有源电力滤波器课程设计.doc

目录
1 设计相关知识介绍 1
1.1 谐波基本概念 1
1.2 谐波主要危害 1
1.3抑制谐波方法 1
2 APF基本工作原理 3
3 APF基本组成部分 5
3.1 主电路 5
3.1.1 PWM控制基本原理 5
3.1.2 主电路结构 7
3.2 指令电流运算部分 8
3.2.1 瞬时无功理论定义 8
3.2.2 基于瞬时无功理论检测法 9
3.3 电流跟踪控制部分 11
3.3.1电流滞环控制原理 11
3.3.2 三相电流滞环控制原理 12
3.4 驱动电路 14
参考文献 15

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1 设计相关知识介绍[1]
1.1 谐波基本概念
1882年，法国数学家傅里叶指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号和。基于此，国际电工标准定义谐波为：谐波分量为周期量傅里叶级数中大于1H次分量。把谐波次数H定义为：以谐波频率和基波频率之比整数。电气和电子工程协会标准定义谐波为：谐波为一个周期波或量正弦波分量，其频率为基波整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量正弦波分量，其频率为基波频率整数倍。
1.2 谐波主要危害
谐波研究及治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备正常运行带来严重危险。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。
谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生谐波及普通电话线路传输音频信号及人耳音频敏感信号相比在信号频带上具有一定重叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信干扰，也是谐波主要危害之一。
谐波污染是电力电子技术发展重大障碍。电力电子技术是未来科学技术发展重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要两大技术。然而，电力电子装置所产生谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展重大障碍，它迫使电力电子领域研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。
因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决问题。
1.3抑制谐波方法
随着工业、农业和人民生活水平不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性要求也越来越多，电能质量受到人们日益重视。 于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染有效方法，滤波就是将信号中特定波段频率滤除操作，是抑制和防止干扰一项重要措施。它分为无源滤波和有源滤波。
(1) 无源滤波

图1-1无源滤波器结构
无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻组合设计构成滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用无源滤波器结构是将电感及电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。基本无源滤波器拓扑结构如上图1-1所示。
（2）有源滤波
目前，谐波抑制一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ACTIVE POWER FILTER-APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生及该谐波电流大小相等而极性相反补偿电流，从而消除电网中谐波。这种滤波器能对频率和幅值都变化谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗影响，因而受到广泛重视，并且在日本等国得到广泛应用。有源电力滤波器基本思想在六七十年代就己经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件成熟，脉冲宽度调制控制技术进步，以及基于瞬时无功功率理论谐波电流瞬时检测方法提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。

2 APF基本工作原理[2]
图2-1为APF系统框图。图中，ES表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路核心是检测出补偿对象电流中谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流指令信号，产生实际补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。主电路目前均采用PWM变流器。

图2-1 APF 系统框图
图2-2为APF系统原理图。图中EA 、EB 、EC为交流电源，谐波电流源为非线性负载，， ，分别代表三相电网阻抗。而有源电力滤波器主要由以下几部分组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。其中指令运算电路主要任务是按照要求检测出负载电流中谐波、无功以及负序分量。电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它主要作用是根据指令运算电路得出补偿指令，产生实际补偿电流。主电路主要由IGBT 构成电压型PWM变流器，以及及其相连电感和直流侧电容组成。

图2-2 APF系统原理图

3 APF基本组成部分
3.1 主电路
3.1.1 PWM控制基本原理[3]
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中应用，才确定了它在电力电子技术中重要地位。
本文主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。
冲量相等而形状不同窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲面积。效果基本相同，是指环节输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图3-1形状不同而冲量相同各种窄脉冲
分别将如图3-1所示电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时响应波形如图3-2b所示。从波形可以看出，在i(t)上升段，i(t)形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
用一系列等幅不等宽脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。
上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术重要理论基础。
下面分析用一系列等幅不等宽脉冲来代替一个正弦半波。图3-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连脉冲序列组成波形，然后把脉冲序列利用相同数量等幅而不等宽矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效。

图3-2 冲量相同各种窄脉冲响应波形

图3-3 用PWM波代替正弦半波
要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。
3.1.2 主电路结构

作为主电路PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此可称为逆变器。但它不仅仅是单独作为逆变器而工作，当在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作，即它既可以工作在逆变状态，也可工作在整流状态，所以多以变流器称之。
在应用中主电路多以三相桥式变流器为主，三相桥式变流器又可分为电压型和电流型两种。而电压型应用较为广泛。随着电力电子器件技术和控制技术发展，先进功率器件应用给主电路性能带来了很大变化。
常用PWM变流器多为电压型变流器，单个电压型PWM变流器其基本拓扑结构如下图3-4所示：

图3-4 电压型逆变电路
电压型PWM变流器基本特点是：
（1） 直流侧为电压源或并联有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。
（2）对电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制。
（3）电压型PWM变流器交流侧输出电压为PWM波。
控制各个开关器件轮流导通和关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间换流，电路环流方式分为180度导通型和120度导通型。
所谓180度导通型是指同一桥臂上、下两管之间互相换流。而120度道通型是指在同一排不同桥臂左、右两管之间进行。但180度导通型应该注意防止上、下桥臂直通。
3.2 指令电流运算部分[4]
指令运算部分实质上就是谐波电流检测部分，谐波检测方法很多，早期模拟法，到后来傅里叶分析法，还有人工神经网络法，瞬时无功功率理论等，但应用较为广泛还是瞬时无功功率理论，该理论产生为有源电力滤波器发展注入了新鲜活力。
3.2.1 瞬时无功理论定义
瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛应用，以该理论为基础构成 APF 可以实现对频率和大小都变化无功及谐波电流进行实时检测。这种检测方法有可以分为 P-Q法和法。本论文就是利用法进行谐波及无功电流实时检测。
本设计研究系统为三相三线制系统，可以先将三相电压和电流转换到静止Α-Β系统中。设三相电路各相瞬时电压和电流分别为，，和 ， ，分别将它们变换到两相正交Α-Β坐标上，两项瞬时电压为 ，。电流为 ，即
(1)
(2)
式中，C32是三相到两相坐标变换阵，定义瞬时有功功率 P 和无功功率Q为：
(3)
现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时，设三相电压、三相电流分别为：

（4）
（5）
则变换到Α-Β两相静止坐标系中向量为：
(6)
(7)
所以得到瞬时有功功率和无功功率为:
, (8)
从式(8)可以看出，在三相系统电压和电流均为基波正序电压和电流时，按照上面定义计算瞬时有功功率和无功功率 P 、Q只包含直流分量，并且及传统三相有功功率和无功功率计算结果一样。瞬时无功功率理论只用了一个时刻三相电压和电流数值，所以这种功率计算方法大大提高了计算效率。
3.2.2 基于瞬时无功理论检测法
日本学者H.AKAGI 于1984年提出了基于时域非线性条件下瞬时无功功率理论，它以瞬时实功率P 和瞬时虚功率Q 定义为基础，故称P-Q理论。 后又补充定义了瞬时有功电流，和瞬时无功电流，等物理量，并将其应用于电力系统谐波检测。目前基于瞬时无功功率理论谐波检测研究已经非常深人，并取得了工程应用成果。 在有源电力滤波器中，它是总谐波实时检测主要方法。以计算P和Q为出发点方法称为P-Q法，以计算和为出发点方法称为IP-IQ法，它们优点是都能准确地检测对称三相电路谐波值，且实时性较好，在只需测量谐波时可以省去锁相环电路，能快速跟踪电流，进行实时补偿，不受电网参数和负载影响，缺点是适应范围小，只适应于对称三相电网。
1)P-Q 法，该运算方法原理如图3-5所示。

图3-5 P-Q运算方法原理图

根据该方法算出P，Q，经低通滤波器(LPF)得直流分量，. 电网电压无畸变时，为基波有功电流及电压作用所产生，为基波无功电流及电压作用所产生。所以由，可以计算出检测电流 , ,基波分量 , ,,从 , ,中减去 , ,，即可得到谐波电流 , ,

2) 法.该运算方法原理如图3-6所示。

图3-6 法运算方法原理图
该方法不直接对采样得到三相系统电压进行变换，而是以及电压矢量同步单位正序基波矢量来代替电压矢量。根据瞬时无功理论可得

图3-6 中，由于电压为单位正序基波矢量，所以．根据定义可计算出，，经LPF滤波可得直流分量, ．这里, 是对应于电流基波分量，，，因此由, 可以计算出，，，进而可以计算出，，．
以上两种方法中法适用范围更广，更能适应电网电压不对称和电压波形畸变情况。因为 ,运算方式中只需读取和参及运算，畸变电压谐波成分在运算中不出现，所以在电源电压畸变情况下也能准确检测出谐波电流，而P-Q法在这种情况下误差较大。
基于瞬时无功功率理论方法优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量实现电路比较简单，并且延时小，具有很好实时性。
3.3 电流跟踪控制部分[3]
该部分作用是：根据补偿电流指令信号和实际补偿电流之间差别，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断PWM信号，控制结果应保证补偿电流跟踪其指令信号变化。
目前应用较为广泛跟踪型PWM控制方式有以下三种方式：滞环比较方式、定周期瞬时值比较方式和三角波比较方式。及三角载波控制相比,滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快、鲁棒性好、控制精度高等特点。所以本设计采用滞环比较方式。
3.3.1电流滞环控制原理
常用一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪 PWM（Current Hysteresis Band PWM ——CHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪 PWM 控制 PWM 变压变频器A相控制原理如3-7图所示。

图3-7 电流滞环跟踪控制A相原理图
图中，电流控制器是带滞环比较器，环宽为2h。将给定电流 及输出电流 进行比较，电流偏差超过时，经滞环控制器HBC控制逆变器 A相上（或下）桥臂功率器件动作。B、C 二相原理图均及此相同。
如果， ， 且，滞环控制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到及相等时，虽然滞环比较器输入信号符号发生了变化，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大
直到达到， ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经过延时后驱动V4，直到电流负半周V4才能导通。
但此时未必能够导通，由于电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差下限值，使HBC再翻转，又重复使V1导通。这样，及交替工作，使输出电流给定值之间偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图3-8中可以看到，输出电流是十分接近正弦波。

图3-8 电流滞环跟踪控制时电流波形
3.3.2 三相电流滞环控制原理

图3-9 三相电流跟踪型PWM逆变电路

图3-10 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形
因此，输出相电压波形呈PWM状，但及两侧窄中间宽SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。
电流跟踪控制精度及滞环环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾因素，实用中，应在充分利用器件开关频率前提下，正确地选择尽可能小环宽。
采用滞环比较方式电流跟踪型PWM交流电路有以下特点：
1. 硬件电路简单；
2. 属于事实控制方式，电流反应快；
3. 不需要载波，输出电压波形中不含有特定频率谐波分量；
4. 和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；
5. 闭环控制，这是各种跟踪型PWM交流电路共同特点。
3.4 驱动电路[5]
IGBT驱动电路必须具备2个功能：一是实现控制电路及被驱动IGBT栅极电气隔离；二是提供合适栅极驱动脉冲。实现电气隔离可采用脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。
图3-11采用光耦合器等分立元件构成IGBT驱动电路。当输入控制信号时，光耦VLC导通，晶闸管V2截止，V3导通输出+15V驱动电压。当输入控制信号为0时，VLC截止，V2、V4导通，输出-10V电压。+15V和-10V电源需靠近驱动电路，驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和发射极引线应采用双绞线，长度最好不超过0.5m。

图3-11 由分立元件构成驱动电路

4 心得体会
通过此次课程设计，使我更加扎实掌握了有关电力电子方面知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次思考，一遍又一遍检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自查资料，设计，使我们掌握知识更加牢固。
在今后社会发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功做成想做事，才能在今后道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你认可。

参考文献
[1]王兆安,杨君等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,2005.10
[2]姜齐荣，赵东元等.有源电力滤波器——结构·原理·控制[M].北京：科学出版社，2005
[4] 尹发根．电力谐波检测方法比较及研究, 中国高新技术企业，2009.VOL.19, NO.2, PP.7-8
[3]王兆安主编.《电力电子技术》[M].北京：机械工业出版社.
[5]林红,周鑫霞编.《模拟电路基础》[M].北京：清华大学出版社.