（电力电子与电力传动专业论文）一种混合型有源电力滤波器的研究.pdf

r e s e a r c ho fo n ek i n do fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t t h ep o w e rq u a l i t yc o u l db ep o l l u t e db yt h em a s s i v eu s eo fp o w e re l e c t r o n i c d e v i c e s t h eh u g ee c o n o m i cl o s so ft h es o c i e t yi sc r e a t e db yav a r i e t yo ff a i l u r e s a n da c c i d e n t sc a u s e db yh a r m o n i c s t h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i o np o w e r c o m p e n s a t i o nc o u l db ee f f e c t i v e l yp r o v i d e db yh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r h y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e ru n i f i e dt h ea d v a n t a g e so fb o t hp a s s i v ep o w e rf i l t e ra n da c t i v e p o w e rf i l t e r , i tc a nb ea p p l i e di nt h el a r g ec a p a c i t ys i t u a t i o na n de n a b l et h es y s t e m t oh a v et h eg o o dp e r f o r m a n c e h a p fr e s e a r c hi sg i v e nm o r ea n dm o r ec o n c e r na n d a t t e n t i o ni nt h ea s p e c to fp o w e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v eg o v e r n a n c ei nr e c e n ty e a r s t h i sp a p e ri sm a i n l yt od ot h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，t h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma n d c o n t r o ls t r a t e g yo ft h eh a p fs y s t e ma r et h ek e yp o i n to ft h er e s e a r c h f i r s t l y ，t h e h a p fp r i n c i p l eo fw o r ka n ds e v e r a lk i n d o ft o p o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c i s i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r t h e h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e do n 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 yi sr e s e a r c h e di nd e t a i l i tw a sc a r r i e do u t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h ec o r r c c t n e s so ft h e t h e o r y r e g a r d i n gt h eh a p fs y s t e m ，t h ep a r a m e t e rm a t c ha s w e l la sp a s s i v ea n d a c t i v ec a p a c i t y sr a t i o n a ld i s t r i b u t i o ni st h ed i f f i c u l tq u e s t i o n ，t h e r e f o r et h i sp a p e r d i s c u s s e dt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h ma r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r i nv i e wo faf l a wo f p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi se a s yt o f a l li n t ot h el o c a le x t r e m u m ，t h e i m p r o v e dm e t h o d sw h i c hq u a n t u mg a t ea n g l eo fr o t a t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e di n w a sp r o p o s e d a n dt h ei m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi sa p p l i e d f o rt h ef i r s tt i m ei nt h eh a p fs y s t e m i tc a l c u l a t e dt h ep a r a m e t e ro fp a s s i v ep o w e r f i l t e ra n dt h ec a p a c i t yr a t i oo ft h ea c t i v ep a r to c c u p i e d t h i sa l g o r i t h mm a k e st h e s y s t e mh a sg o o df i l t e r i n ge f f e c ta n de c o n o m y ，b u ta l s op r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mi s c o m p a r e dw i t h t h e g e n e t i ca l g o r i t h mh a sh i g h e re f f i c i e n c y , a n d c a np r e v e n t p r e m a t u r ec o n v e r g e n c e s e v e r a lk i n d so fc o n t r 0 1s t r a t e g i e so fh a p fa r ed e s c r i b e d t h ec o n t r 0 1 s t r a t e g i e sb a s e do nd e t e c t i o no ft h el o a dh a r m o n i cc u r r e n t sa n do ft h ep o w e r h a r m o n i cc u r r e n t sh a sb e e nc a r r i e do nt h ek e yr e s e a r c h t r a d i t i o n a lr e s e a r c h a p p r o a c h i st h ew a v e f o r ms i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo ft h eo u t p u t w a v e f o r mt oj u d g et h ep r o sa n dc o n so ft h ec o n t r o ls t r a t e g y ，b u tt h em e t h o di sn o t i i e n o u g hd e t a i l e da n dc o m p r e h e n s i v ei n s p e c t i o n i no r d e rt oa v o i dt h i ss h o r t c o m i n g ，o n eu n i q u em e t h o du s e dt or e a l i z et h e o p e r m i o n a lf a c t o ra n a l y s i so ft h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h i sp a p e r t h i sm e t h o d s i m p l i f i e s t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tf i r s t ，t h e nc a r r i e so nt h ep r o g r a m m i n g t h e a f f e c t e de x t e n to fc o n t r o ls t r a t e g yi nac e r t a i n f a c t o r sc o u l db e e ni n s p e c t e d i n t u i t i v e l ya n ds p e c i f i c a l l yt h r o u g ht h em e t h o d t h ea n a l y s i sr e s u l th a sp r o v e nt w o k i n do fs t r a t e g i e sh a v et h ef e a s i b i l i t yi nt h et o p i c ，m o r ep r o v i d e dt h ei m p o r t a n t r e f e r e n c ef o rc h o s i n gc o n t r o lp o l i c ya n dt h ec o n t r o l l e rp a r a m e t e rt os u i ts p e c i f i c a l l y t h ea c t u a ls i t u a t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a la n a l y s i si nt h ep a p e r ，a h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rp r o t o t y p ei sd e s i g n e df o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h e f e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo fs o m em e t h o d sa n ds t r a t e g i e sw a sa s s e s s e da n dv e r i f i e d o nt h ep r o t o t y p e t h e s em e t h o d sa n ds t r a t e g i e si n c l u d e ：t h ed e t e c t i o nm e t h o db a s e d o ni 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 y ，t h ei m p r o v e dp a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，a n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do nd e t e c t i o no ft h ep o w e rh a r m o n i c c u r r e n t sa n ds oo n k e y w o r d s ：h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；p a s s i v ep o w e rf i l t e r ；a c t i v ep o w e rf i l t e r s ； h a r m o n i c sd e t e c t i o n ； o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；c o n t r o ls t r a t e g y ； o p e r a t i o n a lf a c t o r i i i 插图清单 图2 - 1l c 滤波器的原理接线图一6 图2 2 有源电力滤波器按照接入电网的方式分类图一9 图2 - 3 三相半桥主电路拓扑9 图2 - 4 三相全桥主电路拓扑1 0 图2 5 三相四桥臂并联滤波器结构1 0 图2 6 三桥臂电容中点式并联滤波器结构1 0 图2 - 7a p f 的原理图l l 图2 8 混合型有源电力滤波器分类图1 3 图2 9 并联型a p f + 并联p p f 构成的混合型有源电力滤波器1 3 图2 一l o 串联型a p f + 并联p p f 构成的混合型有源电力滤波器1 4 图2 1 1a p f 与p p f 串联后并联接入电网的混合型有源电力滤波器1 4 图2 - 1 2a p f 与l c 串联谐振的注入电路方式1 5 图2 1 3a p f 与l c 并联谐振的注入电路方式15 图3 - 1a p 坐标系中的f 。和t 定义18 图3 2p q 检测方法原理图1 9 图3 - 3f d 一屯检测方法原理图1 9 图3 - 4i p i o 谐波检测算法仿真模块2 0 图3 - 5 补偿后电源电流2 0 图3 - 6 负载电流2 0 图3 - 7a p f 发出的补偿电流2l 图3 8z 口一乞检测法的直流分量己2 l 图4 - 1 混合型有源电力滤波器结构图2 8 图4 2 归一化满意函数与其目标函数的关系3 0 图4 - 3 改进的粒子群多目标优化算法流程图3 0 图4 - 4 目标适应度值的进化过程3 1 图4 - 5 滤波前的a 相电流波形3 2 图4 - 6 滤波后的a 相电流波形3 3 图5 1 采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图3 4 图5 - 2 滞环比较器的瞬时值比较方式中t 跟随变化3 4 图5 - 3 三角波比较方式原理图3 5 图5 4 单相混合型有源电力滤波器的等效电路3 6 图5 5 抑制3 次谐波时灵敏度系数哺与控制器参数k 的关系图3 7 图5 6 抑制5 次谐波时灵敏度系数与控制器参数k 的关系图3 8 图5 - 7 抑制7 次谐波时灵敏度系数编与控制器参数k 的关系图3 8 图5 8 抑制3 次谐波时灵敏度系数叩，与控制器参数k 的关系图3 9 v i 图5 9 抑制5 次谐波时灵敏度系数m 与控制器参数k 的关系图3 9 图5 - 1 0 抑制7 次谐波时灵敏度系数叩，与控制器参数足的关系图4 0 图5 - 11 抑制3 次谐波时灵敏度系数玑与控制器参数k 的关系图4 1 图5 - 1 2 抑制5 次谐波时灵敏度系数讯与控制器参数k 的关系图4 1 图5 - 1 3 抑制7 次谐波时灵敏度系数仉与控制器参数k 的关系图4 1 图5 - 1 4 抑制3 次谐波时灵敏度系数7 7 1 与控制器参数k 的关系图4 3 图5 1 5 抑制5 次谐波时灵敏度系数7 7 1 与控制器参数k 的关系图4 3 图5 1 6 抑制7 次谐波时灵敏度系数与控制器参数k 的关系图4 3 图5 1 7 抑制3 次谐波时灵敏度系数叩：与控制器参数k 的关系图4 4 图5 1 8 抑制5 次谐波时灵敏度系数r l ，与控制器参数k 的关系图4 4 图5 1 9 抑制7 次谐波时灵敏度系数7 7 ，与控制器参数k 的关系图4 5 图6 1 混合型有源电力滤波器的结构4 8 图6 - 2a p f 控制系统总体架构图4 9 图6 3 通信电路5 2 图6 4p w m 驱动电路一5 2 图6 - 5 捕获电路5 3 图6 - 6 负载和补偿电流采样5 3 图6 - 7 散热器温度采样电路5 4 图6 - 8 直流母线电压采样5 4 图6 - 9 初始化流程图主程序流程图5 5 图6 - 1 0 主程序流程图一5 6 图6 - 1 1 中断子程序流程图5 7 图6 - 1 2 样机补偿谐波电流的实验波形5 8 v i i 表 表 表 表 4 4 4 6 一 表格清单 遗传算法和改进的粒子群算法的优化设计结果比较3 2 滤波前各次谐波含量3 2 滤波后各次谐波含量_ 3 2 3 0 k v a 有源电力滤波器主电路参数5 1 独创性声明 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。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 金胆王些太堂 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己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学雠文储嫁勰签字嘞劢舻乍月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 巴王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 盒月巴王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文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) 学位论文者签名： 蔑黯 签字日期：9 年伞月冲日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 狮虱莓 签字日期：“口年眵月7 日 电话： 邮编： 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 社会的发展和科技的进步使电力电子装置得到广泛的应用，随着非线性负 载数量和容量的增加，这些装置在给人类生活带来便捷、高效和巨大利益的同 时，谐波、非线性、冲击性和不平衡用电特性给市电电能质量造成的污染也日 趋严重起来，往往使电网中电压和电流的波形发生严重的畸变。任何暂态和瞬 态的电能质量问题都可能造成电力设备运行的异常或损坏，而影响工矿企业的 正常生产，因此，电能质量的综合治理问题亟待解决，成为近年来社会关注的 热点之一。 混合型有源电力滤波器是治理谐波污染和提供无功补偿的有效装置，它将 在电能质量综合治理中发挥重要作用。 1 2 谐波相关问题 1 2 1 谐波的定义及谐波的来源 在供电系统中，通常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： 材( f ) = 4 2 u s i n ( c o t + 仅) ( 卜1 ) 式中，u 为电压有效值，为角频率，a 为初相角。 当正弦电压施加在非线性电路上时，电流波形就变为非正弦的，而非正弦 电流在电网阻抗上产生电压，使得电压波形也变为非正弦的。周期为t ：堡的 非正弦电压可表示为： “( f ) = 口o + c o s ( 删) + 以s i i l ( 蹦掰) ( 1 2 ) 式中：口o = 去“f ) a ( c o t ) = 互1 。e 2 1 ru ( 帅。s ( m o t ) d ( c o t ) = 去r ”喇) s i n ( 删d ( 耐) 在式( 卜2 ) 的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波。在i e e e 标 准519 19 8 1 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 。谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比川。 电网中的谐波来源主要有3 个方面： ( 1 ) 发电源质量不高产生谐波 发电机由于三相绕组很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀，发电 源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 ( 2 ) 输配电系统产生谐波 输配电系统中的电力变压器会产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲 线的非线性，加上考虑变压器的经济性，它的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，容易产生奇次谐波。铁心的饱和程 度高，变压器工作点就会偏离线性较远，谐波电流就较大，其中3 次谐波电流 可能达到额定电流的0 5 。 ( 3 ) 用电设备产生谐波 晶闸管整流设备采用移相控制，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。经统计表明：由整流装置产生的谐波占 所有谐波的近4 0 ，是最大的谐波源。变频装置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。电弧炉、电石炉由于燃 烧不稳定，可能引起三相负荷不平衡，会产生谐波电流。气体放电类电光源的 伏安特性非线性也十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们也会给电网造成 奇次谐波电流。家用电器因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。由于 家用电器使用数量巨大，因此是谐波的主要来源之一。在有绕组的设备中，不 平衡电流的变化也能使波形改变。 1 2 2 谐波的危害和标准 谐波的影响和危害主要有以下几个方面【2 】： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备的温升。设备的有效电阻会因肌肤效应而增大， 如果设备中有铁芯，磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗还会 使设备运行温度升高。 ( 2 )恶化绝缘条件，缩短设备寿命。在较高频率的电场作用下，绝缘的局部 放电加剧，介质损耗会显著增加。畸变波形出现尖顶波时，还增加了局 部放电强度，会降低绝缘寿命。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 可能引起电机的机械振动。脉动转矩是谐波电流和电机旋转磁场互相作 用产生的，它的存在可能使电机发生振动，当与电机机械系统的自然频 率共振时，可能会损坏电机设备甚至危及人身安全。 ( 5 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流放大，甚至谐振。无功补偿电容与 电力系统中的电感构成的一些组合可能导致某次谐波电流放大。当它们 的谐振频率和系统中某次谐波频率接近时，可能会有过电压或过电流的 危险。 2 ( 6 ) 影响测量装置的精度，造成电能计量的误差。 ( 7 ) 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。 为保证电网和用电设备的安全、稳定运行，避免谐波的危害，目前许多国 家和国际学术机构制定了相关标准。有的针对公共电网接点电压的谐波，有的 针对用电设备的电流谐波，有的针对用户系统的电流谐波。 我国1 9 8 4 年对电网谐波污染开始立法，水利电力部颁发了电力系统谐波 管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) ，1 9 9 3 年颁布了电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，针对标称电压为0 3 8 6 1 0 3 6 6 6 1 1 0 k v 的公用电网，规定了电压总 畸变率和公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。我国的电能质量 标准还有电能质量电压允许波动和闪变( g b l2 3 2 6 ) 、电能质量供电电压允 许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 和电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 9 5 ) 笔1 3 - 6 1 寸 o 国际上广泛被接受的是原欧洲标准i e c 5 5 5 2 ，1 9 9 5 年改为i e c l 0 0 0 3 2 标 准，它适用于每相输入电流小于16 a 的用电设备。对于每相输入电流在l6 a 7 5 a 之间的用电设备，适用标准为i e c l 0 0 0 3 4 。i e e e 和i e c 谐波标准主要分成三 类【7 8 】： ( 1 ) 用户系统谐波限制标准 i e e e 5 1 9 1 9 9 2 ，i e c l 0 0 0 2 2 ，i e c l 0 0 0 3 6 ( 2 ) 谐波测量标准 i e cl0 0 0 4 7 ( 3 ) 设备谐波电流限制标准 i e c l 0 0 0 3 2 ( 小于1 6 a ) ，i e c l 0 0 0 3 4 ( 1 6 a 7 5 a ) 抑制或减少电网中电力电子装置所产生的谐波，既能维护电气设备的安全 稳定运行，也是对国家和国际标准以及相关法规的贯彻执行。 1 2 3 谐波抑制技术 解决谐波和无功功率问题的主要思路有两种： 一是对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改造，使理论 上不产生谐波且具备高功率因数。 二是在电网侧对已经产生的谐波和无功功率进行补偿。 根据第一种治理思路，可以采用以下几种方法： ( 1 ) 多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术把多个方波相 叠加来消除低次谐波，这种装置比较复杂，成本较高。 ( 2 ) p w m 技术。采用脉宽调制p w m 技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅 值较小，波形接近于正弦波，此方法只适用于自关断器件构成的变流器。 ( 3 ) 高功率因数变流器。可采用矩阵式变频器、四象限变流器等使变流器产 生的谐波较少，且功率因数接近1 。 ( 4 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定移相 角的环流变压器，可有效减少谐波含量，但会使装置更加复杂。 基于第二种治理思路，可以采用无源滤波技术或电力电子装置来抑制谐波。 无源滤波技术是谐波补偿的传统方法，即在谐波源附近加装若干单调谐及 高通滤波支路。无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ) 具有简单方便、成本低、 易于维护的优点，因此得到了广泛的应用。但是p p f 也存在着固有的缺点，它 只能补偿固定频率的谐波，滤波特性也易受电网阻抗和运行状态的影响，且容 易与系统发生谐振。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 和混合型有源电力滤波器 ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，h a p f ) 是能够动态抑制谐波和提供无功补偿的电 力电子装置。a p f 具有较高可控性、快速响应性和可跟踪补偿各次谐波和无功 的优点，但成本很高。 h a p f t 9 a o 】是将p p f 和a p f 结合使用，用p p f 分担a p f 的一部分补偿任务，因 此，在一个系统中能减小a p f 的相对容量，从而降低初期投资，同时又使系统 具有良好的性能。 所以h a p f 拥有广阔的应用前景，是目前谐波治理和无功补偿一体化系统的 发展方向。 1 3 国内外研究现状 有源电力滤波器的思想萌芽形成在2 0 世纪6 0 年代，l g y u g y i 在7 0 年代 提出了采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器，提出了a p f 主电路的基 本拓扑结构和控制方法。 随着电力电子技术和p w m 技术的发展，8 0 年代对有源电力滤波器的研究逐 渐活跃起来，成为电力电子领域的研究热点之一。1 9 8 3 年，日本学者h a k a g i 提出了三相电路瞬时无功功率理论【1 1 1 ，以该理论为基础的谐波和无功电流检测 方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了a p f 的发展。1 9 8 7 年，m t a k e d a 提出了采用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混 合型有源电力滤波器的方案【12 1 。1 9 9 0 年，日本的h f u j i t 等人提出了将有源电 力滤波器与无源滤波器相串联的综合有源滤波方案。1 9 9 4 年，h a k a g i 等人又 提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合滤波系 统。近年来，多种混合型有源电力滤波方案被相继提出，具体结构和特点下章 介绍。 我国对谐波问题的研究起步较晚，1 9 8 8 年吴竞昌等出版的电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。1 9 9 4 年夏道止等出版的高压直流 输电系统的谐波分析及滤波是近年来出版的代表性著作。有源滤波器作为一 4 种新型的谐波抑制技术在我国的研究同样起步较晚，1 9 8 9 年才出现这方面的文 章。1 9 9 3 年开始了试验性的工业应用实验，国内的研究基本处在理论和实验室 阶段。近几年进行这方面、研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校 和少数研究机构。 西安交通大学的王兆安等，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定 的研究，以瞬时功率理论为基础提出了f 。一t 谐波检测算法，并采用了多重化技 术研制出了1 2 0 k v a 并联型a p f 的试验样机。此外，清华大学的朱东起、浙江大 学的钱照明等也对a p f 展开了深入的理论和实验研究。 虽然在理论上取得了一些进展，但是到目前为止，我国的混合型有源电力 滤波技术尚未能在工业领域得到广泛应用。 1 4 本文研究的主要内容 本文以一种混合型有源电力滤波器( a p f 和p p f 串联后再并入电网与负载 之间的拓扑结构) 作为研究对象，研究的主要内容为： ( 1 ) 混合型有源电力滤波器的优越性和各种不同拓扑结构的混合型有源电 力滤波器具有的特点。基于瞬时无功功率理论的f 。一的谐波电流检测法，并在 m a t l a b 7 1 中对f 。一t 检测法进行了建模和仿真验证，结果证明了理论的正确 性。 ( 2 ) 针对粒子群多目标优化算法较易陷入局部极值的缺陷，本论文提出了 一种采用量子门旋转角的改进方法。并将这种改进的粒子群算法首次应用于 h a p f 系统，解决了混合型有源电力滤波器系统参数匹配以及无源、有源容量的 合理分配的难题。该算法使系统具有较好的滤波效果和经济性，证明了设计 h a p f 参数时，该算法具有一定的有效性和优越性；以及与遗传算法相比具有更 高的效率，且能防止早熟收敛。 ( 3 ) 独特的采用了化简成等效电路，然后通过编程的方法实现了混合型有 源电力滤波器的两种控制策略的( 在负载谐波电流、电源谐波电压、电网阻抗、 电网频率的波动下的) 工作特性分析，这种方法能够直观、具体的考察这四种 因素对控制策略的影响系数。为选择h a p f 系统合适的控制策略和控制器参数k 提供重要依据。避免了传统的波形仿真方法考察的不够详细和全面的弊端。证 明了两种策略的可行性。 ( 4 ) 描述了h a p f 系统的总体结构、a p f 的控制系统和以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6 ad s p 芯片为主控制器的控制电路的设计。介绍了软件流程和人机交流界面，搭建了 基于d s p 控制的3 0 k v aa p f 和p p f 相结合的h a p f 样机系统，并进行了试验，通 过试验波形验证了滤波效果和理论的正确性。 第二章混合型有源电力滤波器的结构和原理 2 1l c 无源滤波器 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ) 也称为l c 滤波器，它是由滤波电容 器、电抗器和电阻器组合成的滤波装置，由于它结构简单、成本低廉、适合大 容量场合，至今仍得到广泛的应用。 2 1 1l c 无源滤波器的结构和原理 l c 无源滤波器分为：调谐滤波器和高通滤波器两类。调谐滤波器包括单调 谐滤波器( 可滤除某一次谐波) 和双调谐滤波器( 可滤除某两次谐波) ，该次 谐波的频率为调谐滤波器的谐振频率。高通滤波器分为：一阶、二阶、三阶高 通滤波器以及c 型高通滤波器，它能够大幅衰减高于某一频率的谐波，这个频 率称为截止频率。 ( a ) ( ”( 曲固 础r 图2 - 1l c 滤波器的原理接线图 实际应用的最多的是图2 一l 中的( a ) 单调谐滤波器，原理是利用r 、l 、c 电 路构成串联谐振。滤波电抗器和电阻器均接于电容器的低压侧。该滤波器对1 1 次谐波的阻抗为 z f n = r + j ( n o 。j 1 , 一去) ( 2 - 1 ) 式中f n 表示第n 次单调谐滤波器，表示基波角频率，谐波次数刀= 一。 6 、l c s 在谐振点处，乙= r f , ，多数为电感的内阻，它非常小会对n 次谐波电 流形成低阻抗支路，刀次谐波电流主要由r 砌分流，因而流入电网的部分很少。 而对于其它次数的谐波有毛 ，滤波器分流很少。所以只要将滤波器的谐 振次数设定为与需要滤除的谐波次数相同，该次谐波将大部分流入滤波器，滤 除该次谐波。滤波器对偏离谐振频率越小的谐波滤波效果越好。另外，流入电 网中的谐波含量的大小跟电网对该次谐波阻抗与滤波器阻抗的比值呈反比，所 6 以p p f 的滤波性能也受电网阻抗的影响。 定义单调谐滤波器品质因数为 q = 坐r = 二t o r i - c ( 2 2 ) 。 式中为谐振角频率。 滤波器对n 次谐波的阻抗可写成 z h 竿一毒，h 州( n t f o s q o 砌, o _ _ q 0 5 扣 1 + j q ( t y - 扑2 剐 ，撒) 其中弘苛 单调谐滤波器的c o 。和都是确定的，所以仃是确定的，滤波器对于n 次谐 波的阻抗与其品质因数q 成正比，即q 越大，阻抗越大，频率选择性越好。但 是，滤波器对于参数的变化会越敏感，一旦失谐，性能会变很差。 单调谐滤波器的基波阻抗决定了无功补偿的能力，由( 2 - 3 ) 式可知：q 越 小，基波阻抗越小，无功补偿能力越强。只关系到谐振频率谐波的滤波效果， 所以不能通过减小r 来减小q 。通常的方法是：取较大的电容和较小的电感以 获得较小的q 。实际上，仃 1 ，滤波器等效为一个电容，电容越大，无功补偿 能力越强。如果电容过大，可能会出现无功功率过补偿；同时，电感量不能过 小，以免调谐支路与电网产生谐振。 图2 - 1 中( b ) 为双调谐滤波器，它能够同时吸收两种频率的谐波，接线灵活， 与两个单调谐滤波器相比，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部的冲击电 压，但这种滤波器的结构复杂，调谐困难，目前应用较少【l3 。 图2 - 1 中( c ) 、( d ) 、( e ) 分别是一阶、二阶、三阶高通滤波器。一阶高通滤 波器需要的电容很大，基波损耗也大，一般不采用；二阶高通滤波器的滤波性 能最好，但与三阶比基波损耗较大；三阶高通滤波器比二阶多一个电容c ，提 高了滤波器对基波频率的阻抗，但它的滤波性能不够好，因而应用较少。 图2 - 1 中的( f ) 是c 型高通滤波器，它的性能介于二阶和三阶高通滤波器 之间，缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 2 1 2l c 无源滤波器的优缺点 运行中l c 滤波器与谐波源并联，可以滤波和补偿无功。滤波装置一般由一 组或多组单调谐滤波器构成，有时再加一组高通滤波器，主要优点是1 4 , 1 5 】： ( 1 )电抗器不承受短路电流冲击。 ( 2 ) 便于分相调谐。 7 ( 3 ) 结构简单、价格低、易于维护。 ( 4 ) 一相中任何一个电容器击穿时，短路电流较小。 但l c 无源滤波器也存在一些固有的缺陷，如： ( 1 )电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 ( 2 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的漂 移将导致滤波特性改变，使滤波器性能不稳定。 ( 3 )电网的参数与l c 可能产生并联谐振，使该次谐波分量放大，使电网供电 质量下降。 ( 4 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运 行工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难。 2 2 有源电力滤波器 a p f 是一种能够对大小和频率都变化的谐波进行动态抑制和提供无功补偿 的新型电力电子装置，克服了l c 滤波器等传统的谐波抑制和电容器等无功补偿 手段的缺点。 2 2 1 有源电力滤波器的分类 根据不同的划分标准，a p f 有多种分类方法。 ( 1 ) 按照有源电力滤波器接入电网的方式，分为：并联型a p f 、串联型a p f 和串并联混合型有源电力滤波器，即统一电能质量调节器( u p q c ) 。在实际应 用中大多为并联型。 串联型a p f 与负载串联接入电网，主要用于消除电压型谐波源对系统的影 响。一般采用电压型逆变器，不包含任何电流控制环，滤波器中流过的是正常 负载电流，损耗较大；且串联型a p f 的投切、故障后的退出和各种保护比较复 杂，因而使用不太广泛。并联型a p f 是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，目前技术上已经相当成熟，在发达国 家已有了大量的应用。 有 源 电 力 滤 波 器 串联型 单独使用方式 ll 与l c 滤波器混 f合使用方式 ，- t 单独使用方式 l = 二二 神激 f 二 l - - 4 注入电路方式 串并联型一u p q c 8 型圈嚣二蒴并二串二缬|哳器二器=槠=储 波二波二埔=隅 塞一 图2 - 2 有源电力滤波器按照接入电网的方式分类图 ( 2 ) 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的a p f 和多重化主电路的a p f 。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。 ( 3 ) 根据主电路的贮能元件不同，可以分为电压型a p f 和电流型a p f 两 种，对应的直流侧储能元件分别为电容和电感。 电流型a p f 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。但是直流侧始终有电流流过，电感的内阻上会产生较大的损耗，所以较少 使用。电压型a p f 的主电路直流侧接有大电容，正常工作时电压基本保持不变。 电压型a p f 具有损耗小、效率高的特点，目前绝大多数有源滤波器都采用电压 型结构。 ( 4 ) 根据接入系统相数的不同，可以分为单相和三相a p f 两种。而三相 a p f 又分为用于三相三线制电路的a p f 和用于三相四线制电路的a p f 两种。 在各种a p f 中，单独使用的三相的并联型a p f 是工业实际中应用最多的一种。 2 2 2 有源电力滤波器的拓扑结构 ( 1 ) 三相三线制有源电力滤波器的拓扑结构 本文主要讨论的是三相三线制结构，图2 - 3 所示为三相三线制有源电力滤 波器系统的三相半桥主电路拓扑结构图，乙、乙、t 为逆变器输出的三相补偿 电流，u 由为直流侧电压。 置墨焉 图2 3 三相半桥主电路拓扑 三相三线制a p f 系统的主电路，也可以采用三相全桥的拓扑结构，如图 2 4 所示。三相全桥的拓扑结构一般多用于串联型a p f 中，图中、为 串联型有源电力滤波器输出的三相补偿电压，它可以用于补偿电压质量问题。 9 越山函 图2 4 三相全桥主电路拓扑 ( 2 ) 三相四线制有源电力滤波器的拓扑结构 常用的三相四线制并联型a p f 的拓扑结构有三相四桥臂式、三桥臂电容中 点式和三单相全桥结构。其