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注入式混合型有源电力滤波器的难点问题研究及工程应用 摘要 随着大功率电力电子装置等非线性、时变性负荷在电网中的大规模应用，电 网谐波污染和无功缺额越来越严重，与此同时，用户对电能质量要求却越来越高。 因而，电压质量和谐波的问题变得越来越突出。研制出输配电谐波治理和大容量 无功补偿装备，对无功、谐波实施有效、灵活的控制和补偿，进而改善电压质量、 降低谐波含量己势在必行。无源滤波器作为传统的谐波治理手段，由于存在只能 滤除特定次谐波和可能与电网发生串并联谐振等缺点，将逐步被新型装置所取代。 混合型有源滤波器由于有效综合了有源滤波器和无源滤波器的各自优点，已成为 谐波治理和无功补偿一体化系统的主要研究和发展方向。 本论文围绕一种谐振注入式混合型有源电力滤波器( i t h a p f ) 工程应用中的 难点，着重讨论了其直流侧电压控制、电流跟踪控制、以及综合设计等方面的问 题，并在理论研究的基础上提出了基于i t h a p f 的谐波分析与治理一体化系统实 现方案，最终实现了i t h a p f 的工程应用。 i t h a p f 中基波谐振支路的存在，决定了其直流侧电压很难通过对逆变器的 基波有功电流的控制来维持平衡。一般采用的方法是用不可控整流电路来维持直 流侧电压。然而在装置的实际运行当中，当装置接入点电压为非理想电压时，逆 变侧的能量倒灌常常会引起直流侧电压的抬高甚至飙升，进而影响到系统的补偿 性能，危及系统的安全运行。本文分析了电网电压跌落和电网背景谐波电压导致 i t h a p f 直流侧电压抬升的原因，在此基础上，提出了采用多重化主电路形式、 合理选择注入支路参数、增加直流侧能量泄放回路及直流侧采用p w m 可控整流 电路等方法来稳定直流侧电压。所提方法为整个装置的高效、稳定、安全运行提 供了必要的前提条件。 针对i t h a p f 的电流控制问题，本文分析了i t h a p f 的结构特点，并建立起 了对其进行谐波电流控制的模型，在此基础上提出一种基于递推积分的模糊自整 定p i 控制方法。其中，应用递推积分实现了对周期量的稳态无差控制，提高了控 制的精确性：应用模糊算法进行比例和积分系数的在线调整，在确保控制精度的 同时大大改善了p i 控制算法的动态性能。为了减小系统延时对装置的稳定性及控 制精度的影响，本文采用一种带预测补偿的选择性谐波检测方法。文章还对逆变 器p w m 控制信号的产生方法和逆变器的死区效应的补偿方法进行了介绍。 i t h a p f 主电路参数对其滤波性能具有较大的影响。本文在理论分析和实践 经验的基础上，提出了一套适合于大功率谐波抑制和无功补偿的i t h a p f 的结构 和参数设计方法：对于单调谐滤波器的设计，在根据治理对象的实际情况确定好 硕士学位论文 调谐次数的基础上，主要从容量、成本和品质因素这三个方面进行考虑；对于注 入支路的设计，除了要考虑单调谐滤波器设计的几个因素之外，还应重点考察有 源逆变器输出谐波电流注入电网的能力以及基波谐振支路的分压；对于输出滤波 器的设计，主要从开关毛刺滤除能力、有效谐波输出能力和谐波的动态跟踪能力 三个方面进行考虑；耦合变压器的设计原则是在确定容量之后，应更好地匹配有 源部分的电压和电流，以便使功率开关器件的容量得到充分的利用；在逆变器直 流侧电容的设计中，其电压取值需在保证滤波器的电流跟踪能力和有效降低成本 两者之间折中取值。另外，为了减小逆变器直流侧电容电压的波动，电容必须有 一定的容量要求。在此设计方法的基础上，本文提出了基于i t h a p f 的谐波分析 与治理一体化系统的实现方案，还完成了整个一体化系统软、硬件的调试，并在 实地进行了投运，取得了良好的应用效果。 关键词：谐波抑制；无功补偿；直流侧电压抬升；递推积分p i ；模糊算法；p w m 可控整流电路；系统设计 a b s t r a c t b e c a u s eo fl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n so fn o n l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n gl o a d s s u c na s h ig h p o w e rp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，t h e h a r m o n i cp 0 1 l u t i o na n dt h e l a c ko l r e a c t i v ep o w e ri np o w e r 鲈i da r eg e t t i n gw o r s e a t t h es a m et i m e ，t h ec u s t o m e r sh a v e m o r ea n dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n tt oe l e c t r i cp o w e rq u a i i t y t h ep r o b l e m o fv o l t a g e q u a l i t ya n dh a r m o n i cb e c o m e sm o r ea n dm o r e s e r i o u s d e v e l o p i n ge q u l p m e n tw l t n b i gc a p a c i t y 砖rs u p p r e s s i n gh a r m o n i ca n dc o m p e n s a t i n g r e a c i v ep o w e re t l c l e n 1 y a n dt h e ni m p r o v i n gv o l t a g eq u a l i t y a n dd e c r e a s i n gh a 彻o n i c c o n t e n t1 s9 0 1 n g n e c e s s a r i l y p a s s i v en l t e r ( p f ) i sa t r a d i t i o n a lh a r m o n i cs u p p r e s s i n gd e v l c e h o w e v e r ， b e c a u s ei tc a no n l ys u p p r e s ss o m es p e c i n c o r d e r h a r m o n i cc u r r e n t sa n dh a s t n e p o s s i b i l i t yo f s e r i e sp a r a l l e l r e s o n a n c ew i t hp o w e rg r i d i m p e d a n c e ， 1 tw l l lb e g r a d u a l l yr e p l a c e d b yn e wd e v i c e t h eh y b r i d ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) h a s t h e a d v a n t a g e so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a n dp f b o t h ，s o i tb e c o m e st h em a mr e s e a r c n a n dd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fh a r m o n i cs u p p r e s s i n g a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t m g i n t e g r a t e ds y s t e m f o c u s i n go ns o m ed i m c u l t i e si nt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o no fi n je c t i o nt y p eh y b r i d a c t i v ep o w e r 丘【t e r ( i t h a p f ) ，s o m ef a c t o r so f i t h a p fw e r ee m p h a t i c a l l yd i s c u s s e d ， s u c ha sd cv o l t a g ec o n t r o l ，c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l ，a n dc o m p r e h e n s i v e d e s i g n b a s e o nt h e o r e t i c a l r e s e a r c h ，t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo f h a r m o n i cs u p p r e s s i n g a n dr e a c t l v e p o w e rc o m p e n s a t i n gi n t e 鲈a t e ds y s t e mw a sp r e s e n t e d ，a n d t h ep o j e c a p p l i c a t l o n0 1 i t h a p fw a sc a r r i e do u t t h ee x i s t e n c eo ff u n d a m e n t a l s e r i e sr e s o n a n c ec i r c u i t ( f s r c ) i ni t h a p f d e c i d e st h a ti t sd c v o l t a g ec a nh a r d l yb es u s t a i n e db yc o n t r o l l i n g t h ea c t l v ec u r e n t o ft h ec o n v e r t e r t h ec o m m o nw a yi su s i n gu n c o n t r o l l a b l er e c t i n e r h o w e v e r w h e n p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ( p c c ) v o l t a g e i sn o ti d e a l ，t h ee n e r g yf r o ma c s l d ew l l l r a i s et h ed c v o l t a g eu pa n dt h e ni m p a c tt h ep e r f o r m a n c ea n d s e c u r i t yo ft h es y s t e m t h i st h e s i sa n a l y z e dt h er e a s o n so f “n g o ft h ed cv 0 1 t a g e b a s e do nt h l s ，士o u r m e t h o d sw e r ep r o p o s e df o rs o l v i n gt h ed c o v e r v o l t a g ep r o b l e mi n c l u d l n gs e l e c t l n g d i f f e r e n tc o n 矗g u r a t i o n s o fa p f ，o p t i m i z i n gt h ei n j e c t i o nc i r c u i t ，a d d l n ge n e r g y r e l e a s i n gc i r c u i ta n da d o p t i n gc o n t r o l l a b l ep w m r e c t i n e ri nd cs i d e t h em e t h o d s p r o p o s e dp r o v i d e dp r e c o n d i t i o nf o r h i 曲e m c i e n c y ，s t a b i i i t y a n ds e c u 哪o w h 0 1 e s v s t e m i v 坝上掌位论文 a l m l n ga tt h ec u r r e n tc o n t r o lo fi t h a p f ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h ec o n n g u r a t i o n c h a r a c t e “s t i co fi t h a p fa n de s t a b l i s h e di t sh a r m o n i c sc u r r e n tc o n t r o lm o d e l b a s e d o nt h l s ，an e wc u r r e n tc o n t r o la l g o r i t h mw a sp r o p o s e d t h e r e i n t o ，r e c u r s i v ei n t e g r a i p r o p o r t i o n a li n t e g r a l ( r i p i ) w a sa d o p t e di nt h i sa l g o r i t h mt oe l i m i n a t es t e a d ye r r o r a n dp r e c i s i o no fc o n t r o l l e rw a si m p r o v e d ；f u z z ya r i t h m e t i cw a su s e dt o a d iu s tt h e c o e 伍c i e n t so fr i p io n l i n ef o ri m p r o v i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp ic o n t r 0 1 a s e i e c t l v eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o di n c l u d i n g t i m e - d e l a yp h a s ea n g l e c o m p e n s a t i o ni sp r o p o s e df o rd e c r e a s i n gt h ei n f l u e n c eo fs y s t e mt i m ed e l a yo nt h e s t a b i l i t ya n dc o n t r o lp r o c e s s i o no ft h es y s t e m g e n e r a t i o no fp w m s i g n a lo fi n v e r t e r a n dc o m p e n s a t i o no fd e a d t i m ee f f e c tw e r ep r e s e n t e da l s oi nt h i st h e s i s t h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r so fi t h a p fh a v eag r e a ta f f e c to ni t sp e r f o r m a n c e b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c e ，as e to fd e s i g nm e t h o d so f c o n n g u r a t i o na n dp a r a m e t e r sf - o rh i g h p o w e ri t h a p fw a sp r o p o s e d i nt h ed e s i g no f s i n g l et u n e dp a s s i v ef i l t e r ，c a p a c i t y ，c o s ta n dq u a l i t yf a c t o rs h o u l db ec o n s i d e i = e d c h i e n ya f t e rt u n e df r e q u e n c yw a sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt oh a r m o n i cc u r r e n tr e s o u r c e s i nt h ed e s i g no fi n j e c t i o nc i r u i t ，t h ea b i i i t yo fa c t i v ep a r th a r m o n i cc u r r e n ti n i e c t i o n a n dt h ev 0 1 t a g ew h i c hf s r cu n d e r t a k e ss h o u l db ec o n s i d e r e dm a i n l yb e s i d et h e f a c t o r sp r o p o s e di np a s s i v ef i l t e rd e s i g n 。f o rt h ed e s i g no f o u t p u tn l t e r s s u p p r e s s i o n o fs w i t c h i n gh a r m o n i c ，t h ea b i l i t i e so fh a r m o n i cc u r r e n to u t p u ta n d d y n a m i ct r a c k i n g s h o u l db ec o n s i d e r e df i r s t t h ed e s i g np r i n c i p l eo f c o u p l i n gt r a n s f 0 r m e ri st h a ta f t e r 1 t sc a p a c i t yw a sd e t e r m i n e d ，c u r r e n ta n dv o l t a g eo fa c t i v e p a r ts h o u l db em a t c h e d b e t t e rs o a st ot h ec a p a c i t yo fp o w e rs w i t c h i n gd e v i c ec o u l db eu s e df u l l y i nt h e d e s i g no fd cc a p a c i t a n c e ，i t sv o l t a g es h o u l dh a v eam o d e r a t ev a i u ec o n s i d e r i n g c u r r e n tt r a c k j n ga b j “t ya n dc o s to fa c t j v e 矗l t e r i na d d i t j o n ，f 1 0 fd i m i n i s h i n gt h ed c v o l t a g en u c t u a t i o n ，d cc a p a c i t a n c es h o u l dh a v ea d e q u a t ec a p a c i t y b a s e do nt h e d e s i g np r i n c i p l e sm e n t i o n e da b o v e ，t h er e a l i z a t i o ns c h e m eo fa ni n t e g r a t e ds y s t e m b a s e do ni t h a p ff b rh a r m o n i cc u r r e n ta n a l y s i sa n d s u p p r e s s i o nw a sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s d e b u g g i n go ft h ei n t e g r a t e ds y s t e mi n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r eh a sb e e n n n i s h e ds u c c e s s f h l l y t h es y s t e mh a sb e e n p u ti n t o u s ei no n es u b s t a t i o na n d a p p li c a t i o nr e s u l ti sv e r yg o o d k e y w o r d s ： h a r m o n i c s u p p r e s s i o n ； r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ； r a i s i n go f d c 。v o l t a g e ；r e c u r s i v ei n t e g r a lp r o p o r t i o n a li n t e g r a l ；f u z z ya l g o r i t h m ； p w mc o n t r o l l a b l er e c t i f i e r ；s y s t e md e s i g n v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者繇叫朝虱 日期那年辱月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：芬1 运爿司 导师签名： 日期：z 雨孑年年月夕日 日期：2 胛9 年华月夕日 碗一 二学位论文 第1 章绪论 电力电子技术以快速可控的电能变换为主要对象，以方便、节约、安全为特 点，大大提高了人类在生产和生活中的效率和舒适性，从而其应用也日益广泛。 但随着作为电网的非线性和时变性负荷的电力电子装置的大规模应用，其负面效 应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分 量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真。而随着各种电能质量敏感设 备( 如计算机等信息处理设备) 的大量应用，电力用户对于电能质量的要求也日 益提高。愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对尖锐的矛盾。 利用各种无源和有源滤波技术，对电力系统的谐波污染进行综合治理己成为摆在 科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。而有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e 卜a p f ) 由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值均变化 的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外电力系统谐波抑制 研究的热点。 本章从电力系统谐波的基本概念出发，阐述了谐波产生的原因、带来的危害 以及我国的谐波标准，并介绍了有源滤波技术的国内外研究现状和本论文选题的 背景及各章节的主要内容。 1 1电力系统谐波的基本概念及其产生原因 在供用电系统中，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 甜( f ) = 2 u s i n ( 耐+ 口) ( 1 1 ) 式中u 一一电压有效值； 口一一初相角； 国一一角频率，缈= 2 万= 2 石，丁： 厂一一频率； r 一一周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波；非正弦电压施加在线形电路上时，电流也是非正弦波。对于周期 r = 2 丌珊的非正弦电压“( 耐) ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅 立叶级数 注入式混台型有源电力滤波器的难点问题研究及工程应用 式中， 甜( 耐) = 日。+ ( d 。c o s 珂耐+ 吒s i n n 耐) h = j 口o = 去胁州( 耐) 铲砉“蛳删( 删) 屯= 砉f 茸甜( 酬) s i n 胛删( 耐) ( 玎= 1 ，2 ，3 ，) 或 “( 街r ) = 口o + c 。s i n ( 玎谢+ 纯) 月冒l 式中，巳、n 和口。、吃的关系为 c 。= 丽 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 纯2 口w 啦( 髓。以) 4 口= “s i n 伊。 以2 厶c o s 仇 在式1 2 或式1 3 的傅立叶级数中，频率为1 丁的分量称为基波，频率为大于 l 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，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式 中“( 耐) 转成f ( 耐) 即可。 n 次谐波电压含有率以舰玑( h a r m o n i cr a t i o 瓯) 表示 r 厂 舰砜= 1 0 0 ( 1 4 ) u i 式中：乩一一第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ； u 一一基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以瑚( h a r m o n i cr a t i o 厶) 表示 ， 舰，n = 孚1 0 0 ( 1 ，5 ) l 式中，一一第n 次谐波电流有效值( 方均根值) ： ，。一一基波电流有效值。 谐波电压含量和谐波电流含量，h 分别定义为 硕上学位论文 卜辱 卜辱 ( 1 6 ) d i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变 以上介绍了谐波以及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电 气量中频率为整数倍( 大于1 ) 基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波 频率，有人把谐波也称为高次谐波。谐波次数n 必须是大于1 的正整数。n 为非 整数时的正弦波分量不能称为谐波。 目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系 统中，电源以单一恒定频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的正弦变化规律向电网供电，系统 中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。一 般来说，一个实际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技术的 发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增加，理想电力系统的近似程度变差， 直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点，在这些电流 和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且 出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量( 称为高次谐波分量) ，这一系 列正弦分量统称为电力谐波。在i e e e 标准5 19 1 9 8 l 中谐波定义为：“谐波为一 周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。在国际电工标准 ( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立 叶级数中大于1 的h 次分量 。 在早期的电网中，电力传输线路中的谐波含量并不高。但是随着具有非线性 和时变性的电流电子装置在电力系统中大规模的应用，现代电网中谐波的含量比 例越来越高。电网谐波主要来自于3 个方面： 一是发电源自身产生的谐波。由于发电机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，发电源多少也会产生一 些谐波，但一般来说很少。这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的 结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源。 二是输配电系统产生的谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由 于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时经济性的考虑，其 7 、9 吵 a o u o 1 一，u奴 皿 迥 觋 觋 注入式混合型有源电力滤波器的难点问题研究及工程应用 工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而 含有奇次谐波。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，其中3 次谐波电流 可达额定电流的0 5 。 三是用电设备产生的谐波。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种 非线性负载产生的【l ，2 j 。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变 换器等电力电子装置，它们工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网 注入大量的非线性电流。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源， 由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳 定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是2 次 谐波和7 次谐波。 除此以外，其它像电视机、电池充电器等装置也会产生谐波， 虽然单个装置的功耗不大，但由于数量很多，因此它们给供电系统注入的谐波分 量也不容忽视。总之，非线性用电设备是电力系统最主要的谐波源，其产生的谐 波对公共电网的电能质量影响也最为严重。 1 2 电力系统谐波的危害和我国的谐波标准 谐波电流和谐波电压对公用电网是一种污染。在电力电子设备广泛应用以前， 人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严 重，没有引起足够的重视。近几十年来，各种电力电子设备的广泛应用使得谐波 污染r 趋严重，由谐波引起的各种事故也不断发生，如：广西苹果铝厂19 9 6 年6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电； 湖南涟钢l9 9 8 年7 月，因5 次谐波超标，导致豹南山1 10 k v 变电站停电16 小时； 由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致 使京广线中断数小时。因此，谐波危害的严重性已引起了人们的高度重视。谐波 危害主要表现在以下几个方面【3 m 】： ( 1 ) 引起电力电容器过流损坏。 ( 2 ) 增加旋转电机的损耗。 ( 3 ) 增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。 ( 4 ) 增加变压器的损耗。 ( 5 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。 ( 6 ) 引起电力测量的误差。 ( 7 ) 干扰通讯系统。 ( 8 ) 延缓电弧熄灭。 ( 9 ) 对其它设备的影响。 为保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，避免谐波的危害，目前许 颇士学位论文 多国家、国际组织以及一些大型电力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影 响的是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 。由于谐波标准的实施，使得电力电子装置的 生产厂家不得不采取措施来降低其产品产生的谐波。我国水利电力部也在1 9 8 4 年颁发了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 【l 引，到1 9 9 4 年国家标准 g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波1 1 4 j 正式颁布。 电力系统谐波管理暂行规定规定我国电网中任何一点的电压正弦波形畸 变率均不得超过表1 1 规定的极限值。 表1 1电网电压正弦波形畸变率极限值 虽然各种谐波标准都不尽相同，但总的来说都是大同小异，并且所有标准的 都是基于以下三个目的： ( 1 ) 将电力系统电流和电压的畸变控制到允许的水平咀内； ( 2 ) 以符合用户需要的电压波形向用户供电： ( 3 ) 不干扰其它系统( 如通讯系统) 的正常工作。 可见，研究消除或降低电网中运行的电力电子装黄所产生的谐波不但是贯彻 执行国家标准和对相关法规的技术支持，也是改善电网电能质量、提高电网运行 效率、维护电气设备的安全稳定运行的电气环境所迫切要求的。因此，谐波抑制 技术的研究是当前电工学科研究的热点之一。 1 3有源电力滤波器的发展现状 有源电流滤波器作为一种主要的动态谐波治理设备，近几十年来的到了长足 的发展。早在19 7 1 年，h s a s a k i 等就首次完整地描述了有源电力滤波器的基本 原理【”】，但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高， 因而仅在实验室研究，未能在工业中应用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大 功率晶体管p w m 逆变器构成的有源电力滤波器，并正式确立了有源滤波的概念， 提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。1 9 8 3 年，日本长冈科技大 学的a k a g ih 等人提出了三相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变 电流的瞬时检测提供了理论依据。与此同时，新型快速大容量功率开关器件( 如 注入式混含型有源电力滤波器的难点问题研究及丁程应用 g t r 、g t o 、i g b t 等) 相继问世；p w m 调制技术、微机控制技术、以及数字信 号处理技术都取得到了长足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发 展，使有源电力滤波器真正进入了工业实用阶段。 作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发 达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高 ( 典型值达2 5 次) ，单机装置的容量也逐步提高( a p f 的最大容量可达5 0 m v a ) ， 其应用领域正从补偿用户产生的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。 我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到 学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的 国家相比有一定的差距。到目前为止，我国也有几台类似产品投入工业试运行， 如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的 有源高次谐波抑制装置于1 9 9 2 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置 采用了三个单相全控桥逆变器( 功率开关为g t r ) ，用于低压电网单个谐波源的 谐波补偿，装置容量小，且只能补偿几个特定次数的谐波( 5 、7 、ll 、1 3 次) ，调 制载波的频率( 3 3 k h z ) 不高，谐波跟踪、补偿效果不够好；华南理工大学研制 了混合型有源电力滤波器用于牵引变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源 部分容量和技术实现上有一定的改进，但其滤波效果和隔离基波电压的无源网络 阻抗存在矛盾；西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量有源电力滤波器主 电路的方法，该方法有效地解决了大容量和开关频率的矛盾，但该方法的成本高、 技术实现难度大，且未见有实际应用的报道。总的来讲，目前我国有源电力滤波 技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段。 a p f 技术发展到今天，已出现了多种拓扑结构：单独型【l 引、多变流器混合型 【1 7 珈】以及a p f 与p f 混合型【2 1 - 2 引。由于大容量a p f 的成本相当高，而且自关断器 件的容量有限，因此单独使用的a p f 更适合于应用在中低压、小功率系统。多变 流器混合型a p f 的控制系统相当复杂和繁琐，而且成本更高，基本处于理论研 究阶段，实用性不强。因此，谐波治理的趋势是发展a p f 与p f 的混合型，既可 克服a p f 容量要求大、成本高的缺点，又可弥补p f 的不足，使整个滤波系统获 得良好的性能。本文研究的a p f 也正是这种结构的。 本课题组在国家“十五”科技攻关、国家自然科学基金项目一一谐振注入式 混合型有源电力滤波器难点问题的研究( 6 0 4 7 4 0 4 1 ) 和国家“8 6 3 ”目标产品项目 一一配电网无功自动补偿、电能质量和负荷监视一体化系统( 2 0 0 4 a a 0 0 1 0 3 2 ) 等 国家项目的支持下，近年来也一直致力于并联混合型有源电流滤波器的研究和工 程应用。特别是研制出了一种兼顾谐波治理和大容量无功静态补偿的注入式混合 型有源电力滤波器( i t h a p f ) ，其拓扑结构如图1 1 所示，主要由直流侧整流 部分、有源部分、输出滤波器、耦合变压器、基波串联谐振电路、注入电容和无 硕一l j 学位论文 源部分组成。其有源部分为智能功率模块( i p m ) 构成的三相电压型逆变器，在 逆变器的直流端接有大电容c 和大阻值的泄放电阻r ，交流端接有输出滤波器 厶、c n 以滤除开关器件通断所产生的高频毛刺，基波串联谐振电路由c 1 和厶组成， 同时厶、c 1 l 和g 还起到单调谐滤波器的作用。并联在电网上的无源部分由l c 无 源滤波器组构成。由于i t h a p f 注入支路中基波喈振支路的存在，其有源部分不 承受基波电压，所以大大的减小了装置有源部分的容量，使其更加适合应用于高 压系统。 图1 1注入式混合型有源滤波器的拓扑结构 1 4 本文的研究背景及各章节内容安排 本课题组研制的i t h a p f 在工程实际中取得了良好的应用效果，但也出现了 如f 难题：当装置接入点电网电压为非理想电压时，装置直流侧出现了电压持续 抬升的现象，严重威胁到了装置的安全；装置有源逆变部分和注入支路等的延时 效应以及电压型逆变器的死区效应，都对滤波装置的补偿精度产生了不良的影响， 降低了装置的性能。本文研究的目的就是要解决上述工程应用巾的难点问题，推 动有源滤波技术的实用化进程。 论文的主要研究内容和后续各章节的内容安排如下： 第二章，i t h a p f 直流侧电压控制的研究。本章分析了i t h a p f 直流侧电压 控；# l 的特殊性以及直流侧f 乜压抬升的原囚，在此基础上提出了对直流侧电压进行 单独闭环控制的方法，并针对于不同工况进行了仿真验证。 笳三章，i t h 八p f 电流控制方法的研究。本章采川了递推积分p i 控制方法进 行电流控制，并用模糊算法对其比例和积分系数进行在线调整，这样既克服了传 统p i 算法对正弦量控制存在稳念误差的缺点，又保证了良好的动念性能；为了减 注入式混合型有源电力滤波器的难点问题研究及工程应用 小系统延时对装置的稳定性及控制精度的影响，本文采用一种带预测补偿的选择 性谐波检测方法；为了减小死区效应对装置补偿性能的影响，本文提出了电流反 馈型死区补偿方法。 第四章，i t h a p f 的设计和工程应用。本章针对某2 2 0 k v 变电站对大容量谐 波抑制与无功补偿的要求，提出了i t h a p f 各个部分的设计准则，并形成了一套 基于i t h a p f 的谐波分析与治理一体化系统。 总结和展望，介绍了本论文研究的特点和创新之处，同时指出进一步研究工 作的重点和方向。 硕士学位论文 第2 章l t h a p f 直流侧电压控制的研究 i t h a p f 中基波谐振支路的存在，决定了其直流侧电压很难通过对逆变器基 波有功电流的控制来维持平衡。一般采用的方法是用不可控整流电路来维持直流 侧电压【3 0 ，3 1 1 。然而在装置的实际运行当中，当装置接入点电压为非理想电压时， 逆变侧能量的倒灌往往会引起直流侧电压的抬高甚至电压的飙升，进而影响到系 统的补偿性能，甚至危及系统的安全。本章首先深入分析了电网电压跌落和电网 背景谐波电压对i t h a p f 直流侧电压的影响，在此基础上，提出了采用多重化主 电路形式、合理选择注入支路参数、增加直流侧能量泄放回路及直流侧采用p w m 可控整流电路等方法来保证直流侧电压的稳定。本章中的仿真结果和第4 章中某 变电站i t h a p f 的现场运行数据均证明了这些方法的正确性和可行性。 2 1i t h a p f 直流侧电压抬升的原因 2 1 1电压跌落对i t h a p f 直流侧电压的影响 电压跌落( s a g s ，又可称d i p s ) 是指在某一时刻电压的幅值突然偏离正常工作范 围，经很短的一段时间后又恢复到正常水平的现象，一般用跌落的幅值和持续时 间来作为描述电压跌落的特征量【3 2 】。例如，在i e e e 电能质量标准中对电压跌落 特征量的界定范围是幅值标幺值在0 1 o 9 之间，持续时间为半个周期至1 m i n ； 而i e c 标准则用跌落前后电压的差值与正常电压的百分比来描述电压跌落的深 度，持续时间限定为半个周期至几十秒。 恶劣的天气条件是引起电压跌落的主要原因，如雷击、暴风雨等。系统故障， 尤其是系统单相对地故障是造成电压跌落的另一个重要原因。此外，一些大负荷 ( 如大电机、炼钢电弧炉等) 突然启动时伴随的电流严重畸变现象也会导致该负荷 所连接的母线电压发生跌落。可见，由于一些非人力所能及的因素的存在，电压 跌落现象是不可能从根本上加以消除的。 图2 1 注入支路单相等效电路图 注入式混合型自源电力滤波器的难点问题研究及工程应用 而当电网电压发生跌落，且跌落深度和持续时间达到一定程度时，注入式混 合型有源滤波系统由于基波谐振支路的存在，将受到电网电压的冲击，下面来分 析其动态过程。考虑三相电源对称，因此只分析单相等效电路。在如图1 1 所示 的i t h a p f 中，c l 和三l 构成基波谐振电路，c g 为注入电容，r 为电感三l 的内阻， 因为有源部分的c o