有源电力滤波器课件.ppt

1、2022-8-17第六章有源电力滤波器第六章有源电力滤波器第六章有源电力滤波器第六章有源电力滤波器contentcontent6.1 APF的基本原理的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法的谐波电流检测方法6.4 并联型并联型APF6.5 串联型串联型APF 小结小结第六章有源电力滤波器contentcontent6.1 APF的基本原理的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法的谐波电流检测方法6.4 并联型并联型APF6.5 串联型串联型APF 小结小结第六章有源电力滤波

2、器6.1 APF的基本原理的基本原理1APF的特点：的特点：有源电力滤波器有源电力滤波器(ActivePowerFilter:APF)为一种能够动态消谐波并且可以补为一种能够动态消谐波并且可以补偿无功的电力电子设备，其完全可以消除频率与幅值都变化的谐波和无功，同时偿无功的电力电子设备，其完全可以消除频率与幅值都变化的谐波和无功，同时能够弥补能够弥补PPF的不足，而且能够得到比的不足，而且能够得到比PPF更好的补偿效果。更好的补偿效果。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体如下：如下：(1)实现了动态补

3、偿实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；调节；(3)补偿无功功率时补偿无功功率时不需贮能元件不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；(4)即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；

4、挥补偿作用；(5)受电网阻抗的影响不大受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；，不容易和电网阻抗发生谐振；(6)能跟踪电网频率的变化，故能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响补偿性能不受电网频率变化的影响；(7)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿；第六章有源电力滤波器2APF的基本原理的基本原理 如图如图6.1所示，所示，APF系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流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发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部

5、分构成由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。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。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。主电路目前均采用号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。变流器。图图6.1 6.1 并联型并联型APFAPF系统构成系统构成第六章有源电力滤波器 若要求若要求APF在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指在补偿谐波的同时

6、，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中拉架与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。令信号中拉架与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。根据同样的原理，根据同样的原理，APF还可对不对称三相电路的负序电流等进行补偿。还可对不对称三相电路的负序电流等进行补偿。如图所示，如图所示，APF检测出补偿对象负载电流检测出补偿对象负载电流 的谐波分量的谐波分量 ，将其反极性后，将其反极性后作为补偿电流的指令信号作为补偿电流的指令信号 ，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，由补偿电流发生电路产生的补偿电流 ，即与负，即与负载电流中的谐波分量载电流中的谐波分量 大小相等、方向相反，因而两者互相抵消

7、，使得电源电大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流流 中只含基波，不含谐波。中只含基波，不含谐波。第六章有源电力滤波器contentcontent6.1 APF的基本原理的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法的谐波电流检测方法6.4 并联型并联型APF6.5 串联型串联型APF 小结小结第六章有源电力滤波器6.2 有源电力滤波器的系统构成和主电路形式有源电力滤波器的系统构成和主电路形式图图6.2 6.2 有源电力滤波器的系统构成分类有源电力滤波器的系统构成分类第六章有源电力滤波器6.2.1.单独使用的有源电力滤波器的系统

8、构成单独使用的有源电力滤波器的系统构成1.单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源电力滤波器图图6.3 6.3 单独使用的并联型单独使用的并联型 有源电力滤波器有源电力滤波器 如图所示，变流器与其相连的电感、直流侧贮能如图所示，变流器与其相连的电感、直流侧贮能元件共同组成有源电力滤波器的主电路。元件共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器（或者二阶），用于滤除（或者二阶），用于滤除APF所生的补偿电流中开关所生的补偿电流中开关频率附近的谐频率附近的谐 波。波。其补偿电流基本上由其补偿电流基本上由APF提供，这

9、是有源电力滤提供，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。这种补偿方式可用于：这种补偿方式可用于：(1)只补偿谐波；只补偿谐波；(2)只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节；只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节；(3)补偿三相不对称电流；补偿三相不对称电流；(4)补偿供电点电压波动；补偿供电点电压波动；(5)以上任意项的组合；以上任意项的组合；但是，由于交流电源的基波电压直接（或经变压器）施加到变流器上，且补偿电流基本上由变流器提但是，由于交流电源的基波电压直接（或经变压器）施加到变流器上，且补偿电流基本上由变流器

10、提供，故要求变流器具有较大的容量。这是它的主要缺点。供，故要求变流器具有较大的容量。这是它的主要缺点。第六章有源电力滤波器2.单独使用的串联型有源电力滤波器单独使用的串联型有源电力滤波器6.4 6.4 单独使用的串联型单独使用的串联型 有源电力滤波器有源电力滤波器 如图所示，如图所示，APF作为电压源串联在电源和谐波作为电压源串联在电源和谐波源之间。源之间。在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐于补偿可以看作电流源的谐 波源，典型的如直流侧波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向为阻感负载的整流电路。此时

11、，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。源电流成为正弦波。串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。典型的如电容滤波型整流电路。串压源的谐波源。典型的如电容滤波型整流电路。串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压成为正弦波。生的谐波电压，使供电点电压成为正弦波。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，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耦

12、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。与题，所以只在交流系统中采用。与第六章有源电力滤波器6.2.2 有源电力滤波器的主电路形式有源电力滤波器的主电路形式 1.单个单个PWM变流器的主电路形式变流器的主电路形式 采用单个采用单个PWM变流器的有源电力滤波器变流器的有源电力滤波器的主电路，根据其直流侧贮能元件的不同，的主电路，根据其直流侧贮能元件的不同，可分为电压型和电流流型两种。可分为电压型和电流流型两种。图图6.5 6.5 三相电压型三相电压型PWMPWM变流器变流器图图6.6 6.6 三相电压型三相电压型PWMPWM变流器变流器图图6.7 6.7 用于三相四

13、线制的用于三相四线制的 电压型电压型PWMPWM变流器变流器第六章有源电力滤波器 电压型与电流型两种主电路的基本特点：电压型与电流型两种主电路的基本特点：(1)电压型电压型PWM变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型保持不变，可看作电压源；电流型PWM变流器的直流侧接有大电感，在正常工变流器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源；作时，其电流基本保持不变，可看作电流源；(2)对于电压型对于电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压变流器，为保持直流侧电压不变，

14、需要对直流侧电压进行控制；对于电流型进行控制；对于电流型PWM变流器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电变流器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制；流进行控制；(3)电压型电压型PWM变流器的交流侧输出电压为变流器的交流侧输出电压为PWM波，电流型波，电流型PWM变流器的变流器的交流侧输出电流为交流侧输出电流为PWM波。波。与电压型变流器相比，电流型变流器不会由于主电路开关器件的直通而发与电压型变流器相比，电流型变流器不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是其直流侧大电感上始终有电流流过，会在大电感的内阻上产生短路故障。但是其直流侧大电感上始终有电流流过，会在大电感的内阻

15、上产生较大的损耗，因此目前较少使用。生较大的损耗，因此目前较少使用。直流侧混合型贮能方式，即直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件直流侧混合型贮能方式，即直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件，并且一个单相桥对其进行控制，贮能作用主要由电容承担，但却实现了电流，并且一个单相桥对其进行控制，贮能作用主要由电容承担，但却实现了电流型型PWM变流器功能。克服了采用电感作为贮能元件的缺点。变流器功能。克服了采用电感作为贮能元件的缺点。第六章有源电力滤波器2.多重化的主电路形式多重化的主电路形式有源电力滤波器中采用的主要的多重化主电路形式有三种：有源电力滤波器中采用的主要的多重化主电路形式有三种：(

16、1)串联电抗器多重化方式串联电抗器多重化方式 直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，这是最容易实直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，这是最容易实现的一种接线方式现的一种接线方式(2)采用平衡电抗器的多重化方式采用平衡电抗器的多重化方式 在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波之间的环流。当开在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波之间的环流。当开关频率低时，会有较大的环流，因而适用于开关频率低的情况。关频率低时，会有较大的环流，因而适用于开关频率低的情况。第六章有源电力滤波器(3)使用变压器的串联多重化方式使用变压器的串联多重化方式

17、 通过变压器二次侧绕组将通过变压器二次侧绕组将APF的输出串联起来。变压器必须采用二次侧的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。为多绕组的特殊形式。由于由于APF输出的输出的PMW波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。损耗。图图6.10 6.10 采用变压器的多重化方式采用变压器的多重化方式第六章有源电力滤波器contentcontent6.1 APF的基本原理的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法的谐波电流检测方法6.4 并联型并联型APF6.5 串联型串联型

18、APF 小结小结第六章有源电力滤波器6.3 有源电力滤波器的谐波电流检测方有源电力滤波器的谐波电流检测方法法1.基于傅利叶分析的检测方法基于傅利叶分析的检测方法 由于基本的傅利叶分析需要进行积分，在需要快速运算的由于基本的傅利叶分析需要进行积分，在需要快速运算的APF谐波检测谐波检测中难以实现。目前，在中难以实现。目前，在APF中应用较多的是采用离散傅利叶变换中应用较多的是采用离散傅利叶变换(DFT)的方法的方法。设设 是一个长度为是一个长度为N的有限长序列，则定义的有限长序列，则定义 的的N点离散傅利叶点离散傅利叶变换为：变换为：其中：其中：的傅利叶逆变换为：的傅利叶逆变换为：第六章有源电力

19、滤波器DFT与与FFT的比较：的比较：由式由式(6-2)可知，可知，DFT是对每一个是对每一个k值进行运算，计算每一个指定的谐值进行运算，计算每一个指定的谐波分量。波分量。FFT利用因子利用因子 的对称性和周期性，将的对称性和周期性，将DFT的对称项和同类项合的对称项和同类项合并，达到简化运算的目的。并，达到简化运算的目的。因此因此FFT运算必须将展开的各项全部算完，才能达到简化运算的目的运算必须将展开的各项全部算完，才能达到简化运算的目的。另一方面，为了达到对称项和同类项合并的目的，必须用大量的指令来。另一方面，为了达到对称项和同类项合并的目的，必须用大量的指令来组织，花费较多时间。组织，花

20、费较多时间。在在APF中，往往要求对特定的谐波进行补偿。典型的是补偿全部谐波中，往往要求对特定的谐波进行补偿。典型的是补偿全部谐波，或补偿少数低频率的谐波。，或补偿少数低频率的谐波。当需要补偿全部谐波时，实际计算时只需要计算出基波，然后从被当需要补偿全部谐波时，实际计算时只需要计算出基波，然后从被检测电流中减去该基波分量即得到全部的谐波分量。检测电流中减去该基波分量即得到全部的谐波分量。当需要补偿少数几次低频率谐波时，只需分别计算出所需要的几次当需要补偿少数几次低频率谐波时，只需分别计算出所需要的几次谐波即可。因此，在谐波即可。因此，在APF中，中，DFT比比FFT更具有优势。更具有优势。第六

21、章有源电力滤波器 式式(6-2)可表示为：可表示为：式式(6-4)中中k为频率系数，如为频率系数，如k=0对应直流分量变换项，对应直流分量变换项，k=3对应三次对应三次谐波变换项。由此，可以根据对特定次谐波进行补偿的要求，只作相应次谐波变换项。由此，可以根据对特定次谐波进行补偿的要求，只作相应次数的傅利叶变换。数的傅利叶变换。此外，根据正余弦项初始相位的不同，还可得到基波无功和基波有功此外，根据正余弦项初始相位的不同，还可得到基波无功和基波有功分量。如，当采样与输入正弦信号同步时，则基波余弦的傅利叶反变换项分量。如，当采样与输入正弦信号同步时，则基波余弦的傅利叶反变换项就对应于无功补偿电流。若

22、要补偿谐波和无功，可用负载电流信号减去基就对应于无功补偿电流。若要补偿谐波和无功，可用负载电流信号减去基波有功分量得到补偿电流指令。波有功分量得到补偿电流指令。第六章有源电力滤波器2.2.采用人工神经网络的检测方法（采用人工神经网络的检测方法（ANNANN）图图6.10 6.10 神经元自适应谐波检测电路神经元自适应谐波检测电路 图中，作为原始输入的图中，作为原始输入的 是非线性负载电流，可以分解成与电源电压同是非线性负载电流，可以分解成与电源电压同频同相的有功电流频同相的有功电流 和与和与 相位正交的无功电流和谐波电流组成的谐波电流相位正交的无功电流和谐波电流组成的谐波电流 两部分。两部分。

23、是与是与 同频同相的参考输入。同频同相的参考输入。为神经元的输出；通过神经元权为神经元的输出；通过神经元权值值 的自适应调整，最终逼近的自适应调整，最终逼近 ，从而使检测电路输出，从而使检测电路输出 逼近逼近 得到得到APF要补偿的谐波电流。要补偿的谐波电流。同时用作调节同时用作调节 的误差信号的误差信号e。当神经元的激活函数。当神经元的激活函数 选为线性函数时，其输出为：选为线性函数时，其输出为：第六章有源电力滤波器检测电路的输出为：检测电路的输出为：式中，式中，神经元的阈值；神经元的阈值；神经元的输入，它由参考输入和其当前时刻以前的值组成神经元的输入，它由参考输入和其当前时刻以前的值组成；

24、迭代次数。迭代次数。和和 的调节采用的调节采用Delta算法来进行。调节公式为：算法来进行。调节公式为：式中，式中，学习率学习率第六章有源电力滤波器将上两式两端同除以输入信号的采样周期T，可得：若T取得足够小，可将离散变量看成连续变量，则可分别变换为：积分得：第六章有源电力滤波器图图6.11 6.11 神经元自适应谐波电流检测模拟电路原理图神经元自适应谐波电流检测模拟电路原理图于是于是G的取值如下：的取值如下：结合式结合式(6-5)、式、式(6-6)以及式以及式(6-13)、式、式(6-14)，当神经元的输入只有，当神经元的输入只有一个，即参考输入一个，即参考输入 ，而没有，而没有 的一系列时

25、延时，可以得到一种基本的一系列时延时，可以得到一种基本神经元的自适应谐波电流检测方法的模拟电路，如图所示。神经元的自适应谐波电流检测方法的模拟电路，如图所示。该方法中，学习率该方法中，学习率 的取值为：的取值为：第六章有源电力滤波器 理论上，理论上，T0，G。实际上，图。实际上，图6.11中，中，G是通过一个比例放大器是通过一个比例放大器来实现的，不可能取得太大。由式来实现的，不可能取得太大。由式(6-11)和式和式(6-12)可知，可知，G太大会因调太大会因调整步距过大而造成系统不稳定；整步距过大而造成系统不稳定；G太小又会因权值和阈值得不到有效调整太小又会因权值和阈值得不到有效调整而影响系

26、统收敛速度。所以，在保证系统稳定的前提下，而影响系统收敛速度。所以，在保证系统稳定的前提下，G应尽可能取大应尽可能取大一些。一些。第六章有源电力滤波器contentcontent6.1 APF的基本原理的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法的谐波电流检测方法6.4 并联型并联型APF6.5 串联型串联型APF 小结小结第六章有源电力滤波器6.4 并联有源电力滤波器并联有源电力滤波器图6.12 单独使用的并联型APF系统第六章有源电力滤波器6.4.1 指令电流运算电路指令电流运算电路 指令电流运算电路的作用是根据指令电流运算电路的作用

27、是根据APF的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由期望由APF产生的补偿电流信号。产生的补偿电流信号。具体而言，补偿目的大体上可分为以下几种：具体而言，补偿目的大体上可分为以下几种：(1)只补偿谐波；只补偿谐波；(2)只补偿无功功率；只补偿无功功率；(3)同时补偿谐波和无功功率；同时补偿谐波和无功功率；以作为负载的三相桥式全控整流器的触发延迟角以作为负载的三相桥式全控整流器的触发延迟角 。则此时负载电流波形。则此时负载电流波形如图所示：如图所示：图图6.13 6.13 补偿对象电压和电流波形补偿对象电压和电流波形第六章有源电力滤波器1.APF只补偿谐波只

28、补偿谐波 利用瞬时无功功率理论，检测负载电流利用瞬时无功功率理论，检测负载电流 中的谐波分量中的谐波分量 ，补偿电流的指，补偿电流的指令信号令信号 应与应与 极性相反，如图极性相反，如图6-14a所示。若所示。若APF产生补偿电流产生补偿电流 与与 完完全一致，则补偿后的电源电流全一致，则补偿后的电源电流 与负载电流的基波分量与负载电流的基波分量 完全相同。完全相同。图图6.14 6.14 有源电力滤波器只补偿谐波时的情况有源电力滤波器只补偿谐波时的情况a)a)补偿电流的指令信号补偿电流的指令信号 b)b)补偿后的电源电流补偿后的电源电流第六章有源电力滤波器2.APF同时补偿谐波和无功功率同时

29、补偿谐波和无功功率 当当APF的补偿目的是同时补偿谐波和无功功率，补偿电流的指令信号的补偿目的是同时补偿谐波和无功功率，补偿电流的指令信号 应与负载电流的谐波及基波无功分量之和的大小相等、极性相反，应与负载电流的谐波及基波无功分量之和的大小相等、极性相反，波形和波形和理想的补偿结果如下图所示。此时补偿后的电源电流与负载电流的基波有功理想的补偿结果如下图所示。此时补偿后的电源电流与负载电流的基波有功分量分量 完全相同。完全相同。图图6.15 6.15 有源电力滤波器同时补偿谐波和功率时的情况有源电力滤波器同时补偿谐波和功率时的情况 a)a)补偿电流的指令信号补偿电流的指令信号 b)b)补偿后的电

30、源电流补偿后的电源电流第六章有源电力滤波器3.APF只补偿无功功率只补偿无功功率 当当APF只补偿无功时，补偿电流的指令信号只补偿无功时，补偿电流的指令信号 应与负载电流的瞬时无功分应与负载电流的瞬时无功分量大小相等、极性相反，波形与理想的补偿结果如图所示，应当注意的是，补量大小相等、极性相反，波形与理想的补偿结果如图所示，应当注意的是，补偿后的电流中仍包含一定的谐波成分。偿后的电流中仍包含一定的谐波成分。图图6.17 6.17 有源电力滤波器只补偿无功功率的情况有源电力滤波器只补偿无功功率的情况a)a)补偿电流的指令信号补偿电流的指令信号 b)b)补偿后的电源电流补偿后的电源电流第六章有源电

31、力滤波器 在以瞬时无功功率理论为基础的检测方法中，补偿电流的指令信号在以瞬时无功功率理论为基础的检测方法中，补偿电流的指令信号 与与三相系统的瞬时有功电流三相系统的瞬时有功电流 、瞬时无功电流、瞬时无功电流 存在着清晰的对应关系。在存在着清晰的对应关系。在以上三种情况下，以上三种情况下，与与 、的对应关系如表的对应关系如表6-1所示。表中括号表示若采所示。表中括号表示若采用用p、q运算方式时运算方式时 与与p、q的对应关系。的对应关系。表表6.1 根据日本电气学会对有源电力滤波器在日本应用情况的调查，在工业应根据日本电气学会对有源电力滤波器在日本应用情况的调查，在工业应用中，用中，APF主要用

32、于补偿谐波，只补偿谐波的情况占主要用于补偿谐波，只补偿谐波的情况占71.7%；在补偿谐波的；在补偿谐波的同时，还补偿无功功率的占同时，还补偿无功功率的占20.7%，还补偿供电点电压波动的占，还补偿供电点电压波动的占5.4%；同时；同时补偿谐波、无功功率和负序电流的占补偿谐波、无功功率和负序电流的占1.1%；同时补偿谐波、无功功率及不平；同时补偿谐波、无功功率及不平衡电流的占衡电流的占1.1%第六章有源电力滤波器6.4.2 电流跟踪控制电路电流跟踪控制电路 电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路中的第电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路中的第1个环节，其作用是根据补偿电流的指个环节，其作用是根据补偿电

33、流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的通断的PWM信号，以保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。信号，以保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。目前跟踪型目前跟踪型PWM控制的方式主要有两种，即瞬时值比较方式和三角波比较方式。控制的方式主要有两种，即瞬时值比较方式和三角波比较方式。1.瞬时值比较方式瞬时值比较方式图图6.18 6.18 采用滞环比较器的瞬时值采用滞环比较器的瞬时值 比较方式原理图比较方式原理图 其特点如下：其特点如下：(1)硬件电路十分简单；硬件电路十分简单；(2

34、)属于实时控制方式，电流响应很快属于实时控制方式，电流响应很快(3)不需要载波，输出电压中不含特定不需要载波，输出电压中不含特定 频率的谐波分量频率的谐波分量(4)属于闭环控制方式，这是跟踪型属于闭环控制方式，这是跟踪型 PWM控制方式的共同特点；控制方式的共同特点；(5)若滞环的宽度固定，则电流跟随若滞环的宽度固定，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的。导体器件的开关频率是变化的。图图6.19 6.19 采用滞环比较器的瞬时值比较采用滞环比较器的瞬时值比较方式，方式，跟随跟随 变化的波形变化的波形第六章有源电力滤波器 由于滞环的宽度

35、通常是固定的，当由于滞环的宽度通常是固定的，当 变化的范围较大时，一方面，在变化的范围较大时，一方面，在 值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面在在 值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许最高工作频率而导致器件损坏。出器件允许最高工作频率而导致器件损坏。根据这一缺陷，一种解决方法是将滞环比较器的宽度根据这一缺陷，一种解决方法是将滞环比较器的宽度H设计成可随设计成可随 的的大小而自动调节的；另一种方法是采用定时控制的

36、瞬时值比较方式。大小而自动调节的；另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式。图图6.20 6.20 定时控制的瞬时值比较定时控制的瞬时值比较 方式原理图方式原理图图图6.21 6.21 采用定时控制的瞬时值比较采用定时控制的瞬时值比较 方式，方式，跟随跟随 变化的波形图变化的波形图第六章有源电力滤波器2.三角波比较方式三角波比较方式图图 6.22 6.22 三角波比较方式的原示图三角波比较方式的原示图 图中，放大器图中，放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基本把组成的一个控制系统是基本把 控制为最小进行设计的。控制为最小进

37、行设计的。与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点：与瞬时值比较方式相比，该方式具有如下特点：(1)硬件较为复杂；硬件较为复杂；(2)跟随误差较大；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；谐波；(4)放大器的增益有限；放大器的增益有限；(5)器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率；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。电流响应比瞬时值比较方式的慢。第六章有源电力滤波器6.4.3 主电路的设计主电路的设计 目前有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，采用电流型的

38、极目前有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，采用电流型的极少。在确定主电路的形式之后，主电路设计需要解决的问题包括：少。在确定主电路的形式之后，主电路设计需要解决的问题包括：(1)对补偿电流的跟随性能起决定作用的几个参数：对补偿电流的跟随性能起决定作用的几个参数：L、Uc、(电流电流控制的周期控制的周期)的设计；的设计；(2)开关器件的选择及其额定参数的确定；开关器件的选择及其额定参数的确定；(3)主电路容量的计算；主电路容量的计算；(4)按所选器件的要求设计驱动电路，并设计整个装置的各种保护电按所选器件的要求设计驱动电路，并设计整个装置的各种保护电路。路。第六章有源电力滤波器1.主电路参

39、数设计主电路参数设计(以以a相为例相为例)补偿电流补偿电流 在指令信号在指令信号 两侧呈锯齿波状地跟随其变化。若两侧呈锯齿波状地跟随其变化。若 过大过大，则补偿电流，则补偿电流 中的纹波成分过大。反之，若中的纹波成分过大。反之，若 过小，将使开关器件的过小，将使开关器件的开关频率过高，开关过程中的损耗也随之增大。因此，主电路的参数设开关频率过高，开关过程中的损耗也随之增大。因此，主电路的参数设计应保证，在采样点计应保证，在采样点k 右侧的时刻，微分右侧的时刻，微分 ，能够取适当，能够取适当的值，以使的值，以使 减小。为此定义变量减小。为此定义变量 为：为：上式中，当上式中，当 和和 的极性一致

40、时，采用点处的的极性一致时，采用点处的 的值将变的值将变小，此时小，此时 为正值。这样，为正值。这样，就反映了补偿电流跟随性能的好坏。就反映了补偿电流跟随性能的好坏。第六章有源电力滤波器对于对于PWM变流器来说：变流器来说：考虑到考虑到 的情况。在这种下，的情况。在这种下，始终来正，因此式始终来正，因此式(6-17)可以简化为：可以简化为：若若APF工作的时间足够人，式工作的时间足够人，式(6-19)中交流电压中交流电压 的平均作用将为的平均作用将为0。而而 取值为取值为2/3的概率为的概率为1/3，取值为取值为1/3的概率为的概率为2/3，因此，因此 的的平均值为平均值为4/9。由此可得出。

41、由此可得出 的平均值的平均值 为：为：的取值可用下式确定：的取值可用下式确定：系数系数可通过仿真来确定，当可通过仿真来确定，当取不同值时，补偿后的电源电流的总畸变率取不同值时，补偿后的电源电流的总畸变率不同。经大量仿真结果表明，不同。经大量仿真结果表明，取取0.3！0.4时，补偿效果最佳。时，补偿效果最佳。第六章有源电力滤波器由式由式(6-18)可知，当可知，当 为为1/3时，若不能满足时，若不能满足 (为相电压的峰值为相电压的峰值)，则，则 就不会成立，就不会成立，就可能为负。但若就可能为负。但若 取值过大，取值过大，将使装置容量增加，且器件和电容的耐压都要相应地增加。将使装置容量增加，且器

42、件和电容的耐压都要相应地增加。综上所述，主电路的参数设计可由以下两个公式决定：综上所述，主电路的参数设计可由以下两个公式决定：但是，但是，并非是一个固定的值，而是在并非是一个固定的值，而是在附近波动，若附近波动，若 按式按式(6-22)取下取下限，则限，则 值有可能为值有可能为0或很小，使得电流跟随性能变差。取或很小，使得电流跟随性能变差。取 时，时，的值较为理想，的值较为理想，APF的补偿特性较好。的补偿特性较好。(1)最小值应大于交流电源相电压峰值的最小值应大于交流电源相电压峰值的3倍，否则可能发生倍，否则可能发生 不按不按要求减小的情况。基于此，要求减小的情况。基于此，越大，越大，变化越

43、快，但是器件耐压要求越高变化越快，但是器件耐压要求越高；(2)电感电感L值越小，值越小，变化越快，电感变化越快，电感L值越大，值越大，变化越慢；变化越慢；(3)越长，越长，纹波越大；纹波越大；越短，越短，纹波越小。纹波越小。的长度还决定了的长度还决定了APF能能补偿的谐波最高次数及对开关器件工作频率的要求。补偿的谐波最高次数及对开关器件工作频率的要求。参数设计总结：参数设计总结：第六章有源电力滤波器6.4.4 直流侧电压的控制直流侧电压的控制图图6.23 6.23 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路 对直流侧电压进行控制的传统方法是，为直流侧的电容

44、再提供一个单对直流侧电压进行控制的传统方法是，为直流侧的电容再提供一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法需要独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法需要另设一套电路，增加整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗另设一套电路，增加整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗等。等。现在基本上采用下面的方法来进行直流侧电压的控制，对直流侧电压现在基本上采用下面的方法来进行直流侧电压的控制，对直流侧电压 的控制是由指令电流运算电路中点划线框内的部分结合补偿电流发生电路的控制是由指令电流运算电路中点划线框内的部分结合补偿电流发生电路实现的。其中，

45、实现的。其中，是是 的给定值，的给定值，是是 的反馈值。的反馈值。第六章有源电力滤波器当三相电压为正弦对称时，当三相电压为正弦对称时，为常量。这表明，为常量。这表明 与与 、与与 成正成正比。比。a、b、c三相的瞬时有功功率分别为：三相的瞬时有功功率分别为：a、b、c三相的瞬时无功功率分别为：三相的瞬时无功功率分别为：由上两式可得：由上两式可得：第六章有源电力滤波器 由式由式(6-34)可知，各相瞬时有功功率之和等于三相电路瞬时有功功率可知，各相瞬时有功功率之和等于三相电路瞬时有功功率p。对于对于APF，若不考虑各部分的损耗，则其交流侧与直流侧的能量交换取决于，若不考虑各部分的损耗，则其交流侧

46、与直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率瞬时有功功率p。对于对于APF，若用，若用 、表示电源侧瞬时有功功率和瞬时无功功率，表示电源侧瞬时有功功率和瞬时无功功率，、表示表示APF交流侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，交流侧的瞬时有功功率和瞬时无功功率，、表示负载的瞬时有功表示负载的瞬时有功功率和瞬时无功功率。由于负载电流中有谐波，使得功率和瞬时无功功率。由于负载电流中有谐波，使得 、中含有交流分量中含有交流分量，其直流分量为，其直流分量为 、构成。构成。当当APF用于补偿谐波时，应满足：用于补偿谐波时，应满足：此时此时 此时，电源只需提供负载所需的基波有功功率和无功功率，而此时，电源只需提供负载所需

47、的基波有功功率和无功功率，而APF的瞬时的瞬时有功功率有功功率 的平均值为零，使得直流侧电压保持不变，但因的平均值为零，使得直流侧电压保持不变，但因 中有交流成分中有交流成分，所以，所以 会随会随 波动而波动。波动而波动。第六章有源电力滤波器当当APF仅用于补偿无功时，应满足仅用于补偿无功时，应满足此时，此时，APF的瞬时有功功率的瞬时有功功率 始终为零，因此始终为零，因此APF直流侧与交流侧之间任直流侧与交流侧之间任意时刻无能量交换，从而使意时刻无能量交换，从而使 保持恒定。从原理上讲，当仅用于补偿无功保持恒定。从原理上讲，当仅用于补偿无功功率时，功率时，APF直流侧不需贮能元件。此时电容只

48、需很小的电容量用于保证直流侧不需贮能元件。此时电容只需很小的电容量用于保证电力半导体器件的正常工作即可。电力半导体器件的正常工作即可。若希望若希望 上升，只需要上升，只需要 0即可。此时即可。此时APF从电源得到能量，从电源得到能量，持续向其直流侧传递，使持续向其直流侧传递，使 上升。从原理上讲，只要上升。从原理上讲，只要 0,就上升就上升,可以达到任意值，但实际电路中，器件的耐压是有限的，不可能使其无可以达到任意值，但实际电路中，器件的耐压是有限的，不可能使其无限上升。限上升。第六章有源电力滤波器6.4.5 并联型有源电力滤波的控制方式并联型有源电力滤波的控制方式 为了使为了使APF得到理想

49、的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。以下主要讲三种控得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。以下主要讲三种控制方式：制方式：(1)检测负载电流控制方式；检测负载电流控制方式；(2)检测电源电流控制方式；检测电源电流控制方式；(3)复合控制方式。复合控制方式。1.检测负载电流控制方式检测负载电流控制方式 APF的指令电流运算电路的输入信号来自负载电流，这种补偿方式，补偿电流能的指令电流运算电路的输入信号来自负载电流，这种补偿方式，补偿电流能较好地跟踪指令电流。但是，在主电路电力半导体器件高频通断过程中，会产生其工较好地跟踪指令电流。但是，在主电路电力半导体器件高频通断过程中，会产生其工作

50、频率附近一些次数很高的谐波。作频率附近一些次数很高的谐波。图图6.24 6.24 未接入未接入HPFHPF时检测负载电流控制方式的补偿结果时检测负载电流控制方式的补偿结果 a)a)负载电流波形负载电流波形 b)b)补偿后的电源电流波形补偿后的电源电流波形第六章有源电力滤波器图图6.25 6.25 并联型并联型APFAPF的单相等效电路的单相等效电路式中：式中：为滤除较高的谐波，在为滤除较高的谐波，在APF中并一个中并一个HPF，此时由于谐波频率较高，故只要，此时由于谐波频率较高，故只要很小容量的很小容量的HPF。若把负载电流和。若把负载电流和APF的电流之和的电流之和 看作电流源，则反映看作电