（控制科学与工程专业论文）关联型有源电力滤波器谐波电流检测及控制策略的研究.pdf

i 弋l ， 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论文中作了明确的说明。 作者签名：坐 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 由于电网中非线性负载的应用日益广泛，电网中谐波的含量也 越来越多，直接造成电能质量越来越差。有源电力滤波器以其优越 的补偿性能，己成为综合治理“电网污染”最有效的手段。其中并联 型有源电力滤波器占据重要地位。 论文首先详细论述了有源电力滤波器的概念、原理及其发展过 程，并介绍了有源电力滤波器的分类，给出了三相三线制并联型有 源电力滤波器的系统构成以及数学模型。 然后深入分析了基于瞬时无功功率理论的i 。一乞谐波电流检测方 法，通过采用模拟滤波和数字滤波相结合的方法，较好地解决了电网 谐波治理中由于模拟抗混叠滤波器在通带内非平直特性所产生的谐 波测量误差问题。并加入延时补偿角，能够减小数字控制中延时对 谐波电流补偿的影响。仿真结果证实了该方法的正确性。 针对谐波补偿中模糊白整定p i 控制和重复控制各自的优缺点，提 出了模糊自整定p i 重复控制的复合控制方法，其中重复控制的采用 是用来保证系统的静态精度，而模糊自整定p i 控制的采用则提高了系 统的动态性能。为了保证有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定，采 用p i 控制器去控制直流侧电压。详细介绍了控制器各个环节的设计过 程，并用m a t l a b 仿真验证了系统的可行性。 最后介绍了基于州s 3 2 0 f 2 81 2 数字信号处理器的有源电力滤波 器控制系统的设计，包括硬件电路的设计和软件设计。 关键词：谐波，有源电力滤波器，检测，模糊自整定p i ，重复控制 a b s t r a c t w i t ht h ep r o l i f e r a t i o no fn o n l i n e a rl o a d si ng r i d ，m o r ea n dm o r e h a r m o n i cc u r r e n th a si n c r e a s e d t h i sc a u s e st h ed e t e r i o r a t i o no ft h e p o w e rq u a l i t y t h e r e f o r e ，w i t hi t sp r e d o m i n a n tc o m p e n s a t ep e r f o r m a n c e ， t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sc o n s i d e r e da st h em o s te f f e c t i v em e t h o dt o e l i m i n a t et h es e r i o u s ”p o w e rp o l l u t i o n a tp r e s e n t t h es h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e rp l a y st h em o s ti m p o r t a n tr o l ei nt h ep a s to rf u t u r e f i r s t l y ，t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ec o n c e p t ，p r i n c i p l ea n d d e v e l o p m e n tt r e n d so fa p fi n d e t a i la n da n a l y s e st h ec l a s s i f i c a t i o no f a p f t h i sd i s s e r t a t i o nh a sp r e s e n t e dt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c m o d e lo ft h r e e p h a s et h r e e w i r es h u n ta p f f u r t h e r m o r e ，d e e p l ya n a l y z i n g t h e i p i qh a r m o n i c s c u r r e n td e t e c t i n g m e t h o db 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 y ，t h r o u g ht h eu s eo f a n a l o g d i g i t a lf i l t e rc o m b i n e dc a no v e r c o m et h em e a s u r e m e n t e r r o rt h a ti s m a d eb ya n t i m i xa n a l o gf i l t e rw i t hn o n l i n e a r i t yi nt h ep a s s b a n d a d d i n gt h ec o m p e n s a t o r ya n g l ec a nr e d u c et h ei n f e c t i o no ft h ed i g i t a l c o n t r o l l e r sd e l a yt i m e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so ft h e a l g o r i t h m b a s eo i ld e e p l ya n a l y z i n gt h ea d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so ft h e a d a p t i v ef u z z yp ic o n t r o la n d t h er e p e t i t i v ec o n t r o li na p fr e s p e c t i v e l y ， t h ed i s s e r t a t i o na d o p t e da d a p t i v ef u z z yp i - r e p e t i t i v ec o m b i n e dc o n t r o lt o c o r r e c tt h eo u t p u tc u r r e n tw a v e f o r i l lo ft h ea p et h er e p e t i t i v ec o n t r o li s u s e dt oi m p r o v et h es t e a d ys t a t ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o ls y s t e m ；t h e a d a p t i v ef u z z yp ic o n t r o li su s e d t oi m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ec o n t r o ls y s t e m ；t h ed i s s e r t a t i o na d o p t e dp ic o n t r o lt om a k e sd cs i d e v o l t a g eo fa p fs t a b i l i t ya tt h es t a n d a r d t h i sd i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e so n t h ed e s i g np r o c e s so fl i n k si nr e p e t i t i v ec o n t r o l ，s i m u l a t i o ni nm a t l a b s h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di sv a l i da n df e a s i b l e f i n a l l y ，t h ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi s b a s e do nt id i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) 们m s 3 2 0 f 2 8 l2i s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r e c i r c u i ts t r u c t u r e sa n dt h es o f l 2 - v a r es t r u c t u r e s k e y w 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 ，d e t e c t ，a d a p t i v ef u z z y p i ，r e p e t i t i v ec o n t r o l i i i 目录 摘j 1 2 e i a 】b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义l 1 1 皆波的产生和危害1 1 1 2 谐波治理的方法2 1 2 有源电力滤波器的研究现状和发展趋势3 1 3 本文的主要内容4 第二章有源电力滤波器的原理及结构5 2 1 有源电力滤波器的基本原理5 2 2 有源电力滤波器的分类6 2 2 1 按变流器直流侧储能元件分类6 2 2 2 按供电系统类型分类7 2 2 3 按与电网的连接方式分类8 2 3 并联型有源电力滤波器主电路的研究1 0 2 3 1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型1o 2 3 2l c l 滤波器的设计1 2 2 4 本章小结1 4 第三章谐波电流的检测15 3 1 谐波电流检测方法的现状1 5 3 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法1 6 3 2 1 瞬时无功功率理论介绍1 7 3 2 2 p 、q 运算方式- 19 3 2 3 i p 一运算方式l 9 3 3 基于数字系统的f p 谐波电流检测方法的研究一2 2 3 3 1 电网谐波检测中的数字抗混叠方法2 2 3 3 2l p f 的设计2 4 3 3 3 基于延时的相位补偿。2 5 3 3 4 仿真结果分析2 6 3 4 本章小结3 0 第四章有源电力滤波器控制的研究3 1 4 1 并联型a p f 控制方式的研究3l 4 2 补偿电流的跟踪控制一3 2 i v 4 2 1 补偿电流控制方法简介3 2 4 2 2 模糊自整定p i 控制3 4 4 2 3 重复控制。3 7 4 2 4 复合控制3 8 4 3 直流侧电压的控制4 5 4 4 系统仿真分析4 7 4 5 本章小结51 第五章基于d s p 的数字控制系统的设计5 2 5 1 控制系统的硬件设计5 2 5 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的介绍5 2 5 1 2 电源管理单元5 3 5 1 2 电流检测电路5 4 5 1 3a 相电压过零检测及分频电路5 5 5 1 4 直流侧电容电压检测电路5 6 5 1 5 光耦隔离电路5 7 5 2 控制系统的软件设计5 7 5 2 1 主程序5 8 5 2 2 中断服务程序5 9 5 3 本章小结61 第六章总结与展望6 2 参考文献6 3 至i 谢。6 7 攻读硕士学位期间发表的论文6 8 v 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 电能是人们社会生活和生产中的重要能源，优质的电能是人们一直追求的 目标。我们希望电力系统的交流电压和交流电流是理想的正弦波形，但是实际 上并不能实现，接入电网中的各种非线性负载所引起的谐波电流注入电网，是 使供电电压和电流产生畸变、电能质量下降的主要原因【1 1 。谐波作为评价电能 质量的一个重要因素，已引起人们越来越多的关注。随着社会的发展和科技的 进步，人们对电能质量的要求日益严格，为保障供电用电双方的合法利益，必 须采取有效的治理谐波的措施，严格控制电网中谐波的含量，才能确保电能的 质量【2 1 。 本章从谐波的产生和危害出发，探讨了谐波治理的意义和主要方法，阐述 了有源滤波技术的发展概况和国内外研究现状，最后介绍了本文研究的主要内 容。 1 1 课题背景及意义 1 1 1 谐波的产生和危害 “谐波 这个名词最早来源于声学。在电力系统中，国际电工标准 ( i e c 5 5 5 - 2 ，1 9 8 2 ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 定义谐波为：“谐波分量为周 期量的傅立叶级数中大于1 的n 次分量 ；i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中定义谐波为：“谐 波为一周期波或周期量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍 1 3 】。 早在上世纪初，电力系统的谐波就引起了人们的关注。直到上世纪5 0 一6 0 年 代，因为高压直流输电技术的飞速发展，才出现了大量关于电力系统谐波的论 文【1 1 0 电网中，我们希望交流电压和交流电流的波形是正弦波形，在发电机、变 压器等设备正常运行时，是不会产生明显的谐波，但是由于近年来，电网中大 量电力电子设备的应用，使得电压和电流的波形都产生了严重的畸变，出现了 大量的谐波。电网中主要有以下两类谐波源【4 l ： ( 1 ) 含有半导体的设备，如常见的整流器、逆变器、变频器等； ( 2 ) 含有电弧和铁磁元件的设备，如电焊机、电弧炉等。 电力系统中谐波污染直接对电力系统的发输配电系统和接入电网的各种用 电设备甚至其它系统造成严重的危害，主要表现有【l 儿s l ： 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 给发输配电系统造成的影响。如谐波使电网元件产生了附加的谐波损 耗，使发电、输电的效率大为降低；谐波可能引起电网中局部谐振，造成严重 的安全事故等。 ( 2 ) 给电网中用电设备造成的影响。如使电机产生附加损耗；使日光灯的 镇流器过热甚至损坏等。 ( 3 ) 对其它系统的影响。如谐波会使周边的通信设备受干扰，直接影响通 信效果，严重时甚至会导致整个通信系统瘫痪；谐波也可造成控制系统不能正 常工作，可靠性下降等。 电力系统中谐波的危害实在太多，而用户对电能的质量要求却越来越高， 因此治理谐波刻不容缓。 1 1 2 谐波治理的方法 为有效的治理电力系统中的谐波，将谐波的危害降到最低，目前主要有三 类方法【6 】。 ( 1 ) 主动治理谐波法。就是从谐波的来源出发，改造产生谐波的设备，使 之产生的谐波在允许范围内，或者根本不产生谐波( 甚至功率因数为1 ) 。主动 治理谐波的措施有：增加产生谐波的整流装置的相数、采用脉宽调制 ( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术、采用多重化技术、采用软开关技术等。 ( 2 ) 被动治理谐波法。就是使用谐波补偿装置，滤除谐波源产生的谐波， 使得流入电网的谐波尽可能少。被动治理谐波措施有：无源滤波器 ( p f ，p a s s i v ef i l t e r ) 滤除谐波；有源电力滤波器( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 滤除 谐波；混合有源电力滤波器( h a p f ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 滤除谐波。 ( 3 ) 受端治理法。就是从受谐波影响的设备或系统出发，提高设备或系统 的电磁兼容性能，减少其受谐波的干扰。受端治理的措施主要有：使用更加合 适的电源；提高设备或系统自身的抗干扰性能等。 作为一种主动的谐波治理方法，主动治理谐波法的目标是对谐波源本身进 行改进，而不是改善整个电网性能。受端治理只是减少设备或系统受谐波的干 扰，而没有从根本上消除谐波危害的隐患。对于整个电网来说，被动治理谐波 法应是最有效治理谐波的手段1 7 1 。 被动治理谐波法中p f 成本低，结构简单，还可对无功进行补偿，且技术比 较成熟，是目前使用最为普遍的谐波治理工具。不过仍有不少缺点：p f 的滤波 效果受电网参数影响，可能与电网一起产生谐振，使p f 过载甚至烧毁；p f 只 能补偿某些固定次数的谐波，对于运行中谐波次数会产生变化的负载，谐波治 理的效果并不好【8 】。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 随着电力电子技术的不断发展，a p f 逐渐成为治理谐波的主要方法之一 与p f 相比，a p f 具有以下一些优点：a p f 能对快速变化的谐波电流进行实时的 精确补偿，且补偿效果不受电网参数影响，用一个a p f 就能完成各次谐波的治 理【9 1 。 h a p f 兼具p f 造价低和a p f 性能好的优点，属于a p f 的分支。 a p f 和h a p f 是治理谐波的最有效工具。以前由于受到功率器件制造水平 的限制，a p f 未能得到快速发展。随着各种新型功率器件的出现，各种实用控 制算法的提出，以及数字控制技术的不断进步，使得a p f 步入了实际应用阶段。 1 2 有源电力滤波器的研究现状和发展趋势 a p f 的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代，7 0 年代正式确立了有源滤波 的概念和基本原理。但是由于受到当时功率器件制造水平的限制，全控型功率 器件功率小、频率低，使得a p f 只局限于实验研究。进入8 0 年代以后，随着 各种新型功率器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 的出现，以及各种实用的谐波检测方法 及跟踪控制算法的提出，使得a p f 得到迅速完善和发展，特别是赤木泰文等人 提出的“三相电路瞬时无功理论，很好地解决了谐波和无功电流的瞬时检测问 题，使得a p f 的研究取得了新的突破，逐渐在工业场合得到广泛应用，进入实 际应用阶段i j 。 随后几十年，有源电力滤波器发展迅速，技术也越来越成熟。1 9 9 0 年，日 本科学家h f u j i t 等提出将a p f 与p f 串联混合使用的滤波方案，几年后，日本 的研究人员又针对未来电力系统提出了一种新的称做统一电能质量调节器 ( u p q c ，u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 的a p f 拓扑结构。 在日本、德国、美国等发达国家a p f 的应用得到了高度重视，已经广泛用 于国民经济的各个生产部门。当前，全球生产a p f 的主要厂商有三菱电机、西 门子等。在日本，已有很多台a p f 投入生产中运行，容量从5 0 k v a 到6 0 m v a 不等。我们国家在a p f 方面的研究起步较晚，直到上世纪九十年代，一些研究 机构才开始进行有关a p f 的研究，但是这些研究得到了学术界和企业界的鼎力 支持，为之学术界和企业界投入了大量的人力和物力，目前已经有不少产品问 世并投入使用，不过和工业发达的国家相比还是有一定的差距【l l 】 近年来，关于a p f 的论文、专著相继得到发表或出版，面向企业配电网的 a p f 也不断投入到工业实用中，这些都极大地推动了a p f 的发展，目前，关于 a p f 的研究主要集中在以下几个方面【1 2 】： ( 1 ) 合理的主电路设计。主电路的参数直接影响a p f 的性价比，因此需要 认真选取每个参数，比如变流器直流侧电容的容量大小、两端电压值及交流侧 中南大学硕士学位论文第一章绪论 电感值、电容值等。 ( 2 ) 更为完善的谐波电流检测理论。目前的谐波电流的检测方法绝大多数 都是以瞬时无功理论为基础的，但是一些量的物理概念在瞬时无功功率理论中 还是很模糊，不是很容易让人理解；此外在实用中，还必须解决延时问题；我 们还要注意补偿的灵活性，如选择性的补偿某次或某些谐波 9 1 。 ( 3 ) 快速、准确的补偿电流跟踪能力。a p f 系统对补偿电流的跟踪能力直 接决定了a p f 的补偿性能。随着先进的数字信号处理器( d s p ) 、单片机的出 现，采用数字控制来实现对a p f 的控制已成为a p f 的发展趋势之一。另外那些 易于用数字方法实现的先进控制算法，如预测电流控制技术也必将成为a p f 研 究的热点i l o l 。 ( 4 ) 降低装置容量。在同等容量下，a p f 的造价要远远高于p f ，为降低a p f 的容量，可以将a p f 和p f 混合使用，以提高系统的容量和总体的补偿效果。另 有研究人员提出了一些其它的主电路拓扑结构，如注入回路方式等，以降低a p f 成本。 ( 5 ) 系统的数字化和多功能化。提高a p f 系统的可靠性，降低系统的损耗。 增加滤波器的功能，使其不仅可以补偿谐波电流，还可以补偿无功、显示各次 谐波含量等。 1 3 本文的主要内容 本文主要进行了以下几个方面的研究。 ( 1 ) 介绍了a p f 的研究现状、发展趋势和基本原理；从几个不同角度对 a p f 进行了细致的分类。深入研究了三相三线制并联型a p f 的工作原理，对其 主电路进行了数学建模。 ( 2 ) 介绍了已有的主要谐波电流检测方法。详细分析了基于瞬时无功功率 理论的岛法，通过采用模拟滤波和数字滤波相结合的方法，较好的减少了数 字采样中混叠现象引起的谐波电流检测误差。相位补偿角的引入，减少了数字 系统中延时引起的谐波电流检测误差。 ( 3 ) 比较了a p f 电流环常用的几种控制方法。对电流环采用模糊自整定p i 控制和重复控制分别进行了分析，总结了两种方法各自的优缺点。最后提出了 采用模糊自整定p i 加重复控制的复合控制方法，通过仿真证明了复合控制能很 好地保证系统的静态和动态性能。 ( 4 ) 介绍了并联型a p f 控制系统的硬件设计和软件设计。 4 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 第二章有源电力滤波器的原理及结构 有源电力滤波器是一种既能动态治理谐波又能补偿无功的电力电子装置。它 能对幅值及频率变化的谐波甚至变化的无功进行补偿，而又可以克服l c 滤波器 等传统的谐波治理和无功补偿方法的缺点，所以成为了目前谐波治理和无功补偿 的研究热点。 本章首先介绍a p f 的基本工作原理，然后介绍了a p f 的分类。最后详细介 绍了三相三线制并联型a p f 的主电路并给出了数学模型。 2 1 有源电力滤波器的基本原理 并联型a p f 和串联型a p f 是a p f 最基本的两种结构，较之串联型a p f ，并 联型a p f 在实际应用中用得更多。图2 1 所示为最基本的并联型a p f 系统结构 图。 图中e 。是交流电源，电源电流为f 。，作为谐波源的非线性负载，在带来大量 谐波的同时，还消耗无功功率。其中指令电流运算电路的主要作用是通过检测得 到补偿对象负载电流中的谐波和无功等需补偿的电流分量。补偿电流发生电路包 括电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路三部分，其主要作用是根据指令电流运 算电路得到的需补偿电流的指令信号，控制主电路产生实际的补偿电流。这两大 部分共同组成了a p f 系统。主电路目前大都采用p w m 变流器。作为主电路的 p w m 变流器既工作在逆变又工作在整流状态，而且两种状态不能明显分别，故 在本论文中将其称为变流器。 图2 1并联型有源电力滤波器系统结构图 中南大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的原理及结构 a p f 的基本工作原理是，通过电压和电流传感器实时检测补偿对象( 非线性 负载) 的电压和电流信号，然后经指令电流运算电路计算出补偿电流指令信号， 以此信号作为参考输入去控制变流器，使变流器输出与补偿电流大小相等、相 位相反的实际补偿电流，以实现谐波及无功补偿的目的，最终得到期望的电源 电流。 如图2 1 ，假如要抑制电流中的谐波，则可以通过a p f 的指令电流运算电 路，得到负载电流f ，中需补偿的谐波分量f 川再将f ，。反极性后得到f c ，把f ，作 为补偿电流的指令信号，使补偿电流发生电路产生实际补偿电流t ，它与f ，。大 小相等、方向相反，两者之和为0 ，可以相互抵消，使得f 。中只含基波分量f ， 谐波分量全部滤除。这样抑制f 中谐波电流的目的就达到了。上述原理可以用 以下的公式组表示： = t + 之 屯2b + ( 2 1 ) t = 一么 = 屯+ 之20 当a p f 既要补偿谐波又要补偿负载消耗的无功功率时，则只要在t 中增加 与屯的基波无功电流分量大小相等、极性相反的成分就可以了。这样，t 就可以 将屯中的谐波及无功电流成分抵消掉，只包含屯的基波有功分量。补偿以后的 t 波形将是一个与电源电压频率、相位皆相同的标准正弦波，则a p f 不但可以有 效的抑制谐波而且能补偿无功，理想情况下可实现单位功率因数【1 1 。 2 2 有源电力滤波器的分类 经过几十年的发展，有源电力滤波器衍生出了很多种类型，它们的工作原理 不完全一致，分类方式也各种各样。 按变流器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可以分为电流源型a p f 和 电压源型a p f ；按供电系统类型分类，有源电力滤波器可分为单相a p f 和三相 a p f 两种，其中三相的包括三相三线制a p f 、三相四线制a p f 等；按与电网的 连接方式分类，有源电力滤波器可分为并联型a p f 和串联型a p f 以及混合型 a p f 三大类【l 】【1 2 1 。 2 2 1 按变流器直流侧储能元件分类 从变流器直流侧储能元件这个角度，a p f 可以分为：电流源型a p f 和电压 源型a p f 。a p f 主电路中，为了实现补偿目的，直流侧必须要与交流侧交换能 6 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 量，这就要求主电路的直流侧要有储能元件，既可以用大电感储能，又可以用大 电容储能。因此a p f 既有直流侧储能元件采用电感的电流源型a p f 又有直流侧 储能元件采用电容的电压源型a p f 。 电流源型a p f 如图2 2 所示。在正常工作情况下，流经大电感的电流变化非 常小，具有电流源的性质。由于电流源型a p f 直流侧的储能元件是电感，故在装 置发生短路等故障时，可以阻碍电流的急剧变化。但由于一直有电流流过电感， 在电感的内阻不能忽略情况下，电感将消耗较多的能量，因此，电流源型a p f 不 适用于大容量系统，目前使用较少【1 3 l 。 电压源型a p f 如图2 3 所示。在正常工作情况下，大电容两端的电压波动非 常小，具有电压源的性质。电压源型a p f 通过控制变流器的输出电压而得到所需 要的补偿电流。电压源型a p f 损耗小、效率高、性价比高，特别适用于电网级别 的谐波治理。但它存在一个致命的缺点：由于直流侧为电容，如果变流器的某个 桥臂发生短路，就会造成直流贯通短路，造成很大的危害，这就对主电路的保护 提出很高的要求。目前电压源型a p f 技术相对成熟、完善，市场占有率在9 0 以 匕。 芦氍。哇r 图2 2 电流源型a p f图2 - 3 电压源型a p f 本文选择使用的主电路结构为电压源型。 2 2 2 按供电系统类型分类 根据供电系统的不同，可将a p f 分为单相a p f 和三相a p f ，其中三相a p f 又 可分为三相三线制a p f 和三相四线制a p f 。 单相a p f 用于抑制单相系统的谐波，一般用于小功率场合，比如医院、学校 以及小型工厂等。单相负荷般都是由三相四线制系统供电的，这些负荷不仅给 三相四线制系统带来了谐波和无功电流，还容易使三相四线制系统不平衡。三相 四线制a p f 的研制就是为了抑制这类系统出现的谐波。三相三线制a p f ，用于 治理三相三线系统的谐波，实际应用中占多数，因此本文主要研究的就是三相三 线制a p f 。 7 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 2 2 3 按与电网的连接方式分类 从与电网的连接方式这个角度分类，a p e 可分为并联型a p f 和串联型a p e 以及并联和串联一起使用的混合型a p e - - 大类。 ii 单独使用方式 一串联型h 。一 。 i l 串联a p f + 并联p f i ”“ - - 单独使用方式 一# 咩滑厶捌l j l 并联a p f + 并联p f l 有源电力滤波器l i 并联型卜 升状偶。型广 i d 口b d 口由碰e * 碰体、d 1 丽l r r 与r r 甲肽届升耿援八电阳1 一审雠：出拒士 注入回路方式 i ”8 “、 - i 并联谐振式 - i 并联a p f + 串联a p f 图2 - 4a p f 连接方式分类 ( 1 ) 并联型a p e 并联型a p e 是a p e 中最基本的一种结构，同时也是现在工业中实际应用最 多的一种a p e 。 并联型a p e 与负载并联接入电网，主要用于电流型负载的谐波补偿。它可 等效为一个受控电流源，通过向电网注入与谐波电流大小相等，极性相反的补 偿电流，来抵消谐波源所引起的谐波，从而达到谐波治理的目的。 如图2 5 ，单独使用的并联型a p e 具有很多优点，比如可实现的功能比较 灵活、保护简单等优点。但由于电源电压是直接加在变流器上，因此对变流器 的功率器件的耐压等级要求比较高，全部谐波电流的补偿任务差不多全由a p e 承担，在负载谐波含量较高时，这就需要a p e 的容量很大，使得成本较高。 图2 - 5 单独使用的并联型a p f 8 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 在使用a p f 的同时，可采用p f 来承担大部分滤波任务以降低并联型a p f 的 容量，较之a p f ，p f 结构简单、易实现，且成本低，两者结合同时使用，不仅 扩大了补偿装置的补偿容量，还降低了补偿装置的的成本，使整个系统获得良 好的性能，在补偿任务相同的情况下减小了a p f 的容量【1 4 1 。并联型a p f 与p f 混合使用的方式有并联和串联两种，如图2 - 6 ，图2 7 。 图2 - 6 并联型a p f 与p f 并联混合使用图2 - 7 并联型a p f 与p f 串联混合使用 a p f 的容量由其承受的电压和流经的电流共同决定，为减小a p f 的容量， 降低功率器件的耐压等级，可设法使a p f 所承受的电压降低。为了减小单独使 用的a p f 上承受的电网电压，可以利用电感电容电路的谐振特性，使得a p f 只 需承受很小部分的电网电压，从而极大地减小a p f 的容量。串联谐振式注入型 a p f 和并联谐振式注入型a p f 分别如图2 8 ，图2 9 所示。 图2 8串联谐振式注入型a p f图2 - 9 并联谐振式注入型a p f ( 2 ) 串联型a p f 串联型a p f 通过耦合变压器串联到输电网络中，是另一种基本的a p f 结 构，它等效于一个受控电压源，通过跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生极性 与之相反的谐波电压，从而抑制谐波源引起的谐波电压 串联型a p f 能补偿电压性质的谐波，特别适用于对电压敏感的负载，容量 小，运行效率高，这是它的最大优点。但与并联型a p f 相比，串联型a p f 的主 要缺点是不能补偿电流性质的谐波，且流过的负载电流很大，因此损耗较大； 此外串联型有源电力滤波器的投切、以及各种保护措施较为复杂。目前单独使 用串联型a p f 的例子较少，研究一般集中在其与p f 并联混合使用，如图2 一l l 9 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 所示。 图2 1 0 单独使用的串联型a p f图2 - 1 1串联型a p f 与p f 并联混合使用 ( 3 ) 并联型a p f 与串联型a p f 混合使用 1 9 9 4 年，提出了一种并联型a p f 和串联型a p f 混合使用的新型a p f 拓扑结 构，这种h a p f 也叫做统一电能质量调节器【1 5 l 。u p q c 具有两种a p f 的共同的 优点，是针对未来电力系统设计的，目前制造这种a p f 的成本相当高，图2 1 2 给出了u p q c 的拓扑结构。 图2 1 2 并联型a p f 与串联型a p f 混合使用 2 3 并联型有源电力滤波器主电路的研究 2 3 1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型 三相三线制电压源型a p f 在a p f 的实际工业应用中占大多数。其中，单独 使用的并联型a p f 是最基本的一种，在工业中也应用最广泛。故本文主要研究 了三相三线制单独使用的并联型a p f ，对于单相或三相四线制的系统，只需在 三相三线制的基础上适当变化即可，对此不再详细介绍【1 6 1 。 要想有效地分析和研究有源电力滤波器，必先建立有源电力滤波器的数学 模型。本文研究的a p f 的主电路结构见图2 1 3 。 1 0 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 图2 - 1 3 并联型有源电力滤波器主电路结构图 如图2 1 3 所示，为了对开关纹波更好的吸收，变流器输出滤波采用l c l 滤 波器【1 7 1 。厶为变流器侧滤波电感，厶为电网侧滤波电感，c 为滤波电容，c 为 变流器直流侧电容，是电容负端相对电源公共点的电压，t ，幺为补偿电 流。开关纹波电流主要流入l c l 中的电容，基本不流入电网。变流器的交流侧 可用公式描述为 旷1 1 c d 讲2 e 4 _ ( 厶蝴争厶岛c 譬= 吃一厶c 百d 2 e b 也+ 一- 以d 一- + 厶岛c 譬= ( 2 - 2 ) 巳邯鲁也蝴鲁+ 厶厶c 譬巩 其中 i “d r = s a u d c + = 魏+ ( 2 - 3 ) 【u 盯= 瓯+ 式中，& ，爱是开关函数。其取值原则如下：当i 桥臂的上管导通，下管截止时 墨= l ；当f 桥臂的下管导通，上管截止时s - o 。其中i = a ，b ，c 流经变流器直流侧电容的电流为 c 等= 么= ( 疋乙+ + 疋。) ( 2 - 4 ) 在对称的三相三线制系统中，三相电流之和始终为零，即 k + k + = 0 ( 2 - 5 ) 由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 、式( 2 - 4 ) 和式( 2 5 ) 则可以推导出 = l ( u a r + l l b r + l l c r ) 一丢( 配+ 岛+ 墨) ( 2 6 ) ，) 中南大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的原理及结构 a p f 主电路中功率器件的通断，是由采样时刻处补偿电流指令信号、实际 补偿电流和指令信号的偏差、s 取值原则三者共同决定。 2 3 2l c l 滤波器的设计 将a p f 结构化简，可得到其l c l 等效原理图，如图2 1 4 所示。通过l c l 滤 波器，可把p w m 变流器输出的电压信号转变成需补偿的谐波电流，最后注入 电网。在变流器输出的电压中含有变流器开关频率及其附近的谐波，应避免流 入电网【1 8 】。 厶接变流器，把变流器输出的电压信号转换为谐波电流信号，由于电感 可以阻碍流经其电流的变化，故可在一定程度上进行滤波。厶与c 可对中高 频的开关频率及其附近的谐波进行滤波，滤波的效果由厶和c 在开关频率及其 附近的阻抗来确定，最后得到输出的补偿电流厶。由于厶和c 的滤波，厶中的 开关纹波比要小。厶越大，厶和c 所要滤除的开关纹波成分就越小，这样虽 然可以减小c 的大小，但是增大厶会影响a p f 的动态性能，使补偿效果最终变 兰f 1 9 1 - 2 c 0 l t k l ll t 图2 1 4l c l 单相等效原理图 设厶、厶和c 的内阻分别为心、心和& ，根据l c l 等效原理图，可得 到l c l 的传递函数 耶) = 焉2 研蒜( 2 - 7 ) 其中尸( s ) = r c c s + l ，奶= 厶厶c q = ( 心+ p c ) 气c + 心g c + t , + 厶， ， q 2 = 【( 心+ ) 厶+ ( 气+ ) 厶】c 珐= 气+ 心 心、心和的阻值很小，若忽略，则日( s ) 可以简化为 ( 2 - 8 ) 丽 = x ”删 日 中南大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的原理及结构 图2 1 5 为在电感值相等下，l c l 滤波器和l 滤波器的波特图。 图2 - 1 5l c l 滤波器和l 滤波器波特图比较 由图2 1 5 可知，在频率较低时，l c l 滤波器和l 滤波器一样，都是以 2 0d b 1 0 倍频的速率衰减，但是在频率很高时，l c l 滤波器是以6 0d b 1 0 倍频 的速率衰减，而l 滤波器却仍然是以2 0d b 1 0 倍频的速率衰减，由此可见，在 频率较高时，l c l 滤波器的滤波性能要比l 滤波器好。 但是l c l 滤波器存在谐振峰，必须采取抑制措施，其谐振角频率为 = 胨 ( 2 - 9 ) l c l 滤波器是在l c 滤波器的基础上添加了一个网侧电感而成，相当于使 电网阻抗值增大了，这样用很小的电容就可得到良好的滤波效果，从而使流入 电网的变流器开关纹波减少了。 将厶等效到电网内部的阻抗，就可以l c l 滤波器的设计简化成l c 滤波器 的设计，等效电路图如图2 1 6 所示。 l 一 = 一 j = cp 图2 1 6l c l 简化单相等效原理图 1 3 中南大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器的原理及结构 图2 - 1 6 中乙为电网阻抗z 等效到a p f 侧的阻抗和厶的阻抗也之和，设 a p f 和电网之间的耦合变压器的变压比为甩：1 ，则 乙= 疗2 z + 吒 ( 2 1 0 ) 厶、厶和c 的设计必须满足以下二个条件【2 0 】： ( 1 ) 在开关频率及其附近，( 砟z 0 ) “k ( 其中丘为c 的阻抗，瓦 为厶的阻抗) 。这样就可以使a p f 输出的开关纹波电压基本由厶承担，而电容c 两端的开关纹波电压就很小。还要保证砟“x ，这样就可以使经厶滤波后 还剩下的高频电流分量尽量流经电容c ，最终就可以使很小的开关频率电流注 入电网。 ( 2 ) 、瓦 乙。满足该条件的即可保证电感厶和电容c 之间的分压 受z 。的影响不大，同时这也可以降低有源电力滤波器的容量。 本文研究的a p f 是针对用于低压配电网( 相电压有效值2 2 0 v ，频率为 5 0 h z ) 、补偿容量为1 0 0 k v a 的并联型有源电力滤波器。p w m 调制频率为 6 4 k h z 、变流器直流侧电压为8 0 0 v 。综合考虑取厶= l m h ，c = 5 u f ，厶= l m h 。 2 4 本章小结 本章详细介绍了a p f 的工作原理，从变流器直流侧储能元件的不同、供电系 统类型及