相三线制并联型有源电力滤波器的设计与研究.pdf

相三线制并联型有源电力滤波器的设计与研究-作者:_ -日期:_ 湘潭大学 电力电子课程设计报告 题目：三相并联型有源电力滤波器的设计 学 院：信息工程学院 班 级：11 级自动化二班 姓 名：王丹妮 学 号：20 指导教师：陈才学 完成日期：2014 年 07 月 02 日 摘 要 随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非线性和时性电子装置大规模地应用，造成电能质量恶化。电力有源滤波器以其优越的补偿性能，已成为电力电子技术领域的研究热点之一。而其中并联型有源电力滤波器过去和将来都将占据重要地位。有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制。实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提。为了验证所提出的检测方法和控制方法的正确性，本论文用MATLAB2010b/SIMULNIK进行了仿真研究。仿真结果表明本文所设计的滤波器可以很好的滤除谐波，完成抑制谐波的作用。关键词:有源电力滤波器;谐波与无功电流检测:补偿电流控制;三角波比较和滞环控制；仿真 第一章 谐波概述 1.1 谐波产生的原因：电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生。当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。系统中的主要谐波源可分为两大类:含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。1.2 谐波对电网的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对电力系统的环境造成污染，影响系统的电气环境。谐波污染对电力设备的危害是严重的，近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，谐波危害加重。综合来说，谐波对电网及其它系统的影响大致有以下几种：1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的 3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。3)谐波可引起电力系统局部并联或串联谐振，使谐波含量放大，这会使上述两种危害大大增加，甚至引起严重事故。4)谐波还会使继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱 5)谐波容易对通信设备和电子设备产生严重干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由此可以看出，谐波的滤除迫在眉睫。而谐波的抑制方法有两种：传统抑制谐波和有源电力滤波。本文主要研究有源电力滤波，且以三相三线并联型有源电力滤波作为典例分析。第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构 2.1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器根据其与电网连接的方式不同，分为并联型和串联型两种，并联型滤波器在实际中应用较广。由于本文采用的是并联型有源滤波器，下面就以并联型有源滤波器为例，介绍其工作原理。图2.1为最基本的并联型有源电力滤波器系统结构图。从结构上来看，有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成)。其中指令电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电路产生补偿电流，并注入到电网中，以达到消除谐波和无功电流的目的。il 电源 图 2.1有源电力滤波器原理框图 其中如图 2.1 所示，电源电流 is由负载电流 il和有源滤波器的输出电流ci共同组成。负载电流1i又可分解为基波分量fi1和谐波分量hi1之和。而基波分量又可分为基波有功分量fpi1和基波无功分量fqi1之和。这样负载电流可表示为基波有功分量fpi1、基波无功分量fqi1和谐波分量hi1之和。如果控制有源滤波器的输出电流ci和谐波分量hi1相等，那么电源电流中就只剩下基波电流了，这样就达到了抑制谐波的目的。上述原理可以用一组公式来表示：fcshchfqfpfqfpfhfcsiiiiiiiiiiiiiiiiiii11111111111111 （2.1）:非线性 指令电流 PWM 控 PWM 逆变器 驱动 ic ud is APF 简言之，通过检测补偿对象的电流，经指令电流运算，电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号补偿电流发生电路的放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流、谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿谐波电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性分量即可，使得补偿电流与负载电流中的谐波及无功分量相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。公式表达如下:fqhciii11(）fpcsiiii11 （2.2）2.2 有源电力滤波器的基本结构 有源电力滤波器由谐波检测环节、控制系统、主电路几个主要的部分构成。有源电力滤波器对包含谐波和无功分量的电网进行“矫正”的方式类似于自适应滤波技术中的“干扰抵消器”，因此，有源电力滤波器有很快的响应速度，对变化的任意次谐波和无功功率，都能实施动态补偿，并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。2.2.1谐波检测环节 谐波检测是有源电力滤波器非常关键的一环，对于谐波的快速检测方法我们将在下一章进行具体讨论，这里主要介绍检测环节的构成及设计中 的关键问题。图 2.2 是谐波检测环节的原理框图。图 2.2 APF谐波检测结构框图 2.2.2 控制系统 有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。APF 的控制系统主要由模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。APF 控制系统一般由控制算法和触发脉冲产生两个部分组成，如图 2.3 所示。其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，并与APF 产生的谐波比较，根据其差值采用一定的控制方法，产生适当的驱动脉冲信号给触发脉冲发生部分。由于微处理器的能力很强，能够完成 APF 所需要的谐波检测，并产生所需补偿的参考谐波信号，而如果采用模拟电路则非常繁琐，算法与参数的调整也很不方便，因此 APF 这一部分一般采用微处理器预处预处采样保 持 A/D 转换 微处 CT PT 来实现。图 2.3 有源电力滤波器的控制系统 图 2.4 为 APF中经常采用的一种数字模拟混合控制系器的模拟部分。其中参考电流信号有微处理器通过 D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。图 2.4 APF中的模拟控制部分 2.2.3 主电路 由于本文主要是研究基于电压源变流器的主电路结构。按照电力系统应用需要一般可以分为三相三线制结构和三相四线制结构两种.图 2.5所示的电压型APF直流侧接有大电容，正常工作时其电压基本不变，可看作电压源，但为保持直流侧电压不变，需对该电压进行控制，电压型 APF交流侧输出电压为PWM 方波。三角波 PI-+PWM 驱动信号 ic icr-ic 开关器件 控制算法触发脉冲 变流器 比较器+图 2.5 三相三线结构电压型 APF 2.3 三相并联型电压型有源电力滤波器的基本原理 并联型有源电力滤波器的系统框图如图 2.6 所示(电感、电容等电路元件均包含在主电路中),其工作原理为:指令电流运算电路在检测到负载电流后,通过运算把负载电流信号中的谐波电流、无功电流及负序电流和零序电流检测出来,然后把这些电流信号转换成相应的变流器触发信号,再通过电流跟踪控制电路形成触发脉冲去驱动变流器,使变流器产生的电流为上述电流之和,极性相反,再回注入电网,则电网中的谐波电流、无功电流、负序电流和零序电流被抵消为零,只剩下基波有功正序电流。图 2.6 并联型 APF 的系统框图 其中 APF的补偿电流是由主电路中的直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中6 组开关器件的通断组合所决定的，特定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式。通常，同一组的上下两组开关总有其中的一个器件是导通的。假设三相电压之和电源 非线性负指令电流源算电路 电流跟踪控制电路 主电路 驱动电路 0cbaeee，并且由本文所设计的电路可得0cccbcaiii可得下述微分方程：ccccccbbcbcaacaUkedtdiLUkedtdiLUkedtdiL （3.3）式中caUk、cbUk、ccUk为主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压;aK、bK、cK为刀开关系数，aK+bK+cK=0，aK、bK、cK的值与主电路工作模式之间的关系如表 21所示。工作模式序号 工作模式 开关系数 1V 3V 5V 4V 6V 2V aK bK cK 1 通 通 通-2/3 1/3 1/3 2 通 通 通 1/3-2/3 1/3 3 通 通 通-1/3-1/3 2/3 4 通 通 通 1/3-2/3 1/3 5 通 通 通 -1/3 2/3-1/3 6 通 通 通 2/3-1/3-1/3 表 31主电路开关模式与开关系数 由基尔霍夫定理可得：ccciii*（3.4）其中*ci-指令电流;ci-并联型 APF产生的实际补偿电流。有源电力滤波器主电路中开关器件的通断，是由采样时刻ci和*ci的极性决定的。以 A相为例，应该使 Ka0当cai0时，而cai 0时，应该使 Ka0，从而使得ci减小，达到补偿电流cai跟随指令电流*ci变化的目的。因为cai十cbi+cci=0，所以cai、cbi、cci中绝对值最大的一个总是与其他两个方向相反。前者所对应的开关系数不是2/3就是-2/3。相反地，后者所对应的开关系数不是 1/3 就是-1/3。这说明跟随偏差最大的一相所受的控制作用最强，这样各项之间偏差的不平衡总呈现出减弱的趋势。第三章 三相并联电压型有源电力滤波器的设计 3.1 谐波检测系统 迄今为止，己有多种谐波检测方法被提出。如:基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法、基于 FFT的谐波电流检测方法、基于pi-qi变换的谐波检测方法、基于同步检测法的谐波检测方法以及基于人工神经元网络的谐波检测方法等。下面对常用谐波检测方法特点进行分析，并介绍本文所采用的谐波检测方法。3.1.1 基于 FFT的谐波检测方法 为了快速检测电流波形中的谐波，人们已经发展了很多方法，如基于傅立叶分析的方法来检测谐波和无功电流。该方法及其衍生的方法是建立在快速傅立叶分析(FFT)的基础上，此方法要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大误差。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行 FFT 分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，再进行 FFT反变换，合成出总的谐波和无功电流。3.1.2 于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法 p-q理论是以瞬时实功率 p 和瞬时虚功率 q 的定义为基础，此后经不断的研究逐渐得到了完善。基于瞬时无功功率理论的检测法现已包括法pi-qi法和 d-q。p-q 法应用最早。适用于三相对称且无畸变的公用电网;基于同步旋转 park变换的 d-q法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。假设三相电路中的电压和电流瞬时值分别为au、bu、cu和ai、bi、ci。采 用c变换矩阵，将它们变换到-两相正交坐标上有:令 232123210132C (3.1)则三相电流、电压信号可以变换为-坐标系中的相量，即 cbaiiiiic(3.2)，cbauuuuuc(3.3)euuuu 图 3.1 坐标系中的电压和电流矢量 在图 3.1 中的坐标系中，将u、u与i、i分别合成为电压矢量 u 和电流矢量 i,如式 3.4：（3.4）式中，u、i 别为矢量u、i的幅值；e、i 分别为矢量u、i的相角。三相电路瞬时有功电流pi和瞬时无功电流qi，分别为矢量i在矢量u及其法线上的投影。即 sincosiiiiqp (3.5)式中，为相量i和相量u之间的夹角，=e-i 三相电路瞬时有功功率p(或瞬时无功功率q)为电压相量u的模与三相电路瞬时有功电流pi(或三相电路瞬时无功电流qi)的乘积，即:eiiii qpeiqeip (3.6)将式 3.4、3.5 以及=e-i代入 3.6，可得以下矩阵表达式：iiiiuuuuqpcpq （3.7）其中 uuuucpq 将 3.1、3.2、3.3 代入 3.7 可得：p、q 对于三相电流的表达式:abaabcacbccbbaaieeieeieeqiuiuiup)_()()(31 （3.8）由 3.8 可知，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。基于瞬时无功功率理论的检测法，在检测无功电流时，可以无延时地检测出结果;而在检测谐波电流时，由于被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但最多不超过一个周期。对于电网中最典型的谐波源，如三相桥式整流器，其检测延时约为 1/6 周期，具有很好的实时性。3.1.3 p-q 检测法 p-q 检测法根据定义计算出 p、q，再经低通滤波器得到 p、q 的直流分量p、q。由于当电网电压无畸变时，p为基波有功电流与电压作用产生,q互为基波无功电流与电压作用产生，故通过 p、q 的直流分量p、q便可以检测出电流ai、bi、ci的基波分量与afi、bfi与cfi:qpeqpiiiccccpqpqTcfbfaf211 （3.9）最后将ai、bi、ci与afi、bfi与cfi相减，便得到ai、bi、ci的谐波分量ahi、bhi、chi。如图3.1所示。当 APF同时用于补偿谐波和无功功率时，就需要同时检测出谐波和无功电流。在这种情况，只需断开图 4.3中计算q 的通道即可。这是，由 p 的直流分量即开检测出基波的有功分量apfif、bpfi、cpfi为：图 3.3 p、q 运算方式的原理图(LPF:低通滤波器)01piiiccpqcpfbpfapf (3.10)将ai、bi、ci与apfif、bpfi、cpfi相减，即可得出ai、bi、ci的谐波分量ahi、bhi、chi和基波无功分量之和。当电网电压有畸变时，采用 p-q算法会使得计算所得到的谐波电流与实际的谐波电流之间存在差别。3.1.4 ip-iq 电流检测法 根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式为：iiwtwtwtwtiiqpsincoscossin =cbacbaiiiiiiwtwtwtwtcc32232302121132sincoscossin（3.11）其中 ttttcsincoscossin 由上式可得出电流检测法原理如图 4.4 所示：图 3.4 pi-qi检测法原理 该方法中，需要与 A 相电网电压au同相位的正弦信号 sin t和对应的余弦信号 cos t，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。其中 PLL 主要起同步作用，当检测到过零上升的au时启动正、余弦表 （包括-cos t的值），使其形成一个矩阵 C。根据（4.11）式计算出pi、qi，在经过 LPF 滤波可得出pi、qi的直流分量pi、qi。这里，pi、qi是由afi、bfi、cfi产生的，因此由pi、qi反变换计算出afi、bfi、cfi为：qpqpcfbfafiiiittttiiicc123sincoscossin232123210132 (3.12)图 3.4 只是检测谐波电流时的情况，当检测谐波和无功电流之和时，只需 断开图 3.4 中的qi通道即可，由pi即可计算出被检测电流ai、bi、ci的基波有功分量为apfi、bpfi、cpfi为：0123pcpfbpfapfiiiicc （3.13）将ai、bi、ci与apfi、bpfi、cpfi相减，即可得出ai、bi、ci的基波分量和基波无功分量。与 p-q检测法相，pi-qi检测法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效。3.2 主电路设计 3.2.1 系统主电路结构 对于三相三线制电路来，APF 需要采用三相三线制主电路。图 3.5所示为三相三线制 APF的主电路结构：图 3.5 并联型 APF 的主电路结构 图中，A,B,C 三相相电压 220v，L1，L2，L3 为低通滤波，二极管和电力电子器件构成了 APF 的主体部分。3.2.2 主电路参数的设计 1.直流侧电压dU的确定：为了能够有效的对谐波进行补偿，直流侧电压需 要满足式（4.15）的要求。在此基础上，dU越大，ci变化越快：但是dU过大，将使装置容量增加，且 器件的耐压要求很高。一般有：mdEU35.1 (3.14)而 Ud 的大小有直流侧电容的决定，电容越小 Ud 的值越大。VsaVsbVscUND非线性负载V1D1V4D4V3D3V6D6V5D5D2cL1L3L2IcbV2IsaIsbIscILaILbILcIccIca 2.交流侧电感cL的确定：电感cL值越小，变化越快；cL值越大，变化越慢。对谐波电流进行有效补偿，通常要求：94dcUL （3.15）其中 ccti*max （3.16）*maxci为补偿指令电流信号最大值；3.3 控制系统设计 并联型有源电力滤波器的目的是控制逆变器使其输出电流跟踪所需补偿的非线性负荷的谐波电流。目前有源电力滤波器的输出电流控制方法主要有：三角载波线性控制法、滞环比较控制法、无差拍控制法、电压矢量控制法等。下面先对几种电流控制方法做简单的介绍，再着重介绍本文采用的控制方法的具体设计。3.3.1滞环电流控制方法 滞环比较控制法原理如图 3.6 所示。该方法的基本原理是以补偿电流信号的参考值为基准，设计一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。补偿电流*ci与实际的补偿电流ci进行比较，两者的偏差 ci作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器后产生控制主电路开关的 6 路信号来控制开关的通断，从而控制补偿电流ci的变化。（开关使用的是理想开关。若是使用的 IGBT 等电力电子器件，则需经过驱动电路后才能作为控制信号。）图 3.6 滞环电流控制法原理与输出特性图 3.3.2 三角波控制 三角波控制方法的原理如图 4.11 所示，它是最简单的一种控制方式。它是将指令电流*ci与补偿电流ci的偏差ci经放大器 A 放大，与三角波比较，所得到的矩形脉冲通过滞环比较器后控制变流器上下两臂开关元件的控制信号，从而获得所需的波形。放大器 A 往往采用惯性环节。该方法较为适合模拟电路控制。图 3.7 三角波控制方法原理图 3.4 直流侧电容电压的控制方法 由于 APF 在工作时的能量损耗会引起其直流侧电容电压降低，为保证正常工作，Uc应该维持恒定。通常将直流侧电容电压与给定参考电压的差经过比例积分（PI）换届后的输出叠加到 APF参考电流的有功电流分量中，完成对电容电压的控制。维持电容电压的控制环如下图所示：图 3.8 维持直流侧电容电压的控制环 第四章 仿真 4.1 负载部分 非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性负载种类较多,如三相二极管整流桥、变压器等,在本次仿真中采用三相不可控二极管作为谐波源来进行研究，其仿真电路图如图 4.1 所示：PI控制 udc+-图 4.1 三相不可控负载 在该图中采用电阻与三相电源相连，再与 6 个二极管相连接，最后加入电感串联电容电阻并联电路，从而组成负载电路。4.2 指令电流发生模块 指令电流发生模块如图 4.3 所示。在该模块中完成谐波和无功电流的提取。模块输入量分别为单相电源电压信号和三相负载电流信号。如图所示：图 4.2 指令电流发生模块 4.3 控制电流模块 在本模块中通过指令电流获得的谐波作为输入，然后通过三角波控制方法获得控制信号。图 4.3 控制电流模块 4.4 APF主体部分 由 6 个二极管和 6 个理想开关模块及 RC 并联电路组成 PWM 整流部分。同时其输出在与给定相比较用于维持直流侧电压恒定。图 4.4 APF模块 4.5 三相并联型 APF的仿真模块 一般当 APF 的容量小于 2MVA 时,通常采用 IGBT 及 PWM 技术进行谐波与无功补偿;当容量大于 2MVA 时,通常采用 GTO 及多重化技术进行谐波与无功补偿。此次仿真中研究的是低容量 APF,故选择 IGBT 这种电力电子器件进行仿真研究。但由于采用 IGBT 需要考虑相角问题，所以为了简化模型，在此次仿真中采用的是理想开关进行控制。