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基于有源电力滤波器的谐波抑制技术研究 倪璐璐( 检测技术与自动化装置) 指导教师：张加胜教授陈继明副教授 摘要 随着非线性负载的大量应用，电网中的谐波含量日益增加，造成电 能质量恶化。有源电力滤波器以其优越的补偿性能，己成为电力电子技 术领域的研究热点之一。本文对有源电力滤波器的谐波电流检测环节和 电流跟踪控制环节进行了系统研究。 首先，本文将基于瞬时无功功率理论谐波电流检测方法在三相三线 制电路中的应用进行了扩展，提出了适用于三相四线制电路及单相电路 的实时检测新方法；其次，针对传统的基于神经网络谐波检测方式的缺 陷，提出将神经网络与基于噪声抵消原理的自适应谐波检测相结合，利 用径向基函数运算量小、收敛快、无局部极小值等特点，构造了一种基 于径向基函数神经网络的谐波电流检测方法，仿真结果表明该检测方法 具有很好的动态响应及畸变电流检测精度，对变化的负载可以很好地自 适应跟踪检测。再次在深入分析空间矢量控制原理的基础上，推导出一 种适合于定点d s p 的补偿电流控制算法，在m a t l a b 环境下对基于该 控制算法的并联型有源电力滤波器进行了建模仿真，仿真结果表明，该 控制算法与传统的控制方法相比有一定的优越性，对于三相对称负载和 三相不对称负载所产生的谐波电流都起到了较好的补偿作用，具有较好 的动态补偿特性，能够有效提高有源电力滤波器的综合性能。 最后在理论和仿真研究基础上，设计了并联型有源电力滤波器的主 电路和控制电路，并完成了口m 接口电路、信号采集电路的制作和调试。 关键词：谐波，有源电力滤波器，瞬时无功功率理论，径向基函数神经 网络，空间矢量控制 r e s e a r c ho nh a r m o n i cr e s t r a i n i n gt e c h n o l o g y b a s e do na c t i v ep o w e rf i l t e r n il u l u ( d e t e c t i v et e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gj i a - s h e n ga n da s s o c i a t ep r o f e s s o rc h e nj i o m i n g a b s t r a c t w i mt h ew i d ea p p f i c a f i o no fn o n l i n e a rl o a d s t h ea m o u n to fh a r m o n i c c u r r e n th a sb e e ni n c r e a s i n g ，w h i c hc 卸s e st h el a b e f a c t i o no fp o w e rq u a l i t y t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) 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 ， h a sb e e nah o tr e s e a r c hs p o ti np o w e re l e c t r o n i c sa r e a 。t h eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n ga n dc u r r e n ti x a c k i n gc o n t r o l l i n ga r es y s t c m i c a u yr e s e a r c h e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ， f i r s t l y ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x t e n d st h ed e t e c t i n gm e t h o db a s e do nt h e i 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 yu s e di nt h r e e p h a s et h r e e - w i r ec i r c u i t s ， a n dp r e s e n t sn e wh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do n t h i st h e o r yr e s p e c t i v e l y , w h i c hc a nb eu s e di nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ec i r c u i t s a n ds i n g l e - p h a s e c k e u i t s s e c o n d l y , e o n t r a p o s e s t h el i m i t a t i o no ft h e t r a d i t i o n a lh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o db a s e do i ln e u r a ln e t w o r k , p r e s e n t st h em e t h o dt h a tc o m b i n e st h en e u r a ln e t w o r ka n da u t oa d a p t i v e h a r m o m cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o db a s e d0 1 7 1t h ep r i n c i p l eo fn o i s ee a c ho t h e r e l i m i n a t i n g a st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a t 黜s m a l le a l c u l a t i v eq u a n t i t y , f a s t c o n v e r g e ，w i t h o u tl o c a lm i n i m a lp o i n to fr e d i a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) ，t h i s d i s s e r t a t i o nf o r m san e wh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t m gm e t h o db a s e do nr b f t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s g o o dd y n a m i cr e s p o n s e , h i 曲a c c u r a c ya n da d a p t a b i l i t yt om u t a t i v el o a d c u r r e n t s t h i r d l y ，ac o n t r o lc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do i lf i x e dd s pi sd e d u c e d b a s i n go nd e e p l ya n a l y z i n gt h e o r yo fs p a c ev e c t o rc o n t r o li nt h i sd i s s e r t a t i o n s i m u l a t i o nm o d e l so fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e mb a s e do nt h i sm e t h o d a r eb u i l ti ne n v i r o n m e n to fm a t l a bs o i = t w a r e 1 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h i sc o n t r o la r i t h m e t i ci ss u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，i tc a nn o t o n l ye l i m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n te f f e c t i v e l y ，b u ta l s oh a sb e n e rd y n a m a t i c c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，a n d c a l l i m p r o v et h ei m p r o v e t h ei n t e g r a l p e r f o r m a n c eo f t h ea c t i v ep o w e rf i l t e re f f e c t i v e l y a tl a s t , b a s eo nt h et h e o r ya n dm m u l a t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e s i g n s c o n t r o ls y s t e ma n dm a i nc i r c u i tp a r a m e t e ro fs h u ta p f ，a n dt h ec i r c u i t so f h a r d w a r ei n t e r f a c ea n ds i g n a ls a m p l i n ga r em a n u f a c t u r e da n dt e s t e d 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 , i 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 y , r b f n n ，s v p w m v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国 石油大学或其它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。 签名：i 豆。监盛，。0 1 年6 月i e t 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：6 盈监监 ，o 由年 导师签名：；延岫缝明，叼年 月1 日 月 f 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 8 0 年代以来，电力电子学已经逐渐成为一门新兴交叉边缘学科，与 此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。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，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大，各种电力 电子装置在电力系统、工业( 特别是冶金、钢铁、化工等) 、交通、楼宇 自动化及家庭中获得了广泛的应用，但同时也将大量的谐波注入电网。 电网中谐波的危害极大，它会使电网供电电压波形发生畸变而使供电质 量下降，电力系统的能量损耗增加，供用电设备寿命缩短，还会对其它电 子设备造成电磁干扰。因此，国际上公认谐波污染是电网公害，必须采 取措施加以限制【l j 。 1 1 概述 在电力系统中，其频率为基波频率5 0 h z 整数倍的电波，均为离次谐 波。而高次谐波会造成系统基波波形的畸变。产生高次谐波的设备和负 荷称为谐波源。一切非线性负荷都是谐波源，当电网向非线性负荷供电 时，这些设备在传递( 配电变压器) 、变换( 硅整流和换流设备) 、吸 收( 电弧炉) 电网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，向系统倒送大量的高次谐波，使系统正弦波形发生畸变。当 前，电力系统的谐波源，按其非线性特性主要分三大类【l 】： ( 1 ) 铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱 和特性呈现非线性。 ( 2 ) 电子开关型：主要为各种交直流换流装置，如整流器、逆变器， 以及双向晶闸管可控开关设备等，在化工、冶金、矿山、电气铁道等大 量工矿企业以及家用电器中广泛使用。 ( 3 ) 电弧型：各种炼钢电弧炉在高温熔化期间以及交流电弧焊机在 高温焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，导致电流 不规则地波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的随机变 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 化的伏安特性。 谐波给电力系统和广大用户造成一系列的危害。谐波污染是电气环 境的一大公害，这与世界性的自然环境污染相类同，而且影响更大。谐 波对公用电网及其它设备或用电系统的危害，大致可以归纳为以下几个 方面【2 1 0 ： ” ( 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低电网、输电 及用电设备的使用效率，增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会 由于流过大量的3 次及其倍数次谐波电流，导致零线过热。 ( 2 ) 无功功率的增加使整个电力系统的效率降低，加剧能源紧张状 况。 ( 3 ) 谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化， 降低设备的使用寿命。 ( 4 ) 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。 使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连 的电抗器、电阻器的损坏。 ( 5 ) 谐波会引起一些保护设备误动作，同时也会导致电气测量仪表 计量不准确。 ( 6 ) 谐波会对附近的通信系统产生干扰，轻则引入噪声，降低通话 质量，重则导致信号丢失，使通信系统无法正常工作等等。 1 2 谐波的抑制方法及其研究现状 抑制谐波的主要途径有两种： 一是主动型谐波抑制方案，即对接入电网的设备本身进行改进，限 制其产生谐波的含量或不产生谐波。具体方法是：开发新型变流器，使 其不产生谐波且功率因数为l ，这种变流器被称为单位功率因数变流器 ( u i l i t y p o w e r f a c t o r c o n v e r t o r ) 。在中小功率电力变化装置中，采用脉宽调 制技术的整流电路的有功功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r c t _ 巾f c l 电 路，已经在开关电源中获得了广泛应用。在大功率电力变换装置中，采 用多绕组变压器的多脉整流或将多脉整流与控制移相相结合构成准多脉 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 整流。 这种技术的缺点在于成本高、效率低。同时，在运用脉宽调制技术 的电力电子系统中，还会产生高次谐波，所以，还要抑制高次谐波。 二是被动型谐波抑制方案，这是通过外加设备达到谐波抑制的目的， 即装设无源电力滤波器( p o w e rf i l t e r 一一p f ) 、有源电力滤波( a c t i v e p o w e rf i l t e r a p f 词混合型电力滤波器进行滤波。采用这些电力滤波 器就地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，也 是电力系统中抑制谐波广泛采用的方法。下面对这种抑制方案进行详细 讨论。 根据滤波原理，将电力滤波器分为无源电力滤波器和有源电力滤波 器两种。 ( 1 ) 无源电力滤波器 在电力系统中装设l c 无源滤波器一直是补偿无功抑制谐波的主要手 段。采用r 、l 、c 无源调谐滤波器，安装在电力电子设备的交流侧，当 l c 回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波 流入电网。这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构 简单，维护方便，一直被广泛使用，但它有很多缺点，如： 1 ) l c 滤波器是根据调谐的原理，针对特定次谐波进行补偿的，因此 它对电网频率和网络阻抗的变化十分敏感，滤波效果不易保证。 2 ) l c 滤波器可能会跟电网阻抗发生并联谐振，导致谐波电流放大， 使l c 滤波器过载，甚至烧毁，从而导致系统不能正常工作。 3 ) 由于电网中谐波的频率范围通常较宽，因此一般要设置多个l c 滤波器。 由于l c 无源谐波抑制装置治理的局限性，发展至今已经越来越不能 满足用户对电能质量的要求。而随着电力电子技术的发展和新一代大功 率电力电子器件的产生，使有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称 a p f ) 治理电网谐波成为可能，只要额定功率等级选得正确，即可彻底改 变常规谐波抑制装置的局限性。 ( 2 ) 有源电力滤波器 目前，利用有源电力滤波器进行谐波抑制与无功补偿是一种趋势。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装 置。其补偿原理是向电网中注入与谐波电流相位相反、幅值相同的补偿 电流来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。采用有源电力滤 波器可以获得比传统方式更好的补偿性能，可以克服上述无源滤波器的 各项缺点，并且具有以下优点： 1 ) 它在对频率和大小都在变化的谐波以及无功电流进行补偿时，对 补偿对象的变化有很快的响应，可实现动态补偿。 2 ) 可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿程度连续可调。 3 ) 补偿无功功率时理论上不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的 储能元件也不大。 4 ) 受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振。 5 ) 既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可以对多个谐波和无功 源集中补偿。 可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往的方法更优越的补偿特 性，并且随着电力电子技术的发展，电力电子器件成本的逐步下降，有 源电力滤波器的成本也会下降，应用前景比较乐观。基于有源电力滤波 器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势， 因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济 性具有重要意义。 ( 3 ) 有源电力滤波技术研究现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯至t j 6 0 年代，但直到7 0 年代才真 正提出了有源电力滤波器的原理，到了8 0 年代，随着电力电子技术以及 p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，特别是 在赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功理论”后1 4 1 ，有源电力滤波器 的研究也取得了新的突破，逐渐在工业得到广泛应用。国外的研究主要 以日本为代表，已步入大量实用的阶段1 5 】。随着容量的逐步提高，其应用 范围也从补偿用户端谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展【6 】【7 】。 我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直n 2 0 世纪8 0 年代末 才有文章发表1 9 】。2 0 世纪九十年代以来，一些高等院校和研究机构开始进 行有关有源电力滤波器的研究。由于各方面条件的限制，在我国有源电 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 力滤波器刚刚得以进入实际工业现场，还有待提高实际应用水平。 目前，关于有源电力滤波器的研究主要集中在以下几个方面： 1 ) 无功功率理论和谐波处理理论的迸一步研究 传统的功率定义大都是建立在平均值基础上的。在单相正弦电路或 三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在 功率和功率因数等概念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波，或三相 电路不平衡时，功率现象比较复杂，传统功率概念无法正确对其进行解 释和描述。建立包含畸变和不平衡现象的完善功率理论，是电路理论中 一个重要的基础性课题。 2 ) 进一步降低补偿装置容量 由于有源电力滤波器的价格要远远高于同容量的无源滤波器，为降 低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量一。目前的 主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤 除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果， 这就是混合型有源电力滤波器。还有学者提出其他方法，如注入回路方 式等，其主要目的也是降低有源电力滤波器的容量，但尚未进入实用阶 段。 3 ) 控制系统的简化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波 电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。各种 检测计算电路，用传统的模拟电路实现时，其线路较为繁琐、结构较为 复杂、电路调试困难。随着高速数字信号处理器( d s p ) 的出现，采用数 字化方法来控制有源电力滤波器己成为有源电力滤波器的发展趋势之 一。采用数字化控制的有源电力滤波器具有运算速度快、编程方便、稳 定性及可重复性好、精度高、集成方便等优点。 4 ) 补偿装置的多功能化 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造 还有补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的 研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 3 本文的主要工作 本文主要工作如下： ( 1 ) 叙述了谐波的定义、产生、危害及主要的抑制方法，并简要介 绍了有源电力滤波器的研究现状，然后对有源电力滤波器的理论基础进 行了介绍。 ( 2 ) 介绍了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，根据基于 f 。一运算方式的谐波电流检测方法在三相三线制电路中的应用，提出了 其在三相四线制电路中和单相电路中的检测方法。并详细分析了基于瞬 时无功功率的谐波检测方法中低通滤波器的截止频率和阶数的选取对检 测效果的影响。 ( 3 ) 提出了一种将径向基神经网络与基于噪声抵消原理的自适应谐 波电流检测方法相结合的新型神经网络谐波电流检测方法，并运用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对其进行了相应的验证分析。 ( 4 ) 分析了有源电力滤波器的电流控制方法，主要对基于空间矢量 的补偿电流跟踪控制方法进行了深入分析及实现，并对基于该控制方法 的并联型有源电力滤波器作了动态仿真研究。 ( 5 ) 设计、制作以全控型器件i p m 为开关器件的并联型有源电力滤 波器主电路和以d s p 为核心控制器的全数字控制系统，设计a d 信号转换 电路，实现谐波实时检测和相应的控制算法。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 本章首先介绍谐波的定义及限制谐波的标准，然后详细分析能够动 态抑制谐波的有源电力滤波器的基本原理、分类以及系统构成，为以后 对其谐波电流检测方法和补偿电流控制方法的研究奠定了基础。 2 1 谐波的基本概念 电力系统中，理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波，但实际 的波形总有不同的非正弦畸变。国际上公认的谐波定义为1 】：“谐波是一 个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍”。在电力系统中， 我们通常所说的谐波主要是指频率是基波频率整数倍的正弦波，也常称 为高次谐波。 从数学的角度来分析谐波，可以更清楚理解它。根据傅立叶级数， 任何周期波形都可以被展开为傅立叶级数，即： ，( f ) = 口。+ 【口。c o s ( n o ，) + 6 。s i n ( n o d o t ) “ ( 2 - 1 ) 三 = 口o + c 。s i n ( t o o o r + ) n = l 式中：，( f ) 是一个角频率的周期函数； c 1s i n ( c o o t + 仍) 是基波分量，幅值为c l ，相位为仍； c 。s i n ( n o j o t + 纸) 是第n ( n 1 ) 次谐波分量，幅值为c 。，相位为纯。 当电力系统有较强的谐波源，又没有采取有效的抑制措施时，电网 的电压或电流波形就会发生畸变。可以用傅立叶级数将畸变的电压波形 “( f ) 或电流波形砸) 表示成若干个正弦波叠加形式，即 材( f ) = 孤s i n ( q r + 纪) + 如。q f + 纯) ( 2 2 ) n - 2 砸) = _ ，1s i n ( a ) l t + 仍) + 艺西。( 九q r + 纸) ( 2 3 ) 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 其中：阢、是基波电压、电流有效值；识是基波电压、电流初相位； u 、l 是n 次谐波电压、电流有效值； 是n 次谐波电压、电流初相位。 把含有谐波的电压或电流波形用傅立时级数表示成数学形式后，就 可以清晰地看出各次谐波的幅值、初相位，便于分析和计算。但是，在 大多数情况下，不是要知道各次谐波的大小和相位，而是要知道电压或 电流中谐波所占的比例。 用下面两个概念来衡量谐波所占的比例。一个是n 次谐波含有率，另 一个是谐波总畸变率，现分述如下： 以次谐波电压含有率h r 巩( h a r m o n i cr a t i o n 玑) 表示为： h r u = 鲁1 0 0 4 ) 式中：u 。为第 次谐波电压有效值；u ，为基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率h r i ( h a r m o n i c r a t i o nl ) 表示为： h r l 。= 孚1 0 0 ( 2 5 ) 1 1 式中：j 。为第栉次谐波电压有效值；i i 为基波电压有效值。 谐波电压含量u 。和谐波电流含量如分别定义为 一 u 。= 、f 峨 ( 2 6 ) vn s 2 - k 2 、薹e 2 ( 2 - 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 变率力z 晓分别定义为 觋= 鲁1 0 0 ( 2 - 8 ) t h d , 。争x l o 。、 ( 2 删 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 根据上面所给的公式，就可以计算出电压或电流中谐波含量。 2 2 有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器的总体构成如图2 1 所示。图中的补偿分量检测及 p w m 控制回路为对负载电流进行检测，分离出谐波电流部分，用以控制 主电路输出相应的补偿电流。对主电路输出电流进行检测是为了使主电 路输出的电流更好地跟踪由于负载电流变化而引起的谐波电流大小的变 化。 将图2 - 1 中的负载电流i ，按傅立叶级数展开为： = i 。s i n ( h o o t + 0 ) n = l = 1 1 e o s a , s i l l 耐+ s i n o lc o s c o t + ，。s i n ( n c o t + 0 ) ( 2 1 0 ) n = 2 = i l p + i t q + 其中：。= ，lc o s o ls i n c o t ，为基波有功电流； i l 。= ，1s i n o lc o s c o t ，为基波无功电流； l l h = ls i n ( n t o t + 0 ) ，为高次谐波电流。 图2 - 1 有源电力滤波器总体构成框图 由图2 1 可知= + t ，即负载电流由电网电流和有源电力滤波 器输出电流共同提供，如果控制有源电力滤波器的输出电流，使 f 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 = - - l i b ，则电网中就只有基波电流了，即f ，= i l 。+ i l 。，这样就达到补偿 谐波的目的。简言之，并联型有源电力滤波器相当于并联在电网上的受 控电流源，它实时检测负载中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向 相反的谐波电流，使流入电网的谐波电流基本为零。进一步分析式( 2 1 0 ) 还会看到，有源电力滤波器也可以同时用来补偿无功功率，这时只需使 f c = 一( + 屯) ，则= ，即电网中就只含基波有功电流分量。 2 3 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器发展至今，已派生出了许多类型，它们的工作原理 也不尽相同。有源电力滤波器可以从以下两个不同的角度来分类： ( 1 ) 按变流器类型分类 有源电力滤波器的主电路一般均由p w m 变流器组成。作为主电路的 p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但它不仅仅是 作为逆变器工作，当电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它 就作为整流器工作。它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且工作 状态无法区分。p w m 控制技术原理是控制功率器件的开通和关断，把直 流电压或电流变成一定形状的电压或电流脉冲序列，使有源电力滤波器 中的静止变流器产生所需的谐波补偿电压或电流。 有源电力滤波器的主电路有两种类型，即电流型p w m 逆变电路和电 压型p w m 逆变电路。两者的主要区别是直流侧的储能元件不同，它们的 结构如图2 - 2 所示。 图2 2 a 所示为电流型有源电力滤波器的主电路图，其储能元件为电 感，具有运行中损耗较大，输出部分需增加解调滤波器等缺点，因此实 际中较少采用。 图2 - 2 b 所示为电压型有源电力滤波器的主电路图，其储能元件为电 容，可控开关电路通常由g t o 或i g b t 等大功率电力电子元件构成，输 出部分为电感。电压型有源电力滤波器的工作原理是根据检测信号产生 p w m 输出电压，再经过交流侧电抗器转换为所需的补偿电流。电压型有 源电力滤波器具有电路结构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 控制易于实现等优点，因此，目前是有源电力滤波器的主要研究方向。 a ) 电流堑 b ) 电压型 图2 - 2 有源电力滤波器的主电路 ( 2 ) 按拓扑结构分类 按拓扑结构，有源电力滤波器在系统中的连接方式可分为串联型、 并联型和两者混合使用的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 y c o n d i t i o n e r ，u p q c ) 等等。有源电力滤波器拓扑结构分类，如图2 3 。 有 源 电 力 滤 波 器 单独使用方式 竺卅，l 磊 并联a p f 统一电能 调解器 单独使用方式 并联 混合型 注入回路 方式 与l c 并联 图2 - 3 有源电力滤波器分类图 有源电力滤波器与电网的连接方式取决于其使用目的，不同的连线 方式用的范围也不一样。图2 4 给出了有源电力滤波器与电网、负载之间 不同形式的连接图。下面分别就各种有源电力滤波器的主要特点以及应 用的情况进行分析。 墨蒜 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 a c a c ( a ) 串联型a p f a c ( b ) 并联型a p f ( c ) 串联混合型a p f( d ) 并联混合型a p f a c ( e ) 无源与有源串联并入电网( f ) 统一电能质量调节器( u p q c ) 图2 - 4a p f 与电网、负载之间不同形式的连接图 图2 4 ( a ) 所示为单独使用的串联a p f ，它通过一个匹配变压器将a p f 串联于电源和负载之间，相当于一个受控电压源。它主要用于消除电容 滤波整流电路等电压源型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐 波与电压波动对敏感负载的影响。 图2 4 ( b ) 所示为单独使用的并联型a p f ，由于其与系统相并联，可等 效为一受控电流源。主要适用于电流型非线性负载的谐波电流抵消、无 功功率补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。这是a p f 中最基本的 形式，也是目前应用最多的一种。与并联型a p f 相比，串联型a p f 的主 要缺点是流过很高的负载电流，损耗大。此外在投切、故障后的退出及 各种保护电路也较复杂，因此很少单独使用串联a p f 。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 图2 - 4 ( c ) ( d ) 均属混合a p f 。它们都是由较小容量的a p f 和较大容量 的无源滤波器配合使用的。无源滤波器主要起谐波抑制作用，而a p f 充 当改善特性的作用，能很好的补偿大容量谐波源注入电网的谐波。这种 方案结合了无源滤波器和a p f 的优点，具有很好的滤波效果。从经济角 度而言，具有较高的性价比，在目前是一种值得推荐的方案。 图2 - 4 ( e ) 所示为a p f 与l c 滤波器串联后与电网并联联结方式，这种 结构是f u g i t h 等人于1 9 9 0 年提出的。其中，a p f 可看作是电流控制电 压源，由于l c 滤波器的存在避免了电源电压直接加在a p f 的主电路上。 这种方式的优点是注入变压器接在y 型连接的l c 滤波器的中性点上， 方便保护和隔离，因此适用于高压系统的应用：但是这种方式对电网的 谐波电压非常敏感。 图2 - 4 ( 0 所示为统一电能质量调节器( u p q c ) 结构图，这是日本学者 a k a g i h 在1 9 9 6 年首次提出的。在这种结构中，串联型a p f 通过变压器 接入主电路中，具有隔离谐波隔离、电压调节以及电压闪变、不平衡的 补偿等作用，其变压器容量取决于电压调节范围，容量小。并联型a p f 直接与主电路相连，起谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直流母线 电压调节作用。这种结构组合了二者的优点，能解决电气系统发生的大 多数电能质量问题，其主要问题是控制复杂，造价较高。对这种装鼍电 路结构和控制方法是目前电力电子技术领域的一个研究热点1 9 。 2 4 有源电力滤波器的数字控制技术 传统的有源滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制不仅电路复杂 成本高且控制性能也不佳，为了改善有源滤波器的控制性能，有人开始 使用单片机对有源滤波器进行控制。单片机的应用使有源滤波器向数字 化迈进了一步，但由于受单片机运算速度限制，计算精度和控制的实时 性都受到了很大影响。 高速d s p ( 数字信号处理器) 的出现使采用数字方法实时计算谐波和 无功电流成为现实。非线性负载的电流送入a d ，转换后的信号送入d s p 进行处理，得出指令电流信号。接下来的步骤在具体实现上有两大趋势： 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章谐波理论与有源电力滤波器的基本理论 一种是模拟方法，将d s p 计算出的指令电流通过d a 送给外部的电流跟踪 控制电路，由电流跟踪控制电路来产生开关p w m 信号；另一种是在d s p 中实现数字控制算法，通过或p w m 口直接发出开关控制信号。谐波电 流的计算由软件的方法实现，这就很好地解决了模拟方法由于元件老化 和温漂等因素带来的问题，抗干扰能力也大大增强。d s p 芯片的运算能力 十分强大，便于实现先进的控制理论、复杂的算法。而且实现不同的控 制算法只需更改软件，这就使得系统变得更加简单和经济。随着高速d s p ( 数字信号处理器) 的应用越来越广泛，采用d s p 来控制有源滤波器逐渐 成为一种趋势。 采用d sp 来控制有源滤波器，主要优点总结如下： ( 1 ) 运算速度快：由于通常的d s p 都具有2 0 m i p s 以上的指令执行速 度，用来计算谐波和无功指令电流延迟很小，同时可以在较短的时间内 实现复杂的控制算法； ( 2 ) 编程方便：d s p 系统的可编程芯片可使设计人员在开发过程中 灵活方便地对软件进行修改和升级； ( 3 ) 稳定性及可重复性好：d s p 系统以数字处理为基础，受环境温 度及噪声的影响较小，可靠性高，便于测试、调试和大规模生产； ( 4 ) 精度高：1 6 位的数字系统就可以达多j 1 0 5 的精度； ( 5 ) 集成方便：d s p 系统中的数字部件是标准化器件，便于大规模 集成。 鉴于d sp 的优点，本文选用d s p 作为核心处理芯片，用以提高系统控 制的速度，提高补偿精度。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章有源电力滤波器谐波检测方法研究 第3 章有源电力滤波器谐波检测方法研究 根据有源电力滤波器的基本原理，它在工作时首先得通过某种谐波 检测方法来获取谐波补偿指令信号，然后由这个指令信号控制p w m 主电 路。准确、实时地检测出电网中的瞬态变化的电压、电流信号是有源电 力滤波器进行精确补偿的关键。本章对几种常见的检测方法进行了研究， 根据基于f 。一f 。运算方式的谐波电流检测方法在三相三线制电路中的应 用，提出了其在三相四线制电路中和单相电路中的检测方法；同时提出 了一种将径向基神经网络与基于噪声抵消原理的自适应谐波电流检测方 法相结合的新型神经网络谐波电流检测方法。 3 1 谐波和无功电流检测方法 谐波及无功电流的检测方法取决于非正弦条件下有功功率和有功电 流以及无功功率和无功电流的定义和理论分析。基于这些定义，目前对 非正弦条件下谐波和无功电流的检测主要有以下几种方法【l 】【9 】【1 们。 ( 1 ) 采用模拟滤波器检测高次谐波电流 最早的谐波检测方法是用模拟带通滤波器来实现。由于滤波器中心 频率固定，当电网频率波动时，滤波效果会大大下降。此外滤波器的元 件参数受温度及老化的影响，要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特 性是很困难的，并且这种方法也不能同时分离出无功和谐波电流。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法 该方法的基本原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量，将 其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求的瞬时有功电流需要一 个周期的积分，再加其它运算电路的延时，该检测方法要有几个周期延 时。因此，用这种方法求得的瞬时有功电流实际是几个周期前的电流值。 故不适于频繁变化的负载，而且此方法不能将无功电流和谐波电流分开。 ( 3 ) 快速傅氏变换f f t 谐波检测法 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章有源电力滤波器谐波检测方法研究 快速傅氏变换f f t 检测法是通过快速傅氏变换算法将检测到的一个 周期谐波信号进行分解，得到各次谐波幅值和相位系数，将拟抵消的谐 波分量通过带通滤波器或傅立叶变换器得到所需误差信号，再将误差信 号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。其优点是可以自由选择拟消除 的谐波次数；还可以根据电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位 关系，通过附加计算，得出负载电流基波有功电流和基波无功电流；其 缺点是该方法是建立在傅立叶分析基础之上的，要求被补偿的波形是周 期性交化的，而且f f t 变换和反变换计算量大，有较大的时间延迟；而 且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，使用该方法会产生 频率泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数( 即频率、幅值和相位) 不准确，无法满足检测精度的要求。 ( 4 ) 基于瞬时无功功率的谐波检测 三相电路瞬时无功功率理论自八十年代提出来以来，在许多方面得 到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系 统地定义了瞬时无功功率和瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基 础的谐波和无功电流实时检测方法在有源电力滤波器中得到了成功和广 泛的应用。在3 2 节中，将对此检测方法做详细介绍，在此略过。 ( 5 ) 基于小波变换的谐波检测【1 7 p s i 利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺 度上，从而明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性。小波变换是 一个时间和频率的局域变换，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大 的优越性。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流 信号的各个尺度的分解结果，并利用多分辨的概念将低频段( 高尺度) 上的结果看作不含谐波的基波分量。基于这种算法，可以利用软件构成 谐波检测环节。 但是小波变换并不能完全取代傅立叶变换，这是因为小波变换在稳 态谐波检测方面并不具有理论优势，另外小波变换的理论和应用在谐波 检测方面尚处在初始阶段，还存在许多不完善的之处，例如缺乏系统规 范的最佳小波基的选取方法。将小波变换和神经网络结合起来对谐波进 行分析，并设计和开发基于小波变换的谐波监测仪将会是很有意义的。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章有源电力滤波器谐波检测方法研究 ( 6 ) 基于神经网络的谐波检测 神经网络应用于电力系统谐波检测，主要有三个方面：谐波源辨 识；电力系统谐波预测；谐波检测【2 0 】。用人工神经网络实现谐波与 无功电流检测不仅对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能，而且对各 种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频随机干扰有良好的识别 能力。 基于神经网络的谐波检测方法具有许多优点，计算量小；检测精度 高；实时性好，可以实时检测任意整数次谐波；对数据流长度的敏感性 低；抗干扰性强。但是，神经网络在谐波检测中的实际应用还有许多问 题，例如，没有规范的神经网络构造方法，需要大量的训练样本，如何 确定需要的样本数没有规范方法，神经网络精度对样本有很大的依赖性 等等。， ( 7 ) 基于自适应噪声抵消技术的检测方法 w i d r o w 等人在数字信号处理中曾提出了一种信号与噪声分离的方法 自适应噪声抵消技术( a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y - 一a n c t ) ， 能把一个信号s 从加性噪声聆。的干扰中分离出来，其原理图如3 1 所示。 自适应噪声抵消电路有两个输