（控制科学与工程专业论文）基于dsp的混合型有源电力滤波器研究.pdf

中南大学硕l 学位论文摘要 摘要 电力系统中的谐波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率，而 且给用电设备的正常运行带来严重的危害。对谐波进行治理是提高电 能质量和节约电能的重要手段，因此对谐波治理的研究具有深远的社 会意义和经济意义。本文对谐波治理的相关问题进行了研究，主要工 作如下： ( 1 ) 由于谐波电流的检测精度和检测速度关系到有源滤波系统 的主要性能和指标。本文在快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r n l ， f f t ) 算法的基础之上进行研究推导出一种新的快速傅立叶变换算法， 这种改进的f f t 算法可以有效减少运算量，提高运算速度进而提高 谐波电流的跟踪速度和有源滤波器的性能。本文还对改进的算法进行 了m a t l a b 仿真，仿真结果验证了算法的快速性和有效性。 ( 2 ) 有源电力滤波器中另一重要的问题就是电流跟踪，电流跟踪 的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系， 得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的p w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ，p w m ) 信号，电流的跟踪控制策略成为决定h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , h a p f ) 输出性能和效率的关键。本文对滞 环p w m 电流控制策略进行了改进，解决了滞环电流控制固定环宽开 关频率高、损耗大的问题。 ( 3 ) 本文提出了一种新型混合型有源滤波器结构，创造性的提出 用非线性负载支路代替无源滤波网络中的电抗器支路，大大节约了成 本，提出采用t i 公司的f 2 8 1 2 数字信号处理器作为核心处理器，设 计了混合型有源滤波器的控制板、采样电流信号调理板、智能功率模 块i p m 组成的逆变桥电路，并进行了软件的设计以及m a t l a b 仿真， 为应用打下了坚实的基础。 关键词谐波，混合型有源滤波器，快速傅立叶变换，数字信号处理 中南大学硕l 学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e r s y s t e m h a r m o n i c sn o t o n l y r e d u c e st h e p r o d u c t i o n ， t r a n s m i s s i o na n du t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , b u ta l s oc a u s es e v e r eh a r mt ot h e n o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i c a le q u i p m e n t h a r m o n i cm a n a g e m e n ti st h e i m p o r t a n tm e a n st oi m p r o v et h eq u a l i t ya n ds a v i n ge n e r g y , s ot h er e s e a r c h o fh a r m o n i cm a n a g e m e n th a v ef a rr e a c h i n gs o c i a l s i g n i f i c a n c ea n d e c o n o m i cs i g n i f i c a n c ei nt h i sp a p e r , h a r m o n i cm a n a g e m e n to fi s s u e s r e l a t e dt or e s e a r c h m a jo ro n e sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n dd e t e c t i o ns p e e do fh a r m o n i cc u r r e n t s r e l a t e dt ot h ea c t i v ef i l t e r s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt a r g e t s i nt h i s p a p e r , f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mi sd e r i v e db a s e do nan e wf a s t f o u r i e rt r a n s f o r m a l g o r i t h m t h i si m p r o v e d f f t a l g o r i t h m c a i l e f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yg r e a t l ye n h a n c e ds p e e d o fo p e r a t i o no ft h eh a r m o n i cc u r r e n t st oi m p r o v et h es p e e da n dt h e t r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fa 矾t h i sa r t i c l e a l s om a t l a bs i m u l a t i o n a l g o r i t h m ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mo ff a s ta n de f f e c t i v e ( 2 ) a n o t h e ri m p o r t a n ti s s u eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri st h ec u r r e n t t r a c k ，t h er o l eo ft h ec u r r e n tt r a c ki sb a s e do nc u r r e n tc o m p e n s a t i o n c o m m a n ds i g n a la n da c t u a lc o m p e n s a t i o nf o rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c u r r e n t ，o b t a i n e dc o n t r o lo ft h ec o m p e n s a t i o nc i r c u i tc u r r e n ti na l ld e v i c e s i nt h em a i nc i r c u i to ft h eo n o f fp w m s i g n a l c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l s t r a t e g yf o rd e t e r m i n i n gt h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yo fo u t p u th a p f k e y i nt h i sp a p e r , h y s t e r i c sp w m c u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p r o v ea n d s o l v et h ef i x e dh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o ll o o pw i d t hh i g h s w i t c h i n g f r e q u e n c y , l o s sp r o b l e m s ( 3 ) t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo fh y b r i da c t i v ef i l t e rs t r u c t u r e ， p r o p o s e dn o n l i n e a rl o a ds l i pi np l a c eo fp a s s i v ef i l t e rn e t w o r k ss l i p r e a c t o r , s i g n i f i c a n t c o s ts a v i n g s f 2 812d s pt h a tt il a u n c h e dt ot h e m a r k e tr e c e n t l yi su s e da st h ec o r ep r o c e s s o r , a n dt h el i g h tc o u p l i n g i s o l a t i o nc i r c u i ta sw e l la st h ei n v e r t e rb r i d g ec i r c u i tw h i c hi sc o m p o s e d b yt h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) h a v eb e e ns t r e s s e d c a r r i d eo u tt h e d e s i g no fs o f t w a r ea n dm a t l a bs i m u l a t i o nf o ra p p l i c a t i o nt ol a ya s o l i d i i 中南人学硕十学位论文 a b s t r a c t f o u n d a t i o n k e yw o r d sh a r m o n i c ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i i i 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：啦日期：丛壁乒年月9 日 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。 作者虢握翩签名趣嗍碑年! 月挈日 中南入学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供 应一开始就引起了供用电双方的关注。随着工业规模的扩大和科学技术的发展， 国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越高，新工艺、新技术广泛 应用于工业生产和人民生活的各个方面，越来越多的用户采用了性能好、效率高 但对电源特性变化敏感的高科技设备，电力用户对电能质量的要求在不断提高。 与此同时，大量电力电子变流器以及其它非线性负荷得到了广泛应用，它们在 给人类带来方便和巨大利益同时，把大量的谐波和无功电流注入到电网，造成系 统电压、电流波形畸变，严重威胁电网的电能质量和用户设备的可靠、安全运行。 对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，电能 质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍重视。据国际会议报 告介绍，在美国每年由于电能质量下降所引起的经济损失高达数百亿美元。劣质 电能引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，其社会影响和经济损失是相当 严重的【1 1 。 在供电质量问题中，谐波对于电网的危害非常大，因此谐波污染是电力系统 普遍存在的主要问题之一【2 】。如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电 流会使输电线路功耗增加【3 j 。如果输电线路是电缆，与架空线路相比，电缆线路 对地电容要大1 0 2 0 倍【4 j ，而感抗仅为其1 3 1 2 ，所以很容易形成谐波谐振，造 成绝缘击穿。电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，并使三相 交流电的对称性受到影响。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、计算机等 负载，会产生大量的奇次谐波，其中3 次谐波的含量较多，最多可达4 0 f 5 1 。使 公用电网中线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。综上所述， 对谐波进行有效的抑制，已成为电力系统安全运行工作的重要内容之一。 1 2 研究意义 谐波研究与治理对于现代工业生产和人民的日常生活意义重大，这是因为谐 波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率，而且给供、用电设备的正常运行带 来严重的危险。对于电力系统，谐波会放大局部并联谐振或串联谐振现象，使谐 波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还 可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波的危害还严重阻碍了电力电子 技术的发展，因为电力电子器件在给人民的生活带来方便和高效的同时也产生了 大量的谐波，因此会阻碍电力电子器件在工来和日常生活中的应用。 谐波治理是提高电能质量和电力节能的重要手段之一，因此对谐波的治理具 有深远的社会意义和经济意义。 1 3 电力系统谐波概述 在国际电工标准中( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) 对谐波定义为：“谐波分量为周期量的傅 立叶级数中大于l 的h 次分量，其中h 是以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电 网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称 为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。电网中有时也存 在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n - h a m o i l i c s ) 或分数谐波1 6 j 。谐波实际上是一 种干扰量，使电网受到污染。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、 危害及抑制，其频率范围一般为2 s r 斟0 。 1 3 1 电力系统谐波产生的原因 谐波的产生原因有很多方面，一切非线性的设备和负荷都是会产生谐波，下 面介绍电力系统中几种常见的谐波源。当电力系统向非线性设备及负荷供电时， 这些设备或负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时，又把 部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送入大量的高次谐波，使电力系统的正 弦波形畸变，电能质量降低，损坏系统设备。 1 、电源本身产生的谐波 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀 一致，以及其他一些原因，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，从 而产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电 流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。即产生谐波， 并注入电网1 7 j 。 2 、输配电系统产生的谐波 输配电系统中主要是电力变压器励磁电流产生谐波，由于变压器铁心的饱 和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化 2 中南火学硕+ 学位论文 第一章绪论 曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，仅含有奇次谐波，以3 、5 、 7 次谐波为主【7 j 。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。 一般情况下，三相变压器由于铁芯为“r ”形状，中相比边相要短一半，因此， 三个磁路的不对称引起变压器励磁电流中含有谐波分量。所以当对空载三相变压 器加电压激励时，即使受电侧没有零序电流通路( 中性点不接地或三角形接线) ， 励磁电流中也会有谐波分量。虽然在实际运行时，这个谐波分量很小，但由于变 压器绕组接法以及各绕组和电网各相的连接统一规定时，则各台变压器励磁电流 里的同次谐波彼此叠加，形成了电网中谐波的又一重要来源。 3 、用电设备产生的谐波 用电设备是最主要的谐波产生源，下面介绍几种在工业生产和日常生活应用 中产生谐波的电器设备。 ( 1 ) 晶闸管整流设备 由于品闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得 到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控 制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦 波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感 性负载时则含有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量可达基波的3 0 ；接容性负 载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为 三相全控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流，其 中5 次谐波电流为基波电流的1 8 5 ，7 次谐波电流为基波电流的1 2 ；如果是1 2 脉冲整流器，含有1 1 次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐 波占所有谐波的近4 0 【8 - l o 】，这是最大的谐波源。 ( 2 ) 变频装置 变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成 份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大， 随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 ( 3 ) 电弧炉 根据电弧炉的冶炼要求，在开始的熔化期，其特征是在电极和固态原料之间 形成极不稳定的电弧，电弧电流不规则的波动，且三相电流大而不平衡，产生谐 波电流，主要是2 、3 、4 、5 、7 次谐波【1 0 - 1 2 1 。此外，三相电流的剧烈波动会造成 母线电压的波动和闪变。 ( 4 ) 气体放电类电光源 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分 中南大学硕十学位论文第一章绪论 析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安 特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 ( 5 ) 家用电器 电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置， 会产生较深的奇次谐波。在洗农机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平 衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是 谐波的主要来源之一。 1 3 2 谐波对电力系统的危害 电力系统中的谐波不仅增加输电线路功耗、输电电压发生畸变、损害电力器 件。以下详细介绍电力谐波所产生的危害。 1 、增加输电线路功耗 如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。 如果输电线路是电缆，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大1 0 - - - 2 0 倍，而感 抗仅为其1 3 l 2 ，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿j 。 2 、影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，并使三相交流电的 对称性受到影响。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等 负载，会产生大量的奇次谐波，其中3 次谐波的含量较多，使公用电网中性线注 入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送 1 2 - 1 3 j 。 3 、对电力电容器的危害 当电网存在高次谐波时，通过电容器的电流增加得很大，使电容器损耗功率 增加。对于膜纸复合介质电容器，虽然允许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗 功率的1 3 8 倍；对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功率为无谐波时的1 4 3 倍， 但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容器过电流和过负荷，使 电容器异常发热，在电场和温度的作用下绝缘介质会加速老化。尤其是带有串抗 的并联电容器组投入在电压已经畸变的电网中时，还可能使电网某些次的谐波加 剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，电容器 与线路电流在某些次谐波形成串联谐振，使尖顶波放大，易在介质中诱发局部放 电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质起到加速老化的作用， 从而缩短电容器的使用寿命。般来说，电压每升高1 0 ，电容器的寿命就要缩 短l 2 左右。因此，在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸【1 2 14 1 。 4 、对电力变压器的危害 谐波使电力变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导 4 中南人学硕十学位论文第一章绪论 体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要 表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。 同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量，或者说在 选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还会导 致电力变压器噪声增大。 5 、对继电保护的危害 如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠 加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。 6 、对电动机的危害 谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重 时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机 旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。 7 、对低压开关设备的危害 对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大 而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响 越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定 电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其 是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知述三种配电用断路器 都有可能因谐波产生误动作【l l - 1 4 l 。 1 3 3 电力系统谐波标准 谐波的危害和影响引起了世界各国的高度重视，纷纷制订了各项标准，对供 电电网和用电电器产生的谐波进行限制i l4 。，美国海军早在2 0 世纪7 0 年代就发 现谐波的影响并制订了第一个谐波限制标准u s m i l s t d 4 6 1 ，目前仍然被美国 军方广泛使用。19 8 2 年国际电工委员会( i n t e m a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，i e c ) 第一次指定了通用电器设备产生谐波的限制标准，即用i e c 5 5 ，并在 其后的执行过程中修订完善，目前已经被世界许多国家承认和接受，在欧，美等 发达国家已经成为强行执行的标准【l5 1 。1 9 9 3 年美国电气与工程协会( i e e e ) 进一 步完善了i e c 5 5 标准，并在其基础上补充了对高压，大功率用电负荷产生的谐 波的限制标准，这就是i e e e a n s is t a n d a r d5 1 9 谐波限制标准。我国原水利电力 部于1 9 8 4 年根据原国家经济委员会批转全国供电用电规则的规定，制定并 发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年又发布了 中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波【l 引，从1 9 9 4 年3 月1 日开始实施。1 9 9 8 年，为了进一步限制电网谐波，我国颁发了g b l 7 6 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限制( 设备每相电流小于1 6 a ) 【1 6 】，即i e c 6 1 0 0 - 4 2 标准，对低压电气以及电子设备发出的谐波电流进行了限制。 其中有如下规定： 测量谐波的方法必须根据快、慢变化不同的谐波源而选择不同的测量间隔。 为了区别暂态现象和谐波，根据国际大电网会议3 6 - - 0 5 工作组建议，每次测量结 果应为3 秒内所测值的平均值。国标要求在进行谐波测量时，应选择在电网正常 供电时可能出现的最小运行方式，且应在谐波工作周期中产生的谐波量大的时段 内进行( 例如：电弧炼钢炉应在熔化期测量) 。当测量点附近安装有电容器组时， 应在电容器组的各种运行方式下进行测量。测量的谐波次数一般可取2 1 9 次。 由于谐波的波动性，宜用概率选值，为了实用方便，在国标中规定用“9 5 大值”。对于波动谐波源，规定实测值不少于3 0 个，是使测量平均数的分布接近 于正态分布所需的最低样本数。对于较稳定的谐波源，国标规定可选用五个接近 的实测值，取算术平均值。 对于仪用互感器的误差，国内尚未作过系统的分析。国外的文献结论也有所 不同。国标中对于电磁式电压互感器和电流互感器频率使用范围是按比较一致的 结论给出的。由于6 1 l o k v 电磁式电压互感器，一般用于1 0 0 0 h z 以下频率测量， 故国标中规定“测量次数一般为2 1 9 次。低压电网中的电压总谐波畸变率允许值 是确定各级中、高压电网电压总谐波畸变率的基础。同时由于绝大多数电气设备 都是从低压电网取得电源，所以确定低压电网的电压总谐波畸变率，保证这些电 气设备免受谐波的干扰，具有很重要的意义。国标确定低压( o 3 8 k v ) 的电压总谐 波畸变率为5 ，主要根据为： ( 1 ) 对交流感应电动机，根据定子绕组等值发热条件求出等值负序电压和谐 波电压的关系，考虑在正常负序电压2 的前提下，不显著地缩短电机的寿命， 允许电压总谐波畸变率约为5 。 ( 2 ) 根据电容器的过电压和过电流能力，分析了各次谐波电压和基波电压迭 加，使电容器的寿命不致因局部放电和增加发热而显著地缩短，低压电网电压总 谐波畸变率应控制在5 以内。 ( 3 ) 国外有代表性的电子计算机( 如：i b m 3 7 0 1 4 5 、i b m 4 3 0 等等) ，对电源电 压总谐波畸变率的要求均为不大于3 - 5 。我国正在制订中的电子计算机机房 设计规范( 国标) 中，a 级标准电源电压总谐波畸变率的要求为不大于5 。 1 4 电力谐波抑制方法 解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：一是装 设补偿装置以补偿其谐波和无功功率；二是对电力电子装置本身进行改进，使其 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 不产生谐波。采用电力滤波装置滤除谐波发生源所产生的谐波电流是抑制谐波污 染的有效措施。由此谐波的抑制有两种措施：一、通过分析电网谐波针对某次谐 波加无源滤波器补偿；二、在电网上加装有源电力滤波器补偿。下面分别介绍无 源滤波器与有源滤波的发展现状及优缺点分析。 1 4 1 无源电力滤波器 无源滤波器主要包括l c 滤波电路和r c 滤波电路两种，最开始的采用的无源 滤波技术是有由电力电容器件构成无源滤波器，与需补偿的非线性负载并联，为 谐波提供一个低阻抗通路，同时提供负载所需要的无功功率。由于无源滤波器即 l c 滤波器结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低，且既可 补偿谐波又可补偿无功功率，在国内被广泛使用。但其缺点是滤波器的l c 参数 易受外界因素的影响而发生变化，导致滤波器偏离谐振状态，滤波效果变差四之7 1 。 无源滤波器的设计在保证基波无功补偿容量的前提下，关键之处就在于对滤波器 元件参数的优化。无源滤波器的设计是一个多约束、非线性的混合整数规划问题， 求解比较困难。目前，无源滤波器的设计方法一般是根据工程经验或简单的技术 经济指标来选择参数，参数的求取是通过反复计算和比较来实现的。为克服传统 的无源滤波器l c 参数易发生变化导致补偿效果不佳的缺点，文献1 2 8 】提出一种新 型可控无源滤波器，相对有源滤波器，既节省了初期投资又可实时补偿。其原理 是利用双向晶闸管与电抗器串联等效为一可变电抗器，通过改变双向晶闸管的触 发角旺来改变可变电抗器的等效电抗，滤波器投运一段时间后，电容器、电抗器 受温度以及自身老化等因素的影响，电容值、电感值产生偏差，滤波器偏离谐振 点，z n 增大导致n 次谐波电流流入滤波器的减少，流入系统的增多，从而使滤波 器的滤波效果变差。此时在滤波器中串入双向晶闸管构成可控无源滤波器， 调 整双向晶闸管的触发角a 来改变其等效电感l ，使滤波器再次达到谐振。图( 1 1 ) 为可控无源滤波器的原理电路图，图中r 、c 分别为滤波器的电阻、电容，l l 为 电抗器电感，l 为双向晶闸管控制电抗器( t c r ) 的等效电感。双向晶闸管与电抗 器串联等效为一可变电抗器，通过改变双向晶闸管的触发角伐来改变可变电抗器 的等效电抗。 7 中南人学硕十学位论文第一章绪论 百r c a ) 可控无源滤波器b ) 实际电路c ) 等效电路图 图1 1 可控无源滤波器的原理电路图 1 4 2 有源电力滤波器 2 0 世纪7 0 年代初期，日本学者首先提出了有源滤波器的概念【1 8 ，2 9 1 。7 6 年美 国西屋电气公司l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成的p w m ( 脉冲宽度调制) 逆变器构成的a p f 来消除电网滤波【2 9 加】。由于受当时功率半导体器件水平以及 控制策略的限制，a p f 的研制一直处在实验阶段。进入8 0 年代以后，随着电力 电子技术及控制技术的飞速发展，大功率可关断器件( g t r 、g t o 、i g b t 等) 的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1 9 8 3 年日 本学者h a k g i 提出的瞬时无功功率理论i l 引，为a p f 的实际应用提供了必要的条 件，使7 0 年代提出的有源电力滤波器走出了实验室。 有源滤波器【3 卜3 4 】是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，它能 对大小和频率都变化的谐波，以及变化无功进行补偿。其应用可克服l c 滤波器 等传统的谐波抑制和无功补偿的缺点。有源电力滤波装置可分为两大部分，谐波 电流检测电路和补偿电流控制电路。谐波电流检测电路实时检测出负载中的谐波 电流，据此由补偿电流控制电路得出指令信号控制变流器产生需要的补偿电流。 谐波电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功 电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。补偿电流控制电路的功 能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲 经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到 消除谐波与进行无功补偿的目的。图1 2 为a p f 谐波电流补偿原理。 图1 2a p f 谐波电流补偿原理 8 中南大学硕十学位论文第一章绪论 各种新型电力半导体器件的相继问世、p w m 技术的发展以及基于瞬时无功 功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出，都极大地促进了有源滤波技术的发展。 用有源滤波器对电力谐波进行动态抑制真正进入实用阶段在8 0 年代。其基本原 理是：a p f 向电网注入与原有谐波和无功功率大小相等但方向相反的补偿电压， 使电网的总谐波和无功功率为零，从而达到净化电网的目的。与无源电力滤波器 相比，有源电力滤波器具有明显的优越性。它能对变化的各次谐波同时进行跟踪 补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化影响较小，控制电路容易实施限流保护以 提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。 经过2 0 多年的研究与探索，有源技术取得了长足的发展，越来越多的a p f 投入了运行，不论是从实际功能还是运行功率上都有明显改善【3 2 1 。自1 9 8 1 年 以来，仅日本就有5 0 0 多台有源电力滤波器投入运行【3 2 。3 4 】，其功率范围从2 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功能从谐波抑制到抑制闪变以及电压调节等越来越丰富。 目前，a p f 已在提高电能质量、解决三相电力系统中终端电压调节f 圳、电压波 动抑制、电压平衡改善、以及谐波抑制 3 3 1 与无功补偿这些方面均有应用。直到 今天，有源滤波器日趋完善，但随着现代社会对电能质量要求的日益提高，有源 滤波器应用也将日益广泛。目前有源滤波器在对电网电能质量进行补偿时还存在 许多缺陷，有许多问题还需要进一步研究。a p f 的发展近期主要在以下几个方面， 如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高补偿效果及性能、提 高性价比等。 a p f 由高次谐波电流的检测、调节器和控制器、脉宽调制( p w m ) 的逆变器 和直流电源等主要环节组成，其原理结构如图1 3 所示。根据逆变器直流侧储能 元件的不同，可分为电压型有源滤波器( 储能元件为电容) 和电流型有源滤波器( 储 能元件为电感) 。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流 侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为p w m 电压波。而电流型有源滤波器 在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交 流侧输出为p w m 电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目 前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构【3 4 1 。电流型有源滤波器由于电 流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较 少采用。 图1 - 3 有源电力滤波器结构图 9 中南人学硕十学位论文第一章绪论 按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型。 交流电 非线性负载 图l - 4 并联型有源滤波器 图1 4 所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性 负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。并联型有 源电力滤波器是最早期的有源滤波装置。1 9 8 4 年，m a g i h 提出用并联有源电力 滤波器消除谐波的方法，示意图如图1 4 。这种装置相当于一个谐波电流发生器， 它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。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿，因 此功能很多，联接也方便。但是由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器件电 压等级要求高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很大， 因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合于电感型负荷的 谐波补偿；开关引起的谐波电流将影响电路中的p f 或电容器的滤波特性，若利 用l c 网络吸收这部分高次谐波，由于l c 网络受电网参数的影响，p w m 逆变 器输出的谐波频带又很宽，所以l c 网络难以设计。 交流电源 非线性负载 图卜5 串联型有源滤波器 图1 5 所示为串联型有源滤波器的基本结构。串联有源电力滤波器在此系统 中相当于一个受控电压源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电 压，使负载端交流侧电压为正弦波。这种结构的有源装置容量小，运行效率高， 对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型a p f 一方面可用于改善系统的供 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、难以适应线路故障条 l o 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的 变压器，其工程实用性受到限制。与并联型a p f 一样，负载谐波含量较大时串 联型a p f 装置容量也将很大，初期投资也很大。 1 4 3 混合型有源电力滤波器 以上有源电力滤波器( a p f ) 可以实时跟踪滤除幅值和频率都在变化的谐波， 补偿性能好。但是，由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上， 且滤波电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。为克服这一缺点， 可以将有源电力滤波装置与l c 滤波器混合使用，构成了混合型有源电力滤波装 置( h a p f ) 。其基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的大部分滤波任 务。由于l c 滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、易实现且成 本低，而有源电力滤波器的优点是滤波性能好。两者结合同时使用，即可克服有 源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 1 串联混合型有源电力滤波器( 串联a p f 与并联p f 混合型方案) 1 9 8 8 年，由p e n g e z 等人提出一种串联有源电力滤波器加并联无源滤波器 的结构【了7 3 引，如图1 - 6 所示。 交流电 非线性负载 图1 - 6 串联型a p f + 并联p f 的h a p f 在这种结构中，有源电力滤波器通过变压器串联接入系统。有源滤波器表现 为电流控制电压源，由逆变电路产生与谐波电流成正比的谐波电压。在基频点， 无源滤波器呈现高阻抗，串联有源电力滤波器呈现低阻抗【3 0 1 ，不消耗基波功率； 而在谐波频率点，无源滤波器呈现低阻抗，串联有源滤波器呈现为高阻抗，从而 保证线路电压和电流中只有很小的谐波残余。这种混合型结构只是可以降低系统 对有源滤波器的容量要求，并不能够降低系统电压等级对有源滤波器的限制，在 本质上仍然相当于有源滤波器单独工作。此外，由于a p f 串联在电路中，耦合 变压器流过所有频率的负载电流，这对耦合变压器的容量设计造成了困难。和负 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 载串联的a p f 为一个电流控制电压源，由p w m 控制产生与线路中谐波电流成 正比的谐波电压。因此对谐波电流，串联a p f 可以等效为一个电阻，其阻值即 为放大倍数，当k 远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，线路电压和电 流中将只有很小的谐波残余，对工频a p f 呈极低阻抗，因此串联a p f 相当于一 个谐波隔离装置。串联a p f 强制将负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻 止了电源的谐波电压串入负载侧，无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道。对谐 振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。这种方案结合了无源滤波器和有源滤 波器各自的优点，装置的补偿容量可以做得很大。由于大部分谐波由相对廉价的 无源滤波器滤除，装置成本相对较低。 这种结构的缺点是： ( 1 ) 在低次谐波及其他频率( 非无源滤波器调谐领率) 处，要使k 远远大于无源 滤波器等效阻抗是很困难的，因此对电网中的闪变分量，用该方法不能实现隔绝； ( 2 ) 由于a p f 串联在电路中，绝缘较困难，维修也不方便； ( 3 ) 在正常工作时，耦合变压器流过所有负载电流； ， ( 4 ) 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这部分 谐波流入p f ，这将在负载入端产生谐波电压； 2 并联混合型有源滤波器 并联混合型有源滤波器，是指有源滤波器支路以并联的形式接入系统。而根 据有源滤波器与无源滤波器的连接形式又可以分为a p f 和p f 串联、a p f 和p f 并联两种形式【7 。 ( 1 ) 并联型a p f 与并联p f 混合型方案 1 9 8 7 年t a k e d a m 等人提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合型有源电力 滤波器方案【3 9 4 2 】，如图1 7 所示。在这种结构中，无源滤波器可以包括多组单调 谐滤波器及高通滤波器，对于三相桥整流电路这样的谐波源，无源滤波器典型的 组成包括5 次、7 次及高通滤波器，有时还包括1 1 次甚至1 3 次滤波器。这样， 无源滤波器负担了主要的滤除工作，而有源电力滤波器只需补偿l c 无源滤波器 未能补偿的谐波。这种混合型结构性能要好于单独使用的无源滤波器，因为它可 以对较宽范围的谐波进行补偿，同时防止了可能出现的谐波放大作用；而有源电 力滤波器只需提供很小的补偿电流对高次谐波进行补偿，因而容量不需很大。与 单独使用的并联型有源电力滤波器相比，两者有不少相似之处。 但这种装置在使用时，电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道，特别 是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波又流入p f 及系统中。同 时，a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压 等级没有降低。 1 2 中南人学硕士学位论文第一章绪论 交流电源 非线性负载 图1 7 并联型a p f + 并联p f 的h a p f ( 2 ) a p f 与p f 串联后与电网并联混合型方案 1 9 9 0 年f u j i t h 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案 3 9 - 4 2 j ，其示意图如图1 8 。其中a p f 为电流控制电压源，产生与线路中谐波电流 分量成比例的电压。该方式中，谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，而有源 电力滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗 的影响，易与电网发生谐振等缺点。在这种方式中，有源电力滤波器不直接承受 交流电源的基波电压，因此装置容量小，开关器件耐压等级降低。该方案可以等 效为p e n g e z 的方案，并且由于注入变压器联接在y 型联接的p f 的中性点上， 方便保护和隔离，因此更适合于高电压系统应用，但是该电路对电网中的谐波电 压非常敏感。而且，由于要降低a p f 承受的基波电压及其流过的基波电流，a p f 比p f 的基波阻抗要小得多，即p f 的基波阻抗较大，滤波器支路不可能产生较 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。另外，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。该方式的谐波阻尼k 不能太大，否则会引起系统不稳定。 3 注入型a p f 为了将单独使用的a p f 上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电 压，从而显著降低有源装置的容量，可以选择用l c 串联或并联谐振网络作为注 入电路1 4 卜4 2 1 ( 分别如