（控制理论与控制工程专业论文）大功率混合型有源滤波器建模、控制及装置的研究.pdf

摘要 为消除电力系统中的谐波，避免其带来的巨大危害，本文从有源 滤波器的基本原理出发，并结合目前常用的混合型有源滤波器，对大 功率混合型有源滤波器的建模、控制和装置研制三个方面进行了详细 研究，并将其应用于工业现场，积累大量的理论和实践经验，为大功 率混合型有源滤波器系统装置的早日普及打下扎实基础。 本文以大功率混合型有源滤波器的拓扑结构为基础，从其电气结 构和工作机理的研究出发，应用开关函数法对大功率混合型有源滤波 器进行了数学建模，并且针对逆变器中的死区效应进行了机理讨论和 定量分析，总结了逆变器中死区时间和逆变器输出电压的相互关系， 为控制算法的研究提供了坚实的理论依据。控制算法以谐波分析方法 为基础，以控制策略的研究为起点，分析了在不同控制策略下大功率 混合型有源滤波器的滤波原理及其优劣，并提出了模糊p i 控制算法， 并对系统中的逆变器输出的频域相移特征及其死区效应等进行了有 效的补偿，算法实现了模糊控制和传统的p i 控制的有机结合，使系 统具有快速的动态响应速度和稳定的滤波效果。最后以冶炼厂谐波治 理为背景，详细地阐述了系统装置的主电路设计、基于p c i 总线的 d s p 控制器的设计和现场工程应用情况。实践表明，大功率混合型有 源滤波器系统装置容量大、造价低、谐波治理效果良好 关键词：有源滤波器，p w m ，模糊p i 控制，死区效应，死区补偿 a b s t r a c t i no r d e rt oe l i m i n a t et h eh a r m o n i co fp o w e rs y s t e ma n da v o i di t s t r e m e n d o u sh a r m s ，t h i sp a p e rs t u d i e sm o d e l i n g ，c o n t r o la n de q u i p m e n to f h i g h - c a p a c i t yh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( a b n n a p f ) ，b a s e do nb a s i c p r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a b a p f ) a n dh y b i r da c t i v ep o w e r f i l t e ru s e dp r e s e n t l y h h a p fs y s t e mh a sb e e na p p l i e di nt h ei n d u s t r i a l f i e l d m a n ye x p e r i e n c e so ft h e o r ya n dp r a c t i c eh a v eb e e na c c u m u l a t e d w h i c ha r eb e n e f i c i a lt op o p u l a r i z eh h a p fs y s t e m n l i sp a p e ri sb a s e d0 1 1t h er e s e a r c ho fh h a p fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e a n di t sw o r kp r i n c i p l e ，f m d e st h em o d e l i n go fh h a p fb yu s i n g s w i t c h i n g f u n c t i o nm e t h o d , a n da p p r o a c h e st h ea c c u m u l a t e de f f e c to f d e a d - t i m ei ni n v e r t e r , a n dg a i n st h er e l a t i o nb e t w e e nd e a d - t i m ea n d o u t p u tv o l t a g eo f i n v e r t e rw h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti nc o n t r o la l g o r i t h m t l l i sp a p e rs t u d i e st h es m o o t h i n gp r i n c i p l ea n di t sa d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h e na p p l i e sf u z z y - p i c o n t r o la l g o r i t h mi nh h a p fs y s t e m , w h i c hc o m p e n s a t e st h ei n v e r t e r o u t p u tp h a s e s h i f ta n dt h ee f f e c to fd e a d - t i m e ，a n dc o m b i n e sr a t i o n a l l y f u z z yc o n t r o la n dt r a d i t i o n a lp ic o n t r 0 1 h h a p fs y s t e mh a sf a s td y n a m i c r e s p o n s ea n ds t e a d ys m o o t h i n ge f f e c t f i n a l l y , t h i sp a p e rn a r r a t e st h e d e s i g no fs y s t e mm a i nc i r c u i ta n dd s p c o n t r o lc i r c u i tb a s e do np c ib u s f r o mt h er e s u l ta f t e ra p p l i e dh h a p fs y s t e mi nt h ei n d u s t r i a lf i e l d , i t i n d i c a t e st h a th h a p fs y s t e mh a sg o o de f f e c tw h i c hh a sh i g hc a p a c i t y a n dl o w p r i c e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n , f u z z y - p i c o n t r o l ，d e a d - t i m e ，d e a d - t i m ec o m p e n s a t i o n n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 、 i a 作者签名：型! l 芷 日期：? r z , y 年t 月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：互丑生导师签名选日期：丛鉴年三月坦日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本文主要研究有关大功率混合型有源滤波器 珏i a p f ( h i g h c a p a c i t yh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 进行电网谐波治理的相关问题。本章将首先介绍谐波的 产生原因和危害，然后简单阐述谐波治理的治理措施和有源滤波器的研究现状， 最后为本文的主要研究内容。 1 1 电力系统的谐波 理想的电力系统是以单一而固定的频率，规定的固定幅值的电压，以及完整 的正弦波形供应电能的随着工业电力电子装置的广泛使用，以及计算机和空调 等电器的普及，导致在电网中包含有大量的非线性负载和阻感负载，电网中的谐 波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁， 给周围电气环境带来极大影响。电力系统谐波“埘已成为影响电能质量的公害 在国际电工标准( i e c 5 5 5 - 2 ) 与国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：。谐波 分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的五次分量i e e e 标准5 1 9 - 1 9 8 1 中定义 为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍” 1 1 1 谐波产生的原因 在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代的德国，研究者由静止交流器引起的波形畸变 提出丁屯力系统谐波的概念。5 d 年代和6 0 年代在高压直流输电方面推进了交流 器谐波的研究，对换流器谐波闯题的研究有大量文章发表在这一时期发表了大 量的论文，k i m b a r ke 霄在其著作( d i r e c tc u r r e n t7 r a n s m s s i o n ) 中对此 进行了总结但这些问题在当时还未对电力系统产生严重危害，因此没有引起电 力和供电部门的重视 近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上的 广泛应用，包括大功率整流、电弧炉等在工业中的应用等，供电系统中增加了大 量的非线性负载并向电网注入谐波，使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路 的有害影响已经十分严重。7 0 年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学 术会议，其中从1 9 8 4 年开始，每嚣年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c i - i p s ) 极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电 力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发 展起来。 较多文献都指出，许多谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于谐 波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关“1 如大量应用的直流侧为阻感负 中南大学硕士学位论文第一章绪论 载的整流电路，其谐波电流是由直流电流和半导体器件切换方式决定的，几乎和 交流电压无关但是，在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器广泛采用 电容整流二极管滤波电路，该电路是直流侧为电容滤波的二极管整流电路，其直 流侧电压近似为恒值，直流电压通过二极管切换加到交流侧，因此应看成谐波电 压源，而不能看成谐波电流源。谐波电压源和谐波电流源的分析方法和治理方法 有很大的不同，因此必须加以注意。 近三四十年来电力电子装置的广泛应用使得电力电子装置已经取代电力变 压器成为配电网中污染最严重、数量最大的谐波源这些电力电子装置都为可变 结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入 大量的非线性电流，给公共电网的电能质蠢带来了隐患，主要表现为多相环流装 置，如冶金和化工企业中的电解装置( 非相控或可控型整流桥) 、直流电弧炉电 源( 可控整流桥) 、中频和高频感应电炉的电源、电动机调压和调频驱动的电源 即节电器以及各种u p s 设备( 整流桥和逆变器的复合，可控) 。另外如电视机、 电池充电器等低压小容量家用电器装置也会产生谐波，由于其数量众多，它们给 供电系统注入的谐波分量不容忽视。 总的来说，电网谐波主要来自于以下3 个方面： ( 1 ) 发电电源产生的谐波。由于发电机的三相绕组和铁心很难做到绝对对称， 发电源也会产生一定量谐波，但相对于非线性负载来说一般很少。这种谐波只取 决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源 ( 2 ) 输配电系统产生的谐波主要是由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线 性等问题所产生谐波，它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关铁心 的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大 ( 3 ) 负载产生的谐波。这也是电网中谐波的主要来源，主要是由与电力系统相 连的各种非线性负载产生的啪旧，包括整流器，交流调压电路频率变换器以及 电弧炉等非线性电力负荷的电力电子装置和数量众多的家用电器设备 谐波的研究旱在1 8 世纪和1 9 世纪已经开始，几位数学家，特别是f o u r i e r j b j ( 1 7 6 8 - - 1 8 3 0 ) ，为谐波计算奠定了基础从交流电的出现到2 1 世纪的今 天，如何将其限制在可以接受的范围内一直是电力工程师所关心的问题 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竟昌等1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作随后，许克明等也于1 9 9 1 年出 版了电力系统高次谐波，林海雪等1 9 9 8 年出版了电力网中的谐波，这些 著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献。1 9 9 8 年，王兆安等出版的谐 波抑制和无功功率补偿是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的 著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 参考近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常 多，谐波问题已经成为研究热点。我国对谐波问题的研究在9 0 年代有了长足的 发展，而且与国外研究水平的差距正在不断减小。 当电网电压或电流中含有诣波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆 满解决的问题，这是一个关系到电量计量、分析及控制的重要问题。如何使定义 科学严谨，又能满足各种工程和管理的需要，还有许多问题需要研究。传统的平 均功率理论在系统存在谐波时是不完全适用的，容易造成诸如电能计量偏差等问 题。针对有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 而提出的瞬时无功功率理论旧， 目前是解决谐波相关问题使用得最为广泛的功率理论，当然该理论也并不是放之 天下皆准的，也存在一定闯题近年来，这方面的工作主要集中在将传统功率理 论与瞬时无功功率理论进行统一” 1 1 2 我国的谱波现状及标准 发达国家的经验和预测表明，随着现代工业技术的发展，非线性用电设备的 种类，数量和用电量将会迅猛增加随着我国改革开发和经济建设的发展，在我 国现代工业中，非线性电力负荷也在不断地增加，致使谐波含量急剧上升和供电 电压波形产生严重的畸变，若不进行及时有效的控制，将影响到电力网和电气设 备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产，拖慢了国民经济建设 的步伐。如广西苹果铝厂1 9 9 6 年6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压 开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1 9 9 8 年7 月，因5 次谐波超标， 导致豹南山1 1 0 k v 变电站停电1 6 小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波 电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小对。 为保证电网和用电设各的安全、稳定、经济运行，避免谐波的危害，目前许 多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，限制用电设备 谐波的标准，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 - 2 由于谐波标准的实 施，使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来降低其产品产生的谐波我 国水利电力部也在1 9 8 4 年颁发了电力系统谐波管理暂行规定 ( s d l 2 6 - 8 4 ) ， 到1 9 9 4 年国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波埘正式颁布 在电力系统谐波管理暂行规定规定我国电网中任何一点的电压正弦波形 畸变率均不得超过表卜1 规定的极限值嘲 虽然各种谐波标准都不尽相同，但总的来说都是大同小异，并且所有标准的 都是基于以下三个目的： ( i ) 将电力系统电流和电压的畸变控制到允许的水平以内； ( 2 ) 以符合用户需要的电压波形向用户供电； 中南丈学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 不干扰其它系统( 如通讯系统) 的正常工作。 表1 - i电网电压正弦波形畸变串极限值 用户供电电压总电压正弦波形畸 备奇，偶次谐波电压 正弦波形畸变率极限值( x ) ( 五v )变率极限值( * ) 奇次偶次 o 3 85 o42 0 0 6 或1 04 0 3 1 7 5 3 5 或6 33 02 1 0 0 1 l oi si o s o 可见，研究消除或降低电网中运行的电力电子装置所产生的谐波不但是贯彻 执行国家标准和对相关法规的技术支持，也是改善电网电能质量、提高电网运行 效率、维护电气设备的安全稳定运行的电气环境所迫切要求的。因此，谐波抑制 技术的研究是当前电工学科研究的热点之一 1 2 谐波治理的意义和措施 谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，而且会增加旋转电机的损耗、增加输 电线的损耗，增加变压器的损耗、造成继电保护和自动装置工作紊乱、干扰通讯 系统m 嗍等。随着社会的不断发展，电气用户对电能形态和功率流动的控制与处 理提出了新的要求，而越来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了 一对日趋尖锐的矛盾。 1 。2 1 谐波治理的意义 在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及联到该装置上的设备的正常 运行，甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行目前电力系统谐波已成为影响 电能质量的公害。其危害主要表现在以下的方面“埘： ( 1 ) 对电力系统设各造成危害 发生谐振造成电容器和电抗器的故障，甚至烧毁； 增加旋转电机的损耗； 增加输电线和变压器的损耗，缩短其工作寿命。 ( 2 ) 对电力系统安全运行造成危害 造成继电保护、自动装置工作紊乱，甚至引起误动作造成停电等重大事故； 延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用导致断路器断弧困难，影响断流能力 ( 3 ) 其他危害 引起电力测量的误差； 引起的电磁干扰对电力载波通信、通信线路、通信设备会产生很大的影响 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 综上所述，电网谐波是继电网电压波动，电网频率变动之后的电网第三大公 害，电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，无论是从保障电力 系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的 角度，谐波都成为电能质量的重要指标之一有效地治理谐波，净化电网环境， 将其限制在允许范围之内已经迫在眉睫，也是电网安全经济运行的客观需要。 1 2 2 谐波治理的措旗 目前，谐波治理主要从两个方面来达到治理谐波的目的： ( 1 ) 从产生谐波的非线性负载本身出剔埘，在设计时使谐波源不产生谐波或降 低谐波源产生的谐波，减小谐波的注入具体方法有：增加谐波源整流装置的脉 动相数“1 儿“、采用脉宽调制p 嘲( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术及多重化技术、 软开关技术等来降低整流装置产生的谐波成分对谐波源本身进行改造是一种积 极有效的谐波消除方法。 ( 2 ) 另外，在电网中增加谐波治理装置，如无源滤波器p e ( p a s s i v ee i l t e r ) 或有源滤波器a p e ，阻碍谐波源产生的谐波注入电网 当前广泛应用的措施是采用无源滤波器，利用电感、电容元件的谐振特性， 在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，吸收谐波电流，减小流向电网的谐波电流， 同时还可以进行无功功率补偿该方法成本低、技术成熟，但存在以下主要的不 足伽： 只能对特定次谐波进行滤波，谐振频率依赖于元件参数； 滤波性能受系统参数的影响较大系统的结构、工作状态、电网的阻抗和 谐波频率的变化都会使其难以获得预期的滤波效果； 可能与系统阻抗发生串并联谐振，使电网供电质量下降； 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波 电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流； 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶 级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的 为弥补无源滤波器的不足，有源滤波器应运而生有源滤波器是在时域中对 非正弦周期电流进行分解后再进行电流补偿，从而改善系统的电流波形“1 在理 论上a p f 可以拥有无穷多个谐振频率，给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频 率处等效导纳为无究大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络“”与p f 相 比，a p f 具有高度可控性和快速响应性，其具体优点如下； 滤波性能不受系统阻抗的影响，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系 5 中南大学硬士学位! ! 寥 第一章绪论 统结构的变化不会影响治理效果； 原理上比p f 更为优越，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功， 具有一机多能的特点； 实现了动态治理，具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，响应 谐波的频率和大小发生的变化； 具备多种补偿功能； 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； 可以对多个谐波源进行集中治理。 面对严峻的谐波污染问题，a p f 是提高电能质量的最有效的工具早在7 0 年代有源滤波的概念就提出来了，但是由于受到功率半导体器件水平的限制，a p f 未能得到进一步发展随着大功率快速自关断器件的不断发展，基于瞬时无功功 率理论“”的谐波检测方法的不断完善，以及微机控制技术和数字信号处理技术的 不断进步，有源滤波技术得到了极大的发展，在工业上已经进入实用阶段“邮” 1 3 有源滤波器研究的相关问题和现状 随着电力电子技术的发展，谐波治理的手段由传统的方法无源滤波器向有源 滤波器和混合型有源滤波器转变。在7 0 年代初期，1 1 s a s a k i 等首次完整地指 述了有源滤波器的基本原理“”。有源滤波器是利用可控的功率半导体器件向电冈 注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到 实时补偿谐波电流的目的。 当前对于有源滤波器的研究主要集中在主电路的拓扑结构和工作机理、p 雕 逆变器的控制方法、实时谐波电流检测分析技术以及控制算法的应用等几个方 面 按照与补偿对象的连接方式。a p f 可分为串联型、并联型并联型a 阡虽然 可以较好的克服p f 的上述缺点，但将其并联接入电网受其容量限制，大容量的 a p f 将导致初期投资大，运行效率低及电磁干扰大等缺点，并且影响到a p f 的动态 补偿性能“采用串联型 p f ，虽然有源装置容量小，运行效率葱可以实现系统 与谐波的隔离，有利于消除系统与p f 的谐振。抑制“背景谐波”对滤波系统造成 的危害“町，但串联型a p f 不能提供系统无功补偿，由于a p f 串联在电路中，绝缘困 难，维修也不方便。因此，其工程实用性受到限制采用有源一无源混合滤波器方 案，通过p f 隔离了基波电压，充分发挥p f 、a p f 各自的优势，消除它们各自的弊端， 减小了a p f 的容量，同时也解决了最佳投资问题。 有源滤波器的p 嘲逆变器主要的控制方法有三角波调制法、滞环控制法、周 期采样法和空间矢量法等三角波调制法有自然采样法和规则采样法，调制法的 6 中南丈学硕士学位论文 第一章绪论 开关频率固定，而且简单易行，响应速度快，其缺点是它会产生较大的开关损耗 和高频失真，在大功率应用中受到限制。滞环控制法的响应速度快，精确度高， 具有很好的动态特性和限流性能，但它开关频率不周定，会造成过大的脉动电流 和开关噪声三角波调制法和滞环控制法是目前普遍应用的方法，通过采取自适 应滞环带等措施克服它们固有的缺点，取得了一定的效果。周期采样法是将指令 信号与实际信号进行瞬时值比较，输出脉冲在周期采样脉冲的同步控制下作为功 率管的开关驱动信号，其采样频率的提高受开关器件最大开关频率的限制空间 矢量法是根据电流误差矢量区域选择逆变器输出电压矢量，使电流误差矢量向相 反方向变化，从而使逆变器输出电流很好地跟踪指令参考电流的变化，该法计算 量大，目前很难满足a p f 实时性的要求，现多为理论研究 谐波检测是谐波闻题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和 主要依据由于谐波具有非线性、随机性、分布性、非平稳性等特征，因此难以 对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波分析问题进行了广泛研究1 9 8 3 年， 日本长冈科技大学的a k a g ih 等人基于矿q 分解理论哪，提出了三相电路瞬时无 功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。谐波分 析算法中使用最为广泛的是快速傅立叶变换( f f t ) 方法及其改进算法，还有自 适应理论侧乜1 1 、基于小波( w a v e l e t ) 变换嘲删和基于神经网络咖嘲的方法，在 有源滤波器中应用最为普遍的是基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，而且该 理论也可以分离出各次谐波用于谐波分析嘲。 随着大功率晶体管( g t r ) 、大功率可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶闸管 ( s i 朔) 、静电感应晶体管( s i h ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、场控晶闸管( 埔c t ) 及绝缘栅型双极性晶体管( i g b t ) 等新型快速大容量功率开关器件相继问世，p 嘲 调制技术、微机控制技术、以及数字信号处理技术都取得到了长足的进步，使得 有源滤波器真正进入了工业实用阶段“+ 删目前在国外，有源滤波器作为改善 供电质量的一项关键技术，已开始在工业和民用设备上得到广泛使用。并且谐波 补偿的次数逐步提高( 典型值达2 5 次) ，单机装置的容量逐步提高( a p f 的最大 容量可达5 0 - i v a ) ，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电 质量的方向发展 我国在有源滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术 界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家 相比育一定的差距，存在着功耗大、费用昂贵、装置容量小、谐波跟踪及补偿效 果不够好等缺陷到目前为止，我国仅有几台类似产品投入工业试运行，如华北 电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高 次谐波抑制装置于1 9 9 2 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 了三个单相全控桥逆变器( 功率开关为6 t r ) ，用于低压电网单个谐波源的谐波 补偿，装置容量较小 随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨 大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 1 4 本文的主要研究内容 本文研究的课题得到了国家自然科学基金( 6 0 4 7 4 0 4 1 ) 以及国家科技攻关计 划项目“电网谐波分析与治理一体化系统”( 2 0 0 2 b a 2 1 8 0 的大力支持课题研 究的目的是针对冶炼厂的谐波特点进行无功功率补偿和谐波综合治理工作。 文中以大功率混合型有源电力滤波器i i h a p f ( h i g h - c a p a c i t y h y b r i d a c t i v e p o w e rf i l t e r ) 的建模和控制策略为核心内容，研究了在不同控制策略下的系统 模型和原理，为控制方法的研究提供了良好的理论基础工作，另外从仿真和工程 实践应用两个方面入手对系统进行了探讨，最后还对本文的研究工f 段疰行总结， 指出进一步研究工作的重点和方向。 中南大学硕士学位论文第二章大功率混合型有源滤波器的结构及建模 第二章大功率混合型有源滤波器的结构及建模 随着有源滤波器的不断应用和发展，未来谐波治理研究和应用的方向主要是 由无源滤波器和有源滤波器构成的混合型有源滤波器，混合型有源滤波器不仅综 合了两者的优点，而且能够改变其拓扑结构来适应不同的工业应用场合的需要 在实际工程应用中，必须根据谐波污染的特点来选择和构造合适的混合型有源滤 波器类型。文中的大功率混合型有源滤波器是针对某冶炼厂的谐波特征而设计， 具有高可控性和快速响应性。本章首先介绍有源滤波器的基本原理和及其拓扑结 构分类，然后详细分析大功率混合型有源滤波器的主电路结构、电气模型，并通 过开关函数法建立了i - i h a p l 7 的数学模型，最后具体分析了逆变器的死区效应，为 下一章的控制方法研究打下理论基础。 2 1有源滤波器的工作原理 图2 - 1 所示为最基本的有源滤波器系统构成的原理图图中e x 表示交流电 源，负载为谐波源。有源滤波器系统由两大部分组成刎，即电流检测电路和 补偿电流发生电路( p 嘲信号发生电路、逆变器驱动电路和主电路三个部分构成) 。 其中，电流检测电路的作用是检测出补偿对象电流中的谐波分量；补偿电流发生 电路的作用是根据检测的谐波电流信号计算产生实际的补偿电流：p 髓信号发生 电路主要是对补偿电流信号进行p 州信号调制；逆变器驱动电路是将所需的补偿 电流功率放大，以驱动功率模块g t 0 i g b r 为主 图2 - 1并联型有源滤波器系统构成 如图2 - l 所示，有源滤波器的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流， 经运算得出补偿电流的控制量信号，进而得到补偿电流，补偿电流与负载电流中 的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当需要滤去负载所产生的谐 波电流时，有源滤波器检测出补偿对象负载电流j 上谐波分量么，将其反极性后作 9 中南丈学硕士学位论文第二章大功空遇合犁商源滤波器勇结塑銎建模 为补偿电流的控制量信号f ；，由补偿电流发生电路产生补偿电流即与负载电流 中的谐波分量么大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流中 只含基波，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： f i s = 屯+ f = o + 么( 2 一1 ) k = 叱 i s = i l + pa i 叮q 一萄 式中0 负载电流的基波值a 2 2 有源滤波器的拓扑结构 前面有源滤波基本原理介绍的是有源滤波器中最早的也是最基本的一种，即 并联型有源滤波器有源滤波器发展至今，其主电路拓扑结构和工作原理都发生 了变化，但都是从最早期的并联型a p f 逐步演变而来的。因此，存在对a p f 的一 般性定义：将系统中所含有害电流( 高次谐波电流、无功电流及零序负序电流) 检出，并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的半导体电力 变换装置 早期提出的有源滤波器是采用单独使用的方案，存在着容量大，开关器件等 级高，初期投资大、运行效率低等缺点为了降低a p f 中有源装置容量，加快工 程实践应用，经过多年的发展，各种各样的补偿方案应运而生“嘲，出现了串 联混合型有源滤波器、并联混合型有源滤波器等多种拓扑结构“j 1 删。如图2 2 所示如今逆变器普遍采用的是电压型逆变器，电压型有源滤波器可以采用多电 压源逆变器串联的结构，便于扩大补偿容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、 价格便宜，适合于构成大容量有源滤波器；而电流型有源滤波器不存在直流端短 路的危险，可靠性高，动态性能好，滤波精度高，但直流端电感损耗大 ( 1 ) 并联型a p f 。 单独使用的并联型a p f 是最早出现的有源滤波结构方式和最早期的有源滤 波装置( 如图2 3 ) ，是a k a g i h 于1 9 8 6 年提出的嘲，也是目前实际工业应用最 多、技术最为成熟的方式这种结构相当于一个谐波电流发生器，它能根据谐波 源电流中的谐波分量产生与之相反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电 流通过不同的控制作用，不仅可以对谐波进行补偿，还可以对无功功率和不平 衡分量等进行一定的补偿，联接也方便。几个并联型有源滤波器还可以并联起来 使用，来补偿大容量的谐波电流，由此可见，并联型有源滤波器结构的应用范围 比较广泛。 l o 中南大学硕士学位论文第二章大功率混合型有源滤波器的缔构垦建模 图2 - 2有铱滤波器的拓扑结构分类 但是，由于该拓扑结构中交流电网的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变 流器上，对开关器件电压等级要求高，对有源滤波装置的容量要求很大，投资也 很大，另外兼具大容量和宽补偿频带比较困难，并且只适合于电流型谐波源的谐 波治理 图2 - 3 并联型a p f ( 2 ) 串联型a p f 单独使用的串联型a p f 通过变压器串联于输电线路中，是另一种基本的a p f 形式( 如图2 - 4 ) 这种结构相当于一个受控电压源，用于隔离谐波源产生的谐 波电压，不能补偿电流性质的谐波，对电压型谐波源有较好补偿特性，因此串联 型a p f 一方面用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适 用于对电压很敏感的负载；另一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的 整流器，避免负载产生的谐波电压影响电网电压波形 但是，串联型a p f 存在绝缘强度高、不能进行无功功率动态补偿等缺点嘲， 且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，因此装置需要容量很大。初期投资 很大，这些都大大限制了串联型a p f 的工程应用范围 中南大学硕士学位论文 第二章大功率混合犁有源滤波器的结构及建模 田2 - 4 串联型a f f 单独使用的并联型和串联型a p f 由于都存在着有源装置容量相对较大，开关 器件的等级较高。存在初期投资大、运行效率低的缺点因此，人们在研究机理 的同时，也致力于降低有源装置容量方案的研究“”删。 ( 3 ) 混合型a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 并联型a p f + 并联p f 最初由t a k e d am 等人1 9 8 7 年提出该拓扑结构( 如图2 - 5 ) ，其基本思想是 利用l c 滤波器来分担有源滤波器的部分补偿任务，减少a p f 所需的容量a p f 仍起着谐波补偿的作用，p f 滤除大部分谐波，因此a p f 容量相对较小l j c 滤波 器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤波器。但是由于a p f 仍然承受全部基波电 压，开关器件的耐压等级并没有降低另外a p f 与p f 之间还存在着谐波通道， 可能使a p f 注入的谐波又流入p f 中 图2 - 5 并联型 ”+ 并联p f a p f 与p f 串联后并联接入电网 1 9 9 0 年，f u j i t ah 等人提出将 p f 与p f 楣串联后与电网并联的混合型方 案1 ( 如图2 - 6 ) 。谐波主要由l j c 滤波器滤除，而a p f 的作用是改善l j c 滤波器 的滤波特性。在这种结构中，a p f 被控制为流控压源，以产生与线路中谐波电流 分量成比例的电压，克服了l c 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发 生谐振等缺点而且a p f 不直承受系统基波电压作用，因此装置容量小，开关器 件耐压等级得以降低 但是该结构对电网中的谐波电压非常敏感，另外为了降低r p f 承受的基波电 中南大学硕士学位论文第二章大功率混合型有源滤波壁堕竺塑! ! ! 咝 压及其流过的基波电流，滤波器支路不能产生较大的无功电流，所以该方式不适 合进行较大容量的无功补偿而且这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选 取l c 网络的调谐频率，不适于非特征谐波源补偿嘲该方式的谐波阻尼j 不能 太大，否则会引起系统不稳定“1 圈2 - f ia p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 串联谐振注入式和并联谐振注入式 为了降低有源装置的容量，移去单独使用方式的a p f 上的基波电压，使有源 装置只承受谐波电压，可以选用串联或并联谐振网络作为注入电路洲构成的串联 谐振注入式和并联谐振注入式混合型有源滤波器h a l f ( 分别如图2 - 7 和图2 - 8 ) 在串联谐振注入式h a p f 中，l c 网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小， 逆变器不承受基波电压，而对高于基波频率的谐波分量，l j c 网络阻抗较大，a p f 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时获得较好的谐波补偿性能和 较小的有源装置容量比较困难，而且注入支路上端的电容将很大 图2 - 7串联谐振注入式h a p f 并联谐振注入方式原理与之类似，l c 网络在基波频率处发生并联谐振，阻 抗很大，基波电压基本上加在l c 网络上，而对于高于基波频率的谐波分量，l c 网络阻抗很小，并应该远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则a p f 产生的谐波 电流的绝大部分也将流入主电路。 串联谐振注入型a p f 能补偿无功功率，既可以由支路的电容补偿，也可以由 中南大学硕士学位论文 一 第二章大功率混合型有源鲨波器的结构垦建模 a p f 进行动态补偿；而并联谐振注入型a p f 不能补偿无功功率，因为支路上端的 并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路，所以 串联谐振注入型a p f 应用更为广泛。 图2 8并联谐振注入式h a p f 串联型a p f + 并联p f 1 9 8 8 年p e n gf z 等首先提出串联a p f 加并联p f 的拓扑结构“仲”( 如图 2 9 ) 在该结构中，谐波电流基本由并联p f 补偿，串联a p f 被控制为流控压源， 相当于一个谐波隔离装置，产生与电网支路中谐波电流成正比的谐波电压因此 对谐波电流而言，a p f 可以等效为一个谐波电阻，当谐波电阻的阻值远远大于电 网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，电网支路电压和电流中将只有很小的谐波残 余。对基波而言，a p f 呈几乎为零的极低阻抗，不消耗基波功率因此，串联a p f 可抑制电网阻抗对l c 滤波器滤波性能的影响和电网与l c 滤波器之问可能发生的 谐振，从而极大地改善l c 滤波器的性能。 但是，由于a p f 串联在电网中，所以它的绝缘比较困难，维护也不方便；在 正常工作时，负载的基波电流全都流过联接用的变压器，使其工程实用性受到限 制 图2 - 9串联型a p f + 并联p f 的h a p f “) 其他混合型 并联型a p f + 串联型a p f 1 9 9 4 年，a k a g i1 t 等提出一种将串联型a p f 和并联型a p f 进行混合的i t a p f t m 中南大学硕士学位论文第二章大功率混合掣有源滤波器的结构及l ! 堡 ( 如图2 - 1 0 ) ，这种h a p f 也称为统一电能质量调节器u p o c ( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 。u p q c 结合了两种a p f 的优点，其中串联型a p f 将电源 和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网；并联型 a p f 提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。该方案在电网与 公共连接点之间同时实现了电压和电流的净化但是，由于要选择特定的控制方 法来限制串联和并联逆交器的功率等级，u p q c 只能补偿一定量的无功，当负载 变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平 衡电流时，不能修正线路的不平衡电流，因此不能减少三相四线电网中中性线的 功率损失伽当然，在目前的开关器件制造水平下，u p q c 系统的初期造价相当 高。 。 图2 - 1 0 并联型a p f + 串联型a p f 多重化逆变器+ p w m 逆变器 图2 一l l 所示的i i a p f 系统由一个多重化逆变器和一个p w m 逆变器组成嗍多 重化逆变器用于基波无功功率的补偿，可用若干个6 脉冲逆变器组成，以得到较 好的输出波形，提高装置容量，满足大容量无功功率补偿的需求。p 嘲逆变器仅 用于补偿负荷中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流，p 删逆变器所承受 的电压也较小这样可以显著降低p w m 逆变器的容量，并减小开关损耗但是， 这种补偿方式一般需采用3 个单相的p 州逆变器和1 个多重化逆变器。增加了装 置的复杂性和造价。 图2 - 1 1多重化逆变嚣+ p l 眦逆麦器的h a p f 中南大学硕士学位论文 第二章大功率混合犁有源滤波器的结构犀建模 2 3h h p f 的结构及其工作原理 本文研究重点是针对冶炼厂的谐波治理，从以上的拓扑结构分析，可以总结 系统中有源滤波器应用的特点如下： ( 1 ) 谐波治理的目的是防止低电压等级电网的谐波电流注入高电压等级电网， 应采用并联型有源滤波器； ( 2 ) 为了节省投资，宜采用由有源滤波器与无源滤波器的拓扑结构，另外无源 滤波器应具备一定的无功功率补偿能力，避免装设额外的并补电容器； ( 3 ) 尽量降低有源部分的容量； “) 要求有源装置的接入、绝缘和维护比较简单。 2 3 1 常用姒p f 主电路结构 并联混合型有源滤波器具有安装、维护简单的优点，可以直接在已有的无源 滤波器上进行改造，因此并联型有源滤波器的使用最为广泛 图加1 2 所示为目前常用的一种并联混合型有源滤波器，其中无源滤波器由 谐振频率与电网特征谐波频率相同的单调谐滤波器并联而成，图2 - 1 2 中g ，l ， g nl 。和c t 、k 就分别构成了2 、5 、7 次l c 单调谐滤波器，有源滤波器采用三相 桥式有源逆交器构成。这种混合型有源滤波器采用有源滤波器和无源滤波器相串 联后再并联接入电网的拓扑结构形式，电网谐波主要靠无源滤波器来抑制，而有 源滤波器仅用来改善无源滤波器的滤波效果和抑制可能发生的谐振在这种拓扑 结构中，有源滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量大大减少，通常 只需要非线性负荷总容量的十分之一左右 # 蛙性盘t 图2 - 1 2a p f 与p f 串联后再并联接入电网的l a p f 由于在这种拓扑结构中 p f 不直接承受交流电源的基波电压作用，因此有源 1 6 中南大学硕士学位论文第二章大功率混合型有源滤波器的结构器建模 部分所需容量大大减