【正文】 因此，對于有源電力濾波器而言，瞬時無功功率不會導(dǎo)致其交流側(cè)和直流側(cè)之間的能量交換。這表明與 , 與成正比。 由三相電路瞬時無功功率理論可知，三相電路瞬時有功電流，和瞬時無功電流的定義如式 35 、式 36 所示。因此， PI 調(diào)節(jié)后得到的電流指令值 ,疊加到瞬時有功電流經(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. 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。這種方法雖然能夠達(dá)到控制直流側(cè)電容電壓的目的。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。因此直流電壓的穩(wěn)定性是很重要的。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。 控制規(guī)則流程圖如圖 。 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)流出方向為各相電流的正方向，那么，對于每一相應(yīng)該滿足： （ 311） 為每相的開關(guān)函數(shù)。 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，分析可知：滿足以上條件的可能會有幾種，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) 上這會增加晶閘管的開關(guān)頻率，增加有功損耗。 在圖中可以看出：最大相電壓矢量和相誤差電流方向同向。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。顯然，一個開關(guān)組合就對應(yīng)一個空間矢量，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針方向勻速旋轉(zhuǎn)的空間矢量。 本論文中采用基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方式。 11 無源性控制。當(dāng)過程動態(tài)變化時，自適應(yīng)系統(tǒng)試圖感受這一變化并實(shí)時地調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)或控制策略。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主要特點(diǎn)是它的信息處理并行機(jī)制可以解決控制系統(tǒng)中大規(guī)模的實(shí)時計算問題，且對復(fù)雜不確定問題具有自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力。模糊控制在 APF 中主要用于電壓跟蹤控制和優(yōu)化占空比上。預(yù)測控制的基本原理可以從三個要素 模型預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正 中體現(xiàn)出來，這三個要素也是預(yù)測控制區(qū)別于其它控制方法的基本特征。外環(huán)為電壓控制環(huán)，作用是在負(fù)載變化時保持 APF的直流側(cè)電壓穩(wěn)定，用 DSP 完成采樣、 A/D 轉(zhuǎn)換和 PWM 波形輸出，能有效抑制負(fù)載電流中的高次諧波，并使電源電流很好地跟蹤參考電流。然而滑模控制的不連續(xù)開關(guān)特性容易引起系統(tǒng)的顫動，這種顫動可能將系統(tǒng)中存在的高頻成分激勵起來，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。滑?？刂? Sliding Mode Control SMC 是一種設(shè)計與分析緊密結(jié)合、具有對模型不確定和對外界擾動不變化及魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)的控制方法，其原理是利用控制的不連續(xù)性，依靠其高頻轉(zhuǎn)換強(qiáng)制閉環(huán)系統(tǒng)到達(dá)并保持在所設(shè)計的滑動面上。 DSP 能滿足無差拍控制的當(dāng)拍計算、當(dāng)拍輸出的要求，克服采樣和計算延時的影響。無差拍控制 DeadBeat Control DBC 方法是根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當(dāng)前的狀態(tài)信息推算出下一采樣周期的開關(guān)控制量，最終達(dá)到使輸出量跟蹤輸入量的目的。所有的控制過程 DSP 實(shí)現(xiàn)單周控制，完成采樣、積分和復(fù)位控制以及變流器門極驅(qū)動信號的實(shí)時輸出。三角波比較方式跟隨誤差大，響應(yīng)慢，但輸出電壓所含諧波少，開關(guān)器件的開關(guān)頻率固定。 2 電流跟蹤控制。 基于 DSP 的 積 分 空 間 矢 量 脈 寬 調(diào) 制 Integral Pulse Width ModulationIPWM 控制方法由于引入了積分開關(guān)，變流器的開關(guān)頻率主要由開關(guān)積分矢量的誤差允許范圍決定，從而使得 IPWM 可以從調(diào)節(jié)采樣頻率、開關(guān)積分矢量誤差允許范圍以及目標(biāo)區(qū)域位置和寬度幾方面優(yōu)化控制策略。 目前， APF 常用的電流控制方法有滯環(huán)電流控制、三角波調(diào)制控制、模糊控制、空間矢量調(diào)制控制、無差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、單周控制、預(yù)測控制等，文獻(xiàn) [31][38]中做了詳細(xì)的介紹，下面對它們進(jìn)行簡要的歸納介紹。 APF 整體的控制電路 如下圖 所示： 圖 APF 原理及控制 有源電力濾波器的電流控制方法 并聯(lián)型有源電力濾波器分為兩大部分，指令電流檢測電路的作用是得出補(bǔ)償電流的指令信號，據(jù)此補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流。 與前面介紹的基于變換的法相比，諧波檢測方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以消除電壓諧波和不對稱電壓的影響，而且將基波分量變換到零頻率處，用 Butterworth 低通濾波器提取基波信號可以消除模擬濾波器的相位問題，且不會造成對有些頻率分量的增大和衰減。這里， ,是由 ,產(chǎn)生的，因此由 ,即可計算出 , ,進(jìn)而計算出 ,。 圖 ,運(yùn)算方式的原理圖 圖中： 。 由上面的推導(dǎo)過程不難證明，當(dāng) ,均為標(biāo)準(zhǔn)正弦波時，則，的值為標(biāo)量且與平均有功功率和平均無功功率相同。 三相電路各相的瞬時無功電流， 瞬時有功電流，是，兩相瞬時無功電流 , 瞬時有功電流 , 通過兩相到三相變換所得到的結(jié)果。分別為矢量在矢量及其法線上的投影。 式中 : 在圖 所示的平面上，矢量， 和，分別可以合成為 旋轉(zhuǎn) 電壓 矢量和電流矢量： 式中， , 分別為矢量。赤木泰文最初提出的理論亦稱理論，是以瞬時實(shí)功率和瞬時虛功率的定義為基礎(chǔ)，最主要的一點(diǎn)不足是未對有關(guān)的電流量進(jìn)行定義。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。 隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 瞬時無功功率理論與廣義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：前者當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，實(shí)現(xiàn)基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量電路的檢測簡單、延時小、實(shí)時性好，用其實(shí)時測量諧波總量有優(yōu)勢，但不能檢測各次諧波。 圖 并聯(lián)有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 諧波電流檢測法 諧波檢測的方法 [30] 諧波檢測的方法較多。 3 并聯(lián)有源濾波器諧波算法及直流側(cè)電壓控制策略 有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成 ,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路 由電流跟蹤控制電路 ,驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成 如圖 所示 。 圖 變阻抗原理 阻抗變換應(yīng)用于 APF 的濾波原理 圖 的單相等效電路如圖 所示，不考慮電壓源諧波的影響，負(fù)載可看作一個諧波電流源，同時 APF 可以看作一個受負(fù)載諧波源，控制的受控電流源。 開關(guān)函數(shù)及占空比間的關(guān)系為： 根據(jù)上式求得傅里葉系數(shù)整理得： 式 27 和 214 215 關(guān)系表明： PWM 占空比實(shí)際上是一個開關(guān)周期上開關(guān)函數(shù)的平均值 顯然： 把式 216 、式 218 代入 式中為高頻分量，在設(shè)計中可以忽略。觀察主電路圖 的運(yùn)行狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，若不考慮交流側(cè)電流流出時的電壓極性，在圖 所示電流流向時，開關(guān)狀態(tài)共有兩種，換句 話說，對應(yīng)每種電流流向就會有相對應(yīng)的兩種開關(guān)組合。為方便分析，先對主電路的開關(guān)邏輯進(jìn)行定義： 忽略功率器件的損耗，根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立三相 VSR 的三相回路方程為： 現(xiàn)確定 ,和的關(guān)系：我們知道，在任何情況下，總有三個功率開關(guān)器件導(dǎo)通，即相對于三個橋臂的上下橋臂必用一個導(dǎo)通，不乏廣泛性，現(xiàn)在取一組開關(guān)組合狀態(tài)，且假定三相的電流方向： ,相電流從 ,點(diǎn)流出 相對變流橋 ，相電流點(diǎn)流進(jìn)。 根據(jù)三相電壓源整流器的特性分析需要，其數(shù)學(xué)模型一般有兩種： 1 采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型； 2 采用占空比描述的一般數(shù)學(xué)模型。 并聯(lián)濾波器主電路的工作原理 把逆變電路中的 SPWM 控制技術(shù)用于整流電路，就形成了 PWM 控制整流電路，通過對 PWM 整流電路的適當(dāng)控制，就可以達(dá)到對交流側(cè) 輸入電壓及其相位的控制，亦可以通過間接方法達(dá)到控制交流側(cè)輸出電流的目的，而本文正是通過對電壓控制而間接控制電流，這將在控制方法中介紹。 基于以上目的論文采用如下結(jié)構(gòu)，如圖 所示： 圖 并聯(lián) APF 混合結(jié)構(gòu) 上圖中，諧波和無功功率主要由 LC 濾波器補(bǔ)償，而有源電力濾波器的作用是改善 LC 濾波器的濾波性能，克服 LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點(diǎn) 。 并聯(lián)型有源濾波器與 LC 濾波器混合使用的方式有兩種：一種是 APF 和 LC的串聯(lián)；一種是 APF 和 LC 的并聯(lián)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)如下圖 。另外， PPF 還可以設(shè)計成高通濾波器，以濾除某一次以上的諧波。它濾除諧波的原理實(shí)質(zhì)上是為電路中的諧波提供一條低阻抗路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可通過濾波器不注入系統(tǒng)。 2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu) 單獨(dú)使用的并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但是，由于變流器直接和電網(wǎng)相連，電網(wǎng)電壓直接加在了變流器端， APF 就需要較大的容量。這方面主要工作包括：采用合理的開關(guān)頻率；選擇適當(dāng)?shù)奈栈芈芬蕴岣哐b置的使用效率；采用過流、過壓保護(hù)技術(shù)及故障診斷技術(shù)，使系統(tǒng)可靠工作； 8 APF 技術(shù)至今未在各國普遍使用的一個重要原因是補(bǔ)償電流的精度檢測等問題始終沒有很好解決。因為大容量受到頻率的限制，如何從兩者中找到一個折中，獲得最佳效果，是值得研究的問題； 6 降低裝置的價格并使其多功能化。 5 器件容量的增大和開關(guān)頻率的提高。從近年來的研究和應(yīng)用中可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢： 1 通過采用 PWM 調(diào)制可提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對高次諧波的有效補(bǔ)償。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來進(jìn)行設(shè)計的。與瞬時值比較方式相比，該方式具有以下特征： 1 硬件較為復(fù)雜； 2 跟隨誤差較大； 3 輸出電壓中諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波； 4 放大器增益有限； 5 器件的開關(guān)頻率固定，且等于三角波的頻率； 6 電流響應(yīng)比瞬時值比較方式慢。若較小，則實(shí)際補(bǔ)償電流跟蹤 指令電流的精度就比較高，但同時它要求半導(dǎo)體器件必須具有較高的開關(guān)頻率，這不僅會增大開關(guān)損耗，還對半導(dǎo)體的開關(guān)性能提出了根高要求；若較大，自然，就會增大，相對應(yīng)的實(shí)際補(bǔ)償電流的跟蹤精度就差，但也降低了半導(dǎo)體的開關(guān)頻率，降低了開關(guān)損耗。設(shè)的方向如主電路圖23 所示，當(dāng) 無論是 IGBT 還是二極管，只要一個導(dǎo)通即可 導(dǎo)通時，換句話說：當(dāng)相上橋臂導(dǎo)通 時，較少，而當(dāng)導(dǎo)通時將增大。最早是由日本學(xué)者 H． Akagi 于 1989 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷的改進(jìn)現(xiàn)已包括法、法和法等。 測方法研究現(xiàn)狀 諧波電流檢測是 APF 的關(guān)鍵，直接影響到補(bǔ)償速度和精度，是補(bǔ)償?shù)暮诵乃凇? 其中是要主電路所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，根據(jù)具體情況，可以僅是諧波，可以同時是諧波和基波無功電流 [1]。詳見圖 。在不同的控制系數(shù)與電路結(jié)構(gòu)下，混合濾波器體現(xiàn)出不同的阻抗特性，靈活性強(qiáng)。一種可能的措施就是采用無源濾波和有源濾波相結(jié)合的技術(shù)口 ，構(gòu)成混合型濾波系統(tǒng)。電壓型濾波裝置效率高，初期投資小，可任意并聯(lián)擴(kuò) 容，易于單機(jī)小型化，適用于電網(wǎng)級諧波補(bǔ)償。 .4 有源濾波器的分類和連接方式 目前投入使用的有源濾波器種類繁多，其分類方法也多種多樣。但總的說來，由于各種條件限制，中國的有源濾波器的實(shí)際應(yīng)用水平不高，范圍不大。目前以西安交通大學(xué)和浙江大學(xué)為代表，他們已經(jīng) 形成了比較系統(tǒng)的研究體系和理論基礎(chǔ)；另外，國內(nèi)的一些研究所也在開展研究工作。其中在日本，已投入使用 的 APF 從 5O kV ??A 到 6O MV??A 功率范