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浙江大学 硕士学位论文 载波相移级联型多电平变流器及其在apf中的应用 姓名：刘兆燊 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：张仲超 20050301 浙江大学硕士学位论文 摘要 载波相移级联型多电平变流器 及其在a p f 中的应用 摘要 随着大功率自关断器件和智能高速微控制芯片的不断发展，大功率电力电 子变流装置的研究越来越深入，在大容量电机驱动、交直流电力传输等场合的 应用也越来越j 泛。在大功率电力电子交流装置的实现上，。个重要的问题就 是大功率器件的工作频率较低，无法应用高性能p w m 技术等优秀的调制技术。 c p s s p w m 技术是为了解决该问题而提出的崭新技术。本文对c p s s p w m 技 术及其有源电力滤波器中的应用做了一些研究工作。 本文首先分析了载波相移s p w m 技术( c p s s p w m ) 的基本原理。 c p s s p w m 是多重化与s p w m 技术的有机结合，能够在较低开关频率下实现 较高等效开关频率。本文还研究了c p s s p w m 的线性度和传输带宽等技术指 标。 具有独立电源的级联h 桥多电平变流器具有每个变流器单元结构相同、所 用元件数少、易于实现电路的模块化设计和封装等一系列优点，因而在无功补 偿和有源电力滤波器等领域有广泛的应用前景。本文详细分析了级联型多电平 变流器的工作原理，提出了基于c p s s p w m 技术的级联型多电平变流器。它在 大功率变流器领域具有很好的应用前景。 本文研究了基于c p s s p w m 技术的级联型多电平变流器在有源电力滤波 器似p f ) 中的应用问题。本文分析了基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流检 测方法，并研究a p f 直流侧与交流侧控制方案。所提控制均通过仿真验证。 本文最后设计了一个5 k v a 的a p f 做实验验证。该样机包括主电路、谐波 检测电路、d s p 控制器和基于f p g a 的多路p w m 波形发生器等几个主要部分。 本文详细给出了各主要参数的分析与设计过程。最后实验结果表明，该系统性 能良好，能在较低开关频率下得到较好的补偿性能。 关键词：多电平；有源电力滤波器；载波相移s p w m ；级联h 桥； f p g a 浙汀大学硕士学位论文目录 c a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e rw i t hc a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w m t e c h n i q u e a n di t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a e t t o g e t h e r 、析t h t h ec o n t i n u a l d e v e l o p o fh i g h p o w e r s e l f - t u r n o f fd e v i c e sa n d i n t e l l i g e n th i g h s p e e dm i c r o - c o n t r o l l e r ，h i g hp o w e r e l e c t r o n i c e q u i p m e n t i s i n c r e a s i n g l yd e e p l ys t u d i e da n d i sm o r ea n dm o r ew i d e l ya p p l i e di nl a r g ec a p a c i t a n c e m o t o rd r i v e ，p o w e rt r a n s m i s s i o na n ds oo n o nt h er e a l i z a t i o n o fh i g h p o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，a ni m p o r t a n tp r o b l e mi st h a tt h ew o r k i n gf r e q u e n c yo fh i g h p o w e r d e v i c e si st o ol o wt oa p p l ye x c e l l e n tm o d u l a t e dt e c h n i q u es u c ha sp w m i n o r d e rt oo v e r c o m et h i sp r o b l e m ，c a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w mt e c h n i q u eh a sb e e n r e s e a r c h e d o nb a s i so fi t ，i t sa p p l i c a t i o nt oa c t i v ep o w e rf i l t e ri np o w e rs y s t e mh a s b e e ni n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r i nt h eb e g i n n i n g ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fc a r r i e rp h a s e s h i f t e ds p w m ( a b b r e v i a t e d a s c p s s p w m ) t e c h n i q u eh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ek e y i d e ao ft h i s a p p r o a c hi st h ec o m b i n a t i o no f m u l t i m o d u l a rt e c h n i q u ea n ds p w m t e c h n i q u e t h e h i g he q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c yc a nb eo b t a i n e dw i t hl o ws w i t c h i n gf r e q u e n c y d e v i c e s s o m ec h a r a c t e r i s t i c so fc p s s p w ms u c h a s l i n e a r i t ya n dt r a n s m i s s i o n b a n d w i d t hh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d i nr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o na n d a c t i v e p o w e rf i l t e r , c a s c a d e dh b r i d g e m u l t i l e v e lc o n v e r t e rw i t hs e p a r a t e dd cs o u r c e ss e e m st ob et h em o s t f e a s i b l et o p o l o g y f o rm a n yr e a s o n s t h ec a s c a d e dc o n v e r t e rt o p o l o g yn o to n l ys i m p l i f i e sh a r d w a r e m a n u f a c t u r a b i l i t y , b u t a l s om a k e st h ee n t i r e s y s t e m f l e x i b l ei nt e r mo fp o w e r c a p a b i l i t y i na d d i t i o n ，f o rt h es a l ep o w e rc a p a b i l i t y , t h ec a s c a d e dc o n v e r t e rr e q u i r e s l e s sn u m b e ro fm a i np o w e rc o m p o n e n t s t h eo p e r a t i o np r i n c i p a l o fc a s c a d e d m u l t i l e v e lc o n v e r t e rh a sb e e nd e e p l ya n a l y z e d c a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e rb a s e d o nc p s s p w mh a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c hs h o w sa t t r a c t i v ep e r s p e c t i v ei n l a r g ep o w e ra p p l i c a t i o n c a s e a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e rw i t hc p s s p w mt e c h n i q u eh a sb e e nd i s c u s s e di n a p p l i c a t i o no f a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ac l o s e d l o o pd e t e c t i n gc i r c u i to f h a r m o n i c a n dr e a c t i v ec u r r e n tb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yh a sb e e na n a l y z e d t h ed c s i d ea n da c s i d ec o n t r o la l g o r i t h m so fp r e s e n t e da p fs y s t e mh a v eb e e n p r o p o s e d i nt h i sp a p e r a l la l g o r i t h m sh a v eb e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o n t ov e r i f yt h ep r o p o s e ds o l u t i o n ，a5k v ap r o t o t y p eo fa p fb a s e do i l c a s c a d e d m u l t i l e v e lc o n v e n e rh a sb e e nb u i l d t h ep r o t o t y p ec o n t a i n ss o m em o d u l e ss u c h a s 浙江人学硕士学位论：殳 日录 m a i n c i r c u i t ，d e t e c t i n g c i r c u i t ，d s p m i c r o c o n t r o l l e ra n dm u l t i c h a n n e lp w m w a v e f o r mg e n e r a t o r , a l lt h ed e s i g nr u l e so ft h em o d u l e sa b o v eh a v eb e e nd e e p l y i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w sg o o dp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e de v e n u n d e rl o ws w i t c h i n gf r e q u e n c y k e y w o r d s ：m u l t i l e v e l a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，c a r r i e r p h a s e s h j f l e d s p w m ， c a s c a d e dh b r i d g e ，f p g a 致谢 本文是在导师张仲超教授的悉心指导下完成的。在从本科毕业设讨开始的3 年多时间早，导师给p 我亲切的关怀与悉心的指导。导师渊博深厚的学识，严洋 求是的治学态度，虚怀若谷的博大胸襟，平易近人的学者之风使我耳濡目染，如 沐春风。刚想自己的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使我受益终身。在 研究过程中，导师和我们一一起从电路设计到理论分析，给我们极大的帮助。3 年 来的成长，浸透着导师的大量心血。值此论文完成之际，向导师表示深深的敬意 与感戮! 本文也是在实验室师兄弟的大力帮助f 完成的。在实验室生活中，我们结 下_ 深厚的友谊。感谢胡小巨、苏行师兄指导我完成本科毕业设计，感谢实验室 的胡长生博士、林平博士、王立乔博士后，感谢刘晨阳、滕妨华、陈丹江、曾陌 竹、熊宇、韦鲲、鲍建宇、李玉玲、任军军、陆涛涛、楼珍丽、李彦峰、韩珏、 杨欣、王传兵、李彩霞和陈阳等同门师兄弟妹在学习与生活中给予我的关心与帮 助，感谢李明锋与叶剑利师兄指导我关于f p g a 方面的知识，特别需要感谢同课 题组的李建林与李淳，我们在一起从d s p 及f p g a 编程以及三相变流器、级联 多电平变流器进行了长时f 自j 的探讨，彼此互相启发，互相促进。 感谢家人对我的养育之恩，亲人的关怀永远是我前进的动力，在此以论文 的完成感谢家人二十多年来对我的栽培。 感谢浙江大学对我将近7 年的教育，我以浙江大学为骄傲。 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 最后，再次感谢所有在我成长过程中关心、爱护我的人。 刘兆桑 2 0 0 5 年3 月于求是矧 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着国民经济的不断发展，对输送电能的需要增长越来越快，特别是结合 国内的“西电东调工程”和“三峡工程”，高压直流输电系统( h v d c ) 和柔性交 流传输系统( f a c 7 r s ) 成为目前在电力系统领域受到极大关注的热门课题“1 ， 有源电力滤波器( a p f ) 、统一潮流控制器等大功率电力电子装置，在这两种系统 中是核心部件。另外，大功率电力电子装置在大功率供电电源、大功率不间断电 源中，也有广泛应用。而对于大功率变流嚣场合，大功率开关器件的功率处理能 力和开关频率之间往往存在着矛盾，通常功率越大开关频率越低。由于开关频率 的限制难以应用高性能p w m 技术来改善传统大容量变流器的性能，因此在功率 器件未有本质突破的前提下，人们力图通过对大功率变流器的电路拓扑和控制策 略两方面进行研究以提高电力电子变流装置容量的同时改善其性能。 由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波和无功问题引起人们越来越 多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波抑制与无功补偿方面 也取得一些突破性的进展。抑制电网中的谐波、提高装置的功率因数成为电力电 子和电力系统等研究领域所面临的一个重大课题。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r a p f ) e 2 2 1 0 有源滤波器是一种电力电子装黄。这种滤波器能对频率和幅值都变 化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，既可以对一个谐波和 无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，因而受到广泛的重视 2 6 1 0 本文将以高压大功率有源电力滤波器为主要研究对象。在本章中，首先对 大功率a p f 的拓扑、控制方法的研究现状做综述，分析近年来国内外研究成果 的优缺点，以及最新的研究动向。最后，介绍了本文的研究内容和主要的研究成 果。 1 1 大功率变流装置的拓扑及调制策略 为了提高电力电子装置处理较大功率的能力，人们进行了大量的探索，其 中最具有代表性的科研成果是多重化技术 4 1 、相移s p w m 组合变流器【1 】圆以及多 电平变流器【5 】等。上述拓扑结构配合不同的调制方式构造出多种多样、各具特色 的大功率变流装置。 1 - 1 1 多重化结构h 1 在电压型变换电路中，输出的交流电压为矩形波。为了减小谐波，常常把几 个矩形波输出组合成正弦波的波形。对于l 个三相变流电路，将其输出波形的 相位各错开疗( 3 l x l 运行，连同抵消它们之间相位差的变压器( 移相变压器) ，可 以构成脉波数为6l ，的变流器系统。输出波形中包含6 i l ，l ( k 为整数) 次的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 谐波含量。根据变压器输出侧绕组的联结方式可分为串联多重化和并联多重化： 串联多重化是将输出侧绕组进行串联联结，这种方式在电压型变流器中最常用； 并联多重化是将输出侧绕组进行并联联结，由于电压波形的差会产生循环电流， 因此并联多重化结构在电压型变流电路中慎用。在这两种联结方式中，还分别有 直流侧串联和直流侧并联的结构。 同样，电流型变流电路的多重化原理与电压型相同。它的输出变压器采用并 联形式，其直流侧除了并联和串联联结之外，还有赢流侧独立的联结方式。在具 有自换流能力的结构中，交流侧可以采用直接并联方式。 多重化系统具有提供大功率输出、运行效率高、可改善单台装置输出谐波等 优点，同时存在以下不足： ( 1 ) 控制采用p a m 方式，通过调节直流侧电压来实现输出功率的调节，系 统动态响应差、控制不灵活； ( 2 ) 为了减小谐波，各装置输出波形需错开一定的相位，这将影响输出的 基波叠加； ( 3 ) 为了达到消除次谐波的目的，必须使用特殊设计的移相变压器。 1 1 2 载波相移s p w i 蜢技术组合变流器。明口儿朝 组合变流器载波相移s p w m ( c a r r i e r p h a s e s h i f t e ds p w m ，简称c p s s p w m ) 技术是由作者导师和m e g i l l 大学b o o n t e c k o o i 教授提出的。电压型c p s - s p w m 组合变流器的拓扑结构有并联型、串联型、混合型，如图1 1 所示。图中各变流 器单元指普通的三相六开关的电压型变流器 ( a ) 有中线回路的并联型变流器( b ) 无中线回路的并联型变流器 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( c ) 串联型变流器f d ) 混合型变流器 图1 1电压型c p s s p w m 组合变流器的拓扑 组合变流器c p s s p w m 技术的实质是s p w m 技术与多重化技术的有机结 合，其基本思想是：在多重化为k 的组合装置中使用共同的调制波( 周期为2 冗) ， 将各变流器单元的三角载波( 频率为l q ) 的相位相互错开2 n “ ( l k d ，利用s p w m 技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形叠加结构产生c p s s p w m 波形。 图1 1 ( a ) 、( b ) 所示的并联型变流器通过电流的叠加实现谐波抵消，能够提供 较大的输出电流，但在各变流器单元交流侧的电流的谐波未被抵消。其中有中线 回路的结构中含有三次及其倍数次谐波，因而需要更大的电感滤波。而如图1 1 ( c ) 所示的串联型变流器通过电压的叠加实现电流中谐波的抵消，交流器单元 的交流侧电流谐波较小，所需的滤波电感比并联型变流器更小。并联型与串联型 的组合方式如图1 1 ( d ) 所示。c p s s p w m 组合变流器具有如下特点： 1 ) c p s s p w m 组合变流器各变流器单元的开关频率低，可以采用特大功率的电 力电子器件如g t o 等组成电力变流器装置，降低开关损耗； 2 ) 组合变流器的等效开关频率高，低频开关谐波小，大大减小所需的无源滤波 装置的尺寸和容量： 3 】c p s s p w m 组合变流器传输线性好，传输频带宽，容易引入一些优秀的控制 理论i 4 ) 各变流单元的电路结构和器件的工作负荷一致。 1 1 3 多电平变流器 近年来，多电平变流器在高压、大功率的领域得到越来越多的关注。多电 平变流器的思想最早于1 9 8 1 年由n a b t a e 等人提出1 8 l ，它的基本思路是由几个电 平台阶合成阶梯波以迫近正弦输出电压。多电平变流器作为一种新型的高压大功 率变流器，从电路拓扑结构入手，在得到商质量的输出波形的同时，克服了两电 平变流器的诸多缺点，无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，并有开关 器件应力小，系统效率高等一系列优点。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 多电平变流器的思想提出至今，出现了许多电路拓扑，归纳起柬主要有以 下三种”1 ：二二极管钳位型多电x f 变流器( d i o d e c l a m p e d m u l t i 1 e v e lc o n v e r t e r ) 、电容 钳位型多电平变流器( f l y i n g c a p a c i t o rm u h i 1 e v e lc o n v e r t e r ) 利缀联h 桥多电平变 流器( c a s c a d e h b r i d g e m u l t i 1 e v e lc o n v e r t e r ) 。其中，二极管钳位型和飞跨电容犁 多电平变流器的优缺点、相关控制策略以及具体应用已有大量的文献做了丰 1 关报 道，这里不再赘述。在多电平变流器的三种基本拓扑中，级联 i 桥型拓扑相对于 前两者而言，具有需要虽少数量的器件、不需要大量的钳位二极管和e 跨电容、 直流侧均压容易、易十模块化和易于采用软开关技术等优点，被认为是较适合于 电网接口的变流器。为此，本文后续章节将对级联l 桥多电平变流器做详细介 绍。图卜2 为基本级联型多电平变流器拓扑与输出电压示意图。 ( a ) 级联型多电平变流器( b ) 输出电压 图i 2 级联型多电平变流器拓扑及其输出电压 1 1 4 大功率多电平变流器调制策略 丌关调制策略的选择对于变流器而言，是至关熏要的。对于上一节谈到的大 功率电力电子装置来说，目前常见有以下几种开关调制策略：阶梯波脉宽调制、 多载波p w m 技术、载波相移p w m 技术和错时采样空间矢量调制等。 衡量一种开关调制策略的优劣，一般从以下儿个方面进行分析：变流器输出 的谐波特性、器件的扦关频率、动态输出特性及传输带宽等1 3 6 料 。以下从这几个 方面依次分析上面提到的几种开关调制策略。 1 阶梯波脉宽调制 阶梯波脉宽调制“2 5 1 就是用阶梯波来逼近讵弦波。这种策略的优点是实现 简单、开关频率最低( 等于基波频率) ，主要缺点是输出电压的调节依靠于直流 总线电压或移相角。在阶梯波调制中，可以通过选择每一电平持续时间的疑短， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 来实现低次谐波的消除和抑制。文献 7 1 0 0 提出优化调制波宽度技术，将本来应用 于普通二电平变流器的定次谐波消除p w m ( s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o n p w m ) 引入级联型多电平变流器，通过优化算法计算出开关角度，可以消除选 定的谐波分量。但这种调制方法中，需要采用优化算法( 比如n e w t o n r a p h s o n 法等) 求解高阶非线性方程组，即使使用d s p 等高速运算芯片也难以达成实时 控制：一般要通过离线查表法完成控制。因此这种调制策略主要应用在一些对输 出电压调节要求不高的场合如静止无功补偿器等等。 2 多载波p w q v i 法 n 电平变流器中，n 1 个具有相同的频率和相同的幅值的三角载波并排放 置，形成载波组，以载波组的水平中线作为参考零线，共同的调制波与其相交。 根据三角载波的相位i 1 0 l ，p w m 控制可有如下三种形式： a 各个三角载波相位一致，如图1 - 3 ( a ) 所示，记为a 型。 b 参考零线以上，三角载波相位一致：参考零线以下，三角载波相位与前者相 反，如1 - 3 ( b ) 图所示，记为b 型。 c 各个三角载波从上至下依次相反，如图l - 3 ( e ) 所示，记为c 型。 燃黝黝 ( a ) a 型( b ) b 型( c ) c 型 图1 3 多载波p w m 策略的三种方案 f i g i 一3t h r e es t r a t e g i e so f m u t t i c a r r i e rp w m 当频率调制比较低时，三种p w m 调制的输出有所区别。a 型p w m 调制在 载波谐波处，谐波幅值较大，而边带谐波幅值明显小于后两种。对于奇数电平变 流器，b 型、c 型p w m 输出不含载波谐波。不考虑载波谐波时，a 型p w m 调 制的输出的t h d 较小。在单相系统中，c 型调制方案最优；而在三相平衡无中 线系统中，a 型方案较为合适。单就低次主导谐波的分布和含量而言，不论电平 数为奇数或偶数，方案c 都是最好的。从调制原理上，方案c 与载波c p s - s p w m 技术 1 2 ，1 3 】的调制效果完全一致。在对低次谐波特性要求比较商的场合，比如单位 功率因数校正装置( u n i t yp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 等，方案c 更为适用。 3 c p s s p w m c p s s p w m 技术由于能在大功率场合实现s p w m 技术，可以极大地改善输 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 出波形，减小输出谐波，从而相应减小滤波器的容量，降低成本四1 。同时因其等 效开关频率高、传输带宽宽，可以引入各种先进的控制策略，优化整个系统的性 能指标。从这个角度上来说，这也是控制手段在特大功率场合的个突破。在实 现c p s s p w m 技术时，功率主电路的复杂性并没有增加。后续章节将对此方法 进行详尽分析，这里就不赘述了。 4 错时采样空问矢量调制 错时采样空间矢量调带1 ( s a m p l i n gt i m es t a g g e r e ds v m ，简称s t s s v m ) 受 c p s s p w m 技术启发，融合s v m 调制方法而得到一一种适合多电平变流器的调制 方法。简而言之就是将各变流器单元的采样时间错开。具体地讲，在组合变 流器中，n 个变流器单元在相同频率调制比k 、幅度调制比i n ，下，进行s v m 调 制；各变流器单元采样时间依次相位差为2 ( n k ) 。s t s s v m 技术比较于载 波c p s s p w m 技术，有电压利用率高，开关频率小，易于数字实现等特点。 灵活多样的调制技术与丰富的电路拓扑相结合形成各具特色的变流装置。 目前已进入研究阶段的有基于多电平s v m 的二极管钳位型变流器、本文研究的 c p s s p w m 级联h 型变流器、s t s s v m 组合变流器。另外，还有一些具有研究 前景的方向，如相移单周控制组合变流器等有待研究。 1 2 有源电力滤波器的概述 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 简称为a p f ) 是具有功率大、控制要 求高等特点的应用场合，是上一节介绍的大功率变流装置的“用武之地”。本节 将介绍有源电力滤波器的产生背景及目前的研究成果。 1 2 1 谐波及无功功率的危害 谐波和无功的存在对于电网和电器设备产生严重的影响和危害1 2 3 1 。在工业 和生活的用电负载中，阻感性负载在占很大比例，如异步电动机、变压器、电抗 器、电力系统架空线等。阻感性负载必须吸收无功功率才能正常工作。电力电子 装置本身也会产生大量无功功率，如变频调速装置、电流型感应加热电源、大功 率整流电源等。随着电力电子装置的广泛应用，无功功率的有害影响日益突出： 1 ) 无功功率的增加导致电流和视在功率的增大，使发电机、变压器、输电线路 及其他电器设备的容量和损耗增加： 2 1 导致线路及变压器的压降增加，如果是冲击性无功功率负载如大功率电机启 动、中频感应加热电源，造成电网电压波动，严重影响电网供电质量。 随着计算机、家用电器的普及，不控整流加电容滤波的应用飞速增长。这种 结构的交流输入电流谐波含量较高。直流侧采用电容滤波的单相不控整流中，输 入电流的t h d 大于1 0 0 ，三相不控整流的t h d 高达6 0 。谐波对公用电网和 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 其他系统的危害日益为人们所重视： 1 ) 谐波电流在输电线路阻抗上的压降使用户端的电压波形产生严重畸变，影响 电器设备的正常工作。在电机控制中，谐波会引起附加损耗，使电机产生机 械振动、噪声；谐波使变压器局部严重发热；谐波使电容器、电缆等设备绝 缘老化、寿命缩短； 2 ) 引起供电电网中产生局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，形成正反馈， 破坏电网的稳定性，引起严重事故。我国在八十年代初石太电气铁路出现的 谐波造成电力电容器损坏引起重大事故，为此在石家庄市召开第一次谐波学 术研讨会。从此，开始了我国谐波研究工作的广泛开展； 3 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作、电器测量仪表不准； 4 ) 三次及其倍数次谐波流过中线导致中线过热甚至发生火灾； 5 ) 对邻近的通信系统产生干扰，破坏通信系统的正常工作。 1 2 2 谐波及无功补偿装置的发展 为了解决电力电子装鼍和其它谐波源的谐波污染问题，有两个基本的思路： ( 1 ) 装设谐波补偿装置如无源滤波器、有源电力滤波器，对各种谐波源产生的 谐波进行综合治理；( 2 ) 对电力电子装置本身进行改造，使其功率因数为1 ，不 产生谐波。这种方案适用于作为主要谐波源的电力电子装置，比如单位功率因数 变换器( 称为u p f c ) 。 传统的补偿无功和抑制谐波的手段是无功补偿电容和l c 滤波器。它具有结 构简单、经济方便的优点，但其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化，不能 实现对无功和谐波的动态补偿。 自二三十年代以来的几十年中，同步调相机( s y n c h r o n o u sc o n d e n s e r ) 成为 无功功率动态补偿的主要途径。这种装置损耗和噪声较大，运行维护复杂，响应 较慢。1 9 6 7 年，英国g e c 公司制成饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r ) 成为最早的 静止无功补偿装置，该装置存在非线性电路的一些特殊问题，不能分相调节以补 偿负荷的不平衡。所以未能占据静止无功补偿装置的主流。 电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用电力电子器件的静止 无功补偿装置推上电力系统谐波治理的舞台。1 9 7 7 年，美国g e 公司首次演示了 使用晶闸管的静止无功补偿装置( s v c ) 。1 9 7 8 年，西屋公司推出了使用晶闸管 的静止无功补偿装置并投入实际运行。近2 0 年来，这种装置迅速增长占据了s v c 的主要地位。因此，s v c 往往指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管 控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 等。 1 9 7 6 年，美国学者lg y u g y i 提出了由自换相的电力半导体桥式变换器进行 动态无功补偿和抑制谐波的装置。本文称为有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) ，文献中的其它名称有a s v g 、s v g 、s t a t c o m 、p o w e r l i n e c o n d i t i o n i n g 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 等。这种薪型的补偿装置具有调节速度更快、运行范围宽等优点。采用多重化、 多电平或p w m 技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量，使电抗器和 电容元件大大减少。1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国分别成功研制了一套8 0 m v a 和1 0 0 m v a 采用g t o 的静止补偿装置并投入实际商业运行。有源电力滤波器以 其优异的运行特性和广阔的应用前景使世界各国学者的研究兴趣方兴未艾。在不 远的将来，有源电力滤波器会成为电力系统谐波治理的主流。 1 2 2 - 有源电力滤波器的拓扑结构 因为a p f 服务的对象是多元的，而且它自身又由许多部分组合而成，因而 对其进行分类的方法很多。例如，从服务对象角度来看，可将它分为单相、三相 三线和三相四线三种；从p w m 变流器的角度来看，可分为电流源型( c s i ) 和 电压源型( v s l ) 两种；从拓扑结构上分又可以分为并联型、串联型、混合型及 串并联型等等。另外还可以从控制、捡测方法等角度进行分类。由于对a p f 的 分类不是本文的重点，在此仅以三相三线系统为例，从变流器和拓扑结构两个角 度介绍几种较为常见的a p f 。各种结构的具体分析可参考相关文献。 1 按a p f 与电力系统的连接方式分类 根据a p f 与电力系统的连接方式可将a p f 分为并联型、串联型及串一并联 混合型图1 - 4 所示为并联型a p f ，由于与系统并联，可等效为一个受控电流源。 并联型a p f 可产生与负载谐波或无功电流大, j q h 等、相位相反的补偿电流，从 而将电源例电流补偿为正弦波并联型a p f 主要用于感性电流源型负载的谐波 补偿，目前技术上已相当成熟，投入运行的a p f 多为此方案。图1 5 为串联型 a p f ，通过变压器串联在电源与负载间，可等效为一受控电压源，主要用于消除 带电容的二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐 波与电压波动对敏感负载的影响。串联型a p f 中流过的是正常负载电流，损耗 较大，而且投切、故障后退出及各种保护也较复杂。图1 - 9 所示为串一并联型 a p f ，该装置实际上由前述两种滤波器组合而成，两台p w m 变流器共用直流侧 的储能元件。其兼有串、并联型a p f 的功能，可解决配电系统发生的绝大多数 电能质量问题，这种结构的有源滤波器被认为是最理想的有源滤波器，它不仅能 消除电压和电流谐波，还能平衡、调节终端电压和消除负序电流。它的主要缺点 是系统复杂，造价过高。 采用基本拓扑结构的a p f 有如下局限性：( 1 ) 当负载基波无功和谐波电流含 量大时，a p f 装置的容量也必须很大；( 2 ) _ - e 相逆变器输出直接承受电网电压( 并 联方式) 或电网电流( 串联方式) ；( 3 ) 初期投资大，运行费用高。因而，研究人员 在改进a p f 的主电路的拓扑结构上进行了许多尝试。由于a p f 造价高，运行损 耗大，容量受到限制，将无源滤波器与有源滤波器组合起来，构成混合型有源滤 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 + 图1 4 并联型a p f + o f 图1 - 5 串联型a p f 图1 - 6 混合型a p f图1 7 串联和并联a p f 波器( 如图1 6 ) 在目前无疑是一种较好的方案。但从长远角度看，随着电力电 子元件成本不断下降，它将被性价比更高的串一并联有源滤波器所代替。本文主 要研究对象为目前阶段较有实用价值的并联型a p f 。 2 按p w m 变流器的结构分类 从上面的介绍中，已经知道从p w m 变流器角度来分，有源电力滤波其可 以分为电流源型( c s i ) 和电压源型( v s i ) 两种。图1 8 ( a ) ( b ) 分别给出了 基于电流型变流器和电压型变流器的并联有源滤波器主电路拓扑。 在电流源型a p f 中，p w m 变流器就象一个非正弦的电流源给非线性负载 提供谐波和基波无功电流。它有如下几个特点：( 1 ) 电路中二极管和自关断器件 ( i g b t ) 串联用于承受反向电压，若用g t o 构成主电路则无需此二极管；( 2 ) 变 流器直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源； ( 3 ) 为保持直流侧电流不变，需对直流侧电流进行控制；( 4 ) 交流侧输出电流为p w m 波，因而对补偿电流的控制非常直接；( 5 ) 交流侧通常用l c 二价低通滤波器；( 6 ) 能四象限运行。 与电流源型相对应，电压源型a p f 也有如下特点：( 1 ) 变流器直流侧接有大 电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；( 2 ) 为保持直流侧电 圈 可妒丁可登丁 童卫耵 一1 纛 多胡 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 压不变，需要对直流侧电压进行控制；( 3 ) 交流侧输出电压为p w m 波；( 4 ) 交流侧 通常用l 作一价低通滤波器；( 5 ) 能四象限运行。 ；j i 磊l _ | 一e ( a ) 电流源型 _ 2 习 舢制器 e ( b ) 电压源型 图1 8 并联型电力有源滤波器的主电路拓扑 电压型a p f 的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数a p f 采用 的主电路结构。虽然电压型a p f 在降低直流储能损耗、消除载波谐波方面占有 一定优势，但电流型a p f 能够直接输出谐波电流，不仅可以补偿正常的谐波， 而且可以补偿分数次谐波和超高次谐波，不会由于主电路开关器件的直通而发生 短路故障，因而在可靠性和保护上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研究， 一旦超导储能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型a p f 的应用增多。 1 2 2 2 并联型有源电力滤波器的工作原理 图1 - 9 并联型a p f 系统构成 对并联型a p f 可以这样来定义：将系统中所含有害电流检出，并产生与其 大小相等，相位差1 8 0 。的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的半导体换流 装置。作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，a p f 能对大 小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。它的主电路一般由p w m 逆变器构成。图1 - 9 给出了最基本的a p f 系统构成的原理图。图中，凸为交流 电源，非线性负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波系统由两大 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、驱 动电路和主电路三部分构成) 。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电流分量，因此也称之为谐波及无功电流检测电路。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p w m 变流器。作为主电路的p w m 变流器， 在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。但它并不仅仅是作为逆变器工作，如 在电网向a p f 直流侧储能元件充电时，它就同时作为整流器工作。也就是说， 它既能工作于逆变状态，也能工作于整流状态。 1 2 2 3 大功率a p f 的实现 由于大功率负载的功率较大，在使用a p f 进行谐波抑制和无功补偿时，相 应地要求a p f 要具有一定的容量。如何实现大功率a p f 的方法已取得了不少的 研究成果。对于大容量的电力电子装置，如果简单采用普通电路的主电路拓扑， 就要求所使用的电力电子器件在容量方面具有比较高的要求。电力电子器件随着 容量的增大其所容许的开关频率却越来越低，而较低的开关频率又直接影响a p f 的补偿效果，所以在将a p f 用于大容量谐波补偿时就面i 陆替器件开关频率与容 量之间的矛盾。为解决这一矛盾，国内外学者提出了各种性能优越的a p f 主电 路拓扑结构。要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性，需要a p f 具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技术等 的限制，这势必使装置初始投资变大，并且大容量的有源电力补偿还将带来大的 损耗、大的电磁干扰以及制约a p f 的动态补偿特性等问题。因此，各种性能优 越的混合型补偿方案的研究应运而生。本节将几种应用比较广泛的拓扑进行归拢 比较，指出它们各自的优缺点，并在此基础上引出基于载波相移技术的电流型 a p f 和级联型a p f 结构。 1 多个a p f 并行工作 目前工业现场中常采用多台小容量a p f 并联，尤其对一些具有电流源性质 的设备。这种方案的补偿控制原理如图1 1 0 所示，其中，a p f 是并联型a p f ： k 是投切开关。各a p f 的控制和补偿由其自身来完成，每个a p f 有各自的主电 路和控制电路。其优点在于：由于每个a p f 具有相对的独立性，当其中某一个 a p f 出现问题时，并不影响其他a p f 的工作。不足之处主要在于各a p f 输出的 补偿电流之间缺乏协调控制，波形没有进一步改善，且控制电路的数量相对较多。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 触_ 甫 图1 1 0 多个a p f 系统连接示意图 2 基于多电平变流器的a p f l li # 线性 iii 负羹 = ：= ；奶奶奶： i i 一咯：一咯- 略 图1 1 1 基于二极管钳位多电平s a p f图1 。1 2 基于电容钳位多电平s a p f 文【8 】提出了图1 1 l 所示的s a p f 拓扑，由一个l c 低通滤波器和一个中点 箝位( n p c ) 型多电平逆变器组成。l c 滤波器不仅可以滤除七次谐波，还可以 抑制开关上产生的纹波。典型的m 电平n p c 逆变器直流侧的输入端由m 一1 个 电容组成，可产生m 个电平数。那么对直流侧，每个电容承受的电压值为圯。， 每个装置上钳位二极管上的电压即为电容上的压降“ 。随着多电平逆变器电 平数的增加，输出波形级数增加，逐渐逼近正弦波，并且谐波含量很