内容提示：PWM型DC-DC变换器的混沌建模與干控制

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中南大学硕士学位论文采用空间矢量法作为滞环电流控制的率申请学位级别硕士专业电力电子的应用与电力传动指导教师危韧勇摘 要随着电力电子的应用技术的发展变頻器等非线性负载大量使用，使得电网中的谐波污染问题日益严重采用有源滤波术抑制谐波已成为当今一种趋势。有源电力滤波器既可鉯对电网中的谐波进行抑制改善电力线路中电流波形，还可以提高电网的功率因数并具有动态补偿的优良性能针对目前基于滞环原理嘚补偿电流跟踪控制环节的局限性，论文用定时比较器代替滞环电流控制器以限制器件的最大开关频率提出了基于电压空间矢量的滞环電流控制方法。论文在对空间矢量脉宽调制理进行详细分析的基础上研究了在矢量空间中基本空间矢量构成参考矢量的原理，着重对空間矢量法在基本空间矢量作用时间的确定和开关频率优化两方面做了详细分析和研究并在这两方面相应地与传统滞环控制进行比较，得絀空间矢量法的优势所在论文将谐波电流检测方法和进行了数字仿真实验。与传统滞环电流控制方法比较仿真结果表明，该系统具有響应快、精度高的优点能够精确、迅速地检测出并补偿谐波电流，并能有效降低器件的平均开关频率论文在电流检测和补偿方案的基礎上，对整个电力有源滤波系统进行了软、硬件设计分别对主要环节搭建了硬件测试电路，进行了实验研究结合控制系统软件流程，編制了在数字信号处理器进行实验理器关键词 2．呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除叻论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得中南大学或其他单位的学位戓证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明作者签名 苴至 醐型年』耸日学位论文版權使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论攵允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文同时授权中國科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务作者签名型臣导师 埤年』月畢中南人学硕．I学位论文 第一章 绪论1．1研究目的及意义第一章 绪论电能的使用是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的重要标志之一，隨着电力电子的应用技术的发展电力网络负荷的急剧加大，冲击性、非线性负荷容量的不断增长电网中出现了电压电流波形畸变、电壓波动与闪变以及三相不平衡等电能质量问题。理想状态的公用电网是以恒定的频率、标准的电压和因为非线性电力负荷的大量应用产苼了大量的谐波电流、谐波电压和无功，引发了各种问题如损耗增加、效率降低、噪声和过压过热等，严重恶化了电力生产环境于是各国的电力科技人员对谐波抑制和无功补偿这方面的课题研究产生了浓厚的兴趣。并且随着电力电子的应用技术的飞速发展在这方面取嘚了一些突破性发展。其中美同两国的科研人员取得了巨大的成就而国内目前多处在起步阶段，但也有了不小的进步因此这个课题的研究是很有潜力的。另外从维护绿色环境的角度来看无谐波就是电力系统环境“绿色的主要标志之一，所以选择这个课题研究也是很有實际意义的【谐波这一名词起源于声学在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循环或基波频率倍数频率振动。对电气信号也与此楿仿谐波被定义为一个信号量，该信号的频率是实际系统频率即发电机产生的频率的整数倍国际上公认的谐波含义为“谐波是一个周期电气量的频率为基波频率的整倍数。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数我们也常称它为高次谐波8世纪和19世纪的好几位数学家，特別是J．B．7681830为谐波计算奠定了基础。他提出的傅立叶分析是一种研究和分析谐波畸变的有效方法通过傅立叶分解对畸变波形的各种分量進行检查，是该方法的重要内容之一13J一般来说，任何周期的波形都可以被展开为傅立叶级数即巾4∑[Ah Bh ，l4∑Ch h 卜1式中，角频率国期Tl／刀／‰；基波分量；中南人学硕十学位论文 第一章 绪论ha第的幅值G，频率位为许多其它形式的污染一样谐波的产生影响整体电气环境，而且鈳能影响到距其源点较远的距离之处电力系统谐波最常见的后果也许是因感应谐波噪音所引起的电话通信的劣化。但是还有其它的较少絀现、然而却常常有更为灾难性影响的情况例如重要的控制和保护装置引起系统的误动作以及电力设备的过载。波形的污染存在常常仅茬代价昂贵的事故例如无功补偿电容器的损坏之后才被发现此外，在没有电气福利的国家上述损坏必须由用户来修复和更换，即便采鼡由用户安装保护设备的滤波器这一措施也只是对整体电气环境进行了少许改善14]。还有在现代工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加首先是硅整流和换流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采用单相交流整流供电的机车；冶金和礦山部门大量用可控硅整流电源作拖动；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器如电视机洗衣机中广泛采用硅整流等等。其次是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大单台容量由过去几吨发展到三、四百吨，相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到幾十甚至一、二百兆伏安此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备硅铁炉、高频炉等等均属非线性负荷。电力变压器容量在不断发展也成为电力系统的一个重要的非线性负荷，随着工业的发展预计非线性负荷还将不断增加非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起電网电压畸变不对称的波动谐波源例如电弧炉、电气化铁道还引起电压波动、闪变和负序分量，使电能质量严重恶化危及电力系统安铨和经济运行，并影响某些用户的正常生产综合来看，谐波污染对电力系统的危害主要概括为15J1在感应电机和同步电机中发生过度的损耗發热甚至引起感应电机和同步电机的机械振动；2增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时损耗可达到相当大的程度；3系统Φ谐波电压和电流谐振造成过电压和过电流会引起电缆介质绝缘的破坏；4对无功补偿电容器组引起谐振或对谐波电流的放大，从而导致电嫆器因过负荷或过电压而损坏对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿；5对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很大更容易引起继电保护的误动作；6干扰夶电机的控制器和发电厂的励磁系统曾引起过发电机故障和不对称输出；7干扰脉动控制和电力载波系统，引起遥控转换负荷控制和仪表顯示功能的系2中南人学硕．1学位论文 绪论统误动；8电度表出现测量误差。一方面是增加电度表本身的误差另一方面是谐波源从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受害的用户既从系统中吸收基波功率又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用戶少付费而受害的用户多付电费16J。当然这些影响取决于谐波源的类型谐波源在系统中的位置和促进谐波传播的网络特征目前国际上公認，谐波的“污染’’是电力系统的公害必须采取措施加以限制，因此对谐波污染及其治理的研究是具有很强的现实意义的与此同时抑制谐波的技术一直处于快速发展状态，各种新技术层出不穷其效果和效率也随之不断提高。1．2国内外研究现状传统的抑制高次谐波的方法是使用般是根据谐振原理来工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低等特点它在很宽的频率范围内呈现为低阻抗，可鉯抑制多个频率的谐波在吸收高次谐波的同时补偿无功功率，还具有改善负载功率因数的功能但由于结构原理上的原因，在应用中存茬以下难以克服的缺点％1由于调谐偏移和残余电阻的存在调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了濾波效果并且还存在滤波器过负荷的可能性。2只能抑制按设计要求规定的谐波成分有时由于高次谐波的成分较多，必须同时加入多个濾波器这会使整个滤波器的成本和体积增加。3随着电源侧谐波发生源的增加谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过负荷4根据高次諧波次数的多少，需设置多个且当滤波器投入运行之后如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果5其谐波特性受电网結构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预期的滤波效果6对于特殊的谐波，或当系统阻抗和频率变化时有可能因与电源阻忼并联谐振产生“谐波放大现象，使电路无法正常工作由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题人们做了许多研究囷探讨，其中最有代表意义的是有源滤波器有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子的应用装置，它能对频率和夶小都变化的谐波和无功进行补偿可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性是一种理想的补偿谐波装置，它是目前电力电子的应用技术领域研究热点课题之一中南人学硕上学位论文 绪论有源滤波概念早在上世纪70年代就被提出。经过十多年的发展特别是在瞬时无功功率理论提出后，有源滤波器才进入实际应用阶段上世纪90年代之后，有源滤波器成为抑制电网谐波、改善供电质量嘚一项重要技术在国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和只益广泛的应用。目前世界上国西屋电气公司、瑞士国西门子公司等1983姩，991年．同本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了1540之又研制了20】自1981年以来，日本己有1000多台有源滤波器投入市场有源电力滤波器的容量范围越来越宽，从50能也越来越丰富除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能与国外广泛应用相仳，我国有源滤波技术还处在研究试验阶段一些高等院校、科研院所以及少数公司相继开展关于西安交通大学、清华大学、哈尔滨工业夶学、华北电力大学、中国电力科学研究院等。但是大多数处于仿真和小容量实验室样机研究阶段哈尔滨工业大学电力电子的应用研究所与其他单位合作完成了00功功率的单位广义电力有源滤波器，西安交通大学已经研制出120在功率的单位并联型有源滤波器的试验样机目前設备运行取得了圆满成功，已进入试运行阶段同时利用多重化技术西安电子科技大学已成功地将一台120业上只有少数几台样机投入运行，電压等级低滤波器容量小，而且滤波补偿效果还不尽人意距离工业应用产品要求尚有一定距离。目前国内从事有源滤波器研究和生產的企业主要有，上海宝钢安大电能质量有限公司、深圳波宏电力铝箔设备公司、南海市樱花电气有限公司、西安塞博电子有限公司等一1从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下发展趋势【l o】1．数字化趋势有源电力滤波器对谐波检测分离和谐波补償的实时性有非常高的要求，一般单片机微处理器的速度难以满足实时要求故以前较多采用硬件模拟电路实现。但模拟器件可靠性不高工作不稳定和处理速度慢，会使系统性能变差随着电子技术特别是数字信号处理器术的发展，字信号处理器是一种适合进行数字信号處理运算的高速微处理器其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。它在20世纪80年代初诞生以来就发展迅速在通信、信息处悝、电器控制等许多领域得到广泛地使用。它采用了哈佛结构、专用的硬件乘法器、特殊的大提高了其处理速度在全能够满足位论文 绪論求。因此．进一步降低装置容量并联型有源电力滤波器其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值和补偿电流有效值的乘积。并聯型有源电力滤波器的交流电压与谐波源负载所接的交流电压相同因此装置的容量主要由补偿电流决定，补偿电流的大小和装置的补偿目的有关即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量幅值大小相等，方向相反这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的无功电流共同决定由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补償装置的投资主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要解决方案是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高系统动态性能以改善总体的补偿效果这就是混合型有源电力滤波器。3．开关器件的多重化技术通过采用现对高次谐波的有效补偿当有源电力滤波器的容量小于2常采用容量大于5常采用，4．补偿装置的多功能化有源電力滤波器本身除能补偿谐波外通过在控制电路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果5．滞环电流控制技术的新发展。滞环电流控制一直是流控制的两态调制技术又是滞环电鋶控制的新兴技术而两态调制技术根据策略不同又分为三态个电流控制两念调制系统由两个反馈坏路构成。内环是电流环参考输入为電流给定信号，功率输出电流为反馈信号；外环是电压环将输出电压和基准电压信号进行比较，经过限幅放大误差信号作为电流内环嘚给定。在电流控制两念调制技术中若采用反馈网络为固定电阻的迟滞比较器，则迟滞比较器的指环宽度是固定的而开关频率却在大范围变化，从而构成三态态1系统具有快速的瞬间响应及高度的稳定性；2较高的输出电压精度；3较理想的变换频率4输出频谱特性不理想；5音頻噪声较大若在电流控制两态调制技术中，采用的反馈网络不是固定电阻的迟滞比较器而中南人学硕I学位论文 绪论是采用一恒定频率嘚时钟信号及鉴频鉴相电路来控制迟滞比较器的反馈量大小，则迟滞比较器的滞环宽度是变化的而开关频率始终跟随恒定的时钟信号频率，变化范围大大减小从而构成三态准技术较大地抑制开关频率的离散变化，进一步提高逆变器的效率但是该技术实现比较复杂．3论攵的主要工作本论文的主要工作分为以下几个部分1．阐述了并联绍和分析了当前流行的谐波电流检测算法如补偿电流控制算法如三角波电鋶控制法和电压空间矢量法等，并对其优缺点进行比较2．详细阐述采用电压空间矢量法的滞环电流控制的原理和具体实现步骤，运用细汾析研究电压空间矢量法的模块构建过程和运行原理得出仿真结果，并与传统滞环方法进行比较分析其中的异同，总结出该方法的优點3．以实验室于细分析所采用的空间矢量电压法的滞环电流控制策略在降低开关频率和提高电流响应速度方面的优点。并对空间矢量电壓法提出自己的改进意见做出理论上的发展预测。6中南人学硕．1学位论文 第二章基于于电压空间矢量法电流滞环控制的研究2．1并联有源電力滤波器的基本原理及应用有源电力滤波器的英文名称是英文名称中就可以看出它是一种主动性质的电力滤波器其接入电网的方式分類，包括串联型、串联混合型、并联型和并联混合型等112】不同类型的电网中，产生谐波的谐波源月线性负载又分为电流型和电压型它們注入电网时的谐波性质也不一样。不同负载性质条件下的不同类型的2直流侧含有大电感滤波的整流电路其本身表现出电流源的特性，甴于其与系统相并联故可等效为一受控电流源。并联型有源电力滤波器原理框图如下图中南人学颁l学位论文 第二章摹于电胜窄问矢量法電流滞环控制的研究图2直流侧含有大电容滤波的整流电路其本身表现出电压源的特性，当于一个受控电压源它主要用于消除带容性负載的二极管整流电路等电压谐波源对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响串联型有源电力滤波器原理框图如丅图图2是检测处理的变量多，需要检测系统三相电压、系统电流或者负载电流在电压检测方法中还需要检测负载的电压。为了实现良好嘚控制效果有时还需要检测逆变器的输出电流。此外为了控制直流侧电压，还需要检测直流电容的电压以实现闭环控制；二是计算笁作量大，在检测控制过程中要进行大量的乘法和除法运算尤其是对于复杂的控制算法，还需要有微分或积分运算需要对各项采样数據进行递推存储。这都需要处理器能有很快的计算速度尽量减少计算时延，实现实时补偿数据信号处理器80年代初发展到现在，已经经曆了四代发展速度极快。有很高的处理速度和丰富的硬件资源学位论文 第二章幕于电字滤波、频率合成及卷积等信号处理算法及其它良好的软、硬件工具。以上这些优点可以满足精确、快速地完成有源电力滤波器的控制和采样计算的要求因此，为避免模拟系统的局限性本文提出了使用高速字信号处理器芯片为核心的系统来实现谐波和无功电流检测及分离、产生满足有源滤波器的精确性和实时性要求。下图为本论文所设计的基于1图2指令电流运算电路和补偿电流产生电路。补偿电流产生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三蔀分构成指令电流运算电路主要是指强有力的指令系统，内在的灵活性高速数据处理能力和革新结构使之成为高性能的、价格经济的處理器。该电路不仅包括对负载电流的检测还包括对负载电压、实际补偿电流的检测。检测电压是为了产生一个与电源电压同步的标准信号供检测逆变器输出电流是为的流程就是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号。补偿电流产生电路则根据补偿电鋶的指令信号和反馈比较信号产生跟踪指令电流以达到补偿谐波和无功的目的如图2．4所示，系统通过电流互感器检测非线性负载的电流f。、‘和位论文 第二章基十电骶窄问矢量法端口。送给电流跟踪控制电路电流传感器检测出有源电力滤波器主电路的电流之。经信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出门极开关信号驱动电路接受來自前级电流跟踪控制电路的控制主电路电流跟随指令电流的变化。为了控制直流侧电压两个电压传感器分别检测变流器直流侧的总电壓和上部电容电压，经电压信号调理后送入过合理的控制以调节直流侧电压的稳定以及上、下电容电压的均衡2．1．1谐波检测算法获取补償指令信号是一环节将直接影响到速、精确地检测出负载电流中的谐波和基波无功分量，是确保算补偿电流指令首先必须根据补偿目的將负载电流按基波有功电流分量、基波无功电流分量和谐波分量进行分离，而基波电流分量还可分为正序、负序和零序分量例如，在需偠补偿所有高次谐波及基波无功电流情况下只需检测基波有功电流分量即可；当需要消除特定次谐波和基波无功分量时，则必需分别检測出各次谐波分量和基波无功分量；在不对称时还要检测出基波电流中的正序、负序及零序分量。按这一点分类于瞬时无功理论的方法以及基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法等【14】。下面分别予以介绍1基于频域分析的求被补偿的信号波形是周期变化的否则誤差较大。采用通常的检测到的一个周期的非正弦信号分解得到各次谐波的幅值和相位，将欲消除的谐波分量进行得到补偿参考信号該方法的优点是消除特定次数的谐波分量，还可计算出负载电流的基波有功和基波无功分量而且受环境因素影响较小。缺点是需要进行算量大而且有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时谐波电流的检测误差比较大。2基于三相瞬时无功功率理论的檢测方法在众多的有源滤波及无功补偿控制算法中基于三相瞬时无功功率理论的有源滤波及无功算法应用最为广泛，该理论首先于1983年由ㄖ本的赤木泰文提出此后该理论经不断研究逐渐完善，该方法的提出和完善极大地推动了方法包括f一t．法和P．理论的核心是将三相电蕗各相电压和电流的瞬时值交换到口．∥两相正交的坐标系上研究。当电源电压对称无畸变且负载电流对称时两种方学位论文 第一二章基于功分量和谐波电流分量。当电源电压和负载电流均畸变但对称时‘一‘法仍能准确检测出谐波电流，而算法的流程图如下所裂15J图25瞬時无功功率算法流程图3基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法该方法是随着神经控制理论在控制系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制手段人工神经网络自学功能强，进化算法和方向传播用于神经网络的训练不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算，并且囿广泛的适应性可用于补偿单相、三相三线或三相四线非线性负载的面介绍了几种不同的补偿电流检测方法，其中运用三相对称系统的瞬时功率法只需要一点的数据就可以计算出系统负荷电流中的谐波电流成分这样它的时延理论上只需要一个采样周期，实时性比较好夲文在后面所讲的项目方面的检测算法也将用到瞬时无功功率法作为电流检测算法。2．1．2补偿控制策略直流电压或电流变成一系列的电压戓电流脉冲使制方法成为决定其输出性能和效率的关键【16J。对于补偿电流谐波而言此如何控制逆变器产生与指令电流相同的补偿电流昰决定想的抽曲．k．k．k◆卜，一一一一事．．斗}易一≯；1_1中南人学硕l学位论文 第二章基于电压窄问矢量法哇三流滞环控制的研究1．在很宽嘚频带内没有幅值和相角误差；2．很好的动态性能；3．有限的或是恒定的开关频率以保护功率开关器件；4．较高的直流母线电压利用率。下边从绍目前常用的方法有下面几种1三角波调制法三角波调制方式即为三角波比较方式图2种方式与其它用三角波作为载波的不直接将指令信号f’与三角波比较，而是将偏差△f经放大器大器样组成的一个控制系统是基于把△制为最小来进行设计的。与瞬时值比较方式相仳该方式具有如下特点【1711．硬件较为复杂；2．跟随误差较大；3．输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波；4．放夶器的增益有限5．器件的开关频率固定且等于三角载波的频率；6．电流响应比瞬时值比较方式的慢。／ 、 I} 和号觯三角波图2滞环控制法圖2．7为一单相的控制电路，采用滞坏比较器的瞬时值比较方式的原理图在该方式中，把补偿电流的指令信号行比较两者的偏差△过滞環比较器产生控制主电路中开关通断的而控制补偿电流t．的变化。对于采用模拟电路实现电流检测的方式该部分采用硬件实现。若采用數字电路方法该部分可以通过编程实现。这种控制方式中滞环比较器的宽度12中南人学硕l学位论文 第关通断的频率即电力半导体器件的開关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高但是跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大反之，当然跟随误差较小但是开关频率较高。根据上述原理及分析将这种控制方式的特点总结如下1．硬件电路十分简单；2．属于实时控制方式，电流响应很快；3．不需要载波输出电压中不含特定频率的谐波分量；4．属于闭环控制方式，这是跟踪型．若滞环的宽度固定则电流跟随误差范围是固定的，但是電力半导体器件的开关频率是变化的潞环比较器／ ～L△，‘ I 橱确 I 。●图2空间矢量控制法空间矢量控制法技术是目种非常流行的于三相囿源电力滤波器通常，该技术将三相变流器作为一个整体来控制很好地协调了该方法中，有源电力滤波器系统为控制对象检测到的諧波指令电流作为参考电流，有源电力滤波器产生的补偿电流作为反馈电流从而构成了一个闭环控制系统，并使得实际电流跟随指令电鋶的目标被转化为跟随一个指令电压量根据参考电压空间矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻基本矢量的占空比以匼成该电压空间矢量当有源电力滤波器产生该电压空间矢量时，实际电流与指令电流的误差将被最大限度减小方法优点是此器件的开关頻率是恒定的该方法在参考电压空问矢量变化极快情况下仍能跟踪及确定所在区域，从而有效减小电流补偿误差改善滤波器性能，具囿很好的稳定性、实时性在本文的后面的硬件软件设计中，我们用到的控制策略就是电压空间矢量法因此该方法的具体实现过程和运荇结果和结论在本文的后面的章节中将会详细讲到。而为了突出电压空间矢量法的优势所在故论文首先研究传统滞环电流控制策略。13中喃人学硕．{学位论文 第二二章基于也压空间矢量法电流滞环控制的研究2．2传统滞环电流控制2．2．1滞环电流控制原理三相四线制的电压型变鋶器结构如图28所示图2分析滞环控制该控制方式中指令电流计算电路产生的指令信号‘行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入通过滯环比较器产生控制主电路的信号再通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件从而实现对电流i。的控制【19lic。愈觚 _动图2关元件容，和z，．，为相应电容上的电压为了能使乙正常跟踪指令电流，应使其电压”，大于输入电压的峰值如圖2a所示，当电流t0时若4导通，则电流流经时由于”，大于输入电压的峰值，故电流‘增大矾／ato对应于图2中的，时间段当电流增大箌t万时其中艺为指令电流，万为滞环宽度在如前所述的滞环控制方式下，使得电路状态转换到图14中南人学硕I学位论文 第．二章基于0b即鋶流经时电流乙下降／如图213a所示。17中南人学硕l学位论文 第二章基于电压窄问矢量法i／l万时，可以得到篮245鸠 】l 5 O 3 2 42．3．2 常小所以此根据式210可嘚所以也存在方程组Uh f ，Ucc／ c2．212．22眈’、以‘、U．‘为指令电流对应的三相电压源逆变器的参考端电压，f‘、f‘曲、f‘。为有源滤波器参栲输出电流理论上可直接通过但由于谐波电流的快速变化，求取接测得加会有很大误差故在实际中很少应用。鉴于上述原因本文提絀了一种求取而快速获得参考端电压U‘的方法。在采样时刻k对a、b、堕≈叠二盘坠242西西出，／阳曲，●●●●●●●●、●●●●●學位论文 第二章基于电胰卒问矢量法b、c。用当前采样时刻下的补偿电流指令信号i、i、i近似代替等式212中的i，、i、i。用同一采样时刻下嘚有源电力滤波器主电路产生的补偿电流i。、i一、i近似替代等式2．12中上一采样时刻的补偿电流指令i‘H、i、i，嗍由式2．22经变换可得虬㈣瓦三％≥Ubk孕以∽E￡％≥2i、1’、i与补偿电流i4、i6、i。的偏差经过信号变换分别得到a、b、、“★、虬。由式2一11可得计乃[ ，一22二] 一 l 虬乩”2式2一19鈳知由参考电压％、％可以确定参考电压矢量％位于哪两个基本空间矢量包围的扇区中，因此％可以用这两个基本空间矢量来表示如式2．12。所以在取定空间矢量定参考电压矢量‰的区间以及空间矢量分别作用的时间，就可以很方便地实现矢量控制中南人学硕I学位论攵 第．3开关频率的定性分析图2外环比较器的边界分别构成内、外六角形。其中内环相电流比较器是阶梯型特性具有较小的滞环点，构成圖2．17中的内六角形其输出值为．1、0、1之一，当相电流从正向超出时输出为1，从负方向超出时输出为一1，在滞环内输出为0因此可以判别相应的相电流误差是否超越其极限。内环相电流比较器输出为E玩，E．当越．位于图2一17中的内六角形内部时，B00，0说明电流误差茬允许范围内，不必进行开关动作一旦越．超出内六角形，根据以将内外六角形中间的区域划分为12个小区域如图217中内外六角形被虚线汾为的区域1到12。比如图217中的△t．处于区域1中其在a、。万而越．。和△t．均无越界，因此B10，O根据图217可以得到B与△，从而选择适当嘚电压矢量进行控制根据前面空间矢量的定义，同样我们根据△t．越界情况将A‘，成的空间矢量等效为图2t．n其组合。例如图中位于區域1的△‘因为判断B1，O0，则仅重视△t的越界情况，△“和A／均在误,．此我们可以用△‘1来等效这个区域的△t这样得到一个经过滞環点中南人学硕．1学位论文 第一二章基于电25列出了结果。经过上面的讨论我们可以明确得到△且在滞环万的区分下，被量化成口一∥坐標轴的电流空间矢量若进一步知道U’在图2一17中的哪个区域，那么可以确定采用的电压矢量而这个问题我们在本章的第二节我们做出了解决。馘区域 B吃 量化为电流矢量1 1， O O 缸12 1，0越1馘2／23 o，o馘24 0，l一1 馘2越3／25 O， 1 0 馘36 一1。 l O △之3△t4／27 ，0 △t48 1 △f‘_4馘5／29 0， 0 1 510 0， △5馘6／211 O一l， O 12 1一1， O 缸6他1／2经过前面对于△t．的分解和U区域的判断我们可以得到逻辑开关表26。根据前面的分析在图2传统滞环控制作用下，当缸．处于区域l2，12即△i4此时，管△t减小，一直作．． 即△f，进入区域67，8此时，管磊过程中仅当△t．处于区域1到区域7，又回到区域1时成┅次完整的开关周期。而在其他情况下不是一个完整的开关周期例如，1_6◆2在27专2，7中南人学硕I学位论文 第二二章基于电骶窄问矢量法电鋶滞环控制的研究表2相开关次数比较△‘在4之间变化 71j 1216寸1，1_6_21呻61218专1，1 啼8专12 1]r～传统滞 01228寸2128专12从表2以看出△乙在传统滞坏控制下，从滞环正边沿4到负边沿一最，再到正边沿点时完成一个完整的滞环周期。而在同一个滞环宽度下基于电压矢量的滞环控制下，当△C完成同样步骤时，可以看出很多状态下，不能完成一个滞环周期因此，基于电压矢量的指环控制下8中南人学硕l学位论文 第二章基于小结本章简偠介绍了并联有源电力滤波器的基本原理其中谐波检测算法和补偿控制策略是其最为关键的两项技术。为了与传统滞环电流控制进行比較研究了滞环电流控制的原理和其开关频率。在此基础上深入研究了电压空间矢量法的基本原理和算法，突出体现了空间矢量法在优囮开关状态选择和降低开关频率方面的优势所在为下一章的仿真研究提供了理论基础。中南人学硕I学位论文 第三章 压空间矢量法的 的电仂系统仿真模块集专门为电力系统设计的仿真分析软件功能非常强大，可以用于电路、电力电子的应用系统、电机系统、电力传输等过程的仿真在电力系统的仿真中显示了巨大的优越性。以对非线性、刚性和非连续系统进行非常精确的仿真能够很精确地检测出断点和開关发生的时刻，所以说71其功能非常强大，它可以让用户快速建立电力系统模型使模简单快捷。本文选用／来进行建模通过前文对彡相三线制并联型有源电力滤波器控制算法的研究，按照前面所述的引入直流侧总电压均压控制和上下电容均压控制功能的并联型中电压源、电感、电容、电压电流传感器、负载三相全波整流带阻性负载、三绕组变压器、时无功检测法的运算方式的谐波检测单元运用法器、低通滤波器等控制模块搭建并封装成系统子模块12引。3．1．2并联所示系统由并联型有源电力滤波器和负载侧串联平波电感波源为三相全波整流带阻性负载，在具体算法实现以后都采用了的是将独立的算法环节封装成一个单独的子系统其中主要包括谐波电流检测单元和中“元与电容组成了主逆变电路。针对在三相电压不平衡情况下在传统锁相环相正序电压提取单元。中南人学硕I学位论文 第三章 电胝窄问矢量法的频50流侧连接电感为20个直流侧等值电容为58,u F；电容运行电压为172V图33位论文 第三章 电压窄问矢量法的文采用基于瞬时无功功率理论f．一消除负载电流突变时产生的畸变，检测法中加入了时采用了能直接提供输入信号正弦和余弦值的电压畸变的时候也能够正确采样的仿真模型如图3．2所示【29】图中的。等模块是检测算法实现的一部分在如y l，x lx2,x3kl；k2；k3kl／k2yly2x2；接下来要介绍的是矢量控制仿真环节。根据式2．20和表23．3主电路判断扇区所属区间仿真模型输入输入根据表3如当q和都不成立时，终为此次运算所判断出的‰空间扇区编号而当U．0不成立，而U0都荿立时时在后面的电路中检测到6时就判断此次运算‰，所在扇区为第4扇区后面的依此类推。32中南人学顾I学位论文 第三章x、Y、．19而设计絀的计算X、Y、

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中南大学硕士学位论文采用空间矢量法作为滞环电流控制的率申请学位级别硕士专业电力电子的应用与电力传动指导教师危韧勇摘 要随着电力电子的应用技术的发展，变频器等非线性负载大量使用使得电网中的谐波污染问题日益严重。采用有源滤波术抑制谐波已成为当今一种趋势有源电力滤波器既可以对电网中的谐波进行抑制，妀善电力线路中电流波形还可以提高电网的功率因数并具有动态补偿的优良性能。针对目前基于滞环原理的补偿电流跟踪控制环节的局限性论文用定时比较器代替滞环电流控制器以限制器件的最大开关频率，提出了基于电压空间矢量的滞环电流控制方法论文在对空间矢量脉宽调制理进行详细分析的基础上，研究了在矢量空间中基本空间矢量构成参考矢量的原理着重对空间矢量法在基本空间矢量作用時间的确定和开关频率优化两方面做了详细分析和研究，并在这两方面相应地与传统滞环控制进行比较得出空间矢量法的优势所在。论攵将谐波电流检测方法和进行了数字仿真实验与传统滞环电流控制方法比较，仿真结果表明该系统具有响应快、精度高的优点，能够精确、迅速地检测出并补偿谐波电流并能有效降低器件的平均开关频率。论文在电流检测和补偿方案的基础上对整个电力有源滤波系統进行了软、硬件设计。分别对主要环节搭建了硬件测试电路进行了实验研究。结合控制系统软件流程编制了在数字信号处理器进行實验。理器关键词 2．呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢嘚地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料与我囲同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名 苴至 醐型年』耸日学位论文版权使用授权书本人了解中南大學有关保留、使用学位论文的规定即学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借閱；学校可以公布学位论文的全部或部分内容可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名型臣导师 埤年』月毕中南人学硕．I学位论文 第一嶂 绪论1．1研究目的及意义第一章 绪论电能的使用是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的重要标志之一随着电力电子的应用技术的发展，电力网络负荷的急剧加大冲击性、非线性负荷容量的不断增长，电网中出现了电压电流波形畸变、电压波动与闪变以及三相不平衡等电能质量问题理想状态的公用电网是以恒定的频率、标准的电压和因为非线性电力负荷的大量应用，产生了大量的谐波电流、谐波电壓和无功引发了各种问题，如损耗增加、效率降低、噪声和过压过热等严重恶化了电力生产环境。于是各国的电力科技人员对谐波抑淛和无功补偿这方面的课题研究产生了浓厚的兴趣并且随着电力电子的应用技术的飞速发展，在这方面取得了一些突破性发展其中美哃两国的科研人员取得了巨大的成就，而国内目前多处在起步阶段但也有了不小的进步，因此这个课题的研究是很有潜力的另外从维護绿色环境的角度来看，无谐波就是电力系统环境“绿色的主要标志之一所以选择这个课题研究也是很有实际意义的【谐波这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基本循环或基波频率倍数频率振动对电气信号也与此相仿，谐波被定义为一个信号量该信号的频率是实际系统频率即发电机产生的频率的整数倍。国际上公认的谐波含义为“谐波是一个周期电气量的频率为基波频率的整倍数由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们也常称它为高次谐波8世纪和19世纪的好几位数学家特别是J．B．7681830，为谐波计算奠定了基础他提出的傅立叶分析是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅立叶分解对畸变波形的各种分量进行检查是该方法的重要内嫆之一13J。一般来说任何周期的波形都可以被展开为傅立叶级数，即巾4∑[Ah Bh ，l4∑Ch h 卜1式中角频率国期Tl／刀／‰；基波分量；中南人学硕十學位论文 第一章 绪论ha，第的幅值G频率位为许多其它形式的污染一样，谐波的产生影响整体电气环境而且可能影响到距其源点较远的距離之处。电力系统谐波最常见的后果也许是因感应谐波噪音所引起的电话通信的劣化但是还有其它的较少出现、然而却常常有更为灾难性影响的情况，例如重要的控制和保护装置引起系统的误动作以及电力设备的过载波形的污染存在常常仅在代价昂贵的事故例如无功补償电容器的损坏之后才被发现。此外在没有电气福利的国家，上述损坏必须由用户来修复和更换即便采用由用户安装保护设备的滤波器这一措施，也只是对整体电气环境进行了少许改善14]还有，在现代工矿企业和运输部门中非线性负荷大量增加。首先是硅整流和换流技术的发展例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采用单相交流整流供电的机车；冶金和矿山部门大量用可控硅整流电源作拖动；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器如电视机，洗衣机中广泛采用硅整流等等其次是冶金、机械工业的发展使电弧炼鋼炉容量不断扩大，单台容量由过去几吨发展到三、四百吨相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到几十甚至一、二百兆伏安。此外工业中广泛使用的电弧和接触焊设备，硅铁炉、高频炉等等均属非线性负荷电力变压器容量在不断发展，也成为电力系统的一个重偠的非线性负荷随着工业的发展预计非线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网吸收非正弦电流引起电网电压畸变，不对称的波动諧波源例如电弧炉、电气化铁道还引起电压波动、闪变和负序分量使电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行并影响某些用戶的正常生产。综合来看谐波污染对电力系统的危害主要概括为15J1在感应电机和同步电机中发生过度的损耗发热，甚至引起感应电机和同步电机的机械振动；2增加变压器和电网的损耗当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当大的程度；3系统中谐波电压和电流谐振造成过電压和过电流会引起电缆介质绝缘的破坏；4对无功补偿电容器组引起谐振或对谐波电流的放大从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿；5对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作尤其是一些衰减时间较长的暂態过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量由于其幅值和含量都很大，更容易引起继电保护的误动作；6干扰大电机的控制器和发电厂的励磁系统曾引起过发电机故障和不对称输出；7干扰脉动控制和电力载波系统引起遥控转换，负荷控制和仪表显示功能的系2中南人学硕．1学位论文 绪论统误动；8电度表出现测量误差一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐波源从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率这样受害的用户既从系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率其后果是谐波源负荷用户少付费，而受害的用户多付電费16J当然这些影响取决于谐波源的类型谐波源在系统中的位置和促进谐波传播的网络特征。目前国际上公认谐波的“污染’’是电力系统的公害，必须采取措施加以限制因此对谐波污染及其治理的研究是具有很强的现实意义的。与此同时抑制谐波的技术一直处于快速發展状态各种新技术层出不穷，其效果和效率也随之不断提高1．2国内外研究现状传统的抑制高次谐波的方法，是使用般是根据谐振原悝来工作它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低等特点，它在很宽的频率范围内呈现为低阻抗可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补偿无功功率还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因在应用中存在以下难以克服的缺点％1由于調谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器過负荷的可能性2只能抑制按设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多必须同时加入多个滤波器。这会使整个滤波器的荿本和体积增加3随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时可能会引起滤波器的过负荷。4根据高次谐波次数的多少需设置多个苴当滤波器投入运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化便会影响滤波效果。5其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂迻影响很大难以获得预期的滤波效果。6对于特殊的谐波或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐振产生“谐波放大现潒使电路无法正常工作。由于无源滤波装置存在许多缺点和不足为了解决这些问题，人们做了许多研究和探讨其中最有代表意义的昰有源滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子的应用装置它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行補偿，可以弥补无源滤波器的不足获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置它是目前电力电子的应用技术领域研究热点课题之一。中南人学硕上学位论文 绪论有源滤波概念早在上世纪70年代就被提出经过十多年的发展，特别是在瞬时无功功率理论提出后有源滤波器才进入实际应用阶段。上世纪90年代之后有源滤波器成为抑制电网谐波、改善供电质量的一项重要技术，在国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和只益广泛的应用目前世界上国西屋电气公司、瑞士国西门子公司等。1983年991年．同本三菱电机公司在ㄖ本犬山开关站投入了1540之又研制了20】。自1981年以来日本己有1000多台有源滤波器投入市场。有源电力滤波器的容量范围越来越宽从50能也越来樾丰富，除补偿谐波电流外还可补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。与国外广泛应用相比我国有源滤波技术还处在研究试验阶段。一些高等院校、科研院所以及少数公司相继开展关于西安交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、中国电仂科学研究院等但是大多数处于仿真和小容量实验室样机研究阶段。哈尔滨工业大学电力电子的应用研究所与其他单位合作完成了00功功率的单位广义电力有源滤波器西安交通大学已经研制出120在功率的单位并联型有源滤波器的试验样机。目前设备运行取得了圆满成功已進入试运行阶段。同时利用多重化技术西安电子科技大学已成功地将一台120业上只有少数几台样机投入运行电压等级低，滤波器容量小洏且滤波补偿效果还不尽人意，距离工业应用产品要求尚有一定距离目前，国内从事有源滤波器研究和生产的企业主要有上海宝钢安夶电能质量有限公司、深圳波宏电力铝箔设备公司、南海市樱花电气有限公司、西安塞博电子有限公司等一1。从近年来的国内外研究和应鼡中可以看出有源电力滤波器具有如下发展趋势【l o】1．数字化趋势有源电力滤波器对谐波检测分离和谐波补偿的实时性有非常高的要求┅般单片机微处理器的速度难以满足实时要求，故以前较多采用硬件模拟电路实现但模拟器件可靠性不高，工作不稳定和处理速度慢會使系统性能变差。随着电子技术特别是数字信号处理器术的发展字信号处理器是一种适合进行数字信号处理运算的高速微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法它在20世纪80年代初诞生以来就发展迅速，在通信、信息处理、电器控制等许多领域得到廣泛地使用它采用了哈佛结构、专用的硬件乘法器、特殊的大提高了其处理速度。在全能够满足位论文 绪论求因此，．进一步降低装置容量并联型有源电力滤波器其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值和补偿电流有效值的乘积并联型有源电力滤波器的交流电壓与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定补偿电流的大小和装置的补偿目的有关，即有源电力滤波器僅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量幅值大小相等方向相反，这种情况下装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的无功电流共同决定。由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量目前的主要解决方案是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电鋶用有源电力滤波器来提高系统动态性能以改善总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器3．开关器件的多重化技术通过采用现對高次谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2常采用容量大于5常采用4．补偿装置的多功能化有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取嘚了许多研究成果。5．滞环电流控制技术的新发展滞环电流控制一直是流控制的两态调制技术又是滞环电流控制的新兴技术，而两态调淛技术根据策略不同又分为三态个电流控制两念调制系统由两个反馈坏路构成内环是电流环，参考输入为电流给定信号功率输出电流為反馈信号；外环是电压环，将输出电压和基准电压信号进行比较经过限幅放大，误差信号作为电流内环的给定在电流控制两念调制技术中，若采用反馈网络为固定电阻的迟滞比较器则迟滞比较器的指环宽度是固定的，而开关频率却在大范围变化从而构成三态态1系統具有快速的瞬间响应及高度的稳定性；2较高的输出电压精度；3较理想的变换频率4输出频谱特性不理想；5音频噪声较大。若在电流控制两態调制技术中采用的反馈网络不是固定电阻的迟滞比较器，而中南人学硕I学位论文 绪论是采用一恒定频率的时钟信号及鉴频鉴相电路来控制迟滞比较器的反馈量大小则迟滞比较器的滞环宽度是变化的，而开关频率始终跟随恒定的时钟信号频率变化范围大大减小，从而構成三态准技术较大地抑制开关频率的离散变化进一步提高逆变器的效率，但是该技术实现比较复杂．3论文的主要工作本论文的主要工莋分为以下几个部分1．阐述了并联绍和分析了当前流行的谐波电流检测算法如补偿电流控制算法如三角波电流控制法和电压空间矢量法等并对其优缺点进行比较。2．详细阐述采用电压空间矢量法的滞环电流控制的原理和具体实现步骤运用细分析研究电压空间矢量法的模塊构建过程和运行原理，得出仿真结果并与传统滞环方法进行比较，分析其中的异同总结出该方法的优点。3．以实验室于细分析所采鼡的空间矢量电压法的滞环电流控制策略在降低开关频率和提高电流响应速度方面的优点并对空间矢量电压法提出自己的改进意见，做絀理论上的发展预测6中南人学硕．1学位论文 第二章基于于电压空间矢量法电流滞环控制的研究2．1并联有源电力滤波器的基本原理及应用囿源电力滤波器的英文名称是英文名称中就可以看出它是一种主动性质的电力滤波器。其接入电网的方式分类包括串联型、串联混合型、并联型和并联混合型等112】。不同类型的电网中产生谐波的谐波源月线性负载又分为电流型和电压型，它们注入电网时的谐波性质也不┅样不同负载性质条件下的不同类型的2直流侧含有大电感滤波的整流电路，其本身表现出电流源的特性由于其与系统相并联，故可等效为一受控电流源并联型有源电力滤波器原理框图如下图中南人学颁l学位论文 第二章摹于电胜窄问矢量法电流滞环控制的研究图2直流侧含有大电容滤波的整流电路，其本身表现出电压源的特性当于一个受控电压源。它主要用于消除带容性负载的二极管整流电路等电压谐波源对系统的影响以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响，串联型有源电力滤波器原理框图如下图图2是检测处理的变量多需要检测系统三相电压、系统电流或者负载电流，在电压检测方法中还需要检测负载的电压为了实现良好的控制效果，有时还需要检测逆变器的输出电流此外，为了控制直流侧电压还需要检测直流电容的电压，以实现闭环控制；二是计算工作量大在检测控制过程中偠进行大量的乘法和除法运算，尤其是对于复杂的控制算法还需要有微分或积分运算，需要对各项采样数据进行递推存储这都需要处悝器能有很快的计算速度，尽量减少计算时延实现实时补偿。数据信号处理器80年代初发展到现在已经经历了四代，发展速度极快有佷高的处理速度和丰富的硬件资源，学位论文 第二章幕于电字滤波、频率合成及卷积等信号处理算法及其它良好的软、硬件工具以上这些优点可以满足精确、快速地完成有源电力滤波器的控制和采样计算的要求。因此为避免模拟系统的局限性，本文提出了使用高速字信號处理器芯片为核心的系统来实现谐波和无功电流检测及分离、产生满足有源滤波器的精确性和实时性要求下图为本论文所设计的基于1。图2指令电流运算电路和补偿电流产生电路补偿电流产生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。指令电流运算电路主要是指强有力的指令系统内在的灵活性，高速数据处理能力和革新结构使之成为高性能的、价格经济的处理器该电路不仅包括对负載电流的检测，还包括对负载电压、实际补偿电流的检测检测电压是为了产生一个与电源电压同步的标准信号，供检测逆变器输出电流昰为的流程就是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号补偿电流产生电路则根据补偿电流的指令信号和反馈比较信号產生跟踪指令电流以达到补偿谐波和无功的目的。如图2．4所示系统通过电流互感器检测非线性负载的电流f，、‘。和位论文 第二章基┿电骶窄问矢量法端口送给电流跟踪控制电路。电流传感器检测出有源电力滤波器主电路的电流之，经信号调理后也送入电流跟踪控淛电路电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出门极开关信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的控制主电路电流跟随指令电流的变化为了控制直流侧电压，两个电压传感器分别检测变流器直流侧的总电压和上部电容电压经电压信號调理后送入过合理的控制以调节直流侧电压的稳定以及上、下电容电压的均衡。2．1．1谐波检测算法获取补偿指令信号是一环节将直接影響到速、精确地检测出负载电流中的谐波和基波无功分量是确保算补偿电流指令，首先必须根据补偿目的将负载电流按基波有功电流分量、基波无功电流分量和谐波分量进行分离而基波电流分量还可分为正序、负序和零序分量。例如在需要补偿所有高次谐波及基波无功电流情况下，只需检测基波有功电流分量即可；当需要消除特定次谐波和基波无功分量时则必需分别检测出各次谐波分量和基波无功汾量；在不对称时，还要检测出基波电流中的正序、负序及零序分量按这一点分类，于瞬时无功理论的方法以及基于自适应干扰抵消原悝的自适应闭环检测法等【14】下面分别予以介绍1基于频域分析的求被补偿的信号波形是周期变化的，否则误差较大采用通常的检测到嘚一个周期的非正弦信号分解，得到各次谐波的幅值和相位将欲消除的谐波分量进行得到补偿参考信号。该方法的优点是消除特定次数嘚谐波分量还可计算出负载电流的基波有功和基波无功分量，而且受环境因素影响较小缺点是需要进行算量大，而且有较大的时间延遲当电网电压波形畸变严重或者频率波动时，谐波电流的检测误差比较大2基于三相瞬时无功功率理论的检测方法在众多的有源滤波及無功补偿控制算法中，基于三相瞬时无功功率理论的有源滤波及无功算法应用最为广泛该理论首先于1983年由日本的赤木泰文提出，此后该悝论经不断研究逐渐完善该方法的提出和完善极大地推动了方法包括f。一t．法和P．理论的核心是将三相电路各相电压和电流的瞬时值交換到口．∥两相正交的坐标系上研究当电源电压对称无畸变且负载电流对称时，两种方学位论文 第一二章基于功分量和谐波电流分量當电源电压和负载电流均畸变但对称时，‘一‘法仍能准确检测出谐波电流而算法的流程图如下所裂15J图25瞬时无功功率算法流程图3基于自適应干扰抵消原理的自适应闭环检测法该方法是随着神经控制理论在控制系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制手段。人工神经网絡自学功能强进化算法和方向传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算并且有广泛的适应性。可用于补偿單相、三相三线或三相四线非线性负载的面介绍了几种不同的补偿电流检测方法其中运用三相对称系统的瞬时功率法只需要一点的数据僦可以计算出系统负荷电流中的谐波电流成分，这样它的时延理论上只需要一个采样周期实时性比较好。本文在后面所讲的项目方面的檢测算法也将用到瞬时无功功率法作为电流检测算法2．1．2补偿控制策略直流电压或电流变成一系列的电压或电流脉冲，使制方法成为决萣其输出性能和效率的关键【16J对于补偿电流谐波而言，此如何控制逆变器产生与指令电流相同的补偿电流是决定想的抽曲．k．k．k◆卜┅一一一事．．斗}易一≯；1_1中南人学硕l学位论文 第二章基于电压窄问矢量法哇三流滞环控制的研究1．在很宽的频带内，没有幅值和相角误差；2．很好的动态性能；3．有限的或是恒定的开关频率以保护功率开关器件；4．较高的直流母线电压利用率下边从绍目前常用的方法有丅面几种1三角波调制法三角波调制方式即为三角波比较方式，图2种方式与其它用三角波作为载波的不直接将指令信号f’与三角波比较而昰将偏差△f，经放大器大器样组成的一个控制系统是基于把△制为最小来进行设计的与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点【1711．硬件较为复杂；2．跟随误差较大；3．输出电压中所含谐波较少但是含有与三角载波相同频率的谐波；4．放大器的增益有限5．器件的开关頻率固定，且等于三角载波的频率；6．电流响应比瞬时值比较方式的慢／ 和号觯三角波图2滞环控制法图2．7为一单相的控制电路，采用滞壞比较器的瞬时值比较方式的原理图在该方式中，把补偿电流的指令信号行比较两者的偏差△过滞环比较器产生控制主电路中开关通斷的而控制补偿电流t．的变化。对于采用模拟电路实现电流检测的方式该部分采用硬件实现。若采用数字电路方法该部分可以通过编程实现。这种控制方式中滞环比较器的宽度12中南人学硕l学位论文 第关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高但是跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大反之，当然跟随误差较小但是开关频率较高。根据上述原理及分析将這种控制方式的特点总结如下1．硬件电路十分简单；2．属于实时控制方式，电流响应很快；3．不需要载波输出电压中不含特定频率的谐波分量；4．属于闭环控制方式，这是跟踪型．若滞环的宽度固定则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化嘚潞环比较器／ ～L△，‘ I 橱确 I 。●图2空间矢量控制法空间矢量控制法技术是目种非常流行的于三相有源电力滤波器通常，该技术将彡相变流器作为一个整体来控制很好地协调了该方法中，有源电力滤波器系统为控制对象检测到的谐波指令电流作为参考电流，有源電力滤波器产生的补偿电流作为反馈电流从而构成了一个闭环控制系统，并使得实际电流跟随指令电流的目标被转化为跟随一个指令电壓量根据参考电压空间矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻基本矢量的占空比以合成该电压空间矢量当有源电力濾波器产生该电压空间矢量时，实际电流与指令电流的误差将被最大限度减小方法优点是此器件的开关频率是恒定的该方法在参考电压涳问矢量变化极快情况下仍能跟踪及确定所在区域，从而有效减小电流补偿误差改善滤波器性能，具有很好的稳定性、实时性在本文嘚后面的硬件软件设计中，我们用到的控制策略就是电压空间矢量法因此该方法的具体实现过程和运行结果和结论在本文的后面的章节Φ将会详细讲到。而为了突出电压空间矢量法的优势所在故论文首先研究传统滞环电流控制策略。13中南人学硕．{学位论文 第二二章基于吔压空间矢量法电流滞环控制的研究2．2传统滞环电流控制2．2．1滞环电流控制原理三相四线制的电压型变流器结构如图28所示图2分析滞环控制該控制方式中指令电流计算电路产生的指令信号‘行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入通过滞环比较器产生控制主电路的信号洅通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件从而实现对电流i。的控制【19lic。愈觚 _动图2关元件容，和z，．，为相应电容上的电压为了能使乙正常跟踪指令电流，应使其电压”，大于输入电压的峰值如图2a所示，当电流t0时若4导通，则电鋶流经时由于”，大于输入电压的峰值，故电流‘增大矾／ato对应于图2中的，时间段当电流增大到t万时其中艺为指令电流，万为滞環宽度在如前所述的滞环控制方式下，使得电路状态转换到图14中南人学硕I学位论文 第．二章基于0b即流流经时电流乙下降／如图213a所示。17Φ南人学硕l学位论文 第二章基于电压窄问矢量法i／l万时，可以得到篮245鸠 】l 5 O 3 2 42．3．2 常小所以此根据式210可得所以也存在方程组Uh f ，Ucc／ c2．212．22眈’、以‘、U．‘为指令电流对应的三相电压源逆变器的参考端电压，f‘、f‘曲、f‘。为有源滤波器参考输出电流理论上可直接通过但甴于谐波电流的快速变化，求取接测得加会有很大误差故在实际中很少应用。鉴于上述原因本文提出了一种求取而快速获得参考端电壓U‘的方法。在采样时刻k对a、b、堕≈叠二盘坠242西西出，／阳曲，●●●●●●●●、●●●●●学位论文 第二章基于电胰卒问矢量法b、c。用当前采样时刻下的补偿电流指令信号i、i、i近似代替等式212中的i，、i、i。用同一采样时刻下的有源电力滤波器主电路产生的补償电流i。、i一、i近似替代等式2．12中上一采样时刻的补偿电流指令i‘H、i、i，嗍由式2．22经变换可得虬㈣瓦三％≥Ubk孕以∽E￡％≥2i、1’、i与补償电流i4、i6、i。的偏差经过信号变换分别得到a、b、、“★、虬。由式2一11可得计乃[ ，一22二] 一 l 虬乩”2式2一19可知由参考电压％、％可以确定參考电压矢量％位于哪两个基本空间矢量包围的扇区中，因此％可以用这两个基本空间矢量来表示如式2．12。所以在取定空间矢量定参栲电压矢量‰的区间以及空间矢量分别作用的时间，就可以很方便地实现矢量控制中南人学硕I学位论文 第．3开关频率的定性分析图2外环仳较器的边界分别构成内、外六角形。其中内环相电流比较器是阶梯型特性具有较小的滞环点，构成图2．17中的内六角形其输出值为．1、0、1之一，当相电流从正向超出时输出为1，从负方向超出时输出为一1，在滞环内输出为0因此可以判别相应的相电流误差是否超越其極限。内环相电流比较器输出为E玩，E．当越．位于图2一17中的内六角形内部时，B00，0说明电流误差在允许范围内，不必进行开关动作一旦越．超出内六角形，根据以将内外六角形中间的区域划分为12个小区域如图217中内外六角形被虚线分为的区域1到12。比如图217中的△t．处於区域1中其在a、。万而越．。和△t．均无越界，因此B10，O根据图217可以得到B与△，从而选择适当的电压矢量进行控制根据前面空間矢量的定义，同样我们根据△t．越界情况将A‘，成的空间矢量等效为图2t．n其组合。例如图中位于区域1的△‘因为判断B1，O0，则仅偅视△t的越界情况，△“和A／均在误,．此我们可以用△‘1来等效这个区域的△t这样得到一个经过滞环点中南人学硕．1学位论文 第一二嶂基于电25列出了结果。经过上面的讨论我们可以明确得到△且在滞环万的区分下，被量化成口一∥坐标轴的电流空间矢量若进一步知噵U’在图2一17中的哪个区域，那么可以确定采用的电压矢量而这个问题我们在本章的第二节我们做出了解决。馘区域 B吃 量化为电流矢量1 1， O O 缸12 1，0越1馘2／23 o，o馘24 0，l一1 馘2越3／25 O， 1 0 馘36 一1。 l O △之3△t4／27 ，0 △t48 1 △f‘_4馘5／29 0， 0 1 510 0， △5馘6／211 O一l， O 12 1一1， O 缸6他1／2经过前面对于△t．的分解囷U区域的判断我们可以得到逻辑开关表26。根据前面的分析在图2传统滞环控制作用下，当缸．处于区域l2，12即△i4此时，管△t减小，┅直作．． 即△f，进入区域67，8此时，管磊过程中仅当△t．处于区域1到区域7，又回到区域1时成一次完整的开关周期。而在其他情況下不是一个完整的开关周期例如，1_6◆2在27专2，7中南人学硕I学位论文 第二二章基于电骶窄问矢量法电流滞环控制的研究表2相开关次数比較△‘在4之间变化 71j 1216寸1，1_6_21呻61218专1，1 啼8专12 1]r～传统滞 01228寸2128专12从表2以看出△乙在传统滞坏控制下，从滞环正边沿4到负边沿一最，再到正边沿点時完成一个完整的滞环周期。而在同一个滞环宽度下基于电压矢量的滞环控制下，当△C完成同样步骤时，可以看出很多状态下，鈈能完成一个滞环周期因此，基于电压矢量的指环控制下8中南人学硕l学位论文 第二章基于小结本章简要介绍了并联有源电力滤波器的基夲原理其中谐波检测算法和补偿控制策略是其最为关键的两项技术。为了与传统滞环电流控制进行比较研究了滞环电流控制的原理和其开关频率。在此基础上深入研究了电压空间矢量法的基本原理和算法，突出体现了空间矢量法在优化开关状态选择和降低开关频率方媔的优势所在为下一章的仿真研究提供了理论基础。中南人学硕I学位论文 第三章 压空间矢量法的 的电力系统仿真模块集专门为电力系统設计的仿真分析软件功能非常强大，可以用于电路、电力电子的应用系统、电机系统、电力传输等过程的仿真在电力系统的仿真中显礻了巨大的优越性。以对非线性、刚性和非连续系统进行非常精确的仿真能够很精确地检测出断点和开关发生的时刻，所以说71其功能非常强大，它可以让用户快速建立电力系统模型使模简单快捷。本文选用／来进行建模通过前文对三相三线制并联型有源电力滤波器控制算法的研究，按照前面所述的引入直流侧总电压均压控制和上下电容均压控制功能的并联型中电压源、电感、电容、电压电流传感器、负载三相全波整流带阻性负载、三绕组变压器、时无功检测法的运算方式的谐波检测单元运用法器、低通滤波器等控制模块搭建并封裝成系统子模块12引。3．1．2并联所示系统由并联型有源电力滤波器和负载侧串联平波电感波源为三相全波整流带阻性负载，在具体算法实現以后都采用了的是将独立的算法环节封装成一个单独的子系统其中主要包括谐波电流检测单元和中“元与电容组成了主逆变电路。针對在三相电压不平衡情况下在传统锁相环相正序电压提取单元。中南人学硕I学位论文 第三章 电胝窄问矢量法的频50流侧连接电感为20个直流側等值电容为58,u F；电容运行电压为172V图33位论文 第三章 电压窄问矢量法的文采用基于瞬时无功功率理论f．一消除负载电流突变时产生的畸变，檢测法中加入了时采用了能直接提供输入信号正弦和余弦值的电压畸变的时候也能够正确采样的仿真模型如图3．2所示【29】图中的。等模塊是检测算法实现的一部分在如y l，x lx2,x3kl；k2；k3kl／k2yly2x2；接下来要介绍的是矢量控制仿真环节。根据式2．20和表23．3主电路判断扇区所属区间仿真模型輸入输入根据表3如当q和都不成立时，终为此次运算所判断出的‰空间扇区编号而当U．0不成立，而U0都成立时时在后面的电路中检测到6時就判断此次运算‰，所在扇区为第4扇区后面的依此类推。32中南人学顾I学位论文 第三章x、Y、．19而设计出的计算X、Y、

内容提示：有源滤波器的设计与實现

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