注入式混合型有源电力滤波器（IHAPF）研究
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摘要
在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时，非线性负载在配电系统中不断增加，对供电系统电能质量造成了严重的污染；而现代高度自动化和智能化的工业用电设备对供电系统提出了更高的要求。如何抑制电网谐波，改善电能质量已成为近年来研究的热点。因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，具有响应速度快、补偿效果好和能够实现动态补偿的优点，因此，有着非常广阔的发展前景。
本文首先对IHAPF的电路拓扑结构、工作原理及工作特性进行了分析，重点研究了三个关键技术:谐波电流检测、电流跟踪控制和直流侧电压控制。在谐波电流检测方面，本文详细分析了基于瞬时无功功率理论的p q谐波电流检测法与i_p i_q谐波电流检测法，通过对比研究，选用了基于瞬时无功功率理论的i p iq谐波电流检测法；在电流跟踪控制方面，本文采用了一种递推积分Pl控制算法，取得了较好的控制效果，针对该算法响应速度较慢的问题，本文采用模糊算法对递推积分PI的系数进行在线调整来提高其响应速度，仿真研究验证了该控制策略能改善APF系统稳态和动态跟踪性能；在直流侧电压控制方面，本文采用了三相电压型PWM整流器来维持IHAPF直流侧电压的稳定，详细分析了基于前馈解耦控制的双闭环控制策略，在此基础上采用了一种简化的SVPWM调制方式，仿真研究验证了该控制策略的正确性。
最后，利用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了IHAPF系统仿真平台，对系统的各环节进行了建模和仿真研究，仿真结果验证了理论分析和设计的有效性和可行性。
With the vigorous development of the electric power industry and the sharpgrowth of the electric power load in our country, the nonlinear load is increasing indistribution system, power quality is caused serious pollution in the power supplysystem; On the other hand, the modern high automation and intelligent industrialelectrical equipment also put forward higher request to the power supply system. Howto suppress the harmonic, improve the quality of power has become a hot spot ofresearch in recent years. Therefore, the harmonic management has become urgentproblem to the electrical engineering field. Active power filter (APF) is a new powerelectronic devices which is used to suppress harmonic and dynamic compensationreactive power, with fast response, good compensation effect and has the advantage ofbeing able to achieve the dynamic compensation, therefore it has a very broaddevelopment prospects.
This paper analysis the circuit topology structure, working principle andcharacteristics of IHAPF at first, focus the research on three key technology:Harmonic current detection, the current tracking control and DC voltage control. Inthe aspect of harmonic current detection,this paper makes a detailed analysis on thep-q harmonic current method andi_p i_qharmonic current method based oninstantaneous reactive power theory, through the comparative research, choose thei_p i_qharmonic current method at last; In the aspect of current tracking control, thispaper adopts a recursive integral Pl control algorithm, it has a good control effect.According to the problem of PI parameter is difficult to adjust, this paper designs afuzzy PI controller, according to the characteristics of the system, designs the fuzzyinference rules, realize the PI parameter online adjust, the simulation research provethe control strategy can improve APF system steady and dynamic trackingperformance; In the aspect of the DC voltage control, this paper adopts thethree-phase voltage source PWM rectifier to maintain the stability of the DC sidevoltage of IHAPF, detailed analysis the double closed loop control strategy based onthe feed-forward decoupling control, on this basis, adopt a simplified SVPWMmodulation mode, and the simulation research prove the control strategy is correct.
Finally, through the MATLAB/SIMULINK simulation tool set up the IHAPFsystem simulation platform, and make simulation for all the parts of the system, thesimulation results verify the theoretical analysis and the design is effective andfeasible.
本文首先对IHAPF的电路拓扑结构、工作原理及工作特性进行了分析，重点研究了三个关键技术:谐波电流检测、电流跟踪控制和直流侧电压控制。在谐波电流检测方面，本文详细分析了基于瞬时无功功率理论的p q谐波电流检测法与i_p i_q谐波电流检测法，通过对比研究，选用了基于瞬时无功功率理论的i p iq谐波电流检测法；在电流跟踪控制方面，本文采用了一种递推积分Pl控制算法，取得了较好的控制效果，针对该算法响应速度较慢的问题，本文采用模糊算法对递推积分PI的系数进行在线调整来提高其响应速度，仿真研究验证了该控制策略能改善APF系统稳态和动态跟踪性能；在直流侧电压控制方面，本文采用了三相电压型PWM整流器来维持IHAPF直流侧电压的稳定，详细分析了基于前馈解耦控制的双闭环控制策略，在此基础上采用了一种简化的SVPWM调制方式，仿真研究验证了该控制策略的正确性。
最后，利用MATLAB/SIMULINK仿真工具建立了IHAPF系统仿真平台，对系统的各环节进行了建模和仿真研究，仿真结果验证了理论分析和设计的有效性和可行性。
With the vigorous development of the electric power industry and the sharpgrowth of the electric power load in our country, the nonlinear load is increasing indistribution system, power quality is caused serious pollution in the power supplysystem; On the other hand, the modern high automation and intelligent industrialelectrical equipment also put forward higher request to the power supply system. Howto suppress the harmonic, improve the quality of power has become a hot spot ofresearch in recent years. Therefore, the harmonic management has become urgentproblem to the electrical engineering field. Active power filter (APF) is a new powerelectronic devices which is used to suppress harmonic and dynamic compensationreactive power, with fast response, good compensation effect and has the advantage ofbeing able to achieve the dynamic compensation, therefore it has a very broaddevelopment prospects.
This paper analysis the circuit topology structure, working principle andcharacteristics of IHAPF at first, focus the research on three key technology:Harmonic current detection, the current tracking control and DC voltage control. Inthe aspect of harmonic current detection,this paper makes a detailed analysis on thep-q harmonic current method andi_p i_qharmonic current method based oninstantaneous reactive power theory, through the comparative research, choose thei_p i_qharmonic current method at last; In the aspect of current tracking control, thispaper adopts a recursive integral Pl control algorithm, it has a good control effect.According to the problem of PI parameter is difficult to adjust, this paper designs afuzzy PI controller, according to the characteristics of the system, designs the fuzzyinference rules, realize the PI parameter online adjust, the simulation research provethe control strategy can improve APF system steady and dynamic trackingperformance; In the aspect of the DC voltage control, this paper adopts thethree-phase voltage source PWM rectifier to maintain the stability of the DC sidevoltage of IHAPF, detailed analysis the double closed loop control strategy based onthe feed-forward decoupling control, on this basis, adopt a simplified SVPWMmodulation mode, and the simulation research prove the control strategy is correct.
Finally, through the MATLAB/SIMULINK simulation tool set up the IHAPFsystem simulation platform, and make simulation for all the parts of the system, thesimulation results verify the theoretical analysis and the design is effective andfeasible.
引文
[1]王兆安，刘进军．电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J]．电力电子技术，1997：100～104．
[2]王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．
[3]姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器—结构原理[M]．北京：科学出版社，2008.
[4]寿晓辉.电气化铁道电能质量与控制及应用研究.西南交通大学硕士论文.2004.
[5]叶黎明，肖健华.电力系统无功补偿及谐波抑制智能系统.东北电力技术，2002，(6):29-31.
[6」徐永海，肖湘宁，杨以涵.电力系统谐波与无功功率综合补偿方式的研究.电力系统及其自动化学报.
[7]水利电力部.电力系统谐波管理暂行规定(SD126-84)，北京:水利电力出版社，1984.
[8]中国国家标准GB/T14549-93.电能质量公用电网谐波，北京:中国标准出版社，1994.
[9] Akagi H，Nabae A，Atoh S．Control Strategy of Active Power Filters UsingMultiple Voltage-source PWM Converter．IEEE Trans Ind．Electron．1986，22(3)：460-465
[10] Peng FZ et al. A new approach to harmonic compensation in power system[J].IEEE-IAS Conference Record,1988,874~880
[11] H.Akagi, et al. A new power line conditioner for harmonic compensation inpower systems[J].IEEE Trans. Power Delivery.vol.10,No.3,1995,pp.1570~1575
[I2] Peng F Z，Akagi H, Nabae A．A New Approach to Harmonic Compensation inPower System． A Combined System of Shunt Passive and Series ActiveFilters．IEEE Trans Ind．Electron．1990，26(6)：983-990
[13] Peng F Z, Lai J S．Application Considerations and Compensation Characteristicsof Shunt Active and Series Active Filters in Power Systems Proceedings of IEEEICHQP VII，Las Vegas，NV,1996
[14] H. Fujita and H. Akagi. A practical approach to harmonic compensation in powersystem-Series connection of passive and active filters[J].IEEE Trans. Ind.Applicant,1991，vol.27：1020~1025
[15] Beides H M，Heydt G.T．Dynamic state estimation of power system harmonicsusing Kalman filter methology．IEEE Trans Power Delivery，1991，6(4)：1663-1669
[16] Shiguo Luo and Zhanchang Hou．An adaptive detecting method for harmonic andreactive currents．IEEE Trans Ind．Electron．1995：85-89
[17] Wang Qun, Wu Ning, Wang Zhaoan．Neuron adaptive detecting approach ofharmonic current for APF and its realization of analog circuit．IEEE Transactionand Instrumentation and Measurement501Feb．2001．
[18]王兆安等．三相电路瞬时无功功率理论的研究，电工技术学报1993(6)：l0-16
[19]刘波，王兆安．串联混合型电力有源滤波器及其在单相电路中的应用电工技术学报．1998年，第l期
[20]曾江，焦连伟，倪以信等．有源滤波器定频滞环电流控制新方法．电网技术，2000，24(6)：1-8
[21]姜俊峰，刘会金，陈允平等．有源滤波器的电压空间矢量双滞环电流控制新方法．中国电机工程学报，2004，24(10)：82-86
[22]曾国宏，郝荣泰．有源滤波器滞环电流控制的矢量方法．电力系统自动化，2003，27(5)：31-40
[23] Zeng J，Ni Y Diao Q，et a1．Current controller for active power filter based onoptimal voltage space vector．IEE Proceedings-Generation Transmission andDistribution，2001，148(2)：111-116
[24] SimoneBnso，LuigiMalesani，PaoloMattavelli．Comparison of current controltechniques for active filter applications． IEEE Transactions on IndustrialElectronics，1998，45(5)：722-729
[25] Luis A．Morn, Juan W．Dixon, Rogel R. Wallance．A three-phrase active powerfilter operating with fixed switching frequency for reactive power and currentharmonic compensation．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1995，42(4)：402-408
[26]姜俊峰，刘会金．空间矢量控制在有源滤波器中的应用．继电器，2004，32(9)：27-30
[27]肖岚，徐慧，胡文斌等．变频器的电压空间矢量调制控制技术研究．电工技术学报，2004，19(2)：73-78
[28]杨贵杰，孙力，崔乃政等．空间矢量脉宽调制方法的研究．中国电机工程学报，2001，2l(5)：79-83
[29] K．Nishida, Y Konishi，M．Nakaoka．Current control implementation withdeadbeat algorithm for three-phase current-source active power filter．IEEEProceedings-Electric Power Applications，2002，149(4)：275-282
[30] Claro C．A, Kaffka J，Campos A．A fully digital control employing a dead beattechnique for active power filters．In：30th Annual IEEE Power ElectronicsSpecialists Conference．Piscataway, USA，1999，143-148
[31]周卫平，吴正国，夏立等．基于DSP和滑模变结构控制的三相三线有源电力滤波器．电机与控制学报，2006，l0(2)：130-133
[32] Zhou L，Smedley K. M．Unified constant-frequency integration control of activepower filters．In：Fifteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conferenceand Exposition．New Orleans，USA2000，406-412
[33]苏迪前．预测控制系统及其应用[M]．第一版．北京：机械工业出版社，1996，321-334
[34]周柯，罗安，楚红波.新型大功率并联混合注入式有源滤波器的研究与应用.电工电能新技术[J].2008,27(1):16-19
[35]王强.基于瞬时无功功率理论谐波电流检测方法研究．合肥：合肥工业大学硕士论文，2009.
[36]毕向阳.混合型有源电力滤波器运行性能的分析与研究．北京：华北电力大学硕士论文，2009.
[37]杨波.并联混合有源电力滤波器的谐波抑制研究．南宁：广西大学硕士论文，2008.
[38]穆永保.并联混合型滤波系统的仿真研究．北京：华北电力大学硕士论文，2005.
[39]刘宏亮.混合型有源电力滤波器的研究．北京：北京交通大学硕士论文，2008.
[40]王正德.基于DSP的混合型有源电力滤波器的应用研究．济南：山东大学硕士论文，2009.
[41]孟盟.电气化铁道用谐波和无功补偿装置的研究．北京：北京交通大学硕士论文，2007.
[42]陶永华.新型PID控制及其应用[M]，北京:机械工业出版社，2002，67-72.
[43]盘宏斌，罗安，彭可等.混合型有源滤波器与静止无功补偿器组成综合补偿系统的电流控制[J].中国电机工程学报，2009,29（31）：73-78
[44]涂春鸣，盘宏斌，帅智康等.谐振阻抗型混合有源滤波器输出电流相移的分频预估补偿[J].电工技术学报，2008,23（10）：114-119
[45]王量，郝荣泰．三相不平衡有源无功和高次谐波补偿器控制系统的研究[J]．电工技术学报，1996，11(4)：31-35
[46]孙磊.并联有源电力滤波器定频滞环电流控制的研究与仿真.武汉：湖北工业大学硕士论文，2011
[47]粟时平，周赛，刘桂英．基于人工神经网络的有源电力滤波器控制方法的研究[J]．电工技术学报，1996，12(6)：61-65
[48]付微.并联型有源电力滤波器的电流检测与控制研究.沈阳：东北大学硕士论文，2009
[49]唐欣.新型大功率串联谐振注入式混合有源滤波器的研究.长沙：湖南大学博士论文，2005
[50]刘定国.注入式混合型有源电力滤波器的难点问题研究及工程应用.长沙：湖南大学硕士论文，2008
[51]徐万方,罗安,王丽娜,涂春鸣.采用智能控制器的混合型有源电力滤波系统[J].电力系统自动化,2003,27(10):49-52.
[52]韩啸一，邱瑞昌.基于空间矢量控制的PWM整流器建模与仿真.电测与仪表，2010，VOL47，No.10，P59-62
[53]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003
[54]汪浩洋.基于DSP的5KVA变频电源研制.北京：北京交通大学硕士论文，2010
[55]王孝武.现代控制理论基础[M].北京:机械工业出版社，1998
[56]屈莉莉，杨振坤，杨兆华.三相电压型PWM整流器空间久量脉宽调制研究[J].电工技术，2002，No7，79
[57]牛维.三相电压型PWM整流器的研究与设计.太原：太原理工大学硕士论文，2008
[58]杨晔，任震，唐卓尧．基于小波变换检测谐波的新方法[J]．电力系统自动化，1997，21(10)：39-42
[59]李芬，邹旭东，邹云屏等．并网LCL滤波的PWM整流器输入阻抗分析[J]．电工技术学报，2010,25（1）：97-103
[60]陈瑶，金新民，童亦斌．三相电压型PWM整流器网侧LCL滤波器[J]．2007,22(9)：124-129
[2]王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．
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