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1、 分类号 TM762 密级 公开 UPC 621.3 学校代码 10500 硕 士 学 位 论 文 (全日制学术学位） 题目：三相有源电力滤波器电流控制策略的研究 英文题目 ： Research on Current Control Strategy of Three Phase Active Power Filter 学 位 申 请 人 姓 名 ： 周 苗 申请学位学科专业：电力系统及其自动化 指 导 教 师 姓 名 ： 席 自 强 二 _六年六月 分 类 号 TM762 密 级 公 开 UDC 621.3 学校代码 10500 硕 士 学 位 论 文 题 目 三相有源电力滤波器电流控制策略
2、的研究 英 文 题 目 Research on Current Control Strategy of Three Phase Active Power Filter 研 究 生 姓 名 （ 签 名 ） 指 导 教 师 姓 名 （ 签 名 ） 职 称 教 授 申请学份学科名称 电力系统及其自动化 学科代码 080802 论文答辩日期 2016 年 5 月 24 日 学位授予日期 2016 年 6 月 学 院 负 责 人 （ 签 名 ） 评阅人姓名 刘惠康 评阅人姓名 文小玲 年 月 曰 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研
3、宄工作所取 得的研宄成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 ： 日 期 ： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师
4、签名： 日 期 ： 年 月 日 日 期 ： 年 月 日 摘 要 随着电力工业的快速发展，各种谐波源不断增加，电能质量污染治理工作也 越来越受重视，电能质量改善及节能控制产品的市场规模在迅速扩大。有源电力 滤波器就是电能质量改善装置中的一种，其主要功能是滤除谐波，现在正得到广 泛关注和研宄。 本文给出了电流控制策略中影响补偿性能两个关键环节的研宄。这两个关键 环节为指令电流的选取和指令电流跟踪控制。选取不同的指令电流会直接影响有 源电力滤波器电流补偿时的动态响应速度。采用负载侧电流检测提取指令电流时， 需要检测分离出谐波作为指令电流。该过程使用的低通滤波器会造成动态响应延 时，影响补偿响应性能。
5、本文提出了直接检测电网侧电流作为指令电流的方法。 该方法不需要出分离谐波，从而可以缩短电流补偿时动态响应的延时，而且减少 了检测量和计算量，降低了程序设计的复杂性。还给出了从电网侧检测提取指令 电流进行补偿的控制策略及参数设计，从理论上证明了该方法的可行性，并通过 仿真验证了采用电网侧电流作为指令电流方法的优势。 影响有源电力滤波器补偿性能的 另一大关键因素为指令电流跟踪控制。本文 分析了传统的 PI 控制、 PR 控制和重复控制在指令电流跟踪控制时各自存在的优缺 点。针对传统 PR 控制器，改进得到了一种矢量谐振控制器。该控制器在谐振点具 有抗干扰能力更强和增益更大的优势，运用到电流补偿控制
6、中可以提高谐波补偿 的精度。本文还对该控制器在数字化控制系统中数字控制器的形式进行了详细设 计。最后给出采用电网侧电流作为指令电流，并使用矢量谐振控制器进行电流控 制时有源电力滤波器补偿前后的仿真波形以及各次谐波分析，证明了该控制策略 能进一步降低各次谐波含量，提高补偿精度。 最后对有源电力滤波器中的主电路和控制电路进行了实际设计，并搭建了样 机平台，给出了模拟信号调试、三相 PWM 调制波、负载电流补偿以及负载突加时 补偿的实验波形，说明了本文设计的有源电力滤波器工作原理和研宄的电流控制 策略的正确性。 关键词：有源电力滤波器，电流控制策略，网侧电流检测，矢量谐振控制器 Abstract W
7、ith the vigorous development of Chinas power industry, the total installed capacity of various power devices continue to increase. There are more and more attention paying to the control work of power quality pollution. The product market to improve power quality and save energy is expanding rapidly
8、. Active power filter is as one of power quality improving device, the main function of which is to filter harmonics, are now widely attention and study. In this paper, the two key parts that affect the compensate performance of the current control strategy are presented, which are the selection of
9、command current and the tracking control of the command current. Choosing different command currents will directly affect the dynamic response speed of the active power filter. When using the load-side current detection to extract reference current ? it is necessary to separate the harmonic current
10、as a command, the process of which uses the low pass filter. It will cause the dynamic response delay, impacting response compensation. This paper presents a method to directly detect the side current of power grid as the instruction current. The method does not need to separate harmonic, which can
11、shorten the time of dynamic response of current compensation, and reduce the amount of detection and computation, and reduce the complexity of the program design. It is also given control strategy and parameter design which extracts command current from the grid side to compensate .The feasibility o
12、f the method is proved theoretically and the advantages are verified through the simulation. Another key factor affecting the compensation performance of active power filter is the instruction current tracking control. The advantages and disadvantages of the traditional PI control, PR control and re
13、petitive control are analyzed in this paper. A kind of vector resonant controller is improved according to the traditional PR controller,. The controller has the advantages of stronger anti-interference ability and greater gain at the resonance point, and it can improve the accuracy of harmonic comp
14、ensation in the current compensation control. This article also designs the controller in the form of digital control system in detail. Finally, when the current compensation control of active Keywords: Active Power Filter, Current Control Strategy, Grid-side Current Sensing, HI Vector Resonant Cont
15、roller 4 目 录 摘 要 . I Abstract . II g 录 .IV 第 1 章 引 言 . 1 1.1 研宄背景 . 1 1.2 国内外研宄现状及分析 . 2 1.3 APF 电流控制技术的发展 . 3 1.3.1 指令电流的检测方法 . 3 1.3.2 指令电流跟踪控制策略 . 4 1.4 本文主要研宄内容 . 4 第 2 章 APF 概述与指令电流检测技术 . 6 2.1 有源电力滤波器的概述 . 6 2.1.1APF 滤波工作的整体介绍 . 6 2.1.2 APF 数学模型的建立 . 7 2.2 负载侧电流检测方法 . 9 2.2.1 负载侧电流检测方法控制结构 . 9
16、 2.2.2 p-q 检测法 . 10 2.3 电网侧检测方式 . 12 2.3.1 电网侧检测提取指令电流理论 . 12 2.3.2 电网侧电流检测方式的控制结构 . 13 2.3.3 电网侧电流检测时 APF 系统控制策略 . 13 2.3.4 电网侧检测控制策略下参数设计 . 14 2.4 系统仿真与结果分析 . 16 2.4.1 APF 的仿真模型的搭建 . 16 2.4.2 仿真结果及分析 . 17 2.5 本章小结 . 19 5 第 3 章有源电力滤波器电流控制策略分析 . 21 3.1PI 控制器 . 21 3.1.1 PI 控制原理及特点 . 21 3.1.2 PI 控制器控制
17、策略 . 21 3.2 谐振控制器 . 26 3.2.1 谐振控制的特点概述 . 26 3.2.2 PR 控制器的设计及控制结构 . 26 3.3 重复控制器 . 28 3.3.1 重复控制原理及特点 . 28 3.3.2 重复控制器的设计 . 29 3.4 本章小结 . 30 第 4 章矢量谐振电流控制策略研宄 . 31 4.1 矢量谐振控制器的提出及性能分析 . 31 4.2 矢量谐振控制下 APF 系统电流控制策略 . 32 4.3 APF 数字化控制系统设计 . 36 4.3.1 数字化过程对被控对象的影响 . 36 4.3.2 VPI 控制器离散化设计 . 37 4.4 本章小结 .
18、 40 第 5 章装置设计及实验调试 . 41 5.1 主电路参数设计 . 41 5.1.1 APF 装置中容量 S 的选择 . 42 5.1.2 直流侧部分 . 43 5.1.3APF 侧并联的交流电感值计算 . 44 5.1.4 开关器件的选择 . 44 5.1.5IGBT 驱动电路 . 45 5.2 控制电路部分 . 48 5.2.1 主控制器部分 . 50 5.2.2 AD 转换芯片的选择 . 51 5.2.3 电压电流检测部分设计 . 53 6 5.3 样机调试实验波形及分析 . 55 5.4 本章小结 . 57 第 6 章总结与展望 . 58 6.1 離 . 58 6.2 臟 .
19、58 #嫌 . 59 S( . 63 第 1 章 引 言 随着我国电力行业的蓬勃发展，各种电力装置的总装机容量在持续增加，在 给人们带来了更为可靠的电能的同时也带来了各种电能质量问题。如各种电机、 电力电子装置以及各种新能源设备的使用，会给电网中引入谐波污染。作为一种 主动型的动态谐波抑制的装置，有源电力滤波器己经成为滤波装置中一大热门的 研宄对象。 1.1 研究背景 近年来随着工业的不断发展和民用电力结构的变化，在电能使用中的过程中 电力负荷也发生着非常大的变化，电力系统中非线性用电负荷、冲击性负荷增多， 这些电力负荷会带来许多负面影响，包括谐波电流、无功损耗，导致输出波形相 位和幅值畸形变
20、化。如果不认真解决这些污染问题将会造成更多资源和能源的浪 费，使工业生产产品残次品增加等问题，造成工业生产巨大经济损失。 对于电能污染中的谐波问题，必须寻找相应的办法滤除谐波，以达到提高电 能质量的目的。尤其是对于发射电流谐波含量较高的电力客户，工程师们根据不 同污染情况采用了不同的方法。目前，滤除谐波的方法有两种：被动法和主动法。 传统的方法是利用 被动型滤波装置，如无源滤波器 (PF-Passive Filter),这种方法在 电力系统中已经应用了很长的一段时间，但是这种滤波方式还存在许多不足的地 方。当仅使用单个的无源滤波器时只可滤除某次频率的谐波，不利于谐波含量较 高的场合。而且在滤波
21、电容器老化后，其频率特性会产生偏移。不仅如此，无源 滤波器还依赖电网中阻抗特性，当电网中阻抗波动时就会导致局部谐振，这种情 况对滤波稳定性是有影响的。 另一种方法是主动谐波电流抑制方法，其中最常用的装置是有源电力滤波器 (APF-Active Power Filter)。有源电力滤波器在原理上有更加显著的优势，直接产 生一个电流并注入电网中，大小与谐波电流相同，方向相反，这样可以抵消电网 中的谐波达到补偿作用。现在逐步受到人们的重视 1，其发展也越来越迅速。本文 研究的主要内容就是设计和使用有源电力滤波器装置来滤除电网中谐波，方法是 通过优化电流控制策略来达到进一步提高谐波补偿的动态响应速度和
22、谐波补偿精 度的目的。 2 针对电网中的谐波的污染带来的危害，如果使用有源电滤波器滤除谐波时主 要是可以从以下方面减小谐波造成的危害 2。当 3 次谐波流过时会在线路中产生热 量，过多的热量可能会给线路带来火灾威胁，滤除谐波电流可减小这一类的生产 安全隐患。谐波电流会导致某些装置误动作，影响工业产品加工的质量和精度， 滤除谐波可以提高设备的性能和加工的精确度。高频的谐波电流会使设备中某些 部件过热的附加损耗増加，滤除谐波可以减少装置老化，延长设备的寿命。谐波 电流会导致负荷增加从而增加扩容投入，滤除谐波电流可以提高电缆等的有效供 电容量。谐波电流会増加线路中的损耗，将其滤除后可以减少损耗，节约
23、电能。 1.2 国内外研究现状及分析 H.Sasaki 与 T.Machida 早在 1970 年左右最先提出利用有源电力滤波器装置滤 除谐波 3。但是主要是受到电力电子器件的制约，有源电力滤波器装置没有太大的 发展。到 20 世纪 80 年代电力电子器件开始逐步向前发展，与此同时由 H.Agaki 提出了瞬时无功功率理论 (Instantaneous Power Theory),这个理论为谐波检测方法 提供了充分的理论依据，在这两个有利条件的推动下有源电力滤波器开始有了极 大的进步，开始迅猛发展 4。 在一些发达国家有源电力滤波器技术的发展相对较为成熟，其使用领域也非 常 广 。 国 外 做
24、 得 比 较 好 公 司 有 ABB 、 三 菱 (Mitsubishi) 、 东 芝 (Toshiba) 、 西 屋 (Westinghouse)、西门子（ Siemens)、施耐德（ Schneider)、爱普瑞斯 (Ablerex)以及 诺基亚 (NOKIAN)。这些公司生产的有源电力滤波器装置的特点为：容量大、响 应快、补偿效果好以及抗干扰能力强等。然而，不菲的价格也使得其在国内市场 中被应用的案例较少。 我国有源电力滤波器的利用相对于发达国家而言还处于初级阶段 5。但是随着 技术的发展，设备成本降低以及对电能质量重视程度的提高，国内电能质量设备 市场具有巨大的发展空间和潜力 6，尤其
25、滤除谐波和补偿无功的静止同步无功补偿 器和有源电力滤波器。现在我国电能质量治理装置的利用在不断增加，据统计从 2007 年到 2011 年我国在使用该方面的耗费从 56.47 亿元增加到 95.22 亿元，到 2012 年治理谐波的装置相比 2008 年増长了 37.1%,其收入达到了 101.94 亿元。 由于国内的滤波装置还存在很大的进步空间，现在也有许多单位或公司已经 开始投入到滤波装置的研究工作当中，例如像西安交大、清华大学、华北电力、 浙大、湖南大学等这些高等院校己经开始逐步取得一些较为有价值的研宄成果， 像西安赛博、上海追日、苏州和顺、深圳盛宏、北京京仪椿整等这些公司也在高 3 校
26、研究的基础上生产出滤波装置的产品，并且具有良好的滤波效果 7。为了进一步 优化滤波装置，可以从以下几个方面进一步提高其性能 8。 (1) 更为先进可靠的控制技术：引入神经网络 (Neural Networks)、模糊控制 (Fuzzy Logic Controller)等人工智能 (Artificial Intelligence)理论。 (2) 新型拓扑结构：可以考虑级联多电平控制结构 9、混合控制结构等，可 以增大有源电力滤波器的容量，同时节约成本。 (3) 多功能化：可以实现输出波形相位幅度和幅值大小的补偿。 (4) 多重化技术：对于有源电力滤波器容量较小时一般会使用 IGBT 作为开关
27、器件以及 PWM 技术作为脉冲波的调制技术，但当容量大于 5MVA，可以选择使用 GTO 作为开关器件同时使用多重化技术作为脉冲控制技术 1()_12L (5) 数字化控制 13:使用的主控芯片变为 DSP，可使运算的空间变得更大的程 度，程序计算的复杂性会降低。 1.3 APF 电流控制技术的发展 为了更好的提高有源电力滤波器的补偿效果，许多学者从不同的角度对有源 电力滤波器展开了研究，电流控制策略就是其中之一。本节对电流控制策略的研 究发展进行叙述 14。 1.3.1 指令电流的检测方法 有源电力滤波器中需要快速计算并且准确的指令电流值 15，最早指令电流的 计算是采用模拟滤波器滤除基波电流，得到谐波电流作为指令电流。这种方式设 计误差大，电路中的元件参数难以合适选取，最后提取指令电流响应速度，数值 准确度不高。 后来又有学者提出基于频域分析的快速傅里叶变换算法，这种通过采集一个 基波周期的信号分解计算得到谐波和无功成分，这种方法需要进行大量的计算， 占用程序计算的时间会变得很长，对于补偿结果造成一定的影响。 当 法 被 提 出 并 且 得 到 应 用 时 ， 是 目 前 公 认 的 较 为 成 熟 的 检 测 方 法 16 ， 表 现