并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器滯環(huán)控制電路設計說明

1、 . PAGE25 / NUMPAGES29 . 畢業(yè)設計并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器滯環(huán)電路設計摘要隨著電力電子裝置與其它非線性負載的廣泛應用，電網(wǎng)中的諧波和無功污染日趨嚴重，對電力系統(tǒng)和用戶造成了一系列危害。并聯(lián)有源電力濾波器作為一種新型的諧波、無功綜合補償系統(tǒng)，是電能質(zhì)量控制領域中的研究熱點。近年來，三相四線制電網(wǎng)中的諧波和負載不平衡問題日益突出，為此本文研究了三相四線制系統(tǒng)中諧波和無功功率的統(tǒng)一補償問題。本文首先簡單介紹了電力系統(tǒng)諧波的基本概念、基本原理與其對整個電力系統(tǒng)的影響，然后介紹國外有源電力濾波器的控制方法的發(fā)展趨勢和應用情況，不同類型有源電力濾波器的基本原理、結構和控制方法

2、，混合型并聯(lián)有源電力濾波器的基本原理、結構，最后重點分析并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器控制方法，繪制并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器的原理圖與其框圖，繪制整個控制電路原理圖與框圖，并利用MATLAB仿真軟件對有源電力濾波器進行仿真，得出了預期波形。關鍵詞：諧波；電力有源濾波器；控制電路；滯環(huán)電路Shunt three-phase four-wire active power filter design of Hysteresis circuitAbstractThe pollution of harmonics and reactive power in power grid becomesse

3、rious and endangers the power system and customers while power electronicdevices and other nonlinear loads are applied widely.The study on shunt activepower filter, which is a novel device compensating harmonics and reactive power simultaneously,is the focus in the field of power quality control.Inr

4、ecent years,the issues of harmonics and loads unbalance in three-phase four-wire power grid are more and more serious.In this paper, a brief account of the power system harmonics of the basic concepts, the basic principles and its impact on the entire power system.And then the paper gives an introdu

5、ction about active power filters controlling method and Application, Different types of active power filters the basic principles, structure and control method,.Parallel hybrid active power filters basic principles, structure is also introducede ,at last ,the paper gives analysis of parallel three-p

6、hase four-wire active power filter control methods, draws parallel three-phase four-wire active power filter and its schematic diagram, maps the entire control circuit schematic diagram and block diagram,and uses MATLAB to simulate APF , reachs the desired waveform.Key words: Harmonics; Active filte

7、r of power; Control circurt目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232647306第1章 緒論 PAGEREF _Toc232647306 h 4HYPERLINK l _Toc2326473071.1 電力系統(tǒng)諧波 PAGEREF _Toc232647307 h 4HYPERLINK l _Toc2326473081.1 1電力系統(tǒng)諧波概述 PAGEREF _Toc232647308 h 4HYPERLINK l _Toc2326473091.1 2 諧波的基本概念 PAGEREF _Toc232647309 h 4HYPERLI

8、NK l _Toc2326473101.1 3 諧波的危害 PAGEREF _Toc232647310 h 4HYPERLINK l _Toc2326473111.2 有源電力濾波器與其控制方法的發(fā)展趨勢與研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc232647311 h 6HYPERLINK l _Toc2326473121.2 1 有源電力濾波器的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc232647312 h 6HYPERLINK l _Toc2326473131.2 2 有源電力濾波器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc232647313 h 6HYPERLINK l _Toc23264731

9、41.2 3 有源電力濾波器的控制技術發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc232647314 h 6HYPERLINK l _Toc2326473151.3 電力有源濾波器簡介 PAGEREF _Toc232647315 h 7HYPERLINK l _Toc2326473161.3 1 傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償裝置的缺陷 PAGEREF _Toc232647316 h 7HYPERLINK l _Toc2326473171.3 2 電力有源濾波器的優(yōu)點 PAGEREF _Toc232647317 h 8HYPERLINK l _Toc2326473181.4 電力有源濾波器的分類 PAGERE

10、F _Toc232647318 h 9HYPERLINK l _Toc2326473191.5 電力有源濾波器工作原理簡介 PAGEREF _Toc232647319 h 10HYPERLINK l _Toc2326473201.5 1 常用諧波電流檢測方法 PAGEREF _Toc232647320 h 10HYPERLINK l _Toc2326473211.5 2 常用的補償電流的控制方法 PAGEREF _Toc232647321 h 11HYPERLINK l _Toc232647322第2章 各種有源電力濾波器的結構、控制方法與原理分析 PAGEREF _Toc232647322

11、h 12HYPERLINK l _Toc2326473232.1 并聯(lián)型有源電力濾波器 PAGEREF _Toc232647323 h 12HYPERLINK l _Toc2326473242.1 1并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理 PAGEREF _Toc232647324 h 12HYPERLINK l _Toc2326473252.1 2 并聯(lián)型有源電力濾波器的基本結構 PAGEREF _Toc232647325 h 13HYPERLINK l _Toc2326473262.2 串聯(lián)型有源電力濾波器 PAGEREF _Toc232647326 h 14HYPERLINK l _Toc232

12、6473272.2 1 串聯(lián)型電力有源濾波器的基本原理與結構 PAGEREF _Toc232647327 h 14HYPERLINK l _Toc2326473282.3 混合型有源電力濾波器 PAGEREF _Toc232647328 h 15HYPERLINK l _Toc2326473292.4 各種有源電力濾波器的控制方法 PAGEREF _Toc232647329 h 16HYPERLINK l _Toc232647330第3章 瞬時無功功率理論與諧波無功電流檢測方法 PAGEREF _Toc232647330 h 18HYPERLINK l _Toc2326473313.1 瞬時無

13、功功率理論概述 PAGEREF _Toc232647331 h 18HYPERLINK l _Toc2326473323.2 其他諧波與無功電流檢測方法 PAGEREF _Toc232647332 h 21HYPERLINK l _Toc2326473333.2 1 帶通(帶阻)濾波器檢測法 PAGEREF _Toc232647333 h 21HYPERLINK l _Toc2326473343.2 2 快速傅里葉變換法（FFT） PAGEREF _Toc232647334 h 21HYPERLINK l _Toc2326473353.2 3 同步檢測法 PAGEREF _Toc2326473

14、35 h 21HYPERLINK l _Toc232647336第4章 并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器的控制方法研究 PAGEREF _Toc232647336 h 23HYPERLINK l _Toc2326473374.1 三角載波電流控制 PAGEREF _Toc232647337 h 23HYPERLINK l _Toc2326473384.2 滯環(huán)跟蹤控制 PAGEREF _Toc232647338 h 24HYPERLINK l _Toc2326473394.3 三相四線制APF主電路分析 PAGEREF _Toc232647339 h 26HYPERLINK l _Toc2326

15、47340第5章 并聯(lián)型有源電力濾波器仿真分析 PAGEREF _Toc232647340 h 28HYPERLINK l _Toc2326473415.1 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真電路 PAGEREF _Toc232647341 h 28HYPERLINK l _Toc2326473425.2 仿真分析 PAGEREF _Toc232647342 h 29HYPERLINK l _Toc2326473435.3 仿真總結 PAGEREF _Toc232647343 h 31第1章 緒論1.1 電力系統(tǒng)諧波1.1.1電力系統(tǒng)諧波概述一個理想的電力系統(tǒng)是以單一恒定頻率與規(guī)定幅值的穩(wěn)定電壓供電的

16、。但實際上，由于近年來隨著科學技術的不斷發(fā)展，在電力系統(tǒng)功率換流設備和調(diào)壓裝置的利用、高壓直流輸電的應用、大量非線性負荷的出現(xiàn)以與供電系統(tǒng)本身存在的非線性元件等使得系統(tǒng)中的電壓波形畸變越來越嚴重，對電力系統(tǒng)造成了很大的危害，如：使供電系統(tǒng)中的元件損耗增大、降低用電設備的使用壽命、干擾通訊系統(tǒng)等。嚴重時甚至還能使設備損壞，自動控制失靈，繼電保護誤動作，因而造成停電事故等與其它問題。1.1.2諧波的基本概念國際上公認的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍數(shù)?！庇捎谥C波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，我們也常稱它為高次諧波。在國際電工標準中，對諧波的明確定義則為：“

17、諧波分量為周期量的傅利葉級數(shù)于1的h次分量，其中h是以諧波頻率和基波頻率之比表達的整數(shù)?！钡贗EEE標準中，諧波的定義則為：“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍數(shù)?！?.1.3 諧波的危害（1）對供電網(wǎng)和導線，增加供電網(wǎng)的損耗當發(fā)生諧振或放大現(xiàn)象時，損耗更加嚴重。是因為諧波電流在導線上的發(fā)熱比均方根電流造成的預期以發(fā)熱為高。這是由于集膚效應和鄰近效應造成的。集膚效應是由于導線部被外部各層所屏蔽，電流集中于外部，導線的電阻增加并隨頻率和導線的直徑而增加。鄰近效應是由于導線磁場使鄰近導線的電流分布畸變。三相四制的配電網(wǎng)向單相負荷供電時，在中性導線上會造成不正常的高電流(3次

18、諧波電流)，整流器中性線電流可達相電流的1.7倍并造成中性線的過負荷。諧波電流的存在，大大增加了電力網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能，從而造成很大的過電流或過電壓，引發(fā)事故的危險性。增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電與用電設備的效率和設備的利用率。 （2）諧波對繼電保護和自動控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動作或拒動。尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程。各種類型繼電器在波形畸變下運行性能都不盡一樣，不同制造廠生產(chǎn)的一樣形式的繼電器對同樣的畸變的反應也不一樣。改變電壓或電流的基波分量與諧波分量間的相角明顯地改變繼電器的反應。雙輸入繼電器各輸入量中諧波間的相角關系也影響繼電器的性能。大多數(shù)研究結果表明，在沒有進行試驗前很難預測

19、繼電器的性能變化 （3）對電力系統(tǒng)的儀表和電能計量的影響現(xiàn)代指示均方根值的電壓表和電流表相對地不受波形畸變的影響。 受諧波影響較大的計量電能的感應型電能表，其誤差與由于頻率性和非線性度造成的誤差有關。在高度非正弦的情況下，應避免使用感應型電能表，因為計量誤差大并且在4001000Hz圍可能發(fā)生機械諧振故障。除電表本身產(chǎn)生誤差外，諧波負荷從系統(tǒng)中吸收基波功率而向系統(tǒng)送出諧波功率。這樣受諧波影響的用戶既從系統(tǒng)吸收基波功率又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負荷用戶少付電費而受害的用戶反要多付電費。1.2 有源電力濾波器與其控制方法的發(fā)展趨勢與研究現(xiàn)狀1.2.1 有源電力濾波器的發(fā)展歷程發(fā)展

20、有源電力濾波器的思想早在1967年就被提出。80年代后，由于電力電子和控制技術的發(fā)展，APF技術逐步走向成熟。90年代APF技術進入實際應用，截止2005年，已有500多臺APF投入運行，其總?cè)萘恳堰_600MVA。從使用的主電路形式看，濾波器的主電路形式可分為電壓型和電流型，目前實用裝置90%以上為電壓型。從補償對象的連接方式來看，有源電力濾波器可分為并聯(lián)型，串聯(lián)型和串并聯(lián)型，以與有源電力濾波器與無源LC濾波器混合使用的混合型。1.2.2 有源電力濾波器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢我國在電力有源濾波器方面的研究起步較晚，直到1989年才見到這方面研究的文章，1993年才見到試驗性的工業(yè)應用實驗。近幾年

21、進行這方面研究的單位在逐漸增加，主要集中在一些高等院校和少數(shù)研究機構。從發(fā)表的文章看，以理論研究和實驗為主，這些研究有的已達到或接近國際先進水平。目前的關鍵是加快電力有源濾波器在生產(chǎn)實際中的應用，提高實際應用水平。 為了抑制非正弦系統(tǒng)的高次諧波和補償無功功率，近幾年出現(xiàn)了許多新型的無功功率補償裝置，有源電力濾波器就是其中的杰出代表。有源電力濾波器控制的關鍵就是變流器的脈沖寬度調(diào)制技術（PWM）。1.2.3 有源電力濾波器的控制技術發(fā)展趨勢為了抑制非正弦系統(tǒng)的高次諧波和補償無功功率，近幾年出現(xiàn)了許多新型的無功功率補償裝置，有源電力濾波器就是其中杰出的代表。有源電力濾波器控制的關鍵就是變流器的脈沖

22、寬度調(diào)制技術（PWM）。為了獲得更為優(yōu)越的有源電力濾波器輸出特性，國外科學工作者對APF控制進行了大量卓有成效的研究，提出了許多新的脈沖寬度調(diào)制技術。下面對已出現(xiàn)的兩種典型且常用的APF控制技術進行簡要介紹。（1）三角波電流控制。三角波電流控制技術是一種傳統(tǒng)的脈沖寬度調(diào)制技術，是最早在脈沖寬度調(diào)制技術中得到應用的方法之一，也是最簡單的一種有源電力濾波器控制方法。三角波電流控制技術時將檢測環(huán)節(jié)得到電流實際值與設置值之間的偏差與高頻三角波之間做比較，所得到的矩形脈沖作為變流器各開關器件的控制信號，從而在變流器輸出端獲得所需波形。這種控制技術開關頻率恒定、實現(xiàn)電路簡單、穩(wěn)定性好、得到應用的時間長技術

23、成熟、裝置安全性較高，但響應速度較慢，精度較低。因此在高頻諧波跟蹤控制中，響應速度和控制精度成為難以克服的缺陷。（2）滯環(huán)電流控制。目前應用于有源濾波器的電流控制技術一般有兩類，即滯環(huán)電流控制技術和三角波控制技術。滯環(huán)控制技術是目前在有源濾波器控制中應用最成功的有效控制技術之一。滯環(huán)電流控制是一種簡單的bang-bang控制，它集電流控制與PWM于一體，滯環(huán)控制技術給定一個允許誤差帶，只要高次諧波的大小超過這個容差帶，變流器開關就動作。1.3 電力有源濾波器簡介為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條:一條是裝設諧波補償裝置，這對各種諧波源都適用;另一條是對電力電子裝置本身

24、進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為l，這只適用于主要諧波源是電力電子裝置的情況。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，縮寫為APF)。1.3.1 傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償裝置的缺陷 目前我國電力系統(tǒng)中普遍采用由電抗器和電容器串聯(lián)后組成的分路調(diào)諧LC濾波器作為濾波器，但這種無源型LC濾波器抑制諧波的效果并不理想，且系統(tǒng)LC也經(jīng)常變化，當系統(tǒng)阻抗參數(shù)運行條件變化，會發(fā)生與系統(tǒng)并聯(lián)或串聯(lián)諧振問題，造成電源側(cè)某一頻率上諧波電流倍增，嚴重影響濾波性能，它一般只適用于靜態(tài)補償。其主要存在以下問題:（1）電源阻抗嚴重影響濾波特性（2）隨著電源側(cè)諧波

25、的增加，濾波器有可能過載（3）在同一系統(tǒng)設置很多LC濾波回路情況下，難以取得高次諧波流入的平衡?，F(xiàn)階段在電力網(wǎng)中廣泛應用靜止型無功補償器(SVC:Static Var Compensation)，其部的電力電子開關元件多為晶閘管，它有兩種基本類型:晶閘管可控電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)。晶閘管在導通期間處于失控狀態(tài)，這使SVC每步補償時間間隔至少為工頻的半個周期。若被補償?shù)呢摵蔀榧眲〔▌拥母蓴_性負荷時，常用的SVC因固有的時間延遲使其響應不夠快。上面所說的兩種補償裝置都離不開大容量的儲能元件，這是由于電感和電容儲存和交換電能的特點向系統(tǒng)提供無功功率的補償容量決定的，因此，其容量

26、的大小應不少于所補償?shù)臒o功功率。另外，這些大容量儲能元件存在固有的時滯影響，使它們不可能做到瞬時無功補償。晶閘管控制投切電容器組雖然己能相對平滑地快速調(diào)節(jié)容性無功功率的大小，實現(xiàn)動態(tài)無功功率補償作用，但是這種無功功率補償器的容量明顯受到安裝點電壓變化的制約(與安裝點電壓平方成正比)。當電網(wǎng)無功功率不足引起電壓下降時，電容器提供的無功功率減少，導致母線電壓進一步降低。綜上所述，傳統(tǒng)無功功率的定義和概念，只限于處理系統(tǒng)運行參數(shù)是正弦周期的情況，對功率急劇變化所出現(xiàn)的瞬時或隨機變化的非周期現(xiàn)象已不能適應。1.3.2 電力有源濾波器的優(yōu)點電力有源濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置

27、，它能對大小和頻率都變化的諧波以與無功進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和電容器等無功補償手段的缺點，是電力系統(tǒng)柔性交流傳輸系統(tǒng)(FACTS)中的一個重要的發(fā)展方向。這種濾波器的特點為：（1）實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小都變化的諧波以與變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應;（2）可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)；（3）補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要儲能元件容量也不大;（4）即使補償對象電流過大，電力有源濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用;（5）受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振;（6）能跟蹤電網(wǎng)

28、頻率的變化，故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響;（7） 既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。1.4 電力有源濾波器的分類按照不同的劃分標準，電力有源濾波器有多種分類的方法，分別介紹如下（1）根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類:并聯(lián)型電力有源濾波器和串聯(lián)型電力有源濾波器。并聯(lián)型電力有源濾波器與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，主要適用于電流型負載的諧波、無功和負序電流的補償。串聯(lián)型電力有源濾波器與負載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電壓型諧波源對系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型電力有源濾波器中流過的是正常負載電流，損耗較大;并且串聯(lián)型電力有源濾波器的投切、故障后的退出與各種保護也比并聯(lián)型電力有源濾波器復雜

29、，因此使用圍受到很大的限制。（2）根據(jù)主電路的貯能元件不同，可以分為電壓型電力有源濾波器和電流型電力有源濾波器兩種。電壓型電力有源濾波器的主電路直流側(cè)接有大電容，正常工作時其電壓基本保持不變。電流型電力有源濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感，正常工作時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，該電流將在電感的阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。（3）根據(jù)主電路所使用的PWM變流器數(shù)目，可以分為單個主電路電力有源濾波器和多重化主電路的電力有源濾波器。后者可以提高電力有源濾波器的容量，降低單個器件的工作頻率。（4）根據(jù)接入系統(tǒng)的不同，可以分為單相電力有源濾波器和三相電力有源濾波器

30、。后者又可以分為用于三相三線制電路的電力有源濾波器和用于三相四線制電路的電力有源濾波器。在各種電力有源濾波器中，單獨使用的并聯(lián)型電力有源濾波器是最基本的一種，也是工業(yè)實際中應用最多的一種，它集中地體現(xiàn)了電力有源濾波器的特點，因此，本文主要以并聯(lián)的電壓型三相電力有源濾波器為研究對象。1.5 電力有源濾波器工作原理簡介電力有源濾波器由兩大部分組成，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電流分量，因此有時也稱之為諧波和無功電流檢測電路。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。主電路目前均采

31、用PWM變流器。作為主電路的PWM變流器，在產(chǎn)生補償電流時，主要作為逆變器而工作。但它并不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網(wǎng)向電力有源濾波器直流側(cè)儲能元件充電時，它就作為整流器工作。也就是說，它既工作于逆變狀態(tài)，也工作于整流狀態(tài)，且兩種工作狀態(tài)無法嚴格區(qū)分。因此，一般稱其為變流器，而不稱之為逆變器。1.5.1 常用諧波電流檢測方法電力有源濾波器諧波電流的檢測不同于一般的諧波測量儀，它一般不需要分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流或基波有功電流之外總的畸變電流即可。目前電流的檢測方法可分為頻域和時域兩大類?；陬l域的電流檢測主要有帶通(帶阻)濾波器檢測法、快速傅里葉變換法等，但由于它們固有的

32、缺陷，檢測效果差，不能滿足準確、實時性的要求。時域電流檢測法在電力有源濾波器中應用廣泛，主要有同步檢測法、自適應電流檢測法和基于瞬時無功功率理論電流檢測法等。電力有源濾波器的諧波和無功電流檢測法對其整體性能至關重要，而基于瞬時無功功率理論的電流檢測法具有較高的準確性和實時性，所以是目前電力有源濾波器中使用最多的諧波和無功電流檢測法。本文也主要對基于瞬時無功功率理論的電流檢測法作深入討論。1.5.2 常用的補償電流的控制方法電力有源濾波器要動態(tài)補償負載中的諧波和無功電流，其電流波形可能復雜、變化速度快且有很大的隨機性。因此當電力有源濾波器的主電路與控制對象確定后，其補償電流的控制方法將成為決定其

33、性能和效率的關鍵性環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在比較常用的有三角波脈寬調(diào)制電流控制方法、滯環(huán)比較電流控制方法、無差拍電流控制方法。日本電氣學會的調(diào)查結果表明，三角波脈寬調(diào)制方法和滯環(huán)比較電流控制方法在實際應用體各占了一半。這兩種方法各有優(yōu)缺點，在實際應用中可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行選擇。第2章 各種有源電力濾波器的結構、控制方法與原理分析2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器并聯(lián)型電力有源濾波器通過檢測負荷產(chǎn)生的諧波和吸收的無功電流，利用電力電子裝置注入與負荷諧波和無功電流大小相等、相位相反的電流，實現(xiàn)對無功和諧波的補償。2.1.1并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理并聯(lián)型電力有源濾波器的基本結構如圖2.1所示。它主要由補償電流檢測回

34、路、控制驅(qū)動回路以與由電力電子器件和電容或電感構成的主回路組成。設非線性負荷產(chǎn)生的周期性非正弦電流為，將其分解為基頻有功電流、基頻無功電流，諧波電流其中=+（2-1）又由圖2.1可得：=+（2-2）假設：=-=-+（2-3）則系統(tǒng)僅需向負載提供基頻有功電流，即=（2-4）圖2.1 并聯(lián)電流型電力有源濾波器的基本結構圖2.1中各部分的功能如下：（1）補償電流檢測回路主要是完成諧波和無功電流的檢測，是實現(xiàn)補償?shù)幕A。由于這種檢測不需要分解出各次諧波分量和無功電流，只需檢測出諧波或諧波與無功電流之和，同時考慮到基波的檢測比諧波的檢測容易得多，因此常常采用檢測負荷的基頻或基頻有功電流的方法來得到參考補

35、償電流。 （2）驅(qū)動控制回路的主要任務是根據(jù)參考指令電流，確定各電力電子器件的開關狀態(tài)，并由此形成各個通道的驅(qū)動信號。 （3）主回路主要是根據(jù)控制觸發(fā)信號產(chǎn)生所需的補償電流，主回路各器件決定的容量決定了該裝置的補償容量。2.1.2 并聯(lián)型有源電力濾波器的基本結構APF與系統(tǒng)相并聯(lián)，相當于一個諧波電流發(fā)生器，可產(chǎn)生與負載諧波大小相等方向相反的諧波電流，從而抵消線路上的諧波電流而將電源側(cè)電流補償為正弦波。同時，并聯(lián)型APF也可用于補償負荷的無功功率、工頻電流的負序和零序等。目前并聯(lián)型APF技術已相當成熟，工程上應用較多，具體結構如圖2.2。 2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)型電力有源濾波器具有多種

36、結構形式，這里將詳細介紹一種具有很好應用前景的基于基波磁通補償?shù)拇?lián)型有源濾波器?；诨ù磐ㄑa償?shù)拇?lián)有源濾波器只需檢測電網(wǎng)電流的基波，并跟蹤產(chǎn)生基波補償電流，在滿足補償條件下，將串聯(lián)變壓器鐵心中基波主磁通補償為零，從而實現(xiàn)串聯(lián)變壓器對電網(wǎng)基波電流呈低阻抗，而對諧波電流呈高阻抗，它可以單獨使用，也可以與并聯(lián)無源(并聯(lián)有源)構成串聯(lián)混合型濾波器。電力系統(tǒng)LAPFC非線性負載圖2.2 并聯(lián)型有源電力濾波器結構圖APF通過變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)與負載之間，相當于一個受控電壓源。 其工作原理是通過檢測環(huán)節(jié)測量電網(wǎng)中的諧波電壓分量，產(chǎn)生與之相反的附加電壓信號，從而實現(xiàn)系統(tǒng)與諧波的隔離，使電源端電壓恢復為正弦

37、波。串聯(lián)型APF主要用于調(diào)節(jié)電壓和功率因數(shù)、消除電壓變、隔離電壓諧波等。由于串聯(lián)型APF損耗大，投切故障后的退出與各種保護比并聯(lián)型復雜，目前單獨使用的較少?；窘Y構如圖2.32.3 混合型有源電力濾波器APF，這種濾波器充分利用無源濾波器(PF)和有源濾波器的優(yōu)點。PF用來消除高次諧波，APF用來補償?shù)痛沃C波分量。兩者相互彌補不足，達到降低成本，提高效率的目的。并聯(lián)APF與并聯(lián)PF相結合的混合型APF方案中PF分擔大部分諧波，APF僅補償所需的各次諧波電流，因此APF容量很小，但使用這種混合濾波器時，電源與APF之間與APF與PF之間存在諧波通道，特別是后者可能使APF注入的諧波電流又流入PF

38、與系統(tǒng)中聯(lián)接的濾波電容中。串聯(lián)APF加并聯(lián)PF的結構方案中APF對工頻呈低阻抗而對諧波呈高阻，因此APF相當于電源和負載之間的諧波隔離器，保證電網(wǎng)的諧波電壓不會加到負載和PF上，而負載的諧波電流也不會流入電網(wǎng)。APF通過變壓器串聯(lián)在系統(tǒng)中，絕緣較困難，并且APF要承擔所有負載電流，這將直接影響該種混合濾波器的補償性能。APF與PF相串聯(lián)的混合型APF方案中APF產(chǎn)生與系統(tǒng)中諧波分量成比例的電壓，相當于一個電流控制電壓源。為了便于保護和隔離，注入變壓器要聯(lián)接在PF的中性點上。該電路的缺點是采用開環(huán)控制策略，這樣會對電網(wǎng)中的諧波電壓非常敏感。其結構圖如圖2.4電力系統(tǒng)LTAPFC非線性負載圖2.3

39、 串聯(lián)型有源電力濾波器結構圖電力系統(tǒng)LTAPFC非線性負載PF圖2.4 混合型有源電力濾波器2.4 各種有源電力濾波器的控制方法由于有源電力濾波器的類型和控制目標很多，這就決定有源電力濾波器的控制技術非常豐富，總體來說，有源電力濾波器的控制方式可以分為三大類：對系統(tǒng)電源側(cè)電壓、電流進行控制；對系統(tǒng)負載側(cè)電壓、電流進行控制；對系統(tǒng)電源和負載側(cè)電壓、電流同時進行控制。由于有源電力濾波器中的可控功率元件開關頻率需要高于被補償?shù)淖罡叽沃C波頻率的2倍以上，控制可控功率元件開關狀態(tài)的信號是脈沖寬度調(diào)制信號，因此有源電力濾波器的控制策略主要是如何實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。三角載波線性電流控制和滯環(huán)跟蹤控制適用于模擬

40、控制系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)，目前是使用最多也是最成熟的兩種控制方法。特定次數(shù)諧波消除控制方法和自適應控制方法適用于微機控制系統(tǒng)。特定次數(shù)諧波消除控制方法需要事先計算出要消除的若干次指定諧波，在負載經(jīng)常變化的情況下，跟隨特性難以保證，目前較少使用；自適應控制方法因反應較慢，算法復雜，目前尚在理論研究之中，在有源電力濾波器中沒有得到工程應用。第三章 瞬時無功功率理論與諧波無功電流檢測方法3.1 瞬時無功功率理論概述 三相電路瞬時無功功率理論自八十年代提出來以來，在許多方面得到了成功的應用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率和瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎的諧

41、波和無功電流實時檢測方法在電力有源濾波器中得到了成功和廣泛的應用。本章首先介紹瞬時無功功率的基本理論，然后介紹基于該理論的諧波和無功電流實時檢測方法。 1983年，Akgai等人提出了坐標系下的瞬時無功功率理論，其基本思路是:將abc三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成坐標系下的矢量，將電壓、電流矢量的點積定義為瞬時實電功率，電壓、電流矢量的矢量積定義為瞬時虛電功率，并由此導出瞬時無功電流和瞬時無功功率。（1）abc坐標系與-坐標系之間的變換關系 設三相電路各相電壓、電流的瞬時值分別為、和、把它們分別變換到兩相正交的-坐標系: （3-1） （3-2）式中= （3-3） （2） 三相電路瞬時有功電流和瞬時無

42、功電流 三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為矢量三相電路瞬時有功電流（的法線）上的投影：= （3-4）= （3-5）式中：。（3） 三相電路瞬時無功功率q和瞬時有功功率p 三相電路瞬時無功功率q(瞬時有功功率P)為電壓矢量的模與三相電路瞬時無功電流 (瞬時有功電流) 的乘積: （3-6） 經(jīng)變換可得：= （3-7） 式中=，顯然可得p、q對于三相電壓、電流的表達式:（3-8）（3-9） 從（3-8）式可以看出，三相電路瞬時有功功率就是三相電路的瞬時功率。（4） 、相的瞬時無功電流，和瞬時有功電流， 、相的瞬時無功電流，分別為三相電路瞬時無功電流在、軸上的投影，瞬時有功電流，則分別為三相電路

43、瞬時有功電流在、軸上的投影,某一相的瞬時有功電流和瞬時無功電流也可分別稱為該相電流的有功分量和無功分量。（5）、相的瞬時無功功率、和瞬時無功功率、 、相的瞬時無功功率、分別為該相瞬時電壓和瞬時無功電流的乘積，、相的瞬時無功功率、則分別為該相瞬時電壓和瞬時有功電流的乘積，即:=，=，=，= （3-10）從以上定義可得到如下性質(zhì)：+=+=0 （3-11）（6） 三相電路各相的瞬時無功電流，和瞬時有功電流， 三相電路各相的瞬時無功電流，是、兩相瞬時無功電流， 通過兩相到三相變換所得到的結果，而各相的瞬時有功電流，是、兩相瞬時有功電流，通過兩相到三相變換所得到的結果，即： （3-12）式中：= （3-

44、13）又以上各式反應了如下性質(zhì)：+= （3-14）上述性質(zhì)反應了a、b、c三相的對稱性。（7）a、b、c各相得瞬時無功功率，和瞬時有功功率、 a、b、c各相得瞬時無功功率，分別為該相瞬時電壓和瞬時無功電流的乘積，而各相得瞬時有功功率、則分別為該相瞬時電壓和瞬時有功電流的乘積。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率都是在平均值基礎或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時的情況。而瞬時無功功率理論中的概念，都是在瞬時值的基礎上定義的，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。從以上定義可以看出，瞬時無功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣和延

45、伸。3.2 其他諧波與無功電流檢測方法3.2 1 帶通(帶阻)濾波器檢測法模擬的帶通(帶阻)濾波器用于分離出被測信號中的基波分量，一般采用50hz的帶通或帶阻濾波器把被測電流中的50Hz基波分量分離出來而得到諧波電流。該方法的優(yōu)點在于電路結構簡單、造價低、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制。但也有許多缺點，濾波器中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻特性和相頻特性;當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度而且檢測出的諧波電流含有較多的基波分量，大大增加了有源濾波器的容量和運行損耗。此外，這種方法不能同時分離出無功電流。3.2 2 快速傅里葉變換法（FFT）該方法的基本原理是

46、將負荷電流分解為兩個正交分量:一個是與電壓波形完全一致的分量，即有功電流;另一個分量作為廣義無功電流，也就是負荷電流與有功電流的差值。該方法的缺點是，要計算出有功電流，必須對上一個電源周期的電壓、電流進行積分運算，再加上其他運算電路所需要的時間，因此該方法檢測出的廣義無功電流瞬時值至少有一個周期以上的時間延遲。3.2 3 同步檢測法 這種方法多用于不平衡三相系統(tǒng)中諧波和無功電流檢測，其基本思想是分別考慮各相情況，并把補償分量分配到三相中，統(tǒng)一確定各相補償電流，即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確定補償電流。對三相系統(tǒng)來說，同步檢測法在補償無功與諧波和無功電流的同時，還具有平衡

47、三相電流的作用。但是由于該檢測法是根據(jù)總平均功率確定補償后的電流，再計算出補償指令電流，而在計算補償后電流時，不僅需要知道三相電路的平均功率，還需要知道每個相電壓的幅值，因此檢測過程中的延遲較大。而且該方法僅適于三相電壓均為正弦波的情況。若電壓波形存在畸變，必將影響檢測精度。此外，該方法檢測出的補償電流包含無功電流、諧波電流和一些不平衡分量，無法將它們分離出來，因而大大限制了它的應用圍。第4章 并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器的控制方法研究由于有源電力濾波器的類型和控制目標很多（其原理圖見圖4.1），這就決定了有源電力濾波器的控制技術也非常豐富?？傮w說來，有源電力濾波器的控制模式可以分為三大類：

48、對系統(tǒng)電源側(cè)電壓、電流進行控制；對系統(tǒng)負載側(cè)電壓、電流進行控制；對系統(tǒng)電源和負載側(cè)電壓、電流同時進行控制。由于有源電力濾波器中的可控功率元件開關頻率需要高于被補償?shù)淖罡叽沃C波頻率的2倍以上，控制可控功率元件開關狀態(tài)的信號是脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號，因此有源電力濾波器的控制策略主要是如何實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制（PWM）。目前得到應用的控制策略歸納起來?？梢苑譃榻?jīng)典方法、現(xiàn)代方法和智能方法。下面對有源電力濾波器中常用的控制策略進行簡要介紹。圖4.1 并聯(lián)型APF原理圖4.1 三角載波電流控制三角波載波電流控制法（Liner Current Control）是最簡單的一種電流控制方法，其原理圖如圖3.1

49、。三角載波線性控制時一種有瞬時值比較法衍生出的一種線性控制方法。它以指令信號與實際補償電壓（或電流）之間的差值作為調(diào)整信號，被控制量與它的給定值在給定的圍比較，以確定電力變流器開關元件的開關時序與高頻三角載波相比較，從而得到變流器開關器件所需的控制信號。它與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同，不是將指令信號與三角波比較，而是將調(diào)制后的電流實際值與參考值之間的偏差經(jīng)過放大與高頻的三角調(diào)制波進行實時比較，得到它們的交點作為變流器開關動作的依據(jù)。該方法的優(yōu)點是開關頻率固定，而且簡單易行，響應速度快，對高開關頻率的系統(tǒng)具有較好的控制特性，可預先確定主電路器件的開關頻率，調(diào)整也十分方便具有動態(tài)響應

50、好，電流跟隨能力強的優(yōu)點，特別適合于模擬控制系統(tǒng)，它已為交直交變流系統(tǒng)和有源電力濾波器廣為采用。缺點是硬件較為復雜、跟隨誤差大、調(diào)制器的帶寬有限、無法濾除所有調(diào)制信號的脈動，并且由于高頻的三角波使變流器始終以高頻狀態(tài)工作，從而產(chǎn)生較大的開關損耗和高頻失真，在大功率應用受到限制，在開關頻率過低時，會使補償電流的高次諧波分量復制效果變差。 圖4.2 三角波比較方原理圖 A-放大單元 4.2 滯環(huán)跟蹤控制滯環(huán)跟蹤控制是一種簡單的Bang-bang控制。他預先給定一個允許的容許誤差，在補償對象與濾波器輸出之差值的大小超過這個容許誤差時，主電路中的開關元件動作。滯環(huán)跟蹤控制的基本思想是實際值與允許的的上

51、、下限相比較，交點作為開關點，在上、下限形成一個環(huán)帶，故稱“滯環(huán)跟蹤控制”。有源電力濾波器中使用的滯環(huán)跟蹤控制有滯環(huán)電流控制和滯環(huán)電壓控制。它將指令電流值與實際補償電流的差值輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中，實際電流與指令電流的上下限，交點作為開關點，指令電流的上、下限形成一個滯環(huán)，然后用比較器的輸出控制變流器的開關器件，因此稱為滯環(huán)電流控制。滯環(huán)電流控制是電壓源變流器輸出電流的輸出電流的一種有效的非線性控制方法。滯環(huán)電流控制具有簡單靈活，性能與系統(tǒng)參數(shù)無關、動態(tài)響應速度快、魯棒性好、精度較高等優(yōu)點，因此是在跟蹤諧波電流或電壓的控制方面應用最多。但是它也有許多缺點，例如開關頻率不固定，輸出頻譜圍寬

52、，濾波較困難，諧波能量均勻分布在較寬頻帶圍。下面以并聯(lián)有源電力濾波器進行電源側(cè)單位功率因數(shù)補償為例，說明滯環(huán)電流控制原理和控制效果。滯環(huán)電流控制原理框圖如圖3.2所示。高頻采樣頻率連續(xù)檢測系統(tǒng)的電源側(cè)電流和并聯(lián)有源電力濾波器輸出的，以電源側(cè)電流中的非基波正序有功電流作為指令信號。取與的代數(shù)差輸入到如圖3.2所示的滯環(huán)比較器。設和分別為滯環(huán)比較器哦的高低閥值（一般取=-）。若,滯環(huán)比較器的輸出信號HL上跳至高電位；,HL下跳至低電位；當時，HL保持原值。根據(jù)信號HL，得到可控電力電子元件柵極、的PWM信號、。、的邏輯表達式非常簡單，可表示=，=HL。、信號送至驅(qū)動電路，即可產(chǎn)生、所需的觸發(fā)信號。

53、電流滯環(huán)控制的特點是使被控制量圍繞其給定值作鋸齒形態(tài)變化,輸出電流在PWM波的控制下圍繞指令信號波動,波動的幅度由滯環(huán)比較器的閾值決定,通過調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的閾值和,便可以調(diào)節(jié)SAPF的輸出補償效果.一般地,滯環(huán)比較器閾值的模越小,SAPF的補償效果越好,對可控電力電子元件的開關頻率要求越高, SAPF的功耗越大;相反,滯環(huán)比較器閾值的模越大,SAPF的補償效果越差,對可控電力電子元件的開關頻率要求越低,SAPF的功耗越小.因此,可以根據(jù)SAPF補償效果的工程需要以與可控電力電子元件的開關頻率限制性,選擇恰當?shù)拈撝怠? 圖4.3 滯環(huán)電流控制的原理框圖4.3 三相四線制APF主電路分析和三相三線

54、制電路相比，三相四線制電路零線中有電流流過。有源濾波器不僅要對三相諧波進行補償，還要對零線電流進行補償，使三相電源電流對稱。具體說來，就是要使指令電流運算電路快速準確檢測出負載側(cè)電流中的諧波、基波負序等電流分量;而主電路也要能精確地按照指令電流信號產(chǎn)生對應的補償電流。 圖4.4 采用四相變流器的三相四線制APF主電路結構與其與負載的連線指令信號由零線電流分離法檢測出的系統(tǒng)零線電流反極性得到。產(chǎn)生的零線補償電流與負載零線電流相抵消，使得電源側(cè)零線電流為零。如圖4.4所示，從以上分析可知，采用四相變流器時的主電路分工明確，各相補償電流的產(chǎn)生和零線電流的補償可以看作是由各對橋臂獨立完成的，整個系統(tǒng)可

55、看作是一個四相電流跟蹤控制系統(tǒng)。第5章 并聯(lián)型有源電力濾波器仿真分析計算機仿真是現(xiàn)代科學研究中的一種重要手段，應用軟件在計算機上模擬實際的系統(tǒng)，尤其應用在實際試驗可能對元件具有破壞性的系統(tǒng)中。在電力電子技術方面，由于實際試驗可能會造成元件或試驗設備的燒毀，尤其在高壓電力系統(tǒng)中去進行試驗，甚至發(fā)生更嚴重的事故。因此，計算機仿真已經(jīng)成為一種公認的經(jīng)濟、有效的設計方法。通過仿真對其進行各方面性能的檢測，避免了一些事故的發(fā)生，也降低了開發(fā)成本?，F(xiàn)在，用Matlab軟件對電網(wǎng)裝設并聯(lián)型有源電力濾波器進行仿真分析。5.1 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真電路圖5.1為并聯(lián)型有源電力濾波器在MATLAB中的仿真模型。整個功率電路由三相APF和三相非線性負載組成。系統(tǒng)電