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直流侧有源电力滤波器研究 专业 ： 检测技术与自动化装置 硕士生 ：何碧霞 指导教师：姜孝华教授 摘要 随着电力电子装置的广泛应用，谐波问题变得同益严重。电力谐波在实际应 用中可分为电力谐波检测和电力谐波补偿两大部分。本文首先对电力谐波的研究 现状作了回顾，接着介绍了有源电力滤波器的分类，阐述了有源电力滤波器的基 本原理，并对谐波检测技术及谐波补偿控制策略作了综述。谐波检测技术主要包 括：带通( 带阻) 滤波器检测法、基于f f r 的谐波电流检测法、基于瞬时无功 补偿理论的检测法和基于自适应噪声抵消技术的谐波电流检测法。谐波补偿控制 策略主要包括：线性电流控制、滞环电流控制、基于有功能量平衡原理控制和单 周控制。作者主要讨论了单周控制方法的特点、参数的选取以及参数对系统的影 响，系统地建立了a p f 主电路和控制器的动态模型和基于电力电子学分时段电路 模型分析方法的仿真实验平台，并指出了单周控制存在的缺点。 在分析前人已有方法的基础上，根据能量守恒原理提出了一种基于能量平衡 的直流侧有源电力滤波器控制方法，阐述了该方法的原理，建立了a p f 控制系统 的动态仿真模型，分析设计了a p f 控制系统电流环、电压环控制器，并用姒t l a b 对该方法进行了动态仿真研究，进一步验证了该方法的正确性和有效性。 关键词：谐波检测单周控制能量守恒直流侧有源电力滤波器 t h er e s e a r c ho fd cs i d ea p f m a j o r ：m e a s u r e m e n tt 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 n a m e ： b i x i a h e s u p e r v i s o r ：p r o l x i a o h u aj i a n g a b s t r a c t w i t ht h ew i d eu s a g eo fm o d e r np o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，t h ep r o b l e mo f h a r m o n i c sb e c o m e ss e r i o u sg r a d u a l l y t h ep o w e rh a r m o n i c sc o n s i s to fp o w e r h a r m o n i c sd e t e c t i o na n dp o w e rh a r m o n i c ss u p p r e s s i o ni nt h ep o w e rs y s t e m s t h i s p a p e rb e g i n sw i t ht h et u t o r i a lo f t h er e s e a r c ho ft h ep o w e rh a r m o n i c s ，i n t r o d u c e st h e c a t e g o r yo fa p f a n de x p l a i n st h eb a s i cp r i n c i p l eo fa p f t h e ni tm a k e sac o m p l e t e a n dd e t a i l e dh i s t o r yr e v i e wf o rt h em e t h o d so fp o w e rh a r m o n i c sd e t e c t i o na n dp o w e r h a r m o n i c ss u p p r e s s i o n t h em e t h o d so fp o w e rh a r m o n i c si n c i n d e ：b a n d p a s sf i l t e r , f f li 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 ya n da n c t t h es t r a t e g i e so fp o w e r h a r m o n i c ss u p p r e s s i o ni n c l u d e ：t r i a n g l e c o m p a r i s o nc o n t r o l ，c u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r o l ， b a s e d o nt h ea c t i v ep o w e rb a l a n c et h e o r yc o n t r o la n do n ec y c l ec o n t r o l ( o c c ) t h e a u t h o rm a i n l yd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i co fo c c ，h o wt os e l e c tt h ep a r a m e t e r so f a p fa n dt h e i re f f e c to nt h ep o w e rs y s t e m ，b u i l d st h em a i nc i r c u i to fa p fa n dd y n a m i c m o d e lo ft h ec o n t r o l l e rs y s t e m a t i c a l l y a ne x p e r i m e n tf l a tb a s e do np o w e re l e c t r o n i c c i r c u i tm o d e la n a l y s i si sd e v e l o p e da n dt h ea u t h o rf i n a l l yp o i n to u tt h ei n h e r e n t d i s a d v a n t a g eo fo c c w i t ht h ea n a l y s i so ft h em e t h o d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o n t r o lm e t h o do fd cs i d e a p fb a s e do ne n e m yb a l a n c e t h ea u t h o re x p l a i n st h et h e o r yo ft h em e t h o d ，s e t su p t h ed y n a m i cm o d e lo fa p fc o n t r o ls y s t e m a n a l y s e sa n dd e s i g n st h ea p fc o n t r o l l e ro f c u f f e n tl o o pa n dv o l t a g el o o p as i m u l a t i o nw i t hm a t l a bi sd e v e l o p e dt ov e t i f yt h e v a l i d i t yo ft h i sm e t h o d k e yw o r d s ：h a r m o n i c sd e t e c t i o n ，o c c ，e n e r g yb a l a n c e ，d cs i d ea p f 第l 章引青 第1 章引言 1 1 谐波问题的提出 电力系统也是一种“环境”，同样面临着污染，电网中的谐波电流和谐波电 压就是对电网环境的一种严重污染。电力系统的谐波问题也早在二十世纪二十年 代和三十年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造 成了电压、电流波形的畸变。一九四五年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论 文是早期有关谐波研究的经典论文。 到了五十年代和六十年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流 器引起电力系统谐波问题的大量论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总 结。七十年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业、交通及家庭中的应用r 益广泛，谐波所造成的危害也只趋严重。因此 引起了世界各国的关心和重视。国际上也召丌了多次有关谐波问题的学术会议， 不少国家和国际学术组织都制定了限制电力谐波和用电设备谐波的标准和规定 1 。 1 2 谐波的危害 近年来，由于大功率电力电子装置的广泛应用、大量家用电器的使用以及其 它各种非线性负载的增加，导致电力系统波形畸变l 二i 益严重，加上为了充分利用 电工材料，对电工设备同益倾向于采用在其磁化曲线临界情况甚至饱和区段下工 作，导致这些设备的励磁电流波形严重偏离正弦波而发生畸变，这些畸变成分是 电力系统中谐波产生的根源。谐波对电力系统电磁环境的污染同趋严重并且会危 及系统本身和广大电力用户，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经 济和生产、生活造成了不必要的损失，因此谐波污染的严重性受到了专家和学者 越来越多的关注，其危害主要表现在以下几个方面： 直流侧有源电力滤波器研究 1 产生附加损耗，增加设备的温升。与基波电流相比，尽管谐波电流所占的 比例不太大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增人，在有铁芯的电器设备中， 铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系统的损耗外， 还使设备温升增加，尤其是局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加 速。 2 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较 高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升提高。 3 引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转 矩使电机发生机械振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩激发而引起 共振时，会损坏电机设各，甚至危及人身的安全。 4 无功补偿电容器组会引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿电容 器与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会对某 次的谐波电流引起放大的作用，加剧了谐波的危害。当某局部回路的谐振频率与 系统中存在的某次谐波频率相同或相近时，就会造成危险的过电流和过电压。 5 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和 控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工频正弦波而设计的，谐波的存 在使它们的正常工作条件受到干扰，工作特性改变，严重时会造成误动作或拒动 作。对计算机的干扰严重时使其无法f 常工作。 6 影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频 正弦波形而设计的，当存在谐波时将产生误差。 7 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。谐波的干扰会引起通信系 统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波共 同作用下引起电话响铃，甚至发生危及设备和人身安全的事故 2 。 为了解决这些问题，相关部门已制定了很多相应的标准来限制谐波电流，比 较重要的有国际电工委员会( i e c ) 制定的i e c 6 1 0 0 0 3 2 4 6 等。我国标 准化委员会制定了g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 ( ( f k i 压电气及电子设备发出的谐波电流限值， 对用电设备的谐波进行限制 1 。因此，如何有效地抑制、消除无功和谐波己成 为涉及电力电予技术、电力系统、电气自动化技术及理论和理论电工等领域的重 大谋题。 第l 章引吉 1 3 国内外研究现状 国外工程界对a p f 已有了多年的实践。随着电力电子技术、控制技术和数 字信号处理技术的发展，特别是g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波器已经进入实用阶段，在欧美一些国家和同本已经开 始大量使用有源电力滤波器来补偿电网中的谐波，以提高电能的质量。目前世界 上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子 公司等。 我国对谐波的危害性一直认识不足，所以相关的研究起步较晚，采用的技术 也比较落后。目前国内电力谐波的分析与控制的相关产品技术研究尚处于起步阶 段，电力部门对电力谐波的控制只是提出了指导性的要求，随着国民经济的飞速 发展和我国加入w t o 后，对电网供电质量和电力用户设备对电网的影响都将提 出更高的要求和强制性标准。出于有源滤波器的价格要远高于无源滤波器，采用 有源滤波和无源滤波相结合的混合滤波控制方法，是一种技术先进、成本较低， 适合我国国情的一种先进方法。当前国内已有有源滤波及有源、无源滤波相结合 的混合滤波控制装置样机并网使用，但尚无生产此类设备的厂家及批量生产应 用。九十年代后，国内已有多所高校和研究机构在进行在方面的研究，但主要以 理论研究和实验为主。在实际应用方面，我国有源滤波技术还处在研究实验阶段， 而且其成本很高，极大地限制了a p f 在我国的广泛使用。包括功率因数校正及 有源滤波技术在内的电能质量控制技术是目前电力部门和电力用户急需使用的 设备，是一个新的发展方向，其市场前景十分乐观。目前，谐波控制以及无功补 偿的研究是一个十分活跃的领域，从一九八四年起开始的两年一次的电力系统谐 波国际会议，促进了这一研究工作的深入发展。有源滤波器及无源、有源混和滤 波器可以动态补偿负载谐波和无功，净化电源，已有很多研究成果涌现，目前的 主要研究热点包括： ( 1 ) 有源电力滤波器必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。为了控制 逆变器产生相位相反大小相等的非线性负载无功和谐波，需要及时准确地检测和 计算电流参考指令。已有大量有关获取补偿电流参考指令及谐波控制方法的研究 成果，主要包括早期的模拟陷波器方法、数字f f t 、k a l m a n 滤波器、小波变 直流侧有源i u 力滤波器研究 换、极大似然估计及r l s 算法等。传统的并联有源滤波器的控制方法是以瞬时 无功功率理论为基础 1 ，采用检测负载电流的控制方法，存在的问题是检测过 程坐标变换、滤波等数学运算量大，快速、实时、准确的检测方法有待进一步研 究。 ( 2 ) 关于谐波控制系统的容量问题，大容量a p f 的设计有待进一步研究， 李红南等采用多模块p w m 联用构成实现大功率a p f 逆变器主电路，该方案存在 模块之问的均流问题。同时大功率混和滤波器( h a p f ) 以其卓越的滤波性能和 较小的a p f 容量( 典型值为负载的5 ) 受到广泛关注。 ( 3 ) 对于传统的并联有源滤波器，直流侧电压波动对谐波补偿产生不利影 响。对于三相a p f 而言，瞬时无功功率不会导致交流侧与直流侧之间的能量交 换，交流侧与直流侧之间的能量交换只取决于有功功率。在谐波控制过程中，当 直流电压波动时，谐波补偿将出现一个动态过程，电压控制环进入稳态后，会出 现一个新的电流坏调节过程，对于电压源型( v s l ) a p f ，理论上v s i 的输出电 流应跟踪检测出的补偿电流指令，但对于变化范围大的负载谐波源，这些动态过 程将影响谐波补偿效果。 ( 4 ) 有源电力滤波器的价格要远高于无源滤波器，结构复杂，并网控制网 难，如何简化控制电路，提高可靠性，降低滤波器成本，是有源电力滤波器推广 应用的瓶颈问题。 1 4 论文结构与组织 除致谢外，本论文一共分为六章。第一章对谐波问题的提出、危害和国内外 研究作了简要介绍。第二章对电力谐波相关知识作了描述，包括谐波的定义、谐 波畸变率，介绍了有源电力滤波器的分类，详细介绍了并联型有源电力滤波器的 三种分类，并阐述了有源电力滤波器的工作原理。第三章是一个综述，总结了有 源电力滤波器谐波电流的检测方法和控制策略，其中谐波电流的检测方法包括带 通( 带阻) 滤波器检测法、基于f f t 的谐波电流检测法、基于瞬时无功补偿理 论的检测方法和基于自适应噪声抵消技术的谐波电流检测法，谐波补偿的控制策 略包括线性电流控制、滞环电流控制、基于有功能量平衡原理控制和单间控制。 第1 章引吉 第四章主要研究了单周控制方法的特点，基于电力电子学的动态分析方法，建立 了控制电路和a p f 的仿真模型；基于传递函数方法建立了控制系统的数学模型 并提出了闭环控制器参数设计方法。在此基础上通过仿真实验和理论分析，给出 了滤波器参数的选择原则。第五章是在分析前人已有方法的基础上，根据能量守 恒原理提出了一种基于能量平衡的直流侧有源电力滤波器控制方法，建立了控制 系统的动态仿真模型，分析设计了系统电流、电压控制坏控制器，并用m a t l a b 对该方法进行了动态仿真研究，进一步验证了该方法的正确性和有效性。最后第 六章是总结，并对基于能量平衡的直流侧有源电力滤波器的应用范围作了简单讨 论。 直流侧有源i b 力滤波器研究 第2 章谐波理论与有源电力滤波器原理 2 1 谐波定义和谐波电流限制 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可 表示为： “( f ) = x - 2 us i n ( w t + o ) ：, f 2 us i a ( 2 p + o ) = , f - 2 us i n ( 2 坷t t + o ) ( 2 - 1 ) 式中u 为电压有效值，0 为初相角，w 为角频率，为频率，r 为周期。 正弦电压施加在电阻、电感和电容这些线性无源元件上，其电流和电压分别 为比例、积分和微分关系，仍为同频率的j 下弦波。但当j f 弦电压施加在非线性电 路上时，电流就变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也 是非正弦波，对于周期为2 月t o 的非j 下弦电压u ( w t l ，一般满足狄罩赫利条件， 可分解为如下形式的傅立叶级数： ( w f ) 2 口n + 善( a c o s n w t + b s i n n w t ) ( 2 2 ) 其中 口0 _ 暂“( w t ) a ( w t ) 铲三f 咖归s ) m f ) k = 三f “( w t ) s i 岍坝们) ( 2 - 3 ) 在式( 2 2 ) 或( 2 - 3 ) 的傅立叶级数中，频率为w 2 z 的分量称为基波，频率为 大于1 的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整 数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非j 下弦电流的隋况也完全适用， 把式中u ( w t ) 换成i ( w t ) 即可。 由于电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的 危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或山权威机构制定限制 谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波中 第2 章谐波理沦与有源i u 力滤波器原理 流，把电嗍谮坡电压控制在允许范围内，便援在电删中的电气设备免受谐波干扰 而能f 常工作。 世界各国所规定的谐波标准大都比较接近，通常都以电压畸变率和电流畸变 率作为限制谐波含量的指标参数，以下首先介绍电压畸变率和电流畸变率的概念 1 。 n 次谐波电压含有率以h r 以( h a r m o n i c r a t i ou 。) 表示： 瑚玑= 瓷x l 删 ( 2 4 ) 式中u 。为第n 次谐波电压有效值：u 。为基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以h p , n ( h a r m o n i cr a t i ol ) 表示： h p , 。2 鲁粗恻 ( z s ) 式中l 为第n 次谐波电流有效值；，1 为基波电流有效值。 谐波电压含量0 和谐波电流含量如分别定义为： 卟辱 e ， 如= 辱 ， 电压谐波总畸变率删q 和电流谐波总畸变率m 分别定义为： 掰乩昔x 1 0 0 ( n - 8 ) t h i z ；丘1 1 x 1 0 0 ( 2 9 ) 对于不同电压等级的电网，允许的电压谐波畸变率和电流谐波畸变率也不相 同。电压等级越高，谐波限制越严。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐 、波的限制2 1 。 直流侧有源电力滤波器研究 2 2 有源电力滤波器的分类 按照不同的划分标准，有源电力滤波器有多种分类的方法，分别介绍如下： 1 根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型有源r 乜力滤波器和串 联型有源电力滤波器。 并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网，主要适用于电流型负载的谐波、 无功和负序电流的补偿。串联型有源电力滤波器与负载串联接入电网，主要消除 电压型谐波源对系统的影响。串联型有源电力滤波器中流过的是正常负载电流， 损耗较大；并且串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也比并 联型有源电力滤波器复杂，因此使用范围受到很大的限制。 2 根据主电路的贮能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型有 型电流滤波器两种。 电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，j 下常工作时其电压基本 保持不变。电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，正常工作时其电 流基本保持不变。但由于电流型主电路的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，因此目前较少使用。 3 根据主电路所使用的p w m 变流器数量，可以分为单个主电路有源电力 滤波器和多重化主电路的有源电力滤波器。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。 4 根据接入系统的不同，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤 波器。后者又可以分为用于三相三线制电路的有源电力滤波器和用于三相四线制 电路的有源电力滤波器。 本论文中主要讨论的是并联型有源电力滤波器。下面主要对并联型有源电力 滤波器作一些讨沦。 2 3 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器又可以细分为单独使用方式、与l c 混合使用方式和 注入电路方式。 第2 章谐波理论与有源l b 力滤波器原理 2 3 1 单独使用方式 图2 一l 单独使用的并联型有源电力滤波器 图2 1 是单独使用方式的并联型有源电力滤波器系统构成原理图。它是有源 电力滤波器中最基本的形式，它可产生与负载谐波大小相等，方向相反的谐波电 流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型有源电力滤波器主要用于感性电流 源型负载的补偿，它也是工业上已投入运行最多的一种方案，这种滤波器的缺点 是要求变流器具有较大容量。 2 3 2 与l c 滤波器混合使用方式 该方式可分为两种：一种是有源电力滤波器与l c 滤波器并联；另一种是有 源电力滤波器与l c 滤波器串联。图2 2 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联的 两种方案结构图。图( a 忡：有源电力滤波器与l c 滤波器并联接入电网，共同 承担补偿谐波的任务。l c 滤波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器， 它一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另一方面它可 滤除补偿对象中次数较高的谐波，从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关 频率的要求可降低。图( b ) 中，l c 滤波器包括多组单调滤波器及高通滤波器，承 担了绝大部分补偿谐波和无功的任务，而有源电力滤波器的作用是改善整个系统 的性能，其所需容量与单独使用方式比，可咀大幅度降低。 直流侧有源电力滤波器研究 图2 2 并联型a p f 与l c 滤波器两种并列方式 图2 3 为并联型有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式结构图，该方式中， 谐波和无功主要由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器 的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗影响，易与电网阻抗发生谐振的缺点。 这种方式中，有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容蚤小。 图2 3 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式 2 3 3 注入电路方式 注入电路方式又可分为与l c 串联谐振注入电路方式和与l c 并联谐振注入 电路方式两种，系统原理图如图2 - 4 。 第2 章谐波理论与有源f 也力滤波器原理 ( a ) l c 串联谐振注入电路方式( b ) l c 并联谐振注入电路方式 图2 4a p f 注入电路两种方式 这种方式可降低有源电力滤波器的容量，它是用电感和电容构成注入回路， 利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小部分的基波电 压，从而使有源电力滤波器容量减小。但这种方式中，有源电力滤波器不能补偿 基波无功功率 6 。 2 4 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置， 它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。 图2 5 为有源电力滤波器的基本原理图。 一一一一一一一一一圈一一一一一一一一一一一 l 一一l 一一j 图2 - 5 有源电力滤波器原理图 图中表示电源，负载为谐波源( 即补偿对象) ，它产生谐波并消耗无功。 直流侧有源电力滤波器研究 a p f 为有源电力滤波器，h p f 为高通滤波器。由图可见a p f 由两大部分组成， 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，补偿电流发生电路又是由电流 跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成的。指令电路运算电路的核心是检 测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流成分；补偿电流发生电路的作用是根据 指令电流运算电路得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前 均采用p w m 变流器。 有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电 流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生 补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期 望的电源电流。在图2 5 中，设负载的电流f ，指令电流运算电路检测出其中的 谐波作为有源电力滤波器的指令电流，补偿电流发生电路输出补偿电流跟 随指令电流e 的变化，i c 与也抵消，于是电网电流= t 一= 0 ，即等于负载的 基波电流，使电源电流成为正弦波，最终得到期望的电源电流。用公式描述这一 工作原理为： i s = + i c ( 2 - 1 0 ) = ，+ ( 2 - 1 1 ) i c = 一0 ( 2 - 1 2 ) = + = r ( 2 1 3 ) 式中f ，是负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要 在补偿电流信号中增加负载电流的基波无功分量反极性的成分即可，这样补偿电 流与负载电流中谐波及无功成分相抵消，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相电路中的负序电流进行补偿 1 。 第3 章谐波i 乜流的榆测办法和控制策略 第3 章谐波电流的检测方法和控制策略 3 1 谐波电流的检测方法 3 1 1 带通( 带阻) 滤波器检测法 模拟的带通( 带阻) 滤波器用于分离出被测信号中的基波分量，一般采用 5 0 h z 的带通或带阻滤波器把被测电流中的5 0 h z 基波分量分离出来而得到谐波 电流。该方法的优点在于：电路结构简单、造价低、输出阻抗低、品质因数易于 控制。但也存在一些缺点：滤波器中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影 响较大，难以获得理想的幅频特性和相频特性；当电网频率发生波动时，不仅影 响检测精度而且检测出的谐波电流含有较多的基波分量，大大增加了有源滤波器 的容量和运行损耗：此外，这种方法不能同时分离出无功电流 2 。 3 1 2 基于f f t 的谐波电流检测 离散傅立叶变化d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 在实际中非常重要，利用它 可以计算信号的频谱、功率谱和线性卷积等。但是当n 很大时，d f r 的计算量 太大，这样使d f t 的应用受到限制。1 9 6 5 年j w c o l l e y 和j w t u k e y 提出快速 傅立叶变换，大大减少了计算量。f f t 并不是d f t 的另一种变换，而是为了减 少d f t 计算次数的一种有效的快速算法。 基于f f t 的谐波电流检测，是一种建立在傅立时分析基础上的数字化分析 方法。其工作原理如图3 1 所示。其中表示负载电流，t 表示检测所得的谐波 电流。 直流侧有源电力滤波器研究 图3 - 1 傅立叶级数分析 图3 1 的工作原理是：在同步脉冲作用下将模拟信号进行离散化处理，通过 模拟转换器变为数字量，再用数字分析的方法，快速傅立叶变换( f f n 进行处理， 最后得到各次谐波幅值和相位系数，经低通滤波器( l p f ) 检测出所需要的信号， 对于检测出的信号作f f t 反变换即得到补偿电流信号。如果需要得到其模拟量， 需要用数模转换器再把数字量转化为模拟量。采用这种方法需要有高精度的数模 转换器，同时要求输入信号有较高的信噪比。基于傅立叶的数学化分析方法，要 求被补偿的波形是周期变化，否则会带来较大的误差。这种方法的优点是可以选 择拟消除的谐波次数，缺点是具有较长的时间延迟，实时性差，存在栅栏效应和 泄漏现象，使得算出的信号参数：频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大， 无法满足准确的谐波测量要求。 证因为这种算法存在不足，因此有很多文献在此算法的基础上提出了一些改 进。如利用加窗插值算法对f f t 的结果进行修正，使之应用于f 乜力系统谐波测 量中，采用自适应算法以减少频谱泄漏现象等等。 3 1 3 基于瞬时无功补偿理论的检测法 3 1 3 1 瞬时无功功率的基础理论 三相电路瞬时无功功率理论首次于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，以后该理论经 过不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论亦称p q 理论，是以瞬时实功率 p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，其主要一点不足是未对有关的电流量进行定义。 下面介绍以瞬时电流和为基础的理论体系。 设三柏电路各相电压和电流的瞬时值分别为k 、吒、v 和、。为分 第3 章谐波电流的检测a 法和控制策略 到a 、卢两相瞬时电压k 、v 口和a 、卢两相瞬时电流、。 m z 圈 ， 髀z 圄 z ， 热= 历曷兹：甜 在图3 - 2 所示的a 一卢平面上，矢量屹、和屯、i p 分别可以合成( 旋转) 电 v = 匕+ = y 吼 ( 3 - 3 ) i = + = ， ( 3 4 ) 式中，v 、i 为矢量v 、i 的模，吼、毋分别为矢量v 、i 的幅角。 l # 图3 2p q 理论中的a 一卢坐标系电压电流矢量图 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别定义为矢量i 在矢量v 及其 法线上的投影。即： i p = i c o s q 0 ( 3 5 ) i q = i s i n 妒 ( 3 6 ) 直流侧有源咀力滤波器研究 式中，妒= 吼一孵。 三相电路瞬时无功功率目( 瞬时有功功率p ) 定义为电压矢量v 的模和三相 电路瞬时无功电流( 三相电路瞬时有功功率) 的乘积，即 p = v i p q = v 。 z 珊卜i ， 柞2 瞄计 3 1 3 2 三相电路谐波和无功功率的实时检测 ( a ) p 、q 运算方式 该方法的原理图如图3 - 3 所示。根据定义计算出p 、q 经低通滤波器( l p f ) 得 p 、q 的直流分量芦、i 。电网电压无畸变时，f 为基波有功电流与电压作用所 产生a 于是，山芦、于即可计算出被检测电流、的基波分量0 、0 、0 。 将白、0 、0i o 、i c 相减，即可得出、i b 、t 的谐波分量、l b h 、。 肿嚼蚓习 c s s ， 图3 - 3 p 、q 运算方式原理图 当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功功率时，就需要同时检测出被补 第3 章谐波电流的检测方法和控制策略 这时，由芦即可计算被检测电流、的基波分量0 、0 、0 为： 肾硼 。， 称、发生畸变时会导致检测不准，为克服这一缺点，有人提出了、i p 运算方式 ( b ) i q 、运算方式 该方法的原理如图3 4 所示。图中，c 2 【一s 。i n 。w 。t f - 一c s o 。s 。w f t j 。 该方法中，需用到- qa 相电网电压v 口同相位的萨弦信号s i n w t 和对应的余弦 信号一s w t ，它们由一个锁相环p l l 和一个正、余弦信号发生电路得到。根据 定义可以计算出、i ，经l p f 滤波后得出i q 、i ，的直流分量亏、亏。这里，亏、 亏是由0 、0 、0 产生的，因此由亏、亏即可计算出0 、0 、0 ，进而计算出、 、。 图3 - 4 屯、i p 运算方式的原理图 与p 、q 运算方式相似，当要同时检测出被补偿对象中谐波和无功电流，只 需要断开图3 - 4 计算的通道即可。这时，由亏即可计算被检测电流乞、的 基波分量0 、b 、0 ，进而计算出、的谐波分量和基波无功分量之和 直流侧有源电力滤波器研究 o d 、k 、。 严格地讲，基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法仅适用于三相三线制、 电源电压为三相对称无畸变、三相负荷平衡的负载谐波电流的检测。所以，在有 源电力滤波器设计中必须针对具体电网和负载的特点采取相应措施来消除或减 小各种不利因素的影响：( 1 ) 变流器尽可能采用三相三线制接法的桥式电路，从 而避免零序电流的存在。( 2 ) 如果只需要谐波电流的检测，则只要一组与电源同 频率的三相对称正弦电压，此电压不必是负荷的实际供电电源电压。因此，为避 免变流器网侧电源电压波形畸变严重，可采取下列措施之一：( 1 ) 三相电源电压 经过低通滤波器滤除高次谐波后再参与谐波电流的检测运算，此时要求三相所用 的低通滤波器特性一致；( 2 ) 运用锁相技术产生三相正弦电压，再参与瞬时谐波 电流的检测运算。 3 1 4 基于自适应噪声抵消技术的谐波电流检测法 自适应噪声抵消技术是信号处理中的一种信号检测技术，它能把一个信号s 从受干扰信号w ( t ) 中分离出来，其原理如图3 5 所示。自适应噪声抵消电路有两 个输入，即原始输入w ( t ) ；f | l 参考输a n 。原始输入w ( k ) 中包含信号s 和干扰n 。， 其中s 是要提取出来的信号，s 和n 。是不相关的，参考输a n 。是与信号s 不相关 的干扰，且n 。和n 。是相关的。其基本原理是：自适应滤波器a f 通过系统输入e ( k ) 的调节对参考输a n 。进行自适应地滤波，得到与原始输入中的干扰近似相等的 干扰，z ：，于是e ( k ) 作为w ( k ) 与，之差就接近等于信号s ，从而将信号s 从含有干 扰的原始输入中分离出来。 原始输人 0 + 多考输入 乒p - | 图3 - 5 白适应噪声抵消原理图 1 8 第3 章谐波电流的检测方法和控制策略 有源电力滤波器的谐波电流检测可以借用上述自适应噪声抵消技术( a n c t ) 的原理，如图3 - 6 所示。把负载电流作为原始输入w ( k ) ，其中的谐波电流看 作信号s ，即要检测出来的信号，而基波电流f ，看成噪声，即相当于n 。，i h 和f ，是 不相关的。同时必须选择一个与f ，相关的信号作为参考输入，因一般情况下电源 电压“，畸变不大，可视为f 弦波，且与f ，同频率，即与f ，是相关的，故选用幅值 减小后的电源电压屹作为参考输入。咋经过自适应滤波器处理后，其输出f ；最 终在幅值和相位上逼进i ，当和原始输入t 相减后，系统输出的就是谐波电流， 从而可实现有源电力滤波器的谐波检测。 ，= 1 + ? 原始输入 j + 参考输入 。乒p i 图3 - 6 基于自适应噪声抵捎技术的谐波电流检测系统原理图 基于自适应噪声抵消技术( a n c t ) 的闭环检测电路如图3 7 所示。若图3 7 中输出电流中含有基波分量和谐波分量，基波分量与u 。( 或叱) 是同频率的信 号。根据正弦函数的f 交特性，当与( 或略) 经乘法器m 。( 或肘。) 相乘时，只 有与( 或h ：) 同频率的基波分量相乘后才能产生直流分量( 或，3 ) 。这个直流分 量经积分器输出一个逐步增长的直流分量r 2 ( 或r 4 ) ，2 ( 或，4 ) 再与叱( 或叱) 经乘 法器m ：( 或m 。) 相乘后得到一个与u 。( 或，) 同相或反相的反馈量f ，。( 9 或i ：) ，用 于抵消t ( f ) 中的基波分量，使t ( f ) 中的基波分量为零，系统输出将只有谐波分量。 自适应检测方法在电网电压有畸变时，检测精度得不到保证 7 。 直流侧有源【u 力滤波器研究 参考输入 图3 7 自适应谐波电流检测电路 3 2 有源电力滤波器的控制策略 3 2 1 线性电流控制 最基本的线性电流控制是将调制后的电流实际值与参考值之间的偏差通过 一个p i 调节器滤波之后与一个高频三角载波进行实时比较。由它们的交点得到 脉宽调制信号。通常的线性电流控制由模拟电路组成。具有很快的响应速度。偏 差信号的突变，能实时转变为占空比的变化。而不像空问矢量控制中需要一个半 调制周期，或采样p w m 控制中需一个调制周期完成误差信号的阶跃变化转化为 p w m 信号的变化。但仅山简单的模拟电路实现，存在着频带宽度的限制等很多 问题，难于满足a p f 对谐波电流快速补偿的要求。因为在a p f 中必须使用滤波 器完全滤除输出中调制信号的纹波，以及为保证系统稳定性的需要，要求系统环 路增益的剪切频率必须远低于调制频率，导致控制带宽受限 8 。 3 2 2 滞环电流控制 滞环控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，它预先给定一个允许的容许误差 第3 章谐波l 乜流的检测方法和控制簟略 在补偿对象与滤波器输出之差值的大小超过这个容许误差时，主电路中的开关元 件动作。电流滞环比较控制的基本思想是实际电流与指令电流的上、下限相比较， 交点作为开关点，在指令电流的上、下限形成一个环带，故取名为“电流滞环控 制”。 滞环比较控制法的原理框图如图3 8 所示：补偿电流的指令信号与实际的 补偿电流信号i c 进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，设岛和6 ：分 别为滞环比较器的高、低阀值( 一般取6 。= 一6 ：) ，若t ) 6 。，h l 上跳至高电 位；越c 6 ：时，h l 下跳至低电位：当6 ：s 缸e 区时，h l 保持原值。信号h l 为控制丌关管的p w m 信号t 0 s 1 、t 0 _ s 2 。t o s 1 、t o - s 2 的逻辑函数表达式可 表示为t o s 1 = h l ，t o s 2 = 舭。t o _ s 1 、t os 2 信号送至驱动电路( 实际上 就是t os 1 、t o - s 2 信号的放大器) ，即可产生开关管s 1 、s 2 所需的触发信号， 控制- 丌关的通断，从而控制补偿电流的变化。 濉“i 二：牟_ ；= 嚣 图38 滞环比较控制法的原理框图 一般地，滞环比较器阀值的模越小，有源电力滤波器的补偿效果越好，对丌 关管的丌关频率要求越高，有源电力滤波器的功耗越大；反之，滞环比较器阀值 的模越大，有源电力滤波器的补偿效果越差，对开关管的丌关频率要求越低，有 源电力滤波器的功耗越小。因此，可以根据有源电力滤波器补偿效果的工程需要 以及丌关管的开关频率限制性，选择恰当的阀值。 直流侧有源电力滤波器研究 图3 9 电流跟踪过程 图3 9 给出了电流滞环跟踪过程。设定滞环比较器的环宽为2 ，其中a ，为 最大的电流偏移。与的差值越达到a ，滞环比较器输出翻转，控制相应的 电力电子器件开通或关断。这样就迫使补偿电流不断跟踪给定电流的波形，仅在 允许偏差范围内稍有波动，使实际补偿电流保持在滞环带内。电流偏差的允许范 围可表示为： k e | s ， ( 3 一1 0 ) 很明显，系统的开关频率，响应速度和电流跟踪的精确度均受滞环带的影响。 当滞环带窄时，响应速度快，精确度高，但开关频率也较高，导致开关损耗增加。 该方法的主要缺点是调制频率随输入信号变换，给滤波器的参数设计带来困难。 另外，造成过大的脉动电流和丌关噪声。对于无中线连接的三相逆变器，三相问 的控制不独立，会产生相问干扰，并且滞环的环宽2 ，较难确定 9 。 3 2 3 基于有功能量平衡原理控制 王冬平等 1 0 研究了基于有功能量平衡原理的并联有源滤波器控制方法。考 虑到三相瞬时无功功率之和在任一时刻为零，并假设电网电压无畸变，谐波和无 功补偿的目的是使三相电网的输入电流为与输入电压同相的正弦波。电网的输入 电流包括提供给负载和a p f 的有功电流，可分解为基波有功和非基波有功分量， a p f 可看作一电流源对非基波有功进行反相放大，以抵消谐波和无功。流入a p f 的有功除补充a p f 的丌关损耗外，还使逆变器直流侧电容上的电压发生变化， 因此，通过调节该直流电压可获得系统需要的总的有功功率。设负载消耗的有功 功率基本不变，通过有源滤波器直流侧电压反馈进行p i 调节使之保持恒定的i 司 时，也就得到了当前负载条件下系统所需的有功功率。该方法使a p f 控制简化。 在假设电网电压无畸变的情况下，通过检测电网电压信号并乘以一个与直流侧电 压反馈p i 调节输出相关的因子，从而获得有功功率电流指令信号，将这一信号 与电源电流检测信号相减后获得误差信号，该误差信号与三角波( 或锯齿波) 比 较后得到p w m 控制脉冲。与传统并联有源滤波器控制方法相比，省去了补偿电 流参考指令的复杂计算，假设电网电压无畸变，引入反映负载消耗有功电流大小 第3 章谐波电流的榆测办法和控制策略 的直流侧电压信号调整指令电流，从而调整a p f 的谐波及无功补偿输出。 3 2 5 单周控制 k m s m e d l e y 等 1 1 提出了基于单周控制方法( o n ec y c l ec o n t r o l l e r ，o c c ) 的统一常频积分( u n i f i e dc o n s t a n t - f r e q u e n c yi n t e g r a t i o n ，u c l ) 控制a p f 。该方法无需 检测谐波电流和无功的检测环节，实现简单，也可用于直流侧控制 1 2 。通过控 制直流侧