《并联电压型有源电力滤波器的研究论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《并联电压型有源电力滤波器的研究论文.docx（42页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。
1、有源电力滤波器作为一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了传统无源电力滤波器的不足。本文应用基于瞬时无功功率理论的谐波检测法包括：一夕检测法、4-4检测法、ip-ig检测法，然后对1检测法作了改进，得出了一种基于ip-ig法的电流平均值检测法，该方法具有较快的动态响应速度。对比分析了两种补偿电流的控制方法：三角波比较控制法、滞环比较控制法的特点。为了验证各种检测方法和控制方法的正确性，本文用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块SimPoWerSyStemSBk)CkSet对整个三相并联电压型有源电力滤波器进行了仿真研究。该系统仿真
2、模型结果准确，验证了检测算法和控制方法的有效性，能实时反映动态过程变化。关键词：谐波电流；有源电力滤波器；谐波补偿；瞬时无功功率理论；仿真AbstractAsanidealdevicetoeliminateharmoniccurrentandimprovepowerfactor,activepowerfiltercancompensatetheharmonicandreactivepowerwithvariablebothoffrequencyandamplitude,anditmakesupthedrawbackofthepassivepowerfilter.Inthispaper,theh
3、armonicdetectionmethodbasedontheinstantaneousreactivepowertheoryisused,itconsistsofthep-qdetectionmethod,d-qdetectionmethodandip-iqdetectionmethod,thenitmakesimprovementsonip-iqdetectionmethod.Aftertheabove,thepaperproposesanotherdetectionmethodwhichbasedontheip-i(/averagecurrent,andthismethodhasafa
4、sterdynamicresponsespeed.Thentakethesetwokindsofcompensationcurrentcontrolmethodintocomparativeanalysis:triangularwavecomparecontrolmethodandhysteresiscomparecontrolmethod.Inordertovalidatethecorrectionofdifferentdetectionandcontrolmethods,thethree-phaseshuntvoltageparallelactivepowerfilterwassimula
5、tedinMATLAB/SIMULINKbyusingSimPowerSystemsBlockset.Thesimulationresultiscorrect,provesthevalidityofthedetectingandcontrolmethodswhichcanreflectdynamicchange.Keywords:Harmoniccurrent;Activepowerfilter;Harmoniccompensation;Instantaneousreactivepowertheory;Simulation第1章概述11.1 课题研究的背景11.2 谐波的危害和无功功率的影响1
6、1.3 谐波的抑制方法21.4 有源电力滤波器的发展历史及研究现状31.5 本文的主要工作4第2章有源电力滤波器52.1 有源电力滤波器的基本原理和分类52.2 有源电力滤波器的系统构成72.3 本章小结10第3章谐波和无功电流检测113.1 三相瞬时无功功率理论113.2 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法133.3 本章小结17第4章有源电力滤波器控制方法184.1 三角波比较法184.2 滞环比较法194.3 主电路直流侧电容电压的控制194.4 本章小结21第5章三相并联电压型有源电力滤波器的仿真225.1 三相谐波源的仿真225.2 谐波与无功电流检测方法的仿真235.3 补
7、偿电流控制方法的仿真295.4 对直流侧电压控制的仿真325.5 三相并联电压型有源电力滤波器的整体仿真335.6本章小结36结论37参考文献38致谢39第1章概述1.1 课题研究的背景随着电力电子技术的飞速发展，在现代工业、企业和运输部门中，各种电力电子设备，如晶闸管整流和变流装置得到了广泛的应用，同时在居民用电设备中，各种家用电器相当普及。这些负荷虽然在节省电能、提高生产效率和生活质量等方面起着重要作用，但由于它们的非线性和多样性特点，使得大量的谐波与无功电流注入电网，对公用电网的供电质量和用户设备的安全可靠运行造成了严重威胁；另一方面，现代工商业、企业和居民用户对供电质量也提出了很高的要
8、求，尤其是IT产业的迅猛发展使得人们更加依赖于数字化设备所提供的信息服务，而数字化设备对供电质量的要求更高。近年来出现的用户电力技术（CUStOmPOWer）W就表明信息时代的电力用户已经对电能质量提出了明确的要求，因而对改善电能质量的研究已刻不容缓。谐波与无功电流是影响电能质量的主要因素。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以，抑制谐波和改善功率因数已成为电力电子技术、电气自动化、电力系统、理论电工等领域中的重要研究课题。1.2 谐波的危害和无功功率的影响1.2.1 谐波的危害理想的公用电网提供的电压，应该具有单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波的产生，对公用电
9、网是一种污染。近些年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染问题日益严重，由此引发的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性已经引起人们的高度关注。对公用电网和其他系统，谐波危害大致表现如下几个方面：（1）使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率。大量3次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾。（2）影响各种电气设备的正常工作。如谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压、使变压器铁损增大、出现局部严重过热。另外，谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。（3）引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，进
10、而导致谐波放大，甚至引起严重事故。（4）致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。（5）对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1.2.2 无功功率的影响基波无功功率对公用电网的影响有以下几个方面网：（1）增大设备的容量。无功功率的增加，将导致电流和视在功率增大，从而使发电机、变压器及其它送配电设备的容量和导线容量增加，同时也使用户的起动和控制设备、测量仪器仪表的尺寸和规格增大。（2）使设备和线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路损耗增加。（3）使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性无功功率负载，还
11、可能使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。1.3 谐波的抑制方法1.3.1 传统谐波抑制方法由于谐波对电网和用电设备造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题十分关心和重视。传统的谐波抑制方法有两大类，一类是对产生谐波源装置本身进行改造的方法，另一类是设置谐波滤波器装置的方法。对于第一类方法，目前主要有：增加整流相数；采用多重化接线方式；采用先进的控制技术如PWM技术，谐波消去优化法；限制变流装置的容量；加入滤波环节等。尽管这些措施可以有效地减少谐波，但由于一些电力电子装置的工作机理所决定，必然要产生一定量的谐波。第二类方法，目前普遍采用由交流电抗器、电容器和电阻适当组合而成的LC无源滤波器
12、，这种方法既可抑制谐波又可补偿无功功率，而且结构简单、技术成熟、运行可靠、维护方便，一直被广泛使用。1.3.2 有源电力滤波器抑制谐波有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了无源电力滤波器的不足，具有比无源电力滤波器更好的补偿性能，是一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：（1）具有高度的可控性和快速的响应性。（2）能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿变化的无功功率且大小连续可调，有一机多用的特点。（3）补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需的储能元件容量也不大。
13、（4）即使补偿对象的电流过大，也不会发生过载，仍能继续运行。（5）受电网阻抗的影响小，不易和电网阻抗发生谐振。（6）能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响。（7）既可单独对一个谐波源补偿，也可以同时对多个谐波源集中补偿。（8）控制电路容易实施限流保护，体积较小，重量较轻。由于以上优点，有源电力滤波器已成为抑制谐波和改善功率因数的重要方法，受到了极大的关注。随着容量的不断提高,有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。1.4 有源电力滤波器的发展历史及研究现状1.4.1 有源电力滤波器的发展历史20世纪70年
14、代初期，日本学者首先提出了有源电力滤波器的概念。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi又提出：利用大功率晶体管组成的PWM逆变器来构成APF,以消除电网谐波。由于受当时功率半导体器件水平以及控制方法的限制，APF的研制一直处在实验阶段6进入20世纪80年代后，随着电力电子技术及控制技术的飞速发展、大功率可关断器件（GTR、GT0、IGBT等）的不断进步、以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1983年日本学者H.Akagi提出的瞬时无功功率理论，为APF的实际应用提供了必要的条件。又经过20多年的研究和探索,有源滤波技术得到了长足的发展,越来越多的APF投入了运行，不论是在实际
15、功能还是在运行效率上都有了明显的改善。目前，APF已用在提高电能质量、调节三相电力系统中的终端电压、抑制电压波动、改善电压平衡以及抑制谐波和改善功率因数等问题上。1.4.2 有源电力滤波器的国内外研究现状有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、德国西门子公司等。据统计，仅在日本，自1981年以来，己有500多台APF投入运行，其容量范围从50KVA到60MVA越来越宽，功能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。国内对APF的研究也十分
16、活跃，技术上已经比较成熟，但仍处于实验阶段。有关APF的研究主要集中在并联型和混合型。并联型APF的研究最为成熟，主要以理论和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、APF的稳态和动态特性分析等。虽然在理论上取得了一定的进展，但由于多方面条件的限制，至今未有并联型APF的正式产品用于实际。目前，以高速数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字量控制的电能质量调节装置所取代。随着DSP性价比的不断提高，用DSP控制APF已成为当今和未来技术发展的一个新热点
17、。此外，大功率电力电子技术、控制技术的不断发展使APF的成本也将不断降低,加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用前景。1.5 本文的主要工作本文的主要工作包括以下几个方面：（1）阐述了谐波的概念、谐波与无功功率的危害、谐波的抑制方法、有源电力滤波器的发展历史、国内外研究现状，在此基础上介绍了有源滤波器的基本原理。（2）在介绍瞬时无功功率的基础上，分析比较了基于瞬时无功功率理论的四种谐波电流检测法。（3）对比分析了以下两种控制方法的基本原理：三角波比较控制方法、滞环电流比较控制方法。（4）最后在Matlabzsimulink环境下对三相并联电压型有源电力滤波器系统进行了仿真。应用了基于瞬时
18、无功功率理论的谐波检测法：p-q法、d-q法、ip-iq法和改进的基于ip-i,法的电流平均值法，并且比较了补偿电流跟踪控制的两种方法：三角波比较法、滞环比较法的特点。第2章有源电力滤波器2.1 有源电力滤波器的基本原理和分类2.1.1 有源电力滤波器的基本原理APF的构成与基本工作原理如图2-1所示。从图中可以看出APF由两大部分组成：指令电流运算电路及补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。指令电流运算电路的核心是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分量；补偿电流发生电路的作用是产生补偿电流使其跟随由指令电流运算电路得到的补偿电流的指令信号。其中，电流跟踪控制电
19、路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流的相互关系，产生对电力电子器件的通断进行控制的逻辑信号。驱动电路将逻辑信号变换为驱动主电路电力电子器件的驱动信号，控制其通断。主电路用来产生补偿电流。有源电力滤波器APF图2-1并联型APF基本工作原理APF的基本原理是：从补偿对象中检测出谐波电流乙，由补偿装置产生一个与谐波电流乙大小相等、方向相反的补偿电流i,则谐波源产生的谐波就可以抵消，即电源电流乙中只含有基波分量如果要求电力有源滤波器在补偿谐波的同时，也补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的无功分量方向相反的电流成分即可，这样补偿电流与负载电流中的谐波和无功成分相抵
20、消，电源电流就等于负载电流的基波有功分量。根据此原理，对于三相APF,还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿。另外，作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，在电网向APF直流侧储能元件充电时作为整流器工作，由于其既能工作在逆变状态又能工作在整流状态，故可称作变流器。2.1.2 有源电力滤波器的分类从不同的角度出发，APF有不同的分类方法，根据用户使用的电源类型是直流电源还是交流电源，APF可分为直流APF和交流APF；根据接入系统的相数不同，APF分为单相APF和三相APF；根据主电路的形式不同，APF分为单个主电路型和多重叠加主电路型；根据直流侧储能元件的不同，AP
21、F又分为电压型和电流型；根据APF和电网连接方式的不同，APF分为并联型、串联型、串一并联型，这是目前对APF分类的主要方法，其中串联型和并联型又可以继续细分为不同的类型，如图2-2皿所示：图2-2APF的分类2.2 有源电力滤波器的系统构成2.2.1 并联型有源电力滤波器(1)单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型APF的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型皿o由于其补偿电流基本上是APF提供的，为与其它方式相区别称为单独使用方式，如图2-3所示：这是APF最基本的方式，也是目前应用最广泛的一种类型，可用于补偿谐波、无功功率、三相不对称电流、电压波动等。(2)与LC滤波器混合使用的
22、有源电力滤波器这种方式的APF分为与LC滤波器并联使用和与LC滤波器串联使用两种类型,如图2-4所示。图2”与LC滤波器混合使用的APF该方式的基本思想是利用LC滤波器来分担APF的部分补偿任务。由于LC滤波器结构简单、易于实现且成本低，而APF的补偿特性好，两者相结合克服了单独使用时容量大、成本高的缺点，使整个系统获得良好的性能。图a）中APF与LC无源滤波器联入电网两者同承担补偿谐波的任务。LC无源滤波器包含多组单调谐滤波器及高通滤波器，主要负责补偿较高次的谐波，承担了绝大部分补偿任务APF的作用是改善整个系统的性能其所需容量与单独使用时相比大大降低。理论上，凡使用LC滤波器的场合均存在与
23、电网阻抗发生谐振的可能，因此在这种并联使用方式中，需要对APF进行有效的控制来抑制可能发生的谐振。图b）中APF与LC无源滤波器串联使用的方式，这种方式的谐波与无功电流主要由LC滤波器补偿，而APF用来改善LC滤波器的滤波特性：克服LC滤波器易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。该方式中，APF不承受交流电源的基波电压，因而装置的容量小。由于APF与LC滤波器一起仍是与负载并联接入电网,故仍将其归入并联型。（3）注入电路方式注入电路是为降低APF容量而提出的又一种方式。该方式用电感构成注入回路,利用电感、电容电路的谐振特性，使APF只需要承受一小部分的基波电压，从而大大地减小了APF的
24、容量冈。根据电感、电容电路谐振特性的不同，注入电路可以分为电感和电容式注入电路、两段电容LC串联谐振式注入电路，如图2-5所示：图a）为采用电感和电容构成的注入电路。由于电感对谐波的阻抗大而对基波的阻抗小，电容对谐波的阻抗小而对基波的阻抗大，故APF产生的谐波补偿电流通过电容流到负载，基波电流几乎全部都流入到电感器，因此APF里不需要产生基波电流,从而减小了APF的容量。图b）为采用电感和两段电容构成的注入电路。该注入电路中的C分成了G和C2,并使C2和L在基波频率处发生谐振，则在APF上不再施加基波电压，因此APF的容量只需满足谐波分量的容量即可，使容量大大降低。2.2.2 串联型有源电力滤
25、波器串联型APF是通过一个匹配变压器将APF串联于电源与负载之间，它与并联型APF不同,主要用来补偿可以看作是电压源的谐波源，比如采用电容滤波的整流电路。针对这种谐波源，串联型APF输出补偿电压，以抵消由负载产生的谐波电压，使供电点的电压波形成为正弦波。串联型APF与并联型APF可以看作是对偶关系。串联型APF包括单独使用方式和与LC滤波器混合使用方式，如图2-6所示：a）单独使用b）与LC滤波器混合使用图2-6串联型APF图2-69a）为单独使用的串联型APF。由于串联型APF损耗较大，各种保护电路也比较复杂，所以很少单独使用，多数情况下是与LC无源滤波器混合使用，如图2-6b）o这种方式是
26、在负载和LC无源滤波器与电网电源之间串入APF,谐波基本上由LC无源滤波器补偿，而APF只是为了改善LC无源滤波器的滤波性能而设置的。可以把APF看作是一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波呈现出高阻抗，迫使谐波电流不流入电网，而流入LC滤波器。这样，APF起到了谐波隔离器的作用，可以抑制电网阻抗对LC无源滤波器的影响，避免了电网与LC无源滤波器之间发生谐振的可能，从而极大地改善了LC无源滤波器的性能。2.2.3 串一并联型有源电力滤波器串一并联型APF组合了串联型APF和并联型APF的优点，能解决电网中发生的各种各样的电能质量问题，故又称为统一电能质量调节器，在柔性交流输电中得到了广泛的应
27、用。串一并联型APF的原理如图27所示。图中，APFI和输出变压器7；组成动态电压调节器，通过变压器7；的二次侧在电路的输入端与负载串联，负责对电网输出电压的波动和谐波进行补偿。APF2和滤波电感L组成APF,通过L在电路的输出端与负载并联，负责对负载所需的谐波与无功电流进行补偿。直流电容g既是直流滤波电容，也是APFz的储能电容。图2-7串一并联型APF这种结构兼有串、并联型APF的功能，既能对电网电压波动、跌落、浪涌和谐波进行补偿，又能对负载电流中的谐波与无功分量进行补偿，从而消除了负载与电网之间的相互干扰和污染。2.3 本章小结本章介绍了有源电力滤波器的基本原理、分类，和系统构成等。有源
28、电力滤波器由两大部分构成：指令电流运算电路及补偿电流发生电路。从不同的角度，有源滤波器有不同的分类方法。最后对有源滤波器的系统构成中的并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器、串一并联有源电力滤波器做了详细介绍。第3章谐波和无功电流检测准确地、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是APF进行精确补偿的关键。谐波电流检测方法主要有以下几种：模拟带通滤波器(或陷波器)检测法、基于频域分析的快速傅立叶变换FFT检测法、基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法。在三相系统中，基于瞬时无功功率理论的检测法是比较常用的检测方法。3.1三相瞬时无功功率理论三相瞬
29、时无功功率理论是日本学者赤木泰文于1983年首先提出来的，此后经不断的研究逐渐得到了完善I*。基于瞬时无功功率理论的检测法现己包括p-q法、ip%法和办,法。Py法应用最早，适用于三相对称且无畸变的公用电网；ip-ig法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效；基于同步旋转Park变换的&夕法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。基于瞬时无功功率理论的检测法具有较好的实时性，在三相电路中得到了广泛的应用，但其使用的乘法器多、计算量大，调整困难，难以保证检测精度，而且不能用于单相电路。目前该方法在三相APF的电流检测方法中占据了主导
30、地位。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、ehe(和。、八、乙。为分析问题方便，把它们变换到a-/两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到a、两相瞬时电压e。、外和/两相瞬时电流71e=032eb(3-1).=C32lb(3-2)l.Iajl-1/2-1/2-式中q=0)2-如图3-1所示的a/平面上，电压相量工和电流相量；分别由小句和合成:(3-3)e=Q+%=e4i=ia+ifl=izi式中e、j为相量e、i的模，e。,分别为相矢量e、i的幅角。三相电路瞬时有功电流乙和瞬时无功电流iq分别为矢量；在矢量G及其法线上的投影。即in=icos。p(3-4)iq=isin式中。=4一0。
31、三相电路瞬时无功功率4(瞬时有功功率P)为电压矢量E的模和三相电路瞬时无功电流iq(瞬时有功电流ip)的乘积。即P=eipP(3-5)把式(3-4)、R=e-iea=ecoses%=ecos时带入式(3-5)中，并写成矩阵形式得出Pl=FaJpUM(3-6)_，f-%!_.j_传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值或相量基础上定义的，它只适用于电压、电流都是正弦波的情况，而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值基础上定义的，因此，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论相似，可认为是传统理论的推广和发展。基于瞬时无功功率理论的检
32、测法,在检测无功电流时，可以无延时地检测出结果;而在检测谐波电流时，由于被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器不同，会有不同的延时，但最多不超过一个周期。对于电网中最典型的谐波源，如三相桥式整流器，其检测延时约为1/6周期，具有很好的实时性。3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法3.2.1 PF检测法该检测方法的原理如图3-2所示。图中上标表示矩阵的逆。图3-2 一 9检测法原理图该方法根据定义算出p、q,经低通滤波器(LPF)得p、q的直流分量万、q0电网电压波形无畸变时，万为基波有功电流与电压作用所产生，干为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由万、亨即可计算出被检测电流i、
33、4的基波分量I”、%、icf(3-7)1P=C23C;L将%、力、%与、%、相减，即可得出、%、4的谐波分量骁、儿、(3-8)ia-iafib-ibf当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开图3-2中计算q的通道即可。这时，由万即可计算出被检测电流1的基波有功分量%、1碗、心为将K、力、与Mi,相减，即可得出4的谐波分量和无功分量之和。由于采用了LPF求取p、q的直流分量，故当被检测电流发生变化时，需要经过一定的延时才能得到准确的直流分量。但当只检测无功电流时，则不需要LPF,直接将q反变换即可得到无功电流，因而无延迟时间。此
34、时的无功电流为：(3-10)3.2.2 ip检测法该检测方法的原理图如图3-3所示。图3-3ip检测法原理图图中sin-costz、C=(3-11)-costyr-sin&:=CC32ih(3-12)1.1C该方法中，需要用到与。相电网电压e,基波分量同相位的正弦信号Sind和对应的余弦信号-CoSar,sinH相当于电压矢量。的CoS4,一COSar相当于电压矢量。的sin。,，它们由一个锁相环(PLL)和一个正余弦信号发生电路得到。根据定义计算出,iq,经LPF滤波得出ip,ig的直流分量)，这里,是由如，力，L产生的，因此，与,夕运算方式相同，由斤，彳即可计算出%,%,%,进而计算出%,
35、J的谐波分量骁，加，骁。iqf-I-%=C23C,T=C23(3-13).iqiq与-4检测法相似，当要检测出谐波和无功电流之和时，只需断开图3-3中的ig计算通道。当只检测无功电流时，只要对，进行反变换。3.2.3 基于ip-i,法的电流平均值检测法上述提到的P-4检测法和ipTg检测法均用到了LPF。若使用模拟滤波器来实现,则动态响应慢，过渡时间长；若使用数字滤波器来实现，虽然动态响应快，过渡时间短，但其实现相当复杂，计算量也较大。电流平均值检测法是在检测法基础上改进的一种电流检测方法，它不使用传统的滤波器，而是利用电流的结构特点，由平均值原理得到与基波分量对应的直流量，进而检测出谐波与无
36、功分量，具有较快的动态响应速度。电流平均值检测法是以一个计算电流ip、ig平均值的模块来代替ipTg检测法中的LPF,得到与滤波器同样的效果。通过此模块得到的平均值即为与电流基频成分对应的直流量M。假设三相电流对称，设被检测的负载谐波电流为：K=/5SinkW+4)Jk=I怯=/nd*%+4(3-14)=lLV3)_S(2zc=wsinkt+-+kJt=ILI5)_上式中=1,2,3：G为角速度；几和4分别为4次谐波的幅值和相位。由图3-3知，工、4通过Gz矩阵变换后的有功电流分量)、为：4wcos(+l)yr-=CC 32(3-15)=1-,nsinK+1)7Jiqdt二63.2.4 dp检
37、测法4夕法是目前实时检测谐波和无功的主要方法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，并且适用于不对称有畸变情况下的电流增量检测。瞬时三相电流或电压变换到d-q坐标上为：cost(3-18)一 Sinm, I2-sin t + -I3.2-sin t + -I3(3-19)121212d-q检测法的原理如图3-4所示，d轴电流直流分量口与负载基波有功功率相对应,夕轴电流直流分量L与负载基波相位移的无功功率相对应,d轴电流交流分量口和夕轴电流交流分量1分别与高次谐波的有功功率和无功功率相对应，故。和I；经LPF后即得到与基波对应的有功分量和无功分量。d-q变换计算谐波的原理如下图所示：图3-4d-
38、q检测法原理与）法类似，当要检测谐波与无功电流之和时，只需断开图3-4中ig的通道即可。d-q变换是将静止坐标系中的相量变换到以基波旋转的坐标系中，变换后的信号与原信号频率相差一个基波频率。3.3 本章小结本章在介绍瞬时无功功率理论的基础上，阐述了P-4、d-9谐波检测法的原理。由于这三种检测方法传统上均采用模拟低通滤波器，模拟低通滤波器的截止频率、阶数等方面的选择会对检测准确度有很大的影响，因此在）谐波检测法的基础上得出了一种改进的基于ip-（电流平均值检测法，该方法通过计算电流）、平均值的模块来代替）Tg检测法中的LPF,由此提高检测的实时性和检测精度。第4章有源电力滤波器控制方法APF是
39、一种消除电网谐波的有效工具，其核心部件是控制器，它通过产生开关器件的驱动脉冲来控制APF的行为，从而实现对谐波与无功电流的动态补偿。并联型有源电力滤波器的电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制方法主要有两种，即三角波比较控制法和滞环比较法，这两种方法也是APF中普遍采用的方法。4.1 三角波比较法与传统的用三角波作为载波的SPWM控制方式不同，三角波比较控制不是直接将指令信号与三角波进行比较，而是将指令信号与补偿量信号的差值作为误差信号，经过放大器A之后再与三角波进行比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器，如图4-1所示。图4/三角波比较法原理图三角波比较法将i；与的
40、偏差加.经放大器A之后再与高频三角调制波比较，产生控制主电路中开关器件通断的PWM信号。这样组成的系统是基于把M控制为小来进行设计的。采用三角波比较法的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，且等于三角波的频率，有利于简化器件的选择和器件保护的设计，而且动态响应好，对高频开关频率的系统有较好的控制特性；缺点是逆变器始终处于高频工作状态，输出电压中所含谐波较少但还有与三角载波同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，放大增益有限，在大功率应用中受到限制。虽然该方法跟随误差较大，但可以使用提高三角载波频率、采用多重化技术的方法来削弱这种影响IO4.2 滞环比较法滞环比较法是目前应用非常广泛的一种非线性闭环
41、电流控制方法。它利用滞环比较器形成一个以。为中心、H和-H为上下限的滞环或死区，通过把补偿电流和指令电流的差值控制到规定的滞环宽度（误差限）范围之内，来控制逆变器的开关动作。其工作原理如下图所示：图4-2滞环比较法的原理图在该方式中，把补偿电流的指令信号i；与实际的补偿电流信号进行比较，两者的偏差加/乍为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流（的变化。采用这种控制法时，滞环的带宽是固定的，这对补偿电流的跟随性能有很大的影响。当”较大时，IGBT通断的频率较低，故对器件的要求不高，但可能使补偿电流的相对跟随误
42、差过大；当较小时，跟随误差小，但又可能使器件的开关频率过高,若高出器件允许的最高工作频率可能导致器件的损坏。4.3 主电路直流侧电容电压的控制4.3.1 直流侧电容电压的控制方法对于电压型APF来说，控制电路除了要使APF输出端的补偿电流跟踪指令电流的变化外，还需使主电路直流侧电压保持稳定。在APF实际运行时，很难把直流侧电容电压维持在某一给定值。造成直流侧电容电压波动的原因有两个：一是APF的工作消耗了电容器的能量，使其电压降低；二是APF的开关工作模式造成流入APF的电流脉动。通过向APF输入能量的方法可以减小第一点对电容电压造成的波动。而APF的开关工作模式造成的直流侧电压脉动与电容大小
43、直接相关：电容电压越小，电压脉动越大；电容电压越大，电压脉动越小，但会使主电路直流侧电压动态响应变慢，且电容器的体积和造价也相应增加，所以要综合考虑。传统的直流侧电容电压控制方法是为直流侧电容提供一个单独的直流电源，这种方法虽然能够达到控制直流侧电容电压的目的，但需另外一个专门的电路，不仅增加了整个系统的复杂程度，而且也增加了系统的成本和损耗等。目前常用的Pl调节控制法，是将检测到的电容电压实际值与给定的参考电压值相减之差通过PI调节器得到调节信号，并将其作为实际的补偿电流指令值叠加到原检测电路中的电流指令信号上。该指令值是保证直流电压恒定的电流指令值，用来对APF的损耗进行补偿。由于APF的
44、损耗是作为瞬时实功率分量来考虑的，因此，PI调节后得到的电流指令值,叠加到瞬时有功电流经dy变换后的直流分量上，则经运算后，原检测电路输出的电流指令信号中包含一定的基波有功电流分量，使APF的直流侧与交流侧交换能量，从而将直流侧电容电压调至给定的参考值。4.3.2 直流侧和交流侧能量的交换在APF中，分别用凡、/表示电源的瞬时有功功率和瞬时无功功率；Pa、纵表示交流侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，外表示负载的瞬时有功功率和瞬时无功功率。由于负载电流中存在着谐波，故以、中含有交流分量，即入、%分别由直流分量P少、外。和交流分量Pm、夕构成。当APF用于补偿谐波时，应满足：Pa=-Pia（4-1）
45、Qa=-Q1APS=PL+Pa=Pld（卜2）Ss=Ql+彘=cIid在这种情况下，电源只需提供负载所需瞬时有功功率和瞬时无功功率中的直流分量，它们所对应的电源电流等于负载电流的基波分量。而APF的瞬时有功功率的平均值PA为零，使得直流侧电压保持不变。但因PA中有交流成分，所以UC会随以，波动而波动。若希望UC上升（如建立过程），只需令PA=O即可（AP=必，p）。此时APF从电源得到能量，持续向其直流侧传递，使UC上升。从原理上讲，只要PA。，UC就上升，可以达到任意值，这一点可以由电路中交流侧电感的储能作用和对功率器件通断进行控制来保证，但在实际电路中，器件的耐压值是有限的，不可能使电压Uc无限上升。反之，若P八0,例如电路中有损耗，或APF向外地传递能量，直流侧电容上能量将减小，使得UC值下降。UC的变化幅度除了能量传递的多少有关以外还和电容量有关。换言之，若已确定APF的补偿目的和允许的UC波动范围，即可确定电容
