HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目混合型有源濾波器的研究學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)電自1101班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年5月25日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第頁(3)諧波電流會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振在公用電網(wǎng)中局部出現(xiàn)，從而加劇諧波的危害。(4)諧波電流會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的不動(dòng)作或誤動(dòng)作，并會(huì)使測(cè)量?jī)x器的準(zhǔn)確性受到很大影響。(5)由于電磁感應(yīng)和電磁耦合等原理，靠近諧波電流的通信系統(tǒng)的正常工作會(huì)受到極大的干擾，輕者引發(fā)噪聲，使通信質(zhì)量受到影響；重者信息發(fā)生丟失，通信系統(tǒng)趨于崩潰。1.2.3諧波的標(biāo)準(zhǔn)出于減少諧波污染帶來的危害的考慮，使得電能質(zhì)量盡可能高，不少國(guó)際組織制定了各種限制諧波污染的準(zhǔn)則。其中，IEEE60519和IEC60555-2標(biāo)準(zhǔn)是兩個(gè)廣泛為人所接受的標(biāo)準(zhǔn)。1981年世界電工電子學(xué)會(huì)制作了IEEE60519標(biāo)準(zhǔn)，并于1992年修訂了該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，該準(zhǔn)則通過對(duì)電網(wǎng)的改造來實(shí)現(xiàn)公共節(jié)點(diǎn)的電氣量將諧波電流限制在一定范圍之內(nèi)。負(fù)載中諧波則是通過IEC60555-2標(biāo)準(zhǔn)得到限制，從而使得電網(wǎng)從負(fù)載吸收的諧波被限制在一定的可控范圍之內(nèi)。IEC60555-2標(biāo)準(zhǔn)于制定于1982年，并于1995年被修訂，IEC61000-3-2是該標(biāo)準(zhǔn)修訂后的準(zhǔn)則。在中國(guó)，原來的水利電力部于1984年根據(jù)《全國(guó)供用電規(guī)則》的相關(guān)規(guī)定，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的指導(dǎo)下，頒布了SD126-84《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》。1.3治理諧波的方法公用電網(wǎng)的正常運(yùn)行由于諧波的產(chǎn)生，受到了極大的影響和危害，因此為了電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行工作，有關(guān)部門已經(jīng)將諧波的治理列為電網(wǎng)工作的最重要部分之一。廣義上來說，諧波治理可采用的方法分為:(1)主動(dòng)治理：即治理著手于諧波源處，在設(shè)計(jì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和相關(guān)電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)時(shí)就充分考慮可能的諧波問題，通過一定的消諧波措施，從而使得諧波源產(chǎn)生盡可能少的諧波。具體來說可適當(dāng)增加整流逆變器的相數(shù)或脈沖數(shù)、讓諧波源使用不同的方式進(jìn)行工作、采用PWM技術(shù)以及盡可能提高變流器的功率因數(shù)。(2)諧波接收端治理：即改善接收諧波的電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)，例如設(shè)置消諧波裝置等，使其抗諧波能力得到較大提高。具體方法形形色色，如將供電方式合理化、減小元件對(duì)諧波的放大效果、優(yōu)化諧波保護(hù)等。(3)被動(dòng)治理：即通過濾波器的外加，使得盡可能少的諧波進(jìn)入電力系統(tǒng)，或阻礙電網(wǎng)本身的諧波電流流入負(fù)載。在治理正在運(yùn)行的電氣設(shè)備和裝置時(shí)，比較值得嘗試的是裝設(shè)諧波抑制器件，如濾波器。濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩種。兩者中，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，以消除目標(biāo)動(dòng)態(tài)諧波。本文僅研究被動(dòng)治理方法中的有源電力濾波器。具體的實(shí)施方案是混合型有源電力濾波器。1.4、本文研究課題內(nèi)容概述（混合型有源電力濾波器）本論文課題是在研讀了國(guó)內(nèi)外數(shù)篇專業(yè)論文，考慮到并聯(lián)型有源電力濾波器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的前提下，對(duì)該類濾波器提出的一些個(gè)人見解。文章主要涵蓋以下幾方面：(1)介紹和描述了并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)、工作原理、以及數(shù)學(xué)建模。(2)研究和探討了諧波電流的檢測(cè)方法，主要包括兩種方法，即諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和基于瞬時(shí)無功功率理論的Ip-Iq諧波電流檢測(cè)法及其改進(jìn)方法，通過這兩種方法，我們可以檢測(cè)出任何次的諧波電流，并通過MATLAB軟件對(duì)兩種檢測(cè)方法進(jìn)行仿真模擬，從而得出相關(guān)的波形，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)論。(3)補(bǔ)償電流的控制也是當(dāng)今電力電子領(lǐng)域的一個(gè)重要研究議題，本文同樣對(duì)此進(jìn)行了研究。具體方法在本文中包括：三角波比較方式、直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制方式、無差拍控制方式。本文對(duì)三中不同控制方法的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、意義分別進(jìn)行了研究。利用MATLAB/simulink對(duì)并聯(lián)型電力濾波器各環(huán)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真。2.諧波電流的檢測(cè)2.1諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)有源電力濾波器研究的重要議題之一就是諧波電流檢測(cè)技術(shù)，不同的技術(shù)有不同的精確度和檢測(cè)速度，這兩點(diǎn)是有源電力濾波器的重要性能指標(biāo)。本章簡(jiǎn)要討論了兩種不同的諧波電流檢測(cè)技術(shù)，即諧波的實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和基于瞬時(shí)無功功率理論的Ip-Iq諧波電流檢測(cè)法及其改進(jìn)方法。如果能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)出諧波電流，則能使得電力濾波器的精度得到較大提高。上世紀(jì)初，Budeanu.C和Fryze.S提出了著名的無功功率理論，但該理論具有一定局限性，即不能保證有源電力濾波器的諧波檢測(cè)實(shí)時(shí)跟蹤。此后，人們?cè)诶^續(xù)時(shí)域研究的同時(shí)，也投入了大量的精力在頻域研究領(lǐng)域，具有一定代表性的是LSCzarnecki的離散傅立葉分析方法，但該方法同樣無法突破實(shí)時(shí)性較差的局限。到了上世紀(jì)末，隨著諧波污染的逐漸嚴(yán)重，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，此外，在非線性電路方面，功率理論逐漸引起人們的重視，諧波檢測(cè)的深入也逐漸被提上日程。2.1.1基于FFT的數(shù)字分析法此種方法較為簡(jiǎn)單明了，其原理可描述為將諧波信號(hào)進(jìn)行周期性發(fā)FFT分解，便得到了各次諧波電流的相位及幅值，至此便可寫出各次諧波的數(shù)學(xué)式。此種方法具有能很快得到各次諧波的優(yōu)點(diǎn)，但這種方法同樣有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，即需要對(duì)一個(gè)完整周期內(nèi)波形進(jìn)行采樣，所以延時(shí)性較大，不能稱為快速檢測(cè)方法。目前較為實(shí)用的移動(dòng)窗口，即在采樣得到?jīng)]一個(gè)新的數(shù)據(jù)之后，則將之前得到的舊數(shù)據(jù)刪除，從而使得新數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)構(gòu)成一組數(shù)據(jù)窗口，經(jīng)過FFT分解后，可得到各次諧波電流?？雌饋磉@種方法似乎滿足快速檢測(cè)的技術(shù)要求，但由于新加入的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)是逐步的，當(dāng)系統(tǒng)含有的諧波量發(fā)生變化時(shí)，必須在一個(gè)完整的周期后，經(jīng)過FFT分解得到的各次諧波分量才能跟的上諧波量的突變。該分析法會(huì)延時(shí)一個(gè)完整的周期。FFT方法簡(jiǎn)單明了，可以人為也有目的地選擇要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，能滿足各種情況的需求。但這種方法不得不重構(gòu)誤差信號(hào)，運(yùn)算方面工作量較大，故實(shí)時(shí)性不可靠；而且該分析方法是以傅里葉法為分析基礎(chǔ)，因此必須在被補(bǔ)償波形是呈現(xiàn)周期性的前提下才能實(shí)現(xiàn)，否則誤差會(huì)非常大，所以其應(yīng)用范圍和情況受到了極大限制。2.1.2離散傅立葉變換DFT離散傅里葉變換是信號(hào)分析的最基本方法，傅里葉變換是傅里葉分析的核心，通過它把信號(hào)從時(shí)間域變換到頻率域，進(jìn)而研究信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律。本章不對(duì)其進(jìn)行具體研究。2.2基于瞬時(shí)無功功率理論的Ip-Iq諧波電流檢測(cè)法及其改進(jìn)方法2.2.1基于瞬時(shí)無功功率理論的Ip-Iq諧波電流檢測(cè)法Ip-Iq諧波檢測(cè)法的基礎(chǔ)是p-q諧波檢測(cè)法。兩者相比，Ip-Iq諧波檢測(cè)法不需要測(cè)量電網(wǎng)的三相電壓，只需測(cè)量出與A相電壓相對(duì)應(yīng)的正弦和余弦以及三相負(fù)載電流。在這種情況下，只需要滿足三相電壓完全對(duì)稱。上圖代表了abc三相坐標(biāo)系、αβ坐標(biāo)系和pq坐標(biāo)系相互的對(duì)應(yīng)關(guān)系。Abc與αβ為非動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系，相反的，pq坐標(biāo)系是動(dòng)態(tài)的，其p軸與正序電壓基波矢量U1同軸，p軸U1同時(shí)按照同步角速度ω旋轉(zhuǎn)，q軸與p軸存在90度的偏差。電流的矢量在pq軸上可被人為地分解為Ip、Iq，其中p1=u1ip、q1=u1iq。也就是說，實(shí)際的電壓矢量可以被分解為三個(gè)分量，即正序、負(fù)序和諧波電壓分量，這三序分量的角頻率不相同?，F(xiàn)可將三相基波正序電壓ua1、ub1、uc1代入下式：可得uα1、uβ1。假定分量sinωt的相頻與A相基波正序電壓的相頻完全相同，則有：其余證明過程略，最后得到：至此可得出正確的基波正序分量，再用實(shí)際的三相電流減去該值，得到的即負(fù)序和諧波電流之和。我們可用如下原理圖表示ip-iq諧波檢測(cè)法：在該原理圖中，是A相的電壓信號(hào)，PLL是鎖相環(huán)，因?yàn)檫@個(gè)鎖相環(huán)的存在，與A相電壓同相位的正余弦信號(hào)sinwt和coswt可以被發(fā)出。當(dāng)圖中的iq通道被斷開時(shí)，可以檢測(cè)出諧波和無功功率電流之和；當(dāng)圖中的iq進(jìn)行反變換時(shí)，可以檢測(cè)出無功功率電流。2.2.2改進(jìn)方法由于需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保持和采樣，在有源電力濾波器的檢測(cè)系統(tǒng)中存在著一定的延時(shí)性，這個(gè)時(shí)間段達(dá)到一個(gè)完整的周期。由于這個(gè)時(shí)間延遲，跟蹤補(bǔ)償電流發(fā)生了相位的偏移。如果這個(gè)時(shí)間延遲得不到平衡和補(bǔ)償,該電力濾波器的效果會(huì)比較差,在極端情況下，不僅諧波不能被削弱，反而會(huì)逐漸加強(qiáng)。在本文中探討了基于上述諧波檢測(cè)法的改進(jìn)方法，以期對(duì)該時(shí)間延遲進(jìn)行補(bǔ)償。該改進(jìn)法的原理是在檢測(cè)到電網(wǎng)中某次諧波之后，加上一個(gè)額外的補(bǔ)償角，這樣做的目的是平衡數(shù)模轉(zhuǎn)換和控制算法等過程帶來的時(shí)延。在本文中所涉及的非線性負(fù)載方面，一般僅包含5、7、11次諧波，而大于11次的諧波含量較小，故本文不予考慮。只需要將這幾次諧波通過一定的方式檢測(cè)出來，然后通過疊加原理的應(yīng)用，得到實(shí)際的負(fù)載諧波電流，在此之后補(bǔ)償裝置便可以很好地跟蹤其自身發(fā)出的補(bǔ)償電流。改進(jìn)的ip-iq諧波電流檢測(cè)法原理圖如下所示：現(xiàn)使用MATLAB對(duì)傳統(tǒng)法和改進(jìn)法進(jìn)行模擬仿真并假設(shè)補(bǔ)償電流能夠和參考電流完全重合，那么誤差的來源僅僅剩下檢測(cè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)誤差，負(fù)載電流只含有幅值很低的11次諧波。通過FFT變換可分析得知該負(fù)載的幅頻特性。設(shè)置仿真的采樣時(shí)間間隔為0.0004s，將傳統(tǒng)法與改進(jìn)法的補(bǔ)償效果進(jìn)行比較，得到仿真結(jié)果如下圖示。傳統(tǒng)法改進(jìn)法2.3本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要闡述了基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測(cè)法及其改進(jìn)方法，在改進(jìn)法中，計(jì)算中某次諧波電流，并通過增加補(bǔ)償角，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)仿真結(jié)果我們可以得出結(jié)論：相比傳統(tǒng)法，改進(jìn)法能夠很大程度上改善補(bǔ)償效果。3.控制方法的研究3.1逆變器的主電路根據(jù)逆變器直流側(cè)不同的儲(chǔ)能元件類型，主電路可使用電壓型PWM和電流型PWM兩大類?，F(xiàn)對(duì)著兩類不同的逆變器電路特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：電壓型逆變器主電路如圖所示：其特點(diǎn)如下所述：(1)直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容，相當(dāng)于一個(gè)電壓源來提供非正弦諧波。正常工作的條件下，電容的端電壓幾乎恒定，可以看做一個(gè)恒壓源。(2)為了達(dá)到直流側(cè)電壓恒定的目的，需要采取相關(guān)控制方式對(duì)電壓加以控制。(3)交流側(cè)的輸出波形為PWM波。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，并且能夠較為方便地?cái)U(kuò)展為多電平形式，開關(guān)頻率不高的情況下，具有較好的電力性能。電流型逆變器的主電路如圖所示：(1)直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)電感，相當(dāng)于一個(gè)電流源發(fā)出非線性諧波電流。在正常工作運(yùn)行的條件下，電感中的電流基本不變，可以視為電流源。(2)為了達(dá)到直流側(cè)電流恒定的目的，需要采取相關(guān)控制方式對(duì)電流加以控制。(3)交流側(cè)的輸出波形為PWM波。(4)電流型逆變器最大的劣勢(shì)是無法適用于多電平，無法有效提高大容量時(shí)的電力性能。電壓型逆變器可能會(huì)在開關(guān)閉合時(shí)發(fā)生短路事故，而電流型逆變電路則不會(huì)。但是由于始終存在的流過電感的電流，在電流型逆變器中，電感的損耗較大，而電壓型逆變器的電能損耗與之相比小很多，因此在我國(guó)電壓型逆變電路仍然在電力濾波器中占有主導(dǎo)地位。3.2控制原理概述本文在上一部分已闡述了該類電力濾波器的足夠補(bǔ)償諧波的電流值，在PWM逆變器中，晶閘管器件受到控制電路控制，矩形波脈沖會(huì)得到相應(yīng)觸發(fā)，通過這種方法可以發(fā)出適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償電流，跟蹤參考電流值，以期實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償效果最大理想化。據(jù)此可以得出，控制電路也是該電力濾波器的重要構(gòu)成環(huán)節(jié)。因此，一般而言也需要對(duì)控制電路提出比較高的要求。在本研究課題中，兩部分構(gòu)成了電力濾波器控制環(huán)節(jié)，一部分是脈沖生成電路，一部分是控制實(shí)現(xiàn)電路。如下圖所示。細(xì)分而言，控制算法處理環(huán)節(jié)對(duì)由上一級(jí)傳來的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用上一章闡述的諧波電流檢測(cè)法，測(cè)出濾波器所需諧波電流和實(shí)際產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行比較，根據(jù)不同的差值，晶閘管器件開通或關(guān)斷，即產(chǎn)生相應(yīng)的邏輯“0”和邏輯“1”，開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)器再對(duì)該邏輯信號(hào)進(jìn)行處理，使得其轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而為逆變器主電路服務(wù)。本類電力濾波器采用了處理能力很強(qiáng)的微處理器，有條件實(shí)現(xiàn)諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)和所需補(bǔ)償電流的合理配置。相比較而言，模擬電路不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且實(shí)現(xiàn)困難，因此如今國(guó)內(nèi)外存在的電力濾波器都以微處理器而非模擬電路為主，這部分電路與數(shù)字控制系統(tǒng)較為相似，而通常所言的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)，是在得到參考諧波電流后，用模擬電路對(duì)諧波進(jìn)行跟蹤，然后發(fā)出濾波器控制系統(tǒng)所需的PWM觸發(fā)脈沖。3.3常用的幾種控制方法3.3.1三角波控制法該方法是諧波電流值比較法的衍生法，是一種符合線性特性的控制方法。其原理如下圖所示。該裝置將參考諧波電流值與實(shí)際補(bǔ)償值進(jìn)行比較和相減，得到的差值再經(jīng)比例環(huán)節(jié)進(jìn)行放大處理，從而被轉(zhuǎn)化成調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)可實(shí)時(shí)與高頻三角調(diào)制波比較，從而產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)該濾波器的逆變器主電路的觸發(fā)脈沖，從而輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流能夠?qū)⒖贾诞a(chǎn)生很好的跟蹤效果。三角波控制法具有以下特點(diǎn)：(1)PI環(huán)節(jié)的開關(guān)保持一定頻率，不僅能夠使器件保護(hù)和選擇盡可能簡(jiǎn)化，而且有利于優(yōu)化動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而使得電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，高頻開關(guān)信號(hào)系統(tǒng)能夠因此得到較好控制。(2)跟隨誤差始終比較大，PI環(huán)節(jié)放大器的增益很有限。(3)雖然逆變器的開關(guān)頻率一致保持在較高值，但是與三角載波同頻的諧波始終得不到很好的消除，因此開關(guān)損耗量較大，在大功率電路中無法得到應(yīng)用。鑒于上述三角波控制法的特點(diǎn)，該方法目前僅具有理論分析意義，而不在實(shí)際中得到應(yīng)用。3.3.2空間電壓矢量控制方法該方法劃分逆變器的八種不同開關(guān)模式成八個(gè)空間矢量，Vop(1,1,1)和Von(-1,-1,-1)兩個(gè)正好反相的矢量分別朝向零軸的正負(fù)向。即8種開關(guān)狀態(tài)分別等效為八個(gè)不同的空間矢量，其中的兩個(gè)是空間零矢量，剩余的六個(gè)非零矢量將空間分成六個(gè)扇形區(qū)域。第一步先計(jì)算空間參考矢量，根據(jù)參考矢量的相角判斷其處于哪個(gè)扇形區(qū)。第二步計(jì)算各個(gè)開關(guān)矢量作用時(shí)間。最后據(jù)此合成得到三相PWM波形。下圖為電壓空間矢量圖。該方法同樣具有一些優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)，例如開關(guān)頻率較低，即在一個(gè)周期內(nèi)晶閘管僅開通和關(guān)斷3次，相比于此，其他方法的開關(guān)頻率過高，因而逆變器的損耗也自然而然會(huì)比較大，該方法有利于降低器件損耗。但應(yīng)用該方法時(shí)計(jì)算量較大。在控制周期較短的情況下很難實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，因此本課題同樣放棄該方法。3.3.3無差拍控制方法該方法將控制技術(shù)純數(shù)字化，在空間矢量理論的基礎(chǔ)上，該方法將實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定為電流誤差等于零，將諧波電流在上一個(gè)周期的值視為參考值，實(shí)際值該周期的實(shí)際諧波電流，通過兩者差值下一周期能夠輸出的脈沖寬度得到調(diào)節(jié)。在該方法下，電流的變化能得到快速的響應(yīng)，適合在快速暫態(tài)系統(tǒng)中得到應(yīng)用。該方法的弊端是計(jì)算量同樣很大，且系統(tǒng)參數(shù)會(huì)對(duì)其效果和性能產(chǎn)生較大影響。這些年來，能夠?qū)崿F(xiàn)其計(jì)算簡(jiǎn)化的方法逐漸出現(xiàn)，DSP的普及更促進(jìn)了該方法的發(fā)展，因此該方法具有相當(dāng)好的發(fā)展前景。3.3.4滯環(huán)比較控制方法在非線性控制方法領(lǐng)域，滯環(huán)比較控制方法是最受歡迎的一種方法。其控制原理和控制方法如圖所示。圖中比較實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的諧波電流值與實(shí)際的諧波電流信號(hào)值，并將兩者的電流差值作為該比較器的輸入端，輸出端的輸出信號(hào)可作為控制逆變器主電路開通和關(guān)斷的PWM控制信號(hào)。此信號(hào)可驅(qū)動(dòng)主電路中對(duì)應(yīng)的兩個(gè)上下橋臂，從而驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)通斷。其詳細(xì)工作原理如下所述：電流信號(hào)的跟隨原理如上圖所示。傳統(tǒng)法的基本實(shí)現(xiàn)思想是將實(shí)際電流與參考電流進(jìn)行比較，如果實(shí)際電流信號(hào)大于參考信號(hào)，則開通逆變器主電路的三個(gè)下橋臂，從而減小實(shí)際電流；相反的，如果實(shí)際電流信號(hào)相比于參考信號(hào)較小，則開通下橋臂，從而使得實(shí)際電流增大。在此之后，實(shí)際電流將保持在一定的可控范圍之內(nèi)，也就是說，實(shí)際電流實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤了參考電流。傳統(tǒng)滯環(huán)比較法中，滯環(huán)寬度保持不變?yōu)?h。滯環(huán)上限可通過數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行表達(dá)：滯環(huán)下限表達(dá)為：在分析了整個(gè)電路的工作情況之后，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：通過PWM調(diào)制電路的控制，交替改變逆變器主電路上下橋臂的通斷，使得輸出的實(shí)際諧波電流在2h范圍的寬度內(nèi)嚴(yán)格跟隨參考電流信號(hào)。滯環(huán)脈沖在ABC三相上是分別獨(dú)立的，故我們只需分析一相的工況，另外兩相的工作情況也于此相同。該控制方法有如下特點(diǎn)：(1)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)能夠快速響應(yīng)，具有實(shí)時(shí)控制性。(3)閉環(huán)控制方法得到應(yīng)用。(4)由于沒有載波，所以諧波分量不以特定頻率在輸出電壓中出現(xiàn)(5)滯環(huán)寬度是諧波信號(hào)跟蹤誤差的決定性因素。3.3.5改進(jìn)的控制方法上述滯環(huán)比較法的缺點(diǎn)在于用于信號(hào)檢測(cè)和傳輸?shù)膫鞲衅鞯念l帶必須有一定的寬度，當(dāng)開關(guān)頻率不是定值時(shí)，滯環(huán)寬度會(huì)在很大程度上影響補(bǔ)償電流信號(hào)的跟隨效果。如果滯環(huán)過寬，開關(guān)的開通和關(guān)斷頻率很小，電力電子器件的選擇要求會(huì)不太嚴(yán)格，但在補(bǔ)償電流中可能會(huì)出現(xiàn)較多的高次諧波，跟蹤誤差便也隨之顯著增大了；如果滯環(huán)過窄，跟蹤誤差的問題解決了，但開關(guān)的動(dòng)作頻率會(huì)比較高，噪聲顯著提高，甚至發(fā)生開關(guān)器件的開關(guān)頻率超過其所能允許的頻率范圍，電路的工作出現(xiàn)異常。該方法的傳統(tǒng)形式會(huì)固定滯環(huán)的寬度，因此逆變器中的半導(dǎo)體電力電子器件將得不到控制。尤其是在變化較為明顯，一是較小的值可能導(dǎo)致補(bǔ)償電流信號(hào)的跟隨誤差因?yàn)楣潭ǖ臏h(huán)寬度而過大，二是較大的值可能使得器件開通和關(guān)斷由于固定的環(huán)寬而過于頻發(fā)，甚至因?yàn)槠骷耐〝囝l率超過允許值而發(fā)生器件擊穿事故。針對(duì)上述問題，有關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)給出了兩種解決辦法：一是設(shè)置環(huán)寬可變；二是采用定時(shí)控制法來比較瞬時(shí)值。本設(shè)計(jì)課題采用第一種辦法來克服滯環(huán)比較法的弊端，從而使得系統(tǒng)的諧波總畸變率有效降低,使得諧波電流的含量明顯降低。在該改進(jìn)方法中，假設(shè)待補(bǔ)償電流含有5、7、11次諧波分量，并設(shè)各次諧波所占百分比分別為，設(shè)環(huán)寬為一變量2h（m1%sin5ωt+m2%sin7ωt+m3%sin11ωt）則滯環(huán)上限的表達(dá)式為：=+h（m1%sin5ωt+m2%sin7ωt+m3%sin11ωt）滯環(huán)下限數(shù)學(xué)表達(dá)式為：=-h（m1%sin5ωt+m2%sin7ωt+m3%sin11ωt）當(dāng)裝置的參數(shù)是常量時(shí)，比較兩種控制方法的滯環(huán)寬度：2h＞2h（m1%sin5ωt+m2%sin7ωt+m3%sin11ωt） 由上式可得出結(jié)論，除了峰值電流，改進(jìn)法比原先的傳統(tǒng)法滯環(huán)寬度要小很多，同時(shí)改進(jìn)后的滯環(huán)比較法的滯環(huán)寬度取決于補(bǔ)償電流。通過改進(jìn)法，實(shí)際補(bǔ)償電流易于保持在一個(gè)可控范圍內(nèi)，從而使得實(shí)際補(bǔ)償電流與參考電流具有較好的跟蹤效果。3.4本章小結(jié)本章闡述了有源電力濾波器的控制原理，并分別簡(jiǎn)要介紹了幾種對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，同時(shí)從理論上對(duì)其進(jìn)行了分析。在傳統(tǒng)法的基礎(chǔ)上，本課題探討了一種新的改進(jìn)法,降低了電網(wǎng)諧波的畸變率，提高了電力系統(tǒng)的工作性能,使得并聯(lián)型有源電力濾波器的性能指標(biāo)得到了滿足。4.并聯(lián)混合型有源濾波器的仿真研究4.1本課題的電路結(jié)構(gòu)本課題所涉及的混合有源電力濾波器主要用于補(bǔ)償負(fù)載的感性諧波。其基本電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。從該框圖中我們可以發(fā)現(xiàn)，該濾波器的組成部分為有源、無源兩部分。無源環(huán)節(jié)包括5次、7次和11次諧濾波器，且無源環(huán)節(jié)在補(bǔ)償功能方面發(fā)揮主要作用。而有源環(huán)節(jié)可分為直流電壓源、三相逆變器和直流輸出側(cè)電感等幾部分，主要用于改善該濾波器的濾波效果，同時(shí)也能有效地抑制電力系統(tǒng)的阻抗部分與無源環(huán)節(jié)產(chǎn)生諧振，節(jié)約了投資費(fèi)用。有源濾波器和無源濾波器之間通過耦合變壓器與彼此連接，一方面功率脈沖由有源濾波器產(chǎn)生，經(jīng)該變壓器進(jìn)行傳輸，另一方面為了防止兩者相互干擾，該變壓器也是必不可少的中間環(huán)節(jié)，即發(fā)揮著電氣隔離的重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，我們不僅可以根據(jù)需求合適選擇耦合變壓器的變比，還能夠適當(dāng)降低濾波器的電壓等級(jí)，使得開關(guān)器件承受的應(yīng)力盡可能小。由于主要是高頻開關(guān)信號(hào)經(jīng)耦合變壓器傳輸，所以我們?cè)谘芯科湫阅軙r(shí)高頻部分是其主要的性能指標(biāo)。在本文中由于電力系統(tǒng)容量不大，故沒必要選擇過大變比，所以本文將耦合變壓器變比定為1。4.2選擇逆變器電路元件及設(shè)置仿真系統(tǒng)參數(shù)4.2.1逆變器主電路元件選擇BJT、PMOSFET和GTO等元件屬于第二代電力電子產(chǎn)品，該類產(chǎn)品有效地促進(jìn)了有源濾波技術(shù)快速而顯著的發(fā)展，但容量不打、驅(qū)動(dòng)復(fù)雜的弊端仍然沒有得到很好的解決，于是出現(xiàn)了各種性能更好的復(fù)合型器件，例如IGBT，我們稱該類產(chǎn)品為第三代產(chǎn)品。IGBT融合了BJT和PMOSFET各自的優(yōu)點(diǎn)，即明顯降低了導(dǎo)通壓降，但提高了開關(guān)頻率，具有廣闊的應(yīng)用范圍。根據(jù)需要濾去諧波的頻率，可以設(shè)定器件的不同開關(guān)頻率；其次，濾波器的容量大小也決定了選擇什么電壓、電流等級(jí)的電氣設(shè)備。最后，耐壓水平、電流水平等性能指標(biāo)與電路成本有關(guān)，因此需要據(jù)此決定選擇開關(guān)器件的方案。在當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域中廣泛使用的電力濾波器盡可能簡(jiǎn)化了IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，用電壓進(jìn)行控制，在本課題中，使用了IGBT做仿真研究。系統(tǒng)的三相補(bǔ)償諧波電流由逆變器主電路的六只橋臂上安裝的IGBT產(chǎn)生，需要注意的是不能同時(shí)閉合六個(gè)開關(guān)，否則電能損耗會(huì)非常大。4.2.2仿真部分參數(shù)設(shè)置仿真參數(shù)決定了仿真結(jié)果，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要通過反反復(fù)復(fù)的調(diào)試，選擇得到最理想的參數(shù)值。(1)直流側(cè)輸入的電壓基準(zhǔn)值該器件的正常工作，是以直流側(cè)加在電容兩端的電壓值不變?yōu)榍疤岬摹ｋ娙莸娜菘怪禃?huì)影響電壓的波動(dòng)情況，兩者呈正相關(guān)。一般來說，如果電壓的穩(wěn)定性較差，雖然造價(jià)較低，但補(bǔ)償效果難以令人滿意；而如果增大電容，雖然相應(yīng)的需要提高耐壓能力以至于造價(jià)，但是能夠起到更好的補(bǔ)償效果。故電容值需要在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。根據(jù)本論文之前得出的結(jié)論，直流側(cè)的電壓值Udc大于等于三倍的相電壓峰值是最基本要求。在本文中，理想的電壓源起到替代無限大電容的作用，則參考電壓值為：故可設(shè)定電壓基準(zhǔn)值為：Udc=800V(2)輸出側(cè)的電感值輸出側(cè)接一定大小的電感，起到濾波作用。電流跟蹤能力與電感大小有關(guān)，感抗值越大，電流中會(huì)有較多的毛刺。感抗值越小，具有更好的電流追蹤能力。但如果感抗過小，則容易系統(tǒng)發(fā)生振蕩沖擊的可能性將大大增加。而且在濾波器發(fā)生故障時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)更大的過電流，從而影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行。我們通過多次仿真，選取合適的感抗值：L=1e?6H4.3仿真模型及結(jié)果4.3.1仿真模型本文的仿真在MATLAB/Simulink下進(jìn)行，能夠較為方便地形成幾個(gè)獨(dú)立的模塊。根據(jù)本課題的工作原理，可將混合型有源電力濾波器分成四個(gè)獨(dú)立模塊：電力系統(tǒng)電源；諧波負(fù)載和無源環(huán)節(jié)；諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)；控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在MATLAB中繪制出各部分的電路圖，繪制完成后將幾個(gè)獨(dú)立模塊結(jié)合起來，便構(gòu)成了完整的仿真模型。在本文中，筆者給出了仿真的結(jié)果。(1)電網(wǎng)電源在該模塊中，我們用理想的電壓源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)，作為等效電路。電壓源的幅值和頻率保持恒定。(2)諧波負(fù)載與無源環(huán)節(jié)電網(wǎng)中的諧波主要來源于各種電力電子器件組合而成的非線性負(fù)載。生活中存在的非線性負(fù)載類型繁雜,如三相整流橋、變壓器、電弧爐等,本文中使用直流側(cè)帶電阻和電感負(fù)載的三相的二極管整流橋，在電力系統(tǒng)中經(jīng)常采用這種負(fù)載，且能夠產(chǎn)生較多的諧波。然后設(shè)置無源濾波器中LC的參數(shù)值，如下表所示。用5、7、11次諧波濾波器構(gòu)成無源部分，而耦合變壓器則承擔(dān)著連接有源和無源部分的任務(wù)，最后將無源部分并入電網(wǎng)。部件參數(shù)數(shù)值電源相電壓220V電源頻率50HZ非線性負(fù)載電阻、但容L=1mH，R=40?無源環(huán)節(jié)5次諧波濾波器L=5.5mH,C=74μF7次諧波濾波器L=5.5mH,C=38μF11次諧波濾波器L=1.1mH,C=74μF(3)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)這一環(huán)節(jié)是整個(gè)濾波器功能實(shí)現(xiàn)的最重要部分。在檢測(cè)各次諧波電流時(shí)，低通濾波器能夠?qū)⒏哳l的交流濾去，而留下低頻的交流和直流。在考慮什么樣的低通濾波器較為符合時(shí)，既要著眼于其響應(yīng)速度，也要將檢測(cè)的精度和現(xiàn)實(shí)性考慮在內(nèi)。如果截止頻率過高，可以降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但波形會(huì)在一定程度上出現(xiàn)失真，檢測(cè)的精度也會(huì)受到影響。另一方面，階的取值也會(huì)在一定程度上影響測(cè)量精度。我們可以通過增加階,提高系統(tǒng)的對(duì)諧波電流的檢測(cè)精度,但同樣會(huì)增加動(dòng)態(tài)的時(shí)間，而且階數(shù)過高會(huì)使得投資由于設(shè)備的復(fù)雜化而劇增。因此，選擇合適的階度非常重要。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)，本文選擇階數(shù)為2，截止頻率設(shè)定為30HZ。在我們對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，通常會(huì)因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換等過程而發(fā)生一定程度的時(shí)間延遲，這種延遲會(huì)使得補(bǔ)償電流與實(shí)際電流的變化不同步。在本文中已經(jīng)提及，我們