（电力电子与电力传动专业论文）一种无变压器并联混合型有源电力滤波器的研究.pdf

浙江人学顾f ：学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd e a l sw i t hat l s - p h a p f ( t r a n s f o r m e r l e s s - p a r a l l e lh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ) ，w h i c hi sm a i n l yu s e df o rh a r m o n i cc o m p e n s a t i o ni na d j u s t a b l e - s p e e d d r i v es y s t e m sb a s e do nd i o d er e c t i f i e r w i t ht h ea d v a n t a g eo fl o wa c t i v ec a p a c i t y , l o w c o s ta n df e a s i b i l i t yf o rm e d i u m - v o l t a g eu s a g e ，t h i st o p o l o g yi sa t t r a c t i v ef o ri n d u s t r y a p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h em a i no p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft l s p h a p fi sd i s c u s s e d ，a s w e l la sb a s i cf i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c t h eh a r m o n i cc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i cp r o d u c e db yd i o d er e c t i f i e rw i t had cc a p a c i t o r i sa l s oa n a l y z e d i na d d i t i o n ，s o m ek e yp o i n t so nt l s - p h a p f d e s i g na r ed i s c u s s e di n d e t a i l ，i n c l u d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sa cs i d ei n d u c t o r , d cv o l t a g eo fi n v e r t e r , e t c a c s i d ei n d u c t o ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o nf o rh a r m o n i cr e p r e s s i o na sam o s t s i m p l ew a y , b u tt h eb i gf u n d a m e n t a lv o l t a g ea c r o s st h ei n d u c t o ri sas i d ee f f e c t a c o m p r o m i s ei sm a d et ob a l a n c et h ef i l t e r i n gp e r f o r m a n c ea n df u n d a m e n t a lv o l t a g ef a l l w eu s ev e c t o r - g r a p ha i d e dm e t h o dt od e s i g nt h ed cv o l t a g eo fi n v e r t e r t h e c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tt y p e so fp a s s i v ef i l t e r si sa l s op e r f o r m e d t om a k eac o m p r o m i s ei nc o s ta n df i l t e r i n gp e r f o r m a n c e ，w ec h o o s eal cp a s s i v e f i l t e rt u n e da ts e v e n t hh a r m o n i cf r e q u e n c y , w h i c hm a k e san o ts og o o df i l t e r i n g p e r f o r m a n c ei nt h em o s td o m i n a n tf i f t hf r e q u e n c y af i f t hh a r m o n i cf r e q u e n c yf e e d f o r w a r dc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e d ，a sw e l la saf i f t hh a r m o n i cf r e q u e n c yf e e d b a c k c o n t r o ls c h e m e r e s u l t sf r o mb o t ht h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns h o w st h a tf i f t h h a r m o n i cf e e d b a c kh a sb e t t e rf i l t e r i n gp e r f o r m a n c et h a ni t sf e e df o r w a r dc o u n t e r p a r t a10 k v ae x p e r i m e n t a ls y s t e mi sb u i l t i nd e s i g no fl cf i l t e r , f o rt h en o n l i n e a r m a g n e t i z a t i o no fi r o nc o r e ，i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r ei n d u c t o rp r e c i s e l y an o v e l i n d u c t o rm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do nh a l f - b r i d g ec i r c u i ti sp r o p o s e d 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波及抑制技术 电力电予技术已经成为现代工程中功率转换的基础技术。电力电予设备实现 高效，可控的电能转换和供给，市场需求随着工业化的发展也在日益增大。但电 力电子设备中，很多开关电路，如整流电路、调压电路、周波变流电路，具有严 重的非线性特性，已经成为电网中最主要的谐波源【。谐波的存在影响各种电气 设备的正常工作，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害【l 】。随着 电力电子设备广泛的应用和单机容量的不断增大，谐波污染源数量和容量猛增； 另一方面，各类家用电器，精密仪器发展迅猛，越来越多的电气用户对电能形态 和功率流动的控制与处理提出新的要求。谐波及其抑制问题已经成为电气电工工 程领域关注和研究的焦点问题之一。美国电子电气工程师协会( i e e e ) 颁布了 i e e e 5 1 9 - - 1 9 9 2 1 2 】标准，欧洲颁布了e n 6 1 0 0 0 1 3 4 】标准。1 9 9 3 年我国颁布了电能 质量公用电网谐波1 5 】的国家标准，对各级公用电网的谐波用户注入电网的谐波 电流均作了明确的规定。 解决谐波污染问题可以从两方面入手：一方面通过对电力电子装置的拓扑， 控制策略等加以改造，使其本身不产生谐波。p w m 整流技术，无源( 有源) 功 率因数校正技术，多相整流技术均属此列。另一方面则是在电网侧对已经产生的 谐波进行补偿，安装无源和( 或) 有源滤波装置。尽管前者是主动型的方法，但 后者仍是不可或缺的治理手段【6 l 。 传统的谐波治理方案是采用l c 无源电力滤波器( p p f , p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ， 工业应用已经有相当长的历史，有大量的实际工程经验可以参考【7 1 ，但存在着以 下问题：只能滤除特定次数的谐波；对电网的频率和阻抗等参数敏感，可能与电 网发生谐振，放大谐波；容易受滤波电容老化及非线性负荷变化的影响；装置笨 重等等【引。有源电力滤波器( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 是一种动态抑制谐波的 电力电子装置，它通过对电网谐波或( 和) 无功的运算，通过一定的控制方法， 对谐波或( 和) 无功进行补偿，使相应的接入点的电压，电流满足一定的谐波含 浙江人学硕一i ：学位论文 量要求。有源电力滤波器不仅可以克服无源电力滤波器所存在的问题，还可以跟 随系统谐波频率和大小的变化，动态的抑制谐波，具有更大的灵活性，更广泛的 适用性。 1 2 有源滤波技术概述 有源滤波技术的概念自1 9 7 6 年被确立至今，在主电路拓扑，谐波检测和控 制方法等关键技术的研究已经有了广泛和深入的进展：与有源滤波技术相关的技 术，如电力电子器件技术，p w m 调制技术，微机控制技术，数字信号处理( d s p ) 技术都取得了长足的进步。在世界范围内，特别在发达国家，有源滤波设备的应 用也已经具有一定的规模。 1 2 1 有源滤波器的拓扑研究 按照接入电网的方式，有源电力滤波器可分为并联型，串联型和串并联型三 种。 并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图1 1 所示，该拓扑的主电路与负 载并联接入电网，主要用米补偿可以看作电流源的谐波源，并联型a p f 产生与 负载谐波电流大小相等方向相反的补偿电流。通过适当的控制方法，该拓扑可以 补偿谐波，无功，三相不平衡电流，供电点电压的波动。并联型有源滤波器的概念最 清晰，也是有源电力滤波器家族中发展最早、最基本的拓扑形式。但是，交流电 源的基波电压直接加在变流器上，而且补偿电流基本上由有源滤波器装置提供， 故要求的滤波容量较大，成本较高。 串联型有源电力滤波器系统构成的原理如图1 - 2 所示，该拓扑的主电路串联 在电网和负载之间，主要用于补偿可以看作电压源的谐波源。串联型a p f 输出补 偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使电网侧电压波形接近正弦，同时调节负 载及电网终端的电压，它还被用于消除负序电压分量和调节三相系统的电压，另 外，它还被用于衰减因导线阻抗和无源电容谐振而产生的谐波。 串并联型有源电力滤波器( 统一电能质量控制器u p q c ) 如图1 - 3 所示。该 2 第一章绪论 装置实际上由并联滤波器和串联滤波器组合而成，两台p w m 变流器共用一个直流 电容作为储能元件。串联滤波器可以等效为一个受控电压源，补偿来自电网侧的 电压谐波和抑制电压波动，从而提高供电电压质量；并联滤波器可以等效为一个 受控电流源，用于补偿负载谐波和无功电流。这种结构可以同时对多种电能质量 问题进行统一的补偿。它的主要不足在于系统复杂，成本过高。 且一壁燮一 一 ：一三： 图1 1 并联有源电力滤波器图1 2 串联有源电力滤波器 1 2 2 谐波检测理论 图1 3 统一电能质量控制器 谐波检测决定了谐波电流的检测精度和跟踪速度，进而影响a p f 的谐波电 流补偿效果。谐波检测的准确与否对有源电力滤波器的谐波补偿效果有着及其重 要的作用。谐波检测理论一直是a p f 领域一大研究热点。以下是目前采用的几 种谐波检测方法。 ( 1 ) 基于频域的谐波检测方法 基于频域的谐波检测方法比较直观，主要思想是在频域内将待检测的谐波与 基波相分离。其中一种实现方法是利用模拟带通滤波器检测电网的谐波电流。原 理简单，物理意义清晰，但是由于模拟元件的固有特性而具有以下缺点：当电网 浙江大学硕l ：学位论文 频率波动时，谐波检测效果会大大下降，另外谐波检测效果对模拟滤波器的参数 十分敏感，元件的老化，温漂等因素都会影响谐波检测的效果。另外一种方法是 基于f f t ( 快速傅立叶变换) 的频域检测方法。这种谐波检测方法的原理为将检 测到的一个周期的谐波信号用f f t 分解，得到各次谐波，然后滤除相应的谐波 分量，最后再经过一次i f f t ( 反快速傅立叶变换) 得到所检测的波形。这种方 法由于需要一个周期的采样数据，所以具有较大的时延，实时性差；同时这种方 法需要进行两侧f f t 运算，运算量大，检测速度较慢。 ( 2 ) 基于瞬时无功功率理论的时域谐波检测方法 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由a k a g ih 提出，此后该理论经 不断研究得到完善。以该理论为基础，可以得到用于有源电力滤波器的谐波电流 的实时检测方法p q 法和d q 法。文献n 1 对于这两种方法进行了推导，证明了在三 相三线制电路，当电网电压波形畸变或三相不对称时，对谐波的检测p q 法有误 著，而d q 检测法却没有误差。下面介绍d q 检测法的原理。 k h 图1 - 4 为d q 检测法原理图。其中变换矩阵c 3 ：如式( 1 - 1 ) 所示 印后悖割 m ， c - l s i n ( r o t ) c o s ( r o t ) ：s i n 义( r 删o t ) ) ( 1 - 2 ) l 一 j 、， 第一章绪论 0 、0 、0 ，从电流i , o 、屯、t 。中减去电流基波正序分量得到谐波电流和基波 电流负序分量之和乙、乙。该方法只用到与电网电压同相位的正余弦信号， 畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压畸变的影响， 克服了p q 法受电压波形影响的不足。 如果对变换矩阵c 作简单的修改，就可以推广到检测基波电流负序分量， 也可以检测除零序电流以外的任意次谐波电流。利用这些谐波检测的组合可以检 测出任意次谐波( 零序谐波除外) 电流的组合。因此d q 检测法具有更好的灵活 性和更广泛的使用性。 p q 法和d q 法的基本思想都是通过坐标变换，把待检测次数的谐波通过转换 矩阵的运算，转变成同步旋转坐标系下的直流分量，其他分量转变成交流分量， 然后经过低能滤波器滤除其他成分，从而实现谐波检测的目的。 ( 3 ) d q 法的改进测量法 d q 法在某些应用场合中，存在检测误差。因而出现了一系列的基于d q 法的 改进型方法。文献【9 】提出了一种基于d q 理论的谐波闭环提取方法。可以降低检 测系统中各主要参数对系统计算的误差传递( 灵敏度) ，保证了检测精度，非常 适用于模拟谐波检测电路。文献【1 0 】提出一种用于谐波和无功准确检测的改进同步 坐标系法，通过对同步坐标变换矩阵进行修正，可以保证d q 旋转坐标系和电网 电压基波分量的同步，使在电网电压不对称时能准确检测基波有功和无功。 ( 4 ) 其他方法 还有其他的一些谐波检测方法，如基于神经网络谐波检测方法、基于数学形 态学的谐波检测方法，自适应波检测法，基于卡尔曼滤波器的谐波检测法，基于 小波变换的谐波测量法等。这些方法都有各自的优点，但却都具有运算量大、计 算复杂等缺点。目前大多仍然只是停留在实验室阶段，能否应用于工程实际，还 有待进一步的验证【1 1 】。随着数字信号处理器的快速发展，这些谐波检测方法走向 实用化。 另外，还有一些方法可以不必单独检测出谐波电流也可达到谐波补偿的目 的，文献【协3 j 从a p f 电流的双闭环控制角度出发，指出谐波及无功检测信号实 际为电容电压闭环系统中的一个前馈补偿信号，认为有源电力滤波器谐波及无功 电流检测的不必要性，并给出了仿真和实验验证。文献【1 3 , 1 4 】从控制维持a p f 直 s 浙江人学硕i ：学位论文 流侧电压不变来获得系统电流参考值，再减去实际电网电流获得误差信号，通过 不同的电流控制器进行a p f 主变流器驱动。采用这些方法，a p f 往往实现的是 全补偿，在中高压大容量系统中实现并不容易。 1 3混合型有源电力滤波器 1 3 1 传统的混合型有源电力滤波器 有源电力滤波器相比无源滤波器，具有巨大的技术优势，但同等容量的有源 电力滤波器的成本远高于无源滤波器，这在很大程度上限制了有源滤波器在工业 现场的实际应用。 通过采用多重化技术，变流器多电平技术【1 5 , 1 6 1 ，多模块并联化技术【1 6 】，固然 可以扩展纯有源电力滤波器的应用空间，但由此带来的额外成本和可靠性问题也 不容忽视。为降低有源滤波器的容量，提高补偿装置的性能，降低工程造价，2 0 世纪8 0 年代一些学者提出了混合型有源电力滤波器( h a p f ，h y b r i d a c i t v ep o w e r f i l t e r ) 的概念，并马上得到广泛的关注。混合型有源电力滤波器由电压型p w m 变流器和无源滤波器组组成，综合了无源滤波器和有源滤波器的优点，在谐波补 偿的可行性和经济性上具有极大的吸引力。 混合型有源电力滤波器的拓扑很多，文献【1 7 】共提出分析了1 4 种拓扑，包括 了针对电流源型负载和电压源型负载的7 种对偶的结构。混合型有源电力滤波器 的主要思想是通过在有源滤波器的基础上，接入无源滤波器组来分担一部分，甚 至于大部分补偿谐波和无功的任务。通过选择一定的串并联结构，还能有效降低 有源部分的电压和电流等级。混合有源电力滤波器在可行性和经济性上比纯有源 电力滤波器更具吸引力，尤其是在大功率应用场合。 混合型有源电力滤波器按照接有源支路接入电网的形式，仍可分为并联混合 型有源电力滤波器和串联混合型有源电力滤波器。 并联混合型有源电力滤波器在实际应用中，又分为有源滤波器( a p f ) 与无 源滤波器( p f ) 并联型，有源滤波器( a p f ) 与无源滤波器( p f ) 串联型，注入 回路方式。 6 第一章绪论 ( 1 ) a p f 与p f 并联型如图1 5 所示。l c 无源滤波器组一般由几组调谐于 5 次，7 次及高通滤波器组成，有时还包括11 次和1 3 次滤波器。主要的谐波由 l c 滤波器滤除，有源部分只用于处理l c 滤波器没有滤除的剩余少量谐波，所 需容量较小。这种装置的主要缺点是没有实现谐波的隔离，a p f 注入的谐波可能 会流入p f 或电网侧。 ( 2 ) a p f 与p f 串联型如图1 - 6 所示。该方式中，谐波和无功功率主要由 l c 滤波器补偿，而有源滤波器并不补偿谐波，而是相当于一个谐波隔离器。能 够改善滤波特性，并防止l c 滤波器与电网阻抗发生谐振。另外，这种方式中， 有源滤波器承受较小的基波电压，大幅降低了有源滤波器的容量。对这种拓扑的 研究主要集中于l c 滤波器的具体结构上，不同的l c 滤波器结构直接影响混合 补偿装置的性能。传统方法的采用多组无源滤波器组，包括5 ，7 次单调谐滤波 器和高通滤波器【8 j ，但结构较为复杂，采用一些改进型的无源滤波网络可以降低 复杂度，提高滤波性能【19 1 。 ( 3 ) 注入回路方式如图1 7 所示。这是为了降低有源部分容量而发展起来 的一种方式。以l c 谐振电路的不同可分为l c 并联谐振注入式和l c 串联谐振 注入式。两者的主要思想都是将l c 谐振电路调谐于基波频率，使其不承受基波 电压和( 或) 基波电流。l c 并联谐振注入式由于不能补偿无功，且有源部分需 要流过基波电流，研究的比较少。l c 串联谐振注入通过将l c 谐振电路调谐于 基波频率，可以使a p f 主变流器不承受基波电压和基波电流，还可以补偿无功， 对这种拓扑研究比较多【2 0 1 。 与并联混合型有源电力滤波器的拓扑形式相对偶，串联混合型有源电力滤波 器也有相应的三种分类。文献【1 7 】中有详细论述，由于结构对偶，在此不做一一陈 列。一种比较有优势的串联混合型有源电力滤波器中的拓扑如图1 8 所示川。这 种方式是在并联的负载和l c 滤波器与电网之间串入有源电力滤波器。有源支路 对基波电流和基波电压无影响，而只是增加电源支路的谐波阻抗。迫使负载电流 中的谐波电流尽量流入无源滤波器，从而改善无源滤波器的补偿效果；也可以阻 尼电网与无源滤波器之间的谐振，阻止电网中的谐波电压成分在低阻的无源支路 上产生过大的谐振电流，从而极大改善无源滤波器的性能。这种串联混合型滤波 器与图1 6 所示的并联混合型滤波器尽管形式略有不同，但在运行原理和滤波特 7 浙江人学硕：卜学位论文 性上非常相似【2 4 】，两种拓扑巾的有源滤波器都起到谐波隔离的作用。这两种混合 型电力滤波器能够非常有效的解决大功率整流装置的谐波问题，但由于必须加耦 合变压器和复杂的无源滤波器组，成本较高，工业应用受到限制。 图j 5a p f 与p f 并联型 图1 7 注入回路式 图i - 6 a p f 与p f 串联型 l - _ 一一一一j 图i 8 串联混合型a p f 1 3 2 无变压器的并联混合型有源电力滤波器 在工业应用领域，容量达到数百千瓦的交流传动系统为满足谐波标准的规 定，需要能够对谐波进行控制的输入级接口电路。但是，传统的中压p w m 整流 器的体积和重量却由于升降压变压器的存在而不能显著降低。近些年来，全控型 电力电子器件i g b t 的耐压等级已经由3 3 0 0 v 向6 5 0 0 v 提升，无变压器型的中 压交流调速系统已经逐渐成为可能。通常，在某些中压应用场合，如风机的调速 系统等，并不需要快速的动态响应和回馈制动，可以直接使用三相不控整流做前 级电路。在效率上和实用性上比p w m 整流器更具优势。但三相不控整流器会对 电网注入大量的谐波，如果能有一种成本低廉，体积小巧的有源滤波器与之相配 合使用，则十分有实用价值。而前述的中压应用的纯有源滤波器成本过高，混合 型有源滤波器因为含有过多的无源元件( 包括电容，电感，变压器) ，体积庞大， 第一章绪论 成本优势也不明显。 a k a g i 于2 0 0 3 年提出了一种无变压器的并联混合型有源电力滤波器 ( p h a p f ) 1 2 2 2 4 】。这利- 装置由七次调谐的l c 滤波器和有源滤波器串联后直接 连入电网，省去了耦合变压器。系统结构如图1 - 9 所示。有源滤波器的输出接七 次调谐的l c 无源滤波器。七次谐振电路对于基波而言，相当于一个大电容，实 际加在有源滤波器的基波电压非常小，降低了对变流器的全控性开关的耐压要 求，在某些场合中甚至可以选用低压m o s f e t ，有利于降低成本，提高效率。 另外，输出l c 滤波器能有效的滤除开关频率，比传统的混合式a p f 省掉一个开 关频率滤波器。 图1 9 无变压器的芹联混合型a p f 交流调速系统的输入级一般为二极管不控整流器或p w m 整流器。在很多场 合，交流调速电机不需要快速的响应和回馈制动，可以选用三相不控整流，而且 比p w m 整流器效率更高，价格更经济【7 1 。但是，三相不控整流器产生大量的谐 波，但谐波的成分和含量相对固定。上述的无变压器并联混合型a p f ，由于结构 简单，成本比传统的混合型a p f 得到很大的压缩；采用适当的控制策略，可以 得到比较理想的滤波效果；有源滤波部分实际承受电压低，因而装置可用于中压 系统。无变压器并联混合型a p f 与不控整流模块一起，构成的中压a c - - d c 变 换系统，非常适合作为交流调速系统的输入级，该系统功率因数高，谐波含量低， 成本与p w m 整流器输入比较也有竞争优势。本文着重对这种拓扑进行分析和研 究。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究无变压的并联混合型有源电力滤波器t l s p h a p f 9 浙江人学硕：l ：学位论文 ( t r a n s f o r m e r l e s s p a r a l l e lh y b r i da c i t v ep o w e rf i l t e r ) 的相关技术，在完成本文的 过程巾完成了一台1 0 k v a 的实验样机的制作和调试，完成了有关拓扑特点，工 作原理，参数设计，控制策略及样机硬件设计几方面的研究，具体为： ( 1 ) t l s p h a p f 的实用意义，工作原理。对其滤波特性，主要优点进行阐 述。 ( 2 ) 基于整流负载的谐波特性，对t l s - - p h a p f 的三个关键参数的设计进 行了详细的分析。包括负载交流侧接口电感值的选取，无源滤波器的选型和变流 器直流侧电容电压值的选取。 ( 3 ) 针对7 次调谐的无源滤波器对5 次谐波滤波能力较差的状况，认为单 独对五次谐波进行补偿是一种比较有效的方法。包括5 次谐波前馈补偿和5 次谐 波反馈补偿。 ( 4 ) 样机的硬件设计。无源滤波器的设计中对功率电感的准确整定是一个 比较困难的问题。本文提出一种基于半桥电路的功率电感测量方法，对无源滤波 器中电感元件的设计有很大帮助。设计了一台有源样机，包括参数选择、三维结 构设计，驱动保护电路设计，辅助电源设计。 1 5小结 针对当前国内外的谐波污染问题，有源滤波器是一种非常有应用前景的装 置。本章对有源滤波技术做了概述，主要包括电路拓扑的发展和谐波检测技术的 发展。引出了将无源滤波器和有源滤波器结合的谐波抑制方案一混合型有源滤波 器。对混合型有源滤波器的典型拓扑和当前的研究热点做了概述，指出混合型滤 波器中存在变压器所带来的弊病。此后，着重介绍了无变器的并联混合型有源电 力滤波器的研究意义，主要结构。最后，介绍了本文所做的主要工作。 l o 第二章t l s - p h a p f 的特性分析 第二章t l s p h a p f 的特性分析 本章介绍了无变压器并联混合型有源电力滤波器t l s p h a p f ( t r a n s f o r m e r l e s s p a r a l l e lh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 的基本结构和工作原理。并 在此基础上对其滤波特性进行研究。 2 1t l s p h a p f 的主电路结构 图2 1t l s p h a p f 主电路结构图 图2 1 为无变压器型t l s p h a p f ( t r a n s f o r m e r l e s s p a r a l l e lh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ) 的系统结构示意图。负载为三相六脉不控整流器。有源滤波器与一 个七次单调谐的无源滤波器串联，与整流负载并联接入电网。有源滤波支路产生 谐波电流f f 来补偿整流负载电流f ，中的谐波电流，以使电网侧电流乓达到正弦 化。七次调谐的无源滤波器组在七次谐波附近呈现低阻抗，而在变流器开关频率 处呈现高阻抗，从而不需要额外的开关纹波滤波器。负载交流侧串接阻抗乞。， 以防止短路故障电流和降低负载谐波电流变化率。 在主电路拓扑形式上，与传统p p f 与a p f 串联的并联混合型有源滤波器的 差别，在于变压器的有无和无源滤波器组的选择。 浙江人学硕i j 学位论文 2 2t l s p h a p f 的工作原理 t l s p h a p f 的工作原理与传统的a p f 与p f 串联的并联混合型a p f 相似， 图2 2 为t l s p h a p f 的单相等效电路图。图中，整流负载侧电流，等效为一个 基波电流源0 和一个谐波电流源么相并联，对应于负载电流0 和整流器向电网 注入的谐波电流也。有源滤波器等效为一个理想的电压源”。而电网电压u 。等 效为基波电压源和谐波电压z 相串联。l s 为t l s p h a p f 接入点的电网短路 阻抗。为滤波器支路提供的补偿电流。若采用常见的反馈控制，检测出电网电 流0 中的谐波成分，将其乘以一个增益k ，作为闭环基准电压，有： “；= k ( 2 - 1 ) 理想情况下，有源滤波器的输出应完全跟随参考量的变化，则有, c = 甜；， 则按( 2 1 ) 式的关系，并求解图2 2 所示的等效电路，可得： 蜘一。乙一( 0 一屯) 。乙一尺= 0( 2 2 ) 酞上 图2 - 2t l s p h a p f 的单相等效电路图 图2 3 所示为t l s p h a p f 的谐波等效电路。 1 2 ( a ) 图2 - 3t l s p h a p f 的谐波等效电路 ( a ) 谐波等效电路 ( b ) 对的等效电路( c ) 对的等效电路 ( c ) 第二章t l s p h a p f 的特性分析 谐波抑制的目的随不同应用场合而不同。但般分两方面：抑制负载严生的 谐波l 对电网的污染，即使电网侧谐波电流如大约为零；抑制电网谐波电压在 负载侧产生的谐波压降。下面从这两个方面对t l s - p h a p f 的工作原理作阐 述。 对图2 3 ( a ) 中的谐波等效电路，若只考虑屯的影响，则有= 0 ，此时由 式( 2 - 2 ) 可得到 驴赢乙( 2 - 3 ) 由上式可见，有源滤波器的接入相当于给主回路中串接了一阻抗k ，其等效 电路转化为图2 3 ( b ) 。则由此图可以得到负载侧谐波电压 一乙小一芳舞乙 ( 2 - 4 ) 若只考虑u 鼬，则有l 。= 0 ，此时由式( 2 2 ) 可得： 驴赢 ( 2 - 5 ) 此时等效电路如图2 3 ( c ) 所示，并可得 吣毒畚 ( 2 - 6 ) 综合式( 2 3 ) - ( 2 6 ) ，由叠加定理，有： 如2 去”丽1 ( 2 7 ) 一芳象”素表 p 8 ， 由( 2 7 ) 、( 2 8 ) 式，若令 爿( s ) b ( s ) c ( s ) d ( s ) l 弧fi 叭u 曲 k l 也曲 屯l 。 i k ；。 ( 2 9 ) 浙江人学硕j ：学位论文 则可将( 2 7 ) ( 2 8 ) 式写为 鼢黜c ( s 捌b ( s ) - 剀 p 。， 若考虑对电网侧谐波电流的抑制目的，f h 式( 2 7 ) ，希望a ( s ) 、b ( s ) 尽量小。 通过控制k 值的大小，便能够实现对系统的谐波补偿功能。 2 3t l s p h a p f 的滤波特性 由图2 - 3 ( b ) ，在p h a p f 中，有源滤波器的作用相当于一个阻抗k 。下面分 析不同k 值下的p h a p f 滤波特性。考虑极端情况： ( 1 ) 当k = o 时，也即只有无源滤波器起作用时。观察式( 2 7 ) ，可知a ( s ) 为 z 岛的减函数，乙的增函数；b ( s ) 为z 岛和z 朋的减函数。增大z 岛对减小彳( s ) 和 b ( s ) 都有作用，而z 朋则对彳( s ) 和b ( s ) 的单调性上出现矛盾，增人乙会使对负 载电流的滤波性能变差，减小乙又会使对电网谐波电压比较敏感。而z 岛为滤 波器接入点的回溯电网固有系统阻抗，其参数值会随环境和时间不断变化，测量 步骤较为繁琐【2 5 】；同时，人为增大乙又会使电网容量降低，影响输出能力。如 果电源阻抗很小( 1 z 刍i = o ) ，或无源滤波器没有调谐到负载所产生的谐波频率 ( i 乙i l z 岛1 ) ，则负载谐波电流将几乎全部注入电网。而当z 矗与z 厶在某特定 频率处发生并联谐振( 1 z 肪+ z 刍l o ) 时，负载谐波电流会被急剧放大，电网侧 的谐波电流含量非常高，负载侧的谐波电压也会非常大。 ( 2 ) 当k 专时，a ( s ) 一0 ，b ( s ) 一0 ，从而使 j 毛0 ( 2 - 1 1 ) 【 式( 2 1 1 ) 为p l 廿f 的理想滤波效果，电网侧的电流不含谐波。 ( 3 ) 当k ( 0 ，啕时，由式( 2 7 ) 可知，有源滤波器的接入相当于给主回路中 串接了一个谐波阻抗k 。若该阻抗对谐波呈现高阻抗，阻止负载谐波电流注入电 网，同时也减轻电网谐波电压在无源滤波器上产生的谐波电流。如果k i 乙i ， 则负载谐波电流全部流入无源滤波器。另外，阻抗k 还起到了阻尼z 岛与乙谐 振的作用。 1 4 i 蔫 参 f 图2 - 4 p h a p f 对负载电流帕滤波特性 ( a ) 纯无槔蝴女# ( k - 一o ) f b ) p h a p f ( 昏5 ) 图2 - 4 为p h a t f 对负载电流的滤波特性。图( a ) 为k = 0 ，即纯无源滤波器 时，在不同电网系统阻抗( z 。= 吐。，0 - - 6 ) r 的滤波特性。奉拓扑的无源 滤波器支路( 即注入回路) 选择为7 次调谐的l c 滤波器，就原因将往筇三章说 明。由圈可见，负载电流的滤波特性在七次谐波处( 约3 5 0 h z ) 显_ i 了显著的陷 波特性。陷波特性随z 。的增人而更加强烈。另外，在略低干七次谐波的频率处， 瓦j z 。发生r 并联谐振谐波电流被放人，放人的程度也随着电m 阻抗z 。的 增人而增人。与前文理论分析致。 图2 - 4 ( b ) 奠jp h a p f 的负载电流滤波特性，此时k = 5 。由图可见，刀入有源 滤波器厉，混合滤波支路对七次谐波的陷波特性更为强烈，屯的最小值明显 低于使用纯无源滤波器( k = 0 ) 时的情况。同时，由于阻抗k 的阻尼作用，抑 制了2 。与z 。的并联谐振，没有发生谐波放大现象。而且由于k ，z 。，混合型 a p f 的滤波性能主要由置值决定( 由式( 2 3 ) 也可看到这一点) ，所以电网阻抗z 。 对混合型有源滤波器的滤波性能影响已经很小。 j i 珍 h2 - 5p h a p f 对i u 刚带波o “m 姑波特性 a ) n k = 0 jf p i a i ，1 1f k5 ) 浙江人学硕，i ：学位论文 图2 5 为p h a p f 对电网谐波电压的滤波特性。图( a ) 为k = 0 ，即纯无源滤 波器时，在不同电网系统阻抗( z 铀= 此。，0 - - 6 ) 下的滤波特性。由图可见， 出现了明显的谐振现象。图2 - 4 ( b ) 为p h a p f 的负载电流滤波特性，此时k = 5 。 由图可见，加入有源滤波器后，由于阻抗k 的阻尼作用，抑制了z 厶与乙的串 联谐振。流入电网的谐波电流大大降低。 可见，t l s p h a p f 的工作原理，与采用检测电网侧电流控制方式的传统 p p f 与a p f 串联的并联混合型有源滤波器【m1 9 均e 常相似，与文献f 2 提出的串联 混合型有源滤波器的工作原理也几乎相同：有源滤波器a p f 都相当于一种谐波 隔离器的作用，迫使谐波流入无源滤波器，并能阻止电网系统阻抗与无源滤波器 的谐振。 2 4t l s p h a p f 的基波特性 图2 - 6t l s p h a p f 的基波等效电路图 在电网电压和电流中，基波成分提供大部分的负载能量，也是频谱中含量最 高的频谱成分。对t l s p h a p f 无源和有源装置容量的设计，器件装置耐压的耐 压等级，通流能力，首先要考虑的就是基波电压和基波电流的大小。本节对t l s p 乩心f 的基波特性进行分析。 图2 - 6 为t l s p h a p f 的基波等效电路。由于a p f 变流器被控制为一个谐波 阻抗，在基波处的阻抗为零，所以等效电路中可以忽略a p f 变流器。这样电网 电压直接加在电网阻抗z i 、无源滤波器阻抗毛和负载上，产生的负载基波电 流为l ，仍将其等效为电流源，则由基尔霍夫定律，可得 勺= 鬻 ( 2 - 1 2 ) 第二章t l s p h a p f 的特性分析 易= 鬻 f 2 - 1 3 ) 式中，勺和分别为电网电流和滤波器支路的电流的基波成分。本文选择 无源滤波器为l c 单调谐滤波器，假设调谐频率为疗倍的基波频率，即 7 ；：亍：q = n c 0 1 ( 2 - 1 4 ) 了露2 q 式甲，q 为基、汲角频翠，c o 为刀次谐波角频翠。则l c 滤波器的基波阻抗表 达式为 吲_ l 去叫f i - i 去”刊 p 如果甩 1 ，则z 0 呈现容性特征，以的值越大，l c 无源滤波支路的阻抗i i 也越大，有 l i m l z f ，r | - 去 ( 2 - 1 6 ) 当调谐于七次谐波时，i 毛 - - o 9 8 o 。c f ，对基波的阻抗已经非常犬，而由 于z 多的基波阻抗较小，则式( 2 - 1 3 ) 可退化为 毛等 ( 2 - ，7 ) 流经滤波器支路的基波电流完全由电网基波电压和滤波支路的基波阻抗决 帝 2 5 小结 本章首先介绍了无变压器的并联混合型有源电力滤波器的系统结构，该拓扑 结构简单，而且能够控制成本，体积和系统复杂度，十分有应用价值。其次，分 析了本拓扑的工作原理，给出了理论推导，为进一步设计和研究该拓扑提供依据。 最后，研究了本拓扑的滤波特性。研究了电网系统阻抗，无源滤波器阻抗，a p f 等效阻抗各自对滤波系统的滤波性能的影响。并得出结论，有源滤波器的引入有 效的提高了无源滤波器的滤波能力，并抑制了无源滤波器与电网的谐振。本章对 1 7 浙江大学硕十学位论文 t l s p h a p f 的基波特性进行了理论分析，为下文中一些关键系统参数的设计 打下基础。本章的研究表明，t l s p h a p f 主电路的工作原理与一般的谐波阻 抗隔离类混合有源滤波器拓扑比较相似。 1 8 第三章t l s p h a p f 的关键参数设计 第三章t l s p h a p f 关键参数设计 本章对无变压器并联混合型有源电力滤波器t l s p h a p f ( t r a n s f o r m e r l e s s p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 几个关键参数进行分析和设 计。包括负载交流侧串接阻抗，无源滤波器的拓扑及谐振频率，和滤波器直流侧 电压。要想对以上关键参数进行设计，首先需要明确负载的谐波分布，而本拓扑 旨在针对于中功率调速系统的不控整流的前级滤波应用，因此本章首先对三相不 控整流电路进行谐波分析。 3 1感容滤波的不控整流电路谐波分析 带滤波电容的整流电路广泛应用于直流电压供电的逆变，斩波等电路，已经 成为阻感负载以外重要的谐波源类型。纯滤波电容的整流电路，谐波畸变率- d 高，电流变化率大，具有电压型负载的特性。并联型滤波拓扑理论上并不能有效 的进行补偿。而对于感容滤波的不控整流电路，由于电感的存在，谐波畸变率 t - d 和电流变化率都要低得多。在图3 1 中，( a ) 是纯电容滤波整流电路，( b ) 是 直流侧串接阻抗的整流电路，( c ) 是交流侧串接阻抗的整流电路，( d ) 是( b ) 和( c ) 的 结合。 一 一l 一 一 一l 一一 一l ( b ) _ - 一l ( c )( d ) 图3 - 1 带滤波电容的三相桥式整流电路 由于作为直流电源负载的逆变或斩波电路稳态时所消耗的直流平均电流是 一定的，负载用电阻模型来代替。为电网f g 玉, ，分析中没有考虑电网阻抗， 1 9 浙江大学顾t ：学位论文 这在电网容量远远大于整流装置容量时不影响分析结果的准确性。针对图3 - 1 ( a ) 图3 1 ( d ) 所示的电路的谐波电流情况，文献【2 7 1 【3 0 1 进行了深入的研究，给出了精 确的解析式，但过程和结果都十分复杂。本节仅以仿真的方法进行研究，以助于 混合式有源滤波器整体参数的选择。仿真参数如表3 1 所示。 表3 1 不控整流负载电气参数 图3 1 ( a ) 是带滤波电容的三相整流电路最简单的一种形式。其电网侧电流 和频谱如图3 2 ( a ) 所示。由图可见，电网侧电流不连续，且具有很高的峰值和 d i d t ，与之相对应的，电流频谱也非常宽。计算表明，此时的电流畸变因数t h d 达到1 8 7 5 。过高的谐波电流含量，和丰富的电流频谱，对并联型有源滤波器 的容量和带宽的要求都非常苛刻，甚至是不现实的。 时间( 1 ) 图3 - 2 ( a ) 仅用滤波电容时的电网电流及频谱仿真波形 通常，为抑制滤波电容过大的冲击电流，有一种选择是在整流桥和滤波电容 之间接电抗器，这种方式在大功率的整流装置中经常用到，如图3 1 ( b ) 所示。 图3 2 ( b ) 为直流侧串联k = 2 m h 阻抗时的电网电流及频谱仿真波形。由 电流波形可见，在直流侧串联阻抗后，电网侧电流进入连续模式，峰值由1 0 0 a 降到了2 5 a ，电流的变化率幽西也得到了明显的降低，t h d 下降为4 4 6 9 。 由频谱图可见，相对于纯电容滤波方案，此时各个频率的谐波成分都受到大幅的 抑制，其中五次谐波含量由原来的9 5 2 8 下降为3 3 7 5 。 2 0 第三章t l s p h a p f 的关键参数设汁 图3 2 ( c ) 为交流侧串联k = 2 肌阻抗时的电网电流及频谱仿真波形。由 电流波形可见，在交流侧串联阻抗后，电网侧电流进入连续模式，峰值由1 0 0 a 降到了2 2 a ，电流的变化率吮西也得到了明显的降低，t h d 下降为3 7 1 4 。 由频谱图可见，相对于纯电容滤波方案，此时各个频率的谐波成分都受到大幅抑 制，其中五次谐波含量由原来的9 5 2 8 下降为3 4 2 8 。 窭 窖 j 雹 0 、 j 图3 - 2 ( b ) 直流侧串联阻抗时的电网电流及频谱仿真波形 图3 - 2 ( c ) 交流侧串联阻抗时的电网电流及频谱仿真波形 图3 1 ( d ) 所示的电路，同时在整流桥直流侧和交流侧串接阻抗，比单独使 用两种接法之一，可以达到更好的效