目錄TOC\o"1-2"\h\u16594摘要 I有源電力濾波器的設(shè)計(jì)仿真摘要：電網(wǎng)中因有非線性負(fù)載的存在，使得諧波出現(xiàn)在電網(wǎng)系統(tǒng)中，電網(wǎng)質(zhì)量被嚴(yán)重破壞。本次課題的主旨就是消除電網(wǎng)系統(tǒng)中因非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波。運(yùn)用MATLAB仿真軟件中的Simulink平臺(tái)對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，有源電力濾波器主要由諧波電流檢測(cè)，電流控制、補(bǔ)償電流產(chǎn)生這三個(gè)主要的部分組成。設(shè)計(jì)中諧波電流檢測(cè)方法采用ip-iq方法，電流控制策略采用滯環(huán)控制方法。諧波電流檢測(cè)電路主要對(duì)電網(wǎng)上的電流進(jìn)行采集分析得到諧波電流；電流控制是根據(jù)諧波電流進(jìn)行對(duì)比分析產(chǎn)生一個(gè)pwm信號(hào)；補(bǔ)償電流產(chǎn)生是根據(jù)pwm信號(hào)控制IGBT等元器件來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電流的產(chǎn)生；補(bǔ)償電流進(jìn)入電網(wǎng)對(duì)電流進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到濾除諧波的目的。對(duì)仿真波形進(jìn)行FFT分析，得知有源電力濾波器可以將電流畸變率從原先的26.48%降低至9.18%，說明了有源電力濾波器的出現(xiàn)提高了電網(wǎng)的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波；MATLAB；SimulationdesignofactivepowerfilterAbstract:Duetothepresenceofnonlinearloadsinthepowergrid,harmonicsappearinthepowergridsystem,andthequalityofthepowergridisseverelydamaged.Themainpurposeofthisprojectistoeliminateharmonicscausedbynon-linearloadsinthepowergridsystem.TheSimulinkplatforminMATLABsimulationsoftwareisusedtodesignandsimulatetheactivepowerfilter.Theactivepowerfilterismainlycomposedofharmoniccurrentdetection,currentcontrolandcompensationcurrentgeneration.Theharmoniccurrentdetectionmethodinthedesignusestheip-iqmethod,andthecurrentcontrolstrategyusesthehysteresiscontrolmethod.Theharmoniccurrentdetectioncircuitmainlycollectsandanalyzesthecurrentonthepowergridtoobtaintheharmoniccurrent;currentcontrolisbasedonthecomparativeanalysisoftheharmoniccurrenttogenerateapwmsignal;compensationcurrentgenerationisbasedonthepwmsignaltocontrolIGBTandothercomponentstoachievecompensationThegenerationofcurrent;thecompensationcurrententersthepowergridtocompensatethecurrenttoachievethepurposeoffilteringharmonics.TheFFTanalysisofthesimulationwaveformshowsthattheactivepowerfiltercanreducethecurrentdistortionratefromtheoriginal26.48%to9.18%,whichshowsthattheappearanceoftheactivepowerfilterhasimprovedthequalityofthepowergrid.Keyword:activepowerfilter；harmoniccomponent；MATLAB；第1章緒論1.1選題背景在當(dāng)下因?yàn)殡娋W(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使得電子器件和電網(wǎng)儀器也進(jìn)入發(fā)展的快車道。然而電網(wǎng)中產(chǎn)生大量損壞電力電子器件和破壞電網(wǎng)穩(wěn)定性阻攔了電力電子器件的發(fā)展出現(xiàn)，諧波的濾除變成電網(wǎng)類的科學(xué)家研究重要課題[1]。有源電力濾波器作為一種新型的功率電子器件出現(xiàn)在電網(wǎng)中，它是一種可以采集電網(wǎng)上的諧波變換成與諧波電流完全相反的電流再注入電網(wǎng)上，和諧波進(jìn)行抵消達(dá)到濾除諧波的目的的一種裝置。而無源濾波器是利用元器件的特性，對(duì)電網(wǎng)上的特殊的諧波進(jìn)行濾除；元器件的參數(shù)不同，那么濾除諧波的種類就不同，相對(duì)于有源電力濾波器來說它的濾除諧波的能力較差。在現(xiàn)在的電網(wǎng)系統(tǒng)中因?yàn)楦鞣N非線性負(fù)載的原因，使得電網(wǎng)中會(huì)出現(xiàn)各式各樣的諧波，那么有源電力濾波器在電網(wǎng)中濾除諧波的就比無源濾波要好上很多，它在電網(wǎng)上的發(fā)展會(huì)更被重視[2]。1.2課題設(shè)計(jì)的目的和意義在當(dāng)前電力電氣技術(shù)飛速發(fā)展，有源電力濾波器技術(shù)在生產(chǎn)生活方面應(yīng)用十分廣泛，有源電力濾波器的使用技術(shù)發(fā)展自然而然成了各國科學(xué)家和學(xué)者研究的重要課題。雖然國家和國家的之間的有源電力濾波器的大致的原理都是先進(jìn)行諧波電流檢測(cè)然后進(jìn)行電流控制最后對(duì)電網(wǎng)上的電流進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到濾除諧波[3]。但是在使用的方法和技術(shù)以及它的使用場(chǎng)合又不一樣，使得有源電力濾波器在類型和功能上的發(fā)展出現(xiàn)多樣化多元化。本次的課題主要基于MATLAB軟件上的Siimulink平臺(tái)對(duì)電網(wǎng)中的有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行綜合的分析。此次課題要對(duì)以下的幾個(gè)目標(biāo)進(jìn)行提升：1、通過這次的課題對(duì)有源電力濾波器的原理結(jié)構(gòu)和類型進(jìn)行深度的學(xué)習(xí)；同時(shí)也要搞明白基于瞬時(shí)無功功率的諧波電流檢測(cè)方法和幾種常用的控制策略等。2、通過自己在學(xué)校學(xué)到的專業(yè)知識(shí)和利用知網(wǎng)上的資料、文獻(xiàn)他人的論文對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后利用Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，利用所學(xué)專業(yè)為基礎(chǔ)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析；3、以自己專業(yè)課程數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與系統(tǒng)、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)等課程為基礎(chǔ)，查閱相關(guān)有源電力濾波器的相關(guān)資料并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)其濾除諧波的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)化的學(xué)習(xí)并且掌握，同時(shí)也對(duì)諧波電流的檢測(cè)電路、控制電路和主電路的內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)；4、通過再次的深度的使用MATLAB軟件，提高M(jìn)ATLAB的使用熟練度，和數(shù)字分析能力；為自己以后從事相關(guān)的專業(yè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。1.3無源濾波器和和有源濾波器有源電力濾波器可以對(duì)電網(wǎng)上的大部分諧波進(jìn)行補(bǔ)償達(dá)到濾除電網(wǎng)中的諧波的目的，它的諧波濾除可以達(dá)到95%以上；而一種無源濾波器只能對(duì)一些滿足條件的的諧波進(jìn)行濾除，諧波濾除率最高也只能達(dá)到80%左右[4]；無源濾波器很容易受到濾波器的元器件的參數(shù)影響，使用的過程中經(jīng)常與其他濾波器發(fā)生諧振；而有源電力濾波器是對(duì)電網(wǎng)上的電流進(jìn)行性補(bǔ)償消除電網(wǎng)上的諧波，它不會(huì)與其他的濾波器的發(fā)生諧振。無源濾波器的體積大消耗的有效元器件多，造價(jià)昂貴；而有源電力濾波器是一個(gè)高阻抗電流源，一般不會(huì)受電力系統(tǒng)的阻抗的影響，適合大規(guī)模生產(chǎn)；總而言之，電力系統(tǒng)中的諧波的濾除必然是朝著有源電力濾波器濾除諧波的方向發(fā)展。當(dāng)前電力系統(tǒng)中的諧波濾波主要依靠有源濾波器和無源濾波器的配合，但是在未來，有源電力濾波器會(huì)在電網(wǎng)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。此次的課題對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。1.4課題設(shè)計(jì)的要求本設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)一個(gè)諧波電流的采集和提取模塊，旨在采集電網(wǎng)上的諧波電流并且被諧波源從電網(wǎng)電流中提取出來；然后設(shè)計(jì)一個(gè)根據(jù)提取出來的諧波電流進(jìn)行處理得到控制主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流信號(hào)的模塊；最后設(shè)計(jì)一個(gè)主電路也就是補(bǔ)償電流產(chǎn)生的電路。本次課題的具體要求如下：設(shè)計(jì)之前需對(duì)有源電力濾波器內(nèi)部構(gòu)造以及相應(yīng)的原理進(jìn)行深度的學(xué)習(xí)；根據(jù)有源電力濾波器的儲(chǔ)能元件、與電網(wǎng)的接入方式、應(yīng)用場(chǎng)合電源相數(shù)等對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行分類[6]；開始進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要對(duì)有源電力濾波器和無源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行性對(duì)比分析[5]；在設(shè)計(jì)中要討論交流諧波電流采集和提取的方法如：p-q法、iP-iq法等以及討論交流電流控制策略如：滯環(huán)控制方法、三角波控制方法等[7]；5、學(xué)會(huì)使用MATLAB軟件中的Simulink平臺(tái)去仿真設(shè)計(jì)的電路圖；6、通過運(yùn)用有源電力濾波器的基本原理對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行綜合性的分析；1.5本文主要內(nèi)容本次的設(shè)計(jì)課題主要是對(duì)三相有源電力濾波器為對(duì)象，在MATLAB軟件中的Simulink平臺(tái)中去搭建現(xiàn)實(shí)中的電網(wǎng)模型和有源電力濾波器的模型；通過對(duì)模型的設(shè)計(jì)仿真來學(xué)習(xí)有源電力濾波器的原理，諧波電流檢測(cè)方法以及電流控制策略等知識(shí)。本次課題的章節(jié)安排如下：第一章節(jié)主要對(duì)有源電力濾波器的背景、本次課題的意義和目的、濾波器的比較以及課題的要求進(jìn)行簡要得概述；第二章節(jié)主要對(duì)有源電力濾波器的國內(nèi)外有源電力濾波器的發(fā)展的大致情況進(jìn)行簡單的講述；第三章節(jié)主要對(duì)有源電力濾波器的原理、分類、電流控制策略以及部分諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)行簡單的概述；第四章節(jié)主要對(duì)有源電力濾波器的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)的講解，并對(duì)仿真結(jié)果的圖像分析和FFT分析；第2章有源電力濾波器的發(fā)展?fàn)顩r2.1國外研究狀況從上個(gè)世紀(jì)開始人們就開始了對(duì)電電壓中的諧波濾除技術(shù)的研究。第一臺(tái)無源濾波器在是在1917年發(fā)明的；但隨著時(shí)間的發(fā)展無源濾波器的不能滿足需求，科學(xué)家想要尋找一種新的濾波儀器；在1969年有源電力濾波器的思想被B.M.Bird等人首次提出；在1971年日本研究人員解釋了有源電力濾波器的基本原理和模型；1973年美國研究人員提議使用大功率晶體管形成用于有源電力濾波器的pwm逆變器；在1983年H.Akagi提出了基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)的方法[8-10]；在90年代的時(shí)候有源電力濾波器的的結(jié)構(gòu)慢慢的成熟，研究的方向開始從結(jié)構(gòu)方面向具體的處理的方法上面轉(zhuǎn)移。同時(shí)外國公司和學(xué)者已開始了對(duì)具體的處理方法進(jìn)行研究并逐漸應(yīng)用于大功率電力電子設(shè)備上面，功率范圍已逐漸從50kw上增加，單個(gè)設(shè)備的容量也在逐漸增加。2.2國內(nèi)研究狀況我國在20世紀(jì)90年代才重視諧波的問題，從那個(gè)時(shí)候有源電力濾波器才開始在我國發(fā)展。一些大學(xué)和電力器件企業(yè)相繼在有源電力濾波器研究方面上取得一定的成就，他們的研究給我們國內(nèi)的有源電力濾波器的研究墊下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國內(nèi)的一些大學(xué)和學(xué)者為了提高有源電力濾波器的濾除諧波的能力，它們開始對(duì)諧波電流的檢測(cè)方法和電流控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化和改進(jìn)，如西安交通大學(xué)對(duì)基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的測(cè)試和改進(jìn)；清華大學(xué)則從數(shù)字控制技術(shù)方面對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行研究，最后也取得了很大成就[2,11]；其他的企業(yè)也對(duì)有源電力濾波器有了突破性的研究，如麥克斯韋電氣研發(fā)了單套METAPF系列諧波治理設(shè)備濾除諧波電流可以達(dá)到1200A。第3章有源電力濾波器概述3.1有源電力濾波器的工作原理有源電力濾波器是對(duì)電網(wǎng)上的電流進(jìn)行采集處理后得到電網(wǎng)電流中包含的諧波電流；把提取出來的諧波電流輸入到控制電路中，在控制電路中把不含基波的諧波電流與參考電流進(jìn)行比較，然后在經(jīng)過處理得到pwm信號(hào)；然后pwm信號(hào)進(jìn)入到主電路中，主電路再根據(jù)pwm信號(hào)去產(chǎn)生一個(gè)諧波電流相匹配的補(bǔ)償電流；最后補(bǔ)償電流進(jìn)入電網(wǎng)中后與諧波電流進(jìn)行抵消，達(dá)到濾除諧波的目的。原理圖如圖3.1[12]。iLicisiLicis非線性負(fù)載控制電路諧波電流檢測(cè)電路電網(wǎng)電流補(bǔ)償電流發(fā)生電路圖3.1中的is是電網(wǎng)系統(tǒng)中的未受到非線性負(fù)載影響的電流，iL是電網(wǎng)中非線性負(fù)載加在電網(wǎng)上的后電網(wǎng)上的電流。電流ic是主電路產(chǎn)生的可以和電網(wǎng)中相互抵消的電流；根據(jù)基爾霍夫電流定律可知道：(式3.1)因?yàn)閕L中包含有諧波電流iLh，那么設(shè)基波電流為iLf那么由基爾霍夫電流定律可知道：(式3.2)電流ic是一種可以和相抵消的電流iLh，那么可以得到下面的公式：(式3.3)把式3.3待入式3.1中可得：(式3.4)3.2常用有源電力濾波器的分類當(dāng)下有源電力濾波器的使用的范圍十分廣泛，那么不同的環(huán)境中有源電力濾波器的種類也會(huì)變得不同，圖3.2對(duì)有源電力濾波器進(jìn)行了簡單的分類。圖3.2有源電力濾波器的分類有源電力濾波器的主電路中連接儲(chǔ)能元器件的方式不同，有源電力濾波器的種類就會(huì)不同；電容和主電路相連的有源電力濾波器我們稱為電壓型有源電力濾波器，電感和主電路相連的有源電力濾波器我們稱為電流型有源電力濾波器。電壓型的濾除諧波效率高，應(yīng)用廣泛。電流型對(duì)pwm信號(hào)的頻率要求較高也不能擴(kuò)展為多級(jí)結(jié)構(gòu)，因此不是適用于高壓電網(wǎng)[13]。有源電力濾波器的使用場(chǎng)景不同，那么它的相數(shù)就會(huì)有同；工廠中用的是三相電那么使用的有源電力濾波器就要是三相的濾波器，而三相的又可以分為三相四線和三相四線制；生活中用的是單相電，那么生活中使用的有源電力濾波器就是單相的濾波器。有源電力濾波器可以串聯(lián)在電網(wǎng)中，也可以并聯(lián)在電網(wǎng)中甚至也可以串并共同使用；那么我們可以根據(jù)這個(gè)劃分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)型。并聯(lián)型技術(shù)成熟，串聯(lián)型保護(hù)電路復(fù)雜，串并聯(lián)型制造困難14]。3.3有源電力濾波器諧波電流采集和處理方法有源電力濾波器中諧波電流采集和處理電路在有源電力濾波器中是一個(gè)重要的組成部分；有源電力濾波器的最先開始工作部分的就是諧波電流采集和處理電路，因?yàn)橹挥芯珳?zhǔn)的快速的檢測(cè)到電網(wǎng)中瞬時(shí)變化的諧波電流那么才能精準(zhǔn)的發(fā)生補(bǔ)償電流對(duì)諧波進(jìn)行抑制；因此做課題設(shè)計(jì)的時(shí)候諧波電流采集和處理的方法的選擇和電路的設(shè)計(jì)是有源電力濾波器的設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)和重點(diǎn)部分。諧波電流采集和處理的方法的好壞直接影響著有源電力濾波器的性能和濾除諧波的效率，當(dāng)下有源電力濾波器的常用的檢測(cè)方法有以下幾種：自適應(yīng)檢測(cè)法[15]、基于瞬時(shí)無功功率理論檢測(cè)法[16-17]、快速傅里葉變換的數(shù)字分析法[18]等?；谒矔r(shí)無功功率理論的諧波電流采集和處理方法又包括法p-q法、ip-iq等諧波電流采集和處理方法[19]。3.3.1p-q諧波電流檢測(cè)方法圖3.3為p-q方法的電路圖，圖中的Ea,Eb,Ec為電網(wǎng)的三相電壓；Ia,Ib,Ic為電網(wǎng)中的三相電流值；Eα為經(jīng)過C32變換后的兩相電壓,變換的公式如式3.5；Iα,Iβ為經(jīng)過C32變換后的兩相電流，變換的公式如式3.6；iafibfiiafibficfIαfIβfIαIβEαIaIbIcEaEbEcC32C32CpqLPFLPFCpq-1C23iahibhich(式3.5)(式3.6）瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q是將Iα,Iβ經(jīng)過Cpq變換得到的，變換公式如式3.7；（式3.7）接著瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q經(jīng)過分別經(jīng)過低通濾波器處理和濾除電流得到直流瞬時(shí)有功功率的和直流瞬時(shí)無功功率的；由求得的瞬時(shí)無功功率和瞬時(shí)有功功率的直流分量可以可以求出三相電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流的基波分量iaf,ibf,icf；用公式可表達(dá)為：（式3.8）將三相電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流Ia,Ib,Ic與所求得的三相電網(wǎng)系統(tǒng)中的基波分量iaf,ibf,icf進(jìn)行相減得到三相電網(wǎng)中的各相的諧波電流；用公式可表達(dá)為：（式3.9）（式3.10）（式3.11）3.3.2ip-iq方法p-q方法的使用要求較高，當(dāng)電網(wǎng)電壓不發(fā)生畸變并且電壓必須對(duì)稱的時(shí)候p-q方法才能夠能夠快速精準(zhǔn)的捕捉到諧波電流信號(hào)[20]。但是現(xiàn)實(shí)中三相電網(wǎng)系統(tǒng)中是復(fù)雜多變的，因此p-q方法就會(huì)在諧波電流采集和處理的過程中就不能夠很準(zhǔn)確的分離出諧波電流，使得它在電網(wǎng)的應(yīng)用中就會(huì)出現(xiàn)一定的局限性；而ip-iq方法和p-q方法都是基于瞬時(shí)無功功率理論得到的，且ip-iq方法可以在電壓不對(duì)稱且電壓可以發(fā)生畸變的情況下使用，在這種情況下ip-iq諧波電流檢測(cè)方法也夠快速準(zhǔn)確地捕捉到基波電流。下面就來詳細(xì)的說明一下ip-iq檢測(cè)方法。ipiqEaPPLiafibfipiqEaPPLiafibficfiαfiβfIαIβIaIbIcsincosC32CLPFLPFC-1C23iahibhich圖3.4中的PPL是電壓鎖相環(huán)，可對(duì)電網(wǎng)中的一相電壓的相位進(jìn)行檢測(cè)并轉(zhuǎn)換出電壓信號(hào)，電壓信號(hào)為計(jì)算瞬時(shí)有功和無功功率時(shí)提供信息。根據(jù)公式3.6將三相電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流值Ia,Ib,Ic轉(zhuǎn)換成兩相電流值Iα,Iβ。兩相電流Iα,Iβ和電壓鎖相環(huán)PPL提供的信息利用公式3.12和公式3.13進(jìn)行計(jì)算得到瞬時(shí)有功功率電流和瞬時(shí)無功功率電流ip和iq；然后將電流ip和iq通過低通濾波器濾除其他分量只留下相應(yīng)的直流分量，獲得瞬時(shí)有功功率電流和瞬時(shí)無功功率電流的相應(yīng)分量和后再將兩直流分量進(jìn)行兩相轉(zhuǎn)三相的轉(zhuǎn)換，以獲得相應(yīng)電流的基本分量iaf，ibf，ic。諧波分量電流iah，ibh，ich可以通過從相對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)中的瞬時(shí)電流值ia，ib，ic中減去相對(duì)應(yīng)基波分量電流ia，ibf，icf來獲得[21]。（式3.12）（式3.13）3.4有源電力濾波器的電流控制策略電流控制策略有源電力濾波器中也是很重要的，它的工作原理是將諧波電流采集和處理電路產(chǎn)生的諧波電流和實(shí)際的電流進(jìn)行處理得到控制主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流的信號(hào)。本小節(jié)對(duì)滯環(huán)控制策略和三角波比較策略進(jìn)行講解。3.4.1滯環(huán)控制方法滯環(huán)控制方法又被稱為bang-bang法或者紋波調(diào)節(jié)器控制，它是一種非線性電流控制方法。滯環(huán)控制方法的工作原理如圖3.5。輸入電流ic和參考電流ic*的進(jìn)行相減得到它們的差值，它們的差值信息在滯環(huán)中進(jìn)行比較處理。之后滯環(huán)產(chǎn)生一個(gè)pwm波形，pwm的波形為方波。這個(gè)波形控制著主電路中的IGBT的通斷情況，以達(dá)到控住主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流的目的。icic*icic*pwm信號(hào)滯環(huán)電流控制方法的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：（1）電流響應(yīng)迅速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波電流的迅速補(bǔ)償；（2）滯環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性能較強(qiáng)；（3）電流跟蹤誤差較??；但是滯環(huán)電路控制方法的缺點(diǎn)也有很多如：滯環(huán)寬度的大小嚴(yán)重影響電流跟蹤的精度。滯環(huán)寬度越小，電流跟蹤就越容易；反之滯環(huán)寬度越大，電流跟蹤就會(huì)變難[22]。但是滯環(huán)寬度越小，對(duì)開關(guān)的頻率和損耗都會(huì)大大的增加，設(shè)計(jì)的成本和難度都會(huì)變高；滯環(huán)寬度越大，對(duì)開關(guān)的頻率和損耗都會(huì)在很大的程度上減小。3.4.2三角波比較方法三角波脈寬調(diào)制電流控制方法的原理如圖3.6將實(shí)際電流ic和參考電流ic*的差值在放大器里面進(jìn)行放大，放大后的電流在比較器里面進(jìn)行比較，然后比較器里面輸出的電流與三角波進(jìn)行比較，當(dāng)三角波的幅值大于比較器里面輸出的差值則產(chǎn)生一個(gè)低電平；當(dāng)三角波的幅值小于比較器里面輸出的差值則產(chǎn)生一個(gè)高電平[23]。三角波比較方法有以下的優(yōu)點(diǎn)：開關(guān)頻率固定，在一個(gè)三角波周期里面只會(huì)導(dǎo)通和斷開各一次，方便控制。它的缺點(diǎn)有：延遲大、精度低。icic*icic*A+-三角波第4章有源電力濾波器的設(shè)計(jì)仿真本次的有源電力濾波器的設(shè)計(jì)仿真是利用的軟件是MATLAB軟件中的Simulink平臺(tái)。設(shè)計(jì)中應(yīng)把諧波電流采集和處理的方法和電流控制策略是在有源電力濾波器作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)心的問題。本次課題采用的諧波電流采集和處理的方法選用基于瞬時(shí)無功功率理論的電流檢測(cè)方法中的ip-iq檢測(cè)方法，采用的電流控制策略為滯環(huán)控制策略；根據(jù)有源電力濾波器的原理框圖可以知道，此次設(shè)計(jì)可以劃分為實(shí)際電網(wǎng)電路模擬模型、諧波電流采集處理模塊、控制模塊和主電路也就是諧波電流補(bǔ)償發(fā)生模塊。4.1電網(wǎng)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)電網(wǎng)電路模塊的設(shè)計(jì)是對(duì)實(shí)際電網(wǎng)的電網(wǎng)進(jìn)行模擬，那么電網(wǎng)電路中就要包含非線性負(fù)載。而濾波器和電阻并聯(lián)組成的不可控的整流電路可以產(chǎn)生諧波因此設(shè)計(jì)時(shí)采用了不可控整流電路來充當(dāng)非線性負(fù)載。在不可控整流電路中負(fù)載電阻對(duì)電流的畸變影響是隨電阻的增大而變大，當(dāng)電阻變得更大的時(shí)候電流的畸變率會(huì)變小。綜合分析考慮后確定不可控整流電路的負(fù)載電阻的阻值設(shè)置為20Ω。設(shè)計(jì)中的非線性負(fù)載見圖4.1。圖4.1非線性負(fù)載圖4.2電網(wǎng)電路在現(xiàn)實(shí)生活中電網(wǎng)中傳輸?shù)檬侨嘟涣麟?，交流電的電壓?20V，頻率為50Hz。那么考慮實(shí)際的情況后，設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)一個(gè)可以產(chǎn)生三相的電壓源且電源的電壓值為220V，頻率為50Hz。這樣的設(shè)計(jì)是更好地把電網(wǎng)的情況模擬的更加真實(shí)可靠；電網(wǎng)電源的電路如圖4.2所示。把上面的電網(wǎng)電壓和負(fù)載電路進(jìn)行組合，得到的了和實(shí)際情況相似的電電網(wǎng)電路。這個(gè)電路中因有不可控整流電路充當(dāng)非線性負(fù)載，使電網(wǎng)電路中會(huì)產(chǎn)生諧波電流，電網(wǎng)電路如圖4.3所示。圖4.3電網(wǎng)電路對(duì)電網(wǎng)電路進(jìn)行仿真后通過示波器可以看到電網(wǎng)電路的三相電壓波形根據(jù)圖4.4中的示波器顯示的波形可得知電網(wǎng)電網(wǎng)電壓的波形為正弦波，電壓的峰值約為311V且電壓未發(fā)生畸變。圖4.4電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電路中加入非線性負(fù)載后電流的波形如圖4.5根據(jù)圖中的示波器中現(xiàn)實(shí)的波形可以看出電流的波形不是正弦波而是接近于方波，電流的峰值約為27A。根據(jù)電壓的波形可以知道電流發(fā)生了畸變；對(duì)電流進(jìn)行FFT分析，根據(jù)電流的頻譜圖如圖4.6可以看出諧波主要有5次、7次、11次、13次、17次、19次等，電流總的畸變率THD為26.48%。因?yàn)殡娏鞯幕兒車?yán)重，這樣的電流存在于電網(wǎng)中會(huì)嚴(yán)重破壞電網(wǎng)的質(zhì)量，對(duì)電流要求較高的設(shè)備在電網(wǎng)中的也會(huì)因電網(wǎng)質(zhì)量差、電流畸變嚴(yán)重導(dǎo)致設(shè)備損壞。圖4.5接入負(fù)載的電流波形圖4.6接入負(fù)載的電流頻譜4.2諧波電流采集和處理電路模塊諧波電流采集和處理電路在有源電力濾波器中有著很重要的作用，考慮到實(shí)際電網(wǎng)中諧波電流產(chǎn)生因?yàn)橛懈魇礁鳂拥姆蔷€性器件的原因?qū)е庐a(chǎn)生的諧波是復(fù)雜多變的且電網(wǎng)中的電壓不一定是完全對(duì)稱且不發(fā)生畸變的環(huán)境，相對(duì)于p-q諧波電流采集和處理方法ip-iq諧波電流采集和處理方法更具有優(yōu)勢(shì)；那么本次的設(shè)計(jì)中的諧波電流采集和處理采用ip-iq方法。4.2.1三相變兩相及逆變換含有諧波的三相交流電流首先進(jìn)行三相變兩相的轉(zhuǎn)換，三相便兩相的電路圖如圖4.7。圖4.7三相變兩相由三相變兩相的公式4.1可知：Gain=Gain1=0.5，Gain2=，Gain3=（式4.1）兩相變?nèi)嗟碾娐穲D如圖4.8。圖4.8兩相變?nèi)嘤蓛上嘧內(nèi)嗟墓?.2可知：Gain=0.5，Gain1=，Gain2=，Gain3=（式4.2）4.2.1三相變兩相及逆變換當(dāng)三相諧波電流變成兩相后，接著就進(jìn)入Cpq變換計(jì)算出瞬時(shí)有功電流ip和瞬時(shí)無功電流iq，Cpq變換如圖4.9。圖4.9Cpq變換經(jīng)過Cpq變換后得到的瞬時(shí)有功電流ip的波形和瞬時(shí)無功功率電流iq的波形圖如圖4.10和圖4.11所示：圖4.10瞬時(shí)有功功率電流圖4.11瞬時(shí)無功功率電流將瞬時(shí)有功功率電流和瞬時(shí)無功功率電流流入低通濾波器得到相應(yīng)的直流分量，然后直流分量經(jīng)過Cpq-1變換得到基波有功電流和基波無功電流。Cpq-1變換如圖4.12。圖4.12Cpq-1變換由上面的設(shè)計(jì)合成在一起可以得到完整的諧波電流檢測(cè)方法的電路圖如圖4.13：圖4.13ip-iq檢測(cè)圖4.14基波電流ibf通過諧波電流采集和處理后得到了電網(wǎng)中的基波電流，基波電流iaf如圖4.14；根據(jù)示波器的波形可看出來電流的波形近似正弦波但，那么它與電網(wǎng)電流相減的時(shí)候就會(huì)有一定的誤差，這個(gè)誤差處在正常的范圍內(nèi)。諧波電流ia_ref如圖4.15所示；圖4.15諧波電流4.3控制電路模塊三角波比較法的因?yàn)檠舆t大精度低的缺點(diǎn)，滯環(huán)控制策略相對(duì)于三角波控制要有一定的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇了滯環(huán)控制方法，滯環(huán)控制就是將諧波電流采集和處理電路中輸出的諧波電流Ia_ref，Ib_ref，Ic_ref和實(shí)際電流Ic相減后然后進(jìn)入滯環(huán)中進(jìn)行比較，滯環(huán)的環(huán)寬設(shè)為正負(fù)0.2A；接著滯環(huán)進(jìn)過處理輸出一個(gè)方波這個(gè)方波就是pwm控制信號(hào)，再把每一個(gè)滯環(huán)產(chǎn)生的的pwm信號(hào)波形進(jìn)行整合就得到了滯環(huán)電路輸出總的pwm信號(hào)波形；滯環(huán)電路如圖4.16所示：圖4.16滯環(huán)控制pwm信號(hào)的波形如圖4.17所示：圖4.17pwm控制信號(hào)波形為了更清晰的看到pwm的波形，將單個(gè)滯環(huán)輸出低的pwm信號(hào)的波形展示出來，圖4.18中的pwm波形Relay滯環(huán)產(chǎn)生的波形。圖4.18Relay滯環(huán)輸出波形4.4有源電力濾波器主電路有源電力濾波器的主電路由直流側(cè)電容、IGBT和交流側(cè)電感組成如圖4.19所示。圖4.19有源電力濾波器的主電路在設(shè)計(jì)主電路的過程中我們需要對(duì)主電路中的元器件的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和確定。直流側(cè)的電容電壓影響補(bǔ)償效果，雖然電壓值越大補(bǔ)償越迅速，但是電容的耐壓性的要求就要更高。所以在確定電容電壓時(shí)一般使用公式。經(jīng)過計(jì)算得出Ud=*220=539V，考慮其他因素后決定將直流側(cè)電壓定為700V。交流電感的作用是根據(jù)控制電路產(chǎn)生的pwm方波信號(hào)轉(zhuǎn)換成補(bǔ)償電流，電感的值越小補(bǔ)償效果越好同時(shí)電流也會(huì)產(chǎn)生更多的紋波，綜合考慮后電感參數(shù)設(shè)置為3mH。元器件的參數(shù)確定后，主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流如圖4.20所示：圖4.20補(bǔ)償電流因?yàn)檠a(bǔ)償電流和諧波電流的是可以相互補(bǔ)償相互抵消的，所以當(dāng)補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)上時(shí)，電網(wǎng)上的諧波被補(bǔ)償?shù)暨_(dá)到濾除諧波的目的。電網(wǎng)電流和被補(bǔ)償后的電網(wǎng)電流依次如圖4.2