【正文】 在與老師和同學(xué)的交流中，我也獲得了不少的知識(shí)和啟發(fā)，這些都將會(huì)是讓。 也感謝在大學(xué)四年中教過(guò)我的所有老師，和與我一起學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)的同學(xué)們。 感謝各位答辯老師驗(yàn)收和檢閱我這一學(xué)期的學(xué)習(xí)成果，您的指導(dǎo)與建議將是我今后學(xué)習(xí)工作中的寶貴經(jīng)驗(yàn)。在此，我深深地表達(dá)我的感激之心。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 致謝 本論文是在我的導(dǎo)師劉驥 老師 的 耐心 指導(dǎo) 和幫助 下完成的，在這 一學(xué)期 的 畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí) 中，導(dǎo)師以其淵博的知識(shí)，創(chuàng)新的思維，嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和無(wú)微不至的關(guān)懷與指導(dǎo)令我受益 很多 。本文對(duì)空間矢量控制技術(shù)進(jìn)行了詳盡的分析， 并對(duì)其數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了 仿真 。本文提出的是基于瞬時(shí)無(wú)功理論的 pqii? 諧波電流檢測(cè)方法，此方法 可以有效地檢測(cè)出諧波、無(wú)功和負(fù)序等有害電流 并不受電網(wǎng)電壓畸變及不對(duì)稱影響。注入式混合有源濾波器利用基波串聯(lián)諧振電路在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)阻抗很小的特點(diǎn)，將電網(wǎng)基波電壓加在注入電容器 上， 而逆變器只承受很小的諧波電壓，這樣可有效降低 有源濾波器 的容量，從而降低系統(tǒng)成本 。本文介紹了電力系統(tǒng)的諧波危害及治理意義和采取的措施，國(guó)內(nèi)外諧波治理的發(fā)展?fàn)顩r，詳細(xì)的闡述了可用于三相三線制或三相四線制的基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波 電流檢測(cè)算法，注入式混合有源濾波器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，電壓空間矢量的 PWM 控制策略，并在理論分析和仿真上研究的基礎(chǔ)上驗(yàn)證上述算法和控制策略的正確性。進(jìn)而用仿真軟件實(shí)現(xiàn)其仿真技術(shù)，將逆變器輸出波形仿真輸出。首先給出逆變器的原理構(gòu)造圖，將三相輸出電壓轉(zhuǎn)換為 兩相。由各個(gè)模塊可建立 SVPWM 的仿真模型如圖 43 所示： 圖 43SVPWM 仿真模型 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 44 顯示的是空間矢量電壓 refU 在不同時(shí)刻所在扇區(qū)位置，從圖中可看出 refU 從扇區(qū) 623154 循環(huán)變化的規(guī)律。通過(guò)三個(gè)比較寄存器的值與定時(shí)器的值進(jìn)行比較，就可以生成 SVPWM 波形。 則 outU 所在扇區(qū)號(hào) sector 可由下式計(jì)算的出： sec 2 4tor a b c? ? ?…………………………………… (410) 空間矢量 SVPWM 仿真 針對(duì)不同的扇區(qū)， 12TT、 的值的計(jì)算可歸結(jié)為以下 3 個(gè)通用變量的計(jì)算： 2312 2312 2outdcou t ou tdcou t ou tdcUTXUU U TYUU U TZU?????????????????? ??????????? ??? ????? ??????…… ………… ..(411) 在 12T T T??允許范圍內(nèi)， 的幅值 2out dcUU? ，扇區(qū)內(nèi) 12TT、 值可由表 41 給出： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 表 41 基本電壓空間矢量作用時(shí)間 扇區(qū)號(hào) 1 2 3 4 5 6 T1 Z Y Z X X Y T2 Y X X Z Y Z 計(jì)算出 X、 Y、 Z 后可根據(jù)不同扇區(qū)得到 T T2 的值，進(jìn)而可求得功率器件的 開關(guān)時(shí)間 taon、 tbon、 tcon。 6 個(gè)基本電壓矢量將 ??? 坐標(biāo)平面分為 6 個(gè)扇哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 區(qū)，扇區(qū)號(hào)如圖 44 所示。由于每個(gè)矢量作用的時(shí)間都很短 outU 可以表示如下 ： 1 2 6 0 0 0 0 0o u t x xT U T U T U T U?? ? ?………………… (46) 其中， 是零矢量作用的時(shí)間， 0 2 1T T T T? ? ? 。 基本矢量作用時(shí)間的計(jì)算 由于 outU 的幅值軌跡被限于基本空間矢量形成的六邊形之內(nèi)，故其幅最大 為 2dcU 。 12TT、 分別為 xU 和 60xU? 的作用時(shí)間 。矢量合成如圖 43 所示 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 圖 43 電壓空間矢量合成圖 outU 為給定的輸出參考電壓矢量 ,其幅值為輸出線電壓有效值。各基本電壓矢量如圖 42 所示。其中 000， 111 開關(guān)狀態(tài)，逆變器輸出電壓為零，定義為零開關(guān)狀態(tài)。利用功率管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整，就能使產(chǎn)生的電壓空間矢量以預(yù)定軌跡旋轉(zhuǎn)。圖中， Ua、 Ub、 Uc 為逆變器 a、b、 c 三相的輸出相電壓， Uab、 Ubc、 Uca 為其相應(yīng)的輸出線電壓，開關(guān)器件受開關(guān)變量 Sa、 Sb、 Sc 的控制。逆變器輸出的三相對(duì)稱電壓和合成的空間電壓矢量關(guān)系如下所示： ? ?2 2 32 ,3 jou t a b cV V a V a V e ??? ? ? ?………………… ..（ 41） 通過(guò)控制磁通或電壓矢量導(dǎo)通時(shí)間 ,用盡可能多的多邊形磁通去逼近正弦磁通，若采樣時(shí)間足夠小 ,可合成任意電壓矢量 ,其輸出電壓正弦波調(diào)制時(shí)提高 15%,諧波電流有效值之和接近最小。 空間矢量 SVPWM 原理 空間電壓矢量法 (SVPWM)也叫磁通正弦 PWM 法。這種控制方法物理概念清晰，可以采用較低的開關(guān)頻率達(dá)到滯環(huán)比較控制同樣的控制效果。電壓跟蹤控制方法有很多種，空間矢量 PWM、預(yù)估計(jì)電流 PWM、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PWM 控制等。電流跟蹤控制方法可以針對(duì)逆變器的每個(gè)臂來(lái)實(shí)現(xiàn)，因而如果是三相三線制的結(jié)構(gòu)，則對(duì)其三個(gè)橋臂分別采用電流跟蹤控制。 電流跟蹤控制方法主要有三種：周期采樣控制、滯環(huán)比較控制、三角載波控制。當(dāng)檢測(cè)出非線性負(fù)荷需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦?，并?lián)型 有源電力濾波器的目的是控制逆變器使其輸出的電流跟蹤所需要補(bǔ)償?shù)?線性負(fù)荷的諧波電流。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展大功率單相非線性負(fù)載的使用，不斷增加如電力機(jī)車即為一種典型大功率非線性負(fù)載對(duì)單相 APF 的需求越來(lái)越迫切，所以探討新 的諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)方法對(duì) APF 的發(fā)展和推廣具有重要的理論和實(shí)用意義。日本學(xué)者 提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論，為三相電路中的諧波與無(wú)功功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)提供了理論依據(jù)，從而使三相 APF 從實(shí)驗(yàn)室研究走向了實(shí)用化。 pqii? 方法也可用于檢測(cè)電網(wǎng)基波或任意次諧波的負(fù)序分量，只需將參考電壓矢量取為 k 次諧波的負(fù)序電壓矢量 ke 綜上所述，基于瞬時(shí)無(wú)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 功理論 pqii? 諧波檢測(cè)方法 可用圖 31 所示原理予以實(shí)現(xiàn) [36]。提取 pqii、 中的直流分量，經(jīng)過(guò)反變換后即可求得電網(wǎng)基波正序電流分量。 常規(guī)方法計(jì)算的是三相電流矢量 i 在三相電網(wǎng)基波正序電壓合成矢量e 1及其法線上的投影。的原則，構(gòu)造出β相電流，再按 αβ pq 變換來(lái)檢測(cè) a 相基波正序電流。 pqii? 方法也可用于單相系統(tǒng)中諧波電流的檢測(cè)，如可將單相電流看作三相電路中的 a 相電流，并按三相對(duì)稱且正序的原則，構(gòu)造出 b 相和 c 相電流，然后按常規(guī)方法對(duì) a、 b、 c 三相電流進(jìn)行處理，計(jì)算得到的 a 相電流分量即為單相電路對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。 再通過(guò) abc??? 運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)的三相電網(wǎng)電流分量： 012 3 1 2 3 212 32aabci ii ii ???? ? ????? ??? ????? ?????? ?? ???? ?……………… …… (33) 綜合式（ 31）可知： 1132111 2 1 2s in c o s 12c o s s in 03 3 2 3 2aapbbqcciii tti C C ii t tii????? ? ? ??? ????? ? ? ? ????? ???? ? ? ? ??? ??? ?? ????? ? ? ?? ? ? ?……… ...(34) 結(jié)合式（ 33）可得： 11231101 sin c o s2 1 2 3 2c o s sin3 12 32appbqqci iitti C Ct t i ii???????? ? ? ? ???? ???? ? ? ?? ? ? ??????? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ?????……… …… .(35) 此方法可推廣到三相四線系統(tǒng)中應(yīng)用，單相系統(tǒng)和任意次諧波的檢測(cè)以及基波或任意次諧波負(fù)序分量的檢測(cè)。 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波檢測(cè)方法 三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱、無(wú)畸變，通過(guò) abc αβ 運(yùn)算將各相電壓瞬時(shí)值a b ce e e、 、 和各相電流瞬時(shí)值 a b ci i i、 、 變換為 ee??、 和 ii??、 根據(jù)文獻(xiàn) [35]的定義可推出： 1111sin c o sc o s sinpqi iitt Ci t t ?????????? ? ? ? ? ??????? ? ? ? ??????? ?? ? ? ? ???……………… (31) 式中， 1? —— 電網(wǎng)基波電壓的角頻率?；o(wú)功電流檢測(cè)處理時(shí)間較長(zhǎng)，所分離出的無(wú)功和諧波電流與負(fù)載電流相差一段時(shí)間，所以當(dāng)負(fù)載電流變化較快時(shí)，存在一定的誤差。 必須根據(jù)有源電力濾波器不同的補(bǔ)償目的，來(lái)選擇相應(yīng)的高次諧波檢測(cè)方法和補(bǔ)償電流的控制方案。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 第 3章 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè) 諧波及無(wú)功電流檢測(cè)基礎(chǔ)理論 有源電力濾波器的濾波效果如何，主要取決于以下三個(gè)方面： (1)高次諧波的正確檢測(cè)； (2)補(bǔ)償電流的控制方案； (3)主電路的結(jié)構(gòu)。 同時(shí)，根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu) 分析 了 HSHIAPF 的工作原理 。繼而我們又提出了一種注入式混 合有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ——并聯(lián)注入式混合有源電力濾波器 HIHSAPF， 文章中所介紹的 給出了這種濾波器的主電路結(jié)構(gòu)并對(duì)其各部分功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。當(dāng)補(bǔ)償后電源電流的無(wú)功電流和負(fù)序電流為零時(shí)，無(wú)功電流和負(fù)序電流得到了徹底補(bǔ)償。若補(bǔ)償后電源電流中的無(wú)功電流和負(fù)序電流的有效值和幅值明顯減小，就可認(rèn)為有源電力濾波器對(duì)無(wú)功電流和負(fù)序電流進(jìn)行了有效的補(bǔ)償。當(dāng)補(bǔ)償后電源電流總的諧波畸變率小于補(bǔ)償前的諧波畸變率時(shí)，可以認(rèn)為有源電力濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行了有效補(bǔ)償；補(bǔ)償后電源電流總的諧波畸變率越小，補(bǔ)償效果越好；當(dāng)補(bǔ)償后電源電流總 的諧波畸變率為零時(shí)，諧波電流得到了徹底的補(bǔ)償。 有源電力 濾波器對(duì)高次諧波電流補(bǔ)償?shù)男Ч梢杂醚a(bǔ)償前后電源電流的總諧波畸變率 THD（ Total Harmonic Distortion）來(lái)衡量。HSHIAPF 利用基波串聯(lián)諧振支路在基頻處發(fā)生串聯(lián)諧振阻抗很小的特點(diǎn)，將電網(wǎng)基波電壓加在注入電容 CZ 上，而有源部分只承受很小的諧波電壓，這樣可以有效降低有源逆變器的容量 ； HSHIAPF 將整條基波串聯(lián)諧振注入支路作為一條無(wú)源濾波支路和其它無(wú)源濾波支路并聯(lián)構(gòu)成多組無(wú)源電力濾波器，這樣就可以采用不同于現(xiàn)有注入式 APF 的控制方式對(duì)濾波器進(jìn)行控制，進(jìn)而提高系統(tǒng)的濾波性能 ； HSHIAPF 的有源部分和無(wú)源部分是并聯(lián)連接，所以可以利用無(wú)源部分補(bǔ)償系統(tǒng)所需的大容量無(wú)功，而不用增大有源部分的容量。同時(shí)，可以通過(guò)合理配置HSHIAPF 無(wú)源部分的參數(shù)，由 3 條無(wú)源支路提供足夠的無(wú)功功率進(jìn)行無(wú)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 功補(bǔ)償，而且不會(huì)增大 HSHIAPF 有源部分的容量?；旌嫌性礊V波器容量是其輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積，從并聯(lián)混合濾波器的工作原理知道，有源濾波器不承擔(dān)基波電壓，因此有源裝置的容量要小于純并聯(lián)有源濾波器，這也是混合濾波器的的一個(gè)重要特點(diǎn)。 HSHIAPF 有源部分的容量 及諧波補(bǔ)償 在諧波補(bǔ)償容量一定的情況下，采用混合 有源濾波器與采用純有源濾波器相比，混合濾波器有源部分的容量可顯著降低，這是混合有源濾波器裝置成本低的關(guān)鍵所在，也是混合有源濾波器主要優(yōu)勢(shì)之一。在所討論的混合有源濾波器中，有源部分并不直接對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，而是通過(guò)補(bǔ)償電壓 UC 的作用，提高了無(wú)源濾波器濾波效果。同時(shí)，有源濾波器還可以起到阻尼系統(tǒng)串、并聯(lián)諧振的作用。此時(shí)有源濾波器的輸出補(bǔ)償電壓為所有負(fù)載諧波電流流過(guò)無(wú)源濾波器時(shí)產(chǎn)生的電壓。sz 和 zz并聯(lián)諧振的作用。當(dāng)不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的諧波電流時(shí) (即 uSh = 0) ,從式 (3) 還可以看出 ,對(duì)于 iSh而言 ,圖 2 (a) 和圖 2 (c) 是等效的 ,相當(dāng)于在電網(wǎng)支路中串接了一個(gè)諧波阻抗 K ,當(dāng) K 逐步增大時(shí) ,更多的諧波電流將流入并聯(lián)阻抗 Zz 支路。1,ZSSPZZ Z Z ZZ? ? ? ? 代入上式得到： 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 39。式中 , iSh 為電網(wǎng)諧波電流 , K 為控制放大倍數(shù)。39。圖 2 4(b)為只考慮電網(wǎng)諧波電流分量時(shí)的單相等效電路圖 ,ZS 、 ZZ 、 ZR 、 ZP 分別為電網(wǎng)阻抗、注入電容 CZ 的阻抗、 C1 和 L1 的串聯(lián)阻抗、 5 和 7 次濾波支路總的等效阻抗。分別表示電網(wǎng)阻抗、并聯(lián)無(wú)源支路阻抗、注入支路阻抗、基波串聯(lián)諧振支路阻抗。圖中的iS、 iP、 iR、 iZ、 iF。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 23