1、有源電力濾波器仿真研究 目錄摘要1第一章 有源濾波器介紹31.1 有源濾波器基本原理31.2 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)31.3 有源電力濾波器的分類41.4 有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù)5第二章 基于瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)方法52.1基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)算法72.2基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法8第三章 有源電力濾波器的控制策略103.1滯環(huán)比較控制103.2 三角波比較方式10第四章 有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì)114.1直流側(cè)電容量的選擇114.2 直流側(cè)電壓的選擇13第五章并聯(lián)電力有源濾波器的仿真165.1 主電路165.2 指令電流運(yùn)算電路165.4 結(jié)果分析175.3 電流跟蹤控制電路17第一章

2、 有源濾波器介紹1.1 有源濾波器基本原理有源電力濾波器是一種用于動(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IC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)。電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成的構(gòu)成原理圖如下：圖1-1有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成原理圖圖中負(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(由電流跟蹤控制電路、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)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量，因此有時(shí)也稱之為諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)

3、指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。1.2 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)有源濾波器(Active Power Filter，APF)的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中分離出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，即不存在諧振的問(wèn)題。具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)具有一機(jī)多能的特點(diǎn)。不僅能夠補(bǔ)償各次諧波，無(wú)功功率和負(fù)序電流等。(2)具有自適應(yīng)功能，能對(duì)頻率和幅值發(fā)生快速變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。(3)由于裝置本身能完成輸出限制，所以不會(huì)因?yàn)檠a(bǔ)償電流過(guò)大而過(guò)載。(4)諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率

4、變化的影響。(5)可對(duì)多個(gè)諧波源和無(wú)功源進(jìn)行集中補(bǔ)償。1.3 有源電力濾波器的分類從不同的觀點(diǎn)看，有源電力濾波器具有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，如圖1-2所示，分別介紹如下：(1)根據(jù)主電路的儲(chǔ)能元件不同，可以分為電壓型有源電力濾波器和電流型有源電力濾波器兩種。電壓型APF的主電路直流側(cè)接有大電容，正常工作時(shí)其電壓基本保持不變。電流型APF的主電路直流側(cè)接有大電感，正常工作時(shí)期電流基本保持不變。但由于電流型主電路的直流側(cè)始終有電流流過(guò)，該電流將在電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。(2)根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類：并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器。并聯(lián)型APF與負(fù)載并聯(lián)接入

5、電網(wǎng)，主要是用于電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流補(bǔ)償。串聯(lián)型APF與負(fù)載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電壓性諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型APF中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，損耗較大，并且串聯(lián)型APF的投切、故障后的退出及各種保護(hù)也比并聯(lián)型APF復(fù)雜，因此使用范圍受到很大限制。圖1-2有源電力濾波器的分類示意圖1.4 有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù)有源電力濾波器APF(active power filter)可應(yīng)用于電力系統(tǒng)諧波、無(wú)功電流的補(bǔ)償，并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理是使變流器產(chǎn)生實(shí)時(shí)跟蹤指令電流的補(bǔ)償電流，從而使主電流中不含諧波和無(wú)功成分。諧波電流的檢測(cè)、諧波電流的跟蹤補(bǔ)償控制和直流側(cè)電容電壓控制是有源電力濾波

6、器的三個(gè)主要組成部分。第二章 基于瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)方法三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論是日本學(xué)者H.Akagi于1984年首先提出的，此后經(jīng)不斷研究和發(fā)展逐漸的到了完善，現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了法、法等諧波檢測(cè)方法。諧波檢測(cè)法是使用最早的方法，但是它只適用于電網(wǎng)電壓是三相對(duì)稱的并且沒(méi)有產(chǎn)生畸變的情況；法不僅適用于電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變的情況，而且也適用于對(duì)不對(duì)稱三相電網(wǎng)的檢測(cè)。瞬時(shí)無(wú)功功率理論的基本原理是：假設(shè)三相電路的電壓和電流瞬時(shí)值分別為、和、，為便于分析，把它們用下面的坐標(biāo)變換變換到兩相正交坐標(biāo)上。 (2-1) (2-2)式中： 圖2-1 平面圖如圖2-1所示的平面上，向量、和、分別可以合成為電壓向量和電流向量 (

7、2-3) (2-4)式中 |、|為相量、的模，、為相量、的幅角。三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流被定義為相量在相量及其法線上的投影，即： (2-5) (2-6)式中。三相電路瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率為電壓相量的模和三相電路瞬時(shí)有功功率及三相電路瞬時(shí)無(wú)功電流的乘積。即 (2-7) (2-8)將方程式(2-5)、式(2-6)及代入方程式(2-7)、(2-8)中，得出：寫(xiě)成矩陣形式為： (2-9)式中 三相瞬時(shí)電壓可以表示為： (2-10)將式(2-10)代入(2-1)得： (2-11)將式(2-11)代入(2-9)得 (2-12)因?yàn)椋裕?(2-13)其中： 在傳統(tǒng)理論中，對(duì)有功功率和無(wú)功

8、功率的定義是基于平均值或者向量的，他們只有在電壓和電流是正弦波的時(shí)候才有意義。而瞬時(shí)無(wú)功功率理論是基于瞬時(shí)值的，即便波形不是正弦波，也是適用的。雖然瞬時(shí)無(wú)功功率理論和傳統(tǒng)的無(wú)功功率理論近似，但是瞬時(shí)無(wú)功功率理論有更廣的適用范圍，適應(yīng)更多的情況。2.1基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)算法諧波檢測(cè)是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的一種諧波檢測(cè)方法，在電網(wǎng)的三相電壓和電流對(duì)稱并且無(wú)畸變的情況下，具有良好的檢測(cè)效果。用這種方法計(jì)算出的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q與通常的三相有功功率和無(wú)功功率的計(jì)算結(jié)果一致。 圖2-2 法框架圖這種方法的基本原理是：首先根據(jù)定義算出瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q,將計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)低

9、通濾波器(LPF)濾波，得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q的直流分量、。在電壓波形沒(méi)有畸變的情況下，是由基波有功電流與電壓相互作用產(chǎn)生的，是由基波無(wú)功電流與電壓相互作用所產(chǎn)生的。所以濾波得到的直流分量、和電網(wǎng)中的基波電流是相互對(duì)應(yīng)的。根據(jù)這個(gè)原理，再進(jìn)行反變換到電網(wǎng)的三相坐標(biāo)，就可以由、得到電流、的基波分量、。 (2-14)將、與、相減，即可得出、的諧波分量、。當(dāng)有源電力濾波器需要同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí)，就需要同時(shí)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波電流和無(wú)功電流。在這種情況下，根據(jù)上面的原理只需斷開(kāi)圖2-9中的的通道即可。這時(shí)，由瞬時(shí)有功功率的直流分量就可以計(jì)算出電流、的基波有功分量、： (2-15)將、與

10、、相減，即可得出、的諧波分量和基波無(wú)功分量的和、。對(duì)于三相三線制電路，當(dāng)三相電壓發(fā)生畸變時(shí)，不論三相電壓和三相電流是否是對(duì)稱的，通過(guò)諧波檢測(cè)算法得到的結(jié)果都有誤差,只是誤差的情況會(huì)有所不同。2.2基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到非線性負(fù)載的影響，電網(wǎng)中的三相電壓并不是基波正序電壓，也會(huì)包含負(fù)序和諧波分量，這樣就產(chǎn)生了畸變，在這種情況下使用諧波檢測(cè)法就不能精確得檢測(cè)出諧波。因?yàn)橹C波檢測(cè)法沒(méi)有使用系統(tǒng)電壓的信息，只是使用了其中a相電壓的相位，因此檢測(cè)結(jié)果的精度不受電壓畸變的影響，克服了檢測(cè)諧波法會(huì)受到電壓波形畸變影響的不足。此方法的原理如圖2-3所示：圖2-3 法框架圖圖中

11、(2-16)將三相電流經(jīng)過(guò)3/2變換，變換為靜止兩項(xiàng)坐標(biāo)系的電流 (2-17)在這個(gè)方法中，需要用到與a相電壓同相位的正弦信號(hào)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)。將通過(guò)鎖相環(huán)和正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到與同相位的正弦信號(hào)和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)，從而得到變換陣，(2-18)將兩項(xiàng)電流經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換矩陣得出該坐標(biāo)系下的有功和無(wú)功電流分量 (2-19)有功和無(wú)功電流分量經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除交流分量，得到對(duì)應(yīng)的直流分量，直流分量分別對(duì)應(yīng)于基波分量產(chǎn)生的有功和無(wú)功電流，被濾除的交流分量對(duì)應(yīng)其高次諧波產(chǎn)生的有功和無(wú)功電流。通過(guò)低通濾波器得到的直流分量經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換求出兩相坐標(biāo)系的電流， (2-20) (2-21)在經(jīng)過(guò)2/3變換得到三

12、相的基波電流 (2-22)最后的諧波為： (2-23)與諧波檢測(cè)法相似，當(dāng)需要檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需斷開(kāi)圖2-3中的通道即可。第三章 有源電力濾波器的控制策略3.1滯環(huán)比較控制滯環(huán)控制法是目前使用很廣泛的一種閉環(huán)電流控制方法。該方法根據(jù)給定補(bǔ)償信號(hào)與測(cè)得的諧波補(bǔ)償器輸出電流的誤差來(lái)控制諧波補(bǔ)償器的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。當(dāng)誤差超過(guò)上、下限(由滯環(huán)環(huán)寬決定)時(shí)開(kāi)關(guān)立即動(dòng)作，使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考信號(hào)上下波動(dòng)。原理圖如圖3.1所示。圖3.1 滯環(huán)比較控制方法如圖3.2是以一相電路為例，采用滯環(huán)比較控制方式的原理。將指令信號(hào)i*與實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)ic的差值ic作為滯環(huán)比較器的輸入，用H表示滯

13、環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng)|ic|<H時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出不變;而當(dāng)|ic|>H時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出將翻轉(zhuǎn)，則補(bǔ)償電流ic的方向隨之改變，使ic減小，保證了補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的變化。圖3.2電流跟蹤示意圖該方法控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，對(duì)負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)，具有內(nèi)在的限制能力。但系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會(huì)受到滯環(huán)環(huán)寬影響。帶寬固定時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率會(huì)隨著補(bǔ)償電流變化而變化，從而引起較大的開(kāi)關(guān)噪聲。減小環(huán)寬可提高電流跟蹤性能，但功率器件開(kāi)關(guān)頻率提高，引起損耗增加，反之則電流跟蹤性能變差。3.2 三角波比較方式三角波比較方式的原理如圖3.3所示，將指令信號(hào)ic與實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)i*的差值ic

14、通過(guò)比例調(diào)節(jié)器作為調(diào)制波，三角波為載波，比較后得到工IGBT開(kāi)通時(shí)間. 圖3.3三角波比較方式原理圖這種控制方式與滯環(huán)比較控制具有如下特點(diǎn):(1)硬件較為復(fù)雜;(2)跟隨誤差較大;(3)含有與三角波載波相同頻率的諧波;(4)放大器的增益有限;(5)器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，且等于三角波載(6)電流響應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式的慢。第四章 有源電力濾波器的主電路設(shè)計(jì) 4.1直流側(cè)電容量的選擇 為了保證有源電力濾波器正常工作，直流側(cè)電壓作為補(bǔ)償器的直流電源必須保持恒定。但有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，很難將主電路直流側(cè)電壓控制在一個(gè)恒定值，直流側(cè)電壓隨補(bǔ)償電流和補(bǔ)償器工作模式的改變而改變，在允許的給定范圍內(nèi)波動(dòng)。

15、直流側(cè)電壓的波動(dòng)主要來(lái)自于APF補(bǔ)償電流中的諧波及無(wú)功電流造成的能量脈動(dòng)、開(kāi)關(guān)損耗以及交流側(cè)濾波電感儲(chǔ)能引起的能量脈動(dòng)，其中尤其以諧波電流造成的能量脈動(dòng)所引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)最為明顯。為了減小直流側(cè)電壓波動(dòng)，直流側(cè)電容必須有一定的容量要求。當(dāng)直流側(cè)電壓一定時(shí)，電容值越小，則直流側(cè)電壓波動(dòng)越大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果;電容值越大，則直流側(cè)電壓波動(dòng)越小，但是電容體積和造價(jià)都會(huì)增加。因此，需要綜合考慮兩方面因素，在直流側(cè)電壓波動(dòng)滿足要求下進(jìn)行電容值的選取。設(shè)直流側(cè)電壓Udc的最大允許波動(dòng)電壓為Udcmax定義電壓波動(dòng)率為: (4一1)則直流母線電壓最大值和最小值為: (4一2) (4一3)對(duì)于

16、非線性負(fù)載來(lái)說(shuō)，其諧波和無(wú)功電流所產(chǎn)生的瞬時(shí)功率不為零，但一個(gè)周期的平均值為零。當(dāng)有源電力濾波器對(duì)諧波和無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，有源電力濾波器和負(fù)載之間有能量交換，需要直流側(cè)電容提供能量交換緩沖。如果忽略有源電力濾波器系統(tǒng)存在損耗，這一緩沖電容只是周期性地吸收和釋放能量，不需要電源提供能量。而當(dāng)諧波和無(wú)功電流得到補(bǔ)償時(shí)，電源只向負(fù)載提供有功電流，即提供負(fù)載消耗的能量，而不再和負(fù)載交換能量。有源電力濾波器、電源及負(fù)載之間的能量交換如圖4.1所示:圖4.1有源濾波器、負(fù)載和電源之間的能量交換為了簡(jiǎn)化分析，特作以下假設(shè):(1)考慮能量平衡關(guān)系時(shí)，不考慮濾波電感中的儲(chǔ)能;(2)穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流側(cè)電壓波動(dòng)幅值與

17、直流側(cè)電壓值相比非常小;(3)APF自身?yè)p耗忽略不計(jì)。設(shè)有源電力濾波器交流側(cè)的瞬時(shí)功率為Pc(t): (4一4)上式中，uc(t)、ic(t)分別為有源電力濾波器交流側(cè)的三相電壓、電流瞬時(shí)值。直流側(cè)電容的瞬時(shí)功率為Pdc(t): (4一5)上式中，udc(t)、idc(t)分別為直流側(cè)電壓、電流瞬時(shí)值。忽略諧波補(bǔ)償器的開(kāi)關(guān)損耗，則有 (4一6)將式帶入上式: (4一7)由上式兩邊積分得: (4一8)上式右邊的積分項(xiàng)就是有源電力濾波器的補(bǔ)償容量。假設(shè)有源電力濾波器的補(bǔ)償容量Sc，則由式可得: (4一9)因此,確定了裝置的補(bǔ)償容量和允許的直流側(cè)電壓波動(dòng)之后，就可根據(jù)式(4一9)確定電容的容量。需要

18、注意的是，所計(jì)算出的電容量是在理想條件下得到的，實(shí)際選取電容的容量時(shí)必須留有一定裕度。4.2 直流側(cè)電壓的選擇用理想開(kāi)關(guān)代替實(shí)際開(kāi)關(guān)器件，忽略系統(tǒng)的阻抗，可得并聯(lián)型APF等值電路，如圖4.2所示。 圖4.2并聯(lián)型APF等值電路假定e為系統(tǒng)電壓，直流側(cè)電容電壓為Udc，其中電壓都以系統(tǒng)中性點(diǎn)o為參考點(diǎn)，則圖4.2中三相電路瞬時(shí)值方程為: (4-10)引入開(kāi)關(guān)函數(shù)Sa、Sb、Sc，定義為: (4-11)相應(yīng)APF交流側(cè)相電壓為: (4-12)不計(jì)零軸分量，則有: (4-13)由式(4-10)、(4-11)、(4-12)得: (4-14)把(4-14)帶入式(4-12)，則APF交流側(cè)相電壓: (4

19、-15)將(4-15)代入(4-10)，忽略APF交流側(cè)電阻影響，得: (4-16)APF主電路開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷，是由采樣時(shí)刻的指令電流Ic*與實(shí)際補(bǔ)償電流ic作差得到的Ic。的極性決定的。以a相為例，當(dāng)Ica>O時(shí)，即a相的實(shí)際補(bǔ)償電流小于指令電流時(shí)，主電路a相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷;反之，當(dāng)Ica<0時(shí)，即a相實(shí)際補(bǔ)償電流大于指令電流時(shí)，主電路a相上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通。這樣使實(shí)際補(bǔ)償電流與指令電流之間的誤差減小，達(dá)到補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的目的。有源濾波器共有8種開(kāi)關(guān)模式，任取其中一種非零開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行分析。設(shè)Sabc =110，對(duì)應(yīng)Ica>0、Icb>o和Icc

20、<O，此時(shí)需要增大a相和b相電流同時(shí)減小c相電流，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)為a相和b相上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷，c相上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通。將Sabc=110代入(4-16)得: (4-17)為了控制電流變化，需要使Ica、Ice增大同時(shí)使Icc減小，此時(shí)應(yīng)滿足: (4-18)由式(4-17)和(4-18)得: (4- 19)如果要跟蹤電流的變化，就要在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中滿足式(4-19)中的限制條件，考慮到最嚴(yán)重情況有: (4-20)上式中，Em為交流側(cè)電源相電壓峰值，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流變化的跟蹤，直流側(cè)電壓必須大于交流側(cè)電源相電壓的3倍，否則將出現(xiàn)補(bǔ)償電流不按控制要求變化的情況。對(duì)于其它的開(kāi)關(guān)組合情況，也可得到相同結(jié)論。第五章 并聯(lián)電力有源濾波器的仿真一個(gè)