基于TMS320LF28xx的有源電力濾波器設(shè)計

1、分類號：分類號： U D C：密密 級：級： 編編 號：號：X X 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院學(xué)學(xué) 位位 論論 文文基于 TMS320LF28xx 的有源電力濾波器設(shè)計論文作者姓名：論文作者姓名：申請學(xué)位專業(yè)：申請學(xué)位專業(yè)：電氣工程及其自動化電氣工程及其自動化申請學(xué)位類別：申請學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士工學(xué)學(xué)士指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師姓姓名名（職職稱稱）：論文提交日期：論文提交日期：基于 TMS320LF28xx 的有源電力濾波器設(shè)計摘要摘要隨著電力電子裝置日益廣泛的應(yīng)用，電力電子裝置自身所具有的非線性導(dǎo)致了電網(wǎng)中含有大量諧波，這些諧波給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的污染，嚴(yán)重危害了用電設(shè)備和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

2、。雖然傳統(tǒng)的無源電力濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點，但同時也有一些缺點，例如只能抑制固定的幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧振反而而使諧波放大。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器，有源電力濾波器也是一種電力電子裝置，且相關(guān)技術(shù)的研究也日漸成為研究的熱點。本文闡述了幾種常見APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及各自的優(yōu)缺點，詳細(xì)分析了基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，比例控制和前饋控制兩種電流環(huán)控制策略以及SPWM和SVPWM兩種調(diào)制策略。介紹了電力有源濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了并聯(lián)型有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括指令電流運(yùn)算、PWM控制和驅(qū)動電

3、路模塊。在MATLAB中建立了各個子模塊的仿真模型和并聯(lián)型有源電力濾波器的整體仿真模型。仿真結(jié)果表明,其諧波抑制和無功補(bǔ)償可以達(dá)到良好的效果,在技術(shù)上是可行的。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：電力有源濾波器；諧波；諧波檢測；MATLAB/SIMULINK 仿真Design of Active Power Filter Based on MATLABAbstractWith the development of power electronic device the increasingly widespread application of power electronic device, which has

4、 resulted in a nonlinear network contains a large number of harmonics, the harmonic of power systems has brought serious pollution, serious harm to the electrical equipment and the stable running of the communication system. although the traditional passive power filter has the advantages of simple

5、structure, low cost, mature technology, low running costs, but it also has some disadvantages, such as only the inhibition of stationary harmonics, and a harmonic under certain conditions and the grid impedance resonance instead of the harmonic amplification.Currently, the harmonic suppression is an

6、 important trend of active power filters, active power filter is a power electronic devices, and related technologies are increasingly become a hot topic. This paper describes the topology and their advantages and disadvantages of several common APF, a detailed analysis of the harmonic detection met

7、hod based on instantaneous reactive power theory, and proportional control and feedforward control of two current-loop control strategy, and both SPWM and SVPWM modulation strategy. Introduced the basic principles and structure of the active power filter, and design of a shunt active power filter co

8、ntrol system. The system consists of the command current operation, PWM control and drive circuit module. Simulation model of the various submodules and parallel active power filter simulation model in MATLAB. The simulation results show that the harmonic suppression and reactive power compensation

9、to achieve good results, is technically feasible.Key words: Active power filter; harmonic; harmonic detection; MATLAB / SIMULINK Simulation目錄目錄論文總頁數(shù)：25 頁1.1 課題背景.11.1.1 諧波基本概念.11.1.2 諧波主要危害：.11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.21.3 本課題研究的意義.21.4 本課題研究方法.31.5 本文研究的內(nèi)容.32.有源電力濾波器.32.1 抑制諧波方法.32.2 APF 的工作原理和結(jié)構(gòu).42.2.1 APF 的基本原

10、理和種類.52.3 APF 的諧波檢測方法.62.3.1 基于頻域的檢測方法.62.3.2 瞬時空間矢量法.72.3.3 有功分離法.72.3.4 自適應(yīng)檢測法.72.3.5 同步測定法.72.4 APF 的補(bǔ)償電流控制方法.72.4.1 三角載波控制.72.4.2 滯環(huán)比較控制.82.4.3 變結(jié)構(gòu)控制.82.4.4 無差拍控制與差拍控制.82.4.5 單周控制（又稱積分復(fù)位控制）.82.4.6 空間矢量調(diào)制.83源電力濾波器諧波檢測及控制策略.93.1 瞬時無功功率理論簡介及其應(yīng)用.93.1.1 瞬時無功理論定義.93.1.2 三相電路諧波和無功電流實時檢測.103.2 SVPWM 調(diào)制策

11、略.114.電力有源濾波器的仿真實現(xiàn).154.1 源電力濾波器仿真模型的建立.154.1.1 APF 的系統(tǒng)仿真模型.154.1.2 非線性負(fù)載模型.164.1.3 諧波檢測模型.164.1.4 PWM 信號的產(chǎn)生.194.2 仿真結(jié)果.19結(jié)論.22參考文獻(xiàn).23致謝.24聲 明.25第 0 頁共 25 頁 1引言引言電能是現(xiàn)代社會的主要能源之一，在各行各業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，電能質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。理想的供電系統(tǒng)對負(fù)荷供電時，應(yīng)該保持三相平衡對稱，電壓電流波形皆為單頻恒定正弦波，電能質(zhì)量不受負(fù)載變化的影響。隨著電力電子裝置及非線性、沖擊性設(shè)備的廣泛運(yùn)用，諧波和低功率因數(shù)等

12、問題越來越嚴(yán)重。目前的大型企業(yè)中，幾乎每家企業(yè)都或多或少有著電網(wǎng)污染的現(xiàn)象。在供電的過程中電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。并且在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。供電系統(tǒng)中的諧波問題已經(jīng)引起了社會各界的廣泛關(guān)注，為了保證供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、和諧的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。1.1 課題課題相關(guān)知識介紹相關(guān)知識介紹1.1.1 諧波基本概念諧波基本概念1882 年，法國數(shù)學(xué)家傅里葉（J.FOURIER,1768-1830）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

13、號的和?；诖?，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(biāo)準(zhǔn)（IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 519-1981）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9。1.1.2 諧波主要危害諧波主要危害諧波研究與治理對于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)意義重大，這是因為諧波不僅降低電能

14、的生產(chǎn)、傳輸和利用效率，而且給供、用電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來嚴(yán)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(hù)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(yán)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。第 1 頁共 25 頁諧波污染是電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙。

15、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)動控制將和計算機(jī)技術(shù)一起成為21 世紀(jì)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(jìn)行更為有效研究。諧波治理是“綠色電流”的要求。雖然目前還沒有完全證實高次諧波對人，動物以及生態(tài)環(huán)境的影響，但已有證據(jù)表明諧波對生態(tài)環(huán)境的影響確實存在，并引起了政府和各界人士的注意，開辟出了一個新的研究領(lǐng)域電磁環(huán)境對生態(tài)的影響。目前，對地球環(huán)境的保護(hù)已成為全人類的共識。從減少環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度出發(fā)，對電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之

16、一。9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。 1.1.3 抑制諧波方法抑制諧波方法隨著工業(yè)、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（POWER QUALITY）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(biāo)準(zhǔn)。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，是抑制和防止干擾的一項重要措施。它分為“無源濾波”（PF: PASSIVE FILTER）和“有源濾波”（APF: ACTIVE POWER FILTER）10。（1） 無源濾波圖 1-1 無源濾波器結(jié)構(gòu)無源濾波器，又稱 LC

17、 濾波器，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；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)第 2 頁共 25 頁行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點?；镜臒o源濾波器的拓?fù)浣Y(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(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從

18、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(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)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(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PULSE WIDTH MODULATION-PWM)控制技術(shù)的進(jìn)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。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在 20 世紀(jì) 70 年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器的概念，當(dāng)時由于電力電子器件制造水平的限制，這項技術(shù)沒有引起廣泛的關(guān)注。直到 80

19、 年代，隨著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈寬調(diào)制(PWM )控制技術(shù)的進(jìn)步以及赤木泰文AKAGI H瞬時無功功率理論的提出，有源電力濾波器才得到迅速發(fā)展和完善。作為改善供電質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)，有源電力濾波器在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了高度的重視和日益廣泛的應(yīng)用，目前世界上 APF 的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國西屋電氣公司和德國西門子公司等。我國在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，1989 年才有這方面研究的文章出現(xiàn)，1993 年才見到試驗性的工業(yè)應(yīng)用實驗。但近十幾年來，越來越多的研究單位對有源濾波技術(shù)開展了深入的理論研究和實驗，這些研究有的已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。當(dāng)前

20、研究工作的關(guān)鍵是加快有源電力濾波器在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用，提高實際應(yīng)用水平1。1.3 本課題研究的意義本課題研究的意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性特性的用電設(shè)備。廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、交通、化工等工業(yè)領(lǐng)域。如電解裝置、電氣機(jī)車、軋制機(jī)械、高頻爐等使電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴(yán)重。電網(wǎng)中的高次諧波會造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器過熱。使電力電容器組工作不正常，甚至造成熱擊穿損壞。對電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、繼電保護(hù)自動裝置和電能計量等也有很大危害。嚴(yán)重時會引發(fā)誤動作；造成重大事故。諧波污染對通信、第 3 頁共 25 頁計算機(jī)系統(tǒng)、高精度加工機(jī)械，檢測儀表等用電設(shè)備也有嚴(yán)重的干擾

21、。因此，必須采取有效的措施來消除電網(wǎng)中的高次諧波。目前大量采用并聯(lián)型無源濾波器來抑制諧波，它由電容器、電抗器、電阻器組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器構(gòu)成。通過對某些次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻來達(dá)到濾波的目的。同時還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。由于并?lián)型的無源濾波器存在不少問題，影響到實際應(yīng)用。所以目前的趨勢是采用電力電子裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償，這就是電力有源濾波器( APF)。與無源濾波器( PF)相比,電力有源濾波器能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響. 國外電力有源濾波器的研究以日本為代表，已進(jìn)入實用化階段,隨著容量的逐步提高，其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用戶自身的諧波問題向改善整個電力系統(tǒng)

22、供電質(zhì)量的方向發(fā)展。在裝置技術(shù)方面。主要朝提高補(bǔ)償容量、改善補(bǔ)償性能、降低成本和損耗、多功能化和裝置小型化等方向發(fā)展。在應(yīng)用方面，主要致力于針對不同諧波源制定相應(yīng)的對策，解決最優(yōu)配置、有源濾波器的相互干擾及其對電網(wǎng)上裝設(shè)的 LC 濾波器的影響以及停電和瞬間保護(hù)等問題。自 1976 以來 L. GYUGI 提出了并聯(lián)有源濾波器方案。到目前為止已經(jīng)研究出了有關(guān)有源濾波器的近十幾種濾波方案，它們各有優(yōu)缺點，分別應(yīng)用于不同場合2。1.4 本課題研究方法本課題研究方法有源電力濾波器是當(dāng)前對電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段，本文對有源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論研究和分析。MATLAB /SIMUL

23、 INK提供的 SIMPOWER 工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個方面。利用SIMPOWER 工具箱對有源電力濾波器裝置進(jìn)行了建模和仿真，能夠?qū)⒂性措娏V波器的工作過程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來,驗證了理論分析的正確性。1.5 本文研究的內(nèi)容本文研究的內(nèi)容本文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：第一部分為引言，概述了課題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀以及本課題研究方法等。第二部分分析了有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性。從多個方面出發(fā)對有源電力濾波器進(jìn)行了分類和介紹，并分析了各自的優(yōu)缺點。第三部分分析了有源電力濾波器諧波檢測方法，并分析了各種諧波檢測方法的工作原理和

24、特性，通過對比選擇 P、Q 算法作為本文諧波檢測方法。第四部分在 MATLAB/SIMULINK 中建立三相三相制有源電力濾波器的仿真模型，并對各個模塊進(jìn)行仿真和詳細(xì)的闡述。選擇不同的整流負(fù)載，對負(fù)載電流波形和補(bǔ)償后的電流波形進(jìn)行對比，驗證了 APF 的補(bǔ)償性能。第五部分對全文做出總結(jié)，對有源電力濾波器系統(tǒng)存在的一系列問題進(jìn)行第 4 頁共 25 頁探討，并提出下一步的展望。2.有源電力濾波器有源電力濾波器1. APF 的工作原理和結(jié)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu)1.1.1 APF 的基本原理和種類的基本原理和種類APF 的基本原理是檢測電網(wǎng)中的諧波電流。通過可控功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相

25、等、相位相反的電流, 使電源的總諧波電流為 0, 從而達(dá)到實時補(bǔ)償諧波電流的目的。其原理框圖如圖 2-1 所示：圖 2-1 有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖APF 的結(jié)構(gòu)形式很多，但其基本原理都是類似的，按電路拓樸結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型 APF 和串-并聯(lián)型 APF。（1）并聯(lián)型APF 圖 2-2 為并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。由于與系統(tǒng)并聯(lián), 可等效為一受控電流源。并聯(lián)型 APF 可產(chǎn)生與負(fù)荷電流大小相等、方向相反的諧波電流, 從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦基波電流。主要適用于抵消非線性負(fù)載的諧波電流、無功補(bǔ)償及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。并聯(lián)型 APF 在技術(shù)上比較成熟。圖 2-2 并聯(lián)型有

26、源濾波器結(jié)構(gòu)圖（2）串聯(lián)型APF圖 2-3 為串聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。通過 1 個匹配變壓器將 APF 串聯(lián)在電源和負(fù)載之間, 以消除電壓諧波, 平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓。與并聯(lián)型 APF 相比, 串聯(lián)型 APF 損耗較大, 且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜。因此, 很少單獨(dú)使用串聯(lián)型APF, 大多將其作為混合型 APF 的一部分。第 5 頁共 25 頁圖 2-3 串聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（3）串并聯(lián)APF圖 2-4 為串-并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。具有串聯(lián) APF 和并聯(lián) APF 的優(yōu)點, 能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的電能質(zhì)量問題, 又稱為萬能 APF 或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串聯(lián)型 APF 將電源和負(fù)載隔離，阻

27、止電源諧波電壓串入負(fù)載和負(fù)載電流流入電網(wǎng)。并聯(lián)型 APF 提供一個零阻抗的諧波支路，把負(fù)載中的諧波電流吸收掉。這種方案兼有串、并聯(lián) APF 的功能，可以抑制閃變、補(bǔ)償諧波、消除共同耦合點處的三相電壓不平衡，具有較高的性價比。該類 APF 的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。圖 2-4 串聯(lián)并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)2.3 APF 的諧波檢測方法的諧波檢測方法文字說明文字說明1 基于頻域的檢測方法基于頻域的檢測方法這是最早應(yīng)用于指令電流運(yùn)算的一類方法。其基本思想是利用模擬帶(或陷波)濾波器進(jìn)行諧波檢測時他的缺點是:當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時,所設(shè)計的濾波器中心頻率會發(fā)生偏移,加上該中心頻率易受器件參數(shù)及溫度影響,會

28、使檢測出的諧波信號中含有大量基波分量，增加了 APF 的設(shè)計容量和有功損耗，因此，已基本不用。2.3.2 瞬時空間矢量法瞬時空間矢量法基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應(yīng)用最廣的一種指令電流運(yùn)算方法。最早是由日本學(xué)者 HAKAGI 于 1984 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷地改進(jìn)，現(xiàn)已包括 P-Q 法、IP-IQ法以及 D-P 法等。P-Q 法最早應(yīng)用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網(wǎng)；IP-IQ 法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn) PARK 變換的 D-Q 法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運(yùn)算，而且也適用第 6 頁共 2

29、5 頁于不對稱、有畸變的電網(wǎng)6。2.3.3 有功分離法有功分離法該方法將被檢測量分解為理想傳輸量(即從公共供電點上看去，負(fù)荷是三相對稱且純阻性的,該負(fù)荷只消耗有功能量)和另一分量之和,簡單明了、易于實現(xiàn)。但該方法以平均有功功率理論為基礎(chǔ)，至少存在一個工頻周期的延時，實時性較差;并且當(dāng)電源電壓存在畸變時，與電壓諧波同次的諧波電流(有功部分)將被淹沒一部分。另外，該方法不能單獨(dú)分離出基波有功分量。2.3.4 自適應(yīng)檢測法自適應(yīng)檢測法該方法基于自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)干擾抵消原理，從負(fù)載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補(bǔ)償電流指令值。該方法的突出優(yōu)點是對電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的

30、自適應(yīng)調(diào)整能力，但目前其動態(tài)響應(yīng)速度還較慢。后來又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的自適應(yīng)檢測法。2.3.5 同步測定法同步測定法針對三相不平衡系統(tǒng)提出了同步測定法,可分為等功率法、等電流法和等電阻法 3 類,即把補(bǔ)償分量分配到三相中去,分別使補(bǔ)償后的每相功率、每相電流或每相電阻相等。該方法的缺點是計算量大、時間延遲大。2.4 APF 的補(bǔ)償電流控制方法的補(bǔ)償電流控制方法目前電力有源濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是 PI 控制，另外國內(nèi)外的學(xué)者還對變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)控制等現(xiàn)代新型控制方法進(jìn)行了研究。APF 控制策略還包括開關(guān)器件的 PWM 脈沖信號的形成7。目前 PWM生成方式的研究主要集中

31、在載波比較法、滯環(huán)控制法、無差拍控制法和空間矢量法等方法上：2.4.1 三角載波控制三角載波控制將電流實際值與參考值之間的偏差經(jīng) P I 調(diào)制后與高頻三角載波相比較,所得矩形脈沖作為逆變器開關(guān)元件的控制信號,從而在逆變器輸出端獲得所需波形。其優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)好,開關(guān)頻率固定,實現(xiàn)簡單,缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關(guān)損耗較大,在大功率應(yīng)用中受到限制。2.4.2 滯環(huán)比較控制滯環(huán)比較控制它的原理為:將補(bǔ)償電流參考值與逆變器實際電流輸出值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中,通過比較器的輸出來控制開關(guān)動作,使逆變器輸出值實時跟蹤補(bǔ)償參考值。與三角載波控制相比,滯環(huán)比較控制具有開

32、關(guān)損耗小、動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性好、控制精度高等特點。其缺點是系統(tǒng)的開關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度均受滯環(huán)帶寬影響。當(dāng)帶寬固定時,開關(guān)頻率會隨補(bǔ)償電流的變化而變化,從而引起較大的脈動電流和開關(guān)噪音。為了解決開關(guān)頻率變化的問題,提出了第 7 頁共 25 頁基于電壓矢量的滯環(huán)電流控制法8。2.4.3 變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制變結(jié)構(gòu)控制是一種控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，適用于線線性及非線性系統(tǒng)。包括控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，跟蹤，自適應(yīng)及不確定等系統(tǒng)。它具有一些優(yōu)良特性，尤其是對加給系統(tǒng)的攝動和干擾有良好的自適應(yīng)性。近年來，這種設(shè)計方法受到了國內(nèi)外的廣泛重視，得到了很快的發(fā)展。但變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感,具

33、有很強(qiáng)的魯棒性。本質(zhì)上可視為帶寬等于零的滯環(huán)比較控制,所以他同樣存在開關(guān)頻率高、變化范圍大的缺點。2.4.4 無差拍控制與差拍控制無差拍控制與差拍控制無差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術(shù)。他利用前一時刻補(bǔ)償電流的參考值和實際值,計算出下一時刻的電流參考值及各種開關(guān)狀態(tài)下的逆變器電流輸出值,然后選擇某種開關(guān)模式作為下一時刻的開關(guān)狀態(tài),從而達(dá)到電流誤差等于零的目標(biāo)。該方法的優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)快且易于計算機(jī)執(zhí)行,缺點是計算量大、對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大、魯棒性差、瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量大。2.4.5 單周控制（又稱積分復(fù)位控制）單周控制（又稱積分復(fù)位控制）單周控制技術(shù)具有調(diào)制和控制的

34、雙重性,通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路及比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的。其基本思想是控制開關(guān)占空比,在每個周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量平均值與控制參考量相等或成比例。單周控制能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)誤差,前一周期的誤差不會帶到下一周期。這種控制方法具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實現(xiàn)、控制電路簡單等優(yōu)點。2.4.6 空間矢量調(diào)制空間矢量調(diào)制SVM ( SPACE VECTOR MODULATION) 技術(shù)具有以下優(yōu)點: 直流側(cè)電壓的利用率比 SPWM 提高 15%;采用不連續(xù)開關(guān)方式調(diào)制時,開關(guān)器件的損耗降低1 /3;調(diào)制方法便于數(shù)字實現(xiàn)。3有源電力濾波器諧波檢測及控制策略有源電力濾波器諧

35、波檢測及控制策略3.1 瞬時無功功率理論簡介及其應(yīng)用瞬時無功功率理論簡介及其應(yīng)用三相電路瞬時無功功率理論由日本學(xué)者赤木泰文最先提出，此后，該理論經(jīng)不斷研究逐漸完善。赤木最初提出的理論亦稱 P、Q 理論，是以瞬時實功率和虛功率的定義為基礎(chǔ)，其主要的一點不足是未有對有關(guān)電流量進(jìn)行定義。該理論的基本思路是：將 ABC 三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成 ， 坐標(biāo)系上的矢量，將電壓、電流矢量的點積定義為瞬時有功功率；將電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，然后再將這些功率逆變?yōu)槿嘌a(bǔ)償電流。瞬時無功功率第 8 頁共 25 頁理論突破了傳統(tǒng)功率理論在“平均值”基礎(chǔ)上的功率定義，使諧波及無功電流的實時檢測成為可能

36、。該方法對于三相平衡系統(tǒng)的瞬變電流檢測具有較好的實時性，有利于系統(tǒng)的快速控制，可以獲得較好的補(bǔ)償效果。但該方法對于三相不平衡負(fù)荷所產(chǎn)生的無功和諧波電流，補(bǔ)償效果則不理想，且只適用于三相系統(tǒng)，不能用于單相系統(tǒng)7。3.1.1 瞬時無功理論定義瞬時無功理論定義瞬時無功理論在無功補(bǔ)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(jìn)行實時的檢測。這種檢測方法有可以分為 P-Q 法和 IP-IQ 法。本論文就是利用 IP-IQ 法進(jìn)行諧波與無功電流的實時檢測的。本文研究的系統(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9。

37、設(shè)三相電路各相瞬時電壓和電流分別為 ea，eb，ec和ia，ib，ic，分別將它們變換到兩相正交的 - 坐標(biāo)上，兩項瞬時電壓為e，e，電流為 i，i，即 (1)cbacbaueeeCeeeeeF321232123210132 (2)cbacbaiiiiCiiiiiF32232123210132式中，C32 是三相到兩相的坐標(biāo)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

38、/2sin() 3/2sin(sinwtIwtIwtIiiimmmcba第 9 頁共 25 頁則變換到 - 兩相靜止坐標(biāo)系中的向量為： (6)wtwtEuuFmucossin231 (7)wtwtIiiFmicos()sin(23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

39、了計算的效率。3.1.2 三相電路諧波和無功電流實時檢測三相電路諧波和無功電流實時檢測以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，計算 P、Q 或 IP、IQ 為出發(fā)點即可得出三相電路諧波和無功電流檢測的兩種方法，分別稱之為 P、Q 運(yùn)算方式和IP、IQ 方式4。（A）P、Q 運(yùn)算方式該檢測方法原理如圖 1 所示。圖中上標(biāo)- 1 表示矩陣求逆。該方法由定義計算的 P、Q 經(jīng)低通濾波器 LPF 濾波得到 P、Q 的直流分量P1、Q1。電源電壓無畸變時, P 為基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生, Q 為基波無功電流與電壓作用產(chǎn)生。因而,由 P、Q 即可計算出被檢測電流 IA、IB、IC 的基波分量 IAF、IBF

40、、ICF 。如式（9）所示： (9)第 10 頁共 25 頁圖3-1p、q運(yùn)算方式原理將 Iaf、Ibf、Icf 與 Ia、Ib、Ic 相減,即得 Ia、Ib、Ic 的諧波分量Iah、Ibh、Ich。(B)IP、IQ 運(yùn)算方式該檢測方法原理如圖 2 所示。且圖中矩陣 C 如(10)式所示。 (10)圖3-2 ip、iq運(yùn)算方式原理圖該方法用一鎖相環(huán)和一正、余弦發(fā)生電路得到與電源電壓 Ea 同相位的正弦信號 sinwt 和對應(yīng)的余弦信號- coswt,這兩個信號與 Ia、Ib、Ic 一起計算出、Iq ,經(jīng) LPF 濾波得出 Ip、Iq 的直流分量、。這里, 是由 Iaf、Ibf、Icf 產(chǎn)生。3

41、.2 SVPWM 調(diào)制策略調(diào)制策略采用同步旋轉(zhuǎn)變換的控制方法得到 DQ 兩相的電壓給定后，可以采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)來得到三相 VSR 六個開關(guān)管的開關(guān)信號?；镜脑硎牵焊鶕?jù)式(1)的反變換將兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓給定變換到三相靜止坐標(biāo)系中，標(biāo)定后與頻率固定的三角波進(jìn)行比較，就可以得到脈寬調(diào)制信號，這種方法在早期的三相 VSR 控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來隨著算法的不斷改進(jìn)和控制芯片的迅猛發(fā)展，電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)（SVPWM）被引入高頻變流領(lǐng)域的研究中。(SVPWM)是一種優(yōu)化的PWM 技術(shù)，此方法控制簡單，電流波形畸變小，數(shù)字化實現(xiàn)方便，能明顯減少交流側(cè)電流的諧波成分，提

42、高電壓利用率（比 SPWM 高 15），已有取代傳統(tǒng) SPWM 的趨勢?；镜目刂扑枷肴缦?0：定義三相 VSR 網(wǎng)側(cè)輸入電壓空間矢量 URF： （11）)(32U2rfcbaUUU第 11 頁共 25 頁其中，根據(jù)三相 VSR 開關(guān)信號 S 的定義，整流器有八種導(dǎo)通模式，31je對應(yīng)八個空間電壓矢量：U0(000)、U1(100)、U2(110)、U3(010)、U4(011)、 U5(001)、U6(101)、U7(111)。其中 U 1U6六個非零矢量為基本有效矢量，U0(000)、U7(111)為兩個零矢量。在一個電流采樣周期內(nèi)，開關(guān)管的導(dǎo)通總是以零矢量開始并以零矢量結(jié)束。用六個非零矢

43、量和兩個零矢量去逼近電壓源，整流器三相橋輸入端會得到等效的三相正弦波波形。這樣對任一空間電壓矢量就可以用兩個相鄰的非零矢量和兩個零矢量去逼近，使三相橋的輸入為等效正弦波。如 URF在第一扇區(qū)，則有：URF TS = U1T1+U2T2 (12)如下圖所示：圖 3.1 空間電壓矢量分解圖T1 和 T2 分別為空間矢量 U1 和 U2 的作用時間，TS 為一個 PWM 周期。(1) 空間電壓矢量所在扇區(qū)的計算由于，所以在一個電流采樣周期 TS中，URF的作用效果可等效表示為：，如在第一扇區(qū)，則有 0arctg(U/U)0 且(U/U)TS，則過飽和。針對這種情況就需要對 T1 和 T2 進(jìn)行歸一化

44、處理，同時得到零矢量的開通時間： （17）21021222111)()(TTTTTTTTTTTTTTsss（3）開關(guān)管導(dǎo)通時間的分配仍以空間矢量在第一扇區(qū)為例來分析開關(guān)管導(dǎo)通時間的分配。第一扇區(qū)相鄰兩個向量分別為 U1(100)和 U2(110)，如果采用零矢量對稱的插法，則三相橋臂導(dǎo)通情況可用如下圖表示：第 13 頁共 25 頁圖 3.2 空間矢量在第一扇區(qū)時三相橋臂的開通時間分配此時開關(guān)變換順序為：000100110111110100000。同理可以得到其他扇區(qū)開關(guān)變換轉(zhuǎn)換順序，如下表所示。表 2 各扇區(qū)開關(guān)變換順序扇區(qū)作用于三相橋臂上的向量的轉(zhuǎn)換順序0001001101111101000

45、00000110010111010110000000010011111011010000000011001111001011000000001101111101001000000101100111100101000各扇區(qū)三相各相橋臂的導(dǎo)通時間計算如下表所示：表 3 各相橋臂在不同扇區(qū)中的導(dǎo)通時間分配表相扇區(qū)ABC224210TTT2420TT40T2420TT224210TTT40T40T224210TTT2420TT40T2420TT224210TTT第 14 頁共 25 頁2420TT40T224210TTT224210TTT40T2420TT4. 有源電力濾波器的仿真有源電力濾波器的仿真

46、MATLAB 是美國 MATHWORKS 公司發(fā)布的主要面對科學(xué)計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境，MATLAB 是一個高度集成的系統(tǒng)，分為核心部分和各種工具箱兩個部分。核心部分有數(shù)百個內(nèi)部核心函數(shù)；SIMULINK 工具箱作為 MATLAB 的一部分，為系統(tǒng)模塊提供了一個可綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境下，用戶可通過拖拉和連接典型模塊的方式就可以繪制系統(tǒng)電路，從而很容易就能構(gòu)造出需要的連續(xù)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)模型。4.1 有源電力濾波器仿真模型的建立有源電力濾波器仿真模型的建立4.1.1 APF 的系統(tǒng)仿真模型的系統(tǒng)仿真模型基于 MATLAB 的優(yōu)點與有源電力濾波器的特點，本

47、文采用 SIMULINK 的POWERSYSTEMS 工具箱建立了非線性負(fù)載模型、諧波檢測模型、控制算法模塊、主電路模塊。如圖 4-1 所示為有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成模型。圖 4-1 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成模型4.1.2 非線性負(fù)載模型非線性負(fù)載模型第 15 頁共 25 頁本文仿真系統(tǒng)中選擇三相整流橋為負(fù)載，因為在電力系統(tǒng)中，它應(yīng)用非常廣泛，是諧波污染非常嚴(yán)重的諧波源之一。完整的三相橋式整流電路時由整流變壓器以及 6 個橋式連接的晶閘管、負(fù)載、觸發(fā)器和同步環(huán)節(jié)組成。圖 4-2 所示為非線性負(fù)載仿真模塊。圖 4-2 所示為非線性負(fù)載仿真模塊4.1.3 諧波檢測模型諧波檢測模型實時、準(zhǔn)確地提取出

48、負(fù)載中的諧波對有源電力濾波器的補(bǔ)償效果有重要影響。本小節(jié)采用基于瞬時無功功率理論的 P、Q 運(yùn)算公式計算出諧波。諧波檢測模塊仿真圖如圖 4-3 所示。圖 4-3 諧波檢測模塊由于三相三線制系統(tǒng)中電流和電壓信號是獨(dú)立的，因此利用 CLARKE 變換可以將三相電流、電壓信號變換為正交的 坐標(biāo)系中的向量，如圖 4-4 所第 16 頁共 25 頁示的三相/兩相的仿真模塊就是實現(xiàn)此功能。當(dāng)三相系統(tǒng)中的電流、電壓均為正序時，利用兩相/兩相的變換可以分別計算出瞬時的有功電流 IP 和瞬時無功電流 IQ。經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波后，得到瞬時有功電流和無功電流的直流分量，然后對直流分量進(jìn)行兩相/兩相和兩相/三相得逆變換，得到三相電流的基波分量，最后與三相被檢測的電流相減，這樣就只剩下三相諧波分量。諧波檢測模塊中的各個子模塊具體介紹如下：(1) 三相/兩相變換的仿真模型2Out21Out1-K-Gain4-K-Gain3-K-Gain2-K-Gain1-K-Gain3In32In21In1圖 4-4 三相/兩相的仿真模型（獲得瞬時有功和瞬時無功功率）：2Out21Out1Product3Product2Product1Product4In43In32In21In1圖 4-5 仿真模型（3）仿真