基于matlab谐波抑制的仿真研究（毕设）

电力系统谐波抑制的仿真研究

目 录

1 绪论????????????????????????????? 1.1 课题背景及目的??????????????????????

1.2国内外研究现状和进展??????????????????? 1.2.1国外研究现状 ???????????????????? 1.2.1国内研究现状 ???????????????????? 1.3 本文的主要内容??????????????????????? 2 有源电力滤波器及其谐波源研究?????????????????? 2.1 谐波的基本概念?????????????????????? 2.1.1 谐波的定义????????????????????? 2.1.2谐波的数学表达???????????????????

2.1.3电力系统谐波标准??????????????????? 2.2 谐波的产生???????????????????????? 2.3 谐波的危害和影响????????????????????? 2.4 谐波的基本防治方法???????????????????? 2.5无源电力滤波器简述???????????????????? 2.6 有源电力滤波器介绍???????????????????? 2.6.1 有源滤波器的基本原理.??????????????? 2.6.2 有源电力滤波器的分类.????????????

2.7并联型有源电力滤波器的补偿特性?????????????? 2.7.1谐波源??????????????????????

2.7.2有源电力滤波器补偿特性的基本要求??????????? 2.7.3影响有源电力滤波器补偿特性的因素??????????? 2.7.4并联型有源电力滤波器补偿特性???????????? 2.8 谐波源的数学模型的研究?????????????????? 2.8.1 单相桥式整流电路非线性负荷????????????? 2.8.2 三相桥式整流电路非线性负荷.????????????? 3 基于瞬时无功功率的谐波检测方法????????????????? 3.1谐波检测的几种方法比较????????????????? 3.2三相电路瞬时无功功率理论????????????????? 3.2.1瞬时有功功率和瞬时无功功率??????????????? 3.2.2瞬时有功电流和瞬时无功电流??????????????? 3.3 基于瞬时无功功率理论的p?q谐波检测算法.???????? 3.4基于瞬时无功功率理论的ip?iq谐波检测法.???????? 4并联有源电力滤波器的控制策略????????????????? 4.1并联型有源电力滤波器系统构成及其工作原理?????????? 4.2并联有源电力滤波器的控制研究.???????????? 4.2.1并联有源电力滤波器直流侧电压控制???????? 4.2.2有源电力滤波器电流跟踪控制技术??????????? 4.2.2.1 PWM控制原理????????????????

4.2.2.2滞环比较控制方式???????????????? 4.2.2.3三角波比较方式??????????

4.3有源电力滤波器的主电路设计 ????????????????

4.3.1直流侧电容量的选择.???????????????? 4.3.2直流侧电压的选择??????????????? 5 有源电力滤波器仿真分析???????????????? 5.1 仿真电路及主要参数.???????????????? 5.2 仿真结果及分析.?????????????????? 6 总结.????????????????????????

1 绪论

1.1课题背景及目的

随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，谐波问题一直被作为最突出的问题之一而受到广泛的关注。

改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。

电能质量问题的提出由来已久，衡量电能质量的指标也是随着电力系统的发展而备受关注。在电力系统的发展早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成。20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用，不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换和控制，这些装置给人们生产和生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加。

谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子救赎发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义，还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色\的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。 1.2国内外研究现状和进展 1．2．1国外研究现状

国外对电力谐波问题的研究大约在五六十年代开始，当时主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题进行研究。到了七八十年代，随着电力电子技术的发展及其广泛应用，谐波问题变得日益严重，从而引起各国的高度重视。最近几十年，电力谐波的研究，已经渗透到了许多其它学术领域，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。到目前为止，对谐波这一领域的研究仍然非常活跃。

电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CⅡ也D)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并己制定除了限制电力系统谐波的相关标准。从1984年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展。

1．2．2国内研究现状

我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上交流了这一方面的成果。 但是，我国在有源电力滤波器方面的研究仍处于起步阶段，到1989年才有这方面的文章。研究APF主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论眼界和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统的33KVA双极面结型(BJT)叫电压型滤波器；采用多重化技术刚，西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器的实验样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入的理论研究。我国虽在理论上取得一定的进展，由于多方面的条件的限制，我国的有源滤波技术还处于实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器(功率开关为GTR)，用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波(5、7、11、13次)，调制载波的频率(3．3KHZ)不高；河南电力局与清华大学联合开发的20MVA静止无功发生器(包含有源谐波器)在郑州孟若变电站进行300KVA中间工业样机试运行，该样机主电路由18脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18脉冲逆变器分为3相6脉冲电压型逆变器(功率开关为GTO)，系统结构较复杂。

总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的HAPF系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。

1.3本文的主要内容

本文主要针对电网谐波的抑制问题，对谐波和电力滤波器做了大量的研究和仿真工作。主要包括以下几个部分。

(1)首先对课题的背景和国内外谐波问题及其现状进行了描述。

(2)介绍了谐波的基本概念抑制电网谐波的主要方式，由无源滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后APF 的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生和影响，并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。随后对非线性负荷谐波源建立了数学模型，并用数学公式推导得出了结论。

(3)研究了谐波的检测方法和有源电力滤波器的控制方法，构建了有源电力滤波器，进行了MATLAB 仿真实验，仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。 （4）总结与展望。

2 有源电力滤波器及其谐波源模型研究

2.1 谐波的基本概念 2.1.1 谐波的定义

电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，而这部分分量就称为电网谐波。谐波通常是指一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波频率与基波频率的比值 （ n =f n / f l ） 称为谐波次数。如我国电力系统的额定工作频率为50Hz，故其2 次谐波为100 Hz，其3 次谐波为150 Hz，其4 次谐波为200 Hz??电网中有时也存在非整数倍次数的分量，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，污染电网，影响电能质量。 2.1.2 谐波的数学表达

供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示：

u(t)?2Usin(?t??) (2-1)

式(2．1)中：U为电压有效值，?为初相角，?为角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。

理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。对于周期为T=2?/?的非正弦电压U，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶级数：

u(?t)?a0???ancos(n?t)?bnsin(n?t)? （2-2）

n?1?式中（2-2）：

1a=

2?0

?2?02?u(?t)d(?t) (2-3)

u(?t)cos(n?t)d(?t) n=1,2,3?? (2-4) u(?t)cos(n?t)d(?t)n=1,2,3?? (2-5)

1a=

2?n

??01b=

2?n

2?0在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为1/T的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中u??t?改成i??t?即可。

2.6.2 有源电力滤波器的分类

图2.2有源电力滤波器拓扑分类

1．直流APF 和交流APF 根据应用场合不同，APF 可以分为直流APF 和交流APF 两大类。直流APF 主要是用来消除高压直流输电系统的换流站直流侧的谐波，但其研究较少，应用也较少。而交流APF 主要用于交流电力系统，所以是目前研究主要对象。 2．并联型APF 和串联型APF

根据接入电网方式，可以分为并联型APF 和串联型APF。并联型APF 是最早期的有源滤波装置，也是现在实际工业应用最多的一种APF。这种装置并联接入电网，相当于一个受控电流源，消除电流型负载的谐波。并联型APF 最大优点是安装、调试、维修、保护方便，负载甚至不用断电就可将APF 安装投入运行，所以工业上投入运行并联型APF占多数。但由于电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压等级要求较高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很大，这样投资就比较大。另外，串联型APF 经过耦合变压器串联接入电网，相当于一个受控电压源，流过正常负荷电流，损耗较大。而且串联型APF 安装、投切、故障后的退出及各种保护也较复杂，单独使用串联型APF 例子较少。从补偿对象来看，并联型APF 适合补偿电流型谐波负载，串联型APF适合补偿电压型谐波负载。 3．混合型APF（HAPF）

由于受开关器件限制，高频变流器容量有限，且其造价随容量增大而急剧增加，于是便提出各种APF 和PPF 相结合的混合型APF（HAPF），可以减少有源部分容量，提高装置经济性。下面列出几种典型HAPF 拓扑。

（1）并联APF+并联PF

图2.3 并联APF+并联PF 的HAPF

在使用这种装置时，由于电网与APF 及APF 与PF 之间存在谐波通道，特别是APF与PF 之间的谐波通道，可能使APF 注入的谐波又流入PF 及系统中。所以较好方法是APF和PPF 按频率分段完成滤波功能，即由PPF 滤除低次谐波，APF 滤除高次谐波，或者反之。前者PPF 由多组单调谐滤波器及高通滤波器组成，用于滤除负载中占主要成分的低次谐波；APF 采用高频变流器，滤除剩余的高次谐波电流，由于高次谐波电流幅值较小，故APF 容量可以大大降低。后者PPF 为一组高通滤波器，滤除高次谐波及APF（变流器）产生的开关次谐波，而APF 只补偿较低次谐波，这样，变流器开关频率可以较低，可以采用频率较低的大功率开关器件，降低成本，减少损耗。这种装置，APF 容量虽然降低了，但是APF 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。

（2）串联型APF+并联PF

图3.4 串联型APF+并联PF 的HAPF

串联APF 相当于一个电流控制电压源，产生的谐波电压与电网支路中谐波电流成正比。因此对谐波电流而言，APF 可以等效为一个谐波电阻。当谐波电阻的阻值远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，电网支路电压和电流中将只有很小的谐波残余。对基波而言，APF 呈几乎为零的极低阻抗，不消耗基波功率。因此，APF 相当于一个谐波隔离装置。串联APF 将迫使负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻止了电源的谐波电压窜入负载侧。对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。

这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自优点，装置的补偿容量可以做的很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。这种结构的缺点是：在低次谐波及其它频率处，要使APF 的等效谐波电阻远远大于无源滤波器等效阻抗是很难的，因此对电网中闪变分量，用该方法不能实现隔

绝；当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于APF 强制这部分谐波流入PPF，这将在负载入端产生谐波电压；由于APF 串联在电路中，绝缘较困难，维护也不方便；在正常工作时，注入变压器仍然跟单独使用的串联型APF 中一样流过所有负载。

（3）APF 与PPF 串联后并联接入电网

图2.4 APF 与PF 并联后并联接入电网的HAPF

该方式中谐波主要由LC 滤波器滤除，而APF 的作用是改善LC 滤波器的滤波特性，克服LC 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生并联谐振等缺点。在这种方式中，APF 不直接承受系统基波电压，因此装置容量小，开关器件耐压等级降低，克服了大容量APF 结构复杂、损耗大、成本高的缺点，使整个系统获得良好性能。另外，这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选取LC 网络的调谐频率，不适用于非特征谐波源补偿。该方式的谐波阻尼K 不能太大，否则会引起系统不稳定。

（4）注入型APF

图2.5 串联谐振注入型

图2.6 并联谐振注入型

为了将单独使用的APF 上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而显著降低有源装置的容量，可以选择用LC 串联或并联谐振网络作为注

入电路（见图2.5和图2.6）。在图2.5 的串联谐振注入型APF 中，LC2 网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波频率的谐波分量，LC2 网络阻抗较大，APF 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时获得较好的谐波不唱性能 和较小的有源装置容量比较困难，而且支路上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似。如图2.6所示，LC 网络在基波频率出发生并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在LC 网络上，而对于高于基波频率的谐波分量，LC 网络阻抗较小，并远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则APF 产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的是，串联谐振注入型APF 可以补偿无功功率，主要由支路上端的电容补偿；而并联谐振注入型APF 可以补偿无功功率，因为之路上端的并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路。 2.7 并联有源电力滤波器补偿特性的研究

并联型APF不是一种理想的补偿装置，其补偿特性会受到谐波源特性的影响。适用于补偿谐波电流源。 2.7.1谐波源

所谓“谐波源\通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非线性电力负荷。谐波源分为谐波电流源和谐波电压源件，这是谐波产生的根本原因。

1．谐波电流源

对于各种换流设备，电气化铁道，电弧炉及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流。且谐波成分基本上只与其固有的非线性及工况有关，而与这些负载的内部阻抗的变化几乎无关。因此，此类非线性负载可以认为是谐波电流源。

2．谐波电压源

典型的谐波电压源是发电机。由于结构上不可能完全对称，空气隙的磁导不可能完全均匀等因数，发电机在运行时总会产生一些谐波分量，其谐波电势取决于发电机本身结构及工况，它是一个谐波电压源。

通常忽略由发电机产生的谐波电势，只考虑非线性负载产生的非正弦电流。 2.7.2有源电力滤波器补偿特性的基本要求

有源电力滤波器对高次谐波的补偿效果可以用以下两个指标来衡量。 1．谐波含有率HR

该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为谐波含有率HR。

h次谐波的电流含有率HRIn?In?100％ I1Un?100％ U1 h次谐波的电压含有率HRUn? 2．总谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)

指各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比 UH??Un2 THDn?n?2?UH?100％ U1 IH?

?In2 THDi?n?2?IH?100％ I1提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和总谐波畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。补偿后的电源电流总谐波畸变率THD越小，补偿效果越好。

2.7.3影响有源电力滤波器补偿特性的因素

从原理上讲，有源电力滤波器可以实现谐波源负载中谐波的完全补偿，但实际这是很难实现的。因为在谐波检测环节、控制系统和指令电流运算电路的误差导致补偿电流存在误差。误差可以分为：幅值误差和相位误差，会影响有源电力滤波器的补偿特性，使谐波源的谐波不能彻底完全补偿。 2.7.4并联型有源电力滤波器补偿特性

图2.7并联补偿谐波电流等效电路图

并联型APF对谐波源进行补偿时，其系统单相等效电路如图2.7所示。图中：

us为电源端电压，当电源中没有谐波，只包含基波时u?us?i1?Zs1(i1,ZS1分别为基波电流和电源基波阻抗)。由于电力系统中大多数谐波源为谐波电流源要补偿谐波就要有一个APF向电流型谐波源提供谐波电流，从而，电源只向谐波源提供基波电流。iL?is?ic式中：iL为谐波源电流，is为电源提供的基波电流，ic为APF向谐波源提供的谐波电流，可以利用APF的并联补偿实现。若电源向其它负荷供电，因为电源本身只包含基波，不会对其它设备产生干扰。

2.8 谐波源的数学模型的研究

2.8.1 单相桥式整流电路非线性负荷

如图2.7所示，设电源电压为VS?2Usin(?t??) ，式中U为电源电压有效值，?为基波电压和电流的相位差。为便于分析，假设以下理想条件：交流侧电抗为零，而直流侧电感L 为穷大，并且忽略电流脉动，则交流侧电流为理想方波。

4并联有源电力滤波器的控制策略

4.1并联型有源电力滤波器系统构成和及其工作原理

并联型电力有源滤波器系统的原理如图4.1 所示。图中： is 为电源电流；

iL 为负载电流；ic 为补偿电流；ic*为指令电流；icL 为补偿电流与负载电流之

和，即icL=ic+iL。并联型电力有源滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生器。其中补偿电流发生器的主电路采用了电压型PWM 变流器。电阻、电感、电容组成高通滤波器与有源滤波器并联，其作用是滤除补偿电流中开关频率附近的谐波成分。并联型电力有源滤波器的基本原理是：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，该信号经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中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。

图4.1并联型电力有源滤波器系统

4.2并联有源电力滤波器的控制研究

并联有源电力滤波器电流控制电路主要作用是根据由检测系统得到补偿电流指令信号ic*，得出主电路开关器件通断的PWM信号，保证补偿电流跟踪其指令电流信号的变化。为了取得理想补偿特性，APF电流控制方法的选择十分重要。 4.2.1并联有源电力滤波器直流侧电压控制 并联有源滤波器有效进行谐波电流补偿，必须将有源电力滤波器直流侧母线电压控制为一个稳定值。但是，有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在某一恒定值，直流侧电压波动较大时会出现过补偿或者欠补偿。通常，直流侧电压随补偿电流和变流器工作模式的变化而变化，在允许的给定范围内波动。欠补偿会影响补偿电流的精度，过补偿会增加有源电力滤波器的干扰性谐波电流。

从理论上讲，有源电力滤波器直流侧电压的变化由有源电力滤波器和电网的能量流动所决定。当有源滤波器吸收有功功率时，其直流侧电压升高；反之，当有源滤波器发出有功功率时，其直流侧电压下降。直流侧电压波动的根本原因在于补偿电流在交流电源和有源电力滤波器之间的能量波动，这个能量波动要由电容器来缓冲。电容值过小，主电路直流侧电压波动就会过大；电容值过大，主电路直流侧电压动态响应就会变慢。所以，为了保证良好的补偿电流跟随性能，必须将主电路直流侧电容的电压控制为适当的值。在实际中，影响直流侧电容器电压的主要因素有：电路中电力电子元器件在工作情况下的损耗；系统中的谐波，不同成分谐波分量间相互作用并产生与电容间的能量交换；系统电压在直流侧产生的能量脉动。

直流侧电压进行控制的传统方法是：通过一个二极管整流器或调压器给直流侧的电容提供一个单独的直流电源，这种方法虽然能够达到调节直流侧电容电压的目的，但增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗等而较少采用。

另一种方法是通过适当的控制(PI调节控制)，使直流侧电容直接从电力有源滤波器交流侧获取能量，并维持其电压为适当值。如图4.2所示。Uce是Uc的给定值，Ucr是Uc的反馈值，两者之差经PI调节后得到出?ip。

图4.2直流侧电压PI调节控制

它叠加到瞬时有功电流分量ip上，经运算在指令信号ic*：中包含一定的基波有功电流，使电力有源滤波器直流侧与交流测交换能量，从而将Uc调至给定值。调节过程的关键在于有源电力滤波器和交流测间如何进行能量交换。

4．2．2有源电力滤波器电流跟踪控制技术

有源电力滤波器的性能很大程度上依赖于控制器的水平，设计良好的控制器，选用合适的控制策略非常关键。目前，并联有源电力滤波器常用的电流控制方法有：滞坏控制、三角波比较、无差拍控制和近几年兴起的自适应控制、自抗扰控制、神经网络控制、遗传算法和单周控制等。有源电力滤波器的滤波性能完全取决于其调制方法，目前主要采用PWM控制方式，其主要有两种，即滞环比较(瞬时值比较)方式和三角波比较方式。 4.2.2.1 PWM控制原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即

通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，影响也最为深刻。PWM控制技术重要理论基础是采样控制理论的面积等效原理。如图4．7所示，用PWM等效正弦波(SPWM)。正弦波被n等份后可以看为n个彼此相连的脉冲序列(宽度相等，幅值不等)，根据面积等效原理(实际是冲量相等)得到PWM波。可以看出，脉冲幅值相等而宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形(也称SPWM)。同理，如果调制的信号波形是从电网提取的谐波电流，可以用三角波对其进行PWM调制，得到有源电力滤波器中PWM逆变器的控制信号，使主电路产生补偿电流。

图4.4信号波和载波的PWM控制波形

图4_4中把正弦波形ur作为调制信号波，等腰三角形uc作为载波信号，ud为储能元件电容C两端的电压幅值。当载波的瞬时值低于调制信号波时PWM逆变器输出高电平，否则输出低电平。分别用高低电平去控制PWM逆变器电力电子期间的导通和关断。

4.2.2.2滞环比较控制方式

滞环控制是一种电流瞬时值比较控制，当补偿对象与滤波器输出之差超过预定的容许误差时，主电路开关元件动作，滞环电流比较控制是实际电流与指令电流的上、下限相比较且形成一个环带，并以交点作为开关点。滞环比较控制方式基本原理是将补偿电流的指令信号ic*与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号ic和?ic之差作为滞环比较器的输入，通过比较器的输出来控制电力电子器件的通断，从而控制实际补偿电流ic的变化，如图4_5所示。

图4.5滞环电流控制原理图

滞环比较控制方式具有硬件电路简单、电流响应快、不需要载波输出电压中不含有特定频率谐波分量等特点。在这种控制方式中，滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大影响。当滞环的宽度较大时，主电路的开关元件的开关频率较低，对元器件要求不高，但是跟随误差较大；反之滞环的宽度较小时，跟随误差较小，但主电路的开关元件的开关频率较高在并联有源电力滤波器实际应用中，滞环比较控制方式环宽的选取至关重要。环宽的选取是根据电力系统绝对电流变化的要求决定的，电流畸变的边界值是总电流的5％左右。用H表示滞环比较控制方式的环宽，?ic＜H时，滞环比较器输出保持不变；当时，?ic＞H滞环比较器的输出翻转，假设后面的主电路无延迟，则补偿电流ic的变化方向随之改变。这样ic*就在-H和H之间变化，即ic*在ic*-H和ic*+H之间范围内呈锯齿波状跟随ic*变化。 4.2.2.3三角波比较方式

三角波比较电流跟踪控制与一般三角波作为载波的PWM控制方式不同，不是直接将指令信号ic*与三角波比较。而是将指令信号ic*与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号ic之差?ic缸经放大器后与高频三角波比较，得到矩形脉冲作为有源电力滤波器主电路元器件的控制信号，从而使变流器输出所需要补偿电流。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。原理如图4．6所示。

图4.6三角波比较控制原理图

三角波比较方式具有元器件开关频率固定，且PWM信号等于三角载波频率；输出补偿电流含有谐波较少，但含有与三角载波相同频率的谐波；但是动态响应没有滞环比较快、放大器增益有限、三角载波频率影响元器件等工作特点。 无差拍控制能快速反应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制，但是由于计算量大、容易造成延迟、对系统参数依赖性大从而影响整个系统的稳定性，对于有源电力滤波器这样一个非线性多变量系统而言这种策略很少采用。 自适应控制对动态变化过程有自适应，但对过程参数的变化不灵敏；自抗扰控制的抗干扰能力强；神经网络控制控制精度高、控制方法简化；遗传算法有优化运算方面的优势。

单周控制（One-Cycle Control，occ）不存在暂态误差，是一种非线性控制方法，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、控制电路简单和良好的稳定性能等优点，但是一种新的理论，还要等待时间的检验。这些方法的应用还处于初始阶段，无应用实例，理论性和实践性有待进一步研究。 4.3有源电力滤波器的主电路设计

4.3.1直流侧电容量的选择

为了保证有源电力滤波器正常工作，直流侧电压作为补偿器的直流电源必须保持恒定。但有源电力滤波器在实际运行时，很难将主电路直流侧电压控制在一个恒定值，直流侧电压随补偿电流和补偿器工作模式的改变而改变，在允许的给定范围内波动。

直流侧电压的波动主要来自于APF补偿电流中的谐波及无功电流造成的能量脉动、开关损耗以及交流侧滤波电感储能引起的能量脉动，其中尤其以谐波电流造成的能量脉动所引起的直流侧电压波动最为明显。

为了减小直流侧电压波动，直流侧电容必须有一定的容量要求。当直流侧电压一定时，电容值越小，则直流侧电压波动越大，影响有源电力滤波器的补偿效果;电容值越大，则直流侧电压波动越小，但是电容体积和造价都会增加。因此，需要综合考虑两方面因素，在直流侧电压波动满足要求下进行电容值的选取。

设直流侧电压Udc的最大允许波动电压为△Udcmax 定义电压波动率为:

???Udcmax (4-1) Udc则直流母线电压最大值和最小值为:

Udcmax?(1??)Udc (4-2) Udcmin?(1??)Udc (4-3)

对于非线性负载来说，其谐波和无功电流所产生的瞬时功率不为零，但一个周期的平均值为零。当有源电力滤波器对谐波和无功电流进行补偿时，有源电力滤波器和负载之间有能量交换，需要直流侧电容提供能量交换缓冲。如果忽略有源电力滤波器系统存在损耗，这一缓冲电容只是周期性地吸收和释放能量，不需要电源提供能量。而当谐波和无功电流得到补偿时，电源只向负载提供有功电流，即提供负载消耗的能量，而不再和负载交换能量。有源电力滤波器、电源及负载之间的能量交换如图4.1所示:

图4.7有源滤波器、负载和电源之间的能量交换

为了简化分析，特作以下假设:

(1)考虑能量平衡关系时，不考虑滤波电感中的储能;

(2)稳态时，直流侧电压波动幅值与直流侧电压值相比非常小; (3)APF自身损耗忽略不计。

设有源电力滤波器交流侧的瞬时功率为Pc(t):

Pc(t)?uca(t)ica(t)?ucb(t)icb(t)?ucc(t)icc(t) (4-4) 上式中，uc(t)、ic(t)分别为有源电力滤波器交流侧的三相电压、电流瞬时值。 直流侧电容的瞬时功率为Pdc(t):

Pdc(t)?udc(t)idc(t)?udc(t)?Cdudc(t)dt (4-5)

上式中，udc(t)、idc(t)分别为直流侧电压、电流瞬时值。 忽略谐波补偿器的开关损耗，则有

Pc(t)?Pdc(t) (4-6) 将式带入上式:

udc(t)?Cdudc(t)dt?Pc(t) (4-7)

由上式两边积分得:

t?TP(t)1cC?dt?udc(t)?udc(t?T)tudc(t)?1?Udcmax??t?Ttt?TPc(t)udc(t)Pc(t)dtUdcmax (4-8)

1??Udcmax?1t?(1??)U2dc?t?TtPc(t)dt

上式右边的积分项就是有源电力滤波器的补偿容量。假设有源电力滤波器的 补偿容量Sc，则由式可得:

Cmin?ScT (4一9)

?(1??)U2dc因此,确定了装置的补偿容量和允许的直流侧电压波动之后，就可根据式(4一9)确定电容的容量。需要注意的是，所计算出的电容量是在理想条件下得到的，实际选取电容的容量时必须留有一定裕度。 4.3.2 直流侧电压的选择

用理想开关代替实际开关器件，忽略系统的阻抗，可得并联型APF等值电路， 如图4.2所示。

图4.8并联型APF等值电路

假定e为系统电压，直流侧电容电压为Udc，其中电压都以系统中性点o为参考点，则图4.2中三相电路瞬时值方程为:

Ldica/dt?ua?（Rica?ea)Ldicb/dt?ub?（Rcb?eb) (4-10) Ldicc/dt?uc?（Ricc?ec)引入开关函数Sa、Sb、Sc，定义为:

Sk?1上桥臂导通，下桥臂关断相应APF交流侧相电压为:

(4-11) Sk?0上桥臂关断，下桥臂导通（k?a,b,c）ua?uaN?uN0?SaUdc?uN0ub?ubN?uN0?SbUdc?uN0 (4-12) uc?ucN?uN0?ScUdc?uN0不计零轴分量，则有:

ea?eb?ec?0ia?ib?ic?0 (4-13)

由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得:

UuN0??dc(Sa?Sb?Sc) (4-14)

3把(4-14)带入式(4-12)，则APF交流侧相电压:

ua?(2Sa?Sb?Sc)Udc/3ub?(2Sb?Sc?Sa)Udc/3 (4-15) uc?(2Sc?Sa?Sb)Udc/3将(4-15)代入(4-10)，忽略APF交流侧电阻影响，得:

Ldica/dt?(2Sa?Sb?Sc)Udc/3?eaLdicb/dt?(2Sb?Sc?Sa)Udc/3?eb (4-16) Ldicc/dt?(2Sc?Sa?Sb)Udc/3?ecAPF主电路开关器件的开通与关断，是由采样时刻的指令电流Ic*与实际补偿电流ic作差得到的△Ic。的极性决定的。以a相为例，当△Ica>O时，即a相的实际补偿电流小于指令电流时，主电路a相上桥臂导通，下桥臂关断;反之，当△Ica<0时，即a相实际补偿电流大于指令电流时，主电路a相上桥臂关断，下桥臂导通。这样使实际补偿电流与指令电流之间的误差减小，达到补偿电流跟踪指令电流的目的。

有源滤波器共有8种开关模式，任取其中一种非零开关模式进行分析。设Sabc =110，对应△Ica>0、△Icb>o和△Icc

Ldica/dt?Udc/3?ea Ldicb/dt?Udc/3?eb (4-17)

Ldicc/dt??2Udc/3?ec为了控制电流变化，需要使Ica、Ice增大同时使Icc减小，此时应满足:

Ldica/dt?0 Ldicb/dt?0 (4-18)

Ldicc/dt?0由式(4-17)和(4-18)得:

Udc?3ea Udc?3eb (4- 19)

Udc??3ec/2如果要跟踪电流的变化，就要在一个开关周期中满足式(4-19)中的限制条件，考虑到最严重情况有:

Udc?3Em (4-20)

上式中，Em为交流侧电源相电压峰值，为了实现对电流变化的跟踪，直流侧电压必须大于交流侧电源相电压的3倍，否则将出现补偿电流不按控制要求变化的情况。对于其它的开关组合情况，也可得到相同结论。

5 有源电力滤波器仿真分析

5.1 仿真电路及主要参数 目前，有源电力滤波器大多采用并联型，下面给出三相三线制并联有源电力滤波器结构图。

图5.1 三相三线制并联有源电力滤波器结构图

如图所示，主电路工作情况是由6 组开关器件的通断组合所决定的。通常，逆变器同一相的上下两组开关器件总有一组中的一个器件是导通的。开关函数为：

Si??1,Di开通，Di?3关断0,Di开通，Di?3关断 (i=1,2,3…) （5-1）

?假设三相电源电压之和ea?eb?ec?0 ，因为ica?icb?icc?0，可以得出描述主电路工作情况的微分方程：

dicaL?ea?KaUcdtdicbL?eb?KbUcdt （5-2） diccL?ec?KcUcdt式中KaUc,KbUc,KcUc,——主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压,

Ka,Kb,Kc——开关系数,Ka?Kb?Kc?0。

本文用MATLAB 对三相三线制并联有源电力滤波器系统进行仿真研究，仿真电路

如图5.2 所示。主要参数为：

（1）电网：三相理想电压源为380V，内阻0.0312Ω，50Hz。

（2）非线性负载：电力系统的典型谐波源——三相桥式全控整流器。整流器的直流侧为阻感性负载，R=15Ω，L=20e-3 H。

（3）谐波检测：采用基于瞬时无功功率理论的p-q 谐波电流检测方法。有源电力滤波器补偿电流控制采用之前介绍的负载电流控制方式。

图5.2 并联型有源电力滤波器仿真图

其中，各部分模块图具体如下： （1）谐波电流检测环节模块

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