本科論文有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策略研究

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計學(xué)生姓名學(xué)生姓名張帆學(xué)學(xué) 號號170908040院院 (系系)物理與電子電氣工程學(xué)院專專 業(yè)業(yè)電氣工程及其自動化有源電力濾波器滯環(huán)電流跟蹤控制策題題 目目略的研究 周凱杰 助教/碩士指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師2013年5月淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計1摘摘 要要：針對有源電力濾波器（APF）傳統(tǒng)滯環(huán)電流跟蹤方式逆變器的開關(guān)頻率高且頻率范圍大的問題，研究了一種可變環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤控制策略。該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬，不僅能夠有效的降低開關(guān)頻率和頻率變化范圍，而且在跟蹤精度和動態(tài)性能上也比傳統(tǒng)滯環(huán)比較法優(yōu)越。通過 MATLAB 仿真表明：該策略的

2、電流跟蹤精度滿足有源電力濾波器的要求。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：有源電力濾波器，滯環(huán)比較法，電流跟蹤，自適應(yīng)淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計2Abstract：In view of the active power filter (APF), traditional hysteresis current tracking mode inverter of high switch frequency and the frequency range is big problem, researched a variable loop width of hysteresis current tracking control

3、 strategy. The strategy based on the system switch frequency, dc side voltage and main circuit inductance parameters such as dynamic adjust the ring width of hysteresis comparator, not only can effectively reduce the switching frequency and frequency range, but also on the tracking precision and dyn

4、amic performance than traditional hysteresis comparison method is superior. Through the MATLAB simulation show that the strategy of current tracking precision meet the requirements of active power filter. Key words: active power filter, hysteresis comparison method,the current tracking,the adaptive

5、淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計3目目 錄錄1 緒論 .41.1 前言.41.2 有源電力濾波器的發(fā)展史.41.3 有源電力濾波系統(tǒng)工作.52 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理 .63 滯環(huán)電流跟蹤算法 .93.1 傳統(tǒng)滯環(huán)比較原理.93.2 自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式數(shù)學(xué)建模.93.3 自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計.114 仿真結(jié)果及其分析 .12結(jié)論 .16參考文獻 .17致謝 .18淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計41 緒論緒論1.1 前言前言電力電子設(shè)備的大規(guī)模使用給人們生產(chǎn)生活帶來便利的同時，也給電網(wǎng)注入了大量諧波，致使電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重，目前有源電力濾波器（APF）成為治理諧波污染的有效手段之一1。有源電力濾波

6、器（APF）不僅能夠主動抑制諧波，而且能夠?qū)o功功率進行補償，具有良好的動態(tài)性能，可以彌補傳統(tǒng)無源濾波器補償方法的不足。APF 的原理是產(chǎn)生與諧波源諧波電流大小相同、相位相反的補償電流，從而實現(xiàn)濾除諧波電流的目的。而產(chǎn)生的補償電流必須能實時的準(zhǔn)確的跟蹤指令電流的變化，目前 APF 中常用的電流跟蹤控制方式主要有三角波比較方式和滯環(huán)電流比較方式2。 三角波比較方式采用固定的開關(guān)頻率可以實現(xiàn)無靜差跟蹤，但由于采用的是定頻控制，因而誤差較大；并且由于它采用三角載波，因而在輸出波形中會存在載波分量。滯環(huán)電流比較方式開關(guān)頻率并不固定，且不需要載波，跟蹤精度高，響應(yīng)快，魯棒性好，且在輸出中不會存在載波分量

7、。但是，由于在傳統(tǒng)滯環(huán)電流比較方式中是采用固定的環(huán)寬 H，由此帶來的問題是：當(dāng)電流偏差過大或偏差變化率過大時，環(huán)寬 H 小會使得 APF補償能力不足或不能實時準(zhǔn)確的跟蹤指令電流；而當(dāng)電流偏差過小或電流偏差變化率過小時，固定環(huán)寬 H 又會使得產(chǎn)生的補償電流過大，導(dǎo)致 APF 濾波效果不好，尤其是在電流過零點和峰值的時候尤為明顯3。 針對該問題，本文提出了一種可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略，該策略能夠該策略根據(jù)系統(tǒng)開關(guān)頻率、直流側(cè)電壓、主電路電感等參數(shù)動態(tài)的調(diào)節(jié)滯環(huán)比較器的環(huán)寬，從而有效的彌補傳統(tǒng)固定環(huán)寬滯環(huán)比較策略的缺陷，本文并在此基礎(chǔ)上利用 matlab 軟件搭建仿真模型，對這兩種策略進行仿

8、真比較，驗證所設(shè)計的可變環(huán)寬的自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤策略的準(zhǔn)確性和有效性。1.2 有源電力濾波器的發(fā)展史有源電力濾波器的發(fā)展史20 世紀(jì) 60 年代末產(chǎn)生的有源電力濾波器的思想，BMBird JFMarsh 在 1969 年發(fā)表的一篇論文中，三次諧波電流注入交流電網(wǎng)，以減少電源電流諧波成分，從而抑制諧波，新的方法來提高電流波形。雖然本文沒有提到的“有源電力濾波器”，但它是有源電力濾波器思想的種子。在 1971 年，H.Sasaki T.Machida 全面介紹了有源電力濾波器（APF）的基本工作原理?；搓帋煼秾W(xué)院畢業(yè)設(shè)計5通過線性擴增方法產(chǎn)生補償電流，但成本高，損耗，從而在實驗階段，還沒有應(yīng)用到項

9、目。1976 年，L.Gyugyi 等人提出了一種新的方法來產(chǎn)生補償電流通過 PWM 轉(zhuǎn)換器。盡管是理想的補償電流產(chǎn)生電路 PWM 轉(zhuǎn)換器，但限于當(dāng)時電力電子技術(shù)，全控半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率和低功耗的有源濾波器的水平仍處于實驗研究階段。在論文中，主電路的有源電力濾波器的控制方法和基本拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)建立，正式提出有源電力濾波器的概念。Akagi.H 于 1983 年提出三相電路瞬時無功功率理論，廣泛應(yīng)用于有源電力濾波器基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法，極大地促進了有功功率的過濾器的開發(fā)與應(yīng)用。 FZPeng 等于 1988 年提出有源電力濾波器和并聯(lián)型無源濾波器相結(jié)合的混合設(shè)備。串聯(lián)

10、型有源電力濾波器對諧波電流呈高阻抗，對基波呈低阻抗，使負載側(cè)的高次諧波電流也不會流入電網(wǎng)，電網(wǎng)的諧波電壓不添加無源濾波器和負載。H.Akagi 等在 1994 年提出并聯(lián)有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器集成有源濾波裝置。有源電力濾波器系列的電源和負載隔離，以防止電網(wǎng)的諧波電壓，負載和無源濾波器和無源濾波器，還可以防止負載側(cè)諧波電流擴散到電網(wǎng)并聯(lián)有源電力濾波器諧波提供了一個零阻抗分支，以防止在無源濾波器諧波電壓的負載產(chǎn)生的高次諧波電流。該器件結(jié)合了兩種結(jié)構(gòu)的功能和特點，應(yīng)用范圍廣，具有非常高的性價比，它是值得未來發(fā)展的方向。目前，國外許多國家將有源電力濾波器應(yīng)用于工程，諧波抑制，提高整體素質(zhì)

11、，從電網(wǎng)電源和負載兩端的。與發(fā)達國家相比，中國諧波起步較晚，技術(shù)相對落后，許多學(xué)者如吳鄧景昌在中國統(tǒng)一的諧波問題作出了突出貢獻，前者在 1988 年出版的“電力系統(tǒng)諧波”一書我們諧波的研究中，有著深遠的影響。我國在有源電力濾波器研究方面滯后，國內(nèi)研究處于實驗和理論研究階段，直到最近幾年，在這方面的研究單位逐漸增加，但主要集中在一些國家科研院所和高等院校。西安交通大學(xué)王釗等諧波檢測算法，以及浙江大學(xué)錢照明基于 DSP 的單相有源電力濾波器，都做出了突出貢獻。有源電力濾波器在我們國家不是許多工程的應(yīng)用，這并不符合中國的電動電力系統(tǒng)諧波污染的現(xiàn)狀，我相信，隨著重視有源電力濾波器的諧波問題，持續(xù)改善諧

12、波污染的控制工作，我國的有源電力濾波器將會得到快速發(fā)展和廣泛運用。淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計61.3 有源電力濾波系統(tǒng)工作有源電力濾波系統(tǒng)工作 有源電力濾波器提供了基波動態(tài)無功補償和對電壓閃變的抑制使負載有諧波時得到有效治理裝置。通過關(guān)閉開關(guān)，熔斷器的電流限流電阻，以限制通電的瞬間電流沖擊，給電容充電，當(dāng)電容達到額定值，自閉 QF1 接觸，設(shè)備開始工作，電容作為能量存儲元件，補償輸出電流的 PWM 逆變器和反應(yīng)器內(nèi)部向外提供能量時，電容器也可以提供控制和監(jiān)視系統(tǒng)的工作電源，CT1 檢測到的負載電流，CF2 電網(wǎng)電流被檢測到。的高次諧波分量的高次諧波分量的高速數(shù)字處理器（DSP）PWM 驅(qū)動，扭轉(zhuǎn)對應(yīng)

13、的高次諧波分量完全抵消的分析可以自動消除系統(tǒng)中的諧波。 負載電壓變化的波形測量和調(diào)節(jié)有源電力濾波器的幅頻，消諧器通過使用數(shù)字信號處理技術(shù)，還具有以下功能：防止諧振電容有源濾波器應(yīng)用不用擔(dān)心隱患諧振電路的參數(shù)，并可以提供無功功率控制功能的浪涌電壓和負載頻繁變化。 圖 11APF 系統(tǒng)原理圖 Fig. 11 APF system diagram有源濾波器 APF 三相三線工業(yè)負荷整流器，逆變器，UPS 電源，中頻爐，電弧爐和其他工業(yè)非線形 2-60 次諧波，可以過濾掉。三相四線制適用于商業(yè)寫字樓，照明，計算機，UPS，電梯，變頻空調(diào)負荷第三次諧波產(chǎn)生的 2-25 次諧波過濾掉中心線。另外，在按照適

14、當(dāng)?shù)臒o功功率補償電容器連接到負載的性質(zhì)，并提高功率因數(shù)。 APF 系統(tǒng)核心圖補償電流和無功功率補償電流的諧波電流檢測6。2 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和工作原理APF 有源電力濾波器從不同的角度看，有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)逆變器的能量存儲元件的直流側(cè)，APF 分為電流型和電壓型。相比電流型有源濾波器，電壓 APF 效率高，淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計7初期投資較少，可以并行擴展，易于獨立的小型化，經(jīng)濟，適用諧波補償，實際的器件APF 電壓型現(xiàn)在比例超過 90。根據(jù)應(yīng)用的不同，可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器 APF。前者主要用于消除高壓直流（HVDC）系統(tǒng)逆變器的直流側(cè)的電流

15、和電壓諧波，后者適用于交流電力系統(tǒng)。根據(jù)將 APF 連接到電網(wǎng)方式的不同，可以把 APF 分為并聯(lián)型，串聯(lián)型，混合型和串聯(lián)-并聯(lián)型，如圖 21 所示。有源電力濾波器串聯(lián)型并聯(lián)型串-并聯(lián)型單獨使用方式單獨使用方式與LC濾波器混合用方式與LC濾波器混合用方式與旋轉(zhuǎn)電機并用方式與LC串聯(lián)與LC并聯(lián) 圖 21 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類 Fig. 21 Active Power Filter System Structure Classification 圖 22 顯示了并聯(lián)有源濾波器。載入并聯(lián)有源濾波器的技術(shù)已經(jīng)成熟，它主要適用于非線性負載的電流源，無功功率補償，消除三相系統(tǒng)中的不平衡電流的諧波電流

16、，是目前最廣泛使用的 APF 拓撲。 AC非線性負荷圖 22 并聯(lián)型 APF Fig. 22 Shunt Active Power Filter 圖 23 是一個串聯(lián)型有源濾波器，通過一個匹配變壓器，將 APF 串聯(lián)連接在電源淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計8和負載之間，以消除電壓諧波平衡或負載的端子電壓的調(diào)整。相比，并聯(lián)型 APF，串聯(lián)型 APF 的損耗大，各種保護電路也比較復(fù)雜，串聯(lián)型 APF 的研究很少單獨使用，而且大部分混合型 APF 的一部分加以研究。AC非線性負荷圖 23 串聯(lián)型 APFFig. 23 Shunt Active Power Filter圖 24 是混合型 APF 基本結(jié)構(gòu)。在串

17、聯(lián)型 APF 的基礎(chǔ)上用大容量的 LC 濾波網(wǎng)絡(luò)來去除低次諧波，并無功補償任務(wù)，串聯(lián)型的 APF，以消除高次諧波和阻尼無源 LC 網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗諧波諧振為任務(wù)。不僅如此，串聯(lián)型的有源濾波器的電壓和電流額定值大大減少（的功率容量可以減少到小于負載的 5） ，也減小了體積，并降低成本。從經(jīng)濟的角度來看，這種結(jié)構(gòu)是值得推薦的。但隨著電力電子器件的性能的不斷提高，成本不斷下降，性能較高的混合型 APF 可能會被性能更高串-并聯(lián) APF 代替，如圖 25 所示。AC非線性負荷APFHRF 圖 24 混合型 APF Fig. 24 Hybrid Active Power Filter淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計9

18、AC非線性負荷圖 25 串-并聯(lián)型 APF Fig. 25 String - Parallel Active Power Filter3 滯環(huán)電流跟蹤算法滯環(huán)電流跟蹤算法3.1 傳統(tǒng)滯環(huán)比較原理傳統(tǒng)滯環(huán)比較原理 傳統(tǒng)的滯環(huán)比較電流跟蹤控制方式原理如圖 31 所示。該方式將指令信號與實際電流兩者的偏差作為輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生 PWM 信號，從而控制補償電流的變化。 *ci+_ciciPWM信號滯環(huán)比較器圖 31 滯環(huán)比較方式原理圖Fig.31 Schematic diagram of hysteresis 傳統(tǒng)的滯環(huán)比較方式盡管具有精度高且響應(yīng)快的優(yōu)點，但開關(guān)頻率波動大，在滿足器件最大開關(guān)頻

19、率的容許范圍內(nèi)，無法獲得較高的跟蹤精度。3.2 自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式數(shù)學(xué)建模自適應(yīng)滯環(huán)電流跟蹤方式數(shù)學(xué)建模 圖 32 為并聯(lián)型有源電力濾波器（SAPF）原理圖。APF 通過電壓和電流傳感器檢測出負載側(cè)電壓、電流的補償電流，從而達到抑制諧波的目的1。SAPF 能否有效的抑制諧波與指令電流的跟蹤精度密切相關(guān)，因此采取有效的電流跟蹤策略就顯得尤為重要。目前，滯環(huán)電流跟蹤方式是采用的較為廣泛且有效的一種電流跟蹤策略，因此對其進行淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計10研究和分析就很有意義。VsaVsbVscicaicbiccacVdcL 圖 32 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖Fig.32 Principle diag

20、ram of shunt active power filter 圖 33 為 A 相電流和電壓 PWM 波形。滯環(huán)比較方式的基本原理使用指令電流與補償電流的偏差作為滯環(huán)控制器的輸入，而輸出則為 PWM 脈沖信號，如果偏差超過滯環(huán)上限時，則主電路的上面開關(guān)管導(dǎo)通，下面關(guān)斷；反之偏差低于滯環(huán)下限時，則上面關(guān)斷，下面開關(guān)管導(dǎo)通3。由此可知，這些半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率是隨著滯環(huán)控制器的輸入即電流偏差信號變化而變化的，并不是固定的。因此針對傳統(tǒng)滯環(huán)固定環(huán)寬控制器開關(guān)器件開關(guān)頻率高且范圍廣的問題，建立如下數(shù)學(xué)模型4-7。2HBt1-0.5Vdc+0.5Vdcicacaicai圖 33 A 相滯環(huán)電流和

21、電壓 PWM 波形Fig.33Phase A current and voltage waves with hysteresis band current control根據(jù)基爾霍夫電壓定律，由圖 1 可得： (1) casaadiVLVdt 公式（1）中，Vsa 為 A 相電源側(cè)電壓；Va為 a 點電壓，當(dāng) a 橋臂上半部導(dǎo)通時, Va等于 0.5Vdc；反之，當(dāng) a 橋臂下半部導(dǎo)通時，Va 等于-0.5Vdc，此時當(dāng)逆變器實際輸出電淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計11流等于指令電流 i*ca時，可得： (2)*casaadiVLVdt 公式（2）中，為 a 點參考電壓，當(dāng) a 點實際電壓等于參考電壓時

22、，逆變器主電*aV路輸出電流等于指令電流。將式（2）減去式（1）得：其中令。*cacaaii (3)*()()cacaaaad iidLLVVdtdt 由圖（2）可知，當(dāng)時，此時有：10tt cacaii (4)*111( )(0)(0.5)0aaaaadcdtHBHBLLLLVVdtttt 反之，當(dāng)時，此時有：12ttt cacaii (5)*111()( )(0.5)aaasaadcssdTtHBHBLLLLVVdttTtTt 將式（2） 、 （4） 、 （5）聯(lián)立可得： (6)*2220.12541() dcsacacdcVVdiLHBf LVLdt 式中：HB 為滯環(huán)寬度；Vdc 為直

23、流側(cè)電壓；fc 為開關(guān)管開關(guān)頻率；Vsa 為電源側(cè)電壓；L 為電感系數(shù)；i*ca為指令電流。從式（6）中，可以看出，在傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制中，HB 是固定不變的，因此開關(guān)頻率是隨著直流側(cè)電壓、電源側(cè)電壓以及指令電流的斜率改變而變化的。所以只要環(huán)寬 HB 能夠隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而調(diào)整，就能控制開關(guān)管的開關(guān)頻率保持不變。本文基于此，設(shè)計了隨著直流側(cè)電壓、電源電壓和指令電流斜率變化而變化的可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器。3.3 自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計自適應(yīng)可變環(huán)寬滯環(huán)控制器的設(shè)計 傳統(tǒng)滯環(huán)電流控制策略存在固定環(huán)寬所固有的問題，本文在前文對 APF 建模的基礎(chǔ)上得到了環(huán)寬 HB 與

24、直流側(cè)電壓、電源電壓以及指令電流偏差之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖 3-4 所示。將指令電流與補償電流之間的偏差信號送入滯環(huán)比較器后輸出 PWM 脈沖信號，來驅(qū)動主電路產(chǎn)生所需的補償電流。其中滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度由滯環(huán)寬度計算器得到，滯環(huán)寬度計算器輸入分別是電源電壓、直流側(cè)電壓以及指令電流淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計12偏差。本文利用 matlab 中 simulink 搭建仿真模型，滯環(huán)寬度計算器如圖 34 所示。 +-指令電流HB計算PWM信號補償電流caisaVdcV 圖 34 可變環(huán)寬滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖 Fig.34 Diagram of the adaptive hysteresis

25、 band controller 圖 35 滯環(huán)寬度計算器模塊 Fig.35 The block of hysteresis band calculator4 仿真結(jié)果及其分析仿真結(jié)果及其分析利用 matlab 軟件對其進行仿真，對兩種電流控制算法進行直觀的比較。仿真模型中包括三個部分：三相對稱電源、諧波負載以及 SAPF。為了對兩種算法進行對比，仿真中采取相同的參數(shù)，三相電源 380V/50Hz，諧波負載三相可控硅整流橋，交流側(cè)濾波電感8mh?；搓帋煼秾W(xué)院畢業(yè)設(shè)計13圖 41 可變環(huán)寬滯環(huán)電流控制器Fig.41Varriable hysteresis band current control

26、ler利用 MATLAB 軟件搭建的滯環(huán)電流可變寬控制器如圖 41 所示，本文分別對兩種電流跟蹤算法固定環(huán)寬滯環(huán)電流和可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法進行仿真，兩種算法對電流跟蹤的圖形如下圖 42、圖 43 所示。從兩張圖形中不難看出，可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤算法無論是在跟蹤精度上，還是在響應(yīng)速度上都要比固定環(huán)寬的滯環(huán)電流跟蹤算法優(yōu)越，而在指令電流比較大的時刻，效果尤為明顯。 圖 42 可變環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤圖 Fig.2 Diagram of the Varriable hysteresis band current tracking 淮陰師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計14 圖 43 固定環(huán)寬滯環(huán)電流跟蹤圖 Fig. 43 Diagram of the hy