【正文】 制方式,建立了交流側帶RC濾波器的對象模型。進而提出了在數(shù)字電流環(huán)中引入重復控制技術以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，給出了重復控制器各個環(huán)節(jié)的設計過程。最后本文通過實際系統(tǒng)的各種實驗對所論述的內容進行了驗證，并對結果進行了相關分析，實驗結果證明了這種數(shù)字控制方式的有效性。電力電子技術包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個部分，其中以電力電子器件的制造技術為核心[1]。目前，它已逐漸成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。如今許多高新技術均與電網(wǎng)的電流、電壓、頻率和相位等基本參數(shù)的變換與控制相關，現(xiàn)代電力電子技術能夠實現(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和和高效率的處理,為多項高新技術的發(fā)展提供了有力的支持。電力電子技術及其產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并對現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠的影響。至1980年，傳統(tǒng)的電力電子器件已由普通晶閘管衍生出了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等，形成了一個SCR家族，同時各類SCR的性能也有很大改善。80年代以來，微電子技術與電力電子技術在各自發(fā)展的基礎上相結合而產(chǎn)生了一代高頻化、全控型的功率集成器件，從而使電力電子技術進入了新的發(fā)展階段。這些器件有：功率場效應晶體管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）等。如各種各樣的脈寬調制（PWM）電路，零電流零電壓開關諧振電路以及高頻斬波電路等。這些運行可靠的電力電子裝置在機電一體化的載體上開始進入各個應用領域，電力電子已成為世界范圍內的一項重要產(chǎn)業(yè)。PWM電路、諧振電路及高頻斬波電路這些本來用于弱電領域的電路，今已成為電力電子電路的主要形式，而控制這些電路的技術正朝著全數(shù)字化的方向發(fā)展[6][7]。但是，利用開關動作對電能進行有效變換的同時，裝置本身產(chǎn)生了無功電流和高次諧波，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的危害[8]。高次諧波電流流入用電設備會引起諸如旋轉電機和電力電容器的噪音、過熱和振動以致?lián)p壞就是這個所導致的。另外，諧波電流流經(jīng)高壓線路的時候還會造成線路損耗，通過感應電勢對臨近的通訊線路造成干擾。 當今世界科學技術日益更新，電力電子裝置被廣泛應用，從改善電力系統(tǒng)電能質量，保證系統(tǒng)可靠性出發(fā)，提高功率因數(shù)，抑制諧波這兩大課題推動了各種諧波抑制和無功補償技術的競相發(fā)展[9][14]。對于無功補償有：同步調相機，并聯(lián)電容器，靜止無功補償，靜止無功發(fā)生器等。傳統(tǒng)的無源濾波器由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，具有結構簡單、設備投資較少、運行可靠性高、運行費用較低和維護方便等優(yōu)點。隨著功率集成電路技術以及相關的諧波理論的發(fā)展，七十年代提出了應用電力電子裝置進行諧波和無功補償?shù)姆椒?，這就是有源電力濾波器 [15][18]。與無源濾波器相比，有源濾波器具有明顯的優(yōu)勢。 有源電力濾波器(APF)簡介 有源濾波技術的歷史發(fā)展七十年代初有源濾波器的基本原理和電路拓撲結構就已經(jīng)確定，但是由于受到當時功率半導體器件水平以及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗研究階段。自1982年世界第一臺APF（800kVA）在日本研制成功而被正式投入使用以來，經(jīng)過20多年的研究和探索，APF技術得到了長足的發(fā)展，越來越多的APF投入了運行，不論從實現(xiàn)功能還是運行效率上都有明顯改善。與國外廣泛應用APF相比,我國的有源濾波技術的工業(yè)化應用還不夠成熟。隨著我國電能質量治理工作的深入開展,利用APF進行諧波治理將會具有巨大的市場應用潛力,有源濾波技術必將得到廣泛的應用。根據(jù)應用場合的不同，APF可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類。根據(jù)逆變電路的儲能元件不同，有源濾波器可以分為電流源型和電壓源型兩種。電流源型濾波裝置則相對結構簡單、性能可靠，但損耗較大。并聯(lián)型的APF相當于一個受控電流源，可以消除負載引起的諧波電流，也可以補償無功和平衡三相電流。但由于APF是和被補償?shù)闹C波負載并聯(lián)在電網(wǎng)上的，須承受電網(wǎng)的基波電壓，這就使其容量很大，開關損耗也比較高。其主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓源型諧波源負載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。但與并聯(lián)有源濾波器相比，主要缺點是流過很高的負載電流，使得變壓器的體積變大，損耗大；此外串聯(lián)型APF投切、故障后的退出以及各種保護也較為復雜。雖然APF能實現(xiàn)大容量和低損耗以及多功能，但由于受到開關器件的限制，容量的增大往往有限，而且造價隨之增大。 有源濾波器的檢測技術有源濾波器控制的一個重要環(huán)節(jié)是補償指令的獲取，這一環(huán)節(jié)將直接影響到有源濾波器的性能，因為如果不能準確地得到指令信號，電流的控制將無從談起。根據(jù)補償目標，可以對電流進行不同的分解。在不對稱的情況下，還要檢測出電流中的正序、負序以及零序分量（三相三線制中沒有零序分量）。但是這種濾波器的中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性；當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動的時候，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含有較多的基波分量，大大增加了有源電力濾波器的補償容量和運行損耗。l 基于Fryze時域分析的有功電流檢測方法該方法的基本原理是將負載電流分解為兩個正交分量：一個是與電網(wǎng)電壓波形完全一致的電流分量，稱為有功電流分量；另外一個分量為負載電流與有功電流的差值，包含基波無功和諧波，稱為廣義無功電流分量。而且，它僅僅區(qū)分有功電流和廣義無功電流，卻無法將基波無功和諧波電流從基波電流中分離出來，因此這種方法只能適用于全補償?shù)膱龊蟍22]。通過FFT將檢測到的一個周期的諧波信號進行分解，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或傅立葉變換得到所需的誤差信號，再將該誤差信號進行FFT反變換，即可得到補償信號[23]。但是這種方法需要進行FFT變換及其反變換，計算量非常大，因而有較大的時間延遲。l 基于采樣保持原理的諧波電流檢測法此方法將負載電流經(jīng)過一個帶通濾波器得到相電流基波瞬時值，經(jīng)過輸入采樣和保持電路得到相應的數(shù)字信號。用同樣的方法得到另外兩相的直流信號。該方法得到的檢測電路既可以用于諧波抑制、補償功率因數(shù)；又能平衡系統(tǒng)三相功率。但對電路元器件精度要求較高，調整較為困難。僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷的改進現(xiàn)已經(jīng)包括p－q法，ip－iq法以及d－q法等等。本論文將在第二章對瞬時無功功率理論進行更詳細的介紹。自適應檢測法對于市電電壓畸變，頻率偏移以及市電參數(shù)變化有較好的自適應調整能力，且電路簡單，可以應用于三相或者單相電路。l 基于神經(jīng)網(wǎng)絡控制法該方法是隨著神經(jīng)網(wǎng)絡理論在系統(tǒng)中的應用而發(fā)展起來的一種新型智能控制檢測手段[34]。從以上檢測方法看，目前占有主導地位的還是基于瞬時無功功率理論的檢測方法，其性能良好，并且已經(jīng)趨于完善和成熟。 有源濾波器的控制技術補償電流通常是由PWM的電壓源型變換器產(chǎn)生，從電流控制的角度來看，目前有以下幾種方法，三角載波線性控制[35]，無差拍控制[36][37]，滯環(huán)比較控制[38][40]等。該方法的優(yōu)點是動態(tài)響應好,開關頻率固定,實現(xiàn)電路簡單,缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關損耗較大。l 無差拍控制無差拍控制是一種全數(shù)字化控制技術。該方法的優(yōu)點是能夠快速響應電流的突然變化，缺點是對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。采用滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式的優(yōu)點是：硬件電路比較簡單；屬于實時控制方式，補償量響應快。在以上的控制方法中，三角載波法和滯環(huán)比較控制法是目前應用最為廣泛的兩種方法，可以通過多重化技術、自適應滯環(huán)等改進措施來克服固有的缺陷，提高其適用效率。近年來，一些學者又提出了基于內?？刂啤⒒？刂萍吧窠?jīng)網(wǎng)絡控制等的非線性控制方法應用于有源濾波器的電流控制中。 有源濾波器的發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代社會對電能質量要求的日益提高，APF的應用也將日益廣泛。如提高裝置容量、解決控制系統(tǒng)延時、降低設備損耗、提高補償效果及提高性價比等等。（1） 通過采用PWM調制及提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現(xiàn)高次諧波的有效補償。當容量大于5MVA時，通常采用GTO及多重化技術進行諧波補償。（3） 為適應APF多功能復雜控制的需要，采用一些先進的控制策略包括變結構和智能控制，以得到更好的控制性能和效果。 本文主要研究內容本文以研制一臺三相三線制并聯(lián)型有源濾波器為基礎，對這種電壓源型的有源濾波器進行了以下幾個方面的研究。（2） 給出了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的電路結構，建立了相應的數(shù)學模型。介紹了有源電力濾波器的滯環(huán)控制方式，由仿真給出了補償效果。（3） 以全數(shù)字控制為本文的核心內容，提出了有源電力濾波器電流環(huán)的PWM載波控制方式。建立了有源濾波器交流側帶C型濾波器時的補償電流與控制電壓及電網(wǎng)擾動之間的關系，并在此基礎上推導了此時帶PI調節(jié)器的電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)及其閉環(huán)傳遞函數(shù)。在離散域中建立了整個系統(tǒng)的仿真模型，通過仿真說明了這種數(shù)字控制方式的諧波補償效果，同時指出了PI調節(jié)器在有源濾波中的局限性，在非理想因素影響下，其補償效果可能下降。介紹了重復控制的基本原理及其控制結構的基本環(huán)節(jié)。最后對重復控制器模型與PI調節(jié)器并聯(lián)的系統(tǒng)建立了仿真模型，并通過仿真驗證了重復控制可以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提高諧波補償?shù)木?，也驗證了PI調節(jié)器在動態(tài)過程中能夠快速響應。（5） 最后本文介紹了本項目的實驗臺架，同時以論文所討論的基本內容為基礎，給出了不同情況下的實驗結果，驗證了這種電流數(shù)字控制的有效性。可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。 并聯(lián)型APF的基本原理 并聯(lián)型APF的系統(tǒng)構成原理圖，也是最基本的有源電力濾波器的系統(tǒng)結構圖。虛線所框起來的部分就是APF，由于它是以一種與負載并聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，故被稱為并聯(lián)型APF。諧波和無功電流檢測電路根據(jù)補償要求提取出諧波和無功電流，產(chǎn)生補償指令。檢測電壓是近年來所提出的一種檢測控制方式，其選擇的檢測點在APF與電網(wǎng)所連接的點，即檢測公共耦合點PCC（Point of Common Coupling）的電壓。不同的檢測方法和檢測位置所使用的控制策略是不同的，稍后將作具體分析。圖中的PWM變換電路的模型是一個逆變電路，由電容作為儲能元件。但是當電網(wǎng)向APF直流側的電容充電的時候，能量從交流側傳遞到直流側，又類似于整流器工作。作為系統(tǒng)的主電路，它負責產(chǎn)生實際的補償電流。例如，將負載電流分為基波電流和諧波電流，電網(wǎng)電流為負載電流和APF產(chǎn)生的補償電流之和。這樣就達到了電源電流中諧波抑制的目的。如果要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，補償負載的無功功率，則只要在補償電流的指令信號中增加與負載電流基波無功分量反極性的成分即可。（High Pass Filter），簡稱HPF。 諧波檢測位置及其相應控制 檢測電流的控制方式如前面所提到的根據(jù)被檢測電流的位置不同，APF對應的控制方式亦不同，可以分為三種：檢測負載電流的控制方式，檢測電源電流的控制方式，和復合控制方式[47]。即為電源電壓，為電源側電流，為并聯(lián)APF產(chǎn)生的補償電流，為負載電流。 并聯(lián)型APF一相等效電路 檢測負載電流的控制框圖檢測負載電流的控制方式是最基本的，也是通常使用的一種控制方式，它以檢測的負載電流為電流運算電路的輸入信號。令is相對icL的傳遞函數(shù)為Gp(s)，如果以is為輸出，iL為輸入。，Gp(s)主要是由主電路的外部參數(shù)，包括與APF并聯(lián)的高通濾波器HPF的RCL參數(shù)決定的。一般情況下可以用一個一階慣性環(huán)節(jié)來等效。但是從圖中我們也可以看出這里以電源電流為輸出，但是并沒有引入電源電流的反饋，而是通過檢測負載電流以產(chǎn)生希望的補償電流去改善電源電流的波形。那么對于環(huán)外的傳遞函數(shù)Gp(s)，其控制效果是有限的。它的引入能夠很好地消除高次諧波，但是在檢測負載電流的方式下來控制APF，并聯(lián)的HPF可能會引起諧振，造成電源電流畸變，使補償特性變差。但是作為最基本的控制方式，檢測負載電流的APF仍然是值得學習和研究的重點，本論文所討論的有源電力濾波器即采用了這種檢測方法。既然有源電力濾波器的作用主要是補償諧波，最終使電源電流成為正弦波，那么可以把電源電流處作為檢測點，目的即是通過電源電流的反饋將Gp(s)包含在閉環(huán)內，選擇適當?shù)男Ｕh(huán)節(jié)Gc(s)即可以很好地抑制由HPF引起的諧振。 綜合這兩種方式的優(yōu)缺點，提出復合控制方式，即同時引入負載電流和電源電流。此時，電源電流并不需要承擔補償諧波電流的主要任務，所以不需要太大的放大倍數(shù)，這樣就容易保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性了。 檢測電壓的控制方式在應用中大多數(shù)有源電力濾波器都是通過檢測相關節(jié)點的電流來計算諧波指令進行諧波補償，這種濾波器在指定的工況下足夠實現(xiàn)要求的補償性能。近年來，國內外許多文獻提出基于檢測公共耦合點的電壓來產(chǎn)生諧波指令的高適用性新型有源濾波器。對于電網(wǎng)來說，通常存在線路阻抗，即圖中電網(wǎng)側的電感以及線路電阻。如果能夠使PCC點的電壓跟隨電網(wǎng)電壓，即將其正弦化，那么很容易理解由于此時落在電網(wǎng)側線路阻抗上的電壓為正弦，必然使得電網(wǎng)側的電流為正弦，保證電網(wǎng)側的電能質量。最初提出來這種有源濾波器是以降低公共耦合點的電壓畸變?yōu)槟繕?，以非線性最優(yōu)化理論為基礎計算出需要由有源電力濾波器注入電網(wǎng)的補償電流。然而由于以上存在一些前提的理想化，使得這種結構的實用性不佳。這種檢測電壓的控制方式相對于檢測電流的控制方式來說，最大的好處即是它具有更廣泛的適用性，而且從系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)來分析，這種檢測電壓的控制方式比檢測電流的控制方式具有更高的穩(wěn)定性[48]。目前有源電力濾波器中，基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應用最多。 瞬時電流和瞬時功率示意圖，此后經(jīng)不斷研究逐漸得到完善。其中pq法最早應用，僅適用于對稱三相且無畸變的市電電網(wǎng)；ip iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且在不對稱三相市電電網(wǎng)的檢測中，相對于pq法來說，檢測誤差要小一些；基于Park變換的dq法，不僅簡化了電網(wǎng)對稱無畸變的電流檢測，而且也適用于不對稱、有畸變的市電電網(wǎng)檢測。為了分析方便，將他們都變換到兩相正交坐標系中。 （27） （28）分別表示相量模長，分別表示相量