【正文】 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。式 314 和式 316 說(shuō)明，雖然單獨(dú)觀察某一相時(shí)，其瞬時(shí)無(wú)功功率不為零，但三相的總和為零，這表明各相的瞬時(shí)無(wú)功功率只是在三相之間交換，其交換的程度由表征。為便于理解，下面的分析中采用功率量。當(dāng)三相 電壓為正弦對(duì)稱時(shí)，為常量。三相電路瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的定義如式 37 、式 38 所示。 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(guò)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。 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(duì)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。這個(gè)指令值實(shí)質(zhì)上對(duì)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(lái)考慮的。 圖 直流電壓 PI 調(diào)節(jié)控制指令電流運(yùn)算電路 將檢測(cè)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)。事實(shí)上，現(xiàn)在已經(jīng)不采用這一方法。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。 3. 3. 傳統(tǒng)的直流電壓控制方法 對(duì)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(guò)一個(gè)二極管整流電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 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。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。有源電力濾波器本身并不能產(chǎn)生能量來(lái)維持電容電壓，所以必須采取一定的措施來(lái)穩(wěn)定直流電壓。欠補(bǔ)償時(shí)會(huì)影響補(bǔ)償?shù)木?，過(guò)補(bǔ)償時(shí)會(huì)增加 APF 的干擾性諧波電流。 直流側(cè)電壓控制策略 APF 要有效地對(duì)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)。按照此種方法進(jìn)行選取時(shí)。 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。 為了以上 控制方法的實(shí)現(xiàn)，約定以下規(guī)則： 1 無(wú)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(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)選擇，中的一個(gè)，使此時(shí)的動(dòng)作開(kāi)關(guān)最少，如：當(dāng)前開(kāi)關(guān)狀態(tài)是 00 010 或 100 時(shí)，觸發(fā)；當(dāng)前開(kāi)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(kāi)關(guān)。 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。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(wú)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。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(kāi)關(guān)頻率且能有效的抑制諧波。也就是選擇合適的。其中六邊形中心到邊的垂直距離即為滯環(huán)帶寬。 圖 電壓空間矢量、誤差電流區(qū)域劃分 而對(duì)于誤差電流，為了便于相電壓對(duì)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(guò)軸，然后逆時(shí)針?lè)较蛞来问嵌奈辶鶇^(qū)域。 .3 空間矢量、區(qū)域的劃分 式 3― 10 式說(shuō)明：為了控制實(shí)際電流跟隨指令電流的變化，必須通過(guò)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。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(duì)于三相VSR，共有 8 條空間電壓矢量，可以選擇。 另外，三相對(duì)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(duì)稱正弦電壓波。 分析不難發(fā)現(xiàn)，三相不同開(kāi)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(lái)。 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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率 [39][51]。利用無(wú)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。無(wú)源性控制主要集中在兩個(gè)方面 :①利用無(wú)源性理論獲得補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，無(wú)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。目前，自適應(yīng)控制在 APF 中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，雖然這種方法具有對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化以及對(duì)未建模部分的動(dòng)態(tài)過(guò)程不敏感、對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程。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。自適應(yīng)控制 Adaptive Control, AC 的目標(biāo)是使控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化，以及對(duì)未建模的動(dòng)態(tài)部分不敏感。目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在知識(shí)處理過(guò)程方面的應(yīng)用研究規(guī)模還很小，還有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Artificial Neural Network, ANN 是一個(gè)由簡(jiǎn)單處理單元構(gòu)成的規(guī)模宏大的并行分布式處理器。對(duì)于 APF 這樣非線性系統(tǒng)而言，建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難又沒(méi)有很好的解決問(wèn)題的方法，采用模糊控制能避開(kāi)建立精確數(shù)學(xué)模型與復(fù)雜系統(tǒng)的矛盾，是一種較好的控制方法。模糊控制 Fuzzy Control FC 系統(tǒng)主要包括模糊化、模糊推理、模糊判決三部分，其最大特點(diǎn)是將專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示成語(yǔ)言控制規(guī)律，然后用這些規(guī)律去控制系統(tǒng)?；?DSP 的 APF 預(yù)測(cè)電流控制方法，通過(guò)預(yù)測(cè)參考電流提高了 APF 的穩(wěn)態(tài)電流跟蹤能力，彌補(bǔ)了采樣帶來(lái)的誤差延時(shí)，如在 PWM波形輸出和控制時(shí)間之間進(jìn)行精密協(xié)調(diào)，可取得很好的控制效果。預(yù)測(cè)控制 Predictive Control PC 是一種基于模型的優(yōu)化閉環(huán)控制算法，它既利用當(dāng)前和過(guò)去的偏差值，還利用預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)估未來(lái)的偏差值，并據(jù)此滾動(dòng)確定當(dāng)前的最優(yōu)輸入策略。但基于 DSP 的重復(fù)控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)必須在穩(wěn)定性和系統(tǒng)性能之間權(quán)衡，目前還缺少解決該問(wèn)題的優(yōu)化方法。采用重復(fù)控制的APF 控制部分由兩條環(huán)路構(gòu)成 :內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，作用是通過(guò)重復(fù)控制使電源電流與電源電壓保持同相位 。 6 重復(fù)控制。使用滑?？刂瓶稍鰪?qiáng)系統(tǒng)的魯棒性，即使在負(fù)載變化時(shí)直流側(cè)電壓也能保持穩(wěn)定。在一定條件下，滑動(dòng)模對(duì)于干擾與系統(tǒng)參數(shù)的變化具有不變性，這也是魯棒控制所需解決的問(wèn)題。 5 滑?？刂?。但該方法也存在缺點(diǎn) ，如計(jì)算量大，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。隨著數(shù)字信號(hào)處理單機(jī)片 DSP 應(yīng)用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。變流器的無(wú)差拍控制的思路是通過(guò)電路理論求得確定脈寬的控制方法，借助微處理器進(jìn)行脈寬計(jì)算使變流器輸出接近理想的正弦波形。 4 無(wú)差拍控制。在使用 DSP 控制 APF 時(shí)，調(diào)試方便，可以很快確定單周控制的設(shè)計(jì)參數(shù)，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。將 DSP 應(yīng)用于采用單周控制方法的 APF 中，可采用單周控制方式或離散單周控制方式以及基于單周控制的 APF 雙環(huán)控制策略。 3 單周控制。滯環(huán)比較方式無(wú)需載波，跟隨誤差小，但開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的。電流跟蹤控制 CurrentTracking Control, CTC 是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各個(gè)器件通斷的 PWM 信號(hào)，控制的結(jié)果應(yīng)保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)的變化。另外，這一方法中，一個(gè)控制周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)只要?jiǎng)幼魅危行У販p少了開(kāi)關(guān)的次數(shù)，從而減少了 APF 的損耗，提高了效率。一該方法簡(jiǎn)單易行，無(wú)需計(jì)時(shí)器，且輸出電壓頻譜連續(xù)。其基本思想是在矢量空間中用有限的靜止矢量去合成和跟蹤調(diào)制波的空間旋轉(zhuǎn)矢量，使合成的空間矢量含有調(diào)制波的信息。 1 空間矢量控制。APF 的電流控制應(yīng)該滿足下面的基本要求 : 1 在很寬的頻帶內(nèi)，沒(méi)有幅值和相角誤差 理想跟蹤 ； 2 很好的動(dòng)態(tài)性能； 3 有限的或恒定的開(kāi)關(guān)頻率以保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件； 4 較高的直流母線電壓利用率。電流跟蹤控制電路正是補(bǔ)償電流發(fā)生電路中的第一個(gè)環(huán)節(jié)，其作用是根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各個(gè)器件通斷的PWM 信號(hào)，控制的結(jié)果應(yīng)保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)的變化。電流內(nèi)環(huán)控制的目的是按電壓外環(huán)輸出的指令電流進(jìn)行指令跟蹤控制，從而產(chǎn)生所需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流；電壓外環(huán)控制主要是為了抑制逆變器直流側(cè)電壓波動(dòng)，維持為設(shè)定的參考值。而且具有很好的實(shí)時(shí)性，計(jì)算量少，更適合電流的快速檢測(cè)。 法的實(shí)質(zhì)是通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生與電壓信號(hào)同相的正 ,余弦信號(hào)，來(lái)代替的三相電壓信號(hào)，而準(zhǔn)確地檢測(cè)出諧波和無(wú)功電流。 與運(yùn)算方法相似，當(dāng)要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需要斷開(kāi)圖 中計(jì)算的通道即可。根據(jù)定義可以計(jì)算出 ,，經(jīng) LPF 濾波得出 ,的直流分量 ,。 該方法中，需用到與相電網(wǎng)電壓。 .2 諧波電流檢測(cè)法 該方法的原理如圖 所示。這也是瞬時(shí)無(wú)功功率理論在電壓、電流均為正弦波時(shí)的例證。從以上各定義可以看出，瞬時(shí)無(wú)功功率中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。即 式中 傳統(tǒng)理論上的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況。 ，相的瞬時(shí)無(wú)功功率， 瞬時(shí)有功功率， 分別為該相瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)無(wú)功電流 瞬時(shí)有功電流 的乘積。而三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率 瞬時(shí)有功功率 為電壓矢量的模和三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流 三相電路瞬時(shí)有功電流 的乘積。 圖 坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量 三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流。、的模；，分別為矢量。由下面的變換可以得到 ,兩相瞬時(shí)電壓 ,和 ,兩相瞬時(shí)電流 , 。下面將要介紹的是以瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流為基礎(chǔ)的理論體系，以及它與傳統(tǒng)功率定義之間的關(guān)系。 .1 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論首先于 1983 年由赤木泰文提出，此后該理論經(jīng)不斷研究逐漸完善。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。 瞬時(shí)無(wú)功功率理論及其應(yīng)用 [6] [7][8][9][10] 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論自上世紀(jì) 80 年代提出以來(lái)，在許多方面得到了成功的應(yīng)用。提出了基于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) RBF Redial Basis Function 相結(jié)合的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法，該檢測(cè)方法計(jì)算量小、檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)?？稍谛盘?hào)的不同部位得到最佳的時(shí)域分辨率和頻域分辨率，但缺乏規(guī)范的最佳小波基的選取方法，缺乏構(gòu)造頻域行為良好，即分頻嚴(yán)格、能量集中的小波函數(shù)。該法主要用于三相三線制；后者可實(shí)現(xiàn) 各次諧波的檢測(cè)，但由于電路損耗大，尚處于探討中。無(wú)法滿足檢測(cè)精度的要求。如快速傅里葉變換 FFT 、瞬時(shí)無(wú)功功率理論與廣義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換、小波變換 WT 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等． 目前， FFT 技術(shù)已成熟。主電路目前均采用 PWM 變流器。其中 ,指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量 ,因此有時(shí)也稱為諧波和無(wú)功電流檢測(cè) 電路。最后在簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析了電力有源濾波器濾波原理。 根據(jù)基爾霍夫電流定律和電壓定理： 圖 APF 的簡(jiǎn)化運(yùn)算圖 消去： 而當(dāng)沒(méi)有接入 APF 時(shí)的 : 比較上式 221 、式 222 、式 221 的等效電路可以由式 222 通過(guò)變換得到，如下圖 ： 圖 阻諧波原理圖 通過(guò)以上分析可知：這種控制策略實(shí)質(zhì)上等效通過(guò)控制有源電力濾波器改善無(wú)源濾波器的諧波阻抗特性的同時(shí)，又增大了電網(wǎng)諧波阻抗，從而可極大提高濾波效果，抑制了電網(wǎng)和 LC 無(wú)源濾波器可能產(chǎn)生的諧振。其原理可以用以下的原理電路來(lái)解釋： 受控電流源變換支路阻抗 如下圖 所示，在原支路上并聯(lián)一個(gè)受控電流源，由于有源單元的加入，其支路等效阻抗為： 上式可以看出支路阻抗由原來(lái)的增大為。 并聯(lián)濾波器濾波原理分析 有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，同時(shí)又能抑制電網(wǎng)和無(wú)源濾波部分產(chǎn)生諧振。 圖 PWM 及開(kāi)關(guān)函數(shù)波形 在圖 中，其中，為 PWM 開(kāi)關(guān)頻率，為對(duì)應(yīng)的相的 PWM 占空比，且。而此時(shí)的電壓可以用相應(yīng)的開(kāi)關(guān)組合函數(shù)來(lái)表示為 如相 ： 如圖 對(duì)應(yīng)兩種開(kāi)關(guān)組合、恰和、對(duì)應(yīng)，那么，對(duì)于 ,相： 另外，對(duì)直流側(cè)電容正極節(jié)點(diǎn)處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得： 把以上式 28， 29， 210 式代