【文章內(nèi)容簡介】 一些先進的控制策略包括變結(jié)構(gòu)和智能控制，以得到更好的控制性能和效果。（4） 開發(fā)多點諧波抑制的新型APF，通過向網(wǎng)絡(luò)中的幾個優(yōu)選點注入電流，實現(xiàn)多點諧波電壓的綜合治理，是諧波治理更為有效的手段。 本文主要研究內(nèi)容本文以研制一臺三相三線制并聯(lián)型有源濾波器為基礎(chǔ)，對這種電壓源型的有源濾波器進行了以下幾個方面的研究。 （1） 介紹了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成以及其工作原理；從諧波檢測位置的角度出發(fā)，對檢測電流的控制方式和檢測電壓的控制方式分別進行了簡單的分析；詳細地介紹了瞬時無功功率理論；提出了一種以滑窗迭代作為低通濾波的數(shù)字算法，并給出了相應(yīng)的仿真。（2） 給出了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)了一相補償電流的時域解，分析了并網(wǎng)電感對補償電流的影響。介紹了有源電力濾波器的滯環(huán)控制方式，由仿真給出了補償效果。通過對其跟蹤原理的分析，指出了傳統(tǒng)滯環(huán)控制存在的問題，并簡單地介紹了兩種改進型的控制方式。（3） 以全數(shù)字控制為本文的核心內(nèi)容，提出了有源電力濾波器電流環(huán)的PWM載波控制方式。首先以有源電力濾波器的基本電路結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，給出了以PI調(diào)節(jié)器為核心的控制結(jié)構(gòu)，并通過該結(jié)構(gòu)開環(huán)傳遞函數(shù)和閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性分析了其系統(tǒng)性能。建立了有源濾波器交流側(cè)帶C型濾波器時的補償電流與控制電壓及電網(wǎng)擾動之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了此時帶PI調(diào)節(jié)器的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)及其閉環(huán)傳遞函數(shù)。通過對兩種結(jié)構(gòu)的閉環(huán)特征方程以及各自頻率特性分析，指出了PI參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在離散域中建立了整個系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真說明了這種數(shù)字控制方式的諧波補償效果，同時指出了PI調(diào)節(jié)器在有源濾波中的局限性，在非理想因素影響下，其補償效果可能下降。（4） 基于PI調(diào)節(jié)器對周期信號無法實現(xiàn)無靜差補償?shù)木窒扌?，提出了以?nèi)模原理為核心的重復(fù)控制技術(shù)。介紹了重復(fù)控制的基本原理及其控制結(jié)構(gòu)的基本環(huán)節(jié)。在對控制對象進行頻率特性分析的基礎(chǔ)上，給出了重復(fù)控制器各個環(huán)節(jié)的設(shè)計過程，并通過此時電流環(huán)的閉環(huán)特征方程分析了重復(fù)控制增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。最后對重復(fù)控制器模型與PI調(diào)節(jié)器并聯(lián)的系統(tǒng)建立了仿真模型，并通過仿真驗證了重復(fù)控制可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提高諧波補償?shù)木龋豺炞C了PI調(diào)節(jié)器在動態(tài)過程中能夠快速響應(yīng)。對重復(fù)控制在非理想因素影響下的補償效果也做出了仿真分析。（5） 最后本文介紹了本項目的實驗臺架，同時以論文所討論的基本內(nèi)容為基礎(chǔ)，給出了不同情況下的實驗結(jié)果，驗證了這種電流數(shù)字控制的有效性。2 并聯(lián)型APF的工作原理和諧波檢測方法有源電力濾波器是一種用于抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償?？煽朔﨤C濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。在各種有源電力濾波器中，單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器是最基本的一種，也是工業(yè)實際中應(yīng)用最多的一種，它集中體現(xiàn)出了有源電力濾波器的特點。 并聯(lián)型APF的基本原理 并聯(lián)型APF的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖，也是最基本的有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中Vs代表電網(wǎng)電壓，負載則為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。虛線所框起來的部分就是APF，由于它是以一種與負載并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，故被稱為并聯(lián)型APF。它主要由圖示三個部分組成：諧波和無功電流檢測電路，控制脈沖驅(qū)動電路和PWM變換器。諧波和無功電流檢測電路根據(jù)補償要求提取出諧波和無功電流，產(chǎn)生補償指令。當檢測電流時，所檢測的位置可以是負載側(cè)（K2合上，K1打開），或電源側(cè)（K1合上，K2打開），或兩者的綜合（K1，K2均合上）。檢測電壓是近年來所提出的一種檢測控制方式，其選擇的檢測點在APF與電網(wǎng)所連接的點，即檢測公共耦合點PCC（Point of Common Coupling）的電壓。通過電壓與電流之間的關(guān)系，轉(zhuǎn)換出對應(yīng)的諧波電流指令。不同的檢測方法和檢測位置所使用的控制策略是不同的，稍后將作具體分析。根據(jù)檢測電路所產(chǎn)生的補償指令，控制脈沖驅(qū)動電路將采用適當?shù)目刂品椒?，如緒論中提到的滯環(huán)比較控制，三角載波控制等方法，實時地跟蹤補償指令，產(chǎn)生相應(yīng)的諧波和無功電流對應(yīng)的脈沖以驅(qū)動后面的PWM變換電路。圖中的PWM變換電路的模型是一個逆變電路，由電容作為儲能元件。在產(chǎn)生補償電流的時候，能量由直流側(cè)傳遞到交流側(cè)，類似于逆變器工作。但是當電網(wǎng)向APF直流側(cè)的電容充電的時候，能量從交流側(cè)傳遞到直流側(cè)，又類似于整流器工作。因此我們一般不稱之為逆變器或者整流器，而稱為PWM變換器。作為系統(tǒng)的主電路，它負責產(chǎn)生實際的補償電流。當補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波以及無功等電流抵消的時候，就可以得到期望的電網(wǎng)電流，達到改善電網(wǎng)電能質(zhì)量的目的。例如，將負載電流分為基波電流和諧波電流，電網(wǎng)電流為負載電流和APF產(chǎn)生的補償電流之和。當需要補償負載所產(chǎn)生的諧波電流時，APF首先檢測出補償對象負載電流中的諧波分量，根據(jù)圖示的電流方向，將該諧波電流反極性后作為補償電流的指令信號，當補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負載電流中的諧波分量大小相等、方向相反時，兩者互相抵消，使得電源電流中只含有基波，不含諧波。這樣就達到了電源電流中諧波抑制的目的。用公式可以這樣表達： （21） （22） （23）其中表示負載電流的基波分量，表示諧波分量。如果要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，補償負載的無功功率，則只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補償電流與負載電流中的諧波以及無功成分相抵消，電源電流等于負載電流的基波有功分量，實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。（High Pass Filter），簡稱HPF。它主要是用來濾除開關(guān)噪聲附近的諧波電流，以平滑補償電流。 諧波檢測位置及其相應(yīng)控制 檢測電流的控制方式如前面所提到的根據(jù)被檢測電流的位置不同，APF對應(yīng)的控制方式亦不同，可以分為三種：檢測負載電流的控制方式，檢測電源電流的控制方式，和復(fù)合控制方式[47]。為了便于分析，給出并聯(lián)APF的單相等效電路。即為電源電壓，為電源側(cè)電流，為并聯(lián)APF產(chǎn)生的補償電流，為負載電流。如果定義為負載電流與并聯(lián)APF產(chǎn)生的補償電流之和，即，可以把APF與負載一起等效為一電流源，也就是說APF相當于負載的一個可調(diào)并聯(lián)阻抗。 并聯(lián)型APF一相等效電路 檢測負載電流的控制框圖檢測負載電流的控制方式是最基本的，也是通常使用的一種控制方式，它以檢測的負載電流為電流運算電路的輸入信號。，斷開開關(guān)K1，閉合K2即為檢測負載電流的等效電路。令is相對icL的傳遞函數(shù)為Gp(s)，如果以is為輸出，iL為輸入。由于用于產(chǎn)生補償電流的電力電子變換器通常工作在高頻開關(guān)通斷狀態(tài)下，為了消除開關(guān)頻率附近的高次諧波，通常在電網(wǎng)并聯(lián)電力有源濾波器的同時設(shè)置RCL濾波器并聯(lián)在電網(wǎng)中。，Gp(s)主要是由主電路的外部參數(shù)，包括與APF并聯(lián)的高通濾波器HPF的RCL參數(shù)決定的。而Gi(s)是補償電流發(fā)生器的傳遞函數(shù)，它的核心是電流控制器和PWM變換器。一般情況下可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)來等效。這種控制方式，結(jié)構(gòu)簡單，意義明了。但是從圖中我們也可以看出這里以電源電流為輸出，但是并沒有引入電源電流的反饋，而是通過檢測負載電流以產(chǎn)生希望的補償電流去改善電源電流的波形。這種控制方式對電源電流，即我們最終希望控制的對象來說，實際上是一種開環(huán)控制。那么對于環(huán)外的傳遞函數(shù)Gp(s)，其控制效果是有限的。對于HPF來說，因為濾波次數(shù)很高，所以其容量并不要求很大。它的引入能夠很好地消除高次諧波，但是在檢測負載電流的方式下來控制APF，并聯(lián)的HPF可能會引起諧振，造成電源電流畸變，使補償特性變差。這也正是因為產(chǎn)生諧振的傳遞函數(shù)在環(huán)外，不能得到有效控制而造成的。但是作為最基本的控制方式，檢測負載電流的APF仍然是值得學(xué)習(xí)和研究的重點，本論文所討論的有源電力濾波器即采用了這種檢測方法。圖 復(fù)合檢測的控制框圖圖 檢測電源電流的控制框圖針對檢測負載電流控制方式的缺點，提出檢測電源電流的控制方式。既然有源電力濾波器的作用主要是補償諧波，最終使電源電流成為正弦波，那么可以把電源電流處作為檢測點，目的即是通過電源電流的反饋將Gp(s)包含在閉環(huán)內(nèi)，選擇適當?shù)男Ｕh(huán)節(jié)Gc(s)即可以很好地抑制由HPF引起的諧振。但是為了獲得良好的補償特性，要求Gc(s)有比較大的放大倍數(shù)以增大系統(tǒng)的開環(huán)增益，這又給系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)，因為過大的放大倍數(shù)有可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 綜合這兩種方式的優(yōu)缺點，提出復(fù)合控制方式，即同時引入負載電流和電源電流。其中指令電流主要來自負載電流，補償負載中的諧波成分，電源電流通過其校正環(huán)節(jié)，主要是抑制HPF和電網(wǎng)阻抗的并聯(lián)諧振。此時，電源電流并不需要承擔補償諧波電流的主要任務(wù)，所以不需要太大的放大倍數(shù)，這樣就容易保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性了。復(fù)合控制方式綜合了前兩種控制方式的優(yōu)點，是一種比較合理的控制方式。 檢測電壓的控制方式在應(yīng)用中大多數(shù)有源電力濾波器都是通過檢測相關(guān)節(jié)點的電流來計算諧波指令進行諧波補償，這種濾波器在指定的工況下足夠?qū)崿F(xiàn)要求的補償性能。然而在電網(wǎng)的分布情況復(fù)雜時，這種檢測電流方式的APF將帶來很多實際問題[48]，如當電網(wǎng)帶載的情況比較復(fù)雜時，檢測某一位置的電流就顯得不太合適了。近年來，國內(nèi)外許多文獻提出基于檢測公共耦合點的電壓來產(chǎn)生諧波指令的高適用性新型有源濾波器。簡單來說，這種檢測控制方法的基本原理是通過調(diào)制公共耦合點電壓達到使電網(wǎng)電流正弦化的目的。，對于電網(wǎng)來說，通常存在線路阻抗，即圖中電網(wǎng)側(cè)的電感以及線路電阻。如果沒有有源電力濾波器的作用，當諧波源投入電網(wǎng)以后，由于非線性負載引入了諧波電流，該諧波電流必定在電網(wǎng)側(cè)的線路阻抗上產(chǎn)生諧波壓降，從而導(dǎo)致了PCC點的電壓發(fā)生畸變。如果能夠使PCC點的電壓跟隨電網(wǎng)電壓，即將其正弦化，那么很容易理解由于此時落在電網(wǎng)側(cè)線路阻抗上的電壓為正弦，必然使得電網(wǎng)側(cè)的電流為正弦，保證電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量。所以這種控制方式是通過將PCC點電壓正弦化，或者說將電網(wǎng)電壓與PCC點電壓的壓差正弦化（當電網(wǎng)電壓本身存在畸變時），以改善電網(wǎng)側(cè)的電流波形。最初提出來這種有源濾波器是以降低公共耦合點的電壓畸變?yōu)槟繕?，以非線性最優(yōu)化理論為基礎(chǔ)計算出需要由有源電力濾波器注入電網(wǎng)的補償電流。這種結(jié)構(gòu)的前提是電網(wǎng)的畸變電壓可以被量化，同時通過實際測量或者計算就能夠獲得網(wǎng)絡(luò)的阻抗矩陣[49]。然而由于以上存在一些前提的理想化，使得這種結(jié)構(gòu)的實用性不佳。有文獻提出了一種以減弱諧波傳播為核心思想的檢測控制方法，這種方法在減弱諧波傳播的同時也減少了諧波含量。這種檢測電壓的控制方式相對于檢測電流的控制方式來說，最大的好處即是它具有更廣泛的適用性，而且從系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)來分析，這種檢測電壓的控制方式比檢測電流的控制方式具有更高的穩(wěn)定性[48]。 諧波指令的提取與瞬時無功功率理論三相電路瞬時無功功率理論，首先在諧波和無功電流的實時檢測方面得到了成功的應(yīng)用。目前有源電力濾波器中，基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應(yīng)用最多。這一節(jié)將比較詳細的介紹一下瞬時無功功率理論。 瞬時電流和瞬時功率示意圖，此后經(jīng)不斷研究逐漸得到完善?，F(xiàn)已包括pq法[50]、ip iq法[51]和dq法[52]。其中pq法最早應(yīng)用，僅適用于對稱三相且無畸變的市電電網(wǎng)；ip iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且在不對稱三相市電電網(wǎng)的檢測中，相對于pq法來說，檢測誤差要小一些；基于Park變換的dq法，不僅簡化了電網(wǎng)對稱無畸變的電流檢測，而且也適用于不對稱、有畸變的市電電網(wǎng)檢測。 假設(shè)三相電路的電壓和電流瞬時值分別為、和、。為了分析方便，將他們都變換到兩相正交坐標系中。有如下表達式： （24） （25） （26）上式中，和，分別是旋轉(zhuǎn)電壓矢量和電流矢量在坐標系相對于和的投影，、電流相量，以及后面將要定義的瞬時有功電流、瞬時無功電流等變量的示意。 （27） （28）分別表示相量模長，分別表示相量的幅角。，定義三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流分別為相量在向量及其法線上的投影，即： （29） （210） （211）定義三相電路瞬時有功功率（瞬時無功功率）為電壓相量的模和三相電路瞬時有功電流（瞬時無功電流）的乘積，即： （212） （213）將方程（29）、（210）和（211）代入方程（212）、（213）中可以推出： （214） （215）寫成矩陣形式即為： （216）再將（24）和（25）代入上式，即可得出和對于三相電流的表達式： （217） （218）式（217）表明三相電路瞬時有功功率就是三相電路的瞬時功率。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率都是在平均值的基礎(chǔ)上定義的，它們只適用于電壓、電流的波形都是正弦形式的情況。而瞬時無功功率理論中的概念，都是在瞬時值的基礎(chǔ)上定義的[2][6]。因此，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波和任何過渡過程?；谒矔r無功功率理論的檢測法，在只檢測無功電流的時候，可以無延時地得出檢測結(jié)果。檢測諧波電流時，因被檢測對象電流中諧波構(gòu)成和所采用的濾波器的不同，會有不同的延時?？偟恼f來，基于瞬時無功功率理論的檢測方法具有很好的實時性，這對有源