有源电力滤波器自抗扰控制研究
有源电力滤波器自抗扰控制研究[20191215165800]
摘要
随着工业现代化进程的发展,电力系统中非线性负载不断增加,电网谐波污染日益严重, 如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等。有源电力滤波器,作为一种有效补偿谐波电流和无功功率的现代电力电子设备,相比其他治理谐波污染装置有不可比拟的优势。
本文选择单相并联型有源电力滤波器作为研究对象，对其工作原理、拓扑结构、主电路的控制策略等内容作了探讨，并针对220V的有源电力滤波器进行研究,利用仿真软件搭建仿真模型,重点研究了交流电流跟踪控制策略。
由于有源电力滤波器是非线性，系统参数易受干扰而变动的强耦合复杂系统,难以建立精确的数学模型，因而使得自抗扰控制技术在有源电力滤波器中的应用具有很大的潜力。本文将自抗扰控制用于有源电力滤波器交流电流控制。
自抗扰控制技术发扬并丰富经典PID控制中“基于误差来消除误差”的思想精髓，开发运用非线性效应来发展的新型使用控制技术，其主要由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器和（ESO）非线性状态误差反馈率(NLSEF)构成，利用其内部的扩张状态观测器可以估计出系统的内外扰动，通过前馈补偿的方法可将系统模型等效为确定性的积分串联型对象。仿真表明控制器对模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的鲁棒性，并网控制系统具有优良的动态性能。
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关键字:有源电力滤波器；自抗扰控制技术；Simulink仿真
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 有源电力滤波器的基本原理 1
1.2 谐波的治理 2
1.3 有源滤波器的发展及现状 3
1.4 本文所做的工作 4
第2章 有源电力滤波器的研究基础 6
2.1 有源电力滤波器的基本原理 6
2.2 有源电力滤波器的分类 7
2.3单相并联型有源电力滤波器 10
2.3.1并联型单相有源电力滤波器工作原理 10
2.3.2谐波电流检测 12
2.3.3 电流跟踪控制 13
2.3.4 直流侧电容电压控制 15
第3章 自抗扰控制理论 17
3.1 自抗扰控制理论 17
3.1.1 自抗扰控制器的产生 17
3.1.2 自抗扰控制的现状及发展方向 18
3.2 自抗扰控制理论 18
3.2.1 跟踪微分器（TD） 19
3.2.2 扩张状态观测器（ESO） 20
3.2.3 非线性状态误差反馈律（NLSEF） 23
3.3 有源滤波器的自抗扰控制 23
3.3.1 并联型APF的原理和建模 23
3.3.2 系统控制器的设计 24
第四章 仿真工具介绍 27
4.1 Matlab介绍 27
4.2 Simulink介绍 28
4.3 SimPowerSystems介绍 29
第5章 有源电力滤波器的仿真研究 30
5.1有源电力滤波器的仿真 30
5.1.1有源滤波器仿真模型的建立 30
5.1.2 模型仿真结果 33
第6章 结论与展望 38
6.1 结论 38
6.2 展望 39
参考文献 40
致谢 42
附录： 43
第1章 绪论
1.1 有源电力滤波器的基本原理
随着社会的进步和发展，人们的生活水平日益提高，大量的用电设备投入到日常的生产生活中，随之而来的就是，电网中出现大量的谐波和无功功率的污染。这严重影响着电能的质量。
非线性电气特性的负载成为了电网中的谐波和无功功率的主要来源[1]。而在这些非线性负载中，阻感负载占很大的比例，例如发电机、变压器、异步电动机等，这些接入电网的电阻、电容、电感元件同时也消耗一定的无功功率；除此之外，随着电力电子技术的迅猛发展，大量的电力电子装置应用到工业基础建设中，例如相控交流功率调整电路、相控整流器和周波变流器等，而这些先进的控制器却也消耗大量的无功功率，并给系统引入了谐波电流，降低了电能的质量，对用电设备本身也造成了严重的影响。电网中存在谐波电压或谐波电流会增加电力系统设备的附加损耗，导致测量和自动控制仪器失灵等问题，影响了设备的使用效率，严重时可能会因线路过热引起火灾。
谐波对电网及电力系统本身的危害主要有以下几个方面[2]：
(1) 谐波会导致系统元器件附加损耗增加，影响电网中设备的使用寿命。严重时，还可能会因为线路过热而引发火灾。电力系统中往往包含大量的电感元件，谐波电流会导致电感元件阻抗增大，使系统的附加损耗增加。
(2) 谐波会影响电力设备的稳定性，为设备安全运行埋下隐患。电路中含有谐波会引起绕组设备，如旋转电机和变压器等，产生附加损耗，导致设备过热。当某次谐波的频率与电机固有频率相近时，该次谐波往往会引起电机的共振问题，使电机运行时的振动和噪声加剧。
(3) 电力系统可能与某次谐波发生谐振，导致该次谐波被放大，一旦某次谐波与电力系统发生谐振，其大小可能变为原来谐波的几倍到几十倍。如此大的谐波会对电网系统和用电设备造成很大的危害。
(4) 谐波会使自动装置工作异常，计量仪器及继电保护器件的失灵。高次谐波会引起电磁继电装置滞动、感应式继电器拒动和误动、热继电器误动等问题，严重影响了电力设备的安全稳定运行。
与此同时，用电设备本身功率因数很低，给系统带来了额外的负担，因此，无功功率的影响不可小觑[3]，主要有包括增加用电设备的容量、增加电路损耗；同时还会是导致用电设备温度过热，严重影响用电安全。
电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，世界各国对电能质量的管理都非常重视。在我国，有全国电压电流等级和频率标准化技术委员会（TC1）和全国电磁兼容标准化技术委员会（TC246）均对电能质量做出了规范，均对注入公共电网的电流进行了明确的规定，严格限制其谐波含量，防止电网以及接入电网的电器设备受到谐波的危害
1.2 谐波的治理
目前解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题,主要有两种途径[4]：一是主动方式,即对谐波源本身进行改造,使其产生谐波很少或者不产生谐波,只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，如增加整流装置脉动数、采用多重化技术、有源功率因数校正技术等；二是被动方式，即通过装设外部谐波补偿装置来补偿谐波，这种方法对各种谐波都有用。本文的研究内容属于被动方式抑制方案。
传统的抑制高次谐波的方法,是使用无源电力滤波器,在本世纪初，有些学者就提出可以利用电容和电抗器组成的串联调谐电路(LC调谐电路)吸收谐波，并取得良好的实践效果，该电路又称无源电力滤波器(Passive Power Filter-PPF) [5]。它的设计方法稳定，有很多实际的工程案例作为参照，同时其结构简单，易于实现，制造和维护成本低，可靠性较高，不仅可以滤除特定阶次的谐波还兼具有无功补偿的功能，是谐波补偿的重要手段。然而，由于其占地面积较大，且只能滤除特性阶次的谐波，严重的限制了其应用[15]。归纳起来，无源滤波器主要存在以下几个方面的问题：
(1) 无源滤波器对谐波的控制效果受系统的阻抗特性影响很大，并且极易受到温度、谐波和非线性负载变化的影响，其滤波性能不稳定。
(2) 无源滤波器只能滤除特定阶次的谐波，因此并不适用于谐波情况复杂的场所。
(3) 元件参数的微小变化，可能会导致无源滤波器滤波特性的巨大变化，且无源滤波器本身就存在调谐偏差。
(4) 对于负载经常变化的场合，无源滤波器很难适用。当无源滤波器投入运行后，如果非线性负载改变，导致谐波分量发生变化，安装的无源滤波器无法再实现谐波补偿。
由于无源滤波器在实际运用上存在以上描述的诸多缺点，所以，在对谐波治理的电子装置的改进方面，人们又研制开发了很多器件其中最有代表意义的是有源电力滤波器。有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)是一种动态抑制谐波的新型电力电子装置,是目前电力电子技术领域研究热点课题之一，也是治理谐波的一个重要趋势。与传统的LC滤波器相比，APF的优势在于[6]，实现了动态补偿，响应速度快；所需储能元件容量不大；受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振等。
1.3 有源滤波器的发展及现状
对于有源滤波器的研究，最早可以追溯到上世纪六十年代末，在B.M.Bird的论文中，提出了向交流电网中注入三次谐波来减少谐波电流，从而改善电流波形的方法，这可以看作是有源滤波器模型产生的萌芽；在七十年代初期，日本学者H.Sasaki和T.Machida首次完整的描述了有源滤波器的基本原理[7]；1976年美国西屋电气的L.Gyugyi和E.C.Strycula等人提出了采用脉冲宽度调制（PWM）变流器来控制的有源滤波器，设计了沿用至今的主电路拓扑结构和控制方法，正式确立了有源滤波器的基本概念；随着新型大规模半导体功率开关、PWM调制技术、微机控制技术的成熟，有源滤波器在上世纪八十年代得到了长足的发展，日本学者H.Akagi提出的“三相电路瞬时无功功率理论” [8]，为三相电路中谐波和无功功率的检测提供了理论依据，并有力的推动了有源滤波器从实验室走向实际运用中。
有源滤波器的研究，我国对有源电力滤波器的研究开始于80年代末，包括谐波电流检测、APF拓扑结构、数学模型、电路控制策略等都有深入研究，但基本上仍处于实验研究阶段；随着电力电子技术和控制技术的进步，国产有源滤波器已经在各种重大项目上的代替的进口产品，仅2012年，国产有源滤波器产品的销售额已经超过进口品牌5倍之多。国内的很多院校，比如西安交通大学、华北电力大学、华南理工大学、天津大学等，也都通过对有源滤波器系统的研究和一定程度的创新，研制开发处一系列有源滤波器的样机产品，这些高等院校和科技公司的研究成果很多都已接近甚至达到世界的先进水平。相信，在不久的将来，随着进一步人力和物力的投入，中国的有源滤波器的研究一定会超越世界一流国家的水平。
未来有源滤波器的发展，需要就以下几个关键技术进行突破和创新，以此来实现更大规模的运用和更高效的谐波补偿[9]：
(1) 有源电力滤波器的拓扑结构向串并联型发展，向大容量、高频率发展，使有源电力滤波器更趋实用；
(2) 谐波的检测算法和控制系统的选择
(3) 直流侧电压的控制选择
(4) 辅助的输出滤波器的参数选择
1.4 本文所做的工作
APF已被业界一致认可为治理电网谐波和无功功率污染、改善电能质量的最有效手段，但APF在国内的应用还远没达到成熟阶段，还有很多问题有待于进一步的研究和完善。本文首先将自抗扰控制算法（ADRC）应用于单相并联型有源滤波器，设计出了自抗扰控制器，利用谐波电流和APF输出补偿电流两者的误差作为控制输入，产生控制单相APF系统的PWM脉冲，使之具有较好的跟踪补偿效果。其次，在保证负载和APF系统一致的情况下，设计了基于PI控制的APF控制算法，通过仿真验证，证明了基于ADRC控制方法的正确性、可行性和高效性。本文具体行文思路如下：
(1) 第一章绪论主要介绍谐波和无功功率的来源和危害；结合产生的来源，总结了治理谐波和无功功率的方法；介绍了对有源电力滤波器研究的历史，国内研究的现状以及未来有源滤波器的发展方向。
(2) 在第二章中，主要介绍了有源电力滤波器的研究基础，包括APF工作的基本原理，有源电力滤波器的种类以及本文主要研究的单相并联电压型有源电力滤波器的拓扑结构，谐波检测方法和直流侧电压的控制策略等。
摘要
随着工业现代化进程的发展,电力系统中非线性负载不断增加,电网谐波污染日益严重, 如谐波污染、无功问题、电压波动及不平衡等。有源电力滤波器,作为一种有效补偿谐波电流和无功功率的现代电力电子设备,相比其他治理谐波污染装置有不可比拟的优势。
本文选择单相并联型有源电力滤波器作为研究对象，对其工作原理、拓扑结构、主电路的控制策略等内容作了探讨，并针对220V的有源电力滤波器进行研究,利用仿真软件搭建仿真模型,重点研究了交流电流跟踪控制策略。
由于有源电力滤波器是非线性，系统参数易受干扰而变动的强耦合复杂系统,难以建立精确的数学模型，因而使得自抗扰控制技术在有源电力滤波器中的应用具有很大的潜力。本文将自抗扰控制用于有源电力滤波器交流电流控制。
自抗扰控制技术发扬并丰富经典PID控制中“基于误差来消除误差”的思想精髓，开发运用非线性效应来发展的新型使用控制技术，其主要由跟踪微分器（TD）、扩张状态观测器和（ESO）非线性状态误差反馈率(NLSEF)构成，利用其内部的扩张状态观测器可以估计出系统的内外扰动，通过前馈补偿的方法可将系统模型等效为确定性的积分串联型对象。仿真表明控制器对模型的不确定性和外部扰动变化具有较强的鲁棒性，并网控制系统具有优良的动态性能。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:有源电力滤波器；自抗扰控制技术；Simulink仿真
目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 有源电力滤波器的基本原理 1
1.2 谐波的治理 2
1.3 有源滤波器的发展及现状 3
1.4 本文所做的工作 4
第2章 有源电力滤波器的研究基础 6
2.1 有源电力滤波器的基本原理 6
2.2 有源电力滤波器的分类 7
2.3单相并联型有源电力滤波器 10
2.3.1并联型单相有源电力滤波器工作原理 10
2.3.2谐波电流检测 12
2.3.3 电流跟踪控制 13
2.3.4 直流侧电容电压控制 15
第3章 自抗扰控制理论 17
3.1 自抗扰控制理论 17
3.1.1 自抗扰控制器的产生 17
3.1.2 自抗扰控制的现状及发展方向 18
3.2 自抗扰控制理论 18
3.2.1 跟踪微分器（TD） 19
3.2.2 扩张状态观测器（ESO） 20
3.2.3 非线性状态误差反馈律（NLSEF） 23
3.3 有源滤波器的自抗扰控制 23
3.3.1 并联型APF的原理和建模 23
3.3.2 系统控制器的设计 24
第四章 仿真工具介绍 27
4.1 Matlab介绍 27
4.2 Simulink介绍 28
4.3 SimPowerSystems介绍 29
第5章 有源电力滤波器的仿真研究 30
5.1有源电力滤波器的仿真 30
5.1.1有源滤波器仿真模型的建立 30
5.1.2 模型仿真结果 33
第6章 结论与展望 38
6.1 结论 38
6.2 展望 39
参考文献 40
致谢 42
附录： 43
第1章 绪论
1.1 有源电力滤波器的基本原理
随着社会的进步和发展，人们的生活水平日益提高，大量的用电设备投入到日常的生产生活中，随之而来的就是，电网中出现大量的谐波和无功功率的污染。这严重影响着电能的质量。
非线性电气特性的负载成为了电网中的谐波和无功功率的主要来源[1]。而在这些非线性负载中，阻感负载占很大的比例，例如发电机、变压器、异步电动机等，这些接入电网的电阻、电容、电感元件同时也消耗一定的无功功率；除此之外，随着电力电子技术的迅猛发展，大量的电力电子装置应用到工业基础建设中，例如相控交流功率调整电路、相控整流器和周波变流器等，而这些先进的控制器却也消耗大量的无功功率，并给系统引入了谐波电流，降低了电能的质量，对用电设备本身也造成了严重的影响。电网中存在谐波电压或谐波电流会增加电力系统设备的附加损耗，导致测量和自动控制仪器失灵等问题，影响了设备的使用效率，严重时可能会因线路过热引起火灾。
谐波对电网及电力系统本身的危害主要有以下几个方面[2]：
(1) 谐波会导致系统元器件附加损耗增加，影响电网中设备的使用寿命。严重时，还可能会因为线路过热而引发火灾。电力系统中往往包含大量的电感元件，谐波电流会导致电感元件阻抗增大，使系统的附加损耗增加。
(2) 谐波会影响电力设备的稳定性，为设备安全运行埋下隐患。电路中含有谐波会引起绕组设备，如旋转电机和变压器等，产生附加损耗，导致设备过热。当某次谐波的频率与电机固有频率相近时，该次谐波往往会引起电机的共振问题，使电机运行时的振动和噪声加剧。
(3) 电力系统可能与某次谐波发生谐振，导致该次谐波被放大，一旦某次谐波与电力系统发生谐振，其大小可能变为原来谐波的几倍到几十倍。如此大的谐波会对电网系统和用电设备造成很大的危害。
(4) 谐波会使自动装置工作异常，计量仪器及继电保护器件的失灵。高次谐波会引起电磁继电装置滞动、感应式继电器拒动和误动、热继电器误动等问题，严重影响了电力设备的安全稳定运行。
与此同时，用电设备本身功率因数很低，给系统带来了额外的负担，因此，无功功率的影响不可小觑[3]，主要有包括增加用电设备的容量、增加电路损耗；同时还会是导致用电设备温度过热，严重影响用电安全。
电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，世界各国对电能质量的管理都非常重视。在我国，有全国电压电流等级和频率标准化技术委员会（TC1）和全国电磁兼容标准化技术委员会（TC246）均对电能质量做出了规范，均对注入公共电网的电流进行了明确的规定，严格限制其谐波含量，防止电网以及接入电网的电器设备受到谐波的危害
1.2 谐波的治理
目前解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题,主要有两种途径[4]：一是主动方式,即对谐波源本身进行改造,使其产生谐波很少或者不产生谐波,只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，如增加整流装置脉动数、采用多重化技术、有源功率因数校正技术等；二是被动方式，即通过装设外部谐波补偿装置来补偿谐波，这种方法对各种谐波都有用。本文的研究内容属于被动方式抑制方案。
传统的抑制高次谐波的方法,是使用无源电力滤波器,在本世纪初，有些学者就提出可以利用电容和电抗器组成的串联调谐电路(LC调谐电路)吸收谐波，并取得良好的实践效果，该电路又称无源电力滤波器(Passive Power Filter-PPF) [5]。它的设计方法稳定，有很多实际的工程案例作为参照，同时其结构简单，易于实现，制造和维护成本低，可靠性较高，不仅可以滤除特定阶次的谐波还兼具有无功补偿的功能，是谐波补偿的重要手段。然而，由于其占地面积较大，且只能滤除特性阶次的谐波，严重的限制了其应用[15]。归纳起来，无源滤波器主要存在以下几个方面的问题：
(1) 无源滤波器对谐波的控制效果受系统的阻抗特性影响很大，并且极易受到温度、谐波和非线性负载变化的影响，其滤波性能不稳定。
(2) 无源滤波器只能滤除特定阶次的谐波，因此并不适用于谐波情况复杂的场所。
(3) 元件参数的微小变化，可能会导致无源滤波器滤波特性的巨大变化，且无源滤波器本身就存在调谐偏差。
(4) 对于负载经常变化的场合，无源滤波器很难适用。当无源滤波器投入运行后，如果非线性负载改变，导致谐波分量发生变化，安装的无源滤波器无法再实现谐波补偿。
由于无源滤波器在实际运用上存在以上描述的诸多缺点，所以，在对谐波治理的电子装置的改进方面，人们又研制开发了很多器件其中最有代表意义的是有源电力滤波器。有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)是一种动态抑制谐波的新型电力电子装置,是目前电力电子技术领域研究热点课题之一，也是治理谐波的一个重要趋势。与传统的LC滤波器相比，APF的优势在于[6]，实现了动态补偿，响应速度快；所需储能元件容量不大；受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振等。
1.3 有源滤波器的发展及现状
对于有源滤波器的研究，最早可以追溯到上世纪六十年代末，在B.M.Bird的论文中，提出了向交流电网中注入三次谐波来减少谐波电流，从而改善电流波形的方法，这可以看作是有源滤波器模型产生的萌芽；在七十年代初期，日本学者H.Sasaki和T.Machida首次完整的描述了有源滤波器的基本原理[7]；1976年美国西屋电气的L.Gyugyi和E.C.Strycula等人提出了采用脉冲宽度调制（PWM）变流器来控制的有源滤波器，设计了沿用至今的主电路拓扑结构和控制方法，正式确立了有源滤波器的基本概念；随着新型大规模半导体功率开关、PWM调制技术、微机控制技术的成熟，有源滤波器在上世纪八十年代得到了长足的发展，日本学者H.Akagi提出的“三相电路瞬时无功功率理论” [8]，为三相电路中谐波和无功功率的检测提供了理论依据，并有力的推动了有源滤波器从实验室走向实际运用中。
有源滤波器的研究，我国对有源电力滤波器的研究开始于80年代末，包括谐波电流检测、APF拓扑结构、数学模型、电路控制策略等都有深入研究，但基本上仍处于实验研究阶段；随着电力电子技术和控制技术的进步，国产有源滤波器已经在各种重大项目上的代替的进口产品，仅2012年，国产有源滤波器产品的销售额已经超过进口品牌5倍之多。国内的很多院校，比如西安交通大学、华北电力大学、华南理工大学、天津大学等，也都通过对有源滤波器系统的研究和一定程度的创新，研制开发处一系列有源滤波器的样机产品，这些高等院校和科技公司的研究成果很多都已接近甚至达到世界的先进水平。相信，在不久的将来，随着进一步人力和物力的投入，中国的有源滤波器的研究一定会超越世界一流国家的水平。
未来有源滤波器的发展，需要就以下几个关键技术进行突破和创新，以此来实现更大规模的运用和更高效的谐波补偿[9]：
(1) 有源电力滤波器的拓扑结构向串并联型发展，向大容量、高频率发展，使有源电力滤波器更趋实用；
(2) 谐波的检测算法和控制系统的选择
(3) 直流侧电压的控制选择
(4) 辅助的输出滤波器的参数选择
1.4 本文所做的工作
APF已被业界一致认可为治理电网谐波和无功功率污染、改善电能质量的最有效手段，但APF在国内的应用还远没达到成熟阶段，还有很多问题有待于进一步的研究和完善。本文首先将自抗扰控制算法（ADRC）应用于单相并联型有源滤波器，设计出了自抗扰控制器，利用谐波电流和APF输出补偿电流两者的误差作为控制输入，产生控制单相APF系统的PWM脉冲，使之具有较好的跟踪补偿效果。其次，在保证负载和APF系统一致的情况下，设计了基于PI控制的APF控制算法，通过仿真验证，证明了基于ADRC控制方法的正确性、可行性和高效性。本文具体行文思路如下：
(1) 第一章绪论主要介绍谐波和无功功率的来源和危害；结合产生的来源，总结了治理谐波和无功功率的方法；介绍了对有源电力滤波器研究的历史，国内研究的现状以及未来有源滤波器的发展方向。
(2) 在第二章中，主要介绍了有源电力滤波器的研究基础，包括APF工作的基本原理，有源电力滤波器的种类以及本文主要研究的单相并联电压型有源电力滤波器的拓扑结构，谐波检测方法和直流侧电压的控制策略等。
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