有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)研究

1、北京理工大學(xué)珠海學(xué)院2020屆本科畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)研究有源電力濾波器諧波補(bǔ)償技術(shù)研究摘 要現(xiàn)今社會(huì)上，電力電子器件廣泛應(yīng)用，給人們帶來便利的同時(shí)，也帶來了諧波問題。諧波使得電能質(zhì)量的問題日益嚴(yán)重，并且用電設(shè)備對電能質(zhì)量十分敏感，人們對供電質(zhì)量的要求也越來越高。因?yàn)橛性礊V波器有良好抑制諧波、補(bǔ)償諧波的作用，并且成為治理諧波有效的工具，所以下文就是通過研究諧波補(bǔ)償技術(shù)對有源濾波器進(jìn)行研究。本文先介紹諧波的出現(xiàn)和危害進(jìn)行簡要的闡述，然后分析國內(nèi)與國外對有源濾波器研究的現(xiàn)狀以及研究的意義，再者介紹有源濾波器的工作原理、作用、優(yōu)缺點(diǎn)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及在設(shè)計(jì)中用到的方法的介紹，檢測方法

2、與控制方法對諧波補(bǔ)償效果有著重要的作用，最后通過matlab設(shè)計(jì)仿真模型并對波形分析，如此進(jìn)行課題的研究。關(guān)鍵詞：諧波補(bǔ)償；有源電力濾波器；檢測；控制。Research on harmonic compensation technology of shunt active power filterAbstractIn todays society, power electronic devices are widely used, bringing people convenience, but also bring harmonic problems.Harmonic wave makes

3、the problem of power quality more and more serious, and the electric equipment is very sensitive to power quality, peoples demand for power supply quality is also more and more high.Because active power filter has good function of suppressing and compensating harmonics, and becomes an effective tool

4、 to control harmonics, the following is to study active power filter by studying harmonic compensation technology.First introduced in this paper briefly expounds the appearance and harm of harmonic, and then analyzes the present situation of domestic and foreign research on active filter and the sig

5、nificance of research, also introduce the working principle of active filter, function, advantages and disadvantages, topology structure and the design methods used in the introduction, testing method and the control method for harmonic compensation effect plays an important role, finally through th

6、e matlab simulation model and the waveform analysis, this topic research.Key words: harmonic compensation; Active power filter; Detection; Control.目錄1 前言11.1濾波的來源與危害11.2研究意義21.3本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況31.3.1國外現(xiàn)狀31.3.2國內(nèi)現(xiàn)狀32 有源電力濾波器32.1有源電力濾波器的工作原理32.2有源電力濾波器的作用42.3有源電力濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)42.4有源濾波相對無源濾波的優(yōu)勢52.5有源電力濾波器的分類52.5.

7、1串聯(lián)型有源電力濾波器62.5.2并聯(lián)型有源電力濾波器62.5.3串-并聯(lián)型有源電力濾波器72.6主電路的選用分類82.6.1直接接入型82.6.2間接接入型82.7按有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的分類82.8根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)相數(shù)分類93 諧波檢測103.1諧波檢測原理103.2諧波檢測法的種類103.3 ip-iq法的介紹104 控制策略114.1補(bǔ)償電流跟蹤控制114.2滯環(huán)比較PWM電流控制114.3三角波控制124.4補(bǔ)償電流控制方式的確定135 設(shè)計(jì)過程136 結(jié)論18參考文獻(xiàn)19謝 辭20附 錄211 前言現(xiàn)在社會(huì)上運(yùn)用電力電子技術(shù)越來越多，其中電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很多諧波的問題，對

8、系統(tǒng)產(chǎn)生了一定的影響，使得運(yùn)行時(shí)諧波的問題很嚴(yán)重。這幾年來，為了克服這種問題，各種有源電力濾波器以其良好的濾波性能而受到人們的關(guān)注，為了克服諧波的問題，有源濾波器也在不斷地發(fā)展進(jìn)步，它可以通過計(jì)算得到電路的諧波電流，再實(shí)時(shí)的調(diào)整補(bǔ)償電流的大小，以達(dá)到效果。1.1濾波的來源與危害諧波會(huì)在電力系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，在一些設(shè)備和一些負(fù)荷中產(chǎn)生，它產(chǎn)生的具體原因是什么呢？當(dāng)負(fù)載電壓與電流不成比例的變化時(shí)，產(chǎn)生非線性關(guān)系，就會(huì)導(dǎo)致波形因?yàn)殡妷号c電流非線性關(guān)系而進(jìn)行不規(guī)律的變化。而在系統(tǒng)供電傳輸過程中又會(huì)產(chǎn)生某些電壓與電流存在非線性關(guān)系的元器件會(huì)吸收部分基波而轉(zhuǎn)化為諧波，這個(gè)時(shí)候，它的系統(tǒng)就會(huì)發(fā)送出很多諧波，

9、從而讓電力系統(tǒng)中的正弦波形失真，這樣也會(huì)導(dǎo)致電能的質(zhì)量大大下降，使得運(yùn)行系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，尤其是最近很多年來，隨著時(shí)代的進(jìn)步科技的發(fā)展，電力電子設(shè)備已經(jīng)是人們生活中不可或缺的一部分，人們廣泛使用，在增加人們生活便利的同時(shí)，也存在負(fù)面影響，諧波對人們在使用電子器件的過程中影響也越來越大，尤其是在公共電網(wǎng)這種大型電力設(shè)施場所，諧波污染愈加嚴(yán)重。近些年來，以諧波為源頭導(dǎo)致的大量的事故和故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了人們的日常生活，所以這方面的問題引起了人們高度的重視。諧波電流和諧波電壓的危害大致可分為以下幾個(gè)方面:(1)諧波會(huì)影響到很多電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。尤其是高頻的諧波分量，它會(huì)在電動(dòng)機(jī)的鐵芯里和變壓

10、器產(chǎn)生比較大的渦流。從高頻諧波中產(chǎn)生的渦流會(huì)在磁芯中產(chǎn)生大量的熱量，這也會(huì)增加磁場的額外的損耗。除此之外，這些諧波不僅對變壓器和電機(jī)造成額外的損耗，同時(shí)，它也會(huì)使得變壓器過熱，甚至?xí)a(chǎn)生噪聲，機(jī)械振動(dòng)和過電壓，并且在有些時(shí)候，諧波頻率會(huì)不斷增大，當(dāng)它增大到接近電機(jī)的固定頻率的時(shí)候，會(huì)使得電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)震動(dòng)?？偨Y(jié)就是，諧波會(huì)讓一些設(shè)備絕緣老化，發(fā)熱過度，使得其使用壽命大大減少。(2)在電力系統(tǒng)中，諧波的電阻的增大，大多是因?yàn)楦叽沃C波會(huì)發(fā)生收斂反應(yīng)，這也會(huì)產(chǎn)生一系列的連鎖反應(yīng)，對電路產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，在電路傳輸過程中，諧波會(huì)增加線路損耗，這大大增加了傳輸成本，并且由于傳輸能力降低導(dǎo)致不能及時(shí)的達(dá)到所期望

11、的效果，并且由于損耗的增加也導(dǎo)致電氣設(shè)備的使用效率降低，產(chǎn)生了不必要的浪費(fèi)，若諧波過多不僅會(huì)對主系統(tǒng)產(chǎn)生影響，還會(huì)波及到其他的部件，增加多余的損耗，因此諧波對整個(gè)電力系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生影響。在我們生活中大部分會(huì)用到電纜來作為輸電系統(tǒng)的載體，諧波問題會(huì)使絕緣浸漬的那個(gè)部分放電，也會(huì)加速它的絕緣老化，同時(shí)減少電纜的壽命。不單單是這些器件，系統(tǒng)里面的斷路器也會(huì)受到影響，比如在嚴(yán)重的諧波的時(shí)候，斷路器很有可能受到諧波的污染而導(dǎo)致它的損壞，嚴(yán)重的時(shí)候，可能會(huì)停止工作，那樣就給電力系統(tǒng)運(yùn)行增加了更多風(fēng)險(xiǎn)，無法起到保護(hù)的作用。除了諧波對電網(wǎng)造成線路損壞之外呢，更嚴(yán)重的是給電網(wǎng)帶來了巨大的污染，使得電網(wǎng)的供電質(zhì)量下

12、降，同時(shí)會(huì)使其他各類的電力設(shè)備的正常使用時(shí)產(chǎn)生大量的問題。(3)諧波過多時(shí)，在電力系統(tǒng)中很容易會(huì)產(chǎn)生諧振，而諧振的后果便是機(jī)器很容易故障，由于系統(tǒng)內(nèi)部串聯(lián)型諧振或并聯(lián)型諧振都會(huì)導(dǎo)致諧波增加并放大，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生大量損耗，損耗過多進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)整體溫度升高，若不注意會(huì)產(chǎn)生不利的后果。諧波不僅僅會(huì)發(fā)生上述的情況，它對電力系統(tǒng)的危害還有很多。許多電力系統(tǒng)會(huì)裝設(shè)濾波器來消除諧波，但是濾波器也有其自身固定的特征頻率，每當(dāng)電抗器和電容器的諧波含量和頻率達(dá)到一定的時(shí)候，它就會(huì)產(chǎn)生串并聯(lián)諧振中的一種，這個(gè)時(shí)候，諧波電流的含量會(huì)變成平時(shí)的幾倍，嚴(yán)重的時(shí)候，甚至?xí)兂稍黾訛樵瓉淼膸资叮@會(huì)對設(shè)備的運(yùn)行有著巨大的威脅

13、。按照以前的例子，電容器和電抗器常常在這個(gè)時(shí)候，形成諧波放大事故，使得其被嚴(yán)重?zé)龎摹?4)諧波會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，也會(huì)使一些測量電氣的儀器不準(zhǔn)確，這就會(huì)給使用產(chǎn)生很多的障礙，尤其是在一些精密的工程中，一點(diǎn)誤差可能會(huì)給結(jié)果帶來十分大的影響，波形的畸變必然會(huì)導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差。功率的測量儀器一般是根據(jù)工頻正弦波設(shè)計(jì)的。功率測量儀器有各種各樣的方法，包括磁電法、電法和電感法，以及新興的數(shù)字采樣法，不管是哪種測量方法都要避免波形的畸變，減少誤差。1.2研究意義1.重視諧波的治理，加強(qiáng)對無功補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用，會(huì)使得電力系統(tǒng)因?yàn)橹C波而產(chǎn)生的設(shè)備的損耗有效地減少，并且能夠推動(dòng)電力電子設(shè)備以及相應(yīng)技

14、術(shù)的發(fā)展。例如，電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步與諧波管理和無功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展是相互促進(jìn)的。2.濾波電流諧波:可有效濾除負(fù)荷電流中225倍的所有諧波，并使其達(dá)到國家的諧波標(biāo)準(zhǔn)要求，從而配電網(wǎng)更加干凈，所用的設(shè)備運(yùn)行更加地高效，間接地起到了保護(hù)設(shè)備的作用，增加設(shè)備的使用壽命。3.由于在電網(wǎng)中，單靠無源濾波裝置是無法完全減除諧波，甚至當(dāng)諧波過多時(shí)會(huì)反其道而行之，所以要在電網(wǎng)容量承受范圍內(nèi)盡可能抑制電網(wǎng)諧振，減少危害。1.3本設(shè)計(jì)在國內(nèi)外的發(fā)展概況1.3.1國外現(xiàn)狀有源電力濾波器（APF）在國外發(fā)展的相對比較先進(jìn)，由于早在20世紀(jì)，世界上一些發(fā)達(dá)國家例如：日本、美國、法國等國家就已開始研究，并且在不斷地研究

15、試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，很快便獲得了認(rèn)可，其中大部分使用的都是并行的APF。時(shí)至今日，有源電力濾波器發(fā)展愈加成熟，在國外許多大型工業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用，獲得了成功，在降低了損耗的同時(shí)還減少了諧波污染，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)際推廣階段，并且容量也不斷提高，從只能對單個(gè)電力設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娇梢蕴岣哒麄€(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。國外有源電力濾波器技術(shù)目前的發(fā)展趨勢主要有以下幾種：首先在主要設(shè)備技術(shù),要盡可能增加補(bǔ)償容量，以達(dá)到可以應(yīng)對大量諧波的故障，由于濾波器生產(chǎn)成本過高，所以要在增加補(bǔ)償容量優(yōu)化性能的同時(shí)，盡可能減少成本，使其更好的推廣，國外也在不斷嘗試將有源電力濾波器與其他設(shè)備組合使用；在應(yīng)用方面,研究解決有源濾波器的

16、最優(yōu)配置,電磁兼容性和停電和瞬時(shí)保護(hù);此外,諧波補(bǔ)償?shù)念l率逐漸增加,和單個(gè)設(shè)備的能力也逐漸增加。隨著有源電力濾波器(apf)的容量逐漸提高，發(fā)展前途光明，因此許多國家也加大了在這方面研究的投入。1.3.2國內(nèi)現(xiàn)狀從20世紀(jì)90年代開始到現(xiàn)在，但是相對于發(fā)達(dá)國家的有源濾波器的研究與應(yīng)用，我國的技術(shù)起步是比較晚的。我國多所大學(xué)對有源濾波器進(jìn)行深入的研究，并且主要是以理論和實(shí)驗(yàn)為主，大部分是實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，容量小，補(bǔ)償效果不理想并且成本高。隨著時(shí)間，國內(nèi)也逐步解決一些問題，并且在市場占的比重越來越高，但是到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)還沒有廣泛應(yīng)用在工業(yè)的領(lǐng)域上。2 有源電力濾波器2.1有源電力濾波器的工作原理為了

17、保證有源濾波器的正常使用的，通常會(huì)在有源濾波器中安裝一個(gè)電池，以此來供電，這個(gè)電源的作用是補(bǔ)償主電路的諧波的，下圖為它的原理圖：從下圖可以看出，電源產(chǎn)生的交流電流is會(huì)進(jìn)入到負(fù)載中，然后消耗得到負(fù)載電流il，然后il會(huì)流入到指令電流運(yùn)算電路中進(jìn)行諧波電流的檢測，這時(shí)候就會(huì)形成一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)隨著電流進(jìn)入到電流跟蹤控制電路中，而補(bǔ)償電流的第一次出現(xiàn)就是在這個(gè)位置，然后電流就進(jìn)入到了PWM變流器中，也就是進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)電路中，經(jīng)過濾波器濾波之后，電流回到主電路，諧波分量與無功分量被消除至國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。圖2.1 APF的結(jié)構(gòu)原理圖2.2有源電力濾波器的作用APF可以以減少電力系統(tǒng)中的諧波含量，對

18、負(fù)載所需的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，成為干凈電網(wǎng)和保護(hù)其他設(shè)備的一種必不可少的設(shè)備。它會(huì)通過諧波電流檢測所測得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對諧波信號(hào)進(jìn)行檢測，根據(jù)監(jiān)測到的諧波信號(hào)，就需要提供一定的諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，其所發(fā)出的電流要求與所測得諧波電流大小相同相位相反，才能進(jìn)行相互抵消。上述總結(jié)可知，它可以濾除諧波、緩沖基波并且補(bǔ)償無功的。2.3有源電力濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.節(jié)能5% 8%2.提高生產(chǎn)效率，保持持續(xù)的電力供應(yīng)3.減少變壓器、斷路器、電纜的投資4.對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)濾波，使系統(tǒng)中的諧波完全被吸收5.沒有共鳴缺點(diǎn)1.由于發(fā)展的限制，目前其成本還相對較高。2.由于硬件的限制，在一些大型電力場所無法進(jìn)行安裝，

19、有可能會(huì)超出有源濾波器的容量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在一些大型電網(wǎng)中，電網(wǎng)最大電流適用電壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出有源濾波器所能承受范圍。2.4有源濾波相對無源濾波的優(yōu)勢1.從設(shè)計(jì)的角度分析:有源電力濾波器相對于無源濾波器容錯(cuò)性更強(qiáng)，無源濾波器不僅需要估計(jì)諧波的最大力量，還需要對電網(wǎng)中的阻抗、諧波等進(jìn)行分析，而有源濾波器只需要對諧波進(jìn)行分析即可。有源濾波器設(shè)計(jì)簡單，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，使方案統(tǒng)一。2.從安裝角度的分析：有源濾波器可以克服無源濾波器所無法解決的問題，比如只是適用于諧波源的局部安裝和局部處理，并且如果在集中補(bǔ)償?shù)那闆r下沒有辦法去避免諧振。而且有源濾波裝置能在集中安裝，這就大大減少了人工以及處理的成本。3.從

20、治理分析:有源濾波裝置具有實(shí)時(shí)性，也能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)、自動(dòng)的治理，并且它能同時(shí)濾掉多個(gè)諧波，濾波率十分的高，但是無源的濾波裝置不可以自動(dòng)操作，只能靜態(tài)地處理，若要確定是否通斷則需要依據(jù)諧波源的工作狀態(tài)，以此來判定。無源濾波裝置的理論濾波率小于70%。4.從經(jīng)濟(jì)角度來分析:有源濾波裝置相比于無源濾波裝置容量更小，成本低，并且濾波率更高，所以在同樣的條件下，有源濾波裝裝置更加經(jīng)濟(jì)。5.從節(jié)能角度分析: 有源濾波裝置相比于無源濾波裝置容量更小，在使用過程中，所產(chǎn)生的損耗也會(huì)小一些，所以有源濾波裝置可以增加設(shè)備的使用時(shí)長，降低不必要的損耗，更加節(jié)能。2.5有源電力濾波器的分類APF有很多種分類，下圖可以直

21、觀看出它的分類。圖2.5有源電力濾波器的分類2.5.1串聯(lián)型有源電力濾波器如下圖所示，串聯(lián)型有源電力濾波器是通過一個(gè)變壓器將一個(gè)串聯(lián)型有源電力濾波器在負(fù)荷與電源之間。它可以降低負(fù)載在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的電壓諧波，以及減少諧波的污染問題，同時(shí)，它也消除諧波電流對設(shè)備的影響。在濾波的時(shí)候，串聯(lián)型有源電力濾波器是相當(dāng)于不同阻抗的等效阻抗，也可以相當(dāng)于一個(gè)值比較大的阻抗，那么它就會(huì)使得諧波電流進(jìn)入APF中，起到濾波作用。但是它的損耗比較大并且保護(hù)電路比較復(fù)雜，所以人們一般很少將它單獨(dú)使用。圖2.5.1串聯(lián)型有源濾波器2.5.2并聯(lián)型有源電力濾波器如下圖所示，為并聯(lián)型有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并聯(lián)型有源濾波

22、器是將電網(wǎng)和逆變器并聯(lián)，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，從而產(chǎn)生偏置。因?yàn)槟孀兤鞯妮敵鰰?huì)直接受到電網(wǎng)典雅的影響，所以在單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臅r(shí)候容量也比較小，對它的要求也就會(huì)相對比較高，從而成本也比較高。所以，為了更加合理地使用并聯(lián)型有源電力濾波器，在現(xiàn)實(shí)的工廠施工中經(jīng)常把它與無源濾波器一起使用。圖2.5.2并聯(lián)型有源濾波器并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本的一種有源電力濾波器，它體現(xiàn)了有源電力濾波器6的特性。 (1)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，精度高。利用瞬時(shí)無功理論可以提出多種不同的諧波電流檢測方法，但不同檢測方法會(huì)造成的誤差和延時(shí)，這是我們需要解決的問題。(2)可以實(shí)時(shí)的控制補(bǔ)償電流的輸出。檢測模塊會(huì)根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出指令電流，并聯(lián)

23、型有源電力濾波器可以通過跟蹤檢測指令電流來進(jìn)行補(bǔ)償，以此來確定補(bǔ)償電流的輸出。目前比較先進(jìn)的技術(shù)是采用數(shù)字控制技術(shù)來設(shè)定控制策略。(3)補(bǔ)償電流技術(shù)，補(bǔ)償電流技術(shù)可以保證我們在電力系統(tǒng)中準(zhǔn)確的輸出電路所需的補(bǔ)償電流，使電路達(dá)到穩(wěn)定，因此補(bǔ)償電流技術(shù)也是必不可少的一部分。隨著科技的發(fā)展，如今濾波器的廣泛應(yīng)用，其中并聯(lián)型有源電力濾波器(apf)是應(yīng)用最廣泛。2.5.3串-并聯(lián)型有源電力濾波器串-并聯(lián)型有源電力濾波器是分別由串聯(lián)和并聯(lián)的有源電力濾波器組成，若圖2.5.3所示，它們共享直流側(cè)的儲(chǔ)能元件。圖2.5.3串-并聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián),并聯(lián)型有源電力濾波器結(jié)合了并聯(lián)型有源電力濾波器與串聯(lián)型有源

24、濾波器的優(yōu)點(diǎn)，可以在補(bǔ)償諧波電流的同時(shí)對電壓進(jìn)行補(bǔ)償，包括諧波負(fù)荷端和電網(wǎng)諧波。解決單一串聯(lián)或并聯(lián)型有源電力濾波器的不足,功能豐富,使電壓質(zhì)量和供電可靠性提高。2.6主電路的選用分類2.6.1直接接入型直接接入型是有源和無源的組合，這個(gè)組合能降低有源濾波器的成本，比如并聯(lián)LC無源濾波器可以濾除大量的較低次的諧波，而有源濾波器相對之下需要濾除的濾波就會(huì)減少。能以較低的成本消除電壓和電流的諧波，推出市面的價(jià)格也會(huì)相對以前減少，將會(huì)很受歡迎。然而，這種濾波器結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是它只能補(bǔ)償特定的負(fù)載。2.6.2間接接入型以此種方法進(jìn)行連接，可以在保持無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)濾除諧波和補(bǔ)償無功功率同時(shí)，通過有源濾波器來

25、對其缺點(diǎn)進(jìn)行彌補(bǔ)，有源濾波器可以有效地克服電網(wǎng)阻抗對其產(chǎn)生的影響，發(fā)生電網(wǎng)共振等不良因素。但也存在一定的缺點(diǎn)，不能承受交流電源的基本電壓。2.7按有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的分類有源電力濾波器可以根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同進(jìn)行分類，當(dāng)儲(chǔ)能元件是電容器時(shí)，他便是電壓型，當(dāng)儲(chǔ)能元件是電感器時(shí)，可以認(rèn)為是電流型。如下圖所示，電流型的APF上連接著一個(gè)電感，電感是作為一個(gè)電流源提供諧波電流的。電壓型APF上則連接著一個(gè)電容，電容起著濾波的作用，可將一定頻段內(nèi)的信號(hào)從總信號(hào)中清除掉。電壓型的逆變器比電流型的優(yōu)點(diǎn)更為顯著，他可以解決電流源逆變器中不能用于多電平的缺點(diǎn)，并且電壓型濾波效率更高，

26、同樣的工作情況下，損耗更小，所以目前市面上的APF基本使用電壓型逆變器。圖2.7.1電壓型APF圖2.7.2電流型APF2.8根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)相數(shù)分類根據(jù)有源電力濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)的相數(shù)分類，有源電力濾波器可分為單相和三相，三相系統(tǒng)中又包括三相三線制和三相四線制。如商業(yè)辦公室或有計(jì)算機(jī)負(fù)載的教學(xué)樓和小型工廠這類低功耗的場所一般采用單相有源濾波器。若當(dāng)電路中存在較多的諧波電流時(shí)，就需要在共耦合點(diǎn)連接幾個(gè)小濾波器，組成一個(gè)大的濾波器對大量諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，負(fù)責(zé)容易引起電路事故。因?yàn)榻ㄖ锢镉泻芏嗟膯蜗嘭?fù)荷，并且隨著設(shè)備運(yùn)行，會(huì)產(chǎn)生很多的諧波電流，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生十分多的危害。在這種情況下可以選擇性地補(bǔ)償。但

27、是另外一個(gè)方面，住宅用戶不可能投資單相有源濾波器，因?yàn)樽≌?fù)荷基本不會(huì)產(chǎn)生很多集中的諧波，同時(shí)缺乏強(qiáng)制性的諧波約束?？梢蕴幚肀容^小的功率負(fù)載是單相有源濾波器的主要的優(yōu)點(diǎn)，所以變換器的開關(guān)頻率可以非常高，使得整個(gè)裝置的諧波補(bǔ)償性能大大提升。三相器件，在選擇主電路和濾波器的時(shí)候是要看三相系統(tǒng)是不是平衡。在功率比較低的時(shí)候，裝置中可以使用三相有源濾波器。不用三相系統(tǒng)和補(bǔ)償電壓諧波來消除電流的諧波是平衡負(fù)載使用的目標(biāo)，并且采用APF的結(jié)構(gòu)是可行的。如果在主電路結(jié)構(gòu)上使用基于三相逆變器的三相有源電力濾波器，要在負(fù)載電流不平衡或者供電電壓不對稱的情況。而三相四線有源濾波器的使用可以減少系統(tǒng)帶來的中線電流、

28、諧波、三相不平衡和無功功率的影響，因此大多數(shù)單相負(fù)荷都是由三相系統(tǒng)供電，就是為了減少諸如上面此類系統(tǒng)問題的發(fā)生。3 諧波檢測3.1諧波檢測原理如果高頻諧波電流需要有源濾波器來補(bǔ)償，這只會(huì)增加有源濾波器的損耗以及負(fù)擔(dān)，所以一般的情況下，需要對不同次的諧波進(jìn)行檢測以此來滿足有源濾波器對特定低頻次諧波的補(bǔ)償?shù)囊?。在大多的情況下，APF難以輸出高頻濾波電流，因?yàn)殡娋W(wǎng)只需要濾除低次諧波，電網(wǎng)的阻抗會(huì)將高次諧波抑制住。由上述的分析可以讓我們知道，傳統(tǒng)的ip-iq法計(jì)算出來的是三相電網(wǎng)基波的正序電壓與電流矢量的組合。3.2諧波檢測法的種類基于瞬時(shí)無功理論的檢測方法有p-q、ip-iq、d-q等，它廣泛應(yīng)用

29、于三相電路中，具有較好的實(shí)時(shí)性3.3 ip-iq法的介紹本文選擇了ip-iq檢測法。實(shí)功率p和虛功率q均可表示為P = p1 + p2Q = q1 + q2其中p1和q1是傳統(tǒng)有功功率的平均值。無功功率是自適應(yīng)的。P2和q2是振蕩功率，與負(fù)載電流中的諧波有關(guān)。通過低通濾波器過濾掉p2和q2，我們可以得到p1和q1。諧波電流是由基波電流經(jīng)過換算之后得到的基波電流，再減去原始電流得到的?；舅悸分皇且a(bǔ)償負(fù)載中的電流分量，那么補(bǔ)償后從電網(wǎng)汲取得電流會(huì)變成了正弦波形。ip-iq檢測法原理圖如下： 圖3.3 ip-iq檢測法原理圖4 控制策略4.1補(bǔ)償電流跟蹤控制有源濾波器中的補(bǔ)償電流跟蹤控制需要通

30、過兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)，分別是指令檢測電路和電流跟蹤控制電路。指令檢測電路的作用是檢測出諧波電流的諧波含量與次數(shù)，并隨之產(chǎn)生多個(gè)補(bǔ)償?shù)闹噶钚盘?hào)，然后信號(hào)進(jìn)入補(bǔ)償電流發(fā)生電路。電流跟蹤控制電路是補(bǔ)償電流發(fā)生電路的第一步，電路將設(shè)定的參考值與信號(hào)進(jìn)行對比，產(chǎn)生不同時(shí)間的通斷的PWM信號(hào)，而控制的結(jié)果是指令信號(hào)的變化被補(bǔ)償電流隨時(shí)跟蹤。由上可知，電流跟蹤控制需要有較好的實(shí)時(shí)性，并且這種方法會(huì)通過指令信號(hào)和反饋信號(hào)的瞬時(shí)值來決定功率開關(guān)管是通或是斷，如此才能得到有效的控制。4.2滯環(huán)比較PWM電流控制用一相的控制作為例子，滯環(huán)比較PWM電流控制方式的原理圖如下圖所示圖4.2 滯環(huán)比較PWM電流控制方式下面我將

31、i0代表補(bǔ)償電流信號(hào)，i1代表實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)。首先，這種控制方式會(huì)先將i0與i1進(jìn)行比較，然后得出兩者之間的差值。它們的差值就是滯環(huán)比較器的輸入信號(hào)，如此，通過滯環(huán)比較器的控制，隨之會(huì)產(chǎn)生通斷的PWM信號(hào)，之后該信號(hào)會(huì)通過驅(qū)動(dòng)電路來控制i0的實(shí)時(shí)變化。設(shè)i0是圖中的方向，這時(shí)，如果二極管導(dǎo)通，i1將會(huì)減小，而當(dāng)T4器件導(dǎo)通的時(shí)候，i1會(huì)增大，用A來表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)i0-i1A的時(shí)候，滯環(huán)比較器的輸出會(huì)翻轉(zhuǎn)，會(huì)讓A1的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)由1變?yōu)?，而A4的PWM信號(hào)將會(huì)從0變成1，這個(gè)時(shí)候，A4會(huì)處于導(dǎo)通狀態(tài)，i1會(huì)增大；當(dāng)i0-i1A的時(shí)候，滯環(huán)比較器的輸出會(huì)不變。但是如果這個(gè)開關(guān)器件

32、反復(fù)通斷，這就會(huì)使得i1在i1-A和i1+A之間不斷隨著i0變化，如下圖所示。圖5滯環(huán)比較控制時(shí)電流與PWM控制信號(hào)波形 下列公式為電流偏差的允許范圍 用滯環(huán)比較控制方式，A會(huì)對i1的跟隨性能產(chǎn)生比較大的影響。當(dāng)A比較小的時(shí)候，跟隨的誤差會(huì)小，但是開關(guān)的頻率會(huì)比較高，但是A比較大的時(shí)候，開關(guān)頻率就會(huì)比較低，但是跟隨誤差就會(huì)隨之增大，從而對電力半導(dǎo)體的器件要求不會(huì)很高。4.3三角波控制圖4.3三角波比較PWM電流控制方式的原理圖這種三角波控制的方式是通過閉環(huán)來控制的。我們可以從上圖得知，首先，它比較高頻三角波和進(jìn)入的指令信號(hào)，得到這兩部分的數(shù)值之差，而這個(gè)偏差經(jīng)過比例放大器或比例積分器作用得到調(diào)

33、制波，接著，這個(gè)調(diào)制波會(huì)與三角波進(jìn)行對比，隨之產(chǎn)生通斷開關(guān)器件的信號(hào)（PWM），最后經(jīng)過處理，得到了實(shí)際補(bǔ)償?shù)碾娏?。這種方式的缺點(diǎn)是硬件比較復(fù)雜以及響應(yīng)的速度比較慢。調(diào)制波和PWM控制信號(hào)的波形如下:圖4.6三角波比較控制時(shí)調(diào)制波與PWM控制信號(hào)波形4.4補(bǔ)償電流控制方式的確定當(dāng)前的執(zhí)行過程:系統(tǒng)以實(shí)際補(bǔ)償電流之間的對應(yīng)關(guān)系和補(bǔ)償電流的指令信號(hào)為基礎(chǔ)獲取相應(yīng)的PWM信號(hào)，這樣做的意義在于可有效地控制其補(bǔ)償電流并產(chǎn)生電路。由于其時(shí)效性的特點(diǎn)需對補(bǔ)償電流的指令信號(hào)應(yīng)提前進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。由上述作為基礎(chǔ)，則補(bǔ)償電流控制方式為實(shí)時(shí)跟蹤PWM控制該方法。具有廣泛應(yīng)用和良好控制效果的PWM控制方式有以下三種：

34、首先,三角波比較方式,具有良好的輸出特性,但是硬件實(shí)現(xiàn)的支持不夠好;沒有區(qū)別打控制模式,該函數(shù)需要大量的計(jì)算,及時(shí)性差,適用場合;滯回比較模式很簡單,可行、省時(shí)間,可以適合數(shù)控技術(shù)。本文以提升有源電力濾波器的數(shù)字化進(jìn)程為目的，結(jié)合三種PWM控制方式的特點(diǎn)，選擇滯環(huán)控制方式作為補(bǔ)償電流控制方式。5 設(shè)計(jì)過程此設(shè)計(jì)是選擇了ip-iq法作為檢測諧波電流的方法，以滯環(huán)比較控制法的電流跟蹤補(bǔ)償作為有源電力濾波器的補(bǔ)償方法，以RL與RC并聯(lián)作為濾波器來進(jìn)行有源濾波器的諧波補(bǔ)償研究實(shí)驗(yàn)的。下圖為設(shè)計(jì)的主電路：使用一個(gè)220V/50hz的三相交流電壓，將一個(gè)用于測量電源中瞬時(shí)的三相輸入電壓與輸入電流中的三相電

35、壓電流測量模塊通過串聯(lián)的方式連接到模型當(dāng)中。接著再串聯(lián)變壓器、整流器與負(fù)載。第二個(gè)三相電壓電流測量模塊則是用來測量負(fù)載的電壓和電流的瞬時(shí)值。使用powergui則是用來顯示電路穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候的電壓和電流以及電路所有狀態(tài)的變量值。如上選擇出來使用的檢測以及控制補(bǔ)償?shù)姆椒▌t由下圖實(shí)現(xiàn)：圖5.1APF的仿真圖諧波檢測為的是從系統(tǒng)電流波形中分離出諧波電流分量與基波的無功電流，以此分量作為補(bǔ)償電流發(fā)生電路的指定信號(hào)再傳入指令電流運(yùn)算電路中計(jì)算得到補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，再在后面產(chǎn)生與諧波電流方向相反，大小相同的補(bǔ)償電流，一次進(jìn)行諧波補(bǔ)償，消除諧波。我用了ip-iq的方法將負(fù)載電流的諧波電流分量，其輸入到滯環(huán)控制中，滯環(huán)會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償電流與檢測中的諧波參考值比較，經(jīng)過運(yùn)算公式計(jì)算，得出開關(guān)器件中的觸發(fā)脈沖，后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路，與RL與RC形成的濾波器的補(bǔ)償，回到主電