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1、华中科技大学 硕士学位论文 有源电力滤波器谐波电流闭环控制策略研究 姓名：俞秀峰 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：戴珂 20090531 I 摘摘 要要 大量非线性负载的存在，使电网出现严重的谐波问题，从而使电能质量受到严重 的影响。传统的 LC 无源滤波器，由于其技术上的局限性，无法满足高滤波性能的要 求。而有源滤波器技术的出现，使电能质量问题的解决成为可能。 本文的重点是有源电力滤波器基于电网电流检测的闭环控制策略研究。文中提出 了两种闭环控制的策略和思想。第一种是基于开环控制基础上改进的闭环控制策略， 第二种是基于预测电流控制的闭环控制策略。文中对这两种方案进行了
2、仿真和分析， 另外还对第一种方案进行了实验的验证，得出相关的结论。 第一种方案通过对开环的控制方式改进而得到，文中用 matlab 搭建仿真电路图， 进行了仿真和分析，仿真结果表明，该方案是可行的。仿真中，分别用 PI 控制和 PI 加重复控制的方法进行了分析，从仿真的结果可以看出，单纯的 PI 控制尽管可以达 到谐波电流补偿的目的，但是其效果并不理想（THD 由原来的 28.5降到 14.4） ， 当同时采用 PI 控制和重复控制时， 电流波形的补偿效果明显提升 （THD 由原来的 28.5 降到 3） ，可见采用 PI 加重复的控制方法具有很好的效果。在此基础上进行实验 的研究和分析。从实
3、验的结果可以知道，实验结果基本和仿真结果一致。而且加重复 控制的效果明显比单纯的 PI 控制的效果要好的多。当然，理论和实践总是不可避免 的存在一定的差距，仿真中单纯加 PI 的补偿波形 THD 为 14左右，而 PI 加重复控 制的效果在仿真更是达到了 THD1.3，相比之下，实验中的结果要逊色的多，单纯 的 PI 控制，使得电网电流 THD 降到 19，而采用 PI 加重复控制后，使其 THD 为 10。然而，尽管实验结果的效果不佳，但这并不影响证明文中提出的基于网侧谐波 电流检测的闭环控制策略的正确性。 第二种方案采用了基于预测电流控制的 APF 闭环控制方法， 这种控制方案不需要 检测
4、有源滤波器的输出电流，也就是说，在这个控制系统中，我们所要检测的量只有 3 种：电网电压信号；三相电网侧的电流信号；有源滤波器的直流侧电压。可见这种 方案在实现控制上较第一种要更直接和简洁一些。仿真中作了多种控制方案的尝试， 包括直接逻辑电路控制，加单独的 PI 控制，以及最后的 PI 加重复控制，在控制效果 上都有不同程度的提升，由此可见，PI 和重复控制在闭环控制中拥有相当大作用。最 后补偿的 THD 为 4%左右。 关键字：有源电力滤波器；闭环控制；PI 控制；重复控制；电网电流检测 II Abstract The existence of a large number of non-l
5、inear load, made the problem of harmonic much more serious, so that power quality was seriously affected. Traditional LC passive filters, because of their technical limitations, unable to meet the requirements of high performance filter. While the appearance of active filter technology, made it poss
6、ible to solution the problem of power quality. The focus of this article is about closed-loop control strategy of APF based on power grids current detection. In this paper, two types of closed-loop control strategies and ideas have been proposed. The first closed-loop control strategy is from the im
7、proving of open-loop control. While, the second one is proposed based on the predictive current control. There is simulation and analysis about the two strategies, and Besides, the experiments of the first strategy is carried out to draw relevant conclusions. Simulation and analysis of the first clo
8、sed-loop control strategy, show that this program is feasible. In the simulation, both PI control and repetitive control are used. And from the results of simulation, it is known that the effect of PI control while using PI control Closed-loop control; PI control; Repetitive control; Source current
9、detection 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 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。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入
10、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。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源、目的、意义 理想的电力系统供电，应当是以纯粹的特定频率和幅值的电压向用户提供电能 （我们国家规定工频为 50HZ，市电电压 220V，三相电压 380V） 。由此可见，供电电 能的频率和电压将直接决定电能的质量。然而实际的电力系统，特别是由于负载的非 线性等一系列原因，将导致电能质量的严重下降，由此引发供电系统的各种
11、问题和危 害。 具体的说，引起谐波污染和电流畸变的原因及其危害如图 1.1 所示2-9： 整流器工业用电弧炉电气化轨道变压器磁饱和其他设备 产生谐波 引发谐波问题 谐波会使供电 电网中的电器 元件产生一些 额外的能量损 耗 谐波的存在会 使很多电器设 备无法正常的 工作 谐波会引发继 电器保护电路 以及某些自动 装置的误动作 谐波也可能影 响某些通信系 统的正常工作 会使通信产生 干扰 谐波可能会引 发公共电网中 的并联和串联 谐振 图 1.1 谐波的产生及其危害 在今天， 人们对谐波问题已经有了相当的认识， 也在想方设法解决这方面的问题。 对于谐波问题的解决主要有两中思想。其一就是主动型，所
12、谓主动型，就是从电力电 子装置本身的条件出发，通过改进电力电子装本身的设计，工艺，运行原理等各种因 素来降低电力电子设备和装置自身的谐波产生量。其二就是被动型，所谓被动型就是 2 不改变原有的电力电子的装置和设备，通过一些外加的设备来抵消电力电子装备产生 的谐波量，这种方法，尽管电气设备本身的谐波量并没有改变，但是流入电网的谐波 得到了很好的控制， 因此理论上一样可以很好的解决谐波问题。 从以上两种方法上将， 应该说主动型的方案可以彻底的解决谐波问题，但是由于很多电力电子装备已经在电 网中安装运行，要进行改换，需要相当的经济条件，并且由于各种技术工艺条件等因 素的限制，要使各类电力电子装置本身
13、不产生谐波实属不易，而且也的确受到了很大 的限制。第二种方案，被动型，由于其本身不需要对电力电子装备的进行改变，只要 适当外加一些设备或是滤波电路即可实现对谐波的抑制，由此可见，在实际的使用中 具有更加广泛的应用余地。 对于第二种方案被动型，目前大量使用的主要为有特定的电容，电感和电阻组成 的 LC 滤波回路， 我们称之为 LC 无源滤波器。 LC 无源滤波器的优点是， 其结构简单， 设计方便，成本较低，运行可靠，并且易于维护，这些原因使得 LC 无源滤波器在实 际中得到了广泛的应用。然而 LC 无源滤波器的缺点和不足也是显而易见的，主要表 现为以下几个方面5： （1）LC 无源滤波器只能根据
14、设计要求，滤除特定谐波频率的谐波，这对于复杂 的电网系统来说， 其应用的局限性是不言而喻的。 当各种高次谐波的分量同时存在时， 需要附加多个滤波回路来滤除谐波，由此大大增加了滤波装置的体积和容量，从而使 得附加损耗大大增加，但由于成本等实际问题，我们不可能无限的增加 LC 滤波回路 来滤除各次谐波，因此其滤波效果很有局限性。 （2）LC 无源滤波器较大的依赖于 LC 等本身的参数，因此对于 LC 回路中元件 的参数影响很敏感，而随着电力电子装备的运行，器件会老化，当其各元件的实际参 数发生变化时，其滤波的效果也会受到明显的影响。所以在实际中，LC 无源滤波器 的效果不可能很理想。 （3）对于一
15、些不定的负载系统，LC 无源滤波器很难随着负载的变化而保持较好 的补偿效果。此时，不但使得补偿效果下降，甚至于有时还会导致某些串并联谐振， 使其无法正常的工作，直至无源滤波器的损坏。 （4）由于某些特定补偿的需要，流过 LC 无源滤波器的电流可能很大，这会直接 导致无源滤波器器件的过流损坏。 鉴于上文中提出的LC无源滤波器在实际应用中的各种不足和缺点， 有源电力滤波 技术应运而生， 即有源电力滤波器 （APF） 。 APF的原理是检测需要补偿的电流的谐波， 3 由APF输出与被检测的谐波电流幅值相等但方向相反的补偿电流，因此电网电流依然 是只含与电压相位相同的基波量。根据APF的原理可以看出，
16、APF是一种对谐波进行 动态抑制的滤波装置，其可以很好的跟踪需补偿的谐波成分，不需要对特定的谐波次 数进行设计补偿，具有应用的普遍性。与LC无源滤波器相比，APF具有以下一些明显 的优点： （1）动态实时补偿。 （2）除了可以滤波各次谐波以外，还可以补偿无功电流，从而实现全补偿，当 然，APF 也可以对某些特定频率的谐波进行重点补偿，其机动性较佳。 （3）APF中的电感、电容元件容量相比于LC无源滤波器的电感电容要小的多。 并且在补偿时，APF中的补偿电流不会发生过流，当谐波电流过大时，其将在APF允 许的容量内继续正常的工作。 （4）APF能根据谐波频率的改变，而改变自身输出，不用根据特定的负载设计， 而且APF不易与电网阻抗发生串并联谐振。 基于上文中提出的 APF 的众多优点，很明显 APF 在谐波治理中的发展前景不言 而喻。而事实上，目前在某些领域，APF 已经得到了很好的应用。 1.2 现状和发展趋势 国外的有源电力滤波器，起步于 80 年代。与国外的相比，我国在 APF 方面的研
