【正文】 ng 電源 圖 31 有源電力濾波器原理框圖 如圖 31 所示并聯(lián)型有源濾波器的基本工作原理是通過電壓和電流傳感器檢測補償對象 非線性負載 的電壓和電流信號然后經(jīng)指令電流運算單元計算出 補償電流的指令信號再經(jīng) PWM控制信號單元將其轉(zhuǎn)換為 PWM指令控制逆變器輸出與負載中所產(chǎn)生的諧波或無功電流大小相等相位相反的補償電流最終得到期望的電源電流其中如圖 31 所示電源電流 is 由負載電流 il 和有源濾波器的輸出電流共同組成負載電流又可分解為基波分量和諧波分量之和而基波分量又可分為基波有功分量和基波無功分量之和這樣負載電流可表示為基波有功分量基波無功分量和諧波分量之和如果控制有源濾波器的輸出電流和諧波分量相等那么電源電流中就只剩下基波電流了這樣就達到了抑制諧波的目的上述原理可以用一組公式來表示 31 簡言之并聯(lián)型有源濾波器相當于并聯(lián)在電網(wǎng)上的受控電流源它實時檢測負載電流中的諧波電流并產(chǎn)生與之大小相等而方向相反的補償電流使流入電網(wǎng)的諧波電流基本為零 如果要求有源濾波器在補償諧波的同時補償無功功率則只需要在補償諧波電流的指令信號中增加與負載電流基波無功分量反極性分量即可使得補償電流與負載電流中的諧波及無功分量相互抵消電源電流等于負載電流的基波有功分量公式表達如下 32 32 有源電力濾波器的分類 從不同的角度出發(fā) APF 有不同的分類方法根據(jù)用戶使用的電源類型是直流電源還是交流電源 APF 可分為直流 APF 和交流 APF 根據(jù)接入系統(tǒng)的相數(shù)不同 APF分為單相 APF和三相 APF根據(jù)主電路的形式不同 APF分為單個主電路型和多重疊加主電路型根據(jù)直流側(cè)儲能元件的不同 APF又分為電壓型和電流型根據(jù) APF和電網(wǎng)連接方式的不同 APF分為并聯(lián)型串聯(lián)型串并聯(lián)型這是目前對 APF分類的主要方法其中串聯(lián)型和并聯(lián)型又可以繼續(xù)細分為不同的類型如圖 32 所示 圖 32 APF 的分類 33 有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu) 無論有源電力濾波器如何分類它都由幾個共同的部分構(gòu)成即諧波檢測環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)主電路幾個主要的部分構(gòu)成 測環(huán)節(jié) 諧波檢測是有源電力濾波器非常關(guān)鍵的一環(huán)對于諧波的快速檢測方法我們將在下一章進行具體討論這里主要介紹檢測環(huán)節(jié)的構(gòu)成及設(shè)計中 的關(guān)鍵問題圖 33 是諧波檢測環(huán)節(jié)的原理框圖 圖 33 APF 諧波檢測結(jié)構(gòu)框圖 電壓與電流互感器 用于 APF的電壓互感器 PT與電流互感器 CT與一般用于電力系統(tǒng)繼電保護與測量的 PT 與 CT 有一定的區(qū)別即該 PT 與 CT要求精度較高要求精度 02 級以上線性度 好其次要求 PT與 CT具有快的響應特性一般要求信號延時在 10μ s以下最后要求 PTCT 能測量直流信號對于接在系統(tǒng)側(cè)的 PT 和 CT 可以不需要測量直流信號但對于接在 APF裝置上的 PT和 CT一定要能測量出直流電壓和電流分量否則在控制過程中裝置的性能可能難以達到要求滿足上述要求的 PT和 CT一般是基于霍爾效應的電壓電流測量模塊接在電網(wǎng)側(cè)用于檢測系統(tǒng)諧波電壓或諧波電流的 PT 和CT安裝位置也要根據(jù)實際情況選擇如圖 34所示諧波檢測應該互感器安裝在電網(wǎng)的諧波源側(cè)以避免因 APF 補償而影響諧波的變化 圖 34 諧波檢測互感器安裝位置的選擇 預處理環(huán)節(jié) 一般的預處理環(huán)節(jié)是將電壓或電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并進行適當?shù)臑V波與放大互感器輸出的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)變成電壓信號而由于實際中總存在一定的高頻噪聲因此一般都要對信號進行一定的濾波及進行放大或縮小由于 APF 對諧波信號的延遲非常敏感因此預處理環(huán)節(jié)的延時必須很小否則將影響諧波補償?shù)男Ч麨榇艘箢A處理環(huán)節(jié)的延時為微秒級如小于 10μ s 因為現(xiàn)在 APF的器件開關(guān)頻率很高如有的達 20kHz則開關(guān)周期為 50μ s因此一旦預處理環(huán)節(jié)延時超過 10μ s 會影響整個 APF 的諧波跟蹤及補償效果 采樣保持與 AD 轉(zhuǎn)換 APF 對諧波信號的時間同時性要求比較高因此一般情況下應該對所需要的信號進行同步采樣所以需要加采樣保持電路即在同一時刻對輸入的信號進行采樣將采樣的信號保持起來然后可以分別進行 AD 轉(zhuǎn)換將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量由于APF 對信號頻率范圍及精度的檢測有較高的要求因此應該根據(jù)濾波器對諧波補償?shù)囊蟠_定采樣保持的頻率及 AD 轉(zhuǎn)換的速度按照采樣定理信號的采樣頻率必須為信號頻率的 2 倍以上才能復原該信號實際中為了獲得較好的效果一般要求采樣頻率為信號頻率的 4 倍以上才能較好的得到該信號例如如果電力系統(tǒng)要求補償諧波的最高頻率為 21 次諧波 則信號的采樣頻率最好在 4x21x50 4200HZ 以上 同時 AD 轉(zhuǎn)換的精度應該滿足要求通常在 12 位以上 控制系統(tǒng) 有源電力濾波器的控制系統(tǒng)及選用的控制算法是其濾波效果好壞的關(guān)鍵 APF 的控制系統(tǒng)主要由模擬控制系統(tǒng)數(shù)字控制系統(tǒng)以及數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)三類近年來隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展各種數(shù)字芯片的性能大大提高因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字混合控制及數(shù)字控制系統(tǒng) APF控制系統(tǒng)一般由控制算法和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生兩個部分組成如圖 35所示其中控制算法處理部分對諧波 檢測環(huán)節(jié)送來的數(shù)字信號進行處理并與 APF 產(chǎn)生的諧波比較根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生適當?shù)尿?qū)動脈沖信號給觸發(fā)脈沖發(fā)生部分由于微處理器的能力很強能夠完成 APF 所需要的諧波檢測并產(chǎn)生所需補償?shù)膮⒖贾C波信號而如果采用模擬電路則非常繁瑣算法與參數(shù)的調(diào)整也很不方便因此 APF 這一部分一般采用微處理器來實現(xiàn) 圖 35 有源電力濾波器的控制系統(tǒng) 所謂的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)通常是在獲取參考諧波信號后通過模擬電路實現(xiàn)諧波跟蹤并產(chǎn)生控制有源電力濾波器所需的 PWM 脈沖與數(shù)字電路相比采用模擬芯片來實現(xiàn)一般的諧波跟蹤和 PWM 脈沖控制具 有更快的速度和更高的分辨率圖 36 為 APF 中經(jīng)常采用的一種數(shù)字模擬混合控制系器的模擬部分其中參考電流信號有微處理器通過 DA 轉(zhuǎn)換變成模擬信號送到模擬控制部分 圖 36 APF 中的模擬控制部分 所謂數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)通常是在獲取參考諧波信號之后通過模擬電路實現(xiàn)諧波跟蹤并產(chǎn)生控制 APF所需的 PWM脈沖因為與數(shù)字電路相比采用模擬芯片來實現(xiàn)一般的諧波跟蹤 通常為比例積分 PI 控制 和 PWM 脈沖控制具有更快的速度和分辨率但隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展通過專門電路或可編程邏輯器件產(chǎn)生PWM脈沖已經(jīng)非常方便而且在速度和分辨率方 面有了顯著的提高因此 APF的控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步變成純數(shù)字控制系統(tǒng)由于 DSP芯片本身帶有 PWM脈沖產(chǎn)生部分因此采用單片的 DSP 就可以實現(xiàn) APF 的控制系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖 37 所示 圖 37 基于單 DSP 的 APF 的控制系統(tǒng) 目前為了滿足有源電力濾波系統(tǒng)控制實時性要求工程應用中大都采用雙DSP或 DSPFPGA 現(xiàn)場可編程邏輯陣列 的數(shù)字化控制方案其結(jié)構(gòu)如圖 28所示基于雙 DSP的 APF可以完成復雜的控制算法產(chǎn)生精確的控制脈沖同時該方法靈活簡單只需要修改程序即可以改變脈沖發(fā)生器的功能有很好的通用性這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 38 所示 圖 38 基于雙 DSP 的 APF 控制系統(tǒng) 主電路 由于本文主要是研究基于電壓源變流器的主電路結(jié)構(gòu)按照電力系統(tǒng)應用需要一般可以分為三相三線制結(jié)構(gòu)和三相四線制結(jié)構(gòu)兩種電壓型 APF 效率高初期投資少可任意并聯(lián)擴容易于單機小型化適用于電網(wǎng)級 電壓型 APF直流側(cè)接有大電容正常工作時其電壓基本不變可看作電壓源但為保持直流側(cè)電壓不變需對該電壓進行控制電壓型 APF 交流側(cè)輸出電壓為 PWM 方波 圖 39 三相三線結(jié)構(gòu)電壓型 APF 34 三相并聯(lián)型電壓型有源電力濾波器的基本原理 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)框圖如圖 310 所示 電感電容等電路元件均包含在主電路中 其工作原理為指令電流運算電路在檢測到負載電流后通過運算把負載電流信號中的諧波電流無功電流及負序電流和零序電流檢測出來然后把這些電流信號轉(zhuǎn)換成相應的變流器觸發(fā)信號再通過電流跟蹤控制電路形成觸發(fā)脈沖去驅(qū)動變流器使變流器產(chǎn)生的電流為上述電流之和極性相反再回注入電網(wǎng)則電網(wǎng)中的諧波電流無功電流負序電流和零序電流被抵消為零只剩下基波有功正序電流 圖 310 并聯(lián)型 APF 的系統(tǒng)框圖 其中 APF 的補償電流是由主電路中的直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的主電路的工 作情況是由主電路中 6 組開關(guān)器件的通斷組合所決定的特定的開關(guān)組合所對應的工作情況稱為工作模式通常同一組的上下兩組開關(guān)總有其中的一個器件是導通的假設(shè)三相電壓之和并且由本文所設(shè)計的電路可得可得下述微分方程 33 式中為主電路各橋臂中點與電源中點之間的電壓 為刀開關(guān)系數(shù) 0 的值與主電路工作模式之間的關(guān)系如表 21 所示 工作模式序號 工作模式 開關(guān)系數(shù) 1 通 通 通 23 13 13 2 通 通 通 13 23 13 3 通 通 通 13 13 23 4 通 通 通 13 23 13 5 通 通 通 13 23 13 6 通 通 通 23 13 13 表 31 主電路開關(guān)模式與開關(guān)系數(shù) 由基爾霍夫定理可得 34 其中 指令電流 并聯(lián)型 APF 產(chǎn)生的實際補償電流 有源電力濾波器主電路中開關(guān)器件的通斷是由采樣時刻△和的極性決定的以 A 相為例應該使 Ka 0 當△ 0 時而△ 0 時 應該使 Ka 0 從而使得△減小達到補償電流跟隨指令電流變化的目的因為△十△△ 0 所以△△△中絕對值最大的一個總是與其他兩個方向相反前者所對應的開關(guān)系數(shù)不是 23 就是 23 相反地后者所對應的開關(guān)系數(shù)不是 13 就是 13 這說明跟隨偏差最大的一相所受的控制作用最強這樣各項之間偏差的不平衡總呈現(xiàn)出減弱的趨勢 35 本章小結(jié) 本章主要介紹了有源電力濾波器的基本原理基本結(jié)構(gòu)以及其控制系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)同時介紹了并聯(lián)型 APF 的基本原理以及主電路的導通方式 第四章 三相并聯(lián)電壓型有源電力濾波器的設(shè)計 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計的有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示主要由三大部分組成主電路部分電流電壓檢測部分 DSP 控制部分 圖 41 并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 下面對圖 41 中的主要部分做簡單介紹 負載部分負載是一個產(chǎn)生諧波電流的三相不可控整流橋式電路整流橋的直流側(cè)為阻性負載由于這部分電路不是系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)主要是用來說明非線性負荷的存在所以本文不對其進行專門的設(shè)計 電流采樣電路取得補償前后電網(wǎng)上的電流數(shù)值及補償?shù)碾娏鲾?shù)值 電壓采樣電路取得直流側(cè)電容兩端的電壓數(shù)值 電壓過零檢測電路用于檢測電網(wǎng)電壓由負變正的過零點作為補 償電路的 同步觸發(fā)信號 DSP 及其外圍電路這是 APF 運算電路的組成部分用于分析電網(wǎng)諧波電流 并輸出控制信號 IPM 隔離驅(qū)動及保護電路這是 APF 驅(qū)動電路的組成部分 42 諧波檢測系統(tǒng) 迄今為止己有多種諧波檢測方法被提出如基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法基于 FFT 的諧波電流檢測方法基于 變換的諧波檢測方法基于同步檢測法的諧波檢測方法以及基于人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測方法等下面對常用諧波檢測方法特點進行分析并介紹本文所采用的諧波檢測方法 基于 FFT 的諧波檢測方法 為了快速檢測電流波形中 的諧波人們已經(jīng)發(fā)展了很多方法如基于傅立葉分析的方法來檢測諧波和無功電流該方法及其衍生的方法是建立在快速傅立葉分析 FFT 的基礎(chǔ)上此方法要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓姆駝t會帶來較大誤差這種方法根據(jù)采集到的一個電源周期的電流值進行 FFT 分解得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)再進行 FFT 反變換合成出總的諧波和無功電流 該方法的優(yōu)點是方法思路比較簡明原理和工作過程十分清晰對所補償?shù)闹C波可以進行有目的的選擇適用于各種情況但缺點是需要測得一個周期的電流值且需進行兩次變換計算量大需花費較多的計算時間從而使得檢測方法具有較長時間 的延遲檢測的結(jié)果實際上是較長時間前的諧波和無功電流實時性不好并且該法也無