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有源电力滤波器的研究 摘要 采用有源滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是消除或限制电力系统 谐波污染的一种有效的措施。本文从抑制谐波常用的几种方法出发，着重有源滤 波器的相关知识及其仿真设计方法的介绍。本文设计的有源滤波器是利用瞬时无 功功率理论计算谐波电流，由此产生有源电力滤波器的补偿信号。该方法可以实 现快速的检测出谐波分量，并补偿无功功率。本设计用先进的仿真软件工具 m a t l a b 中的电力系统仿真工具箱对基于这种方法的有源滤波器进行仿真，仿 真结果表明基于瞬时无功功率理论设计的有源滤波器装置能够有效检测出谐波 分量，并可以抑制谐波分量和进行无功补偿。 关键词：谐波，有源滤波器，瞬时无功功率，仿真，m a t l a b s t u d y o ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r , w h i c hc a nc o m p e n s a t es i m u l t a n e o u s l yt h eh a r m o n i c s a n dr e a c t i v ep o w e ro fn o n l i n e a rl o a d s ，i sg o o dm e t h o dt oe l i m i n a t et h eh a r m o n i c p o l l u t i o ni np o w e rs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e ds e v e r a lm e t h o d sf o rl i m i t i n gt h e h a r m o n i c s ，a n dm a i n l yi n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a m e t h o do fi n s p e c t i n gt h eh a r m o n i c sb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e ri s p r e s e n t e d t h i sm e t h o dc a ni n s p e c t t h eh a r m o n i cc o m p o n e n ta n dr e a c t i v ep o w e r i m m e d i a t e l y b a s e do nt h i sp r o t o t y p e ，m a t l a b ，w h i c hi s as i m u l a t e dt o o lf o r p o w e rs y s t e m ，i su s e dt op r o v ei t e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oc o n f o r mt h e e f f b c t i v e n e s so ft h ea p f k e yw o r d ：h a r m o n i c s ，a c t i v e p o w e r f 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 c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，m a t l a b 独创陛说明 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。据我所知，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，也不包含为获得一盒巴王些盔堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名乙多易签名日期：冽年铲月护日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金壁至些太主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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名：槲缓 签字日期：沙吗年亨月汐日 签字日期；房卯了年月侈日 学位论文作者毕业后去向：承德石油高等专科学校 工作单位：承德石油高等专科学校电话：0 3 1 4 2 1 5 7 2 5 0 - - 6 1 7 3 通讯地址：河北省承德市邮编：0 6 7 0 0 0 致谢 本论文的完成首先要感谢肖本贤教授的悉心指导。在整个撰写学位论文期 间，肖教授渊博学识、严谨的治学态度深深地影响着我，不仅保证了论文按期顺 利完成，同时在做人做事做学问等多方面受益。在三年的学习过程中，自始至终 得到合肥工业大学学科学位建设处、研究生院以及电气工程学院各位领导、老师 的大力支持和帮助，使自己的学业得以完成并在学术水平和研究能力等多方面有 较大提高。 在此，谨向给予我指导和帮助的各位领导和导师表示衷心的感谢! 1 1谐波的概念 第一章绪论 电力系统中，理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波。这样，电能的质量就可 以用电压和频率来衡量。但是，实际的波形总有不同的非正弦畸变。谐波的概念实际 来自于研究正弦波畸变的数学方法。我们将畸变的正弦波分解成一系列正弦波，这样 就可使研究畸变的波形转成研究一组正弦波形，而使问题得到简化，进而可以解决。 工频的正弦波为基波。通常比基波幅值小，频率为基频整数倍的正弦波称为谐波。i e e e 标准中给出的谐波定义为“一个周期波或量的正弦分量，其频率为基波的整数倍。”这 个定义明确了谐波性质的两个问题：( 1 ) 谐波次数n 必须是正整数：( 2 ) 谐波要和暂 态现象加以区别( 谐波的波形保持不变，而暂态现象每周的波形都发生变化) 。 谐波对电力系统是有害的，这也就给我们提出新的问题，衡量电能质量不仅是电 压和频率，还必须考虑谐波含量，不仅要控制电压和频率合格，而且要保证谐波含量 合格，这就要求我们要有抑制或消除谐波的方法。这也就是本文所要作的研究，用滤 波器抑制和消除谐波，以保证电力系统的安全，保证电能的质量。 1 2 谐波的危害 谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流设备以及其它非线性负荷造 成的。电力系统中，一切非线性负载的存在将要求电网提供非正弦性电流。非线性负 载产生了畸变电流波形，并引起电压波形畸变。 单相非线性负载不仅使波形畸变，而且使系统三相不对称，影响更为严重。 系统中的谐波源分成三种： 第种是稳态性：产生的谐波成分与幅值基本稳定不变。如电网电压稳定时的变 压器铁芯非线性产生的谐波，带稳定负载的整流器等。 第二种是动态性：产生的谐波具有明显的随机性。如电弧炉，电气机车等。 第三种是突发性：该种谐波源在i _ f 常运行时并不产生谐波，只在特定条件下产生。 如变压器空载合闸的励磁涌流，投入电容器组时的暂态过程。 谐波的危害可以说是电网的一个公害，不论是电源、电网、负荷任一处产生的谐 波都将影响整个电力系统。 谐波的危害主要有： 1 、对旋转电机产生附加功率损耗和发热，并可能引起振动。 2 、对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大从而导致电容器因过负荷或过 电压而损坏；对电力缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。 3 、增加变压器和电网的损耗。 4 、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。 5 、造成电能计量的误差。 6 、谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干 扰影响。 1 3 谐波的抑制技术 一、我国限制电力系统谐波的规定 实际系统中不能全部消除谐波，为了保证系统的安全经济运行，保证电能质量， 给出控制标准，对谐波进行抑制。限制电力系统谐波的国家标准是控制系统内谐波含 量的重要技术依据。谐波指标的选取要满足：必须具有物理意义，能反映出谐波影响 的大小；可通过测量来判断谐波是否超过允许值：为了能被广泛地采用，必须简单、 实用。我国限制电力系统谐波的国标为6 b t1 4 5 4 9 9 3 。 对波形畸变可有二个指标： 谐波含有率h r ，即周期性交流量中有的第h 次谐波分量的方均根值与基波分量 的方均根值之比( 用百分数表示) 。第h 次的谐波电压含有率以h r u h 表示。第h 次谐 波电流含有率以h r i h 表示。 总谐波畸变率t h d ，即周期性交流量中的方均根值与基波分量的方均根值之比 ( 用百分数表示) 。电压总谐波畸变率以t h d u 表示，电流总谐波畸变率以t h d i 表示。 1 对电压波形畸变的规定 表卜l 电网电压正弦波形畸变率限值( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 供电电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率限值( ) ( k v )限值( )奇次偶次 0 3 85 o 4 o2 o 6 或1 0 4 o3 21 6 3 5 或6 6 3 02 41 2 1 1 0 2 01 6o 8 2 谐波电流允许值 1 - 2 任一谐波源用户注入电网的谐波电流允许值( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 供电电压谐波次数及谐波电流允许值 ( k v )234567891 01 11 21 3 0 3 87 86 23 96 22 64 41 92 l1 62 81 32 4 64 33 42 l3 41 42 41 11 l8 51 67 11 3 1 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 9 3 51 51 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 7 6 61 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 o 1 1 01 29 66 o9 64 o6 83 o3 22 44 32 o3 7 供电电压谐波次数及谐波电流允许值 ( k v ) 1 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5 o 3 8l l1 29 71 88 61 67 88 97 11 46 51 2 66 16 85 31 04 79 o4 34 93 97 43 66 8 1 03 74 13 26 02 85 42 62 92 34 52 14 1 3 52 22 51 93 61 73 2l 5l _ 81 42 7l - 32 5 6 62 32 62 o3 81 1 83 41 6l _ 91 52 81 42 6 1 1 01 71 91 52 81 32 5l _ 22 41 12 1l _ o1 9 表卜3 计算谐波电流允许值的电网最小短路容量( g b t1 4 5 4 9 - 9 3 ) 供电电压( k v )短路容量( k v a ) 0 3 81 0 6 或1 01 0 0 3 52 5 0 6 65 0 0 l l o7 5 0 2 2 02 0 0 0 二、抑制方法 消除谐波，主要应从产生谐波的主要装置即电力电子装置出发，去研究解决的方 法。消除谐波主要有两种途径：主动型，即从装置本身出发，设计不产生谐波的变流 器：被动型，即外加滤波器，比如在电力系统中加l c 滤波器，或在装置的电网侧加有 源滤波装置等。 交流侧的谐波抑制属于被动型的抑制方案。由于此处的滤波器直接与电网相连， 因此设计时应考虑到：邻近的谐波源对滤波器的影响；系统参数对滤波器的影响；后 续变流器负载对滤波的影响。 按照其采用的电路结构可以分为：无源滤波器方案、有源滤波器方案和混合滤波 器方案的三大类。 1 无源滤波器( p f ) 无源滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。图1 一l 是一个用并联无源 滤波器滤除谐波的典型电路。一个串联的l c 并联在整流桥输入端，其谐波频率 w = 1 c ，应和电路的主要高次谐波率相等。无源滤波器方案是目前采用的最为广 泛的谐波抑制手段，它结构简单、造价低、运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果 明显。但它只对该次波有效，对其它次谐波影响不大，有时参数配合不好，还可能会 有不利影响。 、，价、 j _ ； 本 t c 士 图卜1 在交流侧加并联滤波器进行谐波抑制 2 有源滤波器( a p f ) 用有源滤波器( a p f ) 消除谐波的思路可以追溯到2 0 世纪7 0 年代s a s a k ih 和 m a c h i d at 等人提出的用磁补偿消除谐波的方法。1 9 7 6 年，g y u g y il 等人提出了用大 功率晶体管p w m 变换器构成有源滤波器，并提出了有源滤波的概念。有源电力滤波器 可以分为并联有源波波器和串联有源滤波器。其基本结构是一个d c a c 逆变桥与a c d c 和一个谐波注入电路。按照p w m 逆变电路直流电源的性质又可以分为电压型有源滤波 器和电流型有源滤波器。 电流型有源滤波器如图卜2 ，换流器的输出经过大电感l 作为逆变器的电源。由 于l 足够大，整个直流电源可当成一个恒流源，保证输出的不同宽度的脉冲有不变的 幅值。因此，当p w m 调制的脉冲幅度一经确定，输出量只与脉宽有关，控制器采入含 谐波的电流，经滤波、调制成控制信号，控制逆变器输出。 电流型逆变器的特点： 直流侧接有大电感，相当电流源，直流电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 因为各开关器件主要起改变直流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与 负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近正 弦波。 直流侧电感器具有缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必并 联二极管。 逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因宜流电流无脉动，故传送功 率的脉动由直流电压脉动来实现。 当用于交一直一交变频器且负载为电动机时，若交一直变换为可控整流，可方便地 实现再生制动。 抗。 图卜2 电流型有源滤波器原理框图 电压型逆变器电路如图卜3 所示，它主要有以下特点： 直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻 由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关， 而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形或接近三角波，或接近正 弦波。 当交流侧为电感型负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作 用。为了给交流侧向直流侧、反馈的能量提供通道，各臂都并联了反馈二极管。 逆变器从直流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故传送功率的脉动 是由直流电流的脉动来体现的。 当用于交一直一交变频且负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就 需要向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的 方向来实现，这就需要给交一直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。 3 混合型有源滤波器 图1 - 3 电压型有源滤波器原理框图 混合型有源滤波器具有源滤波器的优点，并弥补了无源滤波器的缺点。将会得到 广泛地应用，目前由于其技术尚不够完善，应用受到一定的限制。 1 4谐波研究现状 早在二、三十年代随着静态汞弧整流器在化工等领域的应用，人们发现了明显的 波形畸变，这样就提出了电力系统谐波问题，但因其数量、功率和对电力系统的影响 都很小，未引起重视。六十年代前后，些工业发达国家对此开展了大量的研究。内 容涉及各种谐波源的特性、元件、负荷系统谐波阻抗、谐波分析方法、测量仪器和测 量方法、谐波的危害、限制谐波的措施、谐波标准等方面。我国于1 9 8 0 年前后在冶金、 煤炭、化工等领域大量引进国外设备，并大力发展了硅整流技术。并于1 9 8 4 年颁发了 第一个谐波管理规定( 暂时规定) ，1 9 9 3 年国家制订公用电网谐波标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 。 目前，在谐波源处装滤波器是很普遍的抑制谐波干扰的措旌。广泛采用无源滤波 器，即由c 、l 和r 元件构成单调谐、比调谐和高通滤波器，就近吸收谐波，对于快速 波动的谐波源。则往往采用静止无功补偿装置。上述装置在考虑谐波总是的同时还有 基波的总是要兼顾滤波和无功补偿的要求。随着电力电子技术的发展，有源滤波器应 运而生，我国正在研制。日本1 9 8 4 年已有产品，如表卜4 所示。但这种装置的性能和 容量有待于提高。 表卜4 日本并联有源滤波器应用实例 目的容量开关元件应用 谐波补偿( 无功、 5 0 k m a 。2 0 0 0 k v ai g b t s 整流桥，工业负载 负序电流补偿)中的循环换流器 电压闪变补偿 5 m v a “5 0 m v ag t o电弧炉 s i n k a n s e n ( 日 电压调节 4 0 m v a 6 0 m v ag t o本”b u l l e t ” t r a i n s ) 2 1 滤波器的型式 第二章无源滤波器及设计原则 、按联结方式可分为串联和并联滤波器 1 串联滤波器 串联滤波器是一个在某个谐波频率下阻抗很高的与负荷串联的回路。如图2 一l 所 不e 它能阻止谐波从换流器 进入电网，但并不能使它消 失。 2 并联滤波器 并联滤波器是一个在某 个谐波频率下阻抗很低的与 图2 1 串联滤波器 负荷并联回路，如图2 - 2 所示，它能使谐波电流经滤波器构成回路而不进入电网。 由于串联滤波器对该次谐波来说只是 阻断谐波源与电网之间的通路，而在谐波 源附近局部网络里它仍是存在，有可能造 成危害，因而除个别情况外，广泛采用并 联滤波器，接成y 形，中性点接地。 二、从滤波作用看可分为单调谐和高 通滤波器 i ，单调谐滤波器 单调谐滤波器为r 、l 、c 串联结构， i i 图2 2 并联滤波器 每相一个，三相对称，可接成星形或三角形，最常见的单调谐滤波器的单相接线如巨 2 3 所示，每个滤波器单独调谐在要求的n 次谐波时谐振，于是对n 次谐波呈现最，j 阻抗。 囤2 - 3 单调谐滤波器图2 - 4 高通滤波器 2 高通滤波器 高通滤波器也由r 、l 、c 组合而成，也是三相对称接线，其单独相结构如图2 - 4 所示，这是一种二阶型高通滤波器，将其参数适当选择，在频率高于某个值后，有很 宽的频带，即对高次谐波呈现低阻特性。 2 2 单调谐滤波器实用设计 一、关于设计的基本概念 1 滤波器装置设计的基本任务 在确定的系统和谐波源的条件下，以最少的投资达到母线电压畸变率和注入系统 的各次谐波电流符合规定指标，同时要兼顾满足无功补偿容量的要求。并保证装置安 全可靠和经济运行。 2 滤波器装置方案的确定 滤波装置方案，主要是确定用几组单调谐滤波器，选择高通滤波器的截止频率以 及用什么方式满足无功补偿的要求。 单调谐滤波器应根据谐波源大小，所产生的主要特征谐波电流来考虑，对于整流 性谐波源，一般只设几组奇次滤波器，如要滤除更高次的谐波，可以加设一组高通滤 波器。 3 评定交流滤波器的滤波效果准则 滤波器滤波效果是否适当的准则是：经滤波以后完全没有谐波的有害影响。评定 滤波效果是一个很复杂的问题，各国都有自己的管理标准。目前我国以国际( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 公用电网谐波标准来衡量滤波效果。 4 各滤波器参数设计的原则 滤波装置各滤波器的参数是相互关联的，设计时要反复迭代计算才能得出个较 为满意的方案。为在等效频率偏差范围内及各种运行方式下，流入系统的n 次谐波电 流量或电网电压的正弦畸变率不超过允许值，对设计不能控制的一些参数必须按最不 利的情况考虑。系统频率偏差，电容器的电容变化量，电抗器的电感变化量，测量误 差等应取可能出现的正、负两方面的最大值，电容器、电抗器和外加电阻的额定参数 选择应留有适当的裕度，这是由于无源滤波器的滤波效益和流入滤波器的谐波电流大 小随谐波阻抗的变化而变化。根据迭代计算的结果求得滤波效益，与流入系统的谐波 电流量、系统母线谐波电压正弦波畸变率及t i f ( 电话干扰系数) ，i t ( 干扰忍受度) 等允许值比较，确定是否需要增加电容器数量或修改电容器的型号，若需要变化，则 再次进行计算。 如果滤波装置总的无功输出容量小于无功需要量，宜增加各滤波器的电容器，由 于一般供电系统的谐波阻抗为感性，因此最低次滤波器的电容可适当多增加一些。 另外，还要注意验算未设置单调谐滤波器的最低次谐波电压的正弦波形畸变和流 入系统的该次谐波电流量是否满足要求。特别是三次谐波。 5 滤波装置的设置地点 要使滤波装置具有最佳的滤波效益，首先必须选择适当的安放地点。滤波装置应 放在谐波源处，不应远离谐波源。如果不设置在谐波源处，不仅滤波装置难以设计， 而且也无法抑制谐波源的电压畸变。 如果电网中有两处谐波源，则两处均应设置滤波装置。若只在一处设置滤波装置， 会使未设置滤波装置的谐波电流也流向滤波装黄，不仅使滤波装置过载，而且滤波效 益很差。 对于由专用线供电的谐波群，其滤波装置宜设置在靠近电源侧最近的一个谐波源 的供电母线上。 二、设计方法 ( ) 设计条件和标准 1 标准和规定 在设计滤波器之前，应先确定电力系统对谐波的承受能力，同时，结合系统具体 情况，还要考虑以下问题： ( 1 ) 谐波源注入系统的谐波电流允许值，记为i s n * ； ( 2 ) 全系统各支路上分布的谐波电流值： ( 3 ) 各次谐波电流在各条母线上产生的各次谐波电压，以u n * 表示其允许值； ( 4 ) 各母线上所有谐波电压的平方根值( 即各量平方和的平方根) ； 、 ( 5 ) 谐波电流对电话的干扰指标，国际通常采用电话谐波波形系数( t h f f ) 。 除以上限制外，还应规定频率的等值偏差6 。 2 谐波源 此处谐波源特征指的是，设计滤波器所考虑的主要谐波源在各种运行情况下各次 谐波源电流发生量，并找出最大值作为设计依据。 3 无功功率要求 在装设滤波器的部位需要相当数量的无功功率，又由于无功功率与系统电压维持 稳定有关，应在设计滤波器之前将最合理的无功需求量确定下来。 4 系统谐波阻抗 系统谐波阻抗是以滤波装置母线为主立足点，向电网看的谐波阻抗，它是一个频 率的函数，计算时不仅要考虑系统结构的发展可能出现的各种运行方式，特别是在附 近并联电容器的投切，而且还要考虑系统工频变化所引起的变化。 ( 二) 最小参数的选择 最小参数就是指满足谐波标准的，所用电容器容量最小的滤波器参数。由于考虑 的限制条件不同，可产生多个最小容量，取其中最大的一个作为滤波器的电容的最小 容量，由最小容量计算出的阻抗则是滤波器允许的最大阻抗。 ( 三) 设计步骤 ( 1 ) 按最小滤波电容安装容量确定单调谐滤波器的电容量初值。 ( 2 ) 确定最佳调谐锐度值。 ( 3 ) 确定电感器的电感值l 和电阻器的电阻值r 。 ( 4 ) 校验单次谐波的正弦波畸变率。 ( 5 ) 对正弦波形畸变率不满足进行处理。 2 3 二阶型高通滤波器设计 在二阶型高通滤波器电路中电阻很大的情况下，其特征与单调谐滤波嚣相近，当 频率很高时，滤波器的阻抗趋于纯电阻r 。根据这一特点，设计步骤如下： ( 1 ) 确定所抑制的谐波。根据己采用的低次调谐滤波器的配置情况，按滤波要求 决定高通滤波器所需抑制的谐波次数，例如：。噱。 ( 2 ) 决定电容器参数初值，按最小滤波器安装容量要求，给出c 的初值为 c z 摆竿 ( 3 ) 确定高通滤波器的两个特征参数。 令，o = 去，一去李， 滤波器在，o 至f = m 范围内的阻抗小于r 。 截止频率一般选取略高于所装的调谐滤波器的最高特征谐波频率。 由于高通滤波器的特征对频率偏差不敏感，所以不存在选最佳的q 值问题。 ( 4 ) 确定滤波器中电阻r 和电感l 的初值。 钒2 焉2 j 丽12 丽1 ，可删小r ；c 02 丽m m 值越小，则损耗越小，一般取m = o 5 。 ( 5 ) 计算t i t 。，h 。次谐波的谐波指标d f u ( r 1 ) ，由上述c 、l 、r 的初值，系统的谐 波阻抗及谐波电流，计算在正、负频偏下的各次谐波指标。如果满足要求，则参数初 步选择结束。 如果在低次谐波段不满足滤波指标要求，则可降低电阻并增加电容值，降低电感 值直至低次谐波满足要求。 如果在高次谐波段不满足滤波指标要求，则仅降低r 值，使滤波器特征变得更平 坦，使高次谐波段满足要求。如果在降低r 过程中，造成低次谐波段又不满足要求， 可重新修正c 和l 。重复以上计算，直至高通滤波器满足谐波的指标。 第三章有源滤波器 前章介绍的用电容、电感和电阻等元件构成的吸收谐波电流的无源型滤波器有不 少缺点，例如：有效材料消耗多、体积大；滤波要求和无功补偿、调压要求有时 难以协调；滤波效果不够理想，只能做成对某几次谐波有滤波的效果，而很可能对 其它次谐波有放大作用，且滤波效果易受元件或系统参数，以及电网频率等变化的影 响；在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故：当谐波源增大时，滤波器负 担随之加重，以至可能因谐波过载不能运行等。 无源交流滤波器抑制谐波，本质上是频域处理方法，即将非正弦周期电流分解成 傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。芎源滤波器则是在时域中对非 正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从而改善系统的电流波形。 3 1有源滤波器的基本原理和结构 流。 一、有源滤波器的基本工作原理 如图3 1 所示，i 。为负载电流：i 。为有源滤波器的输出电流；i ，为电网提供的电 图3 1 有源滤波器方框接线图 图3 - 2 有源滤波器的波形图 将图3 - 2 中的负载电流，。按傅里叶级数展开为 ，= ls i n ( n w t + 只) = ，】c o s o 】s i n w t + l js i n 0 , c o s w t = l + i ，s i n ( n w t + o ) = l i p + j t q + l ， n = 2 式中 i l p 一基波有功电流i ，。= i lc o s o 】s i nw t ，1 9 一基波无功电流，1 。= i ls i n 0 1c o s w t i 。一高次谐波电流i 。= i 。s i n ( n w t + 口。) n = 2 图3 - 1 中，= i s + ，。，即负荷电流，。由电源电流，。和有源滤波器输出的电流， 共同提供，如果控制有源滤波器的输出电流，使，。= ，。，则电源中就只有基波功率( 有 功和无功) 了，即，= ，+ ，。，从而达到抑制谐波的目的。简而言之，有源滤波器产 生一个与电源谐波幅值相同，相位相反的谐波注入谐波源，即可以将谐波抵消掉，使 之不会流入系统。由上述分析我们可以看到，有源滤波器可同时补偿无功功率，这只 需使j c = f ，+ f 。，则，。= f ，则电源中就只含基波有功电流了，图3 2 中的j s 波形 即是同时补偿了谐波和无功电流后的波形。 二、有源滤波器的结构 有源滤波器包括五个部分：电流谐波分量检测部分、电流谐波分量补偿控制电路、 脉宽调制( p 1 v m ) 逆变器、由直流电抗器构成的直流电源、由注入变压器构成的输出部 分。在结构上，有源滤波器由于采用了具有自换能力的可关断晶闸管( g t o ) 组成高频 逆变器，因而可以将直流变为任意的交流电流。 图3 - 3 有源滤波器结构框图 其工作过程是由直流电抗器( 电流型) 或电容器( 电压型) 构成的储能直流电源， 通过逆变器把存储在电抗器( 或电容器) 中的直流电能转换为所需的频率和波形的交 流电流，经注入变压器注入电力线路。p 州逆变器同时兼有向直流电抗器( 或电容器) 提供直流电能的功能，这个过程直接受高次谐波电流补偿量检测及其控制电路的控制。 3 2 有源滤波器的型式及优点分析 一、有源滤波器的形式 有源电力滤波器( a p f ) 根据补偿对象连接方式的不同而分为并联型和串联型两种， 实际应用中多为并联型。 ( ) 并联有源电力滤波器 1 9 8 6 年，a k a g ih 提出并联有源电力滤波器消除谐波的方法，如图3 4 所示。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，连接也很方便。但是，由于电源电压直接加 在逆变桥上，对开关器件的电压等级要求高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波 装置的容量也须很大。由于既要有大的补偿容量又要有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无源滤波器 和电容器的谐波特性，若利用l c 网络吸收这一部分高次谐波，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。 图3 - 4 并联有源电力滤波器框图 ( 二) 串联有源电力滤波器 图3 - 5 是单独使用串联有源滤波器的方案。串方案有源电力滤波器在系统中相当 于电压控制的电压源，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 载交流侧电压为正弦波。 图3 5 串联有源电力滤波器框图 ( 三) 并联a p f 与并联p f 混合型方案 1 9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合型的有源电力滤 波器方案，如图3 6 所示。在这种电路中，a p f 仍起着谐波补偿的作用，p f 滤除主要 谐波分量，因此a p f 容量很小。但这种装置在使用时，电网与a p f 及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 注入的谐波电流又流入p f 即系 统中。 图3 - 6 并联a p f 与并联p f 的混合型有源电力滤波器框图 ( 四) 串联a p e 与并联p f 混合型方案 这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，装置容量可以做得很大。 由于大部分谐波由廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。1 9 8 8 年p e n gf z 等 首先提出串联a p f 加并联p f 的结构，如图3 7 所示。 图3 7 串联a p f 与并联p f 的混合型有源电力滤波器框图 串联a p e 为一个电流控制电压源，由p i n 控制产生与线路中谐波电流成正比的谐 波电压u 。= k ，胪因此对谐波电流，串联a p f 可以等效为一个电阻，其阻值为放大 系数，当k 远大于电网阻抗和无源滤波器等阻抗时，线路电压和电流中将只有很小的 囤 百 丁 谐波残余，对工频a p f 呈极低的阻抗，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荷侧， 无源滤波器是负载的唯一通道，对谐振频域处的谐波，无源滤波器极低阻抗。 ( 五) a p f 与p f 串联和电网并联混合型方案 1 9 9 0 年，f u j i ti - t 等人提出将a p f 或p f 相串联后与电网并联的混合型方案，其示 意图如图3 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正比的电 压，该方案可以等效为p e n gf z 中性点上，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，因此更适用于高压系统的应用。但是，该电路对电网 中的谐波电压非常敏感。 图3 8a p f 与p f 串联后与电两并联的混合型有源电力滤波器框图 ( 六) 并联a p f 与串联a p f 的混合型方案 1 9 9 4 年，a k a g ih 等人提出一种综合了串联( a p f l ) 和并联( a p f 2 ) 的混合型滤 波器，其示意图如图3 9 。a p f l 将电源和负荷隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和 负载谐波电流流入电网。a p f 2 提供一个零序阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电源吸 收掉。该方案在电网与公共接点之间，同时实现了f g i e , 和电流的净化。 图a - 9 串联a p f 与并联a p f 的混合有源电力滤波器框图 二、有源滤波器优点 根据前面对有源滤波器工作原理的分析我们不难看出有源滤波器的下述优点： 对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数。 系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。 不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的大小。 用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿。 不存在过载问题，即当系统中的谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。 三、无源滤波器与有源滤波器比较总结 1 通常的无源滤波器在设计时，必须考虑具有很大不确定性的系统谐波阻抗，为 了满足系统的要求，防止出现谐波放大现象和保证滤波元件的安全，在参数选择方面 通常都过于保守，且须经过反复计算，过程十分复杂，工作量很大。有源滤波器因本 质上是一个谐波电流源，系统阻抗的变化不会对其产生影响。因此，即使是系统结构 发生变化，也具有很好的补偿效果。 2 在系统电压不变的情况下，无源滤波器只能输出恒定的无功功率，设计无源滤 波器时需要考虑系统指标( d f u 和q o ) 是否合理、相容。在运行过程中，有时为了满 足谐波指标，存在着过补偿的情况，因此必须装设适当的相控电抗器或自饱和电抗器 以进行必要的调节，从而使滤波装置的容量不能有效的得到利用。同时，无源滤波器 是在给定的谐波电流条件下进行设计，当各次谐波电流有较大的变化时难以适应。有 源滤波器由于将无功补偿和谐波抑制统一起来考虑，不仅可以消除任何次数值较大的 谐波电流，也不受谐波频次和电流大小变化的影响。 3 无源滤波器不仅投资大，而且在运行过程中损耗也大，容量利用率不高，运行 状态受系统影响大。采用有源滤波器由于仅针对无功电流，无须经过很大的有功电流， 因此装置容量小、损耗小、经济效益很高，另外，由于装置采用闭环控制，自身可以 限制输出电流的大小，即使负载无功电流很大也不会过载。 3 3 有源滤波器的检测部分 对于有源滤波器来说，要想实现滤去高次谐波的目的，首先应检测高次谐波电源， 检测技术是有源滤波器实现谐波补偿的关键，这种检测不同于一般的谐波检测仪，它 不需要分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电路外的总畸变电流。这主要包括两 个方面的问题：1 ) 如何正确的检出所需补偿的高次谐波电流；2 ) 如何正确地选择信 号的检测问题。 一、检测谐波位置 1 检测负荷电流，。所含的高次谐波，。，并以其作为补偿器的参考信号，即： ，。= i l 。这种方式的优点在于其特性受线路参数厶的影响较小，但是假如系统中存 在高次谐波电压u 。时，接入点的电压将始终含有相应的高次谐波分量。因此，此方式 适用于将特定负荷发生的高次谐波电流作为补偿对象。 2 检测电源侧电流中的高次谐波分量，并以此作为补偿电流指令。此时控制 特性受到线路参数的影响。这种方式多用于多个负荷所产生的高次谐波加以统一补偿 的情况。 3 检测补偿器接入点的高次谐波电压u 。，将其作为补偿指令i 。= 七+ u 。当k 足够大时可以使接入电压的高次谐波分量为0 。 为了得到更好的补偿特性，可以采用上述几种方式的组合。 二、检测谐波方法 无功及谐波电流( 即畸变电流) 的检测方法取决于非正弦条件下有功功率( 电流) 和无功功率( 电流) 的定义及理论分析。基于这些定义，目前对非正弦条件下无功及 谐波电流的检测主要有以下几种方法。 1 采用模拟带通( 或带阻) 滤波器检测高次谐波电流 优点：电路结构简单、造价低、输出阻抗低、品质因数易于控制。 缺点：a ) 滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界影响大； b ) 电网频率发生波动时，影响检测精度且检测出的谐波电流中含较多基波 分量，增加有源滤波器容量和运行损耗； c ) 不能同时分离出无功电流。 2 基于f r y z e 时域分析的有功电流分离法 原理：将负荷电流肿) 分解为两个正交分量，一个是有功电流f 。( f ) = ( p u2 ) “( f ) ， 另一个作为广义无功电流( t ) = m ) 一f ，( r ) 。 缺点：检测出的广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟。 3 频率的分解与合成 如图3 1 0 所示，将检出电流中欲抵消的分量通过带通滤波器或傅旱叶变换器检 出，然后再合成得到补偿电流信号。图3 一l o ( a ) 为用窄带滤波器分离出被测信号中 的各次单位谐波分量，并经幅值与相位校正环节( v g ，v o ) 后再合成输出。一般采用 外差式窄带滤波器选频效果更好。选频法的响应速度主要取决于带通滤波器的时间常 数，补偿精度还取决于幅值校正环节精度以及分离出的谐波次数等。图3 1 0 ( b ) 为 数字化分析法，它是在同步或准同步脉冲作用下将模拟信号进行离散化，通过模数转 换器变为数字量，再用数字分析的方法，例如快速傅里叶变换( f f t ) ，进行处理，最 后得到各次谐波幅值的相位系统，经低通滤波器( l p f ) 检出所需的信号，对于检出的 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输出，需用数模转换 器再把数字量的结果转换为模拟量。采用这种方法需要具有高精度的模数转换器，同 时要求输出信号有较高的信噪化。若要求分析速度较高，可用硬件模块完成，这时造 价昂贵。若分析过程采用软件完成，则响应时间相对较长，不能满足a p f 对高次谐波 补偿量的检测要求。 ( a ) c o ) 图3 1 0 频率的分解与合成 ( a ) 带通滤波器；( b ) 傅里叶级数分析 4 基于小波变换检测谐波的新方法 小波分析作为调和分析的重大发展，克服了傅里叶分析在频域完全局部化而在时 域完全无局部的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性，小波变换能将各种交织一 起的不同频率组成的混合信号分解成不同频率的信号。这种方法克服了传统的f f t 法 的局部性，根据多分辨的思想，利用高尺度的变换值，实现了谐波的实时检测。它通 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上的分解结 果，这种方法的优点就是实时地跟踪谐波的变化。 小波变换有一个非常吸引人的特点，就是变换本身对信号的奇异点非常敏感。这 个特点可以用来跟踪那些非常突然，消失也非常突然的谐波信号，这种信号正是谐波 检测的难点。 5 基于a k a g i 瞬间无功功率理论的检测法 此法基于瞬时无功功率理论，本文滤波器采取此方法，见第四章。 还有一些检测方法，这里不一一列举，以上提到的几种方法，各种利弊，使用时 可综合考虑。 3 4 有源滤波器补偿电流的控制 一、概述 有源滤波器由电流型逆变器和恒流源构成，它通过向电网直接注入补偿电流而抑 制谐波。如果有源滤波器产生的补偿电流等于当时的谐波波形，即可完全消除谐波， 但实际上，理想的补偿电流被一种特定主法调制得到的电流所替代。因此，有源滤波 器消除谐波的性能完全取决于调制方法。 调制方法可以分成两种：载波调制和脉宽调制。载波调制法通过适当地调节载波 之幅值和频率将谐波成分抑到最小，为了减少谐波，必须提高载波频率，但这样又使 得控制电路相当复杂、昂贵，而且开关损耗增加，同时也不会出现完全消除电网谐波 的理想情况。脉冲宽度调制，如多脉冲方案，可以改进这些问题，而用多脉冲p w m 有 源滤波器抑制谐波的特性较好。 二、利用脉宽调制技术消除谐波 1 p w m 技术 其基本思路是控制p w m 输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性， ，2 根据输出波形的傅立叶数展开式，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量， 组成非线性超越方程组计算各开关通断时刻，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目 的。 2 最优脉宽调制( o p w m ) 依据最优准则( t h d 脉宽转矩最小等) 构造目标函数，利用优化计算法计算各个 开关的通断时刻。 3 改进正弦脉宽调制( s p w m ) 这类方法有采样s p v y m 、区段面积等值法等，实质是将调制波周期分成n 等分。采 样s p 矾法使脉冲宽度等于该等分中心点上正弦波采样值，而区段面积等值法使脉冲宽 度正比于该等分的正弦波面积。 4 调制或跟踪型p w m 、自适应p w m 将实际的输出与调制波比较，电流超过某一给定的滞后区，改变开关通断状态， 使之减小，否则反之，追使实际电流围绕参考信号振荡。 三、脉宽调制( p w m ) 逆变器与控制 1 p 州逆变器的主电路原理 图3 - 1 1p w m 逆变器主电路原理图 这是一个交一直一交供电系统，由不可控整流器经电容滤波后形成幅值基本固定 的直流电压在逆变器上，利用对逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出获得一系 列幅值相等而宽度不相等的矩形脉冲波形，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形， 而决定开关元件动作顺序和时间分配率的控制方法即成为脉宽调制方法。 2 p w m 逆变器的工作原理( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 在p w m 型逆 变器电路中，使用 最多的是图3 1 2 的三相桥式逆变 电路，其控制方法 一般都采用双极 性方式。u 、v 和w 三相的p w m 控制 图3 一l2p w m 逆变器主电路图 通常用一个三角波载波“。，三相调制信号u 。、“扩“，的相位依次相差1 2 0 度。u 、v 和w 各项功率开关器件的控制规律相同，现以u 相位为例，说明如下。 如图3 一1 4 ，当“。) u 。时，给上桥臂晶体管v 1 ( 在图3 - 1 2 中以1 表示v 1 ，以2 表 示v 2 ，以此类推) 以开通信号，给下桥臂晶体管v 4 以关断信号，则u 相相对于直流 电源假想中点的输出电压为“少2 。当“。( “。时，给下桥臂晶体管v 4 以开通信号，上 桥臂晶体管v 1 以关断信号，则输出电压为一“2 。v 1 和v 4 的驱动信号始终是互补 的，输出的电压只有“2 两种电压。v 相和w 相的控制方式和u 相相同。 24 u o u u d 2 0 u d 2 图3 一l