三相四線制系統(tǒng)無(wú)功諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)难芯縚圖文

1、濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文三相四線制系統(tǒng)無(wú)功諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)难芯啃彰簭埥鸲飞暾?qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：張勇;程新功20070508摘要近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種電力電子裝置得到了廣泛應(yīng)用它們一方面給電能的變換應(yīng)用帶來(lái)了方便，另一方面又給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的無(wú)功和諧波污染。有源電力濾波器作為一種新型的電力電子裝置，可以有效地補(bǔ)償電網(wǎng)諧波及無(wú)功電流，它具有很好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的工作特點(diǎn)。因此，有源電力濾波器得到了廣泛的研究，并開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。本文首先敘述了諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)有的各種基于頻域和時(shí)域無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，有

2、源電力濾波器的工作原理及其按不同標(biāo)準(zhǔn)的分類情況等。影響有源電力濾波器性能的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是無(wú)功諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流跟蹤控制環(huán)節(jié)本文的重點(diǎn)是研究三相四線制系統(tǒng)中基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法和補(bǔ)償指令電流的跟蹤控制。為解決在三相四線制系統(tǒng)中無(wú)功諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題，本文先對(duì)三相三線系統(tǒng)下的瞬時(shí)無(wú)功功率理論和無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)如何將三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論延伸到三相四線制系統(tǒng)下進(jìn)行了詳細(xì)的研究，給出了三相四線制系統(tǒng)下的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率和瞬時(shí)零序功率的定義及其各自的含義，并對(duì)三相四線制系統(tǒng)下瞬時(shí)無(wú)功功率理論的口檢測(cè)法和，一一檢測(cè)法進(jìn)行了的仿真和對(duì)比

3、研究，通過(guò)仿真研究發(fā)現(xiàn)了兩種檢測(cè)方法在不同應(yīng)用情況下的優(yōu)缺點(diǎn)。并在此基礎(chǔ)上增加了平衡直流側(cè)電容電壓的控制，給出了仿真結(jié)果。文中通過(guò)對(duì)跟蹤型控制方式的對(duì)比研究，本文最后選擇三角波比較方式控制補(bǔ)償指令電流。有源電力濾波器的數(shù)字化控制器控制信號(hào)的離散化過(guò)程中，引起數(shù)字控制器的控制產(chǎn)生嚴(yán)重的延時(shí)。為解決數(shù)字化控制器的延時(shí)問(wèn)題，本文以基于自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法作為研究對(duì)象。對(duì)基于自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法在無(wú)功諧波電流檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的理論和仿真研究。由于對(duì)零線電流補(bǔ)償方法的不同，有源電力濾波器的主電路結(jié)構(gòu)形式和控制方式有所不同，比較并聯(lián)型有源電力濾波器主電路的兩種常見(jiàn)形式，從中選擇了三相電壓型變流器

4、的主電路形式，給出了不同主電路結(jié)構(gòu)的控制方法及其相應(yīng)的直流側(cè)電壓控制方法，對(duì)有源電力濾波器的容量和開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行了選擇，計(jì)算出適合該裝置的連接電感和直流側(cè)電容容量的參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，給出了采用和雙控制系統(tǒng)并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器的算法和參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果證明了所提出方法的可行性。最后對(duì)全文的工作進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，指出了其中的不足，并就今后的研究工作內(nèi)容作了展望。關(guān)鍵詞：三相四線制；瞬時(shí)無(wú)功功率理論；有源電力濾波器；自適應(yīng)預(yù)測(cè)；諧波電流檢測(cè)濟(jì)南大學(xué)碩上學(xué)位論丈，“，；，三相網(wǎng)線制系統(tǒng)無(wú)功譖波電褫榆鍘補(bǔ)償?shù)难芯?，一一毛，【?/p>

5、，？，：；原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的科研成果對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)論文作者簽名：邀魚(yú)：疊期：迎孑：口關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明本人完全了解濟(jì)南大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留或向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借鑒；本人授權(quán)濟(jì)南大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論

6、文。（保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）論文作者簽名：；竣毒草導(dǎo)師簽名：蒸魚(yú)望日期：塾吐：引言第一章緒論近年來(lái)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用普及，各類電力電子裝置成為電網(wǎng)中最主要的諧波源，導(dǎo)致電力系統(tǒng)諧波干擾和無(wú)功增加，對(duì)電網(wǎng)和用電設(shè)備造成了危害，對(duì)供電質(zhì)量造成了嚴(yán)重污染。另一方面，我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)數(shù)字化信息時(shí)代，現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)和居民用戶對(duì)供電質(zhì)量提出了更高要求。電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)和無(wú)功補(bǔ)償已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題，受到越來(lái)越多國(guó)家和學(xué)者“的關(guān)注，很多國(guó)家都對(duì)此給與了足夠的重視。我國(guó)對(duì)于這方面的研究主要集中在三相三線制系統(tǒng)中，在三相四線制中也有一些研究“，但是仍有許多問(wèn)題有待于

7、深入研究。目前，我國(guó)低壓配電系統(tǒng)中主要采用三相四線制供電方式，如工廠、民用住宅和城市等電力系統(tǒng)中廣為應(yīng)用。有源電力濾波器在諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償中得到了廣泛的研究，并開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用階段。其中無(wú)功諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)和電流跟蹤控制環(huán)節(jié)是影響有源電力濾波器性能的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，三相四線制系統(tǒng)中無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法和補(bǔ)償策略的研究有著重要的實(shí)際意義。諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀為了解決無(wú)功功率和諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害問(wèn)題，人們很早就開(kāi)始采取措施來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率和抑制諧波，并制訂了限制諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或全國(guó)性規(guī)定“。目前用于抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的方法主要有兩類：一類是裝設(shè)諧波無(wú)功補(bǔ)償裝置；另一類是對(duì)電力電子

8、裝置本身進(jìn)行改造，使其在實(shí)現(xiàn)自身功能的同時(shí)不產(chǎn)生諧波，也不消耗無(wú)功，或者根據(jù)其需要對(duì)其進(jìn)行功率因數(shù)校正。早期無(wú)功補(bǔ)償裝置的典型代表是同步調(diào)相機(jī)“。同步調(diào)相機(jī)的原理是使同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行于過(guò)勵(lì)狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收超前的無(wú)功電流，進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。同步調(diào)相機(jī)不僅能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率，對(duì)變化的無(wú)功功率也能進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。至今在無(wú)功補(bǔ)償領(lǐng)域中三相四線制系統(tǒng)無(wú)功諧波電啻；椅鍘與補(bǔ)償?shù)难芯窟@種裝置還在使用，隨著控制技術(shù)的進(jìn)步，其控制性能有所改善。但是同步調(diào)相機(jī)有反應(yīng)速度慢、功率損耗大的缺點(diǎn)傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波和無(wú)功電流的另一種方法是裝設(shè)無(wú)源濾波器（簡(jiǎn)寫(xiě)為）通常由電力電容器、電抗器和電阻器串并聯(lián)組合而成，該方法既可補(bǔ)償諧波，又

9、可補(bǔ)償無(wú)功功率由于無(wú)源濾波技術(shù)成熟，具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)源濾波仍是目前抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的主要手段。但由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應(yīng)用中存在以下難以克服的缺點(diǎn)：（）濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與運(yùn)行工況影響比較大，設(shè)計(jì)起來(lái)較困難，諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對(duì)主要諧波進(jìn)行濾波，參數(shù)的漂移將導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。（）電網(wǎng)的參數(shù)與可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。（）濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)。目前，諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器¨（簡(jiǎn)稱為）。是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、無(wú)功補(bǔ)償?shù)男滦碗娏?/p>

10、電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)?，F(xiàn)有諧波及無(wú)功電流檢測(cè)方法諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法，取決于非正弦條件下有功功率（電流）和無(wú)功功率（電流）的定義和理論分析基于這些定義，對(duì)非正弦條件下諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法主要分為頻域和時(shí)域兩大類睜”。如模擬帶通濾波、功率定義檢測(cè)法、傅里葉變換、小波變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論、自適應(yīng)檢測(cè)法、同步檢測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。模擬帶通（或帶阻）濾波器檢測(cè)方法早期的諧波檢測(cè)方法是用模擬濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用模擬濾波原理“。帶通（或帶阻）濾波器用于預(yù)定分離出被測(cè)信號(hào)中的單一諧波分量。在這里一般用的帶

11、通（或帶阻）濾波器把電流中的基波電流分離出來(lái)，從而得到諧波電流。帶通濟(jì)南大學(xué)碩七學(xué)位論文濾波器（）和減法器構(gòu)成的諧波電流檢測(cè)電路如圖所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制其缺點(diǎn)是，由于濾波器的中心頻率固定，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不僅檢測(cè)精度受到影響，而且使檢測(cè)出的諧波電流中含大量的基波分量，大大增加了補(bǔ)償器的容量和功率損耗；濾波器的中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，要獲得理想的幅頻特性和相頻特性非常困難；并且這種方法也不能同時(shí)分離出諧波和無(wú)功電流。圖帶通濾波器檢測(cè)方案基于時(shí)域分析的有功電流檢測(cè)方法該檢測(cè)方法的基本原理是將負(fù)荷電流分解為兩個(gè)正交分量：

12、一個(gè)是與電壓波形一致的分量，即有功電流分量，將另一個(gè)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)楣β识x是建立在平均功率基礎(chǔ)上的，所以要求的瞬時(shí)有功電流需要進(jìn)行一個(gè)周期的積分，在加其它的運(yùn)算電路，要有幾個(gè)周期延時(shí)。因此，用這種方法求得的“瞬時(shí)有功電流”實(shí)際上是幾個(gè)周期前的電流值，存在實(shí)時(shí)性不好的缺點(diǎn)。基于頻域分析的呵檢測(cè)方法該檢測(cè)方法盯用快速傅立葉變換（簡(jiǎn)稱呻獲取各次諧波信號(hào)的幅值、頻率和相位。測(cè)量時(shí)間是信號(hào)周期的整數(shù)倍和采樣頻率大于頻率時(shí)，該方法檢測(cè)精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能多且使用方便，在頻譜分析和諧波檢測(cè)兩方面均得到廣泛應(yīng)用。因該方法需進(jìn)行兩次變換，因而有較大的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性不夠

13、好，并且當(dāng)電壓波形畸變時(shí)將帶來(lái)較大的非同步采樣誤差，對(duì)高次諧波的檢測(cè)精度影響較大，而且該方法還無(wú)法同時(shí)檢測(cè)出電網(wǎng)無(wú)功電流。用于三相不平衡系統(tǒng)的同步檢測(cè)方法同步檢測(cè)法“哪常用于不平衡三相電壓源系統(tǒng)中諧波和無(wú)功電流的補(bǔ)償其基本思想是分別考慮各相情況，并把補(bǔ)償分量分配到三相中，統(tǒng)一確定各相補(bǔ)償電流。該方法不是從電流的分解出發(fā)，而是從功率平衡的角度來(lái)確定補(bǔ)償電流，因而嚴(yán)格地說(shuō)，同步檢測(cè)法不是檢出無(wú)功和諧波電流的方法。該方法采用三種不同的原理確定每一相的補(bǔ)償電流，即補(bǔ)償后：（）每一相在總消耗功率中承擔(dān)相等的功率，即等功率法）。（）每一相線路中流過(guò)相等的電流，即等電流法（）。（）每一相具有相等的負(fù)荷等效電

14、阻，即等電阻法但）。從三種方法補(bǔ)償后的線路損耗比較來(lái)看，等電流同步檢測(cè)方法最優(yōu)”對(duì)三相系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，同步檢測(cè)法在補(bǔ)償無(wú)功及諧波電流的同時(shí)，還具有平衡各相電流的作用。對(duì)不同的運(yùn)行情況，有較大的靈活性。但是，由于該檢測(cè)法是先根據(jù)總平均功率確定補(bǔ)償后電流，再計(jì)算出補(bǔ)償指令電流的，而在計(jì)算補(bǔ)償后電流時(shí)，不僅需要知道三相電路的平均功率，還需知道各相電壓的幅值，因此檢測(cè)過(guò)程中延遲較大。而且該方法也僅適用于三相電壓均為正弦波的。情況，若電壓波形存在畸變，必將影響檢測(cè)精度。此外，該檢測(cè)法檢測(cè)出的補(bǔ)償電流包含無(wú)功電流、諧波電流和一部分不平衡分量，而無(wú)法將它們分離出來(lái)，大大限制了其應(yīng)用范圍?；谧赃m應(yīng)干擾對(duì)消原理的自

15、適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)法自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)法“州基于自適應(yīng)干擾對(duì)消原理，把電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，電壓經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后，輸出一個(gè)與負(fù)載電流基波有功分量幅值、相位均相等的信號(hào)，將此信號(hào)從負(fù)載電流中扣除，得到高次諧波和無(wú)功電流分量的總和。該檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，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)電源電壓產(chǎn)生波形畸變和基頻偏移時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，并具有良好的自適應(yīng)能力。但是，其電路復(fù)雜，而且閉環(huán)控制特性要求較高，難以達(dá)到要求。基于小波分析的檢測(cè)法基于小波分析的檢測(cè)法“”是時(shí)域分析的重要工具，它克服了傅立葉分析在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無(wú)局部化的缺點(diǎn)，尤其

16、適合突變信號(hào)的分析與處理。它在頻域和時(shí)域同時(shí)具有局部性，因而能算出某一特定時(shí)間的頻率分布并將各種不同頻率組成的頻譜信號(hào)分解成不同頻率的信號(hào)塊。通過(guò)小波變換，可較準(zhǔn)確地求出基波電流，進(jìn)而求得諧波。但是小波分析法并不能完全取代傅里葉變換，因?yàn)橐环矫嫘〔ǚ治鲈诜€(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)方面并不具備理論優(yōu)勢(shì)，另一方面小波分析的理論和應(yīng)用研究時(shí)間相對(duì)較短，小波分析應(yīng)用在諧波測(cè)量方面尚處于初始階段，還存在著許多不完善的地方，例如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最佳小波基的選取方法，缺乏構(gòu)造頻域行為良好，即分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)以改善檢測(cè)精度的規(guī)范方法。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（，）在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究“日益深入，涉及到負(fù)荷預(yù)

17、測(cè)、故障診斷、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)安全評(píng)價(jià)，機(jī)組組合和優(yōu)化調(diào)度以及諧波檢測(cè)與預(yù)測(cè)等諸多方面。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)行諧波檢測(cè)的相關(guān)研究文獻(xiàn)迅速增加，并取得了一些工程應(yīng)用成果，諧波的檢測(cè)方法顯現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)有：計(jì)算量??；檢測(cè)精度高，各次諧波檢測(cè)精度不低于小波分析與傅里葉變換，能取得令人滿意的結(jié)果；對(duì)數(shù)據(jù)流長(zhǎng)度的敏感性低于小波分析與傅里葉變換；實(shí)時(shí)性好，可以同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)任意整數(shù)次諧波；抗干擾性好，在諧波檢測(cè)中可以應(yīng)用一些隨機(jī)模型的信號(hào)處理方法，對(duì)信號(hào)源中的非有效成份（如直流衰減分量）當(dāng)作噪聲處理，克服噪聲等非有效成份的影響。但是，用于工程實(shí)際還有很多問(wèn)題，例如：沒(méi)有規(guī)范的構(gòu)造方法，需要大量的訓(xùn)練樣本，如何確定需要

18、的樣本數(shù)沒(méi)有規(guī)范方法，的精度對(duì)樣本有很大的依賴性等。另外，和小波變換一樣，都屬于目前正在研究的新方法，研究和應(yīng)用時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)技術(shù)尚需完善，因此目前在工程應(yīng)用中還未優(yōu)先選用。有源電力濾波器概述自年，日本的提出有源電力濾波器原始模型及基本原理”，年美國(guó)西屋電氣公司的提出利用大功率晶體管組成逆變器構(gòu)成的三相陽(yáng)線制系統(tǒng)無(wú)功請(qǐng)渡電流榆測(cè)與補(bǔ)償?shù)难芯坑性措娏V波器來(lái)消除電網(wǎng)諧波，到年世界上第一臺(tái)采用電流源逆變器構(gòu)成的并聯(lián)型有源濾波器投入運(yùn)行協(xié)，電力系統(tǒng)有源補(bǔ)償這一新興技術(shù)，終于從“實(shí)驗(yàn)室中的理論”逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用。與國(guó)外相比，我國(guó)的有源電力濾波技術(shù)還處在研究階段，工業(yè)應(yīng)用中只有少數(shù)幾臺(tái)投入運(yùn)行。隨著我國(guó)經(jīng)

19、濟(jì)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)高次諧波問(wèn)題的日益嚴(yán)重，對(duì)的研究應(yīng)用要提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。伴隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深入開(kāi)展，利用進(jìn)行諧波治理將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力，有源濾波技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用有源電力濾波器的基本原理圖所示為最基本的系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖“，負(fù)載為諧波源（即補(bǔ)償對(duì)象），為有源電力濾波器。由圖可見(jiàn)，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（由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分組成）。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，故有時(shí)也稱為諧波和無(wú)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

20、電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。目前主電路均采用變流器。圖有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖的基本工作原理是，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象（圖中負(fù)載）的電壓與電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補(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(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖中，設(shè)負(fù)載的電流，指令電流運(yùn)算電路檢測(cè)出其中的諧波么作為的指令電流：，補(bǔ)償電流發(fā)生電路輸出補(bǔ)償電流跟隨指令電流的變化，與濟(jì)南丈學(xué)碩學(xué)位論文么抵消，于是電網(wǎng)電流一屯一，即等于負(fù)載的基波電流，使電源電流成為正弦波若要同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功電流，指令電流運(yùn)算電路需同時(shí)檢測(cè)出諧波電流和無(wú)功電流作為的指令電

21、流，由此產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，可使一一，即等于負(fù)載的基波有功電流，從而達(dá)到抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的目的。有源電力濾波器的分類從不同的觀點(diǎn)看，有源電力濾波器具有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)“，如圖所示，分別介紹如下：根據(jù)主電路的貯能元件不同，可以分為電壓型有源電力濾波器和電流型有源電力濾波器兩種。電壓型的主電路直流側(cè)接有大電容，正常工作時(shí)其電壓基本保持不變。電流型的主電路直流側(cè)接有大電感，正常工作時(shí)其電流基本保持不變。但由于電流型主電路的直流側(cè)始終有電流流過(guò)，該電流將在電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類：并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型與負(fù)載并聯(lián)接入電

22、網(wǎng)，主要適用于電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流的補(bǔ)償。串聯(lián)型與負(fù)載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電壓型諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，損耗較大；并且串聯(lián)型的投切、故障后的退出及各種保護(hù)也比并聯(lián)型復(fù)雜，因此使用范圍受到很大的限制。根據(jù)主電路所使用的變流器數(shù)不同，可以分為單個(gè)主電路有源電力濾波器和多重化主電路的有源電力濾波器。后者可以提高的容量，降低單個(gè)器件的工作頻率。根據(jù)接入系統(tǒng)的不同，可以分為單相和三相。后者又可以分為用于三相三線制電路的和用于三相四線制電路的。在各種中，單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本的一種，也是工業(yè)實(shí)際中應(yīng)用最多的一種，它集中地體現(xiàn)了有源電力濾波器的特點(diǎn)。因

23、此，本文主要以并聯(lián)電壓型三相為研究對(duì)象。論文的主要工作圖有源電力濾波器的分類示意圖本論文主要針對(duì)三相四線制系統(tǒng)中無(wú)功諧波電流的檢測(cè)及其補(bǔ)償作了一些工作，具體有以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（）首先詳細(xì)敘述了諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)有的各種基于頻域和時(shí)域無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法的原理及其優(yōu)缺點(diǎn)，的工作原理及按不同標(biāo)準(zhǔn)的分類情況等。（）主要討論了三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論，為解決在三相四線制系統(tǒng)中無(wú)功諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題，先對(duì)三相三線系統(tǒng)下的瞬時(shí)無(wú)功功率理論和無(wú)功諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行了小結(jié)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)如何將三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論延伸到三相四線制系統(tǒng)下進(jìn)行了詳細(xì)的研究，給出了三相四線制系統(tǒng)

24、下的瞬時(shí)有功功率、瞬時(shí)無(wú)功功率和瞬時(shí)零序功率的定義及其各自的含義，并對(duì)三相四線制系統(tǒng)下瞬時(shí)無(wú)功功率理論的一檢測(cè)法和一檢測(cè)法進(jìn)行了仿真和對(duì)比研究，通過(guò)仿真研究總結(jié)了兩種檢測(cè)方法在不同應(yīng)用情況下的優(yōu)缺點(diǎn)。給出了一口檢測(cè)法和一一檢測(cè)法下的直流側(cè)電容電壓的具體控制方式和仿真結(jié)果。（）的數(shù)字化控制器控制信號(hào)離散化時(shí)，引起數(shù)字控制器的控制產(chǎn)生延時(shí)，為解決數(shù)字化控制器的延時(shí)問(wèn)題，本文以基于自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法作為研究對(duì)象。對(duì)基于自適應(yīng)濾波器的預(yù)測(cè)算法在無(wú)功諧波電流檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了理論和仿真研究。冒一一一一（）對(duì)零線電流補(bǔ)償方法的不同而產(chǎn)生不同的主電路結(jié)構(gòu)形式和控制方式進(jìn)行了研究，比較并聯(lián)型有源電力濾波器

25、主電路的兩種常見(jiàn)形式，從中選擇了三相電壓型變流器的主電路形式，給出了不同主電路結(jié)構(gòu)的控制方法及其相應(yīng)的直流側(cè)電壓控制方法，對(duì)的容量和開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行了選擇，計(jì)算出適合該裝置的連接電感和直流側(cè)電容容量的參數(shù)。（）比較跟蹤型補(bǔ)償指令電流三種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行選擇。（）給出了并聯(lián)型控制系統(tǒng)的硬件（雙控制系統(tǒng)電路、主電路的驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集電路等）電路和系統(tǒng)軟件（主程序的設(shè)計(jì)、中斷服務(wù)子程序的設(shè)計(jì)及通訊接口子程序設(shè)計(jì)等）設(shè)計(jì)方案。（）在不同工作情況下，利用對(duì)并聯(lián)型三相四線制的無(wú)功和諧波檢測(cè)方法及控制策略進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，結(jié)果很好的驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的正確性和可行性。最后對(duì)全文的工作進(jìn)行了總結(jié)，并就今后的研

26、究工作內(nèi)容作了展望。第二章三相電路諧波及無(wú)功電流的檢測(cè)及控制方法在有源電力濾波器等無(wú)功諧波電流動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置中，對(duì)無(wú)功及諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)中提出了很高的要求，如何準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的電壓電流信號(hào)是等動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。因此，研究無(wú)功及諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)及控制方法具有非常重要的意義。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法日本學(xué)者提出瞬時(shí)無(wú)功功率理論之后，再加上大功率全控型半導(dǎo)體器件的發(fā)展和控制技術(shù)的成熟，有源電力濾波器才得到迅速，因而瞬時(shí)無(wú)功功率理論就成為的重要理論基礎(chǔ)。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論首先于年由提出啪，此后該理論經(jīng)不斷研究而逐漸完善”“”，并且首先在諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)

27、檢測(cè)方面得到了成功的應(yīng)用，目前中，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法最多?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的方法，在只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，可以完全無(wú)延時(shí)得出檢測(cè)結(jié)果“；檢測(cè)諧波電流時(shí)，因被檢測(cè)對(duì)象中諧波電流的組成和計(jì)算電路采用濾波器的不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過(guò)一個(gè)電源周期，如對(duì)于電網(wǎng)中最典型的諧波源三相整流器，其檢測(cè)的延時(shí)周期約為。可見(jiàn)，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論所提出的理論亦稱為朋理論，是以瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率牙的定義為基礎(chǔ)的，朋理論的出現(xiàn)標(biāo)志著瞬時(shí)無(wú)功功率理論的誕生，但它并不完善，主要是未對(duì)有關(guān)的電流量進(jìn)行定義。下面將要介紹的是以瞬時(shí)有功電流。和瞬時(shí)無(wú)功電

28、流為基礎(chǔ)的理論體系，以及它與傳統(tǒng)功率定義之間的關(guān)系。設(shè)三相電路電壓和電流的瞬時(shí)值分別為、和、。為分析問(wèn)題方便，把它們變換到口蘆兩相正交的坐標(biāo)系上研究。由下面的變換可以得到口和蘆兩相瞬時(shí)電壓巳、勺和、二相瞬時(shí)電流屯、，小”【；】：剮舯：壢勵(lì)幽卜（）幽口一坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量在圖所示的口盧平面上，矢量毛，毛和、不分別可以合成為（旋轉(zhuǎn)）電壓矢量孑和電流失量三一；妒。（）口（）式中，、為矢量舌、的模；億、劬分別為矢量占、的幅角定義：三相電路瞬時(shí)有功電流，和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量在矢量善及其法線上的投影。即：伊（）妒（）式中，妒一億一仍口一聲平面中的、如圖所示定義：三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率（瞬時(shí)有功功率

29、）為電壓矢量孑的模和三自目日目。一相電路瞬時(shí)無(wú)功電流（三相電路瞬時(shí)有功電流，）的乘積即，（）口一吃（）把式（）、式（）及妒憶一識(shí)代入式（）、式（）中，并寫(xiě)成矩陣形式得出：】一臣勺卜。艮】熱叫卦把式（）、式（）代入上式，可得出，口對(duì)于三相電壓、電流的表達(dá)式摹。），鋼瓴也一巳瓴一氣】（）從式子（）可以看出，三相電路瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率定義：、盧相的瞬時(shí)無(wú)功電流、（瞬時(shí)有功電流、）分別為三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流）在、盧軸上的投影，即：和釓吖加。南（靜。，單口。乙南（）?？н箘幙鄢嗳黍嗜揭?，儀搭。呻，。：；蕁礙（。）圖中給出了，、由定義可到以下性質(zhì)；一（）三七）（）一（）上述性

30、質(zhì)（）是由口軸和，軸正交而產(chǎn)生的。某一相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流也可分別稱為該相瞬時(shí)電流的有功分量和無(wú)功分量。濟(jì)南大學(xué)碩士掌位論文定義“：、蘆相的瞬時(shí)無(wú)功功率吼、（瞬時(shí)有功功率兒、）分別為該相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流）的乘積即：口。產(chǎn)（）氣，（）吼氣毪（。一、）。亍。一由定義可得到如下性質(zhì)；以。吼（）（）（）定義三相電路各相的瞬時(shí)無(wú)功電流、（瞬時(shí)有功電流、）是口、聲兩相瞬時(shí)無(wú)功電流、（瞬時(shí)有功電流、）通過(guò)兩相到三相變換所得列的結(jié)果。即：小。吲卜圈（）（）式中：把式（）代入式（）、式（）中得（）一。（）（一巳蛔，爿（）（巳一巳，一（）乞一（巳一氣（）式中：純一）（一）。一巳）。一

31、一。一巳巳）三相陽(yáng)線制系統(tǒng)無(wú)功諧波電搋榆測(cè)與補(bǔ)償?shù)难芯繌囊陨细魇娇傻玫饺缦滦再|(zhì)：（）一（），（）（）上述兩個(gè)性質(zhì)分別和定義】的性質(zhì)相對(duì)應(yīng)定義【】的性質(zhì)（）反映了相和盧相的正交性，而這里的性質(zhì)（）￥反映了、三相的對(duì)稱性。定義：、各相的瞬時(shí)無(wú)功功率吼、吼、嚷（瞬時(shí)有功功率久、見(jiàn)、見(jiàn)）分別為該相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流）的乘積，即，。（）（）（）吼乞瓴一乞，（）吼。一（巳一巳）黿彳（”吼巳乞巳（一蛔，彳（）定義也有和定義有類似的性質(zhì)：見(jiàn)以（）黿吼（）傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的。它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況下，而瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念

32、，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(guò)渡過(guò)程的情況。從以上各定義可以看出，瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。下面分析三相電壓和電流均為正弦波時(shí)的情況。設(shè)三相電壓、電流分別為乞瓦（）瓦（“一玎）（）乞（石）（），艉（一妒）（），一（一一力）（），（耐，）（）利用式（）、式（）對(duì)以上兩式進(jìn)行變換，可得臥】【曷】式中：一，把式（）和式（）代入式（），得：一，一妒（）（）令甌、，一，分別為相電壓和相電流的有效值，得口（）口（”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)，、均為常數(shù)，且其值和按傳統(tǒng)理論算出的有功

33、功率和無(wú)功功率完全相同。把式（）、式（）代人式（）有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流（）（）（）比較上式和式（）可以看出，口相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)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(wú)功分量的瞬時(shí)值表達(dá)式完全相同。對(duì)于口相及三相中的、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(wú)功功率理論包含了傳統(tǒng)的無(wú)功功率理論，比傳統(tǒng)理論有更大的適用范圍。三相三線制系統(tǒng)中基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，三相電路諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的兩種方式：運(yùn)算方式計(jì)算、或、為出發(fā)點(diǎn)，即可得出口運(yùn)算方式和、運(yùn)算方式。運(yùn)算方式。的原理如圖所示。圖中上標(biāo)表示矩陣的逆。該方法根據(jù)定義算出、，

34、經(jīng)低通濾波器（）得、的直流分量電網(wǎng)電壓波形無(wú)畸變時(shí)，；為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生，；為基波無(wú)功電流與電壓作用所產(chǎn)生。于是，由；、；即可計(jì)算出被檢測(cè)電流、的基波分量、和。將、屯與、相減，即可得出、的諧波分量、卜吖骨扣目，功電流。在這種情況下，只需要斷開(kāi)圖中計(jì)算口的通道即可。這時(shí)，由即可計(jì)算出被檢測(cè)電流、的基波有功分量、為：訃叫司將、與、毛、相減，即可得出、屯，之的諧波分量和基波無(wú)功分量之和、下標(biāo)中的表示由檢測(cè)電路得出的檢測(cè)結(jié)果由于采用了低通濾波器（）求取蘆、蠆故當(dāng)被檢測(cè)電流發(fā)生變化時(shí)，需經(jīng)一定延遲時(shí)間才能得到準(zhǔn)確的乒、蠆，從而使檢測(cè)結(jié)果有一定延時(shí)。但當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流醫(yī)】。砉”?！荆骸?，一運(yùn)算

35、方式一運(yùn)算方式“¨的原理如圖所示。圖運(yùn)算方法原理圖在該方法中，相電壓巳，經(jīng)過(guò)一個(gè)鎖相環(huán)（和一個(gè)正、余弦發(fā)生電路得到與它同相位的正弦信號(hào)“和余弦信號(hào)一，根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論可以計(jì)算出、經(jīng)濾波得出、的直流分量、從而得到口一聲坐標(biāo)下的基波電流分量、；再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換得到被檢測(cè)電流、的基波分量、，最后將三相檢測(cè)電流與基波電流分量相減進(jìn)而得出三相諧波分量、。與，運(yùn)算方式相似，當(dāng)要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需斷開(kāi)圖中計(jì)算的通道即可。而如果只需檢測(cè)無(wú)功電流，則只要對(duì)進(jìn)行反變換即可。運(yùn)算方式和，一運(yùn)算方式的優(yōu)缺點(diǎn)在三相三線制電力系統(tǒng)中，運(yùn)算方式和，、運(yùn)算方式的優(yōu)缺點(diǎn)啡如下：當(dāng)電源電壓無(wú)畸變或畸變可以

36、忽略的情況下，黿運(yùn)算方式和，、運(yùn)算方式均能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波電流。運(yùn)算方式需把三相電壓變換至口一，坐標(biāo)下，計(jì)算量稍大一些；，、運(yùn)算方式則只需用一個(gè)鎖相環(huán)來(lái)產(chǎn)生正余弦信號(hào)在電源電壓畸變的情況下，口運(yùn)算方式中，萬(wàn)、蠆不僅有基波電壓電流相作用的成分，而且還含有高次電壓和電流相作用的成分，因此將歹、蠆反變換后得到的電流不僅包含基波電流，還包含諧波電流，故運(yùn)算方式不能準(zhǔn)確檢測(cè)出諧波的大小。，一運(yùn)算方式用鎖相環(huán)產(chǎn)生正弦信號(hào)，與電壓無(wú)關(guān)，因此運(yùn)算方式在電壓發(fā)生畸變時(shí)仍能準(zhǔn)確地檢測(cè)出系統(tǒng)的諧波電流。三相四線制系統(tǒng)中基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法三相四線制系統(tǒng)與三相三線制系統(tǒng)的區(qū)別在于存在零線，因而用于三相四線

37、制系統(tǒng)中諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法與用于三相三線制系統(tǒng)中的相比，根本的區(qū)別在于對(duì)三相電流中零序分量的處理。同樣，與三相三線制的情況類似，三相四線制的組成還是由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分組成，對(duì)于前一部分，要求在三相四線制的情況下仍要準(zhǔn)確快速地形成指令電流。也就是說(shuō)，除了檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象中的諧波電流分量、基波電流負(fù)序分量以外，還要對(duì)系統(tǒng)的零序電流分量作出適當(dāng)?shù)奶幚?；而?duì)于后一部分，則要求根據(jù)指令電流信號(hào)正確地產(chǎn)生補(bǔ)償電流，包括諧波分量、基波負(fù)序分量和零序電流分量。簡(jiǎn)單的講，在三相四線制的情況下，同樣是兩個(gè)問(wèn)題要解決即：一是檢測(cè)問(wèn)題，二是補(bǔ)償問(wèn)題。目前，用于三相四線制系統(tǒng)中諧波和無(wú)功電

38、流的檢測(cè)方法主要是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論。三相四線制系統(tǒng)中的瞬時(shí)無(wú)功功率理論”在三相四線制系統(tǒng)中，各相電壓、電流的瞬時(shí)值分別為、和、在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，考慮其零序分量的存在，不再是一正交的平面玀坐標(biāo)系，而是在坐標(biāo)系下進(jìn)行變換，對(duì)電壓、電流矢量，在功率不變的約束條件下作正交變換，對(duì)應(yīng)的電壓矢量如圖所示，電流、也有對(duì)應(yīng)矢量圖成立。圖電壓矢量在一，一坐標(biāo)系中的示意圖屹。陋【（）妒：為式】公屯凇變其式中式中，應(yīng)印。相對(duì)應(yīng)的反變換為：幽【。一阿。；壓壓壓正正一怕壓囊稱為一一變換陣。卜】茲卜加¨。（）因此，對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，可以看成是在匕并，條件下的一個(gè)特殊情況，此時(shí)，式（）中的，一。由此可見(jiàn)，三相四線制系統(tǒng)比三相三線制系統(tǒng)更具有一般性。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的基本概念，利用坐標(biāo)變換的關(guān)系可以方便地定義出在三相四線制系統(tǒng)中的三相瞬時(shí)功率，根據(jù)三相電路中各相的電壓、電流有三相瞬時(shí)功率只：，（）屹。只似最甜似（）基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論，在盧坐標(biāo)系中，三相瞬時(shí)功率可以表示為：（）。（）結(jié)合式（）定