有源電力濾波器課程設(shè)計(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)目錄精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)1 設(shè)計相關(guān)知識介紹11.1 諧波基本概念1882 年，法國數(shù)學家傅里葉指出，一個任意函數(shù)都可以分解為無窮多個不同頻率正弦信號的和?；诖耍瑖H電工標準定義諧波為：諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的 H 次分量。把諧波次數(shù)的 H 定義為：以諧波頻率和基波頻率的之比的整數(shù)。電氣和電子工程協(xié)會標準定義諧波為：諧波為一個周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波的整數(shù)倍?？偨Y(jié)二者，目前國際普遍定義諧波為：諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。1.2 諧波主要危害諧波研究與治理對于現(xiàn)代工業(yè)生

2、產(chǎn)意義重大，這是因為諧波不僅降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，而且給供、用電設(shè)備的正常運行帶來嚴重危險。對于電力系統(tǒng)，諧波會放大系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振現(xiàn)象，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電氣設(shè)備，諧波可以使電氣設(shè)備產(chǎn)生振動和噪聲，還可以產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，促使絕緣老化，縮短設(shè)備使用壽命，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波與普通電話線路傳輸?shù)囊纛l信號及人耳的音頻敏感信號相比在信號頻帶上具有一定的重疊性，而且二者功率相差懸殊。對于通信的干擾，也是諧波的主要危害之一。諧波污染是電力電子技術(shù)發(fā)

3、展的重大障礙。電力電子技術(shù)是未來科學技術(shù)發(fā)展的重要支柱。有人預言，電力電子連同運動控制將和計算機技術(shù)一起成為 21 世紀最重要的兩大技術(shù)。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效研究。因此，諧波治理已經(jīng)成為電氣工程領(lǐng)域迫切需要解決的問題。 1.3 抑制諧波方法隨著、農(nóng)業(yè)和人民生活水平的不斷提高，除了需要電能成倍的增長，對供電質(zhì)量及供電可靠性的要求也越來越多，電能質(zhì)量受到人們的日益重視。 于是各國紛紛出臺措施，制定相關(guān)標準。目前濾波是治理電網(wǎng)污染的有效方法，濾波就是將信號中特定的波段頻率濾除的操作，是抑制和防止

4、干擾的一項重要措施。它分為無源濾波和有源濾波。(1) 無源濾波精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 1-1 無源濾波器結(jié)構(gòu)無源濾波器，又稱，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路；、都屬于無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點?；镜臒o源濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)如上圖 1-1 所示。（2）有源濾波目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器(ACTIVE POWER FILTER-APF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補

5、償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而消除電網(wǎng)中的諧波。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且在日本等國得到廣泛的應(yīng)用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就己經(jīng)形成。80 年代以來，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)的進步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。2 APF 的基本工作原理2圖 2-1 為 APF 的系統(tǒng)框圖。圖中，ES表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)

6、消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流，它由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成。主電路目前均采用 PWM 變流器。圖 2-1 APF 系統(tǒng)框圖圖 2-2 為 APF 的系統(tǒng)原理圖。圖中 EA 、EB 、EC 為交流電源，諧波電流源為非線性負載， ，分別代表三相的電網(wǎng)阻抗。而有源電力濾波器主要由以下幾部分saLsbLscL組成，指令運算電路，電流跟蹤控制電路，驅(qū)動電路以及主電路。其中

7、指令運算電路的主要任務(wù)是按照要求檢測出負載電流中的諧波、無功以及負序分量。電流跟蹤控制電路，驅(qū)動電路以及主電路和在一起可以稱為補償電流發(fā)生電路，它的主要作用是根據(jù)指令運算電路得出的補償指令，產(chǎn)生實際的補償電流。主電路主要由 IGBT 構(gòu)成的電壓型 PWM變流器，以及與其相連的電感和直流側(cè)電容組成。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 2-2 APF 系統(tǒng)原理圖精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3 APF 基本組成部分3.1 主電路3.1.1 PWM 控制的基本原理3 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是 PWM 型，PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路

8、中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。本文主要以逆變電路為控制對象來介紹 PWM 控制技術(shù)。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖 3-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖分別將如圖 3-1 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（R-L 電路）上，如圖 3-2a 所示。其輸出電流 i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖 3-2b 所示。從波形可以看出，在 i(t)的上升段，i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng)波形的差異也

9、越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N 等分，看成 N 個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。上述原理可以稱為面積等效原理，它是 PWM 控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波。圖 3-3 可以看到把半波分成 N 等份，就可以把正弦半波看成 N 個彼此相連的脈沖序列組成的波形，然后把脈沖序精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專

10、心-專注-專業(yè)列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使它們面積相等，就可以得到脈沖序列。根據(jù)面積等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。圖 3-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形圖 3-3 用 PWM 波代替正弦半波要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3.1.2 主電路結(jié)構(gòu) 作為主電路的 PWM 變流器，在產(chǎn)生補償電流時，主要作為逆變器工作，因此可稱為逆變器。但它不僅僅是單獨作為逆變器而工作的，當在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件充電時，它就作為整流器工作，即它既可以工作在逆變狀態(tài)，也可工作在整流狀態(tài)，所以多以變流器稱之。

11、在應(yīng)用中主電路多以三相橋式變流器為主，三相橋式變流器又可分為電壓型和電流型兩種。而電壓型應(yīng)用較為廣泛。隨著電力電子器件技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，先進的功率器件的應(yīng)用給主電路性能帶來了很大變化。常用的 PWM 變流器多為電壓型變流器，單個電壓型 PWM 變流器其基本的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖 3-4 所示：圖 3-4 電壓型逆變電路電壓型 PWM 變流器的基本特點是：（1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源。（2）對電壓型 PWM 變流器，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對直流側(cè)電壓進行控制。（3）電壓型 PWM 變流器的交流側(cè)輸出電壓為 PWM 波。控制各個開關(guān)器件輪流導

12、通和關(guān)斷，同時使另一個器件導通，就實現(xiàn)了兩個器件之間的換流，電路的環(huán)流方式分為 180 度導通型和 120 度導通型。所謂 180 度導通型是指同一橋臂上、下兩管之間互相換流。而 120 度道通型是指在同一排不同橋臂的左、右兩管之間進行的。但 180 度導通型應(yīng)該注意防止上、下橋臂的直通。精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)3.2 指令電流運算部分4指令運算部分實質(zhì)上就是諧波電流檢測部分，諧波檢測的方法很多，早期的模擬法，到后來的傅里葉分析法，還有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，瞬時無功功率理論等，但應(yīng)用較為廣泛的還是瞬時無功功率理論，該理論的產(chǎn)生為有源電力濾波器的發(fā)展注入了新鮮的活力。3.2.1 瞬時

13、無功理論定義瞬時無功理論在無功補償和諧波檢測等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，以該理論為基礎(chǔ)構(gòu)成的 APF 可以實現(xiàn)對頻率和大小都變化的無功與諧波電流進行實時的檢測。這種檢測方法有可以分為 P-Q 法和法。本論文就是利用法進行諧波與無功電流的實QPII QPII 時檢測的。本設(shè)計研究的系統(tǒng)為三相三線制系統(tǒng)，可以先將三相的電壓和電流轉(zhuǎn)換到靜止的 - 系統(tǒng)中。設(shè)三相電路各相瞬時電壓和電流分別為，和 ， ，分別將它們aebeceaibici變換到兩相正交的 - 坐標上，兩項瞬時電壓為 ，。電流為 ，即eeii (1)cbacbaueeeCeeeeeF321232123210132 (2)cbacbaiiii

14、CiiiiiF32232123210132式中，C32 是三相到兩相的坐標變換陣，定義瞬時有功功率 P 和無功功率 Q 為： (3)iiuuuuFFFFqpiuiu11現(xiàn)在假設(shè)系統(tǒng)三相電壓和三相電流均為正序基波正弦信號時，設(shè)三相電壓、三相電流分別為： （4）) 3/2sin() 3/2sin(sinwtEwtEwtEuuummmcba （5）) 3/2sin() 3/2sin(sinwtIwtIwtIiiimmmcba精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)則變換到 - 兩相靜止坐標系中的向量為： (6)wtwtEuuFmucossin231 (7)wtwtIiiFmicos()sin(23

15、所以得到瞬時有功功率和無功功率為:, (8)cos231mmiuIEFFpsin231mmiuIEFFq從式(8)可以看出，在三相系統(tǒng)的電壓和電流均為基波正序電壓和電流時，按照上面定義計算的瞬時有功功率和無功功率 P 、Q 只包含直流分量，并且與傳統(tǒng)的三相有功功率和無功功率計算的結(jié)果一樣。瞬時無功功率理論只用了一個時刻三相電壓和電流的數(shù)值，所以這種功率計算方法大大提高了計算的效率。3.2.2 基于瞬時無功理論檢測法日本學者 H.AKAGI 于 1984 年提出了基于時域的非線性條件下的瞬時無功功率理論，它以瞬時實功率 P 和瞬時虛功率 Q 的定義為基礎(chǔ)，故稱 P-Q 理論。 后又補充定義了瞬時

16、有功電流，和瞬時無功電流，等物理量，并將其應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波檢測。目前PIQI基于瞬時無功功率理論的諧波檢測研究已經(jīng)非常深人，并取得了工程應(yīng)用成果。 在有源電力濾波器中，它是總諧波實時檢測的主要方法。以計算 P 和 Q 為出發(fā)點的方法稱為 P-Q 法，以計算和為出發(fā)點的方法稱為 IP-IQ法，它們的優(yōu)點是都能準確地檢測對稱三PIQI相電路的諧波值，且實時性較好，在只需測量諧波時可以省去鎖相環(huán)電路，能快速跟蹤電流，進行實時補償，不受電網(wǎng)參數(shù)和負載影響，缺點是適應(yīng)范圍小，只適應(yīng)于對稱三相電網(wǎng)。1)P-Q 法，該運算方法原理如圖 3-5 所示。圖 3-5 P-Q 運算方法原理圖根據(jù)該方法算出的 P，

17、Q，經(jīng)低通濾波器(LPF)得直流分量，. 電網(wǎng)電壓無畸變時，pq精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，為基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生。所以由，pqp可以計算出檢測電流 , ,的基波分量 , ,從 , ,中減去 , ,qAIBICIAFIBFICFIAIBICIAFIBFI，即可得到諧波電流 , , CFIAHIBHICHI23012123231223C 2/32/302/12/113232C1sincoscossinpqpqttCCtt2) 法.該運算方法原理如圖 3-6 所示。PQII圖 3-6 法運算方法原理圖PQII該方法不直接對采樣得到的三相系統(tǒng)電壓

18、進行變換，而是以與電壓矢量同步的單位正序基波矢量來代替電壓矢量。根據(jù)瞬時無功理論可得sincoscossiniiPttiiQtt 圖 3-6 中，由于電壓為單位正序基波矢量，所sincoscossinttCtt以根據(jù)定義可計算出，經(jīng) LPF 濾波可得直流分量, 這里, 是iPiQ PIQIpiqipiqi對應(yīng)于電流基波分量，的，因此由, 可以計算出，進而可以計afibficfipiqiafibficfi精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)算出，ahibhichi以上兩種方法中法的適用范圍更廣，更能適應(yīng)電網(wǎng)電壓不對稱和電壓波形畸PQII變的情況。因為 ,運算方式中只需讀取和參與運算，畸變電

19、壓的諧波PIQIsin(t)cos(t)成分在運算中不出現(xiàn)，所以在電源電壓畸變情況下也能準確檢測出諧波電流，而 P-Q 法在這種情況下誤差較大?；谒矔r無功功率理論方法的優(yōu)點是當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，檢測基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量的實現(xiàn)電路比較簡單，并且延時小，具有很好的實時性。3.3 電流跟蹤控制部分3該部分作用是：根據(jù)補償電流指令信號和實際補償電流之間的差別，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個器件通斷的 PWM 信號，控制的結(jié)果應(yīng)保證補償電流跟蹤其指令信號的變化。目前應(yīng)用較為廣泛的跟蹤型 PWM 控制方式有以下三種方式：滯環(huán)比較方式、定周期瞬時值比較方式和三角波比較方式

20、。與三角載波控制相比,滯環(huán)比較控制具有開關(guān)損耗小、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性好、控制精度高等特點。所以本設(shè)計采用滯環(huán)比較方式。3.3.1 電流滯環(huán)控制原理常用的一種電流閉環(huán)控制方法是電流滯環(huán)跟蹤 PWM（Current Hysteresis Band PWM CHBPWM）控制，具有電流滯環(huán)跟蹤 PWM 控制的 PWM 變壓變頻器的 A 相控制原理如 3-7 圖所示。圖 3-7 電流滯環(huán)跟蹤控制的 A 相原理圖圖中，電流控制器是帶滯環(huán)的比較器，環(huán)寬為 2h。將給定電流 與輸出電流 *aiai進行比較，電流偏差超過時，經(jīng)滯環(huán)控制器 HBC 控制逆變器 A 相上（或下）橋aih精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專

21、心-專注-專業(yè)臂的功率器件動作。B、C 二相的原理圖均與此相同。如果， ， 且，滯環(huán)控制器 HBC 輸出正電平，驅(qū)動上橋臂功率開關(guān)aaii*hiiaa*器件 V1 導通，變壓變頻器輸出正電壓，使增大。當增長到與相等時，雖然滯環(huán)比較ai*ai器的輸入信號的符號發(fā)生了變化，但 HBC 仍保持正電平輸出，保持導通，使繼續(xù)增大ai直到達到， ，使滯環(huán)翻轉(zhuǎn)，HBC 輸出負電平，關(guān)斷 V1 ，并經(jīng)過hiiaa*hia延時后驅(qū)動 V4，直到電流的負半周 V4 才能導通。但此時未必能夠?qū)ǎ捎陔姼凶饔?，電流不會反向，而是通過二極管續(xù)流，使受到反向鉗位而不能導通。此后，逐漸減小，直到時，到達滯環(huán)偏差的下限值，

22、hiiaa*使 HBC 再翻轉(zhuǎn)，又重復使 V1 導通。這樣，與交替工作，使輸出電流給定值之間的偏差保持在范圍內(nèi)，在正弦波上下作鋸齒狀變化。從圖 3-8 中可以看到，輸出電流是十分接近正弦波的。圖 3-8 電流滯環(huán)跟蹤控制時的電流波形3.3.2 三相電流滯環(huán)控制原理精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)圖 3-9 三相電流跟蹤型 PWM 逆變電路圖 3-10 三相電流跟蹤型 PWM 逆變電路輸出波形因此，輸出相電壓波形呈 PWM 狀，但與兩側(cè)窄中間寬的 SPWM 波相反，兩側(cè)增寬而中間變窄，這說明為了使電流波形跟蹤正弦波，應(yīng)該調(diào)整一下電壓波形。電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的環(huán)寬有關(guān)，同時還受到功

23、率開關(guān)器件允許開關(guān)頻率的制約。當環(huán)寬選得較大時，可降低開關(guān)頻率，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬太小，電流波形雖然較好，卻使開關(guān)頻率增大了。這是一對矛盾的因素，實用中，應(yīng)在充分利用器件開關(guān)頻率的前提下，正確地選擇盡可能小的環(huán)寬。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型 PWM 交流電路有以下特點：1.硬件電路簡單；2.屬于事實控制方式，電流反應(yīng)快；3.不需要載波，輸出電壓波形中不含有特定頻率的諧波分量；4.和計算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時輸出電流中高次諧波含量較多；5.閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型 PWM 交流電路的共同特點。3.4 驅(qū)動電路5IGBT 的驅(qū)動電路必須具備 2 個功能：一是實現(xiàn)控制