【文章內(nèi)容簡介】 論文）說明書 5 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性挑特性的用電設(shè)備使電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴(yán)重。電網(wǎng)中的高次諧波會對電力系統(tǒng)中的各部分設(shè)備造成嚴(yán)重影響，因此，必須采取有效的措施來消除電網(wǎng)中的高次諧波。目前大量采用并聯(lián)型無源濾波器來抑制諧波，但由于并聯(lián)型的無源濾波器存在不少問題，影響到實(shí)際應(yīng)用。所以目前的趨勢是采用電力電子裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償，這就是電力有源濾波器( APF)。與無源濾波器 ( PF)相比,電力有源濾波器能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源電力濾波器是當(dāng)前對電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段，本文對有源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論研究和分析。MATLAB /SIMULINK提供的 SimPower 工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個方面。利用SimPower 工具箱對有源電力濾波器裝置進(jìn)行了建模和仿真，能夠?qū)⒂性措娏V波器的工作過程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來，驗(yàn)證了理論分析的正確性。本文主要要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：詳細(xì)分析空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)的基本原理。簡介有源電力濾波器的工作原理和結(jié)構(gòu)種類，諧波檢測方法。對 SVPWM 的控制算法進(jìn)行詳細(xì)地分析和推導(dǎo)。利用 MATLAB 中的 SIMULTNK 動態(tài)仿真工具實(shí)現(xiàn) SVPWM 控制算法的動態(tài)仿真；同時在此基礎(chǔ)上建立 SVPWM 逆變器有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型，詳細(xì)分析了此種情況下系統(tǒng)的動態(tài)性能仿真。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 6 第二章 空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)的理論基礎(chǔ)傳統(tǒng)的 SPWM 控制技術(shù)主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，對電流波形一般只能采取間接控制。而在實(shí)際應(yīng)用中，異步電機(jī)需要輸入電流盡量接近正弦波，從而在空間上形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩。如果對準(zhǔn)這一目標(biāo)，按照跟蹤圓形磁場來控制 PWM 電壓，那么控制效果就會更直接。這就是“磁鏈跟蹤控制”的基本思想。磁鏈的軌跡是靠電壓空間矢量相加得到的，所以這種方法又叫做“電壓空間矢量調(diào)制” ，即 SVPWM。 SVPWM技術(shù)最初是應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的，后來擴(kuò)展成為一種在整流/逆變領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的 PWM 方法。本節(jié)將從傳統(tǒng)的磁鏈跟蹤角度來介紹 SVPWM 技術(shù)的基本原理。 電壓空間矢量的概念電壓空間矢量是按照電壓所加在繞組的空間位置來定義的。電動機(jī)的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標(biāo)系，如圖 。 f?2uA0uB0uC0 )(tU圖 電壓空間矢量這是一個特殊的坐標(biāo)系，A, B, C 分別表示在空間靜止不動的電機(jī)定子三相繞組的軸線，它們在空間互差 120176。三相定子相電壓 UA、 UB、 UC 分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量 、 、 ，它們的方向始終在各相uA0BC0的軸線上，而大小則隨時間按正弦規(guī)律做變化，時間相位互差 120176。假設(shè) 為?相電壓有效值，f 為電源頻率，則有： （21 ）???????????32cos2??tfUttftA安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 7 假設(shè)單位方向矢量 ，則電壓空間矢量相加的合成空間矢量 就??32j? ??tU可以表示為： （22 ）??????eUtUt ftjCBA ???22tt ?????可見 是一個旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，為相電壓峰值；當(dāng)頻率不變??tU時，以電源角頻率 為電氣角速度做恒速同步旋轉(zhuǎn)，哪一相電壓為最大f2???值時，合成電壓矢量就落在該相的軸線上。 三相逆變器的基本電壓矢量圖 所示為三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形軌跡為目標(biāo)，就可以產(chǎn)生諧波少的、且直流電源電壓利用率較高的輸出。圖 中的 V1V6 是 6 個功率開關(guān)管，引入開關(guān)函數(shù) SA, SB 和 SC，分別代表三個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。圖 三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)圖規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為 1；當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時上橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)) ，開關(guān)狀態(tài)為 0。三個橋臂只有“1”和“0”兩種狀態(tài)，因此開關(guān)函數(shù)SX(X=A, B, C)是一個二值變量，上橋臂器件導(dǎo)通時 SX=1，下橋臂器件導(dǎo)通時SX=0 0 (SA, SB, SC)組合在一起，一共有 8 種基本工作狀態(tài)，即：100，110，010，011，001， 101，111，000。其中前六個工作狀態(tài)是有效的，稱做非零矢量；后兩個工作狀態(tài)稱做零矢量?？梢酝茖?dǎo)出，三相逆變器輸出的線電壓矢量 與開關(guān)函數(shù) 的關(guān)系為：??TCABU,??TSCB, (23)?????????????AUdCA10三相逆變器輸出的相電壓矢量 與開關(guān)狀態(tài)矢量 的關(guān)??T,CB??TSCB,系為：安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 (24)?????????????????SCBAUdCBA213式中， 是直流電源電壓或稱總線電壓。式(23)和(24)的對應(yīng)關(guān)系可用表 21Ud來表示。表 21 開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應(yīng)關(guān)系 將表 21 中的八組相電壓值代入式(22) ，就可以求出這些相電壓的矢量和相位角，這八個矢量就稱為基本電壓矢量，可分別命名為 U0(000)，U1(001)， U2（010） ，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)，U7(111)，其中 U0，U7 稱為零矢量。圖 給出了八個基本電壓空間矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同(模長為 2Ud/3)，相鄰的矢量間隔 60176。，而兩個零矢量幅值為零，位于中心。 表 21 中的線電壓和相電壓值是在圖 所示的三相 ABC 平面坐標(biāo)系中。利用 clark 變換，可將三相 ABC 平面坐標(biāo)系中的相電壓轉(zhuǎn)換到 平面坐標(biāo)??系中去。其轉(zhuǎn)換式為： （25）?????????????????UUCBA230132??根據(jù)式((25)，可將表 21 中與開關(guān)函數(shù) SA，SB，SC 相對應(yīng)的相電壓轉(zhuǎn)換成平面直角坐標(biāo)系中的分量，轉(zhuǎn)換結(jié)果見表 22 和圖 ??SA SB SC AUBCUABCA0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 1 3d?d32d0 d?0 1 0 UU?d00 1 1 2ddd0 Ud1 0 0 33d0 1 0 1 Udd?Udd01 1 0 20 Ud1 1 1 0 0 0 0 0 0安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 表 22 開關(guān)函數(shù)與相電壓在 坐標(biāo)系的分量??SA SB SC U??矢量符號0 0 0 0 0 U00 0 1 d61?d2110 1 0 Udd20 1 1 d32?0 U31 0 0 Ud0 41 0 1 d61d21?U51 1 0 Udd61 1 1 0 0` U7圖 在復(fù)平面下三相逆變器的基本電壓矢量圖安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 第三章 有源電力濾波器的研究 有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型建立有源電力濾波器主電路的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上確定其控制系統(tǒng)的控制方案，即電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)的控制方法。電流內(nèi)環(huán)通常采用滯環(huán)控制、三角波比較控制以及電壓空間矢量控制等方法。本章重點(diǎn)研究電壓空間矢量控制并將其與無差拍控制結(jié)合作為電流內(nèi)環(huán)的控制方法，以提高補(bǔ)償電流跟蹤控制的實(shí)時性。為了維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，采用 PI 調(diào)節(jié)器對電容電壓進(jìn)行控制，并給出 PI 參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器主電路如圖 所示，圖中， 為ecba、三相電源電壓，將點(diǎn) O 作為零電位參考點(diǎn)得到的 A, B, C, N 這四個點(diǎn)的電壓可以表示為 、 、 、 ，R 和 L 分別表示主電路交流側(cè)的等效電阻和電uabcun感， 、 、 是有源電力濾波器的補(bǔ)償電流， 是直流側(cè)電容兩端的電壓。icic Udc 圖 三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器的主電路 為了分析方便而忽略了主電路中功率開關(guān)器件的通態(tài)壓降，交流側(cè)接口感的非線性，直流側(cè)電壓的波動，電源內(nèi)阻抗與線路阻抗以及死區(qū)時間的影響。根據(jù)基爾霍夫電壓定律得到有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型為： （31）??????ideuiccbbcaaRtLt并且有： (32)uUSXndcx將式（32 ）代入式（31 ）可得：安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 11 （33）????????euUididccbbc andcaSCRtLBAt假設(shè)是三相對稱系統(tǒng)，則有： （34）???0eicbca先把式(33)中三個式子相加，再將式(34 )代入整理后可得： （35）dSCBA3u???將式（35 ）代入式（33 ）得： (36)???????eUidicdcbbc adcaSABCRtLt32式(36 )即由開關(guān)函數(shù)描述的有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，并且可知三相電壓為： （37 ）??????USABCudccbdca32結(jié)合 SVPWM 技術(shù)中的開關(guān)狀態(tài)與相電壓和線電壓的對應(yīng)關(guān)系可以驗(yàn)證結(jié)果的正確性。 APF 的種類APF 的結(jié)構(gòu)形式很多，但其基本原理都是類似的，按電路拓樸結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型 APF 和串并聯(lián)型 APF。（1）并聯(lián)型 APF 圖 為并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。由于與系統(tǒng)并聯(lián), 可等效為一受控電流源。并聯(lián)型 APF 可產(chǎn)生與負(fù)荷電流大小相等、方向相反的諧波電流, 從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦基波電流。主要適用于抵消非線性負(fù)載的諧波電流、無功補(bǔ)償及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。并聯(lián)型 APF 在技術(shù)上比較成熟。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 12 圖 并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（2）串聯(lián)型 APF圖 為串聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。通過 1 個匹配變壓器將 APF 串聯(lián)在電源和負(fù)載之間, 以消除電壓諧波 , 平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓。與并聯(lián)型 APF 相比, 串聯(lián)型 APF 損耗較大, 且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜。因此, 很少單獨(dú)使用串聯(lián)型APF, 大多將其作為混合型 APF 的一部分。圖 串聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（3）串—并聯(lián) APF圖 為串并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。具有串聯(lián) APF 和并聯(lián) APF 的優(yōu)點(diǎn), 能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的電能質(zhì)量問題, 又稱為萬能 APF 或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串聯(lián)型 APF 將電源和負(fù)載隔離，阻止電源諧波電壓串入負(fù)載和負(fù)載電流流入電網(wǎng)。并聯(lián)型 APF 提供一個零阻抗的諧波支路，把負(fù)載中的諧波電流吸收掉。這種方案兼有串、并聯(lián) APF 的功能，可以抑制閃變、補(bǔ)償諧波、消除共同耦合點(diǎn)處的三相電壓不平衡，具有較高的性價比。該類 APF 的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。圖 串聯(lián)—并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 13 APF 的諧波檢測方法 基于頻域的檢測方法這是最早應(yīng)用于指令電流運(yùn)算的一類方法。其基本思想是利用模擬帶(或陷波)濾波器進(jìn)行諧波檢測時他的缺點(diǎn)是:當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時 ,所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率會發(fā)生偏移,加上該中心頻率易受器件參數(shù)及溫度影響,會使檢測出的諧波信號中含有大量基波分量，增加了 APF 的設(shè)計(jì)容量和有功損耗，因此，已基本不用。 瞬時空間矢量法基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應(yīng)用最廣的一種指令電流運(yùn)算方法。最早是由日本學(xué)者 HAkagi 于 1984 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷地改進(jìn)，現(xiàn)已包括 pq 法、IpIq 法以及 dp 法等。pq 法最早應(yīng)用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網(wǎng)；IpIq 法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn) park 變換的 dq 法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運(yùn)算，而且也適用于不對稱、有畸變的電網(wǎng)。 有功分離法該方法將被檢測量分解為理想傳輸量(即從公共供電點(diǎn)上看去，負(fù)荷是三相對稱且純阻性的,該負(fù)荷只消耗有功能量)和另一分量之和,簡單明了、易于實(shí)現(xiàn)。但該方法以平均有功功率理論為基礎(chǔ)，至少存在一個工頻周期的延時，實(shí)時性較差。 并且當(dāng)電源電壓存在畸變時，與電壓諧波同次的諧波電流 (有功部分)將被淹沒一部分。另外，該方法不能單獨(dú)分離出基波有功分量。 自