畢業(yè)設(shè)計(jì)—并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　（</b></p><p>　　二 ○ ○ 七 年 六 月</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的無(wú)功及諧波問(wèn)題日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償及諧波抑制方法已難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要。作為一種新型的補(bǔ)償裝置，有源電力濾波器以其對(duì)電網(wǎng)

2、負(fù)載、系統(tǒng)參數(shù)變化的自適應(yīng)能力和較高的反應(yīng)速度被認(rèn)為是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o(wú)功和諧波補(bǔ)償方法。</p><p>　　本文以并聯(lián)電壓型有源電力濾波器為研究對(duì)象，系統(tǒng)地分析了并聯(lián)電壓型有源電力濾波器的工作原理、補(bǔ)償特性、諧波電流檢測(cè)方法、補(bǔ)償電流控制策略等問(wèn)題，并對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后，利用MATLAB提供的電力系統(tǒng)仿真工具箱對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真分析。</p>&

3、lt;p>　　仿真結(jié)果表明，并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)帶有阻感的三相二極管橋式整流負(fù)載產(chǎn)生的諧波具有較好的補(bǔ)償效果。</p><p>　　關(guān)鍵詞：諧波抑制；并聯(lián)型有源電力濾波器；瞬時(shí)無(wú)功功率；仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The substantial increase in the use

4、of power electronic equipment results in harmonic pollution and reactive burden above the tolerable limits. Many conventional solutions to the power quality issues can’t meet the conditions of modern power system. Active

5、 power filters are known as a dynamic,adjustable and potential solution to the power quality problems.</p><p>　　The shunt voltage-type APF has been analyzed in this paper, in terms of the working principle,

6、the compensation characteristics, the harmonic current detection approaches and the current compensation strategies，the shunt active power filter are designed.At last,the simulation models are built up by the Simpowersys

7、tems toolbox of Matlab.</p><p>　　The results show that the designed shunt APF can well suppress the harmonic distortion generated by a three-phase diode rectifier.</p><p>　　Key Words：Harmonic el

8、imination; Shunt active power filter; Instantaneous reactive power; Simulation</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><p><b>　　第一章緒論2</b>

9、</p><p>　　1.1諧波問(wèn)題及研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.1.1諧波的基本概念3</p><p>　　1.1.2 諧波分析3</p><p>　　1.1.3 諧波的產(chǎn)生和危害6</p><p>　　1.2諧波的抑制7</p><p>　　1.2.1 諧波抑制技術(shù)7&l

10、t;/p><p>　　1.2.2 有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展7</p><p>　　1.3研究并聯(lián)型有源電力濾波器的現(xiàn)實(shí)意義7</p><p>　　第二章 有源電力濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.1 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論9</p><p>　　2.2 有源電力濾波器的工作原理14</p&

11、gt;<p>　　2.3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成15</p><p>　　2.3.1 有源電力濾波器的分類(lèi)15</p><p>　　2.3.2 有源電力濾波器主電路的結(jié)構(gòu)16</p><p>　　2.3.3 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器17</p><p>　　2.4 有源電力濾波器的特性18</p>

12、<p>　　2.4.1 雙向補(bǔ)償特性18</p><p>　　2.4.2 其他特性19</p><p>　　2.5 有源電力濾波器的控制方法19</p><p>　　2.5.1 滯環(huán)比較方式19</p><p>　　2.5.2 三角波比較方式20</p><p>　　2.5.3 空間矢量控制21

13、</p><p>　　2.5.4 本文采用的控制方法21</p><p>　　第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)22</p><p><b>　　3.1 概述22</b></p><p>　　3.2 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.2.1主電路(變流器)設(shè)計(jì)22</p

14、><p>　　3.2.2 主電路交流側(cè)電感的計(jì)算25</p><p>　　3.2.3直流側(cè)電壓計(jì)算和電容選取26</p><p>　　3.3 電流電壓檢測(cè)設(shè)計(jì)28</p><p>　　3.3.1 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)28</p><p>　　3.3.2 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)28</p><p>

15、;　　第四章 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真29</p><p>　　4.1 仿真環(huán)境29</p><p>　　4.2 仿真模型的建立29</p><p>　　4.2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型29</p><p>　　4.2.2 主電路的仿真30</p><p>　　4.2.3 諧波電流檢測(cè)電路的仿真

16、31</p><p>　　4.3 仿真結(jié)果32</p><p>　　4.3.1 補(bǔ)償前電網(wǎng)電流仿真波形與分析32</p><p>　　4.3.2 補(bǔ)償后電網(wǎng)電流仿真波形與分析33</p><p>　　4.3.3 數(shù)字低通濾波器截止頻率對(duì)指令電流精度的影響35</p><p>　　4.3.4 仿真結(jié)果38&l

17、t;/p><p><b>　　結(jié)論及展望39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致 謝43</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著電力電子

18、技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，電力電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來(lái)越高[1]，而電力電子裝置已經(jīng)成為主要的諧波干擾源，它們?cè)斐傻奈：σ呀?jīng)引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。在我國(guó)，近年來(lái)由于電氣化鐵道的大量發(fā)展以及化工、冶金、鋼鐵、有色金屬、煤炭和交通等工業(yè)部門(mén)電力電子裝置的大量應(yīng)用，使電力系統(tǒng)中諧波問(wèn)題已經(jīng)日趨嚴(yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生了嚴(yán)重危害和影響，必須認(rèn)真加以研究和采取相應(yīng)的限制措施。因此，諧波抑制已成為電力電子技術(shù)、

19、電氣自動(dòng)化技術(shù)及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個(gè)重大課題，正在受到越來(lái)越多的關(guān)注。所以，面對(duì)我國(guó)目前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱和輸配電技術(shù)普遍存在的技術(shù)落后、自動(dòng)化水平低的現(xiàn)狀，針對(duì)諧波問(wèn)題，研究電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償新技術(shù)，具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　諧波是指電壓、電流波形發(fā)生畸變，這主要是負(fù)荷的非線(xiàn)性造成的，為抑制非線(xiàn)性設(shè)備諧波污染，出現(xiàn)了許多方法。設(shè)置無(wú)功補(bǔ)償電容器和LC濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償無(wú)功功率和諧

20、波的主要手段，已獲得廣泛應(yīng)用。但這種無(wú)源補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償性能較差，難以對(duì)變化的無(wú)功功率和諧波進(jìn)行有效的補(bǔ)償。晶閘管獲得廣泛應(yīng)用后，以晶閘管控制電抗器（TCR）為代表的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）有了長(zhǎng)足的發(fā)展，可以對(duì)變化的無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。近年來(lái)，隨著以GTO、BJT和IGBT為代表的全控型器件向大容量化、高頻化方向的不斷發(fā)展，采用電力電子技術(shù)的各種有源補(bǔ)償裝置發(fā)展很快。主要用于補(bǔ)償諧波的有源電力濾波器比LC濾波器具有更優(yōu)越的性能而得到

21、發(fā)展和應(yīng)用，是一種很有發(fā)展前景的諧波抑制技術(shù)。因此，本文就并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　由于電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)中諧波的含量大量增加，它替代了傳統(tǒng)的變壓器等鐵磁材料的非線(xiàn)性引起的諧波，成為主要的諧波源，對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行和電氣設(shè)備的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。因此，諧波治理成為了電能質(zhì)量

22、問(wèn)題的核心內(nèi)容之一，也是現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展的迫切要求。[2]</p><p>　　有源電力濾波器（Active Power Filter―APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都發(fā)生變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。有源電力濾波器的控制技術(shù)是有源電力濾波器的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)有源電力濾波器主要采用模擬控制。但模擬控制存在電

23、路復(fù)雜、控制性能差、易受環(huán)境干擾等缺點(diǎn)。近年來(lái)隨著高速數(shù)字處理器DSP的出現(xiàn)及其性?xún)r(jià)比日益提高，有源電力濾波器的數(shù)字控制方案引起人們的重視，相對(duì)于模擬控制有很多優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際系統(tǒng)中被廣泛采用。</p><p>　　1.1諧波問(wèn)題及研究現(xiàn)狀</p><p>　　“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛使用。&l

24、t;/p><p>　　電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的大量論文。70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分的關(guān)注。不少?lài)?guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的

25、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。</p><p>　　制定限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)是解決電力系統(tǒng)諧波危害的影響的重要措施。在國(guó)際上，各個(gè)國(guó)際組織，如國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）也紛紛推出了各自建議的諧波標(biāo)準(zhǔn)，其中較有影響的是IEEE519-1992和IEC555-2。</p><p>　　參照國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)先后于1984年和1993年分別制定了限制諧波的規(guī)定

26、和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)原水利電力部于1984年根據(jù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批準(zhǔn)的《全國(guó)供用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》（SD126-84）。國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年又發(fā)布了中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》</p><p>　　1.1.1諧波的基本概念</p><p>　　1822年，法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉指出，一個(gè)任意函數(shù)都可以分解為無(wú)窮多個(gè)

27、不同頻率正弦信號(hào)的和?；诖耍瑖?guó)際電工（IEC:International Electrotechnical Commission）標(biāo)準(zhǔn)(IEC555-2，1982)定義諧波為：諧波分量為周期量的傅立葉級(jí)數(shù)中大于1的h次分量。把諧波次數(shù)h定義為：以諧波頻率和基波頻率之比表示的整數(shù)。電氣和電子工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE標(biāo)準(zhǔn)519～1981）定義諧波為：諧波為一個(gè)周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。</p><

28、;p>　　總結(jié)二者，目前國(guó)際普遍定義諧波為：諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。</p><p>　　1.1.2 諧波分析</p><p>　　設(shè)正弦電壓可表示為 </p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　式中 —電壓有效值；</p><p&

29、gt;<b>　　—初相角；</b></p><p><b>　　—角頻率。</b></p><p>　　當(dāng)正弦電壓施加在非線(xiàn)性電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流施加在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā?duì)于周期為的非正弦電壓，一般可分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)：</p><p><b>　　(1-

30、2)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　(1-3)</b></p><p>　　式中，、和、的關(guān)系為</p><p>　　在式（1-2）或（1-3）中，頻率

31、為1/T的分量為基波，頻率為大于1整數(shù)倍基波頻率的分量為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 以上公式對(duì)于非正弦電流也適用。</p><p>　　n次諧波電壓含有率以HRUn（Harmonic Ratio Un）表示</p><p><b>　　(1-4)</b></p><p>　　—第n次諧波電壓有效值（方均根值）；</p&g

32、t;<p><b>　　—基波電壓有效值。</b></p><p>　　n次諧波電流含有率以HRIn 表示</p><p><b>　　(1-5)</b></p><p>　　—第n次諧波電流有效值；</p><p><b>　　—基波電流有效值。</b><

33、/p><p>　　諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為</p><p><b>　　(1-6)</b></p><p><b>　　(1-7)</b></p><p>　　電壓諧波總畸變率THDu（total harmonic distortion）和電流諧波總畸變率分別定義為</p>&

34、lt;p><b>　　(1-8) </b></p><p><b>　　(1-9)</b></p><p>　　下面討論對(duì)稱(chēng)三相電路中的諧波分析。以相電壓為例，三相電壓可表示為</p><p>　　設(shè)a相電壓所含的n次諧波為</p><p>　?。?）n=3k(k=1,2,3…,下同)，三相電

35、壓的諧波大小和相位均相同，為零序諧波。</p><p>　?。?）n=3k+1,b相電壓比a相電壓滯后，c相電壓比a相電壓超前，這些次數(shù)的諧波均為正序諧波。對(duì)稱(chēng)三相電路的基波本身也是正序的。</p><p>　　（3）n=3k-1,b相電壓比a相電壓超前，c相電壓比a相電壓滯后，這些次數(shù)的諧波均為負(fù)序諧波。</p><p>　　對(duì)于各相電壓來(lái)說(shuō)，無(wú)論是三相三線(xiàn)電路還

36、是三相四線(xiàn)電路，相電壓中都可以包含零序諧波，而線(xiàn)電壓中都不含零序諧波。對(duì)于各相電流來(lái)說(shuō)，在三相三線(xiàn)電路中，沒(méi)有零序通道，因而沒(méi)有零序電流；在三相四線(xiàn)電路中，零序電流可以從中性線(xiàn)中流過(guò)。[3]</p><p>　　1.1.3 諧波的產(chǎn)生和危害</p><p>　　電網(wǎng)諧波來(lái)源于三個(gè)方面：其一是電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波；其二是輸電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波；其三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中以用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多

37、。</p><p><b>　　具體情況如下:</b></p><p>　　1.整流設(shè)備。由于晶閘管整流的廣泛應(yīng)用(如電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、電池充電器等)，給電網(wǎng)造成大量的諧波。</p><p>　　2.電弧爐、電石爐。由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。&l

38、t;/p><p>　　3.變頻裝置。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，它含的輸入電流波形為尖峰狀，其諧波成份很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)造成的諧波也很?chē)?yán)重。</p><p>　　4.家用電器。如電視機(jī)、錄像機(jī)、電子調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會(huì)產(chǎn)生的諧波。洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)器等有繞組的設(shè)備中，因不平衡電流的變化也能產(chǎn)生諧波。&l

39、t;/p><p>　　諧波對(duì)電網(wǎng)及其它系統(tǒng)的危害有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1.諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電和用電設(shè)備的效率。</p><p>　　2.諧波影響了各種電氣設(shè)備的正常工作。諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱；還會(huì)使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞。</p>&

40、lt;p>　　3.諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，大大增加了上述的危害，并可能引起嚴(yán)重事故。</p><p>　　4.諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表測(cè)量不準(zhǔn)確。</p><p>　　5.諧波對(duì)通信系統(tǒng)和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。</p><p>　　對(duì)諧波進(jìn)行研究，其意義一方面在于對(duì)諧波影響及危害的分析，另一

41、方面在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱。有人預(yù)言，電力電子連同運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為 21 世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。[4]</p><p><b>　　1.2諧波的抑制 </b></p><p>　　1.2.1 諧波抑制技術(shù)</p><p>　　為抑制和消除電力電子裝置和其它諧波源的諧波，基本思路

42、有兩種：一種是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的；本文主要討論此類(lèi)補(bǔ)償方式。另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為 1，這只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。</p><p>　　裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法是采用LC濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，也可補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用。但是這種方法的主要缺點(diǎn)是，補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，容易和系統(tǒng)發(fā)

43、生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不是很理想。</p><p>　　目前，采用有源電力濾波器，已經(jīng)成為諧波抑制的一個(gè)趨勢(shì)。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置。它能對(duì)幅度和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，是一種很有前途的諧波抑制方法。</p><p>　　1.2.2 有源

44、電力濾波器技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經(jīng)形成，但由于受到當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)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(yàn)研究階段。八十年代以來(lái)，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步，以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，有源濾波器才得以迅速發(fā)展。國(guó)外有源電力濾波器的研究以日本為代表，已步入大量實(shí)用化的階段。隨著容量的逐步提

45、高，其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用戶(hù)自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。我國(guó)在電力有源濾波器方面的研究起步較晚，目前很多大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)正積極進(jìn)行這方面的相關(guān)研究，部分單位已經(jīng)研制出樣機(jī)并投入試運(yùn)行。但由于用電機(jī)制以及成本等因素，在我國(guó)廣泛應(yīng)用 APF 還需要一段時(shí)間。</p><p>　　1.3研究并聯(lián)型有源電力濾波器的現(xiàn)實(shí)意義</p><p>　　電力電子技術(shù)的快速發(fā)展給人們的生產(chǎn)與生

46、活帶來(lái)巨大變化，但是同時(shí)給電網(wǎng)帶來(lái)嚴(yán)重污染，影響了供電質(zhì)量。電力系統(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載種類(lèi)繁多，不同類(lèi)型的有源電力濾波器對(duì)不同類(lèi)型非線(xiàn)性負(fù)載的補(bǔ)償特性也不相同。</p><p>　　當(dāng)今，大型整流設(shè)備、冶金工業(yè)和電力機(jī)車(chē)等大型的諧波源都是典型的非線(xiàn)性負(fù)載，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)給電網(wǎng)注入了大量諧波，而這些大型的諧波源一般都采用大電感濾波的電流源諧波負(fù)載，適合用并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償。因此，研究并聯(lián)型有源電力濾波器有著重要的

47、現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　第二章 有源電力濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1 三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論</p><p>　　三相電路的瞬時(shí)無(wú)功功率理論作為諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)算法的理論基礎(chǔ)，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。赤木泰文最初提出的理論亦稱(chēng)理論，是以瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的定義為基礎(chǔ)的。在以瞬時(shí)有功電流和

48、瞬時(shí)無(wú)功電流為基礎(chǔ)的理論體系中，設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為、、和、、。為分析問(wèn)題方便，把它們變換到α- β兩相正交的坐標(biāo)系中研究。由下面的變換可以得到α、 β兩相瞬時(shí)電壓、和α、β兩相瞬時(shí)電流、</p><p>　?。?-1） （2-2）</p><p><b>　　在這里，令：</b></p><p&

49、gt;　　在圖2.1所示的矢量—平面上，、和、分別進(jìn)一步合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量和旋轉(zhuǎn)電流矢量。</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中，、為矢量電壓和電流的模;、為矢量、的幅角。</p><p>　　定義(1) 三相電路

50、瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量在矢量及其法線(xiàn)上的投影。即：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　式中，。</b></p><p>　　圖2.1 —坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量 <

51、/p><p>　　定義(2) 三相電路瞬時(shí)有功功率（無(wú)功功率）為電壓矢量的模和三相電路瞬時(shí)有功電流(三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流)的乘積。</p><p><b>　　（2-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　將式（2-3）和（2-4）代入上面即可寫(xiě)出矩陣形式：&

52、lt;/p><p><b>　　（2-9）</b></p><p><b>　　其中 。</b></p><p>　　把式（2-1）、（2-2）代入上式，可以得出、?？梢钥闯觯嚯娐匪矔r(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率。</p><p><b>　　(2-10)</b></p

53、><p><b>　　(2-11)</b></p><p>　　定義(3) 、相的瞬時(shí)無(wú)功電流、（瞬時(shí)有功電流、）分別為三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流（瞬時(shí)有功電流）在、軸上的投影，即:</p><p><b>　　(2-12)</b></p><p><b>　　(2-13)</b>&l

54、t;/p><p><b>　　(2-14)</b></p><p><b>　　(2-15)</b></p><p>　　從上面定義得到如下性質(zhì)：</p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</

55、b></p><p><b>　　（2-18）</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　定義(4) 、相的瞬時(shí)無(wú)功功率、（瞬時(shí)有功功率、）分別為、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，即</p><p><b>　　(2-20)<

56、;/b></p><p><b>　　（2-21）</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　　從中可以看出，，。</b></p><p&

57、gt;　　定義(5) 三相電路各相的瞬時(shí)無(wú)功電流、、（瞬時(shí)有功電流、、）是、兩相瞬時(shí)無(wú)功電流、（瞬時(shí)有功電流、）通過(guò)兩相到三相變換所得到的結(jié)果。即</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p><b>　　(2-25)</b></p><p><b>　　式中，。</b><

58、/p><p>　　從以上各式可得到如下性質(zhì)：</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p><b>　　(2-27)</b></p><p><b>　　(2-28)</b></p><p><b>　　(2-29)</b

59、></p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　上述性質(zhì)分別反映了和兩相的正交性和a,b,c三相的對(duì)稱(chēng)性。</p><p>　　定義(6) a、b、c各相的瞬時(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，即</p><p><b>　

60、　(2-31)</b></p><p><b>　　(2-32)</b></p><p><b>　　(2-33)</b></p><p><b>　　(2-34)</b></p><p><b>　　(2-35)</b></p>

61、<p><b>　　(2-36)</b></p><p>　　從以上還可以看出和。</p><p>　　從定義4和6的性質(zhì)可見(jiàn)，各相的瞬時(shí)無(wú)功功率對(duì)總的瞬時(shí)功率(瞬時(shí)實(shí)功率)沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，而是在各相之間相互傳遞，這也正是赤木泰文給出瞬時(shí)實(shí)功率、瞬時(shí)虛功率即各相瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率的依據(jù)。傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定

62、義的，它只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況，而瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的，它不僅適用于正弦波，也適用于非正弦波和任何過(guò)渡過(guò)程的情況。從以上各定義可以看出，瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念，在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看出這是傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。</p><p>　　當(dāng)三相電壓、電流為對(duì)稱(chēng)正弦波時(shí)，設(shè)</p><p><b>　　(2-37)</b&

63、gt;</p><p>　　(2-38) (2-39)</p><p><b>　　(2-40)</b></p><p><b>　　(2-41)</b></p><p><b>　　(2-42)</b>&l

64、t;/p><p>　　代入式(2-1)，得</p><p><b>　　(2-43)</b></p><p><b>　　(2-44)</b></p><p><b>　　式中，，。</b></p><p>　　把式（2-43）、（2-44）代入（2-9）中

65、可得</p><p><b>　　(2-45)</b></p><p><b>　　(2-46)</b></p><p>　　令、分別為相電壓和相電流的有效值，得</p><p><b>　　(2-47)</b></p><p><b>　　(

66、2-48)</b></p><p>　　從上面的式子可以看出，在三相電壓和電流均為正弦波時(shí)，、均為常數(shù)，且與傳統(tǒng)理論算出的有功功率和無(wú)功功率完全相同。</p><p>　　把式(2-42), (2-43)代入式(2-12)和(2-14)中可得a相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流。</p><p><b>　　(2-49)</b><

67、/p><p><b>　　(2-50)</b></p><p>　　可以看出，a相的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流的表達(dá)式與傳統(tǒng)功率理論中相電流的有功分量和無(wú)功分量的瞬時(shí)值表達(dá)式完全相同，對(duì)于相及三相a、b、c各相也能得出同樣的結(jié)論。</p><p>　　由上面的分析不難看出，瞬時(shí)無(wú)功功率理論包含了傳統(tǒng)的無(wú)功功率理論，比傳統(tǒng)無(wú)功功率理論由更大的適用范圍

68、。</p><p>　　2.2 有源電力濾波器的工作原理</p><p>　　圖2.2所示為有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。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（由補(bǔ)償電流控制電路、隔離與驅(qū)動(dòng)電路和主電路三個(gè)部分構(gòu)成）。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功等電流分量，因此有時(shí)也稱(chēng)之為諧波和無(wú)功

69、電流檢測(cè)電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用 PWM變流器。</p><p>　　圖 2.2 有源電力濾波器的基本原理圖</p><p>　　圖2.2中，有源電力濾波器的基本工作原理為，檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載

70、電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流波形。例如，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流中的諧波成分,將其反極性后作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，這樣由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流中只含基波，不含諧波。這樣就達(dá)到了抑制電源電流中諧波的目的。上述原理可用如下的一組公式描述：</p><p><

71、b>　?。?-51）</b></p><p><b>　?。?-52）</b></p><p><b>　　（2-53）</b></p><p><b>　?。?-54）</b></p><p>　　式中為負(fù)載電流的基波分量。[9]</p>&l

72、t;p>　　負(fù)載電流的傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為：</p><p><b>　?。?-55）</b></p><p>　　式（2-55）中，是基波有功電流；是基波無(wú)功電流，是高次諧波電流，為基波電流初相位，為n次諧波初相位，為系統(tǒng)電源基波角頻率。 [5]</p><p>　　由此可知，有源補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是：諧波電流的檢測(cè)；適當(dāng)?shù)目刂品椒?；主電?/p>

73、的設(shè)計(jì)。</p><p>　　2.3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成</p><p>　　2.3.1 有源電力濾波器的分類(lèi)</p><p>　　有源電力濾波器可以按照所使用的變流器類(lèi)型、主電路結(jié)構(gòu)和電源相數(shù)進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)使用的場(chǎng)合電源相數(shù)可分為單相、三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)用有源電力濾波器等。按有源電力濾波器在系統(tǒng)中的連接方式可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和兩者混合使用的統(tǒng)一型等。圖2.

74、3給出了有源電力濾波器的分類(lèi)示意圖。</p><p>　　圖 2.3 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成分類(lèi)</p><p>　　2.3.2 有源電力濾波器主電路的結(jié)構(gòu)</p><p>　　有源電力濾波器主電路的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.4，儲(chǔ)能元件(電感或電容)的作用是充當(dāng)直流電源(電流源或電壓源)，為可控開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行逆變提供保證，可控開(kāi)關(guān)電路實(shí)為一PWM變流器。在圖2.2中檢測(cè)電路

75、從系統(tǒng)中檢測(cè)并分離出基波無(wú)功和諧波電流，使控制電路產(chǎn)生開(kāi)關(guān)控制信號(hào)去控制可控開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)合，可控開(kāi)關(guān)電路的作用是根據(jù)控制信號(hào)把儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的電能以適當(dāng)?shù)男问浇?jīng)輸出電路接入系統(tǒng)中，產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電流。</p><p>　　根據(jù)儲(chǔ)能元件(電容或電感)的不同，將有源電力濾波器分為電壓型和電流型兩種，圖2.5所示為電壓型有源電力濾波器的主電路圖，其儲(chǔ)能元件為電容，可控開(kāi)關(guān)電路通常由GTO或IGBT等大功率電力電子元件構(gòu)成

76、。電壓型有源電力濾波器的工作原理是根據(jù)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生PWM輸出電壓，再經(jīng)交流側(cè)電抗器轉(zhuǎn)換成所需要的補(bǔ)償電流。</p><p>　　圖2.6所示為電流型有源電力濾波器，其儲(chǔ)能元件是電感，與電壓型 PWM 逆變器相比，電流型PWM逆變器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開(kāi)關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障。但是，電流型PWM逆變器直流側(cè)大電感上始終有電流流過(guò)，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少采用。而電壓型有源電力

77、濾波器有能量損耗小和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，目前有源電力濾波器的研究方向主要是電壓型有源電力濾波器。</p><p>　　圖2.6 三相電流型有源濾波器主電路</p><p>　　2.3.3 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器</p><p>　　單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理如圖2.7所示。圖中負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側(cè)儲(chǔ)能元件(圖中

78、為電容)共同組成有源電力濾波器的主電路。它們均可用于單相或三相系統(tǒng)。由于有源電力濾波器的主電路與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱(chēng)為并聯(lián)型，又由于其補(bǔ)償電流基本上由有源電力濾波器提供，與其它方式相區(qū)別，稱(chēng)之為單獨(dú)使用方式，這是有源電力濾波器中最基本方式，也是目前應(yīng)用最多的方式，這種方式可用于：(1)只補(bǔ)償諧波；(2)只補(bǔ)償無(wú)功功率，補(bǔ)償?shù)亩嗌倏梢愿鶕?jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié)；(3)補(bǔ)償三相不對(duì)稱(chēng)電流；(4)補(bǔ)償供電點(diǎn)電壓波動(dòng)；(5)以上任意項(xiàng)的組合。在這種方式

79、中，只要采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň涂梢赃_(dá)到多種補(bǔ)償?shù)哪康?，本文也主要是討論這種類(lèi)型的濾波器。</p><p>　　2.4 有源電力濾波器的特性</p><p>　　2.4.1 雙向補(bǔ)償特性</p><p>　　有源電力濾波器的雙向補(bǔ)償特性為：當(dāng)負(fù)載電流含有較大的諧波時(shí)，為了負(fù)載的諧波不流入系統(tǒng)電源，在負(fù)載端通過(guò)有源電力濾波器就地給予抑制使系統(tǒng)電源不受諧波污染，它的檢測(cè)電路

80、在負(fù)載側(cè)，負(fù)責(zé)輸出的主電路在系統(tǒng)電源側(cè)，如圖2.8(a)，另外有些負(fù)載(如通信系統(tǒng))對(duì)電源要求較高，而系統(tǒng)電源又含有較大的諧波，這時(shí)可通過(guò)有源電力濾波器在系統(tǒng)電源流入負(fù)載前對(duì)電源進(jìn)行凈化，即抑制系統(tǒng)電源的諧波，使之不影響負(fù)載工作，這種情況的檢測(cè)電路在系統(tǒng)電源端，而負(fù)責(zé)輸出的主電路在負(fù)載端，如圖2.8(b)。</p><p>　?。╝）抑制負(fù)載諧波流入系統(tǒng)電源</p><p>　?。╞）抑制

81、系統(tǒng)電源諧波流入負(fù)載</p><p>　　圖 2.8 APF的雙向補(bǔ)償特性 </p><p>　　2.4.2 其他特性</p><p>　　除了雙向補(bǔ)償特性外，根據(jù)對(duì)其工作原理的分析可知有源電力濾波器還有下述特點(diǎn)：</p><p>　　1.對(duì)各次諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數(shù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧

82、波和基波無(wú)功功率的補(bǔ)償。</p><p>　　2.系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響補(bǔ)償效果。</p><p>　　3.不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，且能抑制由于外電路諧振產(chǎn)生對(duì)諧波電流的放大。</p><p>　　4.不存在過(guò)載問(wèn)題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí)，裝置仍可運(yùn)行，無(wú)需斷開(kāi)。有源電力濾波器之所以具有這些特性是因?yàn)樗鼘?shí)質(zhì)上是一個(gè)電流源，對(duì)于不同的負(fù)載，根據(jù)補(bǔ)償指令電流的大小

83、來(lái)輸出所需的電流，可用于大的負(fù)載，也可用于小的負(fù)載，僅是補(bǔ)償程度不同。[6]</p><p>　　2.5 有源電力濾波器的控制方法</p><p>　　有源電力濾波器要求補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流實(shí)時(shí)跟蹤指令電流信號(hào)的變化，因此電流控制電路通常采用跟蹤型PWM控制方式。比較常用的PWM的控制方法主要有滯環(huán)比較方式、三角波比較方式和空間矢量控制。此外近年來(lái)無(wú)差拍控制和特定消諧法等也受到人

84、們的關(guān)注。下面就簡(jiǎn)要介紹一下最常用的三種控制方法。 </p><p>　　2.5.1 滯環(huán)比較方式</p><p>　　圖2.9所示為滯環(huán)比較方式的原理圖。圖中以一相的控制為例來(lái)說(shuō)明該方式的原理。</p><p>　　圖2.9 滯環(huán)比較方式原理圖 </p><p>　　在滯環(huán)比較方式中，把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)進(jìn)行比較，二者的

85、偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制電路中開(kāi)關(guān)通斷的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷，最終控制補(bǔ)償電流的變化?？梢?jiàn)，滯環(huán)比較方式根據(jù)給定補(bǔ)償信號(hào)和測(cè)得的逆變器輸出電流的誤差來(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。但誤差超過(guò)上、下限（由滯環(huán)寬度決定）時(shí)開(kāi)關(guān)立即動(dòng)作，從而使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考滯環(huán)上下波動(dòng)。因此該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)快，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。這種控制方式中，滯環(huán)寬

86、度對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大的影響。滯環(huán)寬度大，開(kāi)關(guān)通斷的頻率即器件的開(kāi)關(guān)頻率較低，故對(duì)開(kāi)關(guān)器件的要求不高，但是跟隨誤差大，補(bǔ)償電流中高次諧波較大。反之，當(dāng)滯環(huán)寬度較小時(shí)，雖然跟隨誤差小，但是開(kāi)關(guān)頻率較高，引起損耗增加。通常，滯環(huán)的帶寬為固定值，這就導(dǎo)致主電路中器件的開(kāi)關(guān)頻率是變化的，會(huì)引起較大的脈動(dòng)電流和開(kāi)關(guān)噪聲。尤其當(dāng)變化的范圍較大時(shí)，一方面，在值小的時(shí)候，固定的環(huán)寬可能使補(bǔ)償電流的相對(duì)跟隨誤差較大；另一方面，在值大的時(shí)候，固定的環(huán)

87、寬又可能使器件的開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，甚至可能超出器件</p><p>　　圖2.10 定時(shí)比較方式原理圖 </p><p>　　這種方式不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘，以固定的采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)二者偏差的極性來(lái)控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，使被控量跟蹤指令信號(hào)。由于每個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)判斷一次，使得PWM信號(hào)需要至少一個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)變化一次，器件的開(kāi)關(guān)頻率最高不會(huì)超過(guò)

88、時(shí)鐘頻率的一半。這樣時(shí)鐘信號(hào)的頻率就限定了器件的最高工作頻率，從而可以避免器件開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高的情況發(fā)生。但和滯環(huán)比較方式相比，這種方式的電流控制誤差沒(méi)有一定的環(huán)寬，控制精度要低一些。</p><p>　　2.5.2 三角波比較方式</p><p>　　圖2.11所示為三角波比較方式的原理圖。這種方式與其他用三角波作為載波的PWM控制方式不同，它不直接將指令信號(hào)與三角波比較，而是將與的偏差經(jīng)放

89、大器A之后再與三角波比較。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 </p><p>　　圖2.11 三角波比較方式原理圖</p><p>　　與滯環(huán)比較方式相比，該方式具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　（1）輸出電流所含諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波；</p><p>

90、　?。?）器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，且等于三角載波的頻率，這要優(yōu)于滯環(huán)控制；</p><p>　　（3）放大器的增益有限；</p><p>　?。?）電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式慢；</p><p>　?。?）跟隨誤差范圍不確定。</p><p>　　2.5.3 空間矢量控制</p><p>　　空間矢量控制技術(shù)是建立在交流異步

91、電機(jī)磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上的一種控制策略，現(xiàn)在已成為一種流行的PWM控制技術(shù)。相對(duì)于滯環(huán)PWM技術(shù)、三角波PWM技術(shù)，空間矢量控制技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)提高了直流電壓的利用率；</p><p>　　(2)采用不連續(xù)開(kāi)關(guān)方式調(diào)制時(shí)，降低開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗；</p><p>　　(3)調(diào)制方法便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　2

92、.5.4 本文采用的控制方法</p><p>　　通過(guò)以上幾種控制方法的介紹，本文采用了滯環(huán)比較方式，這種控制方式的硬件電路十分簡(jiǎn)單，屬于實(shí)時(shí)控制方式，電流響應(yīng)很快，而且輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。</p><p>　　第三章 并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 概述</b></

93、p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示，圖中，負(fù)載為諧波源，采用三相橋式不可控整流器，其直流側(cè)為阻感性負(fù)載。系統(tǒng)原理已經(jīng)在第二章中介紹過(guò)，在此不再敘述。</p><p>　　圖3.1 并聯(lián)型APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　3.2 系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.1主電路(變流器)設(shè)計(jì)</p>

94、<p>　　有源電力濾波器主電路根據(jù)其直流側(cè)貯能元件的不同，可分為電壓型和電流型，根據(jù)2.3.2節(jié)所述，本文主電路采用三相電壓型PWM變流電路，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.2所示。</p><p>　　主電路的工作原理：補(bǔ)償電流是由主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的。主電路的工作情況是由主電路中6組開(kāi)關(guān)器件的通斷組合所決定的。通常，同一相的上下兩組開(kāi)關(guān)總有一組中的一個(gè)器件是導(dǎo)通的。假設(shè)

95、三相電源電壓之和,并根據(jù)該電路有,</p><p>　　圖 3.2 主電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　可得出描述主電路工作情況的微分方程如下：</p><p><b>　?。?-1a）</b></p><p><b>　　（3-1b）</b></p><p><b>

96、　?。?-1c）</b></p><p>　　式中、、—主電路各橋臂中點(diǎn)與電源中點(diǎn)之間的電壓；</p><p>　　、、—開(kāi)關(guān)系數(shù)，++=0。</p><p>　　主電路的設(shè)計(jì)包括對(duì)功率器件的選取、直流側(cè)電容容量的確定、交流側(cè)電感值的確定等。</p><p>　　有源電力濾波器容量 </p><p><

97、;b>　　(3-2)</b></p><p>　　E—相電壓有效值；—補(bǔ)償電流有效值。</p><p><b>　　求出： </b></p><p>　　有源電力濾波器只補(bǔ)償諧波時(shí)，有</p><p>　　， (3-3)</p><p&g

98、t;　　因此,，主電路的容量約為補(bǔ)償對(duì)象容量的25%,。</p><p>　　所以,并聯(lián)型有源電力濾波器的額定工作條件如下：電源相電壓：220V；負(fù)載功率：<4kVA；并聯(lián)型有源電力濾波器的額定容量：1kVA。</p><p>　　為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，功率器件選用智能功率模塊(Intelligent Power Module，簡(jiǎn)稱(chēng)IPM)。IPM是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，把智能功率集

99、成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，它不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，而且還內(nèi)藏有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路。它由高速低功耗的管芯、優(yōu)化的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成，即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以使IPM自身不受損壞。</p><p>　　IPM的內(nèi)部框圖如圖3.3所示。模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、過(guò)流保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器、過(guò)熱保護(hù)電路、門(mén)電路和

100、IGBT單元等。</p><p>　　圖3.3 IPM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元</p><p>　　智能功率模塊（IPM）的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　1.開(kāi)關(guān)速度快。IPM內(nèi)的IGBT芯片都選用高速型，而且驅(qū)動(dòng)電路緊靠IGBT芯片，驅(qū)動(dòng)延時(shí)小，所以IPM開(kāi)關(guān)速度快，損耗??；</p><p>　　2.低功耗。IPM內(nèi)部的IGBT導(dǎo)通壓降低，開(kāi)關(guān)速度快

101、，故IPM功耗?。?lt;/p><p>　　3.快速的過(guò)流保護(hù)。IPM實(shí)時(shí)檢測(cè)IGBT電流，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載或直接短路時(shí)，IGBT將被軟關(guān)斷，同時(shí)送出一個(gè)故障信號(hào)；</p><p>　　4.過(guò)熱保護(hù)。在靠近IGBT的絕緣基板上安裝了一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)基板過(guò)熱時(shí)，IPM內(nèi)部控制電路將截止柵級(jí)驅(qū)動(dòng)，不響應(yīng)輸入控制信號(hào)；</p><p>　　5.橋臂對(duì)管互鎖。在串聯(lián)的橋臂上，上

102、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互鎖。有效防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通；</p><p>　　6.抗干擾能力強(qiáng)。優(yōu)化的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)與IGBT集成，布局合理，無(wú)外部驅(qū)動(dòng)線(xiàn)；</p><p>　　7.驅(qū)動(dòng)電源欠壓保護(hù)。當(dāng)?shù)陀隍?qū)動(dòng)控制電源（一般為15V）就會(huì)造成驅(qū)動(dòng)能力不夠，增加導(dǎo)通損耗。IPM自動(dòng)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電源，當(dāng)?shù)陀谝欢ㄖ党^(guò)10µs時(shí)，將截止驅(qū)動(dòng)信號(hào)；</p><p>　　8.IPM內(nèi)設(shè)

103、計(jì)了相關(guān)的外圍電路。縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間；</p><p>　　9.無(wú)須采取防靜電措施；</p><p>　　10.大大減少了元件數(shù)目。體積相應(yīng)小。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的裝置采用三菱公司生產(chǎn)的PM10RSH120。其耐壓為1200V，電流為10A。</p><p>　　3.2.2 主電路交流側(cè)電感的計(jì)算</p><p&

104、gt;　　并聯(lián)型有源電力濾波器交流側(cè)電感通過(guò)其兩側(cè)的電壓差產(chǎn)生補(bǔ)償電流，它具有很重要的作用：</p><p>　　(1)平衡有源電力濾波器主電路中各點(diǎn)電壓；</p><p>　　(2)能量存儲(chǔ)和雙向饋送；</p><p>　　(3)調(diào)整補(bǔ)償電流的相位，并使補(bǔ)償電流連續(xù)；</p><p>　　(4)緩沖各相電壓中諧波的無(wú)功功率。</p&g

105、t;<p>　　電感的選擇必須滿(mǎn)足并聯(lián)型有源電力濾波器對(duì)期望諧波電流的跟蹤能力，電感值L越大，變化越慢，反之，則變化越快。電感選擇不宜過(guò)大，但是當(dāng)電感選擇較小時(shí)，會(huì)使并聯(lián)型有源電力濾波器的實(shí)際補(bǔ)償電流相對(duì)于期望補(bǔ)償電流具有很大的超調(diào)，毛刺較大，因此，電感的選擇應(yīng)該綜合考慮補(bǔ)償電流跟蹤能力以及電流超調(diào)兩方面的要求。</p><p>　　首先，為了滿(mǎn)足電流跟蹤能力，并聯(lián)型有源電力濾波器的實(shí)際補(bǔ)償電流變化

106、率應(yīng)大于期望補(bǔ)償電流的最大變化率，即：</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　式（3-56）中，值一般通過(guò)仿真的方法獲得。</p><p>　　對(duì)于來(lái)說(shuō)，在一個(gè)電網(wǎng)周期中，當(dāng)或時(shí)，達(dá)最大值。所以，以下考慮時(shí)的情況， </p><p><b>　　(3-5)</b><

107、;/p><p>　　式（3-58）在時(shí)，為零，取最小值發(fā)生在為時(shí)刻，為滿(mǎn)足式（3-57），則有：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　即電感應(yīng)滿(mǎn)足：</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p&g

108、t;　　其次，電感的選擇必須保證補(bǔ)償電流超調(diào)不宜過(guò)大，若允許的最大電流誤差范圍為，則有：</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　在取最大值的時(shí)刻，有：</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　所以有：</b>&l

109、t;/p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　綜合式（3-60）、（3-63）可得電感的取值范圍為：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　3.2.3直流側(cè)電壓計(jì)算和電容選取</p><p>　　有源電力濾波器正常工作時(shí)，

110、實(shí)際補(bǔ)償電流在指令電流兩側(cè)呈鋸齒波狀跟隨其變化，對(duì)于A相，根據(jù)式（3-1a），當(dāng)時(shí)，有源電力濾波器A相橋臂的上開(kāi)關(guān)器件應(yīng)該導(dǎo)通，下開(kāi)關(guān)器件應(yīng)該關(guān)斷，Ka為1/3或2/3。若取Ka=1/3，則 (3-12)</p><p>　　要使實(shí)際補(bǔ)償電流更好的跟蹤指令電流，必須增大，即</p><p><b>

111、;　　(3-13)</b></p><p>　　也就是 </p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　考慮到最嚴(yán)重的情況，</p><p>　　（—相電壓峰值。） (3-15)</p><p><b>　

112、　因此，直流側(cè)電壓：</b></p><p>　　V (3-16)</p><p><b>　　取=1000V。</b></p><p>　　從某種意義上說(shuō)，并聯(lián)型有源電力濾波器的工作就是直流側(cè)電容的充、放電過(guò)程，直流側(cè)電容的電壓直接影響有源濾波器的補(bǔ)償性能的好壞，若電壓波動(dòng)太大，則補(bǔ)償效果就很差。因

113、此，必須要維持電容電壓基本保持不變。電容越大，電壓波動(dòng)就越小，補(bǔ)償效果也越好，但電容越大，成本也越高，所以，電容的選取要綜合這兩方面的因素考慮。</p><p>　　假設(shè)在某一PWM周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側(cè)電容電壓的最大允許偏離設(shè)定值為，則有</p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　即：

114、 (3-18)</p><p><b>　　—直流側(cè)電容值；</b></p><p><b>　　—PWM脈沖頻率；</b></p><p>　　—通過(guò)電容C的電流最大值。</p><p>　　3.3 電流電壓檢測(cè)設(shè)計(jì)</p

115、><p>　　3.3.1 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　在控制系統(tǒng)中，為了實(shí)時(shí)計(jì)算諧波，必須對(duì)非線(xiàn)性負(fù)載電流和實(shí)際補(bǔ)償電流進(jìn)行檢測(cè)，本文采用CSK7-5A直測(cè)式霍爾電流檢測(cè)器件。它對(duì)直流和交流電流都能進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的延遲小于1us，因此是比較理想的電流檢測(cè)元件。電流檢測(cè)電路如圖3.4所示。</p><p>　　3.3.2 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p>

116、<p>　　為了確定采樣的起始時(shí)刻，需要確定電壓的相位信號(hào)，另外，在電流諧波指令計(jì)算時(shí)，也需要知道正弦波電壓的相位。將a相電壓經(jīng)隔離降壓后引入到控制電路中，經(jīng)濾波整形后，產(chǎn)生與a相電壓同頻同相的方波信號(hào)，由CD4046與BCD加法計(jì)數(shù)器CD4518構(gòu)成的倍頻電路對(duì)此方波電壓信號(hào)進(jìn)行鎖相，保證采樣信號(hào)同步，形成100倍頻的脈沖信號(hào)。檢測(cè)電路如圖3.5所示。</p><p>　　第四章 并聯(lián)型有源電力濾

117、波器的仿真</p><p><b>　　4.1 仿真環(huán)境</b></p><p>　　有源電力濾波器系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的非線(xiàn)性控制系統(tǒng)，對(duì)它進(jìn)行理論分析是比較困難的，將所設(shè)計(jì)的控制算法直接應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)往往需要花費(fèi)很多的時(shí)間和精力。而仿真試驗(yàn)可以驗(yàn)證控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的正確性，加深對(duì)其理論知識(shí)的理解和控制規(guī)律的認(rèn)識(shí)。系統(tǒng)一些重要控制參數(shù)的仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際的裝置參數(shù)的設(shè)定具有一

118、定的參考作用，因此，在實(shí)際裝置設(shè)計(jì)之前應(yīng)該對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真。</p><p>　　MATLAB語(yǔ)言及其SIMULINK可視化仿真平臺(tái)在控制系統(tǒng)仿真中應(yīng)用非常普遍。MATLAB工具箱包含很多仿真模塊，如電力系統(tǒng)模塊，DSP模塊，數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊等等，利用這些模塊，無(wú)需編程，在SIMULINK環(huán)境下就可以迅速建立起各種模型，直接仿真，使用十分靈活方便。本章就是利用MATLAB6.5的仿真工具SIMULINK對(duì)并聯(lián)

119、型有源電力濾波器系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從仿真結(jié)果可以直觀的看出系統(tǒng)補(bǔ)償諧波的效果。[8]</p><p>　　4.2 仿真模型的建立</p><p>　　4.2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)仿真模型</p><p>　　并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)的整體仿真模型如圖4.1所示，圖中，POWER和LOAD兩個(gè)模塊組成三相三線(xiàn)制系統(tǒng)，負(fù)載側(cè)三相電流和a相電壓通過(guò)三個(gè)電流檢測(cè)元件（C

120、urrent Measurement）和一個(gè)電壓檢測(cè)元件（Voltage Measurement）檢測(cè)后送給諧波檢測(cè)模塊（cauculate），檢測(cè)模塊通過(guò)運(yùn)算得出指令電流，指令電流再和主電路模塊（main circuit）輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流通過(guò)sum模塊進(jìn)行比較后送給PWM發(fā)生器（Discrete PWM Generator）產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制主電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，進(jìn)而控制實(shí)際補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波。</p