【正文】 得到有源電力濾波器中PWM逆變器的控制信號(hào)，使主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流。圖4_4中把正弦波形作為調(diào)制信號(hào)波，等腰三角形作為載波信號(hào)，為儲(chǔ)能元件電容C兩端的電壓幅值。當(dāng)載波的瞬時(shí)值低于調(diào)制信號(hào)波時(shí)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(shí)值比較控制，當(dāng)補(bǔ)償對(duì)象與濾波器輸出之差超過(guò)預(yù)定的容許誤差時(shí)，主電路開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作，滯環(huán)電流比較控制是實(shí)際電流與指令電流的上、下限相比較且形成一個(gè)環(huán)帶，并以交點(diǎn)作為開(kāi)關(guān)點(diǎn)。滯環(huán)比較控制方式基本原理是將補(bǔ)償電流的指令信號(hào)與有源電力濾波器主電路輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)和之差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制電力電子器件的通斷，從而控制實(shí)際補(bǔ)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(jiǎn)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(diǎn)。在這種控制方式中，滯環(huán)的寬度對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大影響。當(dāng)滯環(huán)的寬度較大時(shí)，主電路的開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率較低，對(duì)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(shí)，跟隨誤差較小，但主電路的開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)頻率較高在并聯(lián)有源電力濾波器實(shí)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(duì)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(shí)，滯環(huán)比較器輸出保持不變；當(dāng)時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出翻轉(zhuǎn)，假設(shè)后面的主電路無(wú)延遲，則補(bǔ)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(hào)與三角波比較。而是將指令信號(hào)與有源電力濾波器主電路輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)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(hào)，從而使變流器輸出所需要補(bǔ)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(kāi)關(guān)頻率固定，且PWM信號(hào)等于三角載波頻率；輸出補(bǔ)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(dòng)態(tài)響應(yīng)沒(méi)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(diǎn)。 無(wú)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(jì)算量大、容易造成延遲、對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性大從而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)于有源電力濾波器這樣一個(gè)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(duì)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程有自適應(yīng)，但對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化不靈敏；自抗擾控制的抗干擾能力強(qiáng)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制控制精度高、控制方法簡(jiǎn)化；遺傳算法有優(yōu)化運(yùn)算方面的優(yōu)勢(shì)。 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(kāi)關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、控制電路簡(jiǎn)單和良好的穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)，但是一種新的理論，還要等待時(shí)間的檢驗(yàn)。這些方法的應(yīng)用還處于初始階段，無(wú)應(yīng)用實(shí)例，理論性和實(shí)踐性有待進(jìn)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(bǔ)償器的直流電源必須保持恒定。但有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很難將主電路直流側(cè)電壓控制在一個(gè)恒定值，直流側(cè)電壓隨補(bǔ)償電流和補(bǔ)償器工作模式的改變而改變，在允許的給定范圍內(nèi)波動(dòng)。直流側(cè)電壓的波動(dòng)主要來(lái)自于APF補(bǔ)償電流中的諧波及無(wú)功電流造成的能量脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)損耗以及交流側(cè)濾波電感儲(chǔ)能引起的能量脈動(dòng)，其中尤其以諧波電流造成的能量脈動(dòng)所引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)最為明顯。為了減小直流側(cè)電壓波動(dòng)，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(shí)，電容值越小，則直流側(cè)電壓波動(dòng)越大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。電容值越大，則直流側(cè)電壓波動(dòng)越小，但是電容體積和造價(jià)都會(huì)增加。因此，需要綜合考慮兩方面因素，在直流側(cè)電壓波動(dòng)滿足要求下進(jìn)行電容值的選取。設(shè)直流側(cè)電壓Udc的最大允許波動(dòng)電壓為△Udcmax定義電壓波動(dòng)率為: (41)則直流母線電壓最大值和最小值為: (42) (43)對(duì)于非線性負(fù)載來(lái)說(shuō)，其諧波和無(wú)功電流所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率不為零，但一個(gè)周期的平均值為零。當(dāng)有源電力濾波器對(duì)諧波和無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，有源電力濾波器和負(fù)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(wú)功電流得到補(bǔ)償時(shí)，電源只向負(fù)載提供有功電流，即提供負(fù)載消耗的能量，而不再和負(fù)載交換能量。有源電力濾波器、:、負(fù)載和電源之間的能量交換為了簡(jiǎn)化分析，特作以下假設(shè):(1)考慮能量平衡關(guān)系時(shí)，不考慮濾波電感中的儲(chǔ)能。(2)穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓波動(dòng)幅值與直流側(cè)電壓值相比非常小。(3)APF自身?yè)p耗忽略不計(jì)。設(shè)有源電力濾波器交流側(cè)的瞬時(shí)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(shí)值。直流側(cè)電容的瞬時(shí)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(shí)值。忽略諧波補(bǔ)償器的開(kāi)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(xiàng)就是有源電力濾波器的補(bǔ)償容量。假設(shè)有源電力濾波器的補(bǔ)償容量Sc，則由式可得: (4一9)因此,確定了裝置的補(bǔ)償容量和允許的直流側(cè)電壓波動(dòng)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(jì)算出的電容量是在理想條件下得到的，實(shí)際選取電容的容量時(shí)必須留有一定裕度。 直流側(cè)電壓的選擇用理想開(kāi)關(guān)代替實(shí)際開(kāi)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(diǎn)o為參考點(diǎn)，: (410)引入開(kāi)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(jì)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(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，是由采樣時(shí)刻的指令電流Ic*與實(shí)際補(bǔ)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(shí)，即a相的實(shí)際補(bǔ)償電流小于指令電流時(shí)，主電路a相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷。反之，當(dāng)△Ica0時(shí)，即a相實(shí)際補(bǔ)償電流大于指令電流時(shí)，主電路a相上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。這樣使實(shí)際補(bǔ)償電流與指令電流之間的誤差減小，達(dá)到補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的目的。有源濾波器共有8種開(kāi)關(guān)模式，任取其中一種非零開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行分析。設(shè)Sabc =110，對(duì)應(yīng)△Ica0、△Icbo和△IccO，此時(shí)需要增大a相和b相電流同時(shí)減小c相電流，對(duì)應(yīng)開(kāi)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(shí)使Icc減小，此時(shí)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(gè)開(kāi)關(guān)周期中滿足式(419)中的限制條件，考慮到最嚴(yán)重情況有: (420) 上式中，Em為交流側(cè)電源相電壓峰值，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)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(bǔ)償電流不按控制要求變化的情況。對(duì)于其它的開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)器件總有一組中的一個(gè)器件是導(dǎo)通的。開(kāi)關(guān)函數(shù)為： (i=1,2,3…) （51）假設(shè)三相電源電壓之和 ，因?yàn)椋梢缘贸雒枋鲋麟娐饭ぷ髑闆r的微分方程： （52）式中——主電路各橋臂中點(diǎn)與電源中點(diǎn)之間的電壓, ——開(kāi)關(guān)系數(shù),。本文用MATLAB 對(duì)三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)進(jìn)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(fù)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(fù)載，R=15Ω，L=20e3 H。（3）諧波檢測(cè)：采用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的pq 諧波電流檢測(cè)方法。有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制采用之前介紹的負(fù)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(cè)環(huán)節(jié)模塊 諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)模塊（2） PWM 模塊 PWM 模塊（3） 非線性負(fù)荷模塊 非線性負(fù)荷模塊 仿真結(jié)果及分析 為系統(tǒng)母線三相對(duì)稱電流波形， 為非線性負(fù)載電流波形， 為系統(tǒng)電流諧波分量， 為諧波補(bǔ)償電流。 系統(tǒng)母線三相對(duì)稱電流波形 非線性負(fù)載電流波形 系統(tǒng)電流諧波分量 諧波補(bǔ)償電流從圖中的波形圖可以發(fā)現(xiàn)：雖然非線性負(fù)載輸入電流存在很嚴(yán)重的諧波，但通過(guò)有源濾波系統(tǒng)補(bǔ)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(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較好的補(bǔ)償，證明了本次有源電力濾波器仿真的正確性以及的檢測(cè)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(chǎng)的開(kāi)放，電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起廣泛關(guān)注。由于各種非線性負(fù)載應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重。因此，諧波及其抑制技術(shù)己成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外諧波問(wèn)題及其現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，介紹了抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，由無(wú)源濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過(guò)程及其今后APF的發(fā)展趨勢(shì)。介紹了電力諧波的基本概念以及非線性負(fù)荷諧波源的產(chǎn)生和影響，并對(duì)幾種典型的非線性諧波源進(jìn)行了分析。隨后對(duì)非線性負(fù)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(jìn)行了MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該濾波裝置的良好補(bǔ)償性能。有源電力濾波器優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器的顯著特點(diǎn)之一就是它能夠動(dòng)態(tài)地跟蹤負(fù)載諧波電流的變化，對(duì)諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，所以它的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性是其重要的性能指標(biāo)。利用MATLAB 對(duì)有源濾波器進(jìn)行仿真是本次論文的難點(diǎn)，因?yàn)橹拔覍?duì)MATLAB 的了解比較少。但通過(guò)查閱資料，請(qǐng)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(huì)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究、學(xué)習(xí)。通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我對(duì)諧波抑制方面有了比較全面的了解。特別是對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)，特性，控制方式等有了較深的認(rèn)識(shí)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)還鍛煉了我查閱資料、自學(xué)、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，使我了解了基本的科研方法。雖然設(shè)計(jì)有一些問(wèn)題，但都有可能得到很好的解決。由于作者學(xué)識(shí)淺薄，文中一定有諸多不當(dāng)與未盡之處，敬請(qǐng)各位老師、同學(xué)批評(píng)指正。