【正文】 得到有源電力濾波器中PWM逆變器的控制信號，使主電路產(chǎn)生補償電流。圖4_4中把正弦波形作為調(diào)制信號波，等腰三角形作為載波信號，為儲能元件電容C兩端的電壓幅值。當(dāng)載波的瞬時值低于調(diào)制信號波時PWM逆變器輸出高電平，否則輸出低電平。分別用高低電平去控制PWM逆變器電力電子期間的導(dǎo)通和關(guān)斷。滯環(huán)控制是一種電流瞬時值比較控制，當(dāng)補償對象與濾波器輸出之差超過預(yù)定的容許誤差時，主電路開關(guān)元件動作，滯環(huán)電流比較控制是實際電流與指令電流的上、下限相比較且形成一個環(huán)帶，并以交點作為開關(guān)點。滯環(huán)比較控制方式基本原理是將補償電流的指令信號與有源電力濾波器主電路輸出的實際補償電流信號和之差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過比較器的輸出來控制電力電子器件的通斷，從而控制實際補償電流的變化，如圖4_5所示。滯環(huán)比較控制方式具有硬件電路簡單、電流響應(yīng)快、不需要載波輸出電壓中不含有特定頻率諧波分量等特點。在這種控制方式中，滯環(huán)的寬度對補償電流的跟隨性能有較大影響。當(dāng)滯環(huán)的寬度較大時，主電路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率較低，對元器件要求不高，但是跟隨誤差較大；反之滯環(huán)的寬度較小時，跟隨誤差較小，但主電路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率較高在并聯(lián)有源電力濾波器實際應(yīng)用中，滯環(huán)比較控制方式環(huán)寬的選取至關(guān)重要。環(huán)寬的選取是根據(jù)電力系統(tǒng)絕對電流變化的要求決定的，電流畸變的邊界值是總電流的5％左右。用H表示滯環(huán)比較控制方式的環(huán)寬，時，滯環(huán)比較器輸出保持不變；當(dāng)時，滯環(huán)比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，假設(shè)后面的主電路無延遲，則補償電流的變化方向隨之改變。這樣就在H和H之間變化，即在H和+H之間范圍內(nèi)呈鋸齒波狀跟隨變化。三角波比較電流跟蹤控制與一般三角波作為載波的PWM控制方式不同，不是直接將指令信號與三角波比較。而是將指令信號與有源電力濾波器主電路輸出的實際補償電流信號之差缸經(jīng)放大器后與高頻三角波比較，得到矩形脈沖作為有源電力濾波器主電路元器件的控制信號，從而使變流器輸出所需要補償電流。放大器往往采用比例放大器或比例積分放大器。原理如圖4．6所示。 三角波比較方式具有元器件開關(guān)頻率固定，且PWM信號等于三角載波頻率；輸出補償電流含有諧波較少，但含有與三角載波相同頻率的諧波；但是動態(tài)響應(yīng)沒有滯環(huán)比較快、放大器增益有限、三角載波頻率影響元器件等工作特點。 無差拍控制能快速反應(yīng)電流的突然變化，特別適合快速暫態(tài)控制，但是由于計算量大、容易造成延遲、對系統(tǒng)參數(shù)依賴性大從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對于有源電力濾波器這樣一個非線性多變量系統(tǒng)而言這種策略很少采用。 自適應(yīng)控制對動態(tài)變化過程有自適應(yīng)，但對過程參數(shù)的變化不靈敏；自抗擾控制的抗干擾能力強；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制控制精度高、控制方法簡化；遺傳算法有優(yōu)化運算方面的優(yōu)勢。 單周控制（OneCycle Control，occ）不存在暫態(tài)誤差，是一種非線性控制方法，具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強、控制電路簡單和良好的穩(wěn)定性能等優(yōu)點，但是一種新的理論，還要等待時間的檢驗。這些方法的應(yīng)用還處于初始階段，無應(yīng)用實例，理論性和實踐性有待進一步研究。 為了保證有源電力濾波器正常工作，直流側(cè)電壓作為補償器的直流電源必須保持恒定。但有源電力濾波器在實際運行時，很難將主電路直流側(cè)電壓控制在一個恒定值，直流側(cè)電壓隨補償電流和補償器工作模式的改變而改變，在允許的給定范圍內(nèi)波動。直流側(cè)電壓的波動主要來自于APF補償電流中的諧波及無功電流造成的能量脈動、開關(guān)損耗以及交流側(cè)濾波電感儲能引起的能量脈動，其中尤其以諧波電流造成的能量脈動所引起的直流側(cè)電壓波動最為明顯。為了減小直流側(cè)電壓波動，直流側(cè)電容必須有一定的容量要求。當(dāng)直流側(cè)電壓一定時，電容值越小，則直流側(cè)電壓波動越大，影響有源電力濾波器的補償效果。電容值越大，則直流側(cè)電壓波動越小，但是電容體積和造價都會增加。因此，需要綜合考慮兩方面因素，在直流側(cè)電壓波動滿足要求下進行電容值的選取。設(shè)直流側(cè)電壓Udc的最大允許波動電壓為△Udcmax定義電壓波動率為: (41)則直流母線電壓最大值和最小值為: (42) (43)對于非線性負載來說，其諧波和無功電流所產(chǎn)生的瞬時功率不為零，但一個周期的平均值為零。當(dāng)有源電力濾波器對諧波和無功電流進行補償時，有源電力濾波器和負載之間有能量交換，需要直流側(cè)電容提供能量交換緩沖。如果忽略有源電力濾波器系統(tǒng)存在損耗，這一緩沖電容只是周期性地吸收和釋放能量，不需要電源提供能量。而當(dāng)諧波和無功電流得到補償時，電源只向負載提供有功電流，即提供負載消耗的能量，而不再和負載交換能量。有源電力濾波器、:、負載和電源之間的能量交換為了簡化分析，特作以下假設(shè):(1)考慮能量平衡關(guān)系時，不考慮濾波電感中的儲能。(2)穩(wěn)態(tài)時，直流側(cè)電壓波動幅值與直流側(cè)電壓值相比非常小。(3)APF自身損耗忽略不計。設(shè)有源電力濾波器交流側(cè)的瞬時功率為Pc(t): (44)上式中，uc(t)、ic(t)分別為有源電力濾波器交流側(cè)的三相電壓、電流瞬時值。直流側(cè)電容的瞬時功率為Pdc(t): (45)上式中，udc(t)、idc(t)分別為直流側(cè)電壓、電流瞬時值。忽略諧波補償器的開關(guān)損耗，則有 (46)將式帶入上式: (47)由上式兩邊積分得: (48)上式右邊的積分項就是有源電力濾波器的補償容量。假設(shè)有源電力濾波器的補償容量Sc，則由式可得: (4一9)因此,確定了裝置的補償容量和允許的直流側(cè)電壓波動之后，就可根據(jù)式(4一9)確定電容的容量。需要注意的是，所計算出的電容量是在理想條件下得到的，實際選取電容的容量時必須留有一定裕度。 直流側(cè)電壓的選擇用理想開關(guān)代替實際開關(guān)器件，忽略系統(tǒng)的阻抗，可得并聯(lián)型APF等值電路。 假定e為系統(tǒng)電壓，直流側(cè)電容電壓為Udc，其中電壓都以系統(tǒng)中性點o為參考點，: (410)引入開關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc，定義為: (411)相應(yīng)APF交流側(cè)相電壓為: (412)不計零軸分量，則有: (413)由式(410)、(411)、(412)得: (414)把(414)帶入式(412)，則APF交流側(cè)相電壓: (415)將(415)代入(410)，忽略APF交流側(cè)電阻影響，得: (416)APF主電路開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，是由采樣時刻的指令電流Ic*與實際補償電流ic作差得到的△Ic。的極性決定的。以a相為例，當(dāng)△IcaO時，即a相的實際補償電流小于指令電流時，主電路a相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷。反之，當(dāng)△Ica0時，即a相實際補償電流大于指令電流時，主電路a相上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。這樣使實際補償電流與指令電流之間的誤差減小，達到補償電流跟蹤指令電流的目的。有源濾波器共有8種開關(guān)模式，任取其中一種非零開關(guān)模式進行分析。設(shè)Sabc =110，對應(yīng)△Ica0、△Icbo和△IccO，此時需要增大a相和b相電流同時減小c相電流，對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)為a相和b相上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷，c相上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通。將Sabc=110代入(416)得: (417)為了控制電流變化，需要使Ica、Ice增大同時使Icc減小，此時應(yīng)滿足: (418)由式(417)和(418)得: (4 19)如果要跟蹤電流的變化，就要在一個開關(guān)周期中滿足式(419)中的限制條件，考慮到最嚴重情況有: (420) 上式中，Em為交流側(cè)電源相電壓峰值，為了實現(xiàn)對電流變化的跟蹤，直流側(cè)電壓必須大于交流側(cè)電源相電壓的3倍，否則將出現(xiàn)補償電流不按控制要求變化的情況。對于其它的開關(guān)組合情況，也可得到相同結(jié)論。5 有源電力濾波器仿真分析 仿真電路及主要參數(shù)目前，有源電力濾波器大多采用并聯(lián)型，下面給出三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。 三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖所示，主電路工作情況是由6 組開關(guān)器件的通斷組合所決定的。通常，逆變器同一相的上下兩組開關(guān)器件總有一組中的一個器件是導(dǎo)通的。開關(guān)函數(shù)為： (i=1,2,3…) （51）假設(shè)三相電源電壓之和 ，因為，可以得出描述主電路工作情況的微分方程： （52）式中——主電路各橋臂中點與電源中點之間的電壓, ——開關(guān)系數(shù),。本文用MATLAB 對三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)進行仿真研究，仿真電路 所示。主要參數(shù)為：（1）電網(wǎng)：三相理想電壓源為380V，50Hz。（2）非線性負載：電力系統(tǒng)的典型諧波源——三相橋式全控整流器。整流器的直流側(cè)為阻感性負載，R=15Ω，L=20e3 H。（3）諧波檢測：采用基于瞬時無功功率理論的pq 諧波電流檢測方法。有源電力濾波器補償電流控制采用之前介紹的負載電流控制方式。 并聯(lián)型有源電力濾波器仿真圖其中，各部分模塊圖具體如下：（1） 諧波電流檢測環(huán)節(jié)模塊 諧波電流檢測環(huán)節(jié)模塊（2） PWM 模塊 PWM 模塊（3） 非線性負荷模塊 非線性負荷模塊 仿真結(jié)果及分析 為系統(tǒng)母線三相對稱電流波形， 為非線性負載電流波形， 為系統(tǒng)電流諧波分量， 為諧波補償電流。 系統(tǒng)母線三相對稱電流波形 非線性負載電流波形 系統(tǒng)電流諧波分量 諧波補償電流從圖中的波形圖可以發(fā)現(xiàn)：雖然非線性負載輸入電流存在很嚴重的諧波，但通過有源濾波系統(tǒng)補償后，系統(tǒng)輸入電流已經(jīng)接近正弦波，基本符合電力工程低電壓系統(tǒng)電流諧波指標的標準。從上面的仿真圖表明，并聯(lián)型有源電力濾波器能夠?qū)θ嗾鳂蜃韪行苑蔷€性負荷產(chǎn)生的諧波進行比較好的補償，證明了本次有源電力濾波器仿真的正確性以及的檢測及控制方式的可行性。6 總結(jié)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及電力市場的開放，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負載應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴重。因此，諧波及其抑制技術(shù)己成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文首先對國內(nèi)外諧波問題及其現(xiàn)狀進行了描述，介紹了抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，由無源濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過程及其今后APF的發(fā)展趨勢。介紹了電力諧波的基本概念以及非線性負荷諧波源的產(chǎn)生和影響，并對幾種典型的非線性諧波源進行了分析。隨后對非線性負荷諧波源建立了數(shù)學(xué)模型，并用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出了結(jié)論。研究了有源電力濾波器的控制方法，構(gòu)建了有源電力濾波器，進行了MATLAB仿真實驗，仿真結(jié)果驗證了該濾波裝置的良好補償性能。有源電力濾波器優(yōu)于傳統(tǒng)的無源濾波器的顯著特點之一就是它能夠動態(tài)地跟蹤負載諧波電流的變化，對諧波電流進行動態(tài)補償，所以它的動態(tài)補償特性是其重要的性能指標。利用MATLAB 對有源濾波器進行仿真是本次論文的難點，因為之前我對MATLAB 的了解比較少。但通過查閱資料，請教老師后我發(fā)現(xiàn)這種仿真軟件上手還是比較容易的，而且功能非常全面，以后我會對其進行進一步研究、學(xué)習(xí)。通過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我對諧波抑制方面有了比較全面的了解。特別是對濾波器的結(jié)構(gòu)，特性，控制方式等有了較深的認識。本次畢業(yè)設(shè)計還鍛煉了我查閱資料、自學(xué)、分析問題、解決問題的能力，使我了解了基本的科研方法。雖然設(shè)計有一些問題，但都有可能得到很好的解決。由于作者學(xué)識淺薄，文中一定有諸多不當(dāng)與未盡之處，敬請各位老師、同學(xué)批評指正。