电力电子电路控制2(APF)

2.指标与标准
性能指标：
总谐波畸变率THD（Total Harmonic Distortion） THD = Harm Irms / Fund Irms 总要求畸变率TDD（Total Demand Distortion） TDD = Harm Irms / Full-load Fund Irms
Total I, rms 936.68 836.70 767.68 592.63 424.53 246.58 111.80 Measured Fund I, Harm I, rms rms THD(I) 936.00 35.57 3.8% 836.00 34.28 4.1% 767.00 32.21 4.2% 592.00 27.23 4.6% 424.00 21.20 5.0% 246.00 16.97 6.9% 111.00 13.32 12.0%
Full load
TDD 3.8% 3.7% 3.4% 2.9% 2.3% 1.8% 1.4%


基波位移因数DF1（Displacement Factor） cosΦ1＝P1/S1＝基波有功功率/基波视在功率 功率因数PF （Power Factor） PF＝P/S＝有功功率/视在功率


标准：
国际标准： IEEE Std 519-1992、 IEEE Std 1159-2009 、 欧共体标准《公用配电系统供电电压特性》、 IEC 61000-2-2、IEC 61000-3-6、IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、IEC 61000-4-7等 国内标准： SD 126-84 《电力系统谐波暂行规定》、 GB/T 14549-93 《电能质量 公用电网谐波》等


3.技术方案
3.1方案简介
电网电源
1 1 - 存在谐波 - 成本昂贵：增大 电力系统的供电容 量和电缆、开关等
h3
D yn
h9 D
d
h5, h7 L
y
4
L
5
6
变压器 以不同 的方式 联接
2 仅限制3次 和3n次谐波
3 2 3 仅削减5次和 7次谐波 (12脉 冲整流、移相 式滤波器)
抗谐波 电感器
4 仅降低谐 波电流THD
调谐式 滤波器
5 仅按谐波 频率选择 衰减次数
APF
6 无谐波
电路方案
电力电子 变换方案


3.2电力电子变换方案
有源电力滤波器 APF
并联型 有源电 力滤波 器
串联型 有源电 力滤波 器


4.并联型有源电力滤波器（PAPF）
4.1工作机理
电源Is 负载Io
负载基波Io1 负载谐波Ioh
=
+
电源
Is Ic
Io
非线性负载 例三相整流器
补偿器Ic
io = io1 + ioh 令ic = ioh 则is = io1
并联型APF
补偿负载谐波 补偿负载谐波


并联型APF电路
−+ −+ −+
D1
D3
D5
+
u sa
Lsa Lsb
Lsc
Ldc
u sb
u sc
Rdc
D4
D6
S3 S5
D2 −
三相桥式变换电路 也称负载谐波电流补偿器HCC
Lca
S1
Lcb
Lcc
Cdc
S4
S6
S2


电源Is 电 源
负载Io
非 线 性 负 载 补偿Ic 并联型 APF
io = io1 + ioh = io1 p + io1q + ioh 令ic = ioh + io1q 则is = io1 p
并联型APF 相当于谐波 和无功电流 发生器； 补偿负载谐波 补偿负载谐波 及无功电流 及无功电流
补偿负载谐波电流，使电网电源电流波形正弦化， 补偿负载无功功率，使电网功率因数为1。

4.2控制系统框图
电网
电流指令检测环节 load
ic*
-
控制器
PWM 形成
驱动
桥式电路
ic
反馈量检测环节
指令检测：
实时检测vo,io
分离出ioh,io1q
得到实时(ioh+io1q)指令


4.3谐波电流和无功电流的检测
以三相三线制为例:
三相有功功率P3 = v A ⋅ i A + vB ⋅ iB + vC ⋅ iC
B轴
二相正交αβ静止坐标系：
二相系统有功 P2 = vα ⋅ iα + v β ⋅ iβ
⎡i A ⎤ ⎡v A ⎤ ⎡iα ⎤ ⎡vα ⎤ 取⎢ ⎥ = C32 ⎢vB ⎥, ⎢ ⎥ = C32 ⎢iB ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ iβ ⎣ ⎦ ⎣v β ⎦ ⎢iC ⎥ ⎢vC ⎥ ⎣ ⎦ ⎣ ⎦ 2 ⎡1 − 1 / 2 − 1 / 2 ⎤ 其中C32 = ⎢ ⎥ 3 ⎣0 3 / 2 − 3 / 2⎦
β
& Vβ
& Iβ
α
& & Vα Iα
A轴
⎡i ⎤ ⎡v A ⎤ ⎡i ⎤ ⎡vα ⎤ ⎢ A ⎥ ⎢v B ⎥ = C iB = C23 ⎢ α ⎥ ⇒ 可得 , 23 ⎢ ⎢ ⎥ vβ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣iβ ⎦ ⎣ ⎦ ⎢i ⎥ vC ⎥ ⎢ ⎦ ⎣ C⎦ ⎣ 0 ⎤ ⎡ 1 2 ⎢− 1 / 2 3/2 ⎥ 其中C23 = ⎥ 3 ⎢− 1 / 2 − 3 / 2⎥ ⎢ ⎣ ⎦
C轴
P2=P3


& & 如果旋转矢量V = Vα + jVβ , I = Iα + jI β
& v α = V cos φ v = V cos ω t V 的相位 φ v = ω t v β = V sin φ v = V sin ω t & V 与 I&的相位差为 φ I&的相位 φ i = φ v − φ = ω t − φ iα = I cos φ i = I cos( ω t − φ ) i β = I sin φ i = I sin( ω t − φ )
B轴
选取二相正交旋转坐标系pq:
β
& Vβ
p
& V
i p = I cos φ = I cos( ω t − φ i ) = iα cos ω t + i β sin ω t i q = I sin φ = I sin( ω t − φ i ) = iα sin ω t − i β cos ω t
& Iβ
φv
φ I & φi α
& & Vα Iα
⎡i p ⎤ ⎡ cos ω t ⎢i ⎥ = ⎢ ⎣ q ⎦ ⎣ sin ω t
A轴
sin ω t ⎤ ⎡iα ⎤ ⎡iα ⎤ = C ST ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ − cos ω t ⎥ ⎣iβ ⎦ ⎦ ⎣iβ ⎦
αβ 变量 → pq 变量： C ST pq 变量 → αβ 变量： CTS = C ST
⎧有功功率P = Vi p = P2 = P3 ⎪ pq系中⎨ ⎪无功功率Q = Viq ⎩
q
C轴


v A = Vm cos ωt vB = Vm cos(ωt − 2π / 3) vC = Vm cos(ωt + 2π / 3)
vα = vβ = 3 Vm cos ωt = V cos ωt 2 3 Vm sin ωt = V sin ωt 2
i A = I m cos(ωt − φ ) iB = I m cos(ωt − φ − 2π / 3) iC = I m cos(ωt − φ + 2π / 3)
iα = iβ = ip = iq = 3 I m cos(ωt − φ ) = I cos(ωt − φ ) 2 3 I m sin(ωt − φ ) = I sin(ωt − φ ) 2 3 I m cos φ = I cos φ 2 3 I m sin φ = I sin φ 2
ABC坐标系基波正弦 → αβ坐标系基波正弦 → pq坐标系直流 ABC坐标系n次谐波 → αβ坐标系n次谐波 → pq坐标系（n-1）次谐波


谐波电流检测电路
vA
PLL
sin ωt cos ωt
i A1
iA iB iC
iα
ip
C32
iβ
CST
令iiq= 0 q
LPF LPF
Ip
iα 1
−
i * = i Ah AC
+
−
* iBC = iBh
CTS
Iq iβ 1
C23
iB1
iC1
+
−
* iCC = iCh
+
i * = i Ah + i A1q AC
谐波及无功电流检测电路
* iBC = iBh + iB1q * iCC = iCh + iC1q


维持直流侧电压VD的恒定
ΔVD
* VD
− VD
电压调节器
Δi p
+ Ip
' Ip
相当于PWM整流过程













。