學(xué)位論文--有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制設(shè)計

PAGEPAGE1摘要有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和改善功率因數(shù)的新型電力電子裝置。通過向電網(wǎng)送入與原有諧波幅值相等、相位相反的電流，達(dá)到改善和提高電能質(zhì)量的目的。這種技術(shù)能對頻率和幅值都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響，具有響應(yīng)快、可控性高、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)無源濾波的缺點(diǎn)，因而受到廣泛的重視。最后根據(jù)實(shí)際裝置的研制經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)地講述了并聯(lián)型APF直流側(cè)電壓的計算和電容的選取。有源電力濾波器直流穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)其中列舉了有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制：直流側(cè)電容電壓的控制原理，三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法，直流側(cè)電壓控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源濾波器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制，并聯(lián)型電力有源濾波器直流電容電壓。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器(APF)，直流電壓，模糊控制，直流側(cè)電容，PI控制，MATLAB仿真ABSTRACTTheactiveelectricpowerwavefilteristhatonekindisusedfordevelopmentrestraintharmonicandimprovesthepowerfactornewmodelelectricpowerelectronicdevise.Sendinelectriccurrentoppositetotheoriginalharmonicamplitudeequality,phasebyfacinganelectrifiedwirenetting,achieveimproveandimproveelectricenergymass'spurpose.Thistechnologycancarryoutcompensationontheharmonicandidleworkthatfrequencyandamplitudeallchange,thepersoncompensatescharacteristicpropertynotacceptingelectrifiedwirenettingimpedanceeffect,strongfromadaptability,haveovercomepassivewavefilteringoftraditionshortcoming,haveacceptedbroadtakingseriouslyasaresult.Finaldevelopingaccordingtoactualdeviceexperiences,thedirect-currenthavinggivenanaccountofparalleltypeAPFsystematicallyinclinesthevoltagecalculationandthecapacitancechoice.Activeelectricpowerwavefilterdirect-currentstabilivoltrealizationhaslistedactiveelectricpowerwavefilterdirect-currentobliquetonescapacitancevoltagestabilityunderthecontrolofamongthem:Direct-currentobliquetonescapacitancevoltagecontrollingprinciple,blurredHcontrolsprinciple,mixedtypeactivewavefilterdirect-currentinclinesvoltagestabilityunderthecontrolof,paralleltypeelectricpoweractivewavefilterdirectcurrentholdsvoltage.KeyWords：Thewavefilter(APF),directcurrentcontrol,mixupactiveelectricpowerunderthecontrolof,direct-currentinclinescapacitance,PIcontrols,MATLABsimulates前言電力系統(tǒng)中的諧波問題并不是一個新的問題，早在20世紀(jì)20年代，在德國就已經(jīng)提出靜態(tài)整流器產(chǎn)生的波形畸變問題。1945年J.C.Read發(fā)表的關(guān)于變流器諧波的論文是最早對諧波問題進(jìn)行研究的論文。到了五六十年代，隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，各國學(xué)者發(fā)表了大量的有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波的論文。近年來，隨著非線性負(fù)載，尤其是電力電子裝置的大量使用，使諧波和無功功率大量進(jìn)入電網(wǎng)，引起電網(wǎng)閃變、頻率變化、三相不平衡等問題，影響電能質(zhì)量、輸電效率和設(shè)備的安全運(yùn)行與正常使用。隨著諧波危害的日趨嚴(yán)重，電力系統(tǒng)的諧波問題在世界范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注。如何有效地抑制諧波注入電網(wǎng)是當(dāng)前國際和國內(nèi)的研究重點(diǎn)之一。各國學(xué)者提出了各種各樣的方法，如無源LC濾波、電路的多重化、有源電力濾波等。其中最受推崇也是目前較實(shí)用的是有源電力濾波技術(shù)，本論文將對有源濾波的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入地研究。對與論文相關(guān)的背景知識進(jìn)行了介紹，包括電力系統(tǒng)中的諧波問題及其危害、諧波的抑制技術(shù)和有源電力濾波器的國內(nèi)外發(fā)展概況，表明了有源電力濾波器應(yīng)用的重要性以及本文工作的意義。目錄TOC\o"1-3"\f\h10120第一篇緒論 19059第一章引言 120810第一節(jié)諧波及其產(chǎn)生的原因 19181第二節(jié)高次諧波的危害 25440第三節(jié)主要諧波源 319445第二章抑制諧波 529871第一節(jié)無源濾波器 52977第二節(jié)有源電力濾波器 627735第三章研究現(xiàn)狀 93779第四章研究內(nèi)容和論文構(gòu)成 1031302第一節(jié)主要研究內(nèi)容 117702第二節(jié)研究路線 119102第二篇諧波電流檢測技術(shù) 125279第一章引言 12111第二章檢測諧測 1230122第三章離散傅立葉變換法 1319175第四章基于瞬時無功功率理論的檢測方法 1620372第五章小結(jié) 182772第三篇有源電力濾波器直流穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn) 1914828第一章引言 195127第二章有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制 1929118第三章三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法 2128146第一節(jié)直流側(cè)電壓控制的基本原理 2227900第二節(jié)模糊H控制原理 2314815第三節(jié)模糊H控制的實(shí)現(xiàn) 2418015第四章注入式有源電力濾波器直流側(cè)電壓的剖析 255077第一節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2611584第二節(jié)系統(tǒng)分析 262955第三節(jié)電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)的影響 278496第五章混合型有源濾波器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制 2932290第一節(jié)直流側(cè)電壓波動原因及其穩(wěn)定控制方法 3016217第二節(jié)仿真研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 317802第四篇系統(tǒng)的建模與仿真 3322517第一章引言 3310587第二章系統(tǒng)模型 3329782第三章控制系統(tǒng)模塊 3527600第一節(jié)直流側(cè)電壓控制模塊 3531316第二節(jié)諧波電流檢測模塊 3713663第三節(jié)電流跟蹤控制模塊 3716423第四章仿真結(jié)果 3823816第一節(jié)直流側(cè)電容電壓仿真結(jié)果仿真結(jié)果 3815335第二節(jié)三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓 4030512參考文獻(xiàn) 415204經(jīng)驗(yàn)總結(jié) 433038致謝 44第一篇緒論引言電力系統(tǒng)中的諧波問題并不是一個新的問題，早在20世紀(jì)20年代，在德國就已經(jīng)提出靜態(tài)整流器產(chǎn)生的波形畸變問題。1945年J.C.Read發(fā)表的關(guān)于變流器諧波的論文是最早對諧波問題進(jìn)行研究的論文。到了五六十年代，隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，各國學(xué)者發(fā)表了大量的有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波的論文。近年來，隨著非線性負(fù)載，尤其是電力電子裝置的大量使用，使諧波和無功功率大量進(jìn)入電網(wǎng)，引起電網(wǎng)閃變、頻率變化、三相不平衡等問題，影響電能質(zhì)量、輸電效率和設(shè)備的安全運(yùn)行與正常使用。隨著諧波危害的日趨嚴(yán)重，電力系統(tǒng)的諧波問題在世界范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注。如何有效地抑制諧波注入電網(wǎng)是當(dāng)前國際和國內(nèi)的研究重點(diǎn)之一。各國學(xué)者提出了各種各樣的方法，如無源LC濾波、電路的多重化、有源電力濾波等。其中最受推崇也是目前較實(shí)用的是有源電力濾波技術(shù)，本論文將對有源濾波的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行深入地研究。本章對與論文相關(guān)的背景知識進(jìn)行了介紹，包括電力系統(tǒng)中的諧波問題及其危害、諧波的抑制技術(shù)和有源電力濾波器的國內(nèi)外發(fā)展概況，表明了有源電力濾波器應(yīng)用的重要性以及本文工作的意義。諧波及其產(chǎn)生的原因國際上公認(rèn)的諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量。其頻率為基波的整數(shù)倍數(shù)”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，也常稱為高次諧波。除了特殊情況外，諧波的產(chǎn)生主要是由于大容量電力和用電整流或換流，以及其它非線性負(fù)荷造成的。這些電力或用電設(shè)備從電力系統(tǒng)中吸收的畸變電流可以分解為基波和一系列的諧波電流分量。其諧波電流值實(shí)際上和50Hz基波電壓值以及供電網(wǎng)的阻抗幾乎無關(guān)。因此，大多數(shù)諧波源可以視為恒流源，它們與50Hz基波不同，后者一般是恒壓源?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)和變壓器在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，它們本身不會造成電網(wǎng)電壓或電流的較大畸變，雖然在暫態(tài)擾動時(例如系統(tǒng)發(fā)生短路故障時、切合空載線路或空載投入變壓器)以及超出其正常工作條件時(例如變壓器運(yùn)行在其額定工作電壓以上)將可能增大其產(chǎn)生的諧波含量。高次諧波的危害隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，非線性負(fù)荷的種類、數(shù)量和比重都迅速增加，諧波對電力系統(tǒng)的污染日益嚴(yán)重，它對各種電氣設(shè)備都有不同程度的影響和危害。調(diào)研諧波的具體影響和各種設(shè)備承受諧波的能力，是制定諧波標(biāo)準(zhǔn)和治理諧波措施的重要前提。國內(nèi)外對諧波影響已做過許多研究與試驗(yàn)，發(fā)表了不少文獻(xiàn)，對這一問題的研究提供了有益的參考。但因?yàn)橹C波的變化有很大隨機(jī)性，以及許多因諧波影響而發(fā)生的事故和設(shè)備的損壞是在事后發(fā)現(xiàn)的，因此國內(nèi)外對諧波影響的認(rèn)識和分析的精深程度，都很不夠；不同國家和不同人員對某些諧波影響的分析結(jié)論也不一致。總之，這一問題值得深入研究。下面介紹諧波的影響。(1)諧波會引起諧振和諧波電流的放大。為了補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，提高功率因數(shù)，常在負(fù)載處裝有并聯(lián)電容器，為了提高系統(tǒng)的電壓水平，常在變電所安裝并聯(lián)電容器，此外，為了濾出諧波，會裝LC濾波器。工頻時，電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大的多，不會發(fā)生諧振，但對諧波頻率而言，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小，就可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振。諧振會使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，常常使電容器和電抗器燒毀。日本的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,電容器和與之串聯(lián)的電抗器燒毀在諧波引起的事故中約占75%。(2)諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，影響電器設(shè)備正常工作。諧波對電機(jī)的主要影響是引起附加損耗，從而產(chǎn)生附加溫升，當(dāng)發(fā)電機(jī)中諧波電流的頻率接近定子零部件的固有振動頻率時，可能引起發(fā)電機(jī)的強(qiáng)烈機(jī)械振動并伴有強(qiáng)烈的噪音。(3)諧波電流流經(jīng)變壓器時，除引起變壓器繞組附加損耗外，也引起外殼、外層硅鋼片和某些緊固件發(fā)熱，并且有可能引起局部的嚴(yán)重過熱，諧波也使變壓器噪聲增大。(4)諧波會引起電纜浸漬絕緣的局部放電、介質(zhì)損耗和溫升增大。電纜的分布電容對諧波電流有放大作用，在電網(wǎng)低谷負(fù)荷下當(dāng)電網(wǎng)電壓溫升上升而使諧波電壓也升高時，電纜很容易出故障。(5)諧波對通信線路的干擾主要通過電容耦合、電磁感應(yīng)和電氣傳導(dǎo)。話音的頻率范圍是500Hz～3KHz，在這范圍內(nèi)的諧波都會影響通話質(zhì)量。(6)諧波電流在電網(wǎng)中流動會產(chǎn)生有功功率損耗，構(gòu)成了電網(wǎng)線損的一部份，對電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很不利。(7)諧波對電子設(shè)備的影響主要有：為減小損耗和電磁干擾，變流裝置中的功率器件通常選擇在電壓或電流的過零點(diǎn)動作，諧波的存在影響了過零點(diǎn)的準(zhǔn)確檢測，影響了正確的開關(guān)動作。諧波對繼電保護(hù)和電力測量的影響：諧波會改變保護(hù)繼電器的性能，引起誤動作或拒絕動作，引起事故。諧波會使電工測量儀表產(chǎn)生測量誤差，影響計量及測量的準(zhǔn)確性。非整數(shù)和超低頻諧波影響了一些視聽設(shè)備的視聽效果。由于諧波電壓而引起的電壓峰值點(diǎn)的變化影響了電視機(jī)和計算機(jī)畫面大小和明暗的變化。諧波引起計算機(jī)死機(jī)或程序運(yùn)行不正常，從而導(dǎo)致自控設(shè)備誤動作(8)諧波對電網(wǎng)中的模擬式電表如電壓表、電流表、功率表、電度表的測量會有影響，使測量儀表計量不準(zhǔn)確，降低了測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。主要諧波源諧波是由非線性元件和非線性負(fù)荷產(chǎn)生的，相對于系統(tǒng)而言可稱其為諧波源。所謂非線性設(shè)備就是在正弦供電電壓下產(chǎn)生非正弦電流或者在正弦供電電流下產(chǎn)生非正弦電壓的設(shè)備。作為諧波源，非線性設(shè)備可以被劃分為如下幾類[5]：(1)電力電子裝置。電力電子裝置近年來發(fā)展迅猛，是最嚴(yán)重的諧波源。它有單相和多相之分;從功能上看，有整流、逆變、交流調(diào)壓和變頻之分。大型的有達(dá)百萬千瓦級的HDVC裝置和大型鋁廠的整流裝置，小型的有電動機(jī)節(jié)能器、家用充電器和家用調(diào)光燈。影響面較大的單相換流裝置用于工頻交流電力機(jī)車。(2)電弧爐。通常所謂的電弧爐是指，用于鋼鐵冶煉的交流電弧爐。大型電弧爐的發(fā)展方向是采用更經(jīng)濟(jì)更有效的直流電弧爐。在諧波源分類上，直流電弧爐由整流器饋電，故應(yīng)列入電力電子裝置。鐵合金礦石爐、電石爐和電弧爐雖都采用石墨電極來注入熔化電流，但用電特性有很大區(qū)別。(3)家用電器。例如日光燈、電視機(jī)、調(diào)速風(fēng)扇、空調(diào)、電冰箱等。(4)高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備。例如電子計算機(jī)、敏感電子器件、功調(diào)器、激光切割設(shè)備、衛(wèi)星傳送器、核磁共振設(shè)備、節(jié)能燈(例如高壓鈉燈和其他氣體放電燈)等。國外的經(jīng)驗(yàn)表明，各種非線性用電設(shè)備容量的增長率大大超過電網(wǎng)的發(fā)電設(shè)備容量的增長率。這一事實(shí)決定了諧波監(jiān)督和治理工作的長期性和艱巨性。表1-1列出了1980年、1985年和1990年陜西省電網(wǎng)發(fā)電量和電氣化鐵道、電解鋁的用電量的統(tǒng)計值。由表可以看出，這些非線性負(fù)荷用電量的年增長率遠(yuǎn)高于發(fā)電量年增長率。這是陜西電網(wǎng)的諧波問題，尤其是陜西各地區(qū)電網(wǎng)中的電氣化鐵道的諧波問題，在80年代以來迅速惡化的根源。表1-1陜西省電網(wǎng)發(fā)電量和電氣化鐵道、電解鋁用電量的統(tǒng)計項(xiàng)目年電量(億kWh)年增長率(％)1980198519901980～19851985～1990發(fā)電量79.1108.8149.76.586.59電氣化鐵道用電量2.5053.9375.6969.467.67電解鋁用電量0.9920.9723.941-0.41表1-2列出了1980年、1985年和1990年我國全國的發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電量和電氣化鐵道長度及其用電量的統(tǒng)計值，同樣表明了電氣化鐵道用電量的增長率遠(yuǎn)高于發(fā)電量的年增長率。與此相應(yīng)，電氣化鐵道負(fù)荷較重的電網(wǎng)，自80年代以來，都尖銳地反映了電氣化鐵道諧波污染和危害問題。表1-2中國發(fā)電裝機(jī)容量、發(fā)電量和電氣化鐵道長度及其用電量統(tǒng)計項(xiàng)目年統(tǒng)計值年增長率(％)1980198519901980～19851985～1990發(fā)電裝機(jī)容量(萬kW)60008495135007.29.71發(fā)電量(億kWh)3006406061506.28.66電氣化鐵道長度(km)16674150.56940.820.010.83電氣化鐵道用電量(億kWh)2.86712.95237.87135.224.94發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)和預(yù)測表明，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)荷用電設(shè)備的種類、數(shù)量和用電量將迅猛增加。例如美國IEEE學(xué)會認(rèn)為，伴隨著當(dāng)代一項(xiàng)重大的科技進(jìn)步，即電力電子技術(shù)的發(fā)展，作為非線性用電負(fù)荷的敏感電子器件已經(jīng)大量涌現(xiàn)，其負(fù)荷在90年代后期的美國要上升到1992年的4～5倍。英國有學(xué)者認(rèn)為，自60年代以來由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，若不進(jìn)行有效的諧波控制，在80年代末，英國的供電電壓畸變率可能高達(dá)10％[7~8]。日本電氣協(xié)同研究會的電力系統(tǒng)高次諧波對策委員會論述說：日本當(dāng)前的重要諧波源依次是電力換流器(占諧波源總數(shù)的66％)、家用電器(占諧波源總數(shù)的23％)以及大型電弧爐。在高技術(shù)的電力電子領(lǐng)域中，換流裝置占核心位置。在日本，從這種裝置的15年銷售量累計比例來推測，這種裝置在2000年的普及率和增長率達(dá)到1987年的2.5倍。若按照合同電力的增長，估計日本到2000年，諧波電流和電力系統(tǒng)容量的比例要上升到1990年的2倍左右。很明顯，隨著我國改革開放和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，我國電網(wǎng)已經(jīng)遭遇并面臨發(fā)達(dá)國家當(dāng)前的諧波局面，即諧波源隨著高新技術(shù)的發(fā)展而猛增，電網(wǎng)電壓畸變率也將上升。第二章抑制諧波消除諧波，應(yīng)從產(chǎn)生諧波的裝置即電力電子裝置出發(fā)來研究解決的方法。消除諧波主要有兩種途徑[9]：主動型：從裝置本身出發(fā)，設(shè)計不產(chǎn)生諧波的變流器；被動型：外加電力濾波器，比如在電力系統(tǒng)中加上LC濾波器，或加有源電力濾波器等。至于采用哪種途徑，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益來決定。另外，對已經(jīng)在運(yùn)行工作的裝置只能通過加裝濾波器來實(shí)現(xiàn)。主動型的變流器諧波抑制方案主要有：多脈沖整流及準(zhǔn)多脈沖整流，多電平變流技術(shù)，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等，主動型的諧波抑制代表了電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。被動型的諧波抑制即安裝電力濾波器是本文研究的重點(diǎn)。濾波器可分為無源濾波器和有源電力濾波器。無源濾波器對于諧波污染，目前主要采用電感和電容組成的無源諧振電路作為一定頻率諧波電流、電壓的通路，從而消除諧波的影響。當(dāng)濾波器的固有頻率(1-1)與某階次諧波頻率相等，即時，濾波器在該次諧波頻率下的阻抗最低，大部分諧波電流注入濾波器，被濾波器吸收。因此無源濾波器可以設(shè)計成針對特定諧波階次的濾波設(shè)備，如3次、5次、7次、11次諧波濾波器。當(dāng)時，則濾波器對該次諧波來講為容性負(fù)載，因此所有各階次諧波的濾波器對基波來講都呈容性，能夠起到對基波的補(bǔ)償作用。任何高一階次的濾波器，對于低階次諧波來講都是容性負(fù)載，有放大低階次諧波的作用，因此，電網(wǎng)中存在多階次諧波并采用多個階次的諧波濾波器時，投入和切除的順序應(yīng)為：先投入后切除低階次諧波的濾波器，后投入先切除高階次諧波的濾波器，避免投切過程中發(fā)生諧波放大。無源濾波器適用于負(fù)荷運(yùn)行平穩(wěn)，諧波頻率大小確定功率因數(shù)不高等需要補(bǔ)償?shù)膱鏊Ｋ哂谐杀镜?、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。但存在以下難以克服的缺陷：濾波器的設(shè)計大多針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次的諧波，諧振頻率依賴于元件參數(shù)，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。濾波器依賴于電網(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)行工況隨時改變，因而LC參數(shù)的設(shè)計比較困難。電網(wǎng)阻抗與LC可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振，電網(wǎng)中的某次諧波電壓可能在LC網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流。電網(wǎng)阻抗與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。對于變化范圍較大的負(fù)載，諧振電路還存在過電流和過電壓問題。體積大、損耗大。為了解決無源濾波器的局限性，人們做了許多研究與探索，其中具有代表意義的是有源電力濾波技術(shù)。從目前國外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償是今后的一個發(fā)展趨勢。第二節(jié)有源電力濾波器有源電力濾波器(APF:ActivePowerFilter)是屬于柔性交流輸電(FACTS)的新一代電力電子產(chǎn)品，利用了大功率電力電子器件(如IGBT、GTO)。有源電力濾波器的思想最早出現(xiàn)于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的論文中。文中描述了通過向交流電源注入三次諧波電流以減少電源中的諧波，改善電源電流波形的新方法。文中所述的方法被認(rèn)為是有源電力濾波器思想的誕生。1971年，日本H.Sasaki和T.Machida首次發(fā)表論文完整描述有源電力濾波器的基本原理[14]。1976年，美國的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出采用脈寬調(diào)制(PWM：PulseWidthModulation)控制的有源電力濾波器，確定了主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，從原理上闡明了有源電力濾波器是一理想的諧波電流發(fā)生器，并討論了實(shí)現(xiàn)方法和相應(yīng)的控制原理，奠定了有源電力濾波器的基礎(chǔ)。然而，在20世紀(jì)70年代由于缺少大功率可關(guān)斷器件，有源電力濾波器除了少數(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究外，幾乎沒有任何進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM技術(shù)的發(fā)展，尤其是1983年日本的H.Akagi[16]等人提出了“三相電路瞬時無功功率理論”，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流檢測方法在三相有源電力濾波器中得到了成功的應(yīng)用，極大的促進(jìn)了有源電力濾波器的發(fā)展。圖1-1為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。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(諧波電流檢測)和補(bǔ)償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三個部分構(gòu)成)。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測出補(bǔ)償對象電流中的諧波和無功等電流分量，因此有時也稱為諧波和無功電流檢測電路。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，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用PWM變流器。1-1有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖有源電力濾波器的基本工作原理是，檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計算得出補(bǔ)償電流的指令信號，該信號經(jīng)補(bǔ)償電流發(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波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。當(dāng)只補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補(bǔ)償對象負(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，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，兩者相互抵消，使得電源電流中只含基波、不含諧波。上述原理可以用如下一組公式描述：(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)式中，為負(fù)載電流的基波分量。當(dāng)在補(bǔ)償諧波的同時，補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號中增加與負(fù)載電流的基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波及無功成分相抵消，電源電流等于負(fù)載電流的基波有功分量。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，其具體特點(diǎn)如下：(1)適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償對象的變化有極快的響應(yīng)。(2)可同時對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波時所需儲能元件的容量不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。(3)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；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。但有源電力濾波器也存在價格昂貴、運(yùn)行成本高和難以構(gòu)成大容量補(bǔ)償裝置等缺點(diǎn)。無源濾波器和有源電力濾波器的工程造價與諧波要求關(guān)系如圖1-2所示[17]。從圖1-2可以看出，諧波標(biāo)準(zhǔn)越高，對無源濾波器而言，就是濾波支路增多，其硬件造價幾乎是以指數(shù)速率增長的。而對有源電力濾波器而言，主要是增加控制的難度和復(fù)雜度，硬件的造價基本不受影響。因此對于電能質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格的今天，采用有源電力濾波器作為諧波消除裝置的優(yōu)點(diǎn)越來越突出。造價造價無源濾波器有源電力濾波器諧波要求嚴(yán)格圖1-2有源電力濾波器和無源電力濾波器性價比的對照第三章研究現(xiàn)狀工業(yè)APF在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已得到了高度重視和日益廣泛應(yīng)用[18]。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、德國西門子公司、ABB公司等。在國外有源電力濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)品已批量生產(chǎn)。富士電機(jī)從1991年起即開發(fā)有源電力濾波器產(chǎn)品投入市場。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，受到各方好評。1998年又開發(fā)了上述MINI的上位機(jī)，即新型有源電力濾波器FUJIACT200/400系列。該系統(tǒng)所有電路與部件與通用變頻器可以達(dá)到互換、單機(jī)容量可以從400kVA到最大。據(jù)介紹，自1982年以來，日本已有500多臺有源濾波器投入市場。容量由50kVA到60MVA。有源濾波器的容量越來越寬，功能也越來越豐富，除補(bǔ)償諧波電流外，還可以補(bǔ)償基波無功、平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能。例如：將由5MVA的串聯(lián)型APF和25MVA的并聯(lián)型PPF組成的混合型濾波器安裝于高速磁懸浮列車上，用于抑制諧波。由三個APF并聯(lián)組成的48MVA并聯(lián)型APF安裝于向“子彈頭”列車供電的某電站，用于補(bǔ)償無功電流和負(fù)序電流，抑制電壓閃變和三相電壓不平衡。與國外的廣泛應(yīng)用相比，我國的APF的研究與應(yīng)用遠(yuǎn)落后于國外，尚處于實(shí)驗(yàn)研究和理論研究階段，這與我國目前諧波污染嚴(yán)重的狀況很不適應(yīng)。許多高校都對APF進(jìn)行介紹、研究、研制和試驗(yàn)。西安交通大學(xué)已研制出120kVA的并聯(lián)型有源濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)電力電子研究所與其他單位合作完成了100kVA廣義電力有源濾波器，株洲變流技術(shù)國家工程研究中心于2005年11月研制出10kV/260kVA的并聯(lián)型有源濾波裝置，并在懷化電力局肖家變電站正式投入使用。我國在有源電力濾波器方面研究起步較晚，目前還主要以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主,今后加強(qiáng)引進(jìn)發(fā)達(dá)國家技術(shù),提高器件制造水平，發(fā)展適合我國電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的控制技術(shù),研制開發(fā)低損耗、低價格、大容量的APF是加快在生產(chǎn)實(shí)際的應(yīng)用,改善電能質(zhì)量的有效途徑。在有源電力濾波器的發(fā)展過程中，先進(jìn)的檢測方法和控制方法的提出和改進(jìn)，一直是各國學(xué)者研究的一大熱點(diǎn)。目前APF的控制方法主要有三角載波調(diào)制法、電流滯環(huán)控制法、無差拍控制法、電壓空間矢量法等。其中三角載波調(diào)制法雖然最簡單易行，但是跟蹤誤差大、調(diào)制帶寬有限、無法濾除所有調(diào)制信號的脈動；電流滯環(huán)控制法的開關(guān)損耗小，動態(tài)響應(yīng)快，具有很強(qiáng)的魯棒性，但是開關(guān)頻率不固定，容易引起脈電流和開關(guān)噪聲；無差拍控制法[20]最顯著的優(yōu)點(diǎn)是能快速響應(yīng)電流的突然變化，但是計算量大，造成延遲，且對系統(tǒng)參數(shù)依賴較大，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電壓空間矢量精確度高，但一般需要進(jìn)行較為復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。有源電力濾波器工作時等效于一個無功和諧波源，基于目前一些常用控制方法，在指令電流變化較大時補(bǔ)償電流往往不能完全跟蹤指令，從而在補(bǔ)償后的主電流中有比較大的“尖峰”現(xiàn)象出現(xiàn)?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制(SlidingModeControl，SMC)對系統(tǒng)內(nèi)攝動和外干擾具有完全魯棒性，即系統(tǒng)的運(yùn)動與攝動及干擾無關(guān)。由于滑模變結(jié)構(gòu)控制具有快速性、魯棒性、穩(wěn)定性和對外界的干擾不敏感等特性從而使其適合于有源電力濾波器的控制。如何尋求一種跟蹤能力強(qiáng)、穩(wěn)態(tài)誤差小的新的控制方法是各國學(xué)者努力的目標(biāo)。第四章研究內(nèi)容和論文構(gòu)成有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和改善功率因數(shù)的新型電力電子裝置。通過向電網(wǎng)送入與原有諧波幅值相等、相位相反的電流，達(dá)到改善和提高電能質(zhì)量的目的。這種技術(shù)能對頻率和幅值都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響，具有響應(yīng)快、可控性高、自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)無源濾波的缺點(diǎn)，因而受到廣泛的重視。最后根據(jù)實(shí)際裝置的研制經(jīng)驗(yàn),系統(tǒng)地講述了并聯(lián)型APF直流側(cè)電壓的計算和電容的選取。重點(diǎn)介紹了有源電力濾波器直流穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)，其中列舉了有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制：直流側(cè)電容電壓的控制原理，三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法，直流側(cè)電壓控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源濾波器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制，并聯(lián)型電力有源濾波器直流電容電壓。第一節(jié)主要研究內(nèi)容有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制：直流側(cè)電容電壓的控制原理，三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法，直流側(cè)電壓控制的基本原理，模糊H控制原理，混合型有源濾波器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制，并聯(lián)型電力有源濾波器直流電容電壓。第二節(jié)研究路線研究采用了解析分析、仿真研究和實(shí)驗(yàn)研究三者緊密結(jié)合的方法，理論上充分利用已有的諧波特性分析及抑制策略的研究成果，高起點(diǎn)對有源電力濾波器的技術(shù)方案及控制系統(tǒng)設(shè)計問題展開分析、研究工作。通過解析分析獲得定性和半定量的結(jié)論，并運(yùn)用計算機(jī)仿真這一先進(jìn)的研究手段進(jìn)行輔助分析，從而獲得了直觀和感性的認(rèn)識。依托株洲變流技術(shù)國家工程研究中心，建立了完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過大量實(shí)驗(yàn)工作，實(shí)現(xiàn)了從理論到實(shí)踐的全面、綜合研究。第二篇諧波電流檢測技術(shù)引言有源電力濾波器可分為兩部分，即諧波電流檢測(指令電流運(yùn)算電路)和補(bǔ)償電流發(fā)生。準(zhǔn)確、實(shí)時地檢測出電網(wǎng)中的諧波電流是有源電力濾波器進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。本章首先對近年來發(fā)展起來的諧波電流檢測技術(shù)進(jìn)行了概述，然后詳細(xì)討論了兩種檢測技術(shù)：傅立葉檢測法和基于瞬時無功功率理論的檢測法，從理論上詳細(xì)分析了它們的原理、優(yōu)缺點(diǎn)，并用MATLAB進(jìn)行了建模仿真，為后面的研究打下基礎(chǔ)。檢測諧測有源電力濾波器的檢測方法經(jīng)歷了一個由頻域、時域、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)參數(shù)辨識的發(fā)展過程?；娏鳒p去法該方法是早的諧波電流檢測方法，它使用帶阻濾波器將基波電流從檢測的電流中濾去，從而得到高次諧波電流作為補(bǔ)償對象。該方法雖然簡單，但這樣的有源電力濾波器功能單一(只能消除高次諧波)，而且?guī)ё铻V波器是理想的模型，工程上不可能實(shí)現(xiàn)。這種方法多用于補(bǔ)償效果要求不高的場合，已不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要。傅立葉檢測法該方法的基礎(chǔ)是傅立葉級數(shù)分析，將檢測到的畸變電流(或電壓)進(jìn)行傅立葉變換，分解為高次諧波代數(shù)和的形式，再將其合成為總的補(bǔ)償電流。由于傅立葉變化需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，當(dāng)要求消除的諧波次數(shù)很高時，微機(jī)的適時計算有困難，不適合實(shí)際控制。瞬時空間矢量法利用瞬時無功功率理論，檢測出三相電壓與負(fù)載電流，計算出瞬時實(shí)功率和瞬時虛功率，算出補(bǔ)償電流。該方法的優(yōu)點(diǎn)是能快速跟蹤補(bǔ)償電流，進(jìn)行適時補(bǔ)償，系統(tǒng)頻率特性不變，即使高次諧波增加，系統(tǒng)也不會過載，且不受電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載變化的影響；缺點(diǎn)是成本高，系統(tǒng)損耗大，特別當(dāng)補(bǔ)償諧波電流次數(shù)較高時，需要較高的PWM控制開關(guān)頻率?；诂F(xiàn)代控制理論的方法最早應(yīng)用的基于P-I控制器的方法，因P-I控制器的特性不能適應(yīng)負(fù)載及電網(wǎng)的變化，后來又提出了滑?？刂萍澳：刂频痊F(xiàn)代控制方法，它們都是直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓或電流，求出所需的電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需的補(bǔ)償電流的指令值。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，從而得到需補(bǔ)償?shù)碾娏髦怠Ｔ摲椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是對電網(wǎng)電壓畸變、頻偏及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應(yīng)能力，但其動態(tài)響應(yīng)較慢?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測法該方法是隨著神經(jīng)控制理論在系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)展起來而形成的一種新型智能控制手段。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以自學(xué)功能性強(qiáng)，進(jìn)化算法和方向傳播用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，不但避免了對于給定補(bǔ)償電流的復(fù)雜計算，且有廣泛的適應(yīng)性。可用于補(bǔ)償單相、三相三線或三相四線制非線性負(fù)載的APF系統(tǒng)。具有一下優(yōu)點(diǎn)：可以通過模擬電路實(shí)現(xiàn)，所以該方法簡單而方便；該方法對負(fù)載具有自適應(yīng)的特點(diǎn)；該方法克服了采用電子濾波的時延現(xiàn)象；該方法可以同時檢測諧波、無功、基波負(fù)序和零序電流。但是目前出現(xiàn)的很多方法，例如基于現(xiàn)代控制理論、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測等方法，大多處于理論研究階段，在實(shí)際中運(yùn)用的很少。目前應(yīng)用較廣泛的諧波電流檢測方法是頻域中的快速傅立葉分解法(FFT)、時域的瞬時無功功率理論法。下面對這兩種方法進(jìn)行詳細(xì)研究。離散傅立葉變換法離散傅立葉變換法在諧波檢測與分析中早有應(yīng)用。這種方法原理比較簡單，將檢測到的畸變電流(電壓)進(jìn)行傅立葉變換，得到各次諧波的幅值和相位，將欲消除的諧波分量進(jìn)行傅立葉反變換，得到補(bǔ)償參考信號。由于該方法是根據(jù)采集到的一個周期內(nèi)的電流值進(jìn)行計算，計算結(jié)果有一個周期的延時，且計算量大，實(shí)時性不好，因此在20世紀(jì)80年代，瞬時無功功率理論出現(xiàn)后就不再采用。但隨著微計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于離散傅立葉變換的諧波電流檢測方法再次引起人們的關(guān)注。按照前面關(guān)于諧波的定義，采用傅立葉分析，要完整地描述、獲得電力系統(tǒng)中的電壓或電流的諧波需要一個工頻周期(對于50Hz的系統(tǒng)為20ms，對于60Hz的系統(tǒng)為16.67ms)的時間。因此如果嚴(yán)格按照諧波的定義檢測諧波，然后采用有源濾波裝置進(jìn)行補(bǔ)償，所需的響應(yīng)時間至少在20～25ms以上。而由于很多非線性負(fù)荷對于諧波的反應(yīng)時間小于10ms(如基于變流器的非線性負(fù)荷，響應(yīng)時間可能小于5ms)，因此采用諧波定義方法計算諧波，再進(jìn)行快速補(bǔ)償，就不能很好地消除諧波對敏感負(fù)荷的影響。提出了一種用離散傅立葉變換DFT(DiscreteFourierTransform)實(shí)現(xiàn)特殊濾波器的瞬時諧波電流的檢測方法。該濾波器在基頻處的幅值無衰減，相位無延時，能將2次以上的諧波全部濾掉。根據(jù)濾波器沖激響應(yīng)的特點(diǎn)得到了濾波算法的遞推關(guān)系，大大地節(jié)約了計算量。以A相負(fù)載電流為例，因其為非正弦周期信號，則可表示為：(2-1)式中T為的周期，=0,1,2,…。一般滿足狄里赫利條件，因此，它可展開為一個收斂的傅立葉級數(shù)，即(2-2)式中，(2-3)(2-4)(2-5)對負(fù)載電流進(jìn)行離散采樣，一個周期T內(nèi)的采樣個數(shù)取為N，則采樣周期為＝T/N，設(shè)的N個采樣值為[1]，[2]，…[N],與其對應(yīng)的電源電壓的幅值為1的正弦離散采樣值為，，…，，由式(2-4)可得(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)式中，0，1，2，…，N-1。這是離散傅立葉變換的基本公式，求出基波和各次諧波有功電流幅值，再用負(fù)載電流減去基波有功電流，就可以求出需補(bǔ)償?shù)闹C波和無功電流。從公式中可以看出，它要求從固定點(diǎn)的起始點(diǎn)開始，定義的一個周期內(nèi)的N個采樣數(shù)據(jù)同時參與計算，計算量和延時都非常大。在這里，我們采用移動窗口方法，即每采樣得到一個新數(shù)據(jù)，則剔除一個時間最早的數(shù)據(jù)，將新數(shù)據(jù)與其它數(shù)據(jù)一起構(gòu)成新的數(shù)據(jù)窗，進(jìn)行傅立葉分析得到各次諧波。(2-10)(2-11)(2-12)式中為最新的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)。用代替了，用代替了，淘汰了最老的數(shù)據(jù)，而最新的實(shí)時數(shù)據(jù)參與負(fù)載電流檢測，大大加快了采樣數(shù)據(jù)的更新速度，提高了系統(tǒng)跟蹤電流變化的能力。但由于新的采樣點(diǎn)逐步加入進(jìn)行的，當(dāng)系統(tǒng)諧波含量發(fā)生突變時，必須經(jīng)過一個周期的測量，傅立葉分析得到的基波及諧波才能完全跟上系統(tǒng)諧波的變化。所以該方法存在一個周期的延時。圖2-1傅立葉檢測方法的MATLAB仿真模型圖2-1為MATLAB仿真模型，輸入信號LoadAC、LoadBC、LoadCC為a、b、c相的負(fù)載電流信號，輸入信號經(jīng)過zero-orderhold模塊離散化后，進(jìn)入S函數(shù)模塊計算出諧波電流含量。傅立葉方法思路比較簡明，原理和工作過程十分清晰，對所補(bǔ)償?shù)闹C波可以有目的的選擇，適用于各種情況。但缺點(diǎn)是這種方法由于需要對誤差信號進(jìn)行重構(gòu)，運(yùn)算較為復(fù)雜，故具有一定的延時，實(shí)時性較差；而且該方法是建立在傅立葉分析的基礎(chǔ)上，因此要求被補(bǔ)償?shù)牟ㄐ问侵芷谛宰兓?，否則會帶來較大的誤差，所以限制了其使用的范圍?；谒矔r無功功率理論的檢測方法圖2-2檢測法的原理圖1983年，Akagi等人提出了三相電路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(biāo)系下的矢量，將電壓電流矢量的點(diǎn)積定義為瞬時有功功率，電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，并由此導(dǎo)出瞬時有功、無功電流。很多學(xué)者運(yùn)用該理論對諧波電流檢測。在此，我們以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，計算(有功電流)、(無功電流)為出發(fā)點(diǎn)即可以得出三相電路諧波和無功電流檢測方法，稱為方式。方式用一個鎖相環(huán)PLL和一個正、余弦發(fā)生電路得到與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號。將諧波和無功分量反極性后即可作為補(bǔ)償電流的指令信號。指令電流運(yùn)算電路原理如圖2-2所示。圖中、、為負(fù)載電流的瞬時值，為電源相電壓，LPF為低通濾波器。把三相電路各相負(fù)載電流的瞬時值、、變換到兩相正交的坐標(biāo)系上＝(2-13)式中，＝(2-14)在圖2-3所示的平面上，矢量、可以合成為電流矢量：(2-15)式中，為矢量的模。、分別為矢量、的幅角。圖2-3坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為矢量在矢量及其法線上的投影。即＝(2-16)式中，(2-17)根據(jù)式(2-16)計算出、，經(jīng)低通濾波器LPF濾波后得出直流分量和，將和反變換可得到負(fù)載電流的基波分量。用負(fù)載電流減去其基波分量就可得到負(fù)載電流中的諧波分量，該諧波分量反極性后即作為補(bǔ)償電流的指令電流信號。即(2-18a)(2-18b)(2-18c)式中，、、為a、b、c三相電流；、、為a、b、c三相的諧波電流；、、為a、b、c三相基波電流。圖2-4采用檢測法的仿真模型仿真模型如圖2-6所示，輸入為LoadAC、LoadBC、LoadCC為a、b、c相的負(fù)載電流信號，采用瞬時無功功率理論可以只對單次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，也可以全補(bǔ)償。小結(jié)通過前面的理論分析及仿真，我們發(fā)現(xiàn)傅立葉方法思路比較簡明，原理和工作過程十分清晰，可以對單次或多次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，但是運(yùn)算較為復(fù)雜，具有一定的時延，用MATLAB進(jìn)行仿真時，仿真過程比較慢，但是如果用DSP實(shí)現(xiàn)的話，效果還是比較好的；基于瞬時無功的檢測方法，能快速跟蹤補(bǔ)償電流，進(jìn)行適時補(bǔ)償，也可以對單次或多次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，且運(yùn)算相對傅立葉方法來說要簡單很多，用MATLAB仿真時，仿真過程明顯加快，后面的研究中我們采用基于瞬時無功的法檢測諧波。第三篇有源電力濾波器直流穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)引言在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)和家用電器中,非線性電力負(fù)荷在大量增加,對供電質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。另一方面,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶對供電質(zhì)量提出了更高的要求。有源電力濾波器(APF)具有高度可控和快速響應(yīng)的特性,它不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變、補(bǔ)償無功,有一機(jī)多能的特點(diǎn)。其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,同時還具有自適應(yīng)功能,可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。近年來,有源電力濾波器作為提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)得到廣泛的重視并取得了很大發(fā)展。本文根據(jù)對實(shí)際裝置的研制經(jīng)驗(yàn),詳細(xì)討論了直流側(cè)電壓的相關(guān)問題。第二章有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制有源電力濾波器的作用是使電源側(cè)電流與電源電壓同相并保持或接近正弦波形.在穩(wěn)態(tài)情況下,對于一個無損耗的有源電力濾波系統(tǒng),電源提供的功率必須等于負(fù)載消耗的功率,因此,變流器直流電容的平均電壓將保持為一定值.當(dāng)功率不平衡時,如負(fù)載發(fā)生變化,變流器的直流電容將提供電源與負(fù)載間的功率差,這將導(dǎo)致直流電容的平均電壓發(fā)生變化.如果系統(tǒng)電源提供的功率低于負(fù)載需要的功率。那么直流電容的平均電壓將降低,此時就需要提高系統(tǒng)電流的幅值以增加系統(tǒng)電源提供的有功功率;反之,直流電容的平均電壓將升高,此時,需要減小系統(tǒng)電流的幅值以降低系統(tǒng)提供的功率.直流側(cè)電容的平均電壓的變化能夠反映出主電路與負(fù)載間功率的轉(zhuǎn)換情況.因此,期望的電源側(cè)電流幅值可以通過調(diào)整直流側(cè)電容電壓獲得.器傳輸?shù)乃矔r有功功率為Pf,則在電源、負(fù)載和有源電力濾波器的公共交點(diǎn)處,電網(wǎng)中瞬時能量的傳輸關(guān)系應(yīng)滿足:因此,它們的平均值Ps、Pl和Pf之間應(yīng)滿足同樣的關(guān)系,即:如果忽略有源電力濾波器本身的損耗,則根據(jù)瞬時能量守恒,可得如下關(guān)系:式中,C為直流側(cè)電容,Udc為直流側(cè)電容電壓.由式(3)可計算出有源電力濾波器傳輸?shù)乃矔r有功功率的平均值Pf,即式中,T代表一個開關(guān)周期,Udc(0)、Udc(T)分別是t=0和t=T時的直流側(cè)電容電壓,!Udc2是t=T與t=0時的直流側(cè)電容電壓的平方差.綜合式(2)和式(4),有又因?yàn)殡娫磦?cè)的平均功率為:式中,Us、Is分別是系統(tǒng)電源側(cè)電壓、電流的幅值.因此,綜合式(5)和式(6),得到Is和!Udc2的關(guān)系式:式(8)表明,如果Is不等于2Pl/Us,則直流側(cè)電容電壓將會有波動;式(7)指出,Is可以由直流側(cè)電容電壓Udc的變化量!Udc確定.為使有源電力濾波器正常工作,達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償效果,直流側(cè)必須有足夠高的電容電壓Udc并保持穩(wěn)定,以保證在動態(tài)補(bǔ)償?shù)娜魏嗡查g都能根據(jù)控制要求輸出所需的補(bǔ)償電流;但由于補(bǔ)償電流的時變性和變流器的自身損耗,如不采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧?直流側(cè)電容電壓Udc將發(fā)生衰減或很大的波動,造成變流器不能正常運(yùn)行.根據(jù)式(7)和式(8),可采用PI控制器將直流側(cè)電容電壓維持在要求的水平,具體做法是將電容電壓Udc與設(shè)定的電壓參考值Uref進(jìn)行比較,并將比較結(jié)果送入PI控制器,PI控制器的輸出就是電源側(cè)電流期望的幅值Is,也即負(fù)載側(cè)電流基波有功分量的幅值。第三章三相四線有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法針對傳統(tǒng)直流側(cè)電壓控制方法存在超調(diào)量和靜差較大的問題，提出了模糊PI控制方法，該方法根據(jù)直流側(cè)電壓的變化情況，采用模糊控制規(guī)則對PI控制參數(shù)的初始值進(jìn)行自動調(diào)整，使其在任意時刻都能采用最適合的PI控制參數(shù)。與傳統(tǒng)直流側(cè)電壓控制方法相比較，該控制方法具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、靜差較小的特點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性。有源電力濾波器(APF)是一種新型的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娮友b置。它由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路及主電路4部分組成，其中直流側(cè)電容用于為逆變器主電路提供穩(wěn)定的直流電壓。若直流側(cè)電容電壓不能保持穩(wěn)定，則脈寬調(diào)制(<PWM)驅(qū)動電路無法產(chǎn)生正確的開關(guān)信號，諧波補(bǔ)償效果勢必受到影響。若直流側(cè)電壓波動較大，就可能出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償，其中欠補(bǔ)償使得補(bǔ)償?shù)木冉档?，過補(bǔ)償使得APF的干擾性諧波電流增加。因此，對直流側(cè)電容電壓進(jìn)行控制，使其保持穩(wěn)定，對于APF的補(bǔ)償效果具有重要意義。影響直流側(cè)電容電壓的因素主要是:首先，逆變器工作時會產(chǎn)生能量損耗引起直流側(cè)電壓降低;其次，三相四線制系統(tǒng)中的負(fù)序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生的能量脈動也可使直流電壓波動;如果系統(tǒng)中存在不同次的諧波電壓和諧波電流，它們的相互作用將與電容產(chǎn)生能量交換，從而使得直流側(cè)電壓發(fā)生波動;此外，由于三相四線制系統(tǒng)存在中線以及中線電流，直流側(cè)電壓的波動對中線電流也有影響，因此，直流側(cè)電壓的控制顯得更為重要。第一節(jié)直流側(cè)電壓控制的基本原理通常采用的直流側(cè)電壓控制的基本原理是:根據(jù)直流側(cè)電容電壓的實(shí)際測量值Ud。與基準(zhǔn)值Uset之差，通過一種電壓控制方法得到調(diào)節(jié)結(jié)果IP，將此調(diào)節(jié)結(jié)果疊加到瞬時有功電流的直流分量上，補(bǔ)償電流生成電路產(chǎn)生與其相應(yīng)的補(bǔ)償電流1,進(jìn)人系統(tǒng)，使得API'的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使APF的直流側(cè)與交流側(cè)產(chǎn)生能量交換，將Ua}調(diào)節(jié)到基準(zhǔn)值。根據(jù)直流側(cè)電壓控制的基本原理，在三相四線制系統(tǒng)中可以采用簡單的PI控制方法來實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電容電壓的控制，它與三相三線制系統(tǒng)中直流側(cè)電壓控制的PI控制方法并無區(qū)別。簡單PI控制能對直流側(cè)電壓起到有效的控制作用，但其缺點(diǎn)是導(dǎo)致被控系統(tǒng)呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，具有較大的超調(diào)量和靜差，響應(yīng)速度也較慢;同時，PI控制參數(shù)選擇困難且適應(yīng)的區(qū)域較小。針對簡單PI控制的缺點(diǎn)，提出了一種———能量PI控制，即利用APF直流側(cè)電容的能量偏差作為電壓控制的輸人量。式中:C為逆變器直流側(cè)電容值;。為系統(tǒng)接人點(diǎn)基波電壓合成矢量的幅值;，為直流側(cè)電容器的充電時間。其控制方法原理如圖3-3能量PI控制方法實(shí)質(zhì)上是將原來非線性較強(qiáng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行線性化，減少了被控系統(tǒng)非線性因素的影響;同時，這種方法可以按照需要整定PI控制器的參數(shù)，擴(kuò)大了PI控制對于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的適應(yīng)范圍。隨后的仿真也表明，在三相四線制系。第二節(jié)模糊H控制原理模糊控制方法用于被控過程沒有數(shù)學(xué)模型或很難建立數(shù)學(xué)模型的工業(yè)過程。模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。模糊PI控制是一種基于模糊理論的PI控制方法，它的基本原理是根據(jù)直流側(cè)電容電壓的實(shí)時變化情況，采用模糊控制器來對PI控制參數(shù)的初始值進(jìn)行自動調(diào)整，使其在任意時刻都能采用最適合的PI控制參數(shù)，能有效地提高直流側(cè)電容電壓的控制效果。第三節(jié)模糊H控制的實(shí)現(xiàn)利用MATLAB的模糊控制工具箱(fuzzylogictoolbox)即可實(shí)現(xiàn)模糊PI控制首先，選定模糊輸人量和輸出量。本文所設(shè)計的模糊控制器采用兩輸人兩輸出系統(tǒng)，兩輸人分別是電容電壓與參考電壓的差值及其變化量△Ud。和，兩輸出分別是PI控制的兩個參數(shù)K和KI的修正值△KP和△KI。輸人量和輸出量的模糊取值{NB，NM，NS，ZR，PS，PM，PB}，其中NB為最大負(fù)值NM為中間負(fù)值，NS為最小負(fù)值，ZR為零,PB為最大正值,PM為正中間值PS為最小正值。其次，確定模糊控制規(guī)則。根據(jù)PI控制參數(shù)KP和KI對系統(tǒng)輸出特性的影響，制定合理的△KP和△KI的模糊控制規(guī)最后，確定模糊推理和去模糊化的方法。本文的模糊推理方法采用最大一最小法，即總條件的滿足度由子條件的隸屬函數(shù)的最小值求出，而總的模糊關(guān)系是各模糊關(guān)系的累加;去模糊化方法采用面積重心法得到模糊控制器的兩個輸出量。模糊控制的兩個輸出量△KP和△KI分別對PI控制參數(shù)KP和KI，的初始值進(jìn)行調(diào)整，即實(shí)現(xiàn)了模糊PI控制對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制的目的。第四章注入式有源電力濾波器直流側(cè)電壓的剖析針對現(xiàn)在有源電力濾波器應(yīng)用要求,提出了一種新型的注入式混合有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這種新型有源電力濾波器能補(bǔ)償一定的無功,注入電路采用基波諧振的方法大大降低了有源濾波器的容量,使其適用于高壓系統(tǒng)中。在分析系統(tǒng)的濾波原理的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在考慮系統(tǒng)參數(shù)的選擇上,分析了系統(tǒng)的動態(tài)過程,建立了電網(wǎng)電壓與有源濾波器直流側(cè)電壓微分方程的關(guān)系。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)模型與參數(shù)選擇的有效性。隨著有源電力濾波器的應(yīng)用越來越廣泛,有源濾波器的容量要求也越來越大,而且還要適應(yīng)在高壓系統(tǒng)中應(yīng)用,大功率混合型有源電力濾波器]的新型結(jié)構(gòu)在主電路結(jié)構(gòu)上采用了新穎的注入方式,APF仍起諧波補(bǔ)償?shù)哪康?PF分擔(dān)大部分諧波和無功補(bǔ)償,最大限度地減少了有源濾波器的容量。而且注入支路中基波諧振電路使有源濾波器APF承擔(dān)極小的基波電壓,即使在6~10kV系統(tǒng)中,有源濾波器承擔(dān)的基波電壓也在100V以下。雖然大功率混合型有源電力濾波器能夠在高壓系統(tǒng)中使用,由于高壓系統(tǒng)電壓高,其稍有變化,對于有源濾波器的直流側(cè)電壓的影響都是非常大的,因此本文分析了電網(wǎng)電壓對有源濾波器直流側(cè)電壓影響的機(jī)理。第一節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電網(wǎng)電壓對混合型有源濾波器的影響。這種結(jié)構(gòu)主要是讓C2和L2構(gòu)成基波諧振,C3承擔(dān)電網(wǎng)電壓,這樣就減小了有源濾波器承擔(dān)的基波電壓和電流。系統(tǒng)注入支路中,由于C2和L2構(gòu)成基波諧振,C3就相當(dāng)于補(bǔ)償無功的電容器[5-6],因此系統(tǒng)補(bǔ)償無功的容量也是由C3確定的。第二節(jié)系統(tǒng)分析系統(tǒng)單相電路如圖3-7所示。L0是輸出濾波阻抗在變壓器副邊的等效值,Us是電網(wǎng)電壓,IL是將非線性負(fù)載等效的電流源。U0是在變壓器副邊等效的逆變器輸出電壓,I0是逆變器輸出到電網(wǎng)的諧波電流。根據(jù)電路圖可以得到系統(tǒng)控制模型Uo作為控制量,系統(tǒng)傳遞函數(shù)為因此在選擇C2、L2和C3時,要考慮系統(tǒng)輸出的要求,根據(jù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以得到系統(tǒng)幅頻特性和相頻特性,來調(diào)整C2、L2和C3的取值。第三節(jié)電網(wǎng)電壓對系統(tǒng)的影響本文考慮三相對稱電源,因此只分析單相電路。因?yàn)镃2和L2構(gòu)成基波諧振電路,R為電感L2的內(nèi)阻,因?yàn)橛性床糠值腃1,L1以及逆變器對變壓器電網(wǎng)側(cè)分壓基本沒影響,本文不予考慮。當(dāng)電壓閃變時,相當(dāng)于系統(tǒng)的零狀態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)電壓方程為:式(4)兩邊求導(dǎo),并將式(5)(6)(7)代入其中可以得到:系統(tǒng)是一個二階系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)方程可以得微分方程的特征方程:由于L2和C2構(gòu)成基波諧振電路,所以:式中ω0為基波的角頻率。根據(jù)一般工程應(yīng)用可知:電感的內(nèi)阻R很小,可以得到:4L2-R2C2=4-(Rω0C2)2ω20C2>0即:Δ<0設(shè)δ=R2L2,ω2=1L2C2+1L2C3-(R2L2)2因此可以解得:根據(jù)上述公式可知,基波諧振支路的分壓是一個衰減振蕩過程,對于電力開關(guān)元件IGBT來說,由于續(xù)流二極管的原因,相當(dāng)于向直流側(cè)電容充電。由此可知,C3越大,電網(wǎng)電壓反饋到逆變器導(dǎo)致直流電容的電壓越大,因此在選擇C3上,特別是在高壓系統(tǒng)中,要考慮到逆變器開關(guān)器件所承受的電壓,以免由于電壓的閃變導(dǎo)致逆變器的過壓而損壞開關(guān)器件。第五章混合型有源濾波器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制分析了一種并聯(lián)混合型有源濾波器系統(tǒng)中直流側(cè)電壓波動的原因，針對直流側(cè)電壓的波動對系統(tǒng)性能影響，提出了采用模糊一Pl控制器來保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定以提高系統(tǒng)整體性能的方法，并給出了具體獲得系統(tǒng)參考信號的實(shí)現(xiàn)方法。這種控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定的方法有較強(qiáng)的處理非線性和不確定性過程的能力，且算法簡單，不需要增加復(fù)雜硬件，是一種經(jīng)濟(jì)的解決措施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。有源電力濾波器的工作性能，很大程度上取決于對諧波電流以及基波無功電流的高精度、實(shí)時的檢測。基于瞬時無功功率理論的，算法可以檢測電網(wǎng)中的負(fù)序和諧波電流、基波正序有功電流、基波正序無功電流，以及廣義無功電流，且準(zhǔn)確性不受電網(wǎng)電壓畸變或不對稱的影響，所以本系統(tǒng)采用。算法對補(bǔ)償電流進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)框圖。正余弦函數(shù)Sinwt、cos采用鎖相環(huán)加正余弦函數(shù)發(fā)生器的方法，從而自動實(shí)時跟蹤電網(wǎng)頻率，根據(jù)定義計算出和后，經(jīng)低通濾波器得到直流分量，其中幾對應(yīng)于基波正序有功電流，對其進(jìn)行反變換后所得再與電網(wǎng)電流信號相減便得到電網(wǎng)中的諧波其中，低通濾波器應(yīng)保證對直流分量的增益為并盡可能地衰減交流分量，此外，為了不使低通濾波算法過于復(fù)雜，LPF的維數(shù)不應(yīng)太高，系統(tǒng)選用維數(shù)不需太高即可滿足指標(biāo)的nR濾波器。第一節(jié)直流側(cè)電壓波動原因及其穩(wěn)定控制方法直流側(cè)電壓常因以下原因出現(xiàn)大幅度波動:①濾波器和電網(wǎng)之間大容量的無功交換;②負(fù)序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生能量脈動，使得直流電壓波動;③逆變器開關(guān)損耗引起直流側(cè)電壓降低。直流側(cè)電壓的波動將會引起逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流的變化，從而影響濾波器的補(bǔ)償性能。模糊控制器的作用是通過計算機(jī)，根據(jù)精確量轉(zhuǎn)化而來的模糊作為輸人信息，按照語言控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，給出模糊輸出判決，再將其轉(zhuǎn)化為精確量，對受控對象進(jìn)行控制。其算法簡單，且不必知道受控對象的精確數(shù)學(xué)模型，具有較好的動態(tài)性能。針對并聯(lián)型混合有源濾波器直流側(cè)電壓波動產(chǎn)生的原因，采用模糊一Pl控制方法，通過算法檢測濾波器支路的基波電流，使有源濾波器產(chǎn)生與基波電流方向相同或相反的基波電壓，控制有源濾波器從電網(wǎng)吸收或向電網(wǎng)釋放有功功率，從而達(dá)到控制直流側(cè)電壓穩(wěn)定的作用。有源濾波器產(chǎn)生基波電壓的大小通過直流側(cè)電容電壓的實(shí)際值偏離設(shè)定值誤差的大小決定。采用模糊一Pl控制器結(jié)合電流源諧波電流跟蹤控制算法獲得系統(tǒng)參考信號的控制原理。為給定直流側(cè)電壓為實(shí)際電容電壓為直流側(cè)電壓的脈動值為電網(wǎng)中諧波電流為濾波器支路的電流為濾波器支路的基波電流。綜合電網(wǎng)殘余諧波電流和電網(wǎng)背景諧波電壓的補(bǔ)償，以及直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制，有源濾波器的控制參考信號為根據(jù)兩端口網(wǎng)絡(luò)的能量守恒定律，忽略逆變橋的開關(guān)損耗，它從交流側(cè)吸收或釋放的能量應(yīng)等于它向直流側(cè)電容充電或放電的能量，則應(yīng)有:式中:分別為逆變器交流側(cè)和直流側(cè)的功率為有源部分藕合變壓器的變比為三相濾波器支路基波電流的有效值;化簡式3當(dāng)瞬時實(shí)際電流鑒其均方根值時，在Ts內(nèi)將電容電壓提高或降低時，三相逆變器產(chǎn)生大小不同的基波電壓，需有不同的凡值，采用模糊控制算法通過模糊推理來確定當(dāng)前采樣周期的凡值，取為模糊輸人。采用上述方法實(shí)現(xiàn)凡的在線自適應(yīng)調(diào)整，有利于直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制，可避免電容電壓的超調(diào)現(xiàn)象。第二節(jié)仿真研究及實(shí)驗(yàn)結(jié)果研制了一套并聯(lián)型混合有源濾波器實(shí)驗(yàn)裝置，直流側(cè)電壓波形如圖3-12所示。無源濾波器的設(shè)計同時兼顧單次諧波消除和無功補(bǔ)償兩個方面，逆變。強(qiáng)電與弱電分離，將電源電路和放大電路分為兩塊印制版制作，以避免強(qiáng)電信號對弱電信號的干擾;另外，采用屏蔽技術(shù)，利用金屬材料制成容器，將電路包在其中，這樣可以防止電場或磁場的藕合干擾。軟件方面采用去極值平均濾波川，連續(xù)采樣n次后累加求和，同時找出其中的最大值和最小值，再從累加和中減去最大值和最小值，按(n一2)個采樣值求平均，可得到有效采樣值，我們在設(shè)計時n取13，先排序，剔除首值與尾值，再求平均。此外，設(shè)計時使用了指令冗余和軟件陷阱技術(shù)。第四篇系統(tǒng)的建模與仿真第一章引言隨著電子計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，仿真技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。仿真計算軟件己成為電力科研工作者進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，設(shè)計確定運(yùn)行方式，進(jìn)行事故分析，開發(fā)保護(hù)和自動裝置等工作的重要工具。應(yīng)用MATLAB語言，特別是Simulink模塊，簡化了設(shè)計過程及步驟，使進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)仿真變得簡單易行。在本章中，我們將采用第二章介紹的基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測技術(shù)，以及第三章介紹的基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，對在第四章中我們設(shè)計的有源電力濾波器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)模型圖4-1系統(tǒng)模型系統(tǒng)仿真模型如圖4-1所示，它是由電源、等效的電源阻抗、負(fù)載、APF模塊、控制模塊以及數(shù)據(jù)采樣模塊組成。其中APF模塊模型如圖4-2所示，它是由IGBT逆變器模塊、直流側(cè)穩(wěn)壓電容、連接電抗器、輸出濾波器、耦合變壓器、電流檢測單元等組成。系統(tǒng)的工作原理在前面幾章中已經(jīng)詳細(xì)介紹過，在此就不再贅述。圖4-2APF模塊各部分參數(shù)我們采用第四章中設(shè)計的參數(shù)：電源三相對稱交流線電壓為6KV，頻率為50Hz，電源阻抗等效為0.516mH主電路直流側(cè)穩(wěn)壓電容在確定了有源電力濾波器的補(bǔ)償方式和補(bǔ)償范圍后，也就確定了的變化范圍，以及允許的波動范圍，按此原則即可確定電容器的電容量為：=3200有源電力濾波器主電路交流側(cè)連接電抗器適當(dāng)?shù)倪x擇電感L的值，可以減少由于IGBT開關(guān)動作引起的高頻分量電流，選擇電感值為：L=0.4mH耦合變壓器耦合變壓器的變比為6KV/900V,容量為400KVA。逆變器輸出濾波器(a)電容：5μf，容量84kvar；電感：1.2mH，容量70kvar(b)電容：50μf，容量18kvar；電阻：5.67第三章控制系統(tǒng)模塊圖4-3控制系統(tǒng)模塊控制系統(tǒng)模塊是由諧波電流檢測、直流側(cè)電壓控制、電流跟蹤控制等模塊組成。其工作原理如圖4-3所示。諧波電流檢測我們采用第二章中介紹的基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法；電流跟蹤控制技術(shù)我們采用第三章中提出的基于滑模變結(jié)構(gòu)的電流跟蹤控制方法；有源電力濾波器的控制問題中還有一個很重要的部分，就是要保持直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定，下面對該問題進(jìn)行研究。第一節(jié)直流側(cè)電壓控制模塊對于并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)而言，電網(wǎng)主要給負(fù)載提供能量，同時提供一小部分能量給逆變器以補(bǔ)償其能量的消耗。其能量流動的關(guān)系反映在各部分的有功功率上，如圖4-4所示：圖4-4并聯(lián)型有源電力濾波器的能量流動分配圖系統(tǒng)正常工作必須保證等于與之和。當(dāng)負(fù)載一定，若過大，逆變器吸收的能量超過其自身消耗的能量，則剩余的能量只能存儲于直流電容器，這將導(dǎo)致逆變器直流側(cè)電容電壓升高，若電容電壓過高則有可能毀壞系統(tǒng)；若過小，逆變器吸收的能量小于其自身消耗的能量，則不足的能量由直流電容器提供，將導(dǎo)致電容電壓下降，逆變器無法正常工作。為了保證主電路有良好的補(bǔ)償電流跟隨特性，直流側(cè)電壓必須大于電網(wǎng)線電壓峰值，方能實(shí)現(xiàn)電流可控，因此必須將變流器直流側(cè)電容的電壓控制為一個適當(dāng)?shù)闹怠D4-5直流側(cè)電壓的PI控制原理直流側(cè)電容電壓控制采用傳統(tǒng)的PI控制方法，如圖4-5所示，是的給定值，是實(shí)測值，兩者之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到調(diào)解信號，即=PI控制器各環(huán)節(jié)的控制作用如下:(1)比例環(huán)節(jié)：為比例系數(shù)，它決定了響應(yīng)力度，成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差信號一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制信號，以減少偏差；(2)積分環(huán)節(jié)：為積分系數(shù)，它決定了消除殘留誤差的能力。主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分控制作用的強(qiáng)弱，決定于積分時間常數(shù)，越大積分作用越強(qiáng)，反之積分作用越弱。將疊加到瞬時有功電流的直流分量上，這樣經(jīng)運(yùn)算在指令信號中就包含了一定的基波有功電流。補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流信號產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將直流側(cè)電壓調(diào)至給定值。仿真模型如下圖所示：圖4-6直流側(cè)電壓控制仿真模型Loaduc為實(shí)測的直流側(cè)電容電壓，它與給定值1800比較，然后經(jīng)過PI調(diào)解后，得到一個調(diào)解電流Loadui，此電流與電流檢測模塊測得的電流一起進(jìn)入諧波電流檢測模塊，疊加到瞬時有功電流的直流分量上。第二節(jié)諧波電流檢測模塊圖4-7諧波電流檢測模塊與前面圖的仿真模塊稍有不同，的仿真模型中，采用了一個理想的直流電源來代替在直流側(cè)電容，因此圖中沒有對直流側(cè)的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。而我們現(xiàn)在采用的實(shí)際的仿真模型中，直流側(cè)是用一個電容來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的，正如節(jié)中所講述的，需要對這個電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么這里諧波電流檢模塊就有4個輸入：a、b、c相的負(fù)載電流信號LoadAC、LoadBC、LoadCC，還有一個信號就是直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)電流信號Loadui。此電流將疊加到瞬時有功電流的直流分量。第三節(jié)電流跟蹤控制模塊電流跟蹤控制我們采用了第三章介紹的基于滑模變結(jié)構(gòu)的控制方法，模塊的仿真模型如圖3-9所示，因?yàn)槲覀儾捎玫牡鸟詈献儔浩髯儽葹?KV/900V，所以我們需要把逆變器實(shí)際輸出的電流折算到負(fù)載側(cè)，因此要把逆變器輸出電流ControlledAC、ControlledBC、ControlledBC乘以一個折算系數(shù)0.15，然后再與電流檢測單元計算出的諧波電流進(jìn)行比較。采用滑模變結(jié)構(gòu)控制的原理，在第三中已經(jīng)詳細(xì)介紹，在此不再贅述。第四章仿真結(jié)果采用PI控制器進(jìn)行電壓控制仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)時三相整流橋直流側(cè)接阻感性負(fù)載,在0.03s和0.14s,直流側(cè)負(fù)載發(fā)生變化.圖2給出了變流器直流側(cè)電容電壓調(diào)整的仿真結(jié)果.當(dāng)負(fù)載減小時,負(fù)載所需的有功功率減少,電源提供的多余有功功率由變流器直流側(cè)電容吸收,因此直側(cè)電容的平均電壓升高.此時,電源側(cè)電流的幅值將降低,電源提供的有功功率也將減少.第一節(jié)直流側(cè)電容電壓仿真結(jié)果仿真結(jié)果圖4-8直流側(cè)電容電壓波形圖4-9直流側(cè)電容電壓與給定值比較后的值從圖4-8可以看出直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定在1800V，而從圖4-9可以看出直流側(cè)電容電壓與給定值比較后的值穩(wěn)定在0V，直流側(cè)電壓的穩(wěn)定效果良好圖4-10APF輸出電流波形圖4-11負(fù)載電流波形圖圖4-12濾波后電源電流波形圖4-13負(fù)載側(cè)電流波形的FFT分析圖4-14濾波后電源電流波形的FFT分析經(jīng)過PI控制器一段時間的調(diào)整,變流器直流側(cè)電容電壓恢復(fù)并保持在參考電壓值,電源側(cè)電流也穩(wěn)定在指定值,說明電源提供的有功功率與負(fù)載需求的有功功率趨于一致.當(dāng)負(fù)載增加時,直流側(cè)電容提供負(fù)載額外需要的有功功率,直流側(cè)電容電壓降低,經(jīng)過一段時間調(diào)整,又恢復(fù)并穩(wěn)定在參考電壓值。仿真結(jié)果表明