電路的工作原理 補(bǔ)償電流是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電 C i 源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的 主電路的工作情況是由主電路中6 組開關(guān)器 件的通斷組合所決定的 通常 同一相的上下兩組開關(guān)總有一組中的一個(gè)器件 是導(dǎo)通的 假設(shè)三相電源電壓之和 并根據(jù)該電路有0 abc eee 精品文檔 24歡迎下載24歡迎下載24歡迎下載 0 cacbcc iii 圖 3 2 主電路結(jié)構(gòu) 可得出描述主電路工作情況的微分方程如下 3 ca adca di Lk Ue dt 1a 3 cb bdcb di Lk Ue dt 1b 3 cc cdcc di Lk Ue dt 1c 式中 主電路各橋臂中點(diǎn)與電源中點(diǎn)之間的電壓 adc k U bdc k U cdc k U 開關(guān)系數(shù) 0 a k b k c k a k b k c k 主電路的設(shè)計(jì)包括對(duì)功率器件的選取 直流側(cè)電容容量的確定 交流側(cè)電 感值的確定等 有源電力濾波器容量 3 2 3 AC SEI E 相電壓有效值 補(bǔ)償電流有效值 C I 求出 1000 1 515 3 220 C IA 精品文檔 25歡迎下載25歡迎下載25歡迎下載 有源電力濾波器只補(bǔ)償諧波時(shí) 有 3 3 CLh II 25 LhL II 因此 主電路的容量約為補(bǔ)償對(duì)象容量的 25 6 06 L IA 4 L SKVA 所以 并聯(lián)型有源電力濾波器的額定工作條件如下 電源相電壓 220V 負(fù)載功率 4kVA 并聯(lián)型有源電力濾波器的額定容量 1kVA 為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì) 功率器件選用智能功率模塊 Intelligent Power Module 簡(jiǎn)稱 IPM IPM 是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝 把智能功率集成電路與 微電子器件及外圍功率器件組裝成一體 它不僅把功率開關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集 成在一起 而且還內(nèi)藏有過電壓 過電流和過熱等故障檢測(cè)電路 它由高速低 功耗的管芯 優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成 即使發(fā)生負(fù)載事故 或使用不當(dāng) 也可以使 IPM 自身不受損壞 IPM 的內(nèi)部框圖如圖 3 3 所示 模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路 IGBT 驅(qū) 動(dòng)電路 過流保護(hù)電路 短路保護(hù)電路 溫度傳感器 過熱保護(hù)電路 門電路 和 IGBT 單元等 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng) 欠欠壓壓 過過溫溫 過過流流 短短路路 溫溫度度檢檢測(cè)測(cè) C E V IN o F GND 圖 3 3 IPM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元 智能功率模塊 IPM 的優(yōu)點(diǎn) 1 開關(guān)速度快 IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型 而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠IGBT芯 片 驅(qū)動(dòng)延時(shí)小 所以IPM開關(guān)速度快 損耗小 2 低功耗 IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低 開關(guān)速度快 故IPM功耗小 3 快速的過流保護(hù) IPM實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT電流 當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過載或直接短路時(shí) IGBT將被軟關(guān)斷 同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào) 4 過熱保護(hù) 在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器 當(dāng)基板過 精品文檔 26歡迎下載26歡迎下載26歡迎下載 熱時(shí) IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng) 不響應(yīng)輸入控制信號(hào) 5 橋臂對(duì)管互鎖 在串聯(lián)的橋臂上 上下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖 有效防止 上下臂同時(shí)導(dǎo)通 6 抗干擾能力強(qiáng) 優(yōu)化的門級(jí)驅(qū)動(dòng)與IGBT集成 布局合理 無外部驅(qū)動(dòng)線 7 驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù) 當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源 一般為15V 就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能 力不夠 增加導(dǎo)通損耗 IPM自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電源 當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^10 s 時(shí) 將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào) 8 IPM內(nèi)設(shè)計(jì)了相關(guān)的外圍電路 縮短開發(fā)時(shí)間 9 無須采取防靜電措施 10 大大減少了元件數(shù)目 體積相應(yīng)小 本文所設(shè)計(jì)的裝置采用三菱公司生產(chǎn)的PM10RSH120 其耐壓為1200V 電流 為10A 3 2 2 主電路交流側(cè)電感的計(jì)算 并聯(lián)型有源電力濾波器交流側(cè)電感通過其兩側(cè)的電壓差產(chǎn)生補(bǔ)償電流 它 具有很重要的作用 1 平衡有源電力濾波器主電路中各點(diǎn)電壓 2 能量存儲(chǔ)和雙向饋送 3 調(diào)整補(bǔ)償電流的相位 并使補(bǔ)償電流連續(xù) 4 緩沖各相電壓中諧波的無功功率 電感的選擇必須滿足并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)期望諧波電流的跟蹤能力 電感值L越大 變化越慢 反之 則變化越快 電感選擇不宜過大 但是當(dāng)電 c i 感選擇較小時(shí) 會(huì)使并聯(lián)型有源電力濾波器的實(shí)際補(bǔ)償電流相對(duì)于期望補(bǔ)償電 流具有很大的超調(diào) 毛刺較大 因此 電感的選擇應(yīng)該綜合考慮補(bǔ)償電流跟蹤 能力以及電流超調(diào)兩方面的要求 首先 為了滿足電流跟蹤能力 并聯(lián)型有源電力濾波器的實(shí)際補(bǔ)償電流變 化率應(yīng)大于期望補(bǔ)償電流的最大變化率 即 3 4 k dt di dt di cc max 式 3 56 中 值一般通過仿真的方法獲得 k 精品文檔 27歡迎下載27歡迎下載27歡迎下載 對(duì)于來說 在一個(gè)電網(wǎng)周期中 當(dāng)或時(shí) 達(dá)最大值 c i0 t t dt dic 所以 以下考慮時(shí)的情況 0 t 3 5 1 c adca di K UU dtL 式 3 58 在時(shí) 為零 取最小值發(fā)生在為時(shí)刻 為滿0 t a U dt dic a K 3 1 足式 3 57 則有 3 6 min 3 cdc diU k dtL 即電感應(yīng)滿足 3 7 3 dc U L k 其次 電感的選擇必須保證補(bǔ)償電流超調(diào)不宜過大 若允許的最大電流誤 差范圍為 則有 I 3 8 It dt dic 在取最大值的時(shí)刻 有 dt dic 0 t 3 9 max 2 3 cdc diU ttI dtL 所以有 3 10 2 3 dc U L fI 綜合式 3 60 3 63 可得電感的取值范圍為 3 11 2 33 dcdc UU L fIk 3 2 3 直流側(cè)電壓計(jì)算和電容選取 有源電力濾波器正常工作時(shí) 實(shí)際補(bǔ)償電流在指令電流兩側(cè)呈鋸齒波狀跟隨 精品文檔 28歡迎下載28歡迎下載28歡迎下載 其變化 對(duì)于 A 相 根據(jù)式 3 1a 當(dāng)時(shí) 有源電力濾波器 A 相橋臂的 caca ii 上開關(guān)器件應(yīng)該導(dǎo)通 下開關(guān)器件應(yīng)該關(guān)斷 Ka 為 1 3 或 2 3 若取 Ka 1 3 則 3 12 1 1 3 ca dca di Ue dtL 要使實(shí)際補(bǔ)償電流更