電流平均值諧波檢測(cè)方法MATLAB仿真

1、電流平均值諧波檢測(cè)法MATLAB仿真摘 要本論文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外諧波抑制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、有源電力濾波器原理與結(jié)構(gòu)及三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行了綜述。重點(diǎn)研究了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論。檢測(cè)法及改進(jìn)的電流移動(dòng)平均值諧波檢測(cè)法。在對(duì)電流移動(dòng)平均值原理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了電流平均值諧波檢測(cè)方案及實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的原理框圖。接著以MATLAB6.1軟件包中的SIMULINK仿真環(huán)境為平臺(tái)，構(gòu)建了平均值諧波檢測(cè)法的仿真模型;對(duì)電流平均值諧波檢測(cè)方案進(jìn)行了仿真研究，并與基于濾波器的。諧波檢測(cè)法的仿真結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比。結(jié)果表明，所采用的仿真方法與所構(gòu)建的仿真模型不僅有效，而且證實(shí)了平均值諧波檢測(cè)法比濾波器法有良好的動(dòng)態(tài)響

2、應(yīng)性能。在仿真基礎(chǔ)上，提出了基于LF2407ADSP芯片電流平均值諧波檢測(cè)法的數(shù)字實(shí)現(xiàn)方案，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了三相并聯(lián)型數(shù)字有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。進(jìn)行了軟、硬件設(shè)計(jì)。搭建的硬件電路包括:過(guò)零同步檢測(cè)、電流和電壓檢測(cè)、PWM輸出等幾部分。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，用DSP匯編語(yǔ)言編寫(xiě)了系統(tǒng)軟件，其中包括：ADC及中斷處理、捕獲及捕獲中斷處理、三相到兩相電流轉(zhuǎn)換、平均值法諧波計(jì)算、兩相到三相變換、PI調(diào)節(jié)、PWM輸出控制及主程序等模塊，并在軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)下進(jìn)行了調(diào)試。為實(shí)現(xiàn)電流同步采樣處理，根據(jù)LF2407A事件管理器捕獲單元特點(diǎn)，提出一種用軟件實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的控制方法。最后對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3、表明，采用電流平均值諧波檢測(cè)法結(jié)合軟件鎖相環(huán)控制方法能有效、準(zhǔn)確的檢測(cè)諧波，用該檢測(cè)法開(kāi)發(fā)的DSP有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠有效消除由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波。關(guān)鍵詞有源電力濾波器，瞬時(shí)無(wú)功功率，諧波電流檢測(cè)，電流移動(dòng)平均值，數(shù)字信號(hào)處理器關(guān)鍵詞 有源電力濾波器，瞬時(shí)無(wú)功功率，諧波電流檢測(cè)，電流移動(dòng)平均值，數(shù)字信號(hào)處理器目 錄摘要.1第一章 緒論.41.1 概述.41.1.1 諧波含義及其產(chǎn)生.51.1.2 諧波的危害.51.1.3 諧波研究意義.61.2 諧波抑制技術(shù)現(xiàn)狀.71.2.1 無(wú)源濾波器及其應(yīng)用.71.2.2 有源電力濾波器發(fā)展概況.101.3 本論文主要工作.11第二章 有源電力濾

4、波器原理和結(jié)構(gòu).122.1 有源電力濾波器工作原理. 122.2 有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成. 132.2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器.142.2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器.202.3有源電力濾波器的主電路. 212.3.1 PWM逆變器主電路.222.3.2 PWM逆變器工作原理.232.3.3 電流跟蹤控制方式.25第三章 瞬時(shí)諧波及無(wú)功電流檢測(cè)方法.293.1 概述.293.2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法.303.2.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的基礎(chǔ)理論.303.2.2 三相電路諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè).333.3 于電流移動(dòng)平均值原理諧波檢測(cè)新方法.363.3.1 電流移動(dòng)平均值原理.373

5、.3.2 基于移動(dòng)平均值原理的諧波檢測(cè)法.38第四章 電流平均值諧波檢測(cè)方法仿真研究.404.1 概述.404.2 電流變換及移動(dòng)平均值模塊在Simulink下的實(shí)現(xiàn). 404.3 電流平均值原理諧波檢測(cè)在Simulink下的實(shí)現(xiàn).414.4 電流平均值原理諧波檢測(cè)仿真結(jié)果.434.4.1 負(fù)載恒定時(shí)的仿真.444.4.2 負(fù)載變化時(shí)的仿真.45小結(jié).48參考文獻(xiàn).50第一章 緒 論1.1 概述在一個(gè)理想的發(fā)電和供電系統(tǒng)中，電能是以單一恒定的工業(yè)頻率和規(guī)定的電壓水平向用戶供電。在這種條件下，對(duì)電能質(zhì)量是用頻率和電壓來(lái)衡量的。但在實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于負(fù)荷的變化，電力系統(tǒng)的頻率和電壓是不能保

6、持恒定不變的。因此，各國(guó)對(duì)電能質(zhì)量都是用頻率和電壓的允許偏差值加以衡量并作出規(guī)定。但是僅用這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征電能質(zhì)量是很不完善的。波形畸變、電壓閃變和三相電力系統(tǒng)中電壓和電流的不平衡也是影響電能質(zhì)量的重要因素。這幾個(gè)問(wèn)題在過(guò)去由于還未對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的影響，沒(méi)有引起電力和供用電部門(mén)的重視，但是近幾十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率電力電子裝置在工業(yè)各部門(mén)的廣泛應(yīng)用，以及大量家用電器的使用和其它非線性負(fù)載的增加，使得電力系統(tǒng)的波形畸變?nèi)找鎳?yán)重，電網(wǎng)中的諧波含量已經(jīng)大大增加，諧波對(duì)電力設(shè)備、電力用戶和通信線路等的有害影響己經(jīng)十分嚴(yán)重，到了不得不認(rèn)真對(duì)待和考慮的地步了。電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在

7、1920一1930年間就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波問(wèn)題研究的經(jīng)典論文。到了50一60年代由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，對(duì)變流器諧波問(wèn)題的研究有大量論文發(fā)表。70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種大容量電力整流、換流設(shè)備以及電子設(shè)備在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通和家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以十分重視和關(guān)心，定期召開(kāi)有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)研討會(huì)。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議都相繼組成了專(zhuān)門(mén)的工作組，制訂了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和

8、用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題的研究起步較晚。近年來(lái)由于電氣化鐵路的發(fā)展和冶金、化工、有色金屬、煤炭和交通部門(mén)大量應(yīng)用電力整流和換流設(shè)備，諧波對(duì)電力系統(tǒng)的影響和危害也日益嚴(yán)重，認(rèn)真加以研究并采取相應(yīng)的管理和治理措施顯得十分迫切。1.1.1 諧波含義及其產(chǎn)生國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義為:“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。所以，諧波次數(shù)必須為整數(shù)。如:我國(guó)電力系統(tǒng)的額定頻率是50HZ，則基波為50Hz，2次諧波為100Hz，3次諧波為150Hz，等等。間諧波(interharmonies)、次諧波(subharmonics)和分?jǐn)?shù)諧波(fractiona

9、l一harmonics)等概念與諧波的概念不同。本文所提到的諧波，均指基波整數(shù)倍諧波。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，也常稱(chēng)它為高次諧波。除了特殊情況外，諧波的產(chǎn)生主要是由于大容量的整流或換流設(shè)備，以及其他非線性負(fù)載造成。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩大類(lèi):一是含半導(dǎo)體非線性元件的諧波源;二是含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源。前者如各種整流設(shè)備、交直流換流設(shè)備、變流器、PWM變頻器以及節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備等，后者如交流電弧爐、交流電焊機(jī)、日光燈、變壓器等。數(shù)量龐大的家用電器分屬于上述兩類(lèi)諧波源，是不可忽視的諧波源。電氣鐵路機(jī)車(chē)采用的大容量單相整流供電設(shè)備，不但產(chǎn)生大量諧波電流，還對(duì)供電系統(tǒng)

10、產(chǎn)生不平衡負(fù)荷和負(fù)序電流、電壓。這些負(fù)荷都使電力系統(tǒng)的電流和電壓產(chǎn)生畸變，并對(duì)電力設(shè)備及通信線路和電子設(shè)備產(chǎn)生危害和干擾。1.1.2 諧波的危害在電力系統(tǒng)中，各種諧波源產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)、電力設(shè)備和其它系統(tǒng)的危害是非常嚴(yán)重的，歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：1. 使發(fā)電機(jī)、變壓器、供電網(wǎng)、導(dǎo)線和電動(dòng)機(jī)等產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2. 影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對(duì)電機(jī)除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓;增大了變壓器的銅損和鐵損，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，噪聲增大;對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器組引起諧振或諧波電流的放大，從而

11、引起電容器過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞;對(duì)電力電纜也會(huì)造成電纜的過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓擊穿。這方面國(guó)內(nèi)外有過(guò)深刻的教訓(xùn)，發(fā)生過(guò)許多無(wú)功補(bǔ)償電容器損壞的事故。3. 對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)或據(jù)動(dòng)。尤其是衰減時(shí)間較長(zhǎng)的暫態(tài)過(guò)程，如變壓器勵(lì)磁涌流中的諧波分量，更容易引起繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。我國(guó)曾發(fā)生過(guò)電氣化鐵道造成的負(fù)荷電流畸變和不對(duì)稱(chēng)，使某電廠20萬(wàn)kw機(jī)組的保護(hù)跳閘及某系統(tǒng)中的220kV線路保護(hù)跳閘，造成大面積停電的嚴(yán)重事故。4. 影響儀表和電能的計(jì)量。電力測(cè)量?jī)x表通常是按工頻正弦波形設(shè)計(jì)的，當(dāng)有諧波時(shí)將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。5. 對(duì)鄰近的通信線路造成干擾，輕者產(chǎn)生噪聲降低通信質(zhì)量;重者導(dǎo)致丟失信息，使通

12、信系統(tǒng)無(wú)法工作。.1.1.3 諧波研究意義由上一節(jié)的內(nèi)容，諧波的危害十分嚴(yán)重，因此開(kāi)展諧波研究具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來(lái)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(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)I。然而電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染己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(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行更為有效的研究。有效地抑制諧波，可以推動(dòng)電力電子技術(shù)的發(fā)展。反過(guò)來(lái)，電力電子技術(shù)的進(jìn)步，也會(huì)促進(jìn)諧技抑制技術(shù)的提高。諧波研究的意義，更可以上升到從治理環(huán)境污染、維護(hù)綠色環(huán)境的角度來(lái)認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系

13、統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實(shí)施“綠色電力電子”的呼聲也日益高漲。目前，對(duì)地球環(huán)境的保護(hù)己成為全人類(lèi)的共識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染的治理也己成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問(wèn)題。有關(guān)諧波問(wèn)題的研究可以分為以下四個(gè)方面：1.與諧波有關(guān)的功立定義和功率理論的研究；2.諧波分析以及諧波影響和危害的分析；3.諧波的補(bǔ)償和抑制；4.與諧波有關(guān)的測(cè)量問(wèn)題和限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的研究。其中，諧波補(bǔ)償和抑制技術(shù)是研究的重點(diǎn)，而有源濾波技術(shù)是諧波抑制的主要研究方向之一，也是本文要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。隨著有源濾波技術(shù)的發(fā)展，必將逐步消除諧波污染，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)“綠色化”。1.2 諧波抑制

14、技術(shù)現(xiàn)狀解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問(wèn)題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波;另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這只適用于電力電子裝置為主要諧波源的情況。本文主要討論裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)解決諧波污染的方法。傳統(tǒng)方法是采用交流電抗器和電容器等組成的無(wú)源濾波器，這種方法在工程實(shí)踐中己經(jīng)非常成熟。而有源濾波器的使用正在成為諧波抑制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。1.2.1 無(wú)源濾波器及其應(yīng)用無(wú)源濾波器是由電力電容器、電抗器和電阻適當(dāng)組合而成的濾波裝置，又稱(chēng)為L(zhǎng)C濾波器。它利用電路的諧振原理來(lái)達(dá)到濾波目的，運(yùn)行中和諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外還兼顧無(wú)

15、功補(bǔ)償和調(diào)壓的需要。可分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器等。實(shí)際應(yīng)用中一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時(shí)也與一組高通濾波器配合使用。1.2.1.1 單調(diào)諧濾波器 單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振原理構(gòu)成，如圖1.1所示。濾波器對(duì)n次諧波的阻抗為： 式中一一額定工頻角頻率。由于諧振諧波次數(shù)為n，則在諧振點(diǎn)處，有，由于較小，n次諧波主要由分流，而很少流入系統(tǒng)中。因此，只要將濾波器的諧振次數(shù)調(diào)整為所需要濾除的諧波次數(shù)，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。1.2.1.2 雙調(diào)諧濾波器 雙調(diào)諧濾波器的原理如圖1.2所示。這種濾波器的兩個(gè)諧振頻率實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)

16、的單調(diào)諧濾波器，可同時(shí)吸收兩種頻率的諧波。與兩個(gè)單調(diào)諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小。正常運(yùn)行時(shí)，串聯(lián)電路的基波阻抗遠(yuǎn)大于并聯(lián)電路的基波阻抗，因此串聯(lián)電抗器Ll承受大部分沖擊電壓。這種濾波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。1.2. 1. 3 高通濾波器 高通濾波器又稱(chēng)減幅濾波器。主要形式如圖1.3所示。一階減幅型由于基波功率損耗太大，一般不采用;二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，故工程上用得最多;三節(jié)減幅型比二階濾波器多一個(gè)電容C2，提高了對(duì)基波頻率的阻抗，使基波損耗更小，但特性不如二階減幅型的，用得也不多;C型濾波器的濾

17、波特性介于二階和三節(jié)之間，主要優(yōu)點(diǎn)是由于Cd與L對(duì)基波串聯(lián)調(diào)諧，電阻中基波損耗很小，缺點(diǎn)是它對(duì)工頻偏差和元件參數(shù)變化較敏感?？傮w上看，無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、造價(jià)較低，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但這種方法存在一些難以克服的缺點(diǎn)：1.諧振頻率依賴(lài)于元件參數(shù)，因此只能對(duì)主要諧波進(jìn)行濾波，LC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。2.濾波特性依賴(lài)于電網(wǎng)參數(shù)，而電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況隨時(shí)改變，造成濾波效果變差。3.電網(wǎng)的參數(shù)與LC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。4.電網(wǎng)中的諧波電壓可能在LC網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流，使無(wú)源濾波器過(guò)載，甚

18、至損壞設(shè)備。為了克服無(wú)源濾波器的上述缺點(diǎn)，人們開(kāi)始探索研制一種新型的濾波裝置，這就是有源電力濾波器。1.2. 2 有源電力濾波器發(fā)展概況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(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。有源電力濾波器具有如下特點(diǎn)：1. 不僅可補(bǔ)償各次諧波，還能補(bǔ)償無(wú)功、抑制閃變。2. 具有自適應(yīng)能力，可跟蹤補(bǔ)償變化的諧波，具較快的響應(yīng)速度。3. 具有自調(diào)節(jié)能力，即使補(bǔ)償對(duì)象的電流過(guò)大，也不會(huì)過(guò)載。4. 能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。5. 受系統(tǒng)阻抗的影明小，可消除和系統(tǒng)阻抗

19、發(fā)生諧振的危險(xiǎn)。6. 既可對(duì)單個(gè)諧波私無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行集中補(bǔ)償。由此可見(jiàn)，有源電力濾波器克服了傳統(tǒng)LC無(wú)源濾波器諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)，具有良好的調(diào)節(jié)性能，因而受到廣泛的重視，并且己在日本等國(guó)得到廣泛應(yīng)月。有源電力濾波器的基本思想在上個(gè)世紀(jì)六七十年代就已經(jīng)形成。80年代后，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈寬調(diào)制(Pulse Width ModulationPWM) 技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。日本在有源電力濾波器技術(shù)的應(yīng)用方面最為成熟，其實(shí)用化的產(chǎn)品已經(jīng)批量并系列化生產(chǎn)。日本富士電機(jī)從19

20、91年起即開(kāi)發(fā)有源電力濾波器產(chǎn)品投放市場(chǎng)。1994年9月日本通產(chǎn)省資源能源廳制定出“抑制高次諧波規(guī)程”。1996年富士電機(jī)又生產(chǎn)出適用于小容量(MINI)的有源電力濾波器供應(yīng)市場(chǎng)受到各方的好評(píng)。1998年又開(kāi)發(fā)了上述MINI的上位機(jī)，即新型有源電力濾波器FUJIACT200/400A系列。該系統(tǒng)所用電路和部件與通用變頻器可以互換，單機(jī)容量從50kvA到最大400kVA。國(guó)內(nèi)目前還主要停留在實(shí)驗(yàn)研究和理論研究階段，尚未見(jiàn)有成品化的國(guó)產(chǎn)APF產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)研究水平較高的，如西安交通大學(xué)，己研制出30kVA樣機(jī)，為有源電力濾波器的實(shí)用化工作奠定了一定基礎(chǔ)。其他高校和科研機(jī)構(gòu)也正在開(kāi)展這項(xiàng)研究，分別取得了

21、一定成果。關(guān)于數(shù)字有源電力濾波器的討論在國(guó)內(nèi)也有所報(bào)道，本文是基于TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器芯片對(duì)三相有源電力濾波器研制的一些初步探討。1. 3 本論文主要工作本論文介紹了電力系統(tǒng)的諧波和諧波抑制技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，有源電力濾波器的原理、結(jié)構(gòu)及在諧波抑制中的應(yīng)用。對(duì)有源電力濾波器的各種諧波電流檢測(cè)法、控制方法進(jìn)行了討論比較，重點(diǎn)分析了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)原理，在此基礎(chǔ)上，提出了基于移動(dòng)電流平均值原理的諧波檢測(cè)新方法。在Simulink仿真環(huán)境下建立了各功能模塊，對(duì)此新檢測(cè)方法進(jìn)行了仿真，并與采用傳統(tǒng)濾波器法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果初步驗(yàn)證了該策略的正確性并為實(shí)驗(yàn)提供了參考依

22、據(jù)。討論了基于DSP的電流平均值諧波檢測(cè)方法及其軟硬件實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上完成了TMS320LF2407A芯片為核心的有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試工作。為進(jìn)一步研究有源電力濾疚器的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。第二章 有源電力濾波器原理和結(jié)構(gòu)2.1 有源電力濾波器工作原理有源電力濾波器(Actix，ePowerFilter，簡(jiǎn)稱(chēng)APF)系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖如圖2.1所示。圖中e:表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器是一種向電網(wǎng)注入補(bǔ)償諧波電流，以抵消負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流的濾波裝置。它由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生尾路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成

23、)。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，有時(shí)也稱(chēng)之為諧波和無(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)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償尾流。主電路一般采用PWM變流器。作為主電路的PWM變流器在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)主要作為逆變器工作，但它并不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件充電時(shí)，它就作為整流器工作。也就是說(shuō)，它既工作于逆變器狀態(tài)，也工作于整流狀態(tài)，且兩種工作狀態(tài)無(wú)法嚴(yán)格區(qū)分。圖2.1所示有源電力濾波器的基本工作原理是，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電面確疏;經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流

24、發(fā)生電路放大，得出補(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。例如，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流的諧波分量，將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流即與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流中只含有基波，不含諧波。這就達(dá)到了抑制電源電流中諧波的目的。上述原理可用如下的公式說(shuō)明:式中 負(fù)載電流的基波分量如果要求有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波的同時(shí)，補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號(hào)中增加與負(fù)載電流的基波無(wú)功分量反極性的成分即可。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流

25、中的諧波及無(wú)功成分相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。2. 2 有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成根據(jù)有源電力濾波器接入電網(wǎng)的方式，將其系統(tǒng)構(gòu)成分為兩大類(lèi)，即并聯(lián)型和串聯(lián)型。兩者又分別包括不同的類(lèi)型，如圖2.2所示。有源電力濾波器每一種類(lèi)型又各有其特點(diǎn)，因而其工作原理、特性等也就各有其特點(diǎn)。下面將就每一種類(lèi)型的有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成和主要特點(diǎn)進(jìn)行論述。所介紹的原理圖均以單線圖畫(huà)出，它們均可用于單相或三相系統(tǒng)。此外，圖中未畫(huà)出控制電路。2. 2. 1 并聯(lián)型有源電力濾波器2.2.1.1 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理如圖2.3所示。圖中，負(fù)載為產(chǎn)生諧波

26、的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側(cè)儲(chǔ)能元件共同組成有源電力濾波器的主電路。與有源電力濾波器并聯(lián)的小容量一階高通濾波器(或采用二階高通濾波器)，用于濾除有源電力濾波器所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波。由于有源電力濾波器的主電路與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱(chēng)為并聯(lián)型。又由于其補(bǔ)償電流基本上由有源電力濾波器提供為與其他方式相區(qū)別，稱(chēng)之為單獨(dú)使用的方式。這是有源電力濾波器最基本的形式，也是應(yīng)用最多的一種。這種方式可用于：(1)只補(bǔ)償諧波;(2)只補(bǔ)償無(wú)功功率，補(bǔ)償?shù)拇笮】筛鶕?jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié);(3)補(bǔ)償三相不對(duì)稱(chēng)電流;(4)補(bǔ)償供電點(diǎn)電壓波動(dòng):(5)以上方式的組合。這種方式中，只要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň?/p>

27、可以達(dá)到多種補(bǔ)償?shù)哪康模梢詫?shí)現(xiàn)的功能最為豐富靈活。但是，由于交流電源的基波電壓直接 (或經(jīng)變壓器)加到變流器上，且補(bǔ)償電流基本由變流器提供，故要求變流器具有較大的容量，這是這種方式的主要缺點(diǎn)。2. 2. 1. 2 與LC濾波器混合使用方式 這種方式正是為克服上一種方式要求容量較大這一缺點(diǎn)而提出的。其基本思想是利用LC濾波器來(lái)分擔(dān)有源電力濾波器的部分補(bǔ)償任務(wù)。由于LC濾波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)且成本低，而有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償性能好。兩者繪合同時(shí)使用，既可克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，又可使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能。并聯(lián)型有源電力濾波器與LC濾波器混合

28、使用的方式又可以分為兩種:一種是有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián);另一種是有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)。圖24是有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式的一種。有源電力濾波器與LC濾波器均與諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)，兩者共同承擔(dān)補(bǔ)償諧波的任務(wù)，LC濾波器主要補(bǔ)償較高次數(shù)的諧波，是一個(gè)高通濾波器。這里，高通濾波器一方面用于消除補(bǔ)償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補(bǔ)償對(duì)象中次數(shù)較高的諧波，從而使得對(duì)有源電力濾波器主電路中器件開(kāi)關(guān)頻率的要求可以有所降低。這種方式中由于LC濾波器只分擔(dān)了少部分補(bǔ)償諧波的任務(wù)，故對(duì)降低有源電力濾波器的容量起不到很明顯的作用。但因?qū)τ性措娏V波器主電路中器件的開(kāi)

29、關(guān)頻率要求不高，故實(shí)現(xiàn)大容量相對(duì)容易一些。圖2.5所示為有源電力濾器與LC濾波器并聯(lián)的另一種方式。在這種方式中，LC濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，承擔(dān)了絕大部分補(bǔ)償諧波和無(wú)功的任務(wù)。有源電力濾波器的作用是改善整個(gè)系統(tǒng)的性能，其所需的容量與單獨(dú)使用方式相比可大幅度降低。從理論上講，只要使用LC濾波器就存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的可能，因此在有源電力濾波器與LC濾波器并聯(lián)使用的方式中，需對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行有效的控制，以抑制可能發(fā)生的諧振。. 圖2.6所示為并聯(lián)型有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)方式的原理圖。該方式中，諧波和無(wú)功功率主要由LC濾波器補(bǔ)償，而有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的

30、濾波特性，克服LC濾波器易受電網(wǎng)阻抗影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點(diǎn)。該方式中，有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。由于有源電力濾波器與LC濾波器一起仍是與諧波源并聯(lián)接入電網(wǎng)，故仍將其歸入并聯(lián)型。目前己大量使用的LC濾波器，改進(jìn)和提高性能。均可采用圖2.5或圖2.6的方式進(jìn)行改進(jìn)和提高性能。2.2.1.3 注入電路方式 這是為降低有源電力濾波器容量而提出的又一種方式，有源電力濾波器容量取決于其承受的電壓和流過(guò)的電流。此種方式利用電感電容電路的諧振特性，用電感和電容構(gòu)成注入回路，使得有源電力濾波器只承受很小部分的基波電壓，從而極大地減小有源電力濾波器的容量。根據(jù)電感電容電路諧

31、振特性的不同，注入電路方式又分為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振注入電路方式和LC并聯(lián)諧振注入電路方式兩種。圖2.7所示為L(zhǎng)C串聯(lián)諧振注入電路方式的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖，其中C2L在電源電壓的基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，基波電壓絕大部分降落在電容Cl上。這樣，有源電力濾波器只需承受其余的很小部分基波電壓。電容Cl還可起到無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。圖2.8是采用LC并聯(lián)諧振注入電路方式的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖。在有源電力濾波器和電網(wǎng)之間串入在基波頻率處諧振的LlC回路，基波電壓絕大部分加在該諧振電路上，有源電力濾波器與L2一樣只承受其余很小部分的基波電壓。該方式還有一個(gè)好處是只有很小的基波電流流過(guò)LlC及L2。在注入電路方式中，有源電力濾波器

32、不能補(bǔ)償基波無(wú)功功率。在多數(shù)情況下，并聯(lián)型有源電力濾波器主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源，如直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路。此時(shí)，有源電力濾波器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，抵消諧波源產(chǎn)生的諧波，使電源電流成為正弦波。這種情況下，并聯(lián)型有源電力濾波器本身表現(xiàn)出電流源的特性。2.2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)型有源電力濾波器包括單獨(dú)使用方式和與LC濾波器混合使用方式兩種。2.2.2.1 單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 圖2.9是單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖。這種方式的特點(diǎn)是有源電力濾波器作為電壓源串聯(lián)在電源和諧波源之間。串聯(lián)型有源電力濾波器與并聯(lián)型有源電力濾波器不同，主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧

33、波源。典型的例子是電容濾波型整流電路。針對(duì)這種諧波源，串聯(lián)型有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電壓，抵消由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點(diǎn)電壓波形成為正弦波。2.2.2.2 與LC濾波器混合使用方式 圖2.10是這種方式的原理圖。這種方式是在并聯(lián)的負(fù)載和LC濾波器與電源之間串入有源電力濾波器。其特點(diǎn)與圖2.6所示的方式類(lèi)似，諧波基本由LC濾波器補(bǔ)償，而有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性。可將有源電力濾波器看作一個(gè)可變阻抗它對(duì)基波的阻抗為0，對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗阻止諧波電流流入電網(wǎng)，而迫使諧波電流流入LC濾波器。換言之，有源電力濾波器起到了諧波隔離器的作用。另外，串聯(lián)有源電力濾波器還作為阻尼電阻，抑制電

34、網(wǎng)阻抗對(duì)LC濾波器的影響，以及抑制電網(wǎng)與LC濾波器之間可能發(fā)生的諧振，從而極大地改善LC濾波器的性能2.3 有源電力濾波器的主電路有源電力濾波器在實(shí)際應(yīng)用中往往要求容量較大，如采用單個(gè)PWM變流器不能達(dá)到容量要求時(shí)，通常采用多重化的主電路形式。下文介紹單個(gè)PWM變流器的主電路形式。2.3.1 PWM逆變器的主電路采用單個(gè)PWM變流器有源電力濾波器的主電路，根據(jù)其直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。圖2.11和圖2.12分別示出了可應(yīng)用于三相三線制系統(tǒng)的電壓型和電流型兩種主電路，圖中a、b、c接至三相電源，V1、V3、V5和V4、V6、V2為各組開(kāi)關(guān)器件的代號(hào)。圖中畫(huà)的電力電子開(kāi)關(guān)器

35、件為IGBT，實(shí)用中還可選用GTO晶閘管、BJT、電力MOSFET等器件。就其結(jié)構(gòu)而言，兩種電路與變頻器、SVG等的主電路基本相同，只是應(yīng)用場(chǎng)合不同，要求不同，控制方法不同。圖2.13和圖2.14分別示出了應(yīng)用于單相系統(tǒng)的電壓型和電流型兩種主電路形式。下面簡(jiǎn)要概述電壓圣和電流型變流器兩種主要電路的基本特點(diǎn)。1. 電壓型PWM變沉器的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變，可看作毛壓源;電流型PWM變流器的直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其毛流基本保持不變，可看作電流源;2. 對(duì)于電壓型PWM變流器，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制;對(duì)于毛流型PWM變流器，為保持直流側(cè)

36、電流不變，需要對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制;3. 電壓型PWM變流器的交流側(cè)輸出電壓為PWM波，電流型PWM變流器的交流側(cè)輸出電流為PWM波。與電壓型PWM變流器相比，電流型PWM變流器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開(kāi)關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障。但是，電流型PWM變流器直流側(cè)大電感上始終有電流流過(guò)，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。不過(guò)，隨著對(duì)超導(dǎo)磁體研究的進(jìn)展，一旦超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體實(shí)用化，必將取代大電感，促使電流型PWM變流器的應(yīng)用增多。2.3.2 PWM逆變器的工作原理下面以電源電壓的中性點(diǎn)與直流電壓的中性點(diǎn)不連接為例，介紹其工作原理。逆變器等效電路如圖2.15所示。圖中表示晶閘

37、管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，S=1代表開(kāi)關(guān)接到的正極，S=0代表開(kāi)關(guān)接到的負(fù)極。因此各開(kāi)關(guān)的組合共有8種工況，如表2.1所列。表中為第n種工況的工況系數(shù)，可由電路方程求取。同理可求出其他況系數(shù)如表2.1所示當(dāng)3個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)為關(guān)或同時(shí)為開(kāi)時(shí)，逆變器為浮接狀態(tài)，工況系數(shù)均為零。在實(shí)際中，可根據(jù)電路中所需補(bǔ)償諧波電流的極性來(lái)選擇開(kāi)關(guān)模式，輸出期望的諧波電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)償。2.3.3 電流跟蹤控制方式在2.1節(jié)中介紹過(guò)，有源電力濾波器可分為兩大部分，指令電流運(yùn)算電路的作用是得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，據(jù)此由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流。這部分的內(nèi)容在以后章節(jié)中介紹。電流跟蹤控制電路正是補(bǔ)償電流發(fā)生電路的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其作

38、用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各個(gè)器件通斷的PWM信號(hào)，控制的結(jié)果應(yīng)保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)的變化。有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流應(yīng)實(shí)時(shí)跟蹤其指令電流信號(hào)的變化，這就要求補(bǔ)償電流發(fā)生電路要有很好的實(shí)時(shí)性，因此電流控制采用跟蹤型PWM控制方式。目前跟蹤型PWM控制的方法主要有瞬時(shí)值比較方式、三角波比較方式和定時(shí)比較方式等。2. 3. 3. 1瞬時(shí)值比較方式 圖2.17所示為以一相的控制為例，采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式的原理圖。在該方式中，把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器

39、產(chǎn)生控制主電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制補(bǔ)償電流的變化。這種控制方式中，滯環(huán)的寬度H對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大的影響。當(dāng)H較大時(shí)，開(kāi)關(guān)通斷的頻率即電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率較低，故對(duì)電力半導(dǎo)體器件的要求不高，但是跟隨誤差較大，補(bǔ)償電流中高次諧波較大。反之，當(dāng)H較小時(shí)，雖然跟隨誤差小，但是開(kāi)關(guān)頻率較高。上述控制方式的特點(diǎn)如下:(l)硬件電路十分簡(jiǎn)單;(2)屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快;(3)不需要載波，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量;(4)屬于閉環(huán)控制方式，這是跟蹤型PWM控制方式的共同特點(diǎn);(5)若滯環(huán)的寬度固定，則電流跟隨誤差是固定的，但是電力

40、半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。在采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較方式中，滯環(huán)的寬度通常是固定的，由此導(dǎo)致主電路中電力半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。尤其是當(dāng)變化的范圍較大時(shí)，一方面，在 值小的時(shí)候，固定的環(huán)寬可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差過(guò)大;另一方面，在 值大的時(shí)候，固定的環(huán)寬又可能使器件的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，甚至可能超出器件允許的最高工作頻率而導(dǎo)致器件損壞。針對(duì)這一缺點(diǎn)，一種解決的方法是將滯環(huán)比較器的寬度H設(shè)計(jì)成可隨 的大小而自動(dòng)調(diào)節(jié)的;另一種方法是采用定時(shí)比較方式，其原理在本節(jié)的第3點(diǎn)詳述。2.3.3.2 三角波比較方式 圖2.18所示為三角波比較方式的原理圖這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方

41、式不同，它不直接將指令信號(hào) 與三角波比較，而是將 與 的偏差 經(jīng)放大器A之后再與三角波比較。放大器A一般采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把 控制為最小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。與瞬時(shí)值比較方式相比，該方式具有如下特點(diǎn)：(1)硬件較為復(fù)雜;(2)跟隨誤差較大;(3)輸出電壓所含諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，且等于三角載波的頻率;(6)電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢。由以上介紹可見(jiàn)，瞬時(shí)值比較方式和三角波比較方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際使用時(shí)可根據(jù)系統(tǒng)要求選擇。2.3.3.3 定對(duì)比較判斷法 這種方法其實(shí)是瞬時(shí)值比較法的改進(jìn)，本

42、文將其單列出來(lái)詳述，是區(qū)為其特別適合于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。這種方法的控制策略和滯環(huán)寬度控制基本是一樣的，但其采用固定的采樣頻率來(lái)采樣電流，只在每個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)采樣戮的瞬時(shí)電流信號(hào)和給定參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，以決定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。每個(gè)開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷的時(shí)間是一個(gè)或若干個(gè)電流采樣周期，開(kāi)關(guān)器件的最大開(kāi)關(guān)頻率等于電流采樣頻率，其平均開(kāi)關(guān)綏率小于電流采樣頻率。這樣電流的比較不需要滯環(huán)，電流的采樣間隔就相當(dāng)于滯環(huán)比較控制中滯環(huán)的作用。顯然，定時(shí)比較判斷法控制的精度是和電流的采樣頻率有關(guān)的。定時(shí)比較判斷法電流追蹤的示意圖如圖2.19所示。圖中，t為電流采樣間隔， 為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)， 為實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)。經(jīng)過(guò)分

43、析可以知道，最大電流誤差和電流采樣周期是成正比的。因此，定時(shí)比較判斷法中電流追蹤控制的電流采樣周期就相當(dāng)于滯環(huán)寬度控制法中滯環(huán)的作用，提高采樣頻率就能提高電流追蹤的精度。但是采樣頻率的提高受開(kāi)關(guān)器件的最大開(kāi)關(guān)頻率限制。定時(shí)比較判斷法電流追蹤型PWM控制非常適合于數(shù)字控制，電流的采樣可以由微控制器定時(shí)來(lái)控制，實(shí)際電流采樣經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換讀入微機(jī)，給定參考電流信號(hào)由實(shí)時(shí)計(jì)算得出。這樣，數(shù)字化的實(shí)際電流和參考電流就可以由微機(jī)進(jìn)行比較，然后可確定逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這里不需要復(fù)雜的算法，程序簡(jiǎn)單。滯環(huán)寬度控制則要求電流的比較要實(shí)時(shí)完成，為此要求用像定時(shí)比較判斷法那樣的數(shù)字控制時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)字比較的速度

44、都要非常高，因此實(shí)現(xiàn)比較困難。一般，電流滯環(huán)寬度控制法通常由模擬電路實(shí)現(xiàn)，整個(gè)控制系統(tǒng)要比定時(shí)比較判斷法復(fù)雜。本課題采用了定時(shí)比較判斷法，利用DSP芯片來(lái)進(jìn)行控制和運(yùn)算。第三章 瞬時(shí)諧波及無(wú)功電流檢測(cè)方法3. 1概述實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出電網(wǎng)中畸變的電流是有源電力濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。本章就高次諧波及基波無(wú)功的檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行討論。諧波的檢測(cè)方法主要有基于頻域的快速傅立葉變換法、時(shí)域分析法和基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論法等幾種。由于瞬時(shí)無(wú)功功率理論比較成熟，為此本文重點(diǎn)討論以瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波檢測(cè)方法及其數(shù)字實(shí)現(xiàn)。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論最早是1983年由赤木泰文提出的，此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸

45、完善。赤木最初提出的理論亦稱(chēng)pq理論，是以瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q的定義為基礎(chǔ)，其主要的不足是只適用于三相電壓正弦、對(duì)稱(chēng)情況下的三相電路高次諧波和基波無(wú)功電流的檢測(cè)，而在電壓非正弦、負(fù)載不對(duì)稱(chēng)情況下，該定義不再有明確的物理意義也不能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)無(wú)勸電流的全補(bǔ)償。由Bhattacharya等提出的法，是建立在計(jì)算三相瞬時(shí)電流分量基礎(chǔ)上。該法構(gòu)造了以同步電壓速度旋轉(zhuǎn)的具有兩個(gè)正交軸的參考坐標(biāo)系，即同步參照系。該理論在三相電壓非正弦、非對(duì)稱(chēng)情況下仍可以實(shí)現(xiàn)三相電路中的無(wú)功、高次諧波和基波負(fù)序電流的檢測(cè)?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)的諧波檢測(cè)方法，在使用傳統(tǒng)濾波器時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較低，硬件復(fù)雜。在用數(shù)字處

46、理器實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于基波有功電流的檢測(cè)處理需要一段時(shí)間，即所檢測(cè)分離出來(lái)的諧波和無(wú)功電流與負(fù)載電流相差一段時(shí)間，檢測(cè)得到的諧波和無(wú)功電流在負(fù)載電流穩(wěn)定時(shí)是準(zhǔn)確的，但當(dāng)負(fù)載電流變化較快時(shí)，誤差較大。以數(shù)字處理器進(jìn)行采樣和計(jì)算，都要延遲幾個(gè)周期后進(jìn)行補(bǔ)償，只能應(yīng)用于穩(wěn)定的負(fù)載。本文給出了對(duì)，法進(jìn)行改進(jìn)的一種諧波檢測(cè)新方法一一電流移動(dòng)平均值原理的諧波檢測(cè)，算法簡(jiǎn)單，特別適用于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，避免了傳統(tǒng)濾波器的使用，可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，具有較好的實(shí)時(shí)性，且不受電壓不平衡的影響。適用于三相對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)電路，也可用于單相電路。本章將先介紹基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法，然后介紹基于電流移動(dòng)平均值原理的諧波檢測(cè)方

47、法。3.2 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法3.2.1 瞬時(shí)無(wú)功功率的基礎(chǔ)理論設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為和，將它們變換到 兩相正交的坐標(biāo)系上，得到 兩相瞬時(shí)電壓 和 兩相瞬時(shí)電流：寫(xiě)成矩陣形式有根據(jù) 理論，瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q可分別記為：顯然瞬時(shí)有功功率為含有能量的實(shí)體，是在 平面上存在的實(shí)際物理量，而瞬時(shí)無(wú)功功率是與 平面垂直的向量，即不含能量的虛擬物理量。把式(3一7)寫(xiě)成矩陣形式有3.2.2 三相電路諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論為基礎(chǔ)，計(jì)算或?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)即得三相電路諧波和無(wú)功電流檢測(cè)的兩種方法： 運(yùn)算法和法。3.2.2.l 運(yùn)算法 該檢測(cè)方法的原理

48、圖如圖3.2所示。根據(jù)定義計(jì)算出，經(jīng)低通濾波器(LPF)得到的直流分量。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。當(dāng)有源電力濾波器用于補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí)，就需同時(shí)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象的諧波和無(wú)功電流。這種情況下，只需斷開(kāi)圖3.2中計(jì)算q的通道，由即可計(jì)算出被檢測(cè)電流的基波有功分量為：由于采用低通濾波器(LPF)求取，當(dāng)被檢測(cè)電流變化時(shí)，檢測(cè)結(jié)果有一定延遲。當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，則不需低通濾波器，只需將q反變化即可得到無(wú)功電流，此時(shí)不存在延時(shí)?？汕蟮脽o(wú)功電流如下式：由理論分析可知，對(duì)于三相三線制電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，不論三相電壓、電流是否對(duì)稱(chēng)，運(yùn)算方式的檢測(cè)結(jié)果都有誤差。3.2.2

49、.2 運(yùn)算法 該法的原理如圖3.3所示。該法需要用到與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)，它們由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到。這里，無(wú)論三相電壓是否畸變，當(dāng)不對(duì)稱(chēng)或有畸變時(shí)，中的直流分量和分別與三相電流的正序基波有功和無(wú)功分量相對(duì)應(yīng)，而其中的交流分量分別與諧波或不對(duì)稱(chēng)分量相對(duì)應(yīng)。用LPF分離出和，再對(duì)式(3-13)進(jìn)行反變換，就得到基波分量如下，與p、q運(yùn)算法相似，當(dāng)要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需斷開(kāi)圖3.3中計(jì)算的通道即可。而如果只需檢測(cè)無(wú)功電流，則只對(duì)進(jìn)行反變換即可。理論分析表明，對(duì)于三相三線制電路，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，按這種方式進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，由于只取、參

50、與計(jì)算，畸變電壓的諧波成分在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)，檢測(cè)結(jié)果也不受電壓波形畸變的影響。3.3 基于電流移動(dòng)平均值原理諧波檢測(cè)新方法上述兩種方法，均需使用濾波器。使用模擬低通濾波器時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，過(guò)渡時(shí)間要將近兩個(gè)周期。而使用數(shù)字濾波器雖然延遲較小，但數(shù)字實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，計(jì)算量較大。本節(jié)介紹一種改進(jìn)的法電流移動(dòng)平均值原理方法。它不使用傳統(tǒng)濾波器，而是利用電流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由平均值原理得到與基波分量對(duì)應(yīng)的直流量，進(jìn)而得到諧波和無(wú)功分量，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。3.3.1 電流移動(dòng)平均值原理基于瞬時(shí)無(wú)功功率的法構(gòu)造了以同步電壓(系統(tǒng))速度旋轉(zhuǎn)的具有兩個(gè)正交軸的參考坐標(biāo)系，來(lái)得到瞬時(shí)電流兩相分量，并通過(guò)傳統(tǒng)的濾

51、波器LPF濾波，得到與電流基波分量對(duì)應(yīng)的直流量。電流平均值法也以同步變換為基礎(chǔ)，只是它以一個(gè)計(jì)算電流i平均值的模塊來(lái)代替LPF，實(shí)現(xiàn)了“濾波”。此模塊得到的平均值即為與電流基頻成分對(duì)應(yīng)的直流量。原理分析如下:考慮一對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載，其三相電流將互有電角度的相位差，即三相基波電流相位為：，相序?yàn)?。則第n次諧波分量的相位為:三的倍數(shù)次諧波的次數(shù)為3*i，1=0，1，2。將n=3*i代入上式，有： ，即三的倍數(shù)次諧波為為零序。如果是三相四線系統(tǒng)，這些諧波分量將出現(xiàn)在中線電流中。對(duì)于三相三線，這些諧波分量將不能流通。第6*i+5次諧波，i=0，1，2(即第5次，11次，17次諧波)對(duì)基波而言為負(fù)序。將n=6*1+5代入式(3-21)，同理得三