摘 要

近年来，随着电力电子设备如计算机电源和交流电机调速等在工业和生活上的大量增加以及广泛运用，导致电能质量问题日趋严重。所以并联型有源电力滤波器的研究也变得十分必要。本篇论文主要对并联型有源电力滤波器的相关问题进行了研究与分析，首先本文阐述了有源滤波器的滤波技术，并详细介绍了并联型有源滤波器的工作原理，在此基础上建立了有源电力滤波器的数学模型，为后文的谐波检测和电流控制奠定了基础。

本文分析了几种常见的谐波检测方式，并着重分析了基于无功功率检测的两种检测方法，并最终确定了本文的检测方法。在此基础上，选择了三角波比较控制方法来控制电流的产生和协调，在直流侧电压控制上，本文采用了PI反馈控制外环，保证了直流侧电压的稳定以及滤波性能的良好性。最后，在以上研究的基础下，搭建了并联型有源电力滤波器的仿真模型，并对以上问题进行了对比和分析，根据仿真结果得出相应的实验结论。在此基础上，在仿真平台上进行了半实物仿真实验，用此数据与仿真数据进行对比分析。

关键词： 并联型有源电力滤波器，谐波检测，控制算法，仿真模型搭建，半实物仿真

Abstract

In recent years, with the large-scale increase in the industrial and daily use of power electronic equipment such as computer power supplies and AC motor speed control, and widespread use, power quality problems have become increasingly serious. Therefore, the research of shunt active power filter has become very necessary. In this thesis, the related problems of the shunt active power filter are studied and analyzed. Firstly, the filter technology of the active filter is described and the working principle of the shunt active filter is introduced in detail. The mathematical model of the active power filter was established, which laid the foundation for the following harmonic detection and current control.

In this paper, several common harmonic detection methods are analyzed, and two detection methods based on reactive power detection are emphatically analyzed. Finally, the detection method of this paper is determined. On this basis, the triangular wave comparison control method was selected to control the generation and coordination of current. In the DC side voltage control, PI feedback control outer loop was used in this paper to ensure the stability of the DC side voltage and the filter performance. Finally, based on the above research, a simulation model of shunt active power filter was built. The above problems were compared and analyzed. According to the simulation results, the corresponding experimental conclusions were obtained. On this basis, a semi-physical simulation experiment was conducted on the simulation platform, and the data was compared with the simulation data.

Key words: Shunt active power filter; Harmonic detection; Control algorithm; Building simulation model; Hardware-in-the-loop simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 滤波器的种类 2

1.3 控制方法分类 3

1.4 本文的研究目标和研究方向 5

第2章 有源滤波器数学模型 6

2.1 有源滤波器的基本原理 6

2.1.1 主电路图分析 6

2.1.2 滤波器性能分析 7

2.2 并联型有源滤波器的数学模型 8

2.3 本章小结 13

第3章 控制方法及算法编程 14

3.1实时仿真器的工作原理 14

3.1.1 仿真平台的整体结构 14

3.1.2 仿真器的硬件结构 14

3.2 谐波检测 15

3.2.1 p、q运算方式 15

3.2.2 、运算方式 16

3.3 电流跟踪控制 17

3.3.1瞬时值比较方式 18

3.3.2三角波比较方式 19

3.3.3 直流侧电压控制 19

3.4 并联型有源滤波器主电路参数设计 21

3.4.1 电抗器参数设定 21

3.4.2 直流侧电压值设定 22

3.4.3 直流侧电容设定 23

3.5 嵌入式控制器算法分析 24

3.5.1 主程序流程 24

3.5.2 中断程序流程 25

3.5.3 电网频率计算子程序 26

3.5.4 AD采样子程序设计 27

3.5.5 指令电流计算和PWM波形生成子程序 28

3.6 本章小结 30

第4章 仿真实验 31

4.1 仿真模型搭建 31

4.2 仿真结果分析 32

4.2.1 主电路仿真 32

4.2.2 直流侧电压仿真 34

4.3 半实物仿真结果 35

4.4 本章小结 36

第5章 结论 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景

近年来，随着工业的不断发展，生产力不断地提高，电力电子设备如计算机 电源和交流电机调速等在工业和生活上大量增加以及广泛运用，这些非线性负载导致谐波的大量产生以及电能质量日趋下降。而与此同时，现代化生产过程中先进设备对电能质量的要求也是越来越高，电能质量下降将导致严重的经济亏损甚至可能造成更大的危害。

当电网中产生大量谐波时，会让电网电压以及电流的波形畸变，电能利用率低下，电力电子器件效率不高，严重的可能导致绝缘部分老化，减少设备寿命，甚至出现电气设备过热，引发绝缘短路，烧毁设备^[1]；对于电网而言，可能导致继电保护设备产生误动作，影响和危害整个线路上的设备；也有可能出现电压闪变，使工作环境恶化，对人的健康产生危害；对于对电能质量要求较高的电气设备而言，可能使其失控，不能正常运行。所以解决谐波问题迫在眉睫。

由于电网电流中存在着谐波，这些谐波将是电网中产生有功功率损耗的主要原因，虽然说谐波存在的数量和比例不多，谐波频率却很高。当谐波频率过高时，就会出现电路线的集肤效应，从而使电路电阻增加，导致线路损耗增加而过高^[2]。但当线路使用的是电缆当电路时，除了有电路电阻的增加，电路中的电流和电压可能出现某一点电压过高的情况，导致温度升高，使电缆绝缘外皮老化或者损毁，导致整个线路上出现局部放电的现象^[2]。这种局部放电不仅损害了电网的经济，而且有可能出现人身危险的情况，所以这种现象是必须要解决的问题。

对于架空线路，电晕的产生与电压峰值有关，虽然电压基波不超过规定值，但由于谐波的存在，电压峰值可能超过产生电晕的允许值并引起电晕损失^[2]。

在存在有电机的电路网络中，谐波的出现将会引起电机旋转时出现抖动，而抖动小时只是出现机械不稳定和设备发热的现象，但当抖动过大时，噪声和机械损坏的情况就会出现。这种情况的出现将会导致电机寿命减少甚至损坏现象^[3]。

不仅如此，当电力系统中存在大量继电保护设备时，谐波的出现也将造成极大的危害。由于电力系统存在谐波，谐波本身不时出现尖峰或者过电压以及过电流现象，而继电保护设备所检测的便是电力系统中的过电压或过电流。一旦检测到谐波中的尖峰部分，就将导致继电器的误动作或者是拒绝动作，这样的现象可能导致电力系统小范围的瘫痪，是不允许出现的。不过，不同类型的继电器具有不同的工作原理和设计性能，因此谐波对它们的影响也大不相同，谐波对大多数继电器没有太大的影响，但它们可能会对一些晶体管继电器产生很大的影响^[4]。

谐波对通信系统的干扰已引起世界的高度重视，并充分研究制定了相应的标准。 谐波干扰会造成通信系统的噪声，降低通话的清晰度^[5]。

不过随着柔性交流输电系统的出现，有源滤波器、动态电压恢复器、静止无功补偿器和固态断路器等电力电子设备的加入，供电质量问题得到了较大的改善^[5]。对此而言，谐波消除的措施可以分为以下几点：1）增加换流装置的相数；2）装设动态（静态）无功补偿装置；3）增加滤波装置（又分为有源滤波器和无源滤波器）；4）电流（电压）型变流器^[6]。而本文主要对抑制谐波的滤波装置进行设计以及分析。

1.2 滤波器的种类

在滤波环节中，我们最常用到的滤波器分为三种：1）无源滤波器；2）有源滤波器；3）混合型滤波器。

无源滤波器又称为LC滤波器，是由电容器、电抗器和电阻器适当组成的电路元件，其有无功补偿和调压的功能。对于无源滤波器而言，主要分为两大类，一是协调滤波器，二是高通滤波器；无源滤波器具有成本低、结构简单、初期投资小等优点，但由于其受系统阻抗影响严重，存在着谐波放大和共振的危险，且只能消除特定谐波，补偿效果随着负载的变化而变化等缺点，在电网滤波装置中逐渐被有源滤波器所代替^[7]。

而有源滤波器则是一种用于动态抑制谐波、无功补偿的新型电力电子装置，其优点是能对频率和大小都变化的谐波和变化的无功进行补偿。与无源滤波器不同，它有着更好的补偿特性、控制精度高、治理效果好等特点，且解决了无源滤波器只能消除特定谐波的缺点，能同时消除多次和高次谐波，而且不会发生谐振现象。这些优点使有源滤波器逐渐成为滤波装置的主要研究方向。而有源滤波器的种类多种多样，下面列举了几种常见的分类：

1）有源滤波器按照应用的场地来说，分为直流有源滤波器和交流有源滤波器。直流有源滤波器主要是为了消除高压直流侧的谐波电压，而交流有源电力滤波器则是应用于交流电力系统。本文主要的研究方向是交流。

2）按照储能源的不同又分为电压型和电流型。

3）按照通带性能可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

4）按拓扑结构来分有分为并联型、串联型和串-并联型。其中并联型有源滤波器主要作用是电流源型非线性负载的谐波电流消除和无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等，如图1.1所示；而串联型是以消除电压谐波，调整或平衡负载的端电压为目的的，不过串联型有源滤波器存在损耗较大、电路复杂的缺点；串-并联型则是集两者的优点，作用广泛，但是结构和控制复杂，造价偏高。本文的研究方向则是常用的并联型有源滤波器。

图 1.1 有源滤波器的分类

混合型滤波器则是人们开始进一步尝试有源滤波器与无源滤波器进一步结合的产物，它是在串联型有源滤波器的基础上增加了一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波的功能，并以此进行无功补偿的任务。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。这样设计使有源滤波器部分的电流、电压大幅减少，也降低了有源滤波器的体积和成本。

1.3 控制方法分类

对于并联型有源滤波器，不同的研究者设计和分析出了不同的方法，下面本文将简单分析和了解一下近年来比较普遍和新型的控制方法:

1. 单周控制OCC(One-Cycle Control)，这种控制方式不存在线性结构，其主要目的是控制开关占空比。其工作原理是将每个电压波形通过开关变量的调节达到与参考值相等的情况，从而消除误差。相比较而言，这种控制方法反应速度快、控制精度高且控制的电路简单，而且系统参数的变化并不能影响其工作性能。但由于这种控制它只用一个比较模块进行实际电压参数与期望值电压参数的比较，控制方法过于简便，将会出现谐波消除不彻底的现象^[8]。

2)滞环电流控制HCC(Hysteresis Current Control)，是现在应用最广、发展最为完善的闭环电流控制方法。不过，这种控制方式也是非线性的控制方式，存在一定的控制弊端。主要原理是通过瞬时值的比较，在用比较误差经过一个滞环比较器来控制开关动作。优点有鲁棒性好、动态响应速度快，且适应能力强不存在特定谐波分量。但缺点是受滞环宽度的影响，精度越高则宽度越窄，但相应的损耗也大幅增加^[9]。

3)无差拍控制DBC(Dead-Beat Control)，是一种预前控制。原理是根据前一时刻所检测到的负载电流和补偿电流，来计算下一时刻的指令电流大小以及各种可能的开关状态下补偿电流的预测值，并从中选出目标函数下开关状态最小的补偿电流值作为补偿依据，这种控制的优点是动态响应快，但相比较而言这种预前控制受系统参数的影响大、鲁棒性差、对实时计算的能力和硬件设备的要求较高^[10]。

4)自适应控制，自适应控制系统(Adaptive Control System)可分为模型参考自适应系统和自校正控制系统两种。前者通过参考模型中的输出确定系统对象的输出要求，通过调节可调控制器减少输出参数与模型参数之间的误差；后者的典型结构如图1.2所示，输入输出信号反馈给参数估计器，计算估计出对象参数，在通过设计计算机设定准则和估计参数值向控制器给出所需参数，再通过控制器进行有效控制^[11]。

图 1.2 自校正控制系统典型结构图

5)滑模控制SMC(Sliding Mode Control)，是一种设计与分析相结合的控制方法。原理是利用其控制的不连续性，依靠高频转换方式使系统始终处于滑动面上。其优点是不受外界干扰、鲁棒性强，但由于是让开关连续动作容易导致系统的颤动，而这种颤动可能导致系统内部的高频部分激励，甚至使系统变得不稳定。

当然，对于有源滤波器的控制方法还有很多种，在本文中就不在一一论述了。但这些方法都有着自己的优缺点，就如本文所研究的三角波控制这种方法为例，它就不能直接运用于工程上，而是需要加入一个反馈装置，以确保跟踪精度保证了系统的稳定性。

1.4 本文的研究目标和研究方向

本文依据相关参考文献，了解有关有源电力滤波器的电路结构，分析和掌握了其基本工作原理，搭建了有源滤波器的仿真数学模型。并之后熟悉了各种有源电力滤波器的控制方法，并选择了其中的重复控制方法进行深入了解和研究，并通过有源滤波器数学模型确定其设计参数，阐述APF的谐波监测方案和电流跟踪方案，并根据设计的方案进行对控制算法方案的设计和分析，最后编写出有源滤波器控制器的算法。在仿真阶段，本文分析了解了实时仿真器的工作原理并以此进行半实物半仿真环境下进行对控制算法的验证。最后由仿真验证的电路波形来分析控制器的响应速度、稳态精度等性能和控制方案的优化程度进行归纳总结。

本文主要研究的方向是利用嵌入式控制器，在现有的控制方法的基础上，对有源电力滤波器进行半实物半仿真性质的设计策略。并在以有的三角波控制方法里，进行改进滤波控制方法，提高滤波能力；并在研究成果的基础上进行创新改进，优化系统的设计理念，搭建并联型有源滤波器的数学模型，并在仿真平台上仿真出实验结果，用仿真出来的实验结果对本文设计的控制方案加以分析和改进，做出相关实验的结果总结，并对这种控制方法的设计做出自我评价和自我反思。这就是本文的主要方向和大致内容。

第2章 有源滤波器数学模型

本章的主要内容是先介绍了并联型电力有源滤波器的相关工作原理以及工作方式，并画出有源滤波器的主电路结构图，并对电路图和滤波器的性能进行了简述的分析，最后，建立了并联型有源电力滤波器的数学模型。

2.1 有源滤波器的基本原理

2.1.1 主电路图分析

首先本文画出了三相并联型有源电力滤波器的主电路结构原理图以及有源滤波的流程结构图，其中主电路图如图2.1所示，流程原理图如2.2所示。其中电源为三相交流电源，对应的负载是带阻性负载的非线性负载，同时也就是其负载产生出谐波即谐波源。而有源电力滤波器主系统的主要功能是检测非线性负载的谐波分量和无功电流，其次是产生指令信号模块是有源电力滤波器通过变流器产生补偿电流，是受非线性负载影响下的电网电流补偿成近似正弦波的存在。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路^[12]。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流^[12]。

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