（控制理论与控制工程专业论文）并联电压型有源电力滤波器的开发.pdf

中文摘要 随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展，有源电力滤波器取 得了飞速的发展，可以对谐波、无功以及负序电流实现实时、准确地补偿，目前 被公认为是综合治理“电网污染弹最有效的手段，因此得到了广泛的研究，并开 始进入工业应用阶段。 本文首先对有源电力滤波技术产生的背景、发展现状以及发展趋势作了详细 的阐述，并介绍了有源滤波器的分类及其原理，对基于瞬时无功功率理论的谐波 检测方法进行详述，莠改进了原来广泛采用鲍三角载波脉宽调制方法，转嚣采用 基于非对称规则采样的脉宽调制方法，可以实现准确的谐波检测与p w m 信号产 生。 进一步，分剐搭建了并联电压型有源电力滤波器各部分仿真模型。并针对其 直流侧电压控制设计了一套模糊p i d 控制仿真模型，仿真结果表明，其控制效果 优于原有常规p i d 方法，该有源电力滤波器能有效地消除谐波电流，同时具有良 好的动态补偿特性，验证了理论分析的正确牲和可行性。 在实际应用巾，设计了基于瓢公词数字信号处理器( d s p ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为 控制器的并联型有源电力滤波器样机，搭建了硬件电路并编写了整套谐波检测及 补偿算法程序。实验结果表明，该装置具有良好的实时检测、准确补偿的性熊。 关键词：有源电力滤波器谐波抑制模糊p i d 数字信号处趋器s p ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n i q u e a n dm o d e r nc o n t r o lt h e o r y , a c t i v ep o w e rf i l t e rh a so b t a i nr a p i dd e v e l o p m e n t ，b y w h i c ht h eh a r m o n i c ，r e a c t i v ea n d n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tc a nr e a l i z er e a l - t i m ea n d a c c u r a t ec o m p e n s a t i o n a tp r e s e n ta p fi sc o n s i d e r e d a s t 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 n dh a sb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e da tt h es t a g e o fe n t e r i n gi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 。 f i r s tt h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h e b a c k g r o u n d ，p r e s e n t s i t u a t i o na n d d e v e l o p m e n tt r e n d so fa p fa n da n a l y s e st h ec l a s s i f i c a t i o na n dp r i n c i p l eo fa p f i n d e t a i l 。b a s i n go nd e e p l ya n a l y z i n gt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , d e t e c t i n gm e t h o df o rh i 曲f r e q u e n c yh a r m o n i cc u r r e n ti sp r e s e n t e da n dt h em e t h o do f p u l s ew i d t hm o d u l a t i o nb a s e do nu n s y m m e t r i c a lr u l es a m p l i n gi si m p r o v e di n s t e a d o f t h ef o r m e rt h em e t h o db a s e do ns y m m e t r i cr u l es a m p l i n g a p fc a na c h i e v ea c c u r a t e h a r m o n i cd e t e c t i o na n d p r o d u c t i o no f p w ms i g n a li nt h o s ew a y s 。 f u r t h e r m o r e ，t h em o d e l so fe v e r yp a r t so ft h es h u n ta p f a r eb u i l tr e s p e c t i v e l y a n daf u z z yp i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt oc o n t r o ld cv o l t a g ea n da c h i e v e sb e t t e r p e r f o r m a n c et h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lp i d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ea p fc a ne l i m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n ta n dh a sg o o dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hv e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，as h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rp r o t o t y p eb a s e d o n 1 7d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r s p ) t m s 3 2 0 f 2 81 2i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t s t r u c t u r e sa n dt h ep a c k a g eo fh a r m o n i cd e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o na l g o r i f l a m p r o c e d u r e 。t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v i c eh a sag o 甜p e r f o r m a n c e w i t hr e a l - t i m ed e t e c t i o na n da c c u r a t ec o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：a c t i v e p o w e rf i l t e r , h a r m o n i cr e s t r a i n t ，f u z z yp i d ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞基堂或其他教育机构的学位或证 书藤使用过的材料。与我一两工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 嚣了暖确鳃说明并表示了谢意。 学位论文作者签冬；廖漱焘 签字嗣期： z 湃门年舌雳；墓穗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权蕉鲞盘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、缩印鼓扫描等复制手段保存、汇编以供褒阚和借阕。嗣意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 傈密髂学位论文在解密后适用本授粳说嘴) 学霞论文律者签名爹花耖 签字同期：厶如 年6 月 留日 导师签名 签字日期：z 滟7 年月) 留目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 现代电力系统中的电能质量问题 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，是一种经济、实用、清洁娃 容易控制、转换和传输的能源形态。电能是电力部门向电力用户提供的由发、供、 用三方共同保证质量的特殊产品，其应用程度成为一个阐家经济发展水平的主要 标志之一。 。 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 和正弦波形，按规定 的电压水平( 标称电压) 进行供电。在兰相交流电力系统中，各线电压和电流应 处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的正序对称状态。蠹于电力系统各元件( 发 电机、变鹾器、线路、负载等) 参数并不是理想线性或完全对称的，负载性质各 异且随机变化，加上调控手段的不完善以及错误操作、外来干扰和各种故障的原 因，这种理想状态在实际中并不存在，两由此产生了电两运行、电气设备和用电 中的各静各样的问题，也就产生了电能质量这一概念。 人们对电能质量问题的认识在早期比较简单，主要局限于保持电网频率和电 压水平( 郎静态或平均偏差不过大) 。自二十世纪八十年代以来，随着薪型电力 负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提赢，电熊质量逐渐成为电力企业 和用户共同关心的问题。信息产业、高新技术产业的飞速发展和传统行业采用计 算机管理以及先迸控制技术的应用，使得对供电可靠性和电熊质量敏感的负荷所 占的比重越来越大。因此，现代数字信息社会对供电可靠性及个性化电能质量需 求有了更高的要求，这意味着信息社会不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特 殊的电力供应。这种要求首先在经济发达的国家引起关注。美豳电力研究院( e p r i ) 的n a r a i n gh i n g o r a n i 博士子1 9 8 8 年首先提出了柔性交流输曦系统( f a c t s ) 和用 户电力( c u s t o mp o w e r ) 的新概念【1 1 。1 9 9 6 年日本北海道大学和茨城大学共同提出 了f r i e n d s 供电技术新概念，并将电能质量分为三个等级。这实质上就是将计 算机技术、现代控制理论和电力电子技术应用于配电系统，构成能够提供优质电 力和其它不同质量电力的配电系统，以适应不同电力用户的不同需求。这是信息 社会和电力市场发展对电能质量的新要求，也正是新一代柔性配电系统的发展方 向。柔性配电薪技术将为在电力市场条件下的电力用户提供纯净、可靠、稳定敕 绿色电源；同时也提瘫了电能的传输效率，给供电部门带来可观的增益效益。 第一章绪论 柔性交流输电系统通过控制电力系统的基本参数来灵活控制系统潮流，使输 送容量更接近线路豹热稳极限，是提离输电系统容量的有效措施。基前主要的 f a c t s 装置有：静止无功补偿器( s t a t c o m ) 、晶闸管控制的串联投切电容器 f r s s c ) 、可控串联补偿器( t c s c ) 、统一潮流控制器c l i p f c ) 等。其中的串联补偿 装置，如t s s c 、t c s c 等，能使输电线路的阻挠交小，摆当于缩短了输电线路 的长度，因此是提高系统输送容量和暂态稳定性的重要手段；而并联补偿装置， 如s t a t c o m ，通过与系统进行无功功率交换维持线路电压的稳定，是抑制系统 电压波动、闪交和提高系统稳定性特别是电矮稳定性的有力工具；u p f c 结合7 串并联枣b 偿的功能，鼹对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制潮流、 阻尼振荡、提高系统稳定性等多种性能。 作为f a c t s 技术在配电系统应用的延伸d f a c t s 技术( 又称c u s t o m p o w e r 技术) 已成为改善电能质量的有力工具，主要是利用g t o ，i g b t ，i g c t 等大功率电力电子器件组成的控制设备向用户提供增值的、高可靠的、高质量的 电力。目前主要的d f a c t s 装置有：有源电力滤波器( a p e ) ，动态电压恢复器 ( d v r ) 、配电系统用静止无功补偿器( d - s t a t c o m ) 、固态切换开关( s s t s ) 等。其 中a p f 是补偿谐波的有效工具，d v r 是抑制电压暂降的有效工具。 电能质量直接关系到国民经济的总体效益。改善电能质量对于电网和电器设 备的安全、经济运行，保障产品质量以及人民生产生活的正常运嚣等均有重要意 义。采用高效电力负蘅设备可以节约大量能源、延缓用电需求矛盾，从而节省电 力建设所需的大量投资。因此提高供电质量、满足生产发展的需求已经成为多方 共同的愿螫。 目前，我国已经颁布了五个有关电能质量的国标1 2 j ： 1 ) 供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) ； 2 ) 电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) ； 3 ) 公用电飕谐波( g b t1 4 5 4 9 - 9 3 ) ； 4 ) 三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) ； 5 ) 电力系统频率允许偏差( o b t1 5 5 4 5 1 9 9 5 ) 。 1 2 谐波及其基本概念 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析旱在+ ，世纪秘十丸世纪就 己经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。豳 际上公认的谐波定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍”f 3 l 。 第一囊绪论 供电系统中，认为电网的稳态电压波形为工频正弦波形，其数学表达式为： u ( t ) = , 2 u ls i n ( t o ：+ a 1 ) ( 1 一1 ) 其中 q = 锄黧等( i - 2 ) l l 电路中，线性无源元件上的毫压和电流一般具有眈铡掰：磁) 、微分( u - - 三一d i ) a l 和积分( ”= 去陋) 的关系。正弦周期函数在进行加减乘除和微分、积分的运算 时仍保持正弦函数的特点，所以要求电嚼尽可能由正弦波形的电源供电。但由于 非线性负载的存在，电网电压往往偏离芷弦波形面发生畸变。畸变波形可以由 系列不同频率的正弦函数之和来表示： “( f ) = 皿s i n ( n c o l t + a 。)( 1 一j ) j ，蟒l 将s i n o q f 项称为基波，其周期与未发生畸变的波形的周期相同，在电网中就 是工频电藤的周期；其它各项均称为谐波。由于谐波的频率是基波频率酌整数倍， 所以称s i n 3 q t 项为三次谐波，s i n 3 0 唾t 项为五次谐波。通常将各奇次的谐波 统称为奇次谐波，偶次的谐波称为偶次谐波。 实际电网中有时还存在一些频率不是基波频率整数倍的正弦分量，称为分数 次谐波( f r a c t i o n a lh a r m o n i c s ) 和闻谐波( i n t e rh a r m o n i c s ) ：对低于工频的闻谐波 又称为次谐波( s u bh a r m o n i c s ) q 5 1 。在近代的交r 交变频器中还存在“旁频”，即 在整数次谐波附近的非整数次谐波。僵电网中主要存在的还是整数次谐波，本论 文所讨论的谐波也仅隈于高于工频熬整数次谐波；另外，如果没有特殊说暖，所 指的谐波也将专指电力系统谐波。 在对谐波的分析和研究中，常用到如下几个概念： 藏次谐波电压含有率h r 珑( h a r m o n i cr a t i ou n ) 帮n 次谐波电流含寿率 h r i , ( h a r m o n i c r a t i oi n ) 分别定义为【6 】： ，f 掀以= x 1 0 0 ( 哟 ( i - 4 ) u l ， h r i 。= 孚l o o ( 哟 ( 1 5 ) j 1 谐波电压含量和谐波电流含量如分别定义为： = ，研 ( 1 - 6 ) 第一章绪论 b 露 ( 1 7 ) 电压谐波总畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变攀 t h d , t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 分别定义为： t h d = 鲁 m 8 ， t h d i = t nx l 似? 。( 1 - 9 ) 电网中谐波的危窖在于：谐波使电能的生产、传输移利用的效率降低，使电 气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，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，使谐波含量放大，造成电 容器等设备烧毁。谐波还会李| 起继电保护和舞动装置误动作，使电能计量出现混 乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 谐波研究的意义在于对谐波的治理及其对电力电子技术自身的发展的影响。 电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有入预言，电力电子连同运动控 制将程计算机技术一起成为2 l 世纪最重要的两大技术。然面电力电子装置所产 生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的 研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。对电力系统谐波污染的治理也巴 成力电工科学技术界所必须解决豹闻题。我圈对谐波阀题的研究起步较晚。吴竟 昌等人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较有影响的著 作。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出 版的代表性著作。此外，唐统一等人和容健缨等人分别独立翻译了j a x r i l l a g a 等 的电力系统谐波书，也在因内有较大的影响 7 】。 为了解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条f 8 l ： 一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，对于各种谐波源都是逶用的；另一条是对 电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，其功率因数可近似为l ，这当然 只适用于电力电子装置类型的谐波源。 1 3 传统无源滤波器及其缺陷 装设谐波抑制装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器，设置并联电容器补 偿无功功率及谐波抑制具有结构简单、经济方便等优点，墨翦在国内夕 均得妥了 广泛的应用。在实际电力系统中，大部分负载为异步电动机，包括异步电动机在 4 第一章绪论 内的绝大部分电气设备的等效电路可看作电阻r t 与电感l 串联的电路，其功率 因数为 c o s 炉糯 式中x l = 础给r 、l 电路并联接入c 之后，电路如图l 一1 所示。该电路的 电流方程为 i = ? c + 1 r z ( 1 1 1 蠡图1 - 1 的提量图可知，并联电容后电燕u 与电流z 的摆位差变小了( 相对 于u 与? 魁间的相位差) ，即供电回路的功率因数提高了。 殳 l i 、 、 、 、 、 、一 羔一l a1 - 1 b 图1 1 并联电容器滤波补偿毫路及向量图 由于l c 无源滤波器结构简单、技术成熟、运行可靠、维护方便，因此得到 了广泛的疲震。但它也存在许多懿不足纛缺陷，其主要的缺点有f 9 】： 1 ) 滤波补偿特性依赖于电网和负载的参数； 2 ) 无源滤波器的l c 参数的漂移会导致滤波特性的改变； 3 ) 可能发生电羁与滤波器之间静率、并联谐振，傻滤波器或电网侧懿谐波 较之负载的电流谐波有所放大； 4 ) 具有负的电压调整效应。 于是设计薪豹滤波器成为解决电麓污染的重要研究方向。有源电力滤波器酶 研究和应用就是在这样的情况下越来越受到人们的重视。 1 4 有源电力滤波器的提出及其发展现状 1 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代耒，1 9 6 9 年b m 。b i r d 和j k m a r s h 发表的论文【l 弼中，描述了通过向电网注入三次谐波电流来补偿电源 第一意绪论 电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有源电 力滤波器一词，健其攒述的方法是有源电力滤波爨基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和tm a c h i d a 发表的论文【l ”中首次完整地描述了有源电 力滤波器的基本原理，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流 幅值相等、福位穗反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流 的目的。但由于是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大、成本高，因而 仅在实验室中研究，未能在正业中实用。1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的l c y u g y i 提出了采用p w m 控制交流器构成的裔源电力滤波器，确立了有源电力滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 的概念，确立了有源电力滤波器的主要电路 的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想的补偿电流 发生电路，但是由予当时电力电予技术盼发展水平还不嵩，全控器件功率小、额 搴低，因而电力骞源滤波器仍局限于实验室。 进入8 0 年代，随着电力电予技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力 谐波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这个时期的 令重大的突破是，1 9 8 3 年曩本人赤本泰文等人提出了“三操电路瞬时无功功 率理论，【嘲，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得 到了成功的应用，极大的促进了有源电力滤波器的发展。目前，三相电路瞬时无 功功率理论被认为是骞源电力滤波器豹主要理论基础之一。 近年来，有源电力滤波器在围外的研究以日本和美囡为代表。目前，世界上 a p f 的主要生产厂商有口本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公谣 等。其穗关文献会绍，宣1 9 8 1 年以来，仅在日本就有5 0 0 多台a p f 投入运行， 容量范围嘲5 0k v a 到6 0m v a 1 3 1 。 在我圜，对有源电力滤波器的研究已经得到学术界、政府和企业界的充分重 视，并开始起步。僵是作为种新的设备和技术，有源曦力滤波器在中国的推广 还需一段时间，阻碍该新设备的广泛应用的因素主要集中为以下几点： 1 ) 与无源滤波器相比，设备的初期费用偏大。目前这两者的费用比大约在 7 ：l 左右。僵从长期来看。随着电力电子器件价格的下降，这个比值会随着技 术的成熟藤大幅下降。 2 ) 有源电力滤波器的自身损耗问题。有源电力滤波器的生开关器件由于工 作在高频状态，其开关损耗是不可避免的。较高的开关损耗，既妨碍设备容量的 进一步提高，也增加了运行成本。因姥。如何减少这一部分的损耗，也是今后磺 究的一个重点。 3 ) 有源电力滤波器工作在高频状态，其产生的电磁干扰、电磁元件的发热 也是妨碍其使用翦一个因素。 第一塞绪论 虽然在我国研制有源电力滤波器有很大的困难，但是近几年还是有很多有关 这方面的报道，如由华l 乏电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公霹 联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置在北京木材厂中心变电站投入工业运 行，并于1 9 9 2 年1 0 月通过能源部和冶金部组织的技术鉴定；由哈尔滨工业大学 和黑龙江省电力局联合开发的1 0 0 k v a r 广义有源电力滤波器投入电阙试运行、现 场试验并予1 9 9 6 年7 月通过电力部组织的部级鉴定的情况。 1 5 本课题研究的主要内容 本论文所进行的工作如下： 1 本论文研究了电力系统谐波发生机制和各种谐波抑制技术，讨论了有源滤 波器系统构成的分类并将性能进行了对比，并论= 述了有源电力滤波器的工作原理 及其在电网谐波抑制中的作用。 2 本论文对几种谐波电流检测方法作了总结；主要介绍了基于三相电路瞬时 无功功率理论的i 。一乏谐波毫流检测方法。弗根据p w m 信号产生原理，改进? 原来广泛采用的三焦载波脉宽调制方法，转丽采用基于非对称规则采样的脉宽调 制方法。 3 在理论分析的基础之上，使用m a t l a b 软件包建立了并联型有源电力滤 波器酌数学模型，并针对直流侧电压控制设计了一套模糊p i d 控制器，仿真结果 表明，控制效果优于原有常规p i d 方法，该有源电力滤波器能有效地消除谐波电 流，同时其有良好的动态补偿特性，验证了理论分析的正确幢和可行性。 碡设计了以数字信号处理器( d s p ) 为中心控剽单元的有源电力滤波装置。该 试验样机包括开发系统的硬件设计和软件设计，实验结果表明，该样机具有良好 的谐波补偿效果。 第二章有源电力滤波器豹分类与原毽 第二章有源电力滤波器的分类与原理 2 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。有源直流 滤波器主要用来消除h v d c 系统中换流器直流侧的电骶、电流谐波：而有源交 流滤波器( 帮通常说的a p d ，则是应用于交流电力系统各个电压等级的谐波补 偿。 a 根据接入电网的方式分类【1 哪 根据接入电网的方式分类，有源电力滤波器可分为并联型a p f 、串联型a p f 、 串一并联型a p f 以及混合型a p f 电并联型a p f 主要适用于电流型负载的谐波、 无功和负序电流的综合补偿；串联型a p f 主要消除电压型谐波源对系统的影响。 与并联型a p f 相比，由于串联型a p f 中流过的是难常负载电流，因此损耗较大。 此外，串联型a p f 的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型a p f 复杂，因 此，它的使用范围受到很大的限制。为了尽量发挥其特长、提高其性能、减小其 容量，可将并联型或串联型有源电力滤波器与无源l c 滤波器混合使用，但仍隶 属于并联型或串联型煮源电力滤波器。近几年，出现一种将并联型和串联型有源 电力滤波器结合使用的新型有源电力滤波器，称之为统一电能质量调节器 ( 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 ) ，可兼有并联型和串联型有源电力滤波器的功 能。+ b 根据主电路贮能元件的不同分类【l 匀 有源电力滤波器可分为电压型和电流型两种。电压型有源电力滤波器的主电 路壹流侧接有大电容，在正常工作时，其电摄基本保持不变；电流囊有源毫力滤 波器的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，但由于 电流型主电路直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损 耗，因此爵前较少使用。 e 。根据主电路所使用p w m 变沆器的数量分类 可分为单个主电路有源电力滤波器和多蓬化主电路有源电力滤波器，后者可 以提高有源电力滤波器的容量，降低单个器件的工作频率。 d 根据接入系统的不羼分类 可分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤波器，其中后者又可分为三相 三线制有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器。 第二囊育源电力滤波器豹分类与原理 2 2 并联型有源电力滤波器工作原理 并联型有源电力滤波器主要用以消除负载电流的畸变对电网的影响，同时进 行无功补偿。并联型电力有源滤波器的工作原理【1 6 l 是：设电网电压为标准对称兰 相电压，丽负载泡流中存在畸变，当蠢乏瞧流流过电瞬时，将在电网内阻抗上产生 畸变的电压降，等同予在电压上叠加一个畸变的分量，从而使得电网质量变坏。 为此，在电网上并联一个电流源，此电流源发出的电流恰好等于负载电流的畸变 部分，从而消除畸变负载电流对电网的影响。 圈2 1 所示为最基本的有源电力滤波器的系统构成原理图。图中故( f ) 代表 交流电源，负载为产生谐波并消耗无功的谐波源。有源电力滤波器系统由三大部 分组成，即畸变电流检测电路、控制电路和补偿电流发生电路。其中，控制电路 的核心作用是检测出被替偿对象电流中的谐波帮无功等电流分量，因此鸯时也称 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 得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前采用p w m 变流器。 l 有源电力滤波器( a p f ) i。_ 一。，一。一 图冬l 并联型有源电力滤波器原理图 作为主电路的p w m 交流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。在 电隧向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它作为整流器工作，帮它既可以 工作在逆变状态，又可以工作在整流状态，健这两种状态无法严格区分。 图2 1 中所示有源滤波器的基本正作原理是：检侧补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令电流信号，该信号经补偿电流发生毫 路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要孙偿的谐波及无功等电流抵消， 最终得到期望的电源电流。 例如：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 第二牵有源电力滤波器戆分类与原理 对象受载电流的谐波分量i 。，将其反极性瑟作为补偿电流信号，囱补偿电流发 生电路产生的补偿电流芒与负载电流中的谐波成分。大小相等、方向相反， 因而两者相互抵消，使得电源电流良中只含基波，不含谐波。上述原理可用如下 的公式描述： 珞2t + 冬 ( 2 一1 ) k2 11+i上5(2-2) c2 叫聃 ( 2 3 ) 珞2t c 2o ( 2 4 ) 如果要求电力有源滤波器在补偿谐波酶同时，孝 偿无功功率，则只需要在於 偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的电流成分即可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波和无功电流相互抵消，电源电流等于负载电流 的基波有功分量。 同理，有源电力滤波器还可对不对称三楣电路的负序电流进行补偿。这种有 源电力滤波器有以下些特点： 。 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都交纯的谐波以及变化的无功功率进 行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续 调节； 3 ) 补偿无功功率时不需贮麓元件，补偿谐波所需贮毙元件容量较小； 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发 挥补偿作用； 5 ) 受毫网阻抗的影响小，不容易耩电网阻抗发生谐振； 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； 7 ) 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。 2 3 谐波检测算法概述 在电力有源滤波器中，实时、准确地检测出补偿对象的电压、电流是非常重 要的。最早的谐波电流检测方法是采震模拟滤波器实现的提取基波分量法嘲。该 方法的原理是在检测到的信号中，利用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分 量。通常采用带通滤波器得出基波分量，但所采用的高阶滤波器会产生附加相移， 造成输出信号嗡交，影响补偿效果。此外，这释方法还存在设计困难、误差大、 对电网频率波动和电路元件参数较敏感等缺点，因此目前已经较少采用。 谐波梭测的第二种方法是基于频率分析的数字化方法【1 瓤嘲。该方法将检测 第二搴有源电力滤波器麓分类与原瑾 信号送入采样一保持电路，在同步或准同步脉冲的作用下，对模拟信号进行离散 化，然后利潮快速傅立时变换( f f t ) 等进行数字处理，褥妥各种高次谐波分量翡 幅值和相位，将需要抵消的谐波分量通过带通滤波器，再将该信号进行f f t 反 变换，即可得到补偿信号。这种检测方法采用信号的数字化处理，稳定性好，可 以选择拟消除的谐波次数。缺点是需进行两次h 誓交换，实时性差。著采用软 件实现分析过程，则响应时间相对较长，使得检测方法具有较长时间的延迟，实 时性不好，不适于有源型抑制装爱对高次谐波的检测。同时，由于电网频率是不 断波动的，被检测信号中除了含奢基波和整数次谐波外，还可能含有菲整数次谐 波，所以即使采用了跟踪锁相技术，也难以实现严格的同步采样，使f 鞭产生 泄漏误差，难以获得高精度的谐波测量结果。 第三种检测方法是自适应检测法 2 0 1 越l 。该方法基于自适应干扰抵消原理， 将电压作必参考输入，负载电流作为原始输入，从受载电流中消去与电压波形桕 同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在 电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较幔。 第四种方法是基予“瞬时无功理论 豹瞬爵空阕矢量法阱】【2 羽。该方法是疆 前电力有源滤波器中应用最广的一种检测方法，根据统计在电力有源滤波器得到 广泛应用的日本，采用“瞬时无功功率理论的系统已经占到总数的8 3 7 ，用 这种方法梭测谐波，除了低通滤波器清除了的直流分量外，其它是瞬时僖运算， 所以响应速度很快。它还解决了电源频率波动和负载波形的影响问题。特别适合 于变化快，冲击大的无功功率补偿和高次谐波的生成。该方法在只检测无功电流 时，可以完全无延时地得出检溯结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐 波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周 期。对于电网中最典魁的谐波源一三相桥整流器，其检测的延时约为1 6 周期。 此外，还有其它一系剜谐波检测算法，如基于准同步采样的算法渊，局部余 弦变换法 2 5 1 ，人工神经网络算法等【2 6 】。鉴于前面所提到的瞬时无功功率算法的 诸多优点，所以本文采用该算法实现谐波检测。 2 4 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 赤木泰文最初提出的瞬时无功功率理论亦称朋理论，是以瞬时实功率p 和 瞬时虚功率q 觞定义为基础，现主要包括p g 法、一毫法弘铂。尹一g 法适用于 电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；一毛法不仅在电网电压畸变时 适用，在电网电压不对称时也同样有效；目前，基于瞬时无功理论，又推出了其 它一系列算法，如基于阕步旋转坐标变化的d 一圣法等，该方法可以在电隧电压 第二章有源电力滤波器的分类与覆瑗 不对称、畸变情况下检测出谐波电流。 2 4 1 瞬时无功功率理论介绍 f = 面介绍以瞬时有功电流和瞬时尢功电流为基础的理论体系，以及它与 传统功率定义之间的关系馨羽。 设三相电路为三相三线制，备相电压和电流的瞬时值分别为乞，鬈和艺， 之，a 变换到掰一夕两相正交的坐标系x ，可以得到口、两相瞬时电压吃、 和瞬时电流屯、稿。 阱：目 沼5 ， 酗” 协6 ， 桃：= 厢已- 肌1 2 - 幽1 22 。 移 e 8 l 蓐p 砀 n ! ，厂1 7 t 一 图2 - 2 撑一夕坐标下的电压、电流矢量 在图2 - 2 所示的搿平面上，矢量乞、与和乞、分别可以合成为旋转 电压矢量g 和电流矢蕾f ： e = e 征七e # = e z 9 t ( 2 7 ) 第二牵有源电力滤波嚣的分类与原理 i = 乇+ = 泛纯 ( 2 8 ) 式中g 、i 为矢量g 、i 的模，纯、鲛分别为矢量2 、f 的幅焦。 根据后面算法的需要，下面对瞬时无功理论中的几个定义进行解释。 定义l 瀚：三相电路瞬时有功电流f ，和瞬时无功电流，分别为矢量f 在矢量 e 及其法线上的投影。鞠 = i c o s 妒 ( 2 - 9 ) = i s i n 口a ( 2 1 0 ) 式孛，妒= 纯一绥。瑾一声平面孛的帮名如图2 - 2 所示。 定义2 f 6 】：三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电鹾矢量e 的模 和三相电路瞬时无功电流( 三相电路瞬时有功电流f ，) 的乘积。即 p=eie(2-11) q = 嚷 ( 2 1 2 ) 将式( 2 9 ) 、式( 2 一l o ) 及妒= 纯仍分别代入式( 2 - 1 1 ) 、式( 2 - 1 2 ) 并写 成矩阵式得出 乏二地h 鞠 泣 舯2 匕甜 把式( 2 5 ) 、式( 2 - 6 ) 代入上式，可得出p 、g 对于三相电压、电流的表达 式 p = 气屯+ 屯+ 屯 ( 2 一1 4 ) q = 苫k 一e , ) i o + ( 一) 毛+ 纯一龟) t j ( 2 一1 5 ) 吖j 从式( 2 1 4 ) 可以看崮，三糯电路瞬时有功功率就是三糨电路的瞬时功率。 由图2 2 我们还可褥出以下一系列结论 6 1 ： 1 ) 口、相的瞬时无功电流0 、( 瞬时有功电流乞，k ) 为三相电流 瞬时无功电流( 瞬时有功电流屯 在搿、岁轴上翡投影： 2 ) 口、夕相的瞬时无功功攀蟊、q p ( 瞬时有功功率魏、鳓) ，为该相瞬 时电压和瞬时无功电流( 瞬时有功电流) 的乘积； 3 ) 三相电路各相的瞬时无功电流、k 、南( 瞬时有功电流妨、稀、勺) 是口、罗两摆瞬时无功电流k 、( 瞬时有功电流0 ，幺) 通过蘸棚到三相 变换所得的结果； 4 ) 承趴c 各相的瞬时无功功率吼、瓯、瓯( 瞬时有功功率见、魏、p c ) 分别为该糯瞬时瞧压秘瞬时无功电流( 瞬对有功电流) 豹乘积。 第二章有源电力滤波器熬分类与爨瑗 比较上述两种定义可以发现，传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平 均毽基础或攘量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况， 而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正 弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上结论还可以看出，瞬时 无功功率理论的概念，在形式上和传统理论非常相似，僵它突破了传统功率理论 中用平均值定义功率量的局限，可以看成传统理论的推广和延伸【2 9 1 。 2 4 。2 基于p q 坐标系下的广义无功电流的谐波检测方法 流 对于三褶三线铡的电力系统，取a 相基波电援初摆角为0 。，将电网三相电 纛1 引4 i _ l r 芝+ _ j l 十l r 乏o - - l i = 正善毫兰基三冬二2 ； 像，5 ， 。lo s i n ( h o o t + f t _ ) l 2 | i _ s i n ( n a x + 2 4 0 。+ 缘) | ”1 l 厶一s i n ( m o t + 1 2 0 + 成一) j 乙。屯= 后 l一三一三 2 2 o 巫一鱼 22 ll l ( 2 1 6 ) 对于三楣三线制系统，电网中没有零序电流通过，即： 乞+ 毛+ i c = o ( 2 - 1 7 ) 则筇o 坐标系筇0 的0 轴分量为零，因此只将电阏电流变换到筇坐标系： 乙= 阡乙= 层 1 ，。1 。1 22 o 巫一笪 22 ( 2 1 8 ) 型篡褊- p - p 二掣协 = d k = 乙= l 。7i 第二章有源电力滤波器的分类与蒙璎 其中；i 为p 轴奁流分量，i 为譬轴直流分量，i 为p 轴交流分量，i 为g 轴 交流分量。 以上式中： 阿 。2 ； 一一匹 b 够一j 1 1 1 2 。2 o 笪一鱼 22 ll1 = e 二一- - 如c o s 绷c o t 。= 己= 扭竺二二咖c o s 纠o i 0 李娄 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) 根据广义瞬时无功功率的定义及分解，可得到三相三线制电网中的各种电流 分量 3 0 1 ： 兰相瞬时有功电流： 兰相广义瞬时无功电流： 兰楣基波瞬时无功电流： 三相谐波瞬时电流： k 。= k 口l = 白 巧t 冈 l 0 1 ( 2 。2 4 ) 嘲 仫2 5 ) 巧t 吲 l 毛j ( 2 。2 6 ) ，一2囊一22 尘2 l 一2 i _ 3 i l o ，黼切。轫。 j：极 第二章有源电力滤波器酌分类与原理 。* 豳 7 ， 由式( 2 2 4 ) ，( 2 - 2 5 ) ，( 2 - 2 6 ) 可知，三相瞬时电流可分解隽； k = k 尹+ k = k 尹+ k ；+ k 女( 绰8 ) 因此，p 轴直流分量与负载有功功率f ，相对应，q 轴直流分量岛与负载基波 无功功率相对应，p 轴交流分量和g 轴交流分量i 与负载谐波功率相对应。 2 4 3i p i q 谐波检测方法 图2 - 3 所示为一检测方法的基本原理： 图2 - 3 一运算方式原理图 k 其中 ：l 8 1 n 耐 一s 刎l ( 2 - 2 9 ) c= l l l c o s a g t s i nm tj 图中p l l 为锁摆环，l p f 为低通滤波器。在该检测方法孛，使用了与a 楣 电网电压吃同相位的难弦信号s i n 倒和对应的余弦信号c o s m t ，它们由一个p l l 和一个正余弦信号发生电路产生。根据瞬时无功功率理论可以计算出瞬时有功电 流0 帮瞬时无功电流乇，经班零低通滤波得邀直流分量、奄，对0 、乇进行反 变换即可计算出基波有功分量0 、k 、，进而计算出谐波分量乙、屯。 当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图2 3 中计算的通道即可。而如果 只需检测无功电流，裂只要对乏进行反交换。 与p 、q 运算方式相比，、之运算方式的优点在于，内于只选取s i n m t ， - c o s ( o r 参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，、毛是由0 、赫、 0 产生的，所以该算法的检灞结栗不受电压波形畸变的影响。而且将基波分量变 换裂零频率处，耀数字低通滤波器提取基波信号可以消除模拟低通滤波