【正文】 key tache to acplish the various functions of active power filter to establish the anticipative pared current This paper analyzes the parallel active power filter control strategy Including the pensation current tracking control and DC voltage control Through analysis and parison of hysteresis control triangular wave control and space vectorbased voltage control Finalize the pensation current tracking control method used and the triangular wave parison control method of hysteresis control Finally to verify the proposed detection method and control method is correct Under this thesis the power system with MATLAB65SIMULNIK Simpowersystems Blockset blocks on the whole threephase threewire shunt active power filter system voltage conducted a simulation study Simulation results show that the designed filter can filter out harmonic well the pletion of the role of harmonic suppression Key word Active Power Filter Harmonic and reactive current detection Compensation current control Triangular wave parison and hysteresis control Simulation 第一章 電網(wǎng)諧波的實(shí)際問題 電力系統(tǒng)中三相橋式整流器的使用極為廣泛由此引起的諧波電流也成了人們?nèi)找骊P(guān)注的問題安置濾波器是減小諧 波電流的有效措施 然而多數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)要求對整流器所產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行計(jì)算三相不可控整流器的電路圖如下圖所示 圖 11 三相不可控整流電路 上述電路中取相關(guān)參數(shù)如下表所示 表 11 三相不可控整流電路的相關(guān)器件參數(shù) 器件名稱 Xs XL Xd Xc Rd Id 參數(shù)值 01161 01472 11918 41108 05119 01306 對上表所取的參數(shù)下面對諧波電流進(jìn)行計(jì)算為表達(dá)方便 采用了標(biāo)幺值數(shù)據(jù)形式基波電流與電抗分別定義為 11 式中 P0 為整流器額定輸出功率 直流側(cè) n 次諧 波電流以其有效值與平均電流 Id0 的比值表示 交流側(cè)ν次諧波電流以其幅值與基波電流幅值的比值表示交流側(cè)電流波形畸變率計(jì)算到 v 25 12 其中直流側(cè)電流計(jì)算公式為 13 式中 Id0 直流分量 Id n δ n n 次諧波電流的幅值及相角 14 Ed0 整流輸出電壓的直流分量 15 交流側(cè)諧波電流的計(jì)算公式可由直流側(cè)導(dǎo)出由于三相電流對稱 所以只需計(jì) 算 a 相電流 16 式中 17 公式 17 中 18 式中ξ為換流起始角偏移量μ換流重疊角可由下式計(jì)算得到 19 ν次諧波電流幅值及相角分別為 18 結(jié)合上述相關(guān)公式和表中相關(guān)數(shù)據(jù)可得整流電路的整流諧波電流的計(jì)算值如下表所示 表 12 整流諧波電流的計(jì)算值 諧波次數(shù) K5 0K7 0Kv 0 a5 0176。 4200HZ 以上 同時(shí) AD 轉(zhuǎn)換的精度應(yīng)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(gè)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(jìn)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(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)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(qiáng)能夠完成 APF 所需要的諧波檢測并產(chǎn)生所需補(bǔ)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)諧波跟蹤并產(chǎn)生控制 APF所需的 PWM脈沖因?yàn)榕c數(shù)字電路相比采用模擬芯片來實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)性要求工程應(yīng)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(fù)雜的控制算法產(chǎn)生精確的控制脈沖同時(shí)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(yīng)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(kuò)容易于單機(jī)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(shí)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(jìn)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(yùn)算電路在檢測到負(fù)載電流后通過運(yùn)算把負(fù)載電流信號中的諧波電流無功電流及負(fù)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(yīng)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(dòng)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(fù)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(bǔ)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(yīng)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(gè)器件是導(dǎo)通的假設(shè)三相電壓之和并且由本文所設(shè)計(jì)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(diǎn)與電源中點(diǎn)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(shí)際補(bǔ)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(shí)刻△和的極性決定的以 A 相為例應(yīng)該使 Ka 0 當(dāng)△ 0 時(shí)而△ 0 時(shí) 應(yīng)該使 Ka 0 從而使得△減小達(dá)到補(bǔ)償電流跟隨指令電流變化的目的因?yàn)椤魇鳌? 0 所以△△△中絕對值最大的一個(gè)總是與其他兩個(gè)方向相反前者所對應(yīng)的開關(guān)系數(shù)不是 23 就是 23 相反地后者所對應(yīng)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(qiáng)這樣各項(xiàng)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(shí)介紹了并聯(lián)型 APF 的基本原理以及主電路的導(dǎo)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(jì) 41 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 本文所設(shè)計(jì)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(fù)載部分負(fù)載是一個(gè)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(fù)載由于這部分電路不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)主要是用來說明非線性負(fù)荷的存在所以本文不對其進(jìn)行專門的設(shè)計(jì) 電流采樣電路取得補(bǔ)償前后電網(wǎng)上的電流數(shù)值及補(bǔ)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(fù)變正的過零點(diǎn)作為補(bǔ) 償電路的 同步觸發(fā)信號 DSP 及其外圍電路這是 APF 運(yùn)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(dòng)及保護(hù)電路這是 APF 驅(qū)動(dòng)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(shí)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(diǎn)進(jìn)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(bǔ)償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓姆駝t會(huì)帶來較大誤差這種方法根據(jù)采集到的一個(gè)電源周期的電流值進(jìn)行 FFT 分解得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)再進(jìn)行 FFT 反變換合成出總的諧波和無功電流 該方法的優(yōu)點(diǎn)是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波可以進(jìn)行有目的的選擇適用于各種情況但缺點(diǎn)是需要測得一個(gè)周期的電流值且需進(jìn)行兩次變換計(jì)算量大需花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間從而使得檢測方法具有較長時(shí)間 的延遲檢測的結(jié)果實(shí)際上是較長時(shí)間前的諧波和無功電流實(shí)時(shí)性不好并且該法也無法檢測出無功分量 于瞬時(shí)無功功率理論的諧波與無功電流檢測法 赤木泰文最初提出的瞬時(shí)無功功率理論亦稱 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)此后經(jīng)不斷的研究逐漸得到了完善基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測法現(xiàn)已包括法 法和 dqp