【導(dǎo)讀】畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-有源濾波器諧波控制算法仿真研究。中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書。學(xué)院信電學(xué)院專業(yè)年級電氣工程與自動(dòng)化2021-11學(xué)生姓名XXX. 任務(wù)下達(dá)日期：2021年2月16日。畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求：。流側(cè)電壓控制的基本理論。波，電力有源濾波器作為目前諧波抑制非常行之有效的措施，對它的研究很有價(jià)。本文從電力有源濾波器的原理入手，從結(jié)構(gòu)上和電路原理上分析了電力有源。從降低有源濾波器容量的角度出發(fā)分析目前較為典型的。然后對幾種諧波檢測方法進(jìn)行概述，確定本文選擇目前較為流行的諧波電流。檢測法,接著詳細(xì)分析了基于瞬時(shí)無功功率和無功電的實(shí)時(shí)檢測諧波電流檢測。并聯(lián)電力有源濾波器的基本原理7

　　

【正文】 并實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)或控制策略。自適應(yīng)系統(tǒng)主要有模型參考自適應(yīng)控制 MRAC Model Reference Adaptive Control 和自校正控制STR 系統(tǒng)兩大類。 MRAC 主要在 APF 中用于諧波的檢測和指令參考信號(hào)的修正，并取得了良好的效果。目前，自適應(yīng)控制在 APF 中的應(yīng)用還處于初級階段，雖然這種方法具有對過程參數(shù)的變化以及對未建模部分的動(dòng)態(tài)過程不敏感、對動(dòng)態(tài)過程變化的自適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，但作為一個(gè)實(shí)用化產(chǎn)品的控制方法用于實(shí)際設(shè)計(jì)中，還需要經(jīng)歷一段研究和實(shí)際檢驗(yàn)過程。 11 無源性控制。無源性控制主要集中在兩個(gè)方面 :①利用無源性理論獲得補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，無源性控制能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在負(fù)載未知的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)選擇諧波的 完全補(bǔ)償。②利用無源性理論獲得調(diào)制占空比作為系統(tǒng)的控制信號(hào)。利用無源性方法可以充分利用物理系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從一個(gè)全新的角度――“能量守衡”去解決系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性，能夠保證 APF 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 本論文中采用基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方式。 基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方式 電壓空間矢量滯環(huán)電流控制利用滯環(huán)電流控制響應(yīng)速度快、精度高的特點(diǎn)，同時(shí)又能利用電壓空間矢量降低開關(guān)頻率的優(yōu)點(diǎn)，從而使它能夠快速響應(yīng)電流的同時(shí)，降低了開關(guān)頻率，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率 [39][51]。 .1 三相 VSR 空間 電壓矢量分布 三相 VSR 空間電壓矢量描述了三相 VSR 交流側(cè)相電壓、在復(fù)平面的空間分布，由表達(dá)式如第二章的式 28 ，式 29 ，式 210 ，總共有 8 種開關(guān)狀態(tài)，就對應(yīng) 8 種電壓矢量，開關(guān)狀態(tài)與交流側(cè)輸出電壓的對應(yīng)關(guān)系如表 31。 分析不難發(fā)現(xiàn)，三相不同開關(guān)組合時(shí)的交流側(cè)電壓可以用一個(gè)模為 的電壓空間電壓矢量在復(fù)平面上表示出來。顯然，一個(gè)開關(guān)組合就對應(yīng)一個(gè)空間矢量，總結(jié)發(fā)現(xiàn)復(fù)平面上三相 VSR 空間矢量可由表 定義： （ 31） 表 變流器交流側(cè)開關(guān)狀態(tài)與輸出 電壓 上式可表達(dá)成開關(guān)函數(shù)形式，即： （ 32） 對于任意給定的三相基波電壓瞬時(shí)值、若考慮三相為平衡系統(tǒng)，即則： （ 33） 上式說明，是以同相同角頻率按逆時(shí)針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量。 另外，三相對稱系統(tǒng)都能統(tǒng)一成空間矢量表現(xiàn)形式，既可以用 33 表示三相依次相差 120 度的對稱正弦電壓波。 .2 電壓空間矢量控制原理 三相無中線 VSR 結(jié)構(gòu)中，對于交流側(cè)，由電路定律可得電壓方程： （ 34） 式中 ： 交流側(cè)輸出電壓 ： 電網(wǎng)電壓 ： 交流側(cè)電流矢量 由于交流側(cè)電阻相對電抗很小，可以忽略： （ 35） 若指令電流為，那么實(shí)際的誤差電流表示為： （ 36） 若將式 3― 6 代入式 3― 5 式，化簡得： （ 37） 從式 3― 7 中可以看出，誤差電流，受電網(wǎng)電壓、指令電流的微分、 VSR 交流側(cè)輸出電壓的影響。且若控制方法使得零跟隨誤差，那則三相 VSR 輸出的電壓應(yīng)滿足： （ 38） 根據(jù)基本原理已經(jīng)介紹的并聯(lián)有源濾波器主電路的數(shù)學(xué)模型知道 ：對于三相VSR，共有 8 條空間電壓矢量，可以選擇。顯然，由式 4??7 式可變?yōu)椋? （ 39） 將式 38 代入式 39 ，得： （ 310） 式 310 說明，對于給定的具有零誤差的電流相應(yīng)的參考電壓適量，為了使實(shí)際電流能夠較好的跟隨指令電流的變化，就可以在 VSR 空間矢量中選擇合適的以控制誤差電流的變化率，從而達(dá)到控制誤差電流的目的。 .3 空間矢量、區(qū)域的劃分 式 3― 10 式說明：為了控制實(shí)際電流跟隨指令電流的變化，必須通過式 310 式選擇合適的使誤差電流被限制在滯環(huán)寬度內(nèi)，同時(shí)降低誤差電流的變化率。為了便于分析，在復(fù)平面內(nèi)把式 33 所表示的旋轉(zhuǎn)矢量范圍劃分為六個(gè)區(qū)域，如下圖圖 ： 如圖 所示：和相軸重合，、以分別對應(yīng)、軸，可以認(rèn)為， 對相電流的控制作用最大，、對、相電流的控制作用最大。 圖 電壓空間矢量、誤差電流區(qū)域劃分 而對于誤差電流，為了便于相電壓對相電流控制最大原則，可把也分為六個(gè)區(qū)域，如圖 ：第一區(qū)域 的中線過軸，然后逆時(shí)針方向依次是二三四五六區(qū)域。 在圖中可以看出：最大相電壓矢量和相誤差電流方向同向。其中六邊形中心到邊的垂直距離即為滯環(huán)帶寬。 .4 電壓空間矢量的控制規(guī)則 控制規(guī)則依式 310 而定。也就是選擇合適的。 現(xiàn)分析如下：一旦參考電壓及誤差電流矢量確定后，兩矢量的區(qū)域位置也會(huì)隨之確定，為實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制，需要使所選擇的三相電壓空間矢量達(dá)到使誤差電流變化率與誤差電流矢量的方向始終相反的目的，同時(shí)，分析可知：滿足以上條件的可能會(huì)有幾種，但從實(shí)現(xiàn)電流快速跟蹤的效果來考慮，所選應(yīng)使越大越好，但事實(shí) 上這會(huì)增加晶閘管的開關(guān)頻率，增加有功損耗。所以為限制誤差電流的變化率，應(yīng)該選擇使最小的，這樣不僅能降低開關(guān)頻率且能有效的抑制諧波。 論文采用雙環(huán)控制策略：從式 39 式可以看出誤差電流受指令電流微分、電網(wǎng)電壓、 VSR 交流側(cè)輸出電壓的影響，而對于八個(gè)電壓空間矢量中的零矢量能夠改變誤差電流幅值，非零矢量使實(shí)際電流跟隨指令電流變化。具體做法如下：內(nèi)環(huán)寬度小于外環(huán)寬度 ，以三相電流誤差值作為輸入量，無論在何種情況下，只要當(dāng)時(shí)，就觸發(fā)零電壓矢量以減小誤差電流的幅值，此時(shí)，如果所觸發(fā)的零矢量合適，則誤差電流就又被限 制在內(nèi)環(huán)內(nèi)，若此時(shí)觸發(fā)的零矢量不合適，則誤差電流會(huì)繼續(xù)增加以致超出外環(huán)，那么就要選擇合適的非零電壓矢量使減小。 經(jīng)分析，零電流矢量的觸發(fā)只有部分是合適的，在于：假設(shè) SVR 交流側(cè)流出方向?yàn)楦飨嚯娏鞯恼较颍敲?，對于每一相?yīng)該滿足： （ 311） 為每相的開關(guān)函數(shù)。 圖 滯環(huán)電壓空間矢量控制流程 但觸發(fā)零矢量是主動(dòng)的，此種情況下符合式 311 式的情況只有 l／ 4。也就是說非零電壓矢量的觸發(fā)是必然的。 為了以上 控制方法的實(shí)現(xiàn)，約定以下規(guī)則： 1 無論何時(shí)誤差電流超出內(nèi)環(huán)，觸發(fā)零電壓矢量； 2 當(dāng)誤差電流超出外環(huán)時(shí)，根據(jù)所在的區(qū)域觸發(fā)合適的，與的方向向反，如上分析，滿足與方向向反的可能有多個(gè)，在此選擇最小的一個(gè)； 3 當(dāng)觸發(fā)零矢量時(shí)，根據(jù)當(dāng)前的開關(guān)狀態(tài)來選擇，中的一個(gè)，使此時(shí)的動(dòng)作開關(guān)最少，如：當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)是 00 010 或 100 時(shí)，觸發(fā)；當(dāng)前開關(guān)狀態(tài)為 1101 或 011 時(shí)，觸發(fā) K，這樣每次觸發(fā)僅動(dòng)作一次開關(guān)。 控制規(guī)則流程圖如圖 。 如上所述：的選取需要滿足電流誤差矢量變化率與電流誤差矢量的方向相反，同時(shí) 應(yīng)使變化率盡量小。從圖 中對圪的選擇作具體說明： 首先考慮使最小，那么應(yīng)該選擇，再需要滿足方向條件， 圖 誤差電流所在區(qū)域與的選取 此時(shí)只有同時(shí)滿足條件。按照此種方法進(jìn)行選取時(shí)。區(qū)域與區(qū)域的每種組合和應(yīng)該選取的空間適量有一定的對應(yīng)關(guān)系，如表 所示： 表 區(qū)域與區(qū)域?qū)?yīng)表 區(qū)域 區(qū)域 一 二 三 四 五 六 1 2 3 4 5 6 總結(jié)：滯環(huán)電流空間適量控制方法，具有快速的跟蹤性能，并且對負(fù)載參數(shù)和負(fù)載 的變化不敏感，為了利用的信息，通過設(shè)置外環(huán)來糾正內(nèi)環(huán)觸發(fā)的不合適電壓空間矢量，實(shí)際上間接的利用了誤差電流的變化趨勢，從而使該方法更有效的降低了開關(guān)頻率。 直流側(cè)電壓控制策略 APF 要有效地對系統(tǒng)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，逆變器的直流側(cè)電容電壓就必須保持恒定，從而提供一個(gè)電壓基準(zhǔn)。若直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，就會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償或者欠補(bǔ)償。欠補(bǔ)償時(shí)會(huì)影響補(bǔ)償?shù)木?，過補(bǔ)償時(shí)會(huì)增加 APF 的干擾性諧波電流。因此直流電壓的穩(wěn)定性是很重要的。有源電力濾波器本身并不能產(chǎn)生能量來維持電容電壓，所以必須采取一定的措施來穩(wěn)定直流電壓。 獲得直流電壓的傳統(tǒng)方法是：為直流電容提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源，一般是通過調(diào)壓器和整流電路來實(shí)現(xiàn)。這種方法雖然能夠達(dá)到目的，但需要另外設(shè)計(jì)一套電路，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及成本和損耗。為此，需要通過在原有電路基礎(chǔ)上通過控制方法來實(shí)現(xiàn)直流電壓調(diào)整。 3. 3. 1 直流電壓控制方法 根據(jù)前面的分析可以知道，補(bǔ)償電流發(fā)生電路是并聯(lián)型有源電力濾波器中的主要組成部分。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電壓型 PWM 及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、電流跟蹤控制電路組成，為保證其有良好的補(bǔ)償電流跟隨性能，必須將變流器直流側(cè)電容的電壓控制為一個(gè)適當(dāng)?shù)?值。 3. 3. 傳統(tǒng)的直流電壓控制方法 對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制的傳統(tǒng)方法是，為直流側(cè)的電容再提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源，一般是通過一個(gè)二極管整流電路來實(shí)現(xiàn)的。這種方法雖然能夠達(dá)到控制直流側(cè)電容電壓的目的。但需要另設(shè)一套電路，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而增加了系統(tǒng)的成本、損耗等。況且，直流側(cè)電容電壓的控制只需通過對主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍纯蓪?shí)現(xiàn)，在這種情況下，傳統(tǒng)方法更沒有存在的必要。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)不采用這一方法。 3. 3. PI 調(diào)節(jié)控制方法 目前常使用 PI 調(diào)節(jié)方法，原理如圖 所示。 圖 直流電壓 PI 調(diào)節(jié)控制指令電流運(yùn)算電路 將檢測到的電容兩側(cè)電壓實(shí)際值與給定電壓值相比較，兩者之差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器后得到調(diào)節(jié)信號(hào)。作為實(shí)際的補(bǔ)償電流指令值，就是在原檢測電路中得到的電流指令信號(hào)基礎(chǔ)疊加上保證直流電壓恒定的電流指令值。這個(gè)指令值實(shí)質(zhì)上對控制電路的損耗進(jìn)行補(bǔ)償，有源電力濾波器的損耗是作為瞬時(shí)實(shí)功率分量來考慮的。因此， PI 調(diào)節(jié)后得到的電流指令值 ,疊加到瞬時(shí)有功電流經(jīng)變化后的直流分量上，經(jīng)運(yùn)算在原檢測電路得到的電流指令信號(hào)中包含一定的基波有功電流，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將補(bǔ) 償電流發(fā)生電路根據(jù)指令電流信號(hào)產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將直流電容兩側(cè)電壓調(diào)至給定值。 3. 3. 2 并聯(lián)型有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)的能量交換 對直流側(cè)電壓的控制是由圖 指令電流運(yùn)算電路中點(diǎn)劃線框內(nèi)的部分結(jié)合補(bǔ)償電流發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)的。圖中，是的給定值，是的反饋值，兩者之差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)器后得到調(diào)節(jié)信號(hào)，它疊加到瞬時(shí)有功功率的直流分量上，經(jīng)計(jì)算在指令信號(hào)中包含一定的基波有功電流，補(bǔ)償電流發(fā)生電路根 據(jù)產(chǎn)生補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功電流分量，從而使有源電力濾波器的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將調(diào)節(jié)至給定值。 圖 包括直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)的指令電流運(yùn)算電路 理解這一調(diào)節(jié)過程的關(guān)鍵是要弄有源電力濾波器直流側(cè)和交流側(cè)之間究竟是如何交換能量的。 由三相電路瞬時(shí)無功功率理論可知，三相電路瞬時(shí)有功電流，和瞬時(shí)無功電流的定義如式 35 、式 36 所示。三相電路瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率的定義如式 37 、式 38 所示。與、與之間相差系數(shù)。當(dāng)三相 電壓為正弦對稱時(shí)，為常量。這表明與 , 與成正比。為便于理解，下面的分析中采用功率量。 a, b, c 三相的瞬時(shí)有功功率分別為 （ 312） a, b, c 三相的瞬時(shí)無功功率分別為 （ 313） 由式 312 和式 313 分別得出 （ 314） 由式 314 可知，各相的瞬時(shí)無功功率之和為零。式 314 和式 316 說明，雖然單獨(dú)觀察某一相時(shí)，其瞬時(shí)無功功率不為零，但三相的總和為零，這表明各相的瞬時(shí)無功功率只是在三相之間交換，其交換的程度由表征。因此，對于有源電力濾波器而言，瞬時(shí)無功功率不會(huì)導(dǎo)致其交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換。又由式 315 可知，各相瞬時(shí)有功功率之和等于三相電路瞬時(shí)有功功率。也就是說，對于有源電力濾波器，如果不考慮各部分的損耗，則其 交流