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三相四线制有源电力滤波器的控制方法研究摘 要：并联型电力有源滤波器是 一种应用广泛的谐波抑制和无功补偿装置。
本文采用基于时域变换的谐波电流检测算法(TTA),并将滑动平均值滤波应用于该算法中。
通过建立仿真模型，对 TTA 和ip-iq 法谐波电流的检测效果及有源滤波器系统的控制进行了仿真分析。
结果表明采用滑动均值滤波的TTA 算法能够快速、准确地检测出谐波和无功电流。
关键词：三相四线;有源电力滤波器;谐波检测;滑动平均值滤波1.引言在低压配电网中广泛采用了三相四线制系统。
由于各种电能变换装置的应用以及中性线的存在，零序电流在中性线上相互叠加，会使得中性点偏移，三相 电流不对称，也会导致中线电流大大超过它的额定值，造成中线故障;另一方面使得变压器过热，导致绝缘破坏，同时还会造成中线对地电势的提升。
有源电力滤波 器(Active Power Filter，APF)因为能够根据不同的目的实现灵活的动态补偿且不容易和电网阻抗发生谐振，在三相四线制系统中已经得到了广泛的应用谐波及无功电流的 检测和补偿电流的控制都是有源滤波器应用中的关键技术，检测算法中使用的低通滤波器又是影响检测精度与速率的关键因素。
传统谐波检测多采取使用普通低通滤 波器(LPF)的ip-iq 法，但是其计算量较大，稳态精度和动态性能不够理想。
本文采用基于时域变换的谐波电流检测算法(Time-domain based Transform Algorithm，TTA)【1】，并将滑动平均值滤波技术应用到该算法中，可以有效地改善谐波检测的动、稳态性能。
补偿电流的控制采用滞环比较法，该 方法原理简单，响应速度快，且不含有特定频率谐波分量。
2.谐波及无功电流检测原理将负载电流通过计算得到期望的基波正序有功电流，再与负载电流相减取反，即可得到谐波和无功电流。
基于这种思想，目前谐波和无功的检测主要有以下几种方法【2】：(1)采用模拟滤波器的谐波检测方法;(2)基于傅立叶变换的谐波检测方法;(3)基于小波分析的谐波检测方法;(4)基于神经网络的谐波检测方法;(5)基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法;(6)基于时域变换的谐波电流检测法。
基于三电平逆变器的三相四线制有源电力滤波器摘要：本文中介绍了一种基于三电平中点箝位逆变器的三相四线制有源电力滤波器。
这种有源电力滤波器和控制器以及消除谐波在所有三个阶段中性线电流。
有的中性点钳位逆变器的三相三线制用于三相四线制系统的，因为分裂的直流电容器提供一个中立的连接。
分裂直流电容电压调节和平衡，提出新的控制使用标志立方滞后控制器。
控制方法识别的谐波基于滞环控制开关表选择开关状态电流快速傅立叶变换。
仿真和实验结果验证了三相四线制有源电力滤波器的可行性。
1导言近年来，线电流谐波问题是电力系统要解决的最重要的问题之一。
谐波电流在正弦线电压的情况下，不利于有功功率[1]。
这同样适用于无功电流。
不受欢迎的电流元件电力系统造成压力，产生不安的基波和谐波的网络阻抗的电压下降。
有源电力滤波器（APF）是一种通过注入与谐波电流相反的补偿电流来消除不需要的电流分量。
配电系统本质上是不平衡的，因为负载通常是非常动态的，随时间变化。
因此，保持完美的平衡波形一定的限度内的配电电压是相当困难的。
此外，如果是不平等的加载阶段，它们产生的不需要的负序和零序电流。
在非线性的电压和电流，谐波电流，有功功率的贡献。
负序会导致过度加热机，变压器饱和，和纹波在整流器[2][3]。
零序电流造成不仅在中性线的权力过大损失，但也降低保护电路[3]。
Z字形变压器的中性电流（零序电流）减少，常常被聘用，并利用它可以通过改善零阻塞变压器[4]。
但是，这个方案有几个缺点。
一个更好的解决方案，以减少中性线电流是利用在四线制APF的。
在本文中，三个层次的中点钳位（人大）电压源逆变器（VSI）“[5]的APF使用。
其优点是众所周知的一代的交流电压和电流极低的谐波失真，共模（CM）的部分，以及较低的开关频率和功率损耗。
APF的基于三电平逆变器的成本，可以减少使用具有较低的电感值的被动元件，根据开关频率平等[6]的条件。
NPC逆变器，广泛应用于三相三线制的申请，有分裂的直流电容器的结构。
并联型三相四线制有源电力滤波器滞环控制电路设计说明毕业设计并联型三相四线制有源电力滤波器滞环电路设计摘要随着电力电子装置及其它非线性负载的广泛应用，电网中的谐波和无功污染日趋严重，对电力系统和用户造成了一系列危害。
并联有源电力滤波器作为一种新型的谐波、无功综合补偿系统，是电能质量控制领域中的研究热点。
近年来，三相四线制电网中的谐波和负载不平衡问题日益突出，为此本文研究了三相四线制系统中谐波和无功功率的统一补偿问题。
本文首先简单介绍了电力系统谐波的基本概念、基本原理及其对整个电力系统的影响，然后介绍国外有源电力滤波器的控制方法的发展趋势和应用情况，不同类型有源电力滤波器的基本原理、结构和控制方法，混合型并联有源电力滤波器的基本原理、结构，最后重点分析并联型三相四线制有源电力滤波器控制方法，绘制并联型三相四线制有源电力滤波器的原理图及其框图，绘制整个控制电路原理图及框图，并利用MATLAB仿真软件对有源电力滤波器进行仿真，得出了预期波形。
关键词：谐波；电力有源滤波器；控制电路；滞环电路SHUNT THREE-PHASE FOUR-WIRE ACTIVE POWER FILTER DESIGN OF HYSTERESIS CIRCUITAbstractThe pollution of harmonics and reactive power in power grid becomesserious and endangers the power system and customers while power electronicdevices and other nonlinear loads are applied widely.The study on shunt activepower filter, which is a novel device compensating harmonics and reactive power simultaneously,is the focus in the field of power quality control.Inrecent years,the issues of harmonics and loadsunbalance in three-phase four-wire power grid are more and more serious.In this paper, a brief account of the power system harmonics of the basic concepts, the basic principles and its impact on the entire power system.And then the paper gives an introduction about active power filter’s controlling method and Application, Different types of active power filter’s the basic princ iples, structure and control method,.Parallel hybrid active power filter’s basic principles, structure is also introducede ,at last ,the paper gives analysis of parallel three-phase four-wire active power filter control methods, draws parallel three-phase four-wire active power filter and its schematic diagram, maps the entire control circuit schematic diagram and blockdiagram,and uses MATLAB to simulate APF , reachs the desired waveform. Key words: Harmonics; Active filter of power; Control circurt目录第1章绪论 (4)1.1 电力系统谐波 (4)1.1 1电力系统谐波概述 (4)1.1 2 谐波的基本概念 (4)1.1 3 谐波的危害 (4)1.2 有源电力滤波器及其控制方法的发展趋势与研究现状 (6)1.2 1 有源电力滤波器的发展历程 (6)1.2 2 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 (6)1.2 3 有源电力滤波器的控制技术发展趋势 (6)1.3 电力有源滤波器简介 (7)1.3 1 传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷 (7)1.3 2 电力有源滤波器的优点 (8)1.4 电力有源滤波器的分类 (9)1.5 电力有源滤波器工作原理简介 (10)1.5 1 常用谐波电流检测方法 (10)1.5 2 常用的补偿电流的控制方法 (11)第2章各种有源电力滤波器的结构、控制方法及原理分析 (12)2.1 并联型有源电力滤波器 (12)2.1 1并联型有源电力滤波器的基本原理 (12)2.1 2 并联型有源电力滤波器的基本结构 (13)2.2 串联型有源电力滤波器 (14)2.2 1 串联型电力有源滤波器的基本原理及结构 (14)2.3 混合型有源电力滤波器 (15)2.4 各种有源电力滤波器的控制方法 (16)第3章瞬时无功功率理论及谐波无功电流检测方法 (18)3.1 瞬时无功功率理论概述 (18)3.2 其他谐波及无功电流检测方法 (21)3.2 1 带通(带阻)滤波器检测法 (21)3.2 2 快速傅里叶变换法（FFT） (21)3.2 3 同步检测法 (21)第4章并联型三相四线制有源电力滤波器的控制方法研究 (23)4.1 三角载波电流控制 (23)4.2 滞环跟踪控制 (24)4.3 三相四线制APF主电路分析 (26)第5章并联型有源电力滤波器仿真分析 (28)5.1 并联型有源电力滤波器的仿真电路 (28)5.2 仿真分析 (29)5.3 仿真总结 (31)第1章绪论1.1 电力系统谐波1.1.1电力系统谐波概述一个理想的电力系统是以单一恒定频率与规定幅值的稳定电压供电的。
有源电力滤波器拓扑结构及控制策略概述摘要按照不同的分类方式，对有源滤波器的拓扑结构进行了系统的分类，并指出其各自的优缺点；同时，对有源滤波器的构成和控制策略进行了分析和介绍。
此外，还对有源滤波器的设计步骤和参数选型给出了相应的阐述。
关键字有源滤波器；拓扑结构；控制策略；设计步骤1 主电路拓扑结构分类：从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。
根据接入电网的方式分类：根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。
串联型有源滤波器：串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图1所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波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应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。
与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。
目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。
1.1.2 并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图2所示。
有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。
并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。
与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。
但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。
1.1.3 串-并联型有源电力滤波器串-并联型有源电力滤波器如图3所示，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。
三相四线并联有源电力滤波器的数字控制1 引言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装置，补偿性能受系统频率变化、阻抗变化的影响小，是一种很有前途的谐波抑制装置[1, 2] 。
并联型有源电力滤波器的原理是向电网注入大小相等、方向相反的负载谐波以达到补偿目的，其相当于一个受控电流源。
对apf控制设计而言，高精度、实时性的谐波检测以及合理的电流控制方法，直接影响着补偿性能。
传统的模拟控制较复杂，特别是谐波检测需要多个乘法器，硬件成本高，且易受温漂影响，存在着精度低、、抗干扰差以及电路复杂等缺陷。
近年来，基于数字信号处理器、微控制器（mcu）和可编程逻辑器件（pld）等实现的数字化控制在实际系统中受到更多的欢迎[3, 4, 5]。
本文应用dsp芯片tms320f240为核心实现了并联型有源滤波器的谐波检测和控制，详细介绍了数字控制的硬/软件设计。
2 系统构成和工作原理应用于三相四线制系统的并联型有源电力滤波器的主电路结构如图1所示。
拓扑为三桥臂电压源变流器（vsi）+电容中点式，开关器件采用igbt。
系统采用滞环电流控制策略，即将dsp发出的电流指令与实际的补偿器电流作滞环比较，产生pwm开关信号以使补偿电流跟踪电流指令，从而达到动态补偿非线性负载谐波的目的。
图1 三相四线并联型apf主电路结构本文采用基于同步参考坐标系（synchronous reference frame, 简称srf）的谐波检测策略，原理如图2所示。
对三相负载电流进行采样后，先剔除其零序电流分量，再利用dq变换将其变换到与a相电网电压同步旋转的参考坐标系中。
在srf中，基波有功电流分量成为直流量，可利用低通滤波器滤出，即为；而其它高次电流分量则为交变量。
将直流侧电压控制的调节量和相加并经反变换后，得到负载电流中的三相基波电流有功分量。
再与三相负载电流相减，即为三相补偿电流指令图2 基于srf的谐波检测原理，其中包含非线性负载电流中的基波无功分量、谐波分量等。
收稿日期:1999208219基金项目:国家自然科学基金资助重点项目(59737140)作者简介:卓 放(19622),男,江苏籍,副教授,主要研究方向为电力电子变流技术。
王兆安(19452),男,山西籍,教授,博导。
研究方向为电力电子变流技术及开关电源。
论文报告三相四线制有源电力滤波器主电路的结构形式与控制卓 放,杨 君,胡军飞,王兆安(西安交通大学,西安710049)摘要:三相四线制系统中如何使用有源电力滤波器来抑制线路中的谐波,这一问题越来越被人们所重视。
本文介绍了在实现三相四线制有源电力滤波器时所采用的两种不同的主电路结构及其控制方法。
实验和仿真结果表明,这两种不同形式的主电路有着各自的特点,均可对三相四线制系统中的谐波、负序及零序电流进行补偿。
关键词:三相四线制;谐波;有源电力滤波器;瞬时无功功率 有源电力滤波器可以对大小及频率变化的谐波、无功进行补偿,能有效弥补无源滤波器的不足,引起了人们极大的兴趣,近年来关于源电力滤波器的研究与应用得到了迅速发展[1]。
三相三线制有源电力滤波器已经成功地在一些工业产品中得到应用。
虽然三相四线制有源电力滤波器的拓扑在80年代就已作过介绍,但在实际系统中的应用仍处于研究阶段[2],仍有许多实际问题需要研究和解决。
在三相四线制系统中如何使用有源电力滤波器,是近年来许多国内外研究者所关心的问题。
由于三相四线制系统中零线的存在,使系统中有源电力滤波器主电路及控制电路的构成与三相三线制系统时有所不同。
对零线电流补偿方法的不同产生出不同的主电路结构形式和控制方式。
就主电路而言有四相变流器和三相变流器两种不同的方式。
对应的控制电路也有其各自的特点。
在本文中主要研究这两种不同的主电路形式及其控制方法。
1 四相变流器结构方式及其控制在三相四线制系统中,有源电力滤波器除了要对三相电流谐波进行补偿外,还要对零线电流进行补偿,以消除电源侧的零线电流,并使三相电流对称。
图1给出了这种电路与负载连接的原理图。
在三相四线制供电系统中,三相电流i a 、i b 、i c 中所包含的零序分量i z 均为:i z =(i a +i b +i c ) 3(1)将i z 从三相电流i a 、i b 、i c 中剔除,即令:i ′a =i a -i z i ′b =i b -i z i ′c =i c -i z(2)图1 四相变流器主电路结构及其与负载之间的连线则i ′a 、i ′b 、i ′c 中只含有正序分量和负序分量,分别为:i ′a =26∞n =1[I 1n sin (Ξt +Υ1n )+I 2n sin (n Ξt +Υ2n )]i ′b =26∞n =1[I 1n sin (Ξt +Υ1n -2Π 3)+I 2n sin (n Ξt +Υ2n +2Π3)]i ′c =26∞n =1[I 1n sin (Ξt +Υ1n +2Π3)+I 2n sin (n Ξt +Υ2n -2Π 3)](3)且有i ′a +i ′b +i ′c =0(4)此时零线电流i N 为:i N =i a +i b +i c =3i z(5)对于i ′a 、i ′b 、i ′c ,利用文献[3]介绍的基于瞬时无功功率的检测方法,得出其中的基波正序分量如下:i ′a 1f =2I 1f sin (Ξt +Υ1f )i ′b 1f =2I 1f sin (Ξt +Υ1f -2Π 3)i ′c 1f =2I 1f sin (Ξt +Υ1f +2Π3)(6)式中i ′a lf 、i ′b lf 、i ′c lf 为i i ′a 、i ′b 、i ′c 中的基波正序分量。
将此基波正序分量与i a 、i b 、i c 相减,即可得出三相电流中包含谐波、基波负序、零序在内的补偿电流的指令i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 。
同时将计算出的零线电流i N 反极性后作为零线补偿电流的指令信号。
指令电流运算电路的原理框图如图2所示。
图2 指令电流运算电路原理图在四相变流器电路中(见图1),四对桥臂分别用于产生a 、b 、c 三相及零线的补偿电流。
第1、2、3对桥臂分别用于产生a 、b 、c 三相的补偿电流i ca 、i cb 、i cc ,其各自对应的指令信号i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 由上述指令运算电路完成。
理想情况下,根据该指令信号产生的补偿电流i ca 、i cb 、i cc ,与负载电流i L a 、i L b 、i L c 中的谐波、基波负序和零序分量之和大小相等、方向相反,相互抵消,使得电网电流i sa 、i sb 、i sc 与负载电流i L a 、i L b 、i L c 的基波正序分量相等,电源电流成为三相对称的正弦波。
第4对桥臂专门用于对零线电流进行补偿。
将指令运算电路中通过零线电流分离方法检测出的系统零线电流,反极性后作为零线补偿电流的指令信号i 3CN ,通过对第4对桥臂进行电流跟踪控制,产生零线补偿电流i CN ,i CN 与i LN 大小相等、方向相反,两者相抵,使得电源侧的零线电流为零。
通过以上分析可以看出,采用四相变流器时的主电路分工明确,各相补偿电流的产生和零线电流的补偿可以看作是由各对桥臂独立完成的。
整个系统可看成是一个四相电流跟踪控制系统。
主电路直流侧电容上的电压控制可仿照三相三线制系统直流侧电压控制的方法进行[4]。
四相变流器用于补偿三相四线制不平衡负载的效果已经通过仿真和实验得到验证,相应的实验结果将在后面给出。
2 三相变流器结构方式及其控制三相四线制有源电力滤波器的主电路也可用三相变流器构成,图3给出了采用三相变流器作为主电路的三相四线制有源电力滤波器的原理示意图。
图中,三相电源的零线与直流侧母线中点相连,给零线电流提供通道。
控制部分由指令电流计算电路和PWM 电流跟踪控制电路两部分组成。
与四相变流器电路相比,三相变流器需要的电力电子器件数目少,但为了使直流侧的电容电压v c1、v c2相互平衡,则需要对这两个电压的差值进行控制,使得控制电路的组成与四相变流器时的相比要复杂一些。
图3 采用三相变流器的主电路结构及其与负载之间的连线2.1 指令电流运算电路指令电流运算电路的目的是求出三相负载电流i L a 、i L b 、i L c 中的谐波、基波负序分量和零序分量等,以此作为电流跟踪控制电路的给定信号,控制有源电力滤波器输出的补偿电流。
采用三相变流器的有源电力滤波器的控制电路见图4。
图中,i L a 、i L b 、i L c 为三相负载电流,i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 为电流指令信号,i ca 、i cb 、i cc为有源电力滤波图4 采用三相变流器时的控制电路框图器产生的补偿电流,L PF 为低通滤波器。
指令电流信号i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 的产生主要由图4中的左下部分完成。
这部分电路运算的工作原理大部分与图2相似,所不同的是在图2中零线电流的指令信号i 3CN 单独给出,在图4的电流指令信号中没有这一项,此处只产生三相补偿电流的指令信号i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 。
与图2类似,三相负载电流i L a 、i L b 、i L c 引入运算电路后,首先使用零线电流分离法将零序分量从这三相电流中分离出去,剔除零序分量后的三相电流i ′a 、i ′b 、i ′c 可以运用三相三线制系统的计算方法求出负载电流中的基波正序分量,用负载电流减去该成分后所得到的指令信号i 3ca 、i 3cb 、i 3cc 中包括了谐波、基波负序和零序分量等成分。
根据该指令信号产生的补偿电流与负载电流合成后,流入电源的电流为三相对称的正弦波电流。
2.2 直流侧电压控制当采用三相变流器构成主电路时,对直流侧电压的控制应满足两方面的要求,一是控制直流侧电压总的幅值,使之为一恒值,其值满足补偿电流跟随性能的需要。
这与三相三线制的有源电力滤波器直流侧电压控制的要求一样,控制方法也一样[4],不再重复。
第二个要求是要平衡两个电容器上各自的电压,即使v c1、v c2基本保持一致,不能出现两个电容电压严重不平衡的现象。
以下对此进行讨论。
在PWM 电流控制器中,如果指令电流中包含有零序分量,则该零序分量将流经C 1,或者流经C 2,然后从交流零线返回。
补偿电流中正序、负序分量不会流入零线,因此在流经直流侧时,将同时影响v c1、v c2,而不会单独影响v c1或v c2。
只有零序分量会单独影响v c1或v c2,处在不同时刻的电流可以从开关或电容两个不同的方向流过,其结果将会引起电容上电压的变化。
为便于讨论,假设系统仅对零线电流进行补偿,则对应的关系可以用图5来表示。
在图5中电容C 1、C 2上的电压升降与当前电流的流向有关,而开关的动作则与电流变化率的正负有关。
以a 相为例,电容C 1、C 2上由电流指令引起的电压变化的情况可以简述如下:图5 电流流向与v c1、v c2电压升降之间的关系i ca >0,d i cad t >0时,s 4通,v c1上升,v c2下降。
i ca >0,d i cad t <0时,s 1通,v c1上升,v c2下降。
i ca <0,d i cad t <0时,s 1通,v c1下降,v c2上升。
i ca <0,d i cad t>0时,s 4通,v c1下降,v c2上升。
在以上关系中,当i ca >0时(即上列关系中的前两行),均可使电容C 1上的电压v c1上升,所不同的是电路中导通的管子不同;当i ca <0时(即上列关系中的后两行),可使v c1下降v c2上升。
利用以上关系,为控制电容C 1、C 2上各自的电压,在形成指令电流时根据这两个电压的差值将指令电流作一修正,即在原有的指令电流基础上通过引入零序分量,以控制电容C 1、C 2上各自的电压。
应用时首先检测两个电容上各自的电压,对它们的差∃v 进行滤波处理(主要避免由于频繁切换而造成的系统不稳定)。
滤波后的信号与按以下方法得到的限幅函数进行量化合成,从而形成新的指令信号。
该指令信号包括了谐波补偿信号和平衡电容C 1、C 2上电压的零线电流信号。
其中量化的大小与电流跟踪的灵敏度有关。
而限幅函数Ε按以下的关系构成。
Ε=-1Ζ∃v <-0.05v refΕ=∃v0.05v refΖ-0.05v ref ≤∃v ≤0.05v ref Ε=1Ζ∃v >0.05v ref(7)式中,v ref 是直流侧电压的参考设定值。
结合图4及图5可以看出,不同的Ε值对电容电压有如下影响:当Ε>0时 升高v c1,降低v c2。
当Ε<0时 升高v c2,降低v c1。
