（控制理论与控制工程专业论文）基于瞬时无功功率理论的并联混合有源电力滤波器的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 非线性负载和各种换流设备的应用，对电力系统的谐波“污染”十分严重， 补偿电力系统谐波，改善供电质量成为迫切需要解决的问题。二十世纪八十年代 瞬时无功功率理论的提出，为解决谐波电流实时检测问题提供了有效的解决方 法，随着传统l c 滤波器固有缺陷的日益突出和电力电子技术的飞速发展，采用 有源电力滤波器动态抑制谐波成为重要的发展方向。因此进行有源电力滤波器的 研究和开发工作具有十分重要的意义。 本文首先简要分析了电力有源滤波技术的发展，对有源电力滤波器进行了分 类讨论，并对基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法进行了研究。其次，文章 重点对电容注入方式的并联混合型有源电力滤波器的电路结构、工作原理、谐波 检测方法、控制方式、电路设计进行了理论分析。为了验证电容注入方式的并联 混合型有源电力滤波器控制方法的正确性，并加深对其控制规律的认识和理解， 本文用m a t l a b s i m u l i n k 中的电力系统模块s i m p o w e r s y s t e m s b l o c k s e t 对有 源电力滤波器进行了动态仿真研究。仿真结果表明这种拓扑结构的有源电力滤波 器对电力系统中的谐波抑制具有较好的效果。另外，本文还研究了低通滤波器参 数对谐波检测效果的影响，为谐波检测电路的设计提供了依据和参考。 本文的研究工作对有源电力滤波器实验系统的开发具有一定的指导和参考 价值。 关键词：谐波，检测方法，有源电力滤波器，低通滤波器，控制方式 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o nf r o mt h ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rl o a d sa n d c u r r e n tc o n v e n i n ge q u i p m e n t sb a d l ya f f e c t st h ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti su r g e n t t os o l v et h ep r o b l e mb ye l i m i n a t i n gt h eh a r m o n i c t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r yr a i s e di n1 9 8 0 sg i v e sa ne f f e c t i v ew a y t oh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g f o rt h e s h o r t c o m i n go f l cf i l t e r sb e i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sa n dt h et e c h n o l o g yo f p o w e r e l e c t r o n i cd e v e l o p i n gv e r yr a p i d l y ，e l i m i n a t i n gh a r m o n i cd y n a m i c a l l yb yu s i n ga c t i v e p o w e rf i l t e r s ( a p f s ) b e c o m e sa ni m p o r t a n tm e t h o d s ot h es t u d yo na c t i v ep o w e r f i l t e r si so fg r e a ti m p o r t a n c e a t i e rab r i e f i n t r o d u c t i o no f t h eb a c k g r o u n da n dc l a s s i f i c a t i o no f a p f s ，t h e m e t h o do f d e t e c t i n gh a r m o n i c sb 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 yi s s t u d i e di nt h i sp a p e r t h et h e o r e t i ca n a l y s i si sa c c o m p l i s h e do nt h ec i r c u i tt o p o l o g y , p r i n c i p l e ，h a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d ，c o n t r o lm e t h o da n dc i r c u i td e s i g n i n go fp a r a l l e l h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( p h a p f ) t oe x a m i n et h ev a l i d i t yo f t h ec o n t r o l l i n g s y s t e mo f t h ep h a p fa n du n d e r s t a n dt h ec o n t r o l l i n gr u l e sf u r t h e r m o r e ，t h i sp a p e r s i m u l a t e st h ep h a p fw i t hs i m p o w e rs y s t e m sb l o c k s e ti nm a t l a b s i m u l l n k t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ea v a i l a b i l i t yo f t h i sm e t h o d t h ea f f e c t i o no f l o wp a s s f i l t e r ( l p f ) o nh a r m o n i cd e t e c t i n ge f f e c ti sa l s os t u d i e di nt h i sp a p e r , w h i c hm a y p r o v i d eh e l pt ot h ed e s i g n i n go f h a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i t s t h es t u d i e si nt h i sp a p e rh a v es o m eg u i d a n c eo nt h ee x p l o i t a t i o no f t h ea c t i v e p o w e rf i l t e re x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yw o r d s ：h a r m o n i c ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，l o wp a s sf i l t e r ( l p f ) ， d e t e c t i n gm e t h o d s ，c o n t r o la p p r o a c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除文中特别加以标注和致谢之外处，论文中不包含任何其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 云洼太堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：、) 2签字日期：夕觅占年i 月，j 一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：t 1 2 - 签字日期：) 伸g 年f 月j - - 日 导师签名：褪甏 签字日期：懈，月。；f 一日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 i 电力系统的谐波抑制和无功功率补偿问题 电力系统的谐波是交流电中频率大于基波频率的正弦分量的统称。由于交 流发电机输出的电压中谐波含量很小，因此，一般可以认为发电机输出的电压 为正弦波。当负载具有非线性时，电流就会含有谐波，波形就会发生畸变，使 电力系统中的电压和电流不再是单一的基频正弦波，而成为含有谐波的非正弦 波。近几十年来，以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器 件功率处理能力和切换速度有了显著提高，配电网中各种变流器、变频调速装 置、电子镇流器等电力设备不断增加。随着电力电子装置的工业市场和应用领 域的不断扩大，对国民经济的发展起到了很大的促进作用。但是，由于电力电 子装置是一种非线性时变拓扑负荷，具有冲击性、不平衡性的用电特性，由其 造成的谐波污染也日趋严重，现在，它已超过变压器、发电机，电弧炉等传统 谐波源，成为电力系统中最重要的谐波源。另外，电力电子装置在产生大量谐 波的同时，也要消耗无功功率，也给电网带来额外的负担。 谐波的危害是十分严重的。谐波使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗， 降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路 过热甚至发生火灾；谐波影响各种电气设备的正常工作，使电气设备过热、产 生振动和噪声，并使绝缘老化，缩短使用寿命，甚至发生故障或烧毁；谐波可 引起电力系统局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大，造成电容器等设备损坏； 谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作，使电能计量出现混乱。另外，国 外许多研究表明，谐波不仅对电力系统中的运行设备和负荷有危害，而且对通 信系统和计算机系统等也有较大的影响。轻者产生噪声，降低通信质量，重者 导致信息丢失，使通信系统和计算机系统无法正常工作。 在保证有功功率一定的情况下，无功功率的增加，会导致视在功率的增加， 使发电机、变压器等电气设备容量增加。另外，无功功率的增加，会导致电流 增加，一方面使设备和线路损耗增加，另一方面线路和变压器的电压降增大， 影响到供电质量。因而进行无功功率的补偿可以提高供用电系统的功率因数、 降低设备容量、减少功率损耗，改善输电系统的稳定性，提高输电能力；稳定 受电端及电网电压，提高供电质量；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合， 还可平衡三相的有功和无功负载。 第一章绪论 因此，电力系统的谐波抑制和无功功率补偿问题已成为各方面关注的热点 问题。治理电力系统污染，减少和消除电网的谐波危害，维护“绿色”的电网 环境，成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面i 临的重大 课题。 1 1 2 抑制谐波和补偿无功功率的方法及发展现状 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的 有效措施。谐波抑制和无功功率补偿的传统方法是用电力电容器、电抗器和电 阻器适当组合成的l c 无源滤波装置( p a s s i v e p o w e r f i l t e r p f ) 进行滤波。无 源滤波方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且无源滤波装置具有投资少， 效率高、结构简单及维护方便等优点，因此无源滤波方法是广泛采用的抑制谐 波及无功补偿的主要手段。但是，由于无源滤器是通过在系统工程中为谐波提 供并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗所决 定的，因而存在以下缺点：滤波特性受系统参数的影响较大；只能消除特定的 几次谐波，并会由于和电网阻抗发生谐振而使某些次谐波放大；滤波要求和无 功补偿、调压要求有时难以协调；谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可 能造成滤波器过载；有效材料消耗多，体积大；不能对谐波和无功功率实现动 态补偿，补偿效果不甚理想。 由于近些年来电力电子技术的飞速发展，国内外谐波抑制和无功补偿闯题 的研究有了很大的进展。为弥补无源滤波方法的不足，人们将研究方向逐步转 向有源滤波方法。有源滤波方法就是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 叫蟑f ) 进行谐波抑制和无功补偿的方法。有源电力滤波器本身也是一种电力电 子装置。有源滤波方法就是利用可控的功率半导体器件向电网加入与原有谐波 电流、谐波电压幅值、相位有一定关系的电流或电压，从而来消除或减少谐波 电流和谐波电压。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度的可控性和快 速响应性。其具体特点如下： 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功等功能，有机多能 的特点，在性价比上较为合理。 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。 3 ) 具有自适应功能，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿。 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会过载，并能发挥正常 的补偿作用。 5 ) 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。 第一章绪论 目前电力系统中进行补偿的电力电子装置有两大类：一类是以补偿无功功 率为主，典型装置为静止无功补偿器( s v c ) ；另一类是以补偿和抑制谐波为主， 典型装置就是有源电力滤波器。消除谐波，主要应从产生谐波的主要装置即电 力电子装置出发，去研究解决的方法。消除谐波主要有两种思路：一种是被动 的治标的方法，即针对现有的电力系统或电力电子装置的具体情况，通过在电 力系统中加装l c 无源滤波器、有源电力滤波器，或在电力电子装置的电网侧 加装有源装置的方式来补偿谐波 另一种是主动和治本的方法，即开发、生产 和使用不产生谐波，且功率因素为1 的“绿色”电器。 1 2 有源电力滤波器的起源、发展与现状 1 2 1 有源电力滤波器的起源及其发展 有源电力滤波器的基本思想在二十世纪六十年代末就已经形成【1 1 1 2 1 ， i - i s a s a k i 等人首先完整地提出了具有功率处理能力的有源电力滤波器的概念。 1 9 7 6 年，l c , y u i g 等人提出了用大功率晶体管p w m 逆变器结构的有源滤波方 案1 3 】，为电力系统中谐波的消除提供了有效手段，但当时受到器件性能和控制 技术的限制，一直处在实验室研究阶段，未能在工业中得到应用。八十年代以 来，由于大、中功率全控型半导体器件的发展日趋成熟，脉冲宽度调制( p w m ) 控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出， 使有源电力滤波器才得以迅速发展。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h ( 赤本泰文) 等人提出了“瞬时无功功率理论” 【4 】【5 】，解决了谐波和无功功率的瞬时检测问题，对谐波抑制和无功补偿装置的研 究和开发起到了很大的推动作用，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了 实验室，进入了实际应用阶段。此后该理论不断地被完善，也使有源电力滤波 器的研究和应用取得了很大的进展。 1 9 8 6 年，a b g i h 提出了用并联型有源电力滤波器消除谐波1 6 】。有源电力 滤波器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它的主电路与负载并联接入 电网，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路 中的谐波电流，使电源电流成为正弦波。由于谐波电流般由非线性负载所注 入，这种有源电力滤波器主要装设在负载端。并联有源电力滤波器由于具有功 能多样，连接方便等优点，所以它已经成为应用最多的有源电力滤波器，在日 本等国家得到了广泛应用。但其缺点也是非常突出的：由于电源电压直接加在 逆变桥上，所以对这种有源电力滤波器的变流器开关器件电压等级要求很高， 容量较大，而且它只适合于电感型负载的谐波补偿 7 1 。 第一章绪论 为克服并联有源电力滤波器的这些缺点，又提出了注入电路及与旋转电机 并用等方式。但无论从基本原理还是与接入电网方式来看，这些方式的有源电 力滤波器都应归入并联型 8 1 与并联型有源电力滤波器对应的是串联型有源电力滤波器。它通过补偿变 压器被串联在电源和负载之间，以消除谐波电压、平衡负载端电压。它也可以 用来消除负序电压和调整三相系统电压。而且它主要用于补偿可以看作电压源 的谐波源。针对电压源谐波源，串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，使供电点电压波形成为正弦波。 1 9 8 8 年。e z p e n g 等人提出了串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结 构网，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现 低阻抗。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之问的谐波隔离装置，电 网的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电 网。 1 9 9 0 年，日本的h f u j i t 等人提出了将有源电力滤波器与无源滤波器相串联 的混合有源滤波方案【1 0 l ，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源 电流中谐波分量成比例的电压，实际上该方案可以等效为e z p e n g 的方案。由 于注入变压器联结在y 型联接的无源滤波器的中性点，保护和隔离方便，因 此更适合于高压系统应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 1 9 9 4 年日本学者a k a # h 提出了一种称为“统一能电质量调节器”( u n i f l e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的有源电力滤波器的新的系统构成形式u ，它实际 是并联型和串联型有源电力滤波器的混合使用方式，也称为“通用有源电力滤 波器”( u n i v e r s a la c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在该系统中，串联型有源电力滤波器的 主要作用是对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，并在电压波动时进行电 压调整，而并联型有源电力滤波器主要进行谐波补偿和无功功率的补偿【l 习。 1 2 2 有源电力滤波器的发展现状 近些年来，有源电力滤波技术成为研究热点，有大量的相关论文、专著及 文献发表或出版。大容量、运行可靠的有源电力滤波器已经在日、荚等国家投 入工业应用。有源电力滤波技术在抑制谐波、补偿无功功率方面已经比较成熟。 在不同的结构组成、控制策略和硬件装置等各个方面都有了很大的发展。 在结构组成方面，针对单相，三相三线，三相四线系统以及电压补偿和电 流补偿的需要，并联、串联或者与l c 无源滤波器三者混合的有源电力滤波器 都有了较大的发展。并联型有源电力滤波器对于谐波抑制、无功功率补偿和中 性线电流补偿都具有很好的效果嘲f 1 3 】【1 4 】【1 5 】。从技术上讲，并联型有源电力滤波 第一章绪论 器是最适合的补偿装置，但是其缺点如同前面所讲，也是比较突出的，串联型 有源电力滤波器至今仍然处在实验研究阶段【1 6 1 ，它对于诣波电压补偿、电压平 衡和电压闪变的抑制等方面都有不错的表现。统一电能质量调节器对于电流和 电压补偿方面都有很好的效果，但是由于其容量、体积及造价都在一个很高的 水平上，所以限制了它的实际应用。目前有源电力滤波器的研究热点是混合型 有源电力滤波器【i i 】【l - 2 2 1 ，它有能力抑制谐波电压和谐波电流，并且由于它是由 有源电力滤波器和无源滤波器组成，降低了造价，减小了装置容量。因此，混 合型有源电力滤波系统，被认为是较为可取的解决方案，得到了广泛的关注和 研究。 在硬件装置方面，随着快速自换向器件的发展，有源电力滤波技术有了很 快的发展。在使用的元器件方面，起初是晶闸管，大功率双极型晶体管( b j t ) 和功率m o s 场效应晶体管用于有源电力滤波器的制造，随后是静电感应晶体 管( s i t ) 和可关断晶闸管( g t o ) 。随着绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 的成熟， 有源电力滤波技术得到了真正的推广。如今，在小容量有源电力滤波器方面， 元器件的理想选择是绝缘栅双极晶体管( i g b t ) ，大容量则选择可关断晶闸管 ( a m ) 。同时。传感器的发展也为有源电力滤波技术发展做出了很大贡献，价 位适中、容量足够的霍尔传感器大大改进了有源电力滤波器的性能。另外，微 处理器微控制器甚至数字信号处理器( d s p ) 田】的使用，使有源电力滤波器 在线的实现大量、复杂的算法成为可能，也使褥各种复杂的控制算法，诸如p i 、 变结构控制、模糊逻辑、神经网络、预测等控制算法得以实现，保证了有源电 力滤波器的快速、实时的补偿性能以及稳态性能。 检测、控制电路是有源电力滤波器的关键部分，它完成对电网负载中的谐 波电压和电流进行实时检测，得到相应的补偿控制指令，以控制p w m 逆变器 产生相应的补偿电压或电流。因此，如何快速、准确地把供电系统中谐波电压、 谐波电流及无功成分检测出来，进行实时的动态补偿将是实现有源电力滤波器 的关键问题。根据被检测的电流、电压信号位置的不同，可分为检测负载端电 压、有源滤波器直流电压、负载电流、电源电流、及有源滤波器直流侧电流等 不同方式。产生补偿指令的控制算法可分为频域法和时域法两种，在频域法中 主要是傅里叶分析法，其缺点是要求电力有源电力滤波器开关频率为所补偿谐 波最高频率的两倍以上，而且计算复杂，响应慢，实时性不好。时域法中有很 多种方法，典型且实用的是瞬时无功功率理论方法，即卫g 法 6 1 ，及随后产生的 适合电压发生畸变场合的岛法、d g 法等阱】嘲。时域算法中还有p i 控制器法、 同步检测法、滑模控制器法等。除了以上方法外，近年来，也出现了自适应检 测方法嗍、基于噪声对消技术的检测方法、基于鉴相技术的瞬时谐波电流检测 第一章绪论 方法、信号预测检测方法、小波变换检测方法、模糊逻辑检测方法以及神经网 络检测方法、广义瞬时无功功率理论检测方法等一些实时检测谐波和无功电流 的方法，但从文献资料和实际应用看，基于瞬时无功功率理论的检测方法是占 主流地位、应用广泛的检测方法。本课题也是采用基于这一理论的检测方法。 一般的有源电力滤波器都是针对某个具体的谐波源进行谐波抑制、补偿无 功的，接在电网的某一个节点上。最近，国外有人提出了针对局部电网的完成 谐波抑制、补偿无功等功能的有源线路调节器( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r s - a p l c ) 的概念。目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段，实时确定 补偿电流、优选补偿节点、在线测量谐波等技术难点影响了a p l c 和的应用1 2 刀 国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文献，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。近几年来，研究有源电力滤波器 的国内学者和单位逐渐增多，在结构组成、检测方法和控制方式等方面都有了 较大的进步。但国内的相关研究多以理论研究和实验为主，工业应用较少，与 国外相比仍有较大差距。 1 3 本课题的研究内容 本课题是在掌握国内外有关最新资料的基础上，结合有源电力滤波器的研 究现状，对电容注入的并联混合型有源电力滤波器进行了研究。主要有以下具 体内容： 1 ) 简要分析了有源滤波技术的发展。 2 ) 分类研究各种有源电力滤波器的结构、原理、特点。 3 ) 分析研究瞬时无功功率理论及基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。 4 ) 应用m a t l a b s i m l c i i l i 【和s i m p o w e r s y s t e m 仿真工具，对基于瞬时无功功率理 论的谐波检测方法中使用的低通滤波器对检测性能的影响进行了仿真研究。为谐 波检测电路的设计提供了依据和参考。 5 ) 以电容注入的并联混合型有源电力滤波器拓扑结构为研究对象，首先对 其工作原理、检测控制方法、电路参数设计等进行研究；然后对其谐波补偿信 号的注入方式进行比较研究，确定采用电容耦合方式；最后以瞬时无功功率理 论的电流检测方法即蠡岛为基础，采用大功率晶体管p w m 逆变器实现产生谐 波补偿信号，并应用m a t l a b s i m k i n k 和s i m p o w e r s y s t e m 仿真工具进行仿真，给 出仿真结果。仿真结果表明电容注入的并联混合型有源电力滤波器对电力系统 的谐波抑制有较好的效果。 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 有源电力滤波器( a p f ) 是一种用于动态抑制谐波、孙偿无功功率的新型 电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。 l c 无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法，仅能对确定频率谐波进行滤 波和固定的补偿。有源电力滤波器的应用可以克服这些缺点，具有响应快、受 电源阻抗影响小，不易和电源阻抗发生诣振等优点。因此，有源电力滤波器引 起了许多专家学者的关注和研究。 2 1 谐波源的分类 不同类型的有源电力滤波器适用于不同类型的谐波源，因此必须首先弄清 楚不同谐波源的类型和性质。 电网中存在多种类型的谐波源，它们以不同的方式向电力系统注入谐波。 整流器是一种典型的谐波源。根据它的电路结构，其直流侧可以用电感或电容 滤波，并且滤波电感或电容大小不同，整流器产生谐波的方式也不同。 直流侧电感滤波的整流器，如果滤波电感工足够大，其直流侧电流基本保 持恒定，它注入电网的谐波电流主要由直流侧电流的大小和各半导体器件的切 换方式所决定 6 1 ，与交流侧参数关系不大，具有理想电流源的特性，因此，基 本可以看成是一个理想的谐波电流源。当三不是足够大时，直流侧电流会有波 动，这对它注入电网的谐波就不能看成是一个理想谐波电流源，但仍可将其等 效成一个理想谐波电流源与一个等效阻抗乙的并联，如图2 一l ( a ) 所示。工越 小，则乙越小；工越大，则乙也越大。因此，直流侧电感滤波的整流器可以看 成电流源型谐波源。 ( a ) 电流源型 ( b ) 电压源型 图2 - 1 谐波源的类型 与直流侧电感滤波的整流器相对应，直流侧电容滤波的整流器，因其直流 侧电压基本为恒值，并通过各半导体开关器件的切换加到交流侧，因此，此类 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 谐波源产生的谐波电压主要由直流侧本身的特性决定，基本上与交流侧参数无 关，有类似电压源的性质，可以用一个理想谐波电压源与一个等效阻抗乙串联 来等效，如图2 - l ( b ) 所示。i , n a a g c n x ，等效阻抗乙就越小，谐波源特 性就越接近理想谐波电压源。当c 足够大时，则可以看成是理想谐波电压源。 因此直流侧电容滤波的整流器可以看成电压源型谐波源。 2 2 有源电力滤波器的基本原理和分类 2 2 1 有源电力滤波器的基本原理 图2 - 2 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成原理图。图中”，表示交流 电源，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器 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( 由电流跟踪 控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，指令电流运算电路的核心 是检测出补偿对象的电流中的谐波和无功电流等分量，因此也称之为谐波和无 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 偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w l v l 变流器或逆 变器1 2 9 1 1 3 0 1 。 图2 - 2 有源电力滤波器的系统组成 图2 - 2 的基本工作原理是，检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计 算得出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流， 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消最终得到期望的电源电 流。如当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象 负载电流f ：，的谐波分量f 。，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿 电流发生电路产生补偿电流，与负载电流中的谐波分量么大小相等、方向相 反，因而两者互相抵消，使电源电流f 。中含有基波不含谐波，这样就达到了抑 制电源电流中谐波的目的。上述原理可以用如下的一组公式描述： 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 | = i l4 - i c i l = i l ，+ i 哺 = 一f n i i = i l + i 。 式中，0 一负载电流中的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，还要补偿负载的无功功率， 则只要在补偿电流的指令中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即 可。这样，补偿电流中的谐波及无功功率与负载中的谐波及无功功率成分相抵 消，电源电流就等于负载电流的基波有功分量。 2 2 2 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器有多种分类方法。 根据应用场合不同，有源电力滤波器可分为直流有源电力滤波器和交流有 源电力滤波器两大类。直流有源电力滤波器主要用来消除高压直流输电系统中 交流器直流侧的电压、电流谐波；而交流有源电力滤波器则是应用于交流电力 系统各个电压等级的有源滤波，也就是通常所说的有源电力滤波器a p f 。 根据有源电力滤波器中p w m 逆变器直流侧所用储能元件的不同，a p f 又 分为电压型a p f ( 储能元件为电容器) 和电流型a p f ( 储能元件为电感器) 。 与电流型a p f 相比，电压型a p f 损耗较小、效率高，因此目前国内外绝大多 数a p f 都采用电压型逆变器结构。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会 有更多电流型a p f 投入使用。 。 如图2 - 3 所示为交流有源电力滤波器的分类。 对于一般交流有源电力滤波器，按其工作原理不同，可分为谐波电流跟踪 型和非谐波电流跟踪型两大类。谐波电流跟踪型又可分为谐波对消法、可变阻 抗法和复合法。谐波对消法就是有源电力滤波器根据从补偿对象中检测到的谐 波电压或电流信号，产生一个大小相等而极性相反的电压或电流注入电网，从 而消除谐波，使电网电压或电流只含基波分量。可变阻抗法就是使有源电力滤 波器对基波和谐波分别呈现不同的阻抗，以减小谐波含量来达到抑制谐波的目 的。采用复合法有源电力滤波器既用到谐波对消法又用到可变阻抗法。这三种 方法的关键是，都需对谐波电流或电压进行实时、精确地检测。而非谐波电流 跟踪型有源电力滤波器，又被称为广义有源电力滤波器( 6 e ：n e m l i z e x la c t i v e p o w e r f i l t e r - g a f ) 。它采用特定消谐p w m 技术，是由原来的三相固态功率因数 补偿及谐波抑制器发展起来的，被应用于电力系统的配电系统，抑制非线性负 荷谐波，并推广应用于不对称负荷的补偿等方面，具有强制输出端电压为同步 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 的正序基波电压源的特点，因而不需要跟踪非线性负荷谐波电流进行控制，就 具有高效电力有源滤波器和高效负序滤波器的功能，能补偿系统电压的不平衡 和负荷的不对称。除此之外，它还可以连续、快速、灵活地调节无功功率，稳 定电压，改善负荷功率因数，并且，较低的斩波频率使该装置进行无功补偿时， 效率较高网。 霸瓦瓣丽虱4 匿面翮 r i 旨波对j 疔法l 交流 a p f 分类 作原理分h叫墨鱼堕! 堡重塑 非谐波电流跟踪型( 采用特定消谐嗍技术) 丽露磊习4 厢丽 h 谐波负载型 按接入方式 综合型 ，f 联型 串联型 混合型 串一并联型( 有源和无源混合使用) 图2 - 3 交流有源电力滤波器的分类 如果根据有源电力滤波器补偿对象的不同，有源电力滤波器可分为针对谐 波负载型、针对电网型和综合型三大类。针对谐波负载型的有源电力滤波器主 要是消除作为谐波源的负载产生的谐波，对负载迸行无功补偿，按在屯网的某 个节点上，通常紧靠谐波源负载安装。而针对电网型的有源滤波装置又称为有 源线路调节器( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r a p l c ) 。a p l c 是向电网中某个 优选节点注入消谐补偿电流，通过补偿电流在电网中一定范围内流动，实现该 范围内所有节点谐波电压的综合抑制。由于a p l c 代表的是谐波治理的一种更 高层次，不应将两者等同。目前，国外a p i c 的应用还处在研究和试验阶段。 实时确定补偿电流、优选补偿节点、在线测量谐波等技术难点限制了a p l c 的 应用。综合型有源电力滤波器既抑制电两的谐波电压或电流，又抑制负载产生 的谐波电压或电流 2 7 1 。 根据有源电力滤波器接入电力系统的方式不同，交流有源电力滤波器可分 为并联型、串联型、混合型和串并联型有源电力滤波器。其中并联型有源电力 滤波器又分单独使用方式、注入电路方式和与旋转电机并用方式等。有源电力 裂 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 滤波器与无源滤波器一起使用的则称为混合型有源电力滤波器，它又分为串联 混合型有源电力滤波器和并联混合型有源电力滤波器。 2 3 有源电力滤波器的系统构成 不同类型有源电力滤波器的结构各有特点，因而其工作原理、特性也各不 相同。下面简要论述几种具有代表性的有源电力滤波器的组成及其主要特点。 2 3 1 并联型有源电力滤波器 ( 1 ) 单独使用的并联有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器如图2 _ 4 所示。 图2 - 4 单独使用的有源电力滤波器 图2 - 4 中负载为产生谐波的谐波源，逆变器和与其相连的电感、直流侧储 能元件( 图中为电容) 共同组成了有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波 器并联的小容量离通滤波器，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开 关频率附近的谐波。由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称 为并联型。因为其补偿电流基本上由有源滤波器提供，为区别于其他方式，称 之为单独使用方式。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。 单独使用方式的并联型有源滤波器是以谐波对消原理工作的，并可实现多 种补偿功能。工作原理可简述为；检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路 计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出孙偿电 流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终使电源电流 成为期望的正弦波，并且可根据不同的需要，实现不同的补偿功能。 并联型有源电力滤波器的逆变器并联在电网中，整个滤波器相当于一个受 控的电流源。对于以电流为主的补偿，如谐波电流补偿、无功功率补偿、三相 不对称电流补偿、负载平衡和中性线电流补偿等，并联型有源电力滤波器是较 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 理想的补偿装置。但是，由于电源的基波电压全部加在逆交器上，因此并联型 有源电力滤波器容量较大，造价成本很高，这是单独使用方式并联型有源电力 滤波器的最主要不足。另外，在这种方式下，滤波器是作为电流源工作，适合 于电流源型的谐波源，如带有阻感负载的整流电路。对于电压源型的谐波源， 像电容滤波的整流电路，用并联型有源电力滤波器进行补偿的效果就不甚理想。 ( 2 ) 注入电路方式的并联型有源电力滤波器 有源电力滤波器的容量取决于其承受的电压和流过的电流，为减小有源电 力滤波器的容量，可采用注入电路方式。注入电路方式是用电容、电感构成注 入回路，利用电容、电感电路的谐振特性，使得有源电力滤波器承受很小部分 的基波电压，从而极大地减小有源电力滤波器的容量。 图2 5 为l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图。 图2 - 5l c 串联谐振注入电路方式原理图 其中c 2 也支路在电源电压的基波频率处发生串联谐振。因此，对于基波， g z 支路的阻抗远远小于电容c l 的阻抗，因而基波电压几乎全部加在c l 上， 与c 2 z 并联的有源电力滤波器承受很小部分的基波电压；对于谐波来讲，c l 的阻抗远远小于c 2 - l 支路的阻抗，因而有源电力滤波器注入的谐波电流几乎全 部通过c 1 注入电网，对负载的谐波进行补偿。 图2 6 是i - c 并联谐振注入电路方式的系统原理图。 图2 - 6l c 并联谐振注入电路方式原理图 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 其原理同串联谐振型类似，三1 c 回路在基波频率处发生并联谐振，基波电 压大部分加在该回路上，有源电力滤波器与屯只承受其余很小部分的基波电压 和诣波电压。该方式下只有很小的基波电流流过如和工l c 虽然注入电路方式的并联型有源电力滤波器中也含有电容、电感等无源元 件，但这些无源元件主要不是起滤波作用的。有源电力滤波器是利用对基波构 成谐振的注入回路向负载注入补偿电流，使有源电力滤波器只承受很小的基波 电压，从而减小容量的，所以该类型滤波器仍属于并联型有源电力滤波器，而 不是混合型有源电力滤波器。另外正是因为注入电路方式的并联型有源电力 滤波器要通过对基波频率谐振的注入电路输出补偿电流，所以注入电路方式的 并联型有源电力滤波器不能用于补偿基波无功电流，只能补偿谐波电流。 2 3 2 串联型有源电力滤波器 图2 - 7 是单独使用的串联型有源电力滤波器的系统原理图。 从图中可看到，有源电力滤波器是通过补偿变压器串联在电源和谐波源负 载之间的。此时，有源电力滤波器表现为一个受控电压源。这种方式的有源电 力滤波器是利用谐波对消原理，来消除负载产生的谐波电压，从而维持供电点 的电压波形和电源电流波形为正弦波。上面提到并联型有源电力滤波器对电压 源型的谐波源，补偿效果不甚理想，而串联型有源电力滤波器对电压源型谐波 源有很好的补偿效果。 图2 - 7 串联型有源电力滤波器的原理图 2 3 3 混合型有源电力滤波器 为克服单独使用有源电力滤波器时，要求有源电力滤波器a p f 有较大容量 的主要缺陷，充分利用原有的l c 无源滤波器的特点，出现了有源电力滤波器 a p f 与l c 无源滤波器混合使用的混合型有源电力滤波器。这种方式比单独使 蓥 e 蟒 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 用方式的有源电力滤波器多了一个l c 无源滤波器，它利用l c 无源滤波器分担 大部分的补偿任务，以减小有源电力滤波嚣的容量，而利用有源电力滤波器来 改善混合型滤波器的滤波效果。 无源滤波器与有源滤波器相比，其优点在于结构简单，易于实现且成本低， 而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合，同时使用，既可克服有源 电力滤波器容量大，成本高的缺点，又可使整个滤波系统获得良好的补偿性能。 混合型有源电力滤波器( h a p f ) 分为并联混合型有源电力滤波器( p h a p f ) 和串联混合型有源电力滤波器( s h 越，f ) 两类。 ( 1 ) 并联混合型有源电力滤波器 1 ) 与l c 无源滤波器并联的并联混合型有源电力滤波器 图2 8 所示是有源电力滤器与l c 无源滤波器以并联方式接入电网的原理 图 有源电力滤波器与l c 无源滤波器共同承担补偿谐波的任务。包含多组单 调谐滤波器和高通滤波器的l c 无源滤波器承担大部分的谐波、无功补偿任务。 有源电力滤波器的作用是改善滤波性能，所需的容量与单独使用时相比可大幅 度减小。l c 无源滤波器还可以消除有源电力滤波器因逆变器主电路中器件的通 断而引起的谐波。但该并联混合型有源电力滤波器在使用时，电源与有源电力 滤波器、有源电力滤波器与无源波器之间存在谐波通道，特别是有源电力滤波 器与无源滤波器之间的谐波通道，可能使有源电力滤波器注入的谐波又流入无 源滤波器及系统中联接的补偿无功的电容中。 函2 嵋a p f 与l c 滤波器并联方式 2 ) 与l c 无源滤波器串联的并联混合型有源电力滤波器 图2 - 9 所示是有源电力滤波器与l c 无源滤波器串联方式的混合型原理图。 有源电力滤波器a p f 通过补偿变压器与l c 无源滤波器串联，然后与谐波 源并联接入电网，所以仍属并联型方式。这种方式中，谐波和无功功率主要由 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 l c 无源滤波器进行补偿，而有源电力滤波器用于抑制l c 无源滤波器与电网阻 抗之间的并联谐振( 亦即谐波放大现象) ，改善l c 无源滤波器的谐波补偿效果。 这种方式的最大特点是逆变器基本不承受基波电压，因而装置容量大大减小 由于补偿变压器联接在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便， 因此更适合于高电压系统应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 图2 - 9a p f 与l c 滤波器并联方式 ( 2 ) 串联混合有源电力滤波器 图2 1 0 所示是串联型有源电力滤波器与并联的l c 无源滤波器混合使用的 串联混合型有源电力滤波器的原理图。 图2 - 1 0 串联混合型有源电力滤波器 有源滤波器是串联在并联的负载和l c 无源滤波器与电源之间。在这种方 案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波星很低阻抗。因此有源电 力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，它使电网的谐波电压不 会加到负载和l c 无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。其缺点 是：由于有源电力滤波器a p f 串联在线路中，绝缘较困难。另外所有负载电流 均流过补偿交压器，而其特性会直接影响混合型有源电力滤波器的补偿性能。 第二章有源电力滤波器的工作原理及组成 2 3 4 串一并联型有源电力滤波器 同时使用串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器进行谐波抑制和 无功补偿。比分开使用它们具有更好的滤波、补偿性能。图2 1 l 是串联型与并 联型有源电力滤波器混合在一起使用的串一并联型有源电力滤波器的原理图。 ：申联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器i 图2 - 1 1 串一并联型有源电力滤波器 串一并联型有源电力滤波器也称为统一电能质量调节器。串联型有源电力滤 波器的作用是将电源和负载隔离，阻止负载谐波电流流入电网，同时阻止电源 谐波电压加至负载端。它对基波表现为很低阻抗，而对谐波表现为高阻抗。并 联型有源电力滤波器是一个谐波流过的通道，它最终把负载中谐波电流吸收掉。 因而并联型有源电力滤波器作为一个谐波通道，它对基波表现为很大的阻抗， 对谐波表现为很低的阻抗。这种串联型与并联型有源电力滤波器混合使用的统 一电能质量调节器，能对电网与公共节点之间同时实现电压和电流的净化，所 以一般都是属于有源电力滤波器中的综合型。虽然统一电能质量调节器的