（电力电子与电力传动专业论文）一种实用并联型混合有源电力滤波器的研究.pdf

一一 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， 也不包含为获得金墼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。 一繇挥野撕瓤州饵细7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、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 金壁王业太 三l 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) 各嘶坪 签字日期，f 锄叼日 导师签名： 獭司 签字日期：沙p 年够月7 右 朴字 二 随着经济的快速发展、科技的不断创新，越来越多的电力电子装置投入使 用，随之而来的是日趋严重的谐波污染问题。有源滤波作为谐波治理的关键技 术在我国也已经得到开展，但是有源电力滤波器( a p f ) 的初期投资比较高，对变 流器容量的要求也很大，从而限制了其进一步应用与发展。将有源滤波器与无 源滤波器相结合所构成的混合有源滤波器( h a p f ) ，可有效地降低有源滤波器的 容量，更有利于工程应用。这也正是本文研究混合型有源滤波器的目的所在。 本文以a p f 和p f 的特性为基础，对h a p f 的建模、参数设计以及电网谐 波检测、系统控制策略等关键技术进行了详细的分析与研究，为h a p f 系统装 置的实现提供了理论基础和依据。 文章首先介绍了几种常见h a p f 的结构特点和工作原理。重点分析了一种 结构简单、实用性较强的拓扑，提出了其中无源部分和有源部分器件参数选取 的方法，并介绍开关管关断尖峰电压的抑制措施。 其次对基于瞬时无功功率的两种谐波检测方法进行了详细分析，突出讨论 了徊f q 方法在三相不对称负载中的应用问题。 文中的重点是对h a p f 的控制策略的研究。在电压源控制策略下对前馈控 制和反馈控制方式进行系统的分析和对比。仿真研究了控制参数k 在反馈控制 方式下对滤波性能的影响，并对其做了稳定性分析。为了实现h a p f 的电流无 稳态误差跟踪控制，本文将广义积分控制器引入电流补偿控制环节中，并通过 仿真对比，验证了在跟踪变化的周期信号时，它的稳态精度与动态响应速度都 比传统的p i 控制器具有优势。 最后构建了样机设计方案。在以t i 公司t m s 3 2 0 f 2 4 0 6d s p 为核心的数字 控制器的基础上，对样机的硬件和软件设计进行分析，实验结果表明了控制器 设计的正确性。 关键词：混合有源电力滤波器；参数设计；广义积分；控制策略；稳定性 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n dt e c h n o l o g yi n n o v a t i o n ，m o r ea n d m o r ee l e c t r i c a le q u i p m e n ta r ei nu s e t h ei n c r e a s i n g l ys e r i o u sp o w e rq u a l i t y p r o b l e m sa r ea sf o l l o w i n g a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a st h ek e yt e c h n o l o g yo f h a r m o n i cc o n t r o lh a sb e e nu s e di nc h i n a ，h o w e v e r , d u et ot h er e l a t i v e l yh i g hi n i t i a l i n v e s t m e n ta n dt h eg r e a tc a p a c i t yr e q u i r e m e n t so fa p f , i t sf u r t h e ra p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n th a sb e e nl i m i t e d c o m b i n a t i o no f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ef i l t e r c a nf o r mak i n do fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h ec a p a c i t yo fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n db em o r eu s e f u li ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s t h i si sw h yt h i sp a p e rr e s e a r c h e sh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p fa n dp f , t h i sp a p e rm a k e sa n a l y s i sa n d r e s e a r c hi nd e t a i lo fh a p fa b o u tm o d e l i n g ，p a r a m e t e rd e s i g n ，h a r m o n i cd e t e c t i o n ， s y s t e mc o n t r o ls t r a t e g ya n do t h e rk e yt e c h n o l o g i e s i tp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i s a n df o u n d a t i o nf o rr e a l i z i n gt h es y s t e mo fh a p f 。 f i r s t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e ss t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r i n c i p l eo f w o r ko f s o m ec o m m o nh a p f ，a n da n a l y z e das i m p l e ，p r a c t i c a lk i n d o ft o p o l o g yi m p o r t a n t l y i tg i v e st h ep a r a m e t e rs e l e c t i o nm e t h o d sa b o u tt h ep a r to fa p fa n dp fr e s p e c t i v e l y ， a n dd e s c r i b e st h es u p p r e s s i o nm e a s u r e so fv o l t a g es p i k ed u r i n gs w i t c h i n go f f s e c o n d l y , t h et w ok i n do f h a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do ni n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e ra r ea n a l y z e di nd e t a i l i ts i g n i f i c a n t l yd i s c u s s e st h ei p - i qm e t h o d w h i c hi su s e df o rd e a l i n gw i t ht h ep r o b l e m so ft h r e e p h a s ea s y m m e t r i cl o a d t h i r d l y , a n dt h em o s ti m p o r t a n t o fa l l ，t h e p a p e re m p h a s i z e st h ec o n t r o l s t r a t e g yo fh a p f u n d e rt h ep r e m i s eo ft h ev o l t a g es o u r c ec o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h i s p a p e ra n a l y z e s a n d c o m p a r e s f e e d - f o r w a r dc o n t r o la n df e e d b a c kc o n t r o l s y s t e m a t i c a l l y i t r e s e a r c h e st h a tt h ec o n t r o l p a r a m e t e r s ki n f l u e n c e st h e p e r f o r m a n c eo ff i l t e rb ys i m u l a t i o nu n d e rt h ef e e d b a c kc o n t r o l ，a n di t ss t a b i l i t y a n a l y s i sh a sb e e nd o n e i no r d e rt or e a l i z en os t e a d ys t a t ee r r o rt r a c k i n gc o n t r o l a b o u tc u r r e n to fh a p f t h eg e n e r a l i z e di n t e g r a lc o n t r o l l e ri sa p p l i e dt ot h ec u r r e n t c o m p e n s a t i o nc o n t r o ll i n k ，i ti ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp ic o n t r o l l e ra tt h ep o i n t o fs t e a d y - s t a t ea c c u r a c ya n dd y n a m i cr e s p o n s ew h e nt r a c k i n gp e r i o d i cc h a n g e s i g n a l s ，t h a ti sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n i i - f i n a l l y ，t h ep a p e rc o n s t r u c t s ap r o t o t y p ed e s i g n i ts t u d i e sh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no ft h i sp r o t o t y p eo nt h eb a s i so fu s i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 6d s p f o rt h e d i g i t a lc o n t r o l l e rc o r ew h i c hi sm a d e i nt ic o m p a n y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ec o n t r o l l e rd e s i g ni sc o r r e c t 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 ； c o n t r o ls t r a t e g y ；s t a b i l i z a t i o n p a r a m e t e rd e s i g n ；g e n e r a l i z e di n t e g r a l ； i i i 致谢 本文的完成意味着我在合工大三年的研究生学习生活即将结束。回首既往， 在这段时间里，我在学习上和思想上都受益颇深。这除了自身的努力外，与各 位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 首先要深深的感谢我的导师张国荣老师。无论在学习上，还是在生活上张 老师都给予了悉心的指导和亲切的关怀。本文是在张老师的亲身指导下完成的， 导师渊博的知识、深厚的学术造诣、严谨求实的治学态度和勇于开拓的科学精 神，都给我留下了深刻的印象，令我受益匪浅。在此，谨向导师张国荣老师致 以深深的敬意。 我还要非常感谢苏建徽老师和茆美琴老师，在能源所的三年里，苏老师的 博学与丰富的实践经验让我敬佩不已，同时茆老师在理论和仿真中也给了我很 大的指导和帮助。 感谢陈林老师在样机调试和软件算法上给予的帮助，同时还要感谢杜雪芳、 张健等所有能源所的老师给予的热心支持和帮助，在此对他们致以诚挚的谢意。 此外还要感谢与我同课题组的陈鹏、李宗钧、宋刚、刘元岗同学在课题研 究和实验调试中给予我的帮助。同时还要感谢与我同届的所有0 8 级同学，三年 的同窗之谊，令我终身难忘。 感谢0 9 级的陈云飞等同学在仿真和样机调试中给予的帮助。 最后，谨以此文向对我学业倾力支持的父母和亲人以及所有关心、帮助、 支持过我的人们表达最诚挚和深切的谢意。 作者：郑群 2 0 11 年3 月1 5 日 目录 第一章绪论1 1 1 课题的背景1 1 1 1 谐波的产生l 1 1 2 谐波的危害及其治理2 1 2 混合有源电力滤波器技术研究3 1 2 1 有源电力滤波器的现状和发展3 1 2 2 混合有源电力滤波器的研究意义4 1 3 本文的主要内容4 第二章混合型有源电力滤波器的结构和参数设计6 2 1 几种混合有源电力滤波器的比较6 2 1 1 并联a p f 和并联p f 混合型6 2 1 2 注入式混合型一6 2 1 3a p f 和p f 串联后并入电网混合型7 2 1 4 无耦合变压器混合型8 2 2 主电路各部分设计一9 2 2 1 无源滤波器的设计9 2 2 2 有源滤波器的设计1 1 2 3 本章小结1 6 第三章混合型有源滤波器的谐波检测和控制方法1 7 3 1 谐波检测方法的研究1 7 3 1 1 瞬时无功功率理论1 7 3 1 2 基于三相瞬时无功理论的谐波检测方法2 0 3 2 谐波电流补偿控制方法的研究2 3 3 2 1 两种常见的电流补偿控制技术2 4 3 2 2 广义积分迭代控制技术2 5 3 3 直流侧电容的稳压控制2 8 3 4 本章小结2 9 第四章混合型有源滤波器控制策略的研究3 0 4 1 电压源控制策略的研究3 0 4 1 1 电压源反馈控制方式一3 0 4 1 2 电压源前馈控制方式3 l 4 2 电压源控制策略在闭环控制方式下稳定性的分析3 2 4 2 1 延时环节和惯性环节3 2 4 2 2 系统稳定性分析3 3 4 2 3 影响系统稳定性的两个因素一3 4 4 2 4 系统稳定性的仿真分析3 6 4 2 5 广义积分在h a p f 中的运用研究3 7 4 3 本章小结3 9 第五章基于d s p 的并联混合型有源滤波器的样机实现4 0 5 1 并联混合型有源滤波器的系统结构一4 0 5 2 基于d s p 的数字化控制器4 0 5 3 控制系统的硬件设计一4 1 5 3 1 控制系统辅助电源设计4 2 5 3 2 驱动电路设计4 2 5 3 3 采样调理电路设计一4 3 5 3 4i o 接口电路设计4 5 5 3 5 硬件保护电路设计4 6 5 4 控制系统的软件设计一4 6 5 4 1 主程序设计4 6 5 4 2 定时器中断程序设计一4 7 5 4 3c a p 中断程序设计4 7 5 4 4a d 中断程序设计4 8 5 4 5 指令电流计算与发波控制程序设计4 9 5 5 实验结果及分析5 l 5 6 本章小结5 1 第六章结论与展望5 2 6 1 工作总结5 2 6 2 展望5 3 参考文献5 4 作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 8 插图清单 图2 1 并联a p f 和并联p f 型混合有源电力滤波器6 图2 2 串联谐振注入式混合有源电力滤波器6 图2 3 并联谐振注入式混合有源电力滤波器7 图2 4a p f 和p f 串联后并入电网混合有源电力滤波器7 图2 5 无耦合变压器的混合有源电力滤波器原理图8 图2 - 6 无耦合变压器型混合有源电力滤波器主电路结构图8 图2 7 混合有源滤波器补偿前后的单相等效电路9 图2 87 次单调谐阻抗频率响应图1 0 图2 - 9 负载谐波电流图1 2 图2 1 0r c d 缓冲电路结构图1 3 图2 - 1 1 无耦合变压器型混合有源电力滤波器等效电路图1 4 图2 - 1 2 开关模式矢量图：1 5 图3 - 1p - q 理论中的a 口坐标系和a b c 坐标系1 8 图3 2p - q 检测算法原理框图2 0 图3 - 3f p - f q 检测算法原理框图2 1 图3 - 4 有源滤波器控制系统的结构框图2 4 图3 - 5 三角波比较控制原理一2 4 图3 - 6 滞环控制原理2 4 图3 7 常规原理p i 和广义积分控制器一2 5 图3 8 基于广义积分控制器的控制框图2 8 图4 - 1h a p f 反馈控制下谐波作用的单相等效电路( 1 ) 3 0 图4 - 2h a p f 反馈控制下谐波作用的单相等效电路( 2 ) 3 0 图4 3h a p f 反馈控制下谐波作用的单相等效电路( 3 ) 3 0 图4 4h a p f 前馈控制下谐波作用的单相等效电路( 1 ) 3 l 图4 5h a p f 前馈控制下谐波作用的单相等效电路( 2 ) 3 2 图4 6 混合有源电力滤波器控制框图3 3 图4 - 7 控制系统的开环波特图一3 5 图4 8 补偿前的电网侧电流仿真波形3 6 图4 - 9 固定系统延时时间，不同凰时的电流仿真波形3 6 图4 1 0z - - 0 0 5 m s ，l 。= o 1 m h ，凰= 7 5 时的电网侧电流波形3 7 图4 1 l 固定电网侧电感，不同凰时的电流仿真波形3 7 图4 1 2 传统p i 控制器的系统响应曲线图3 8 图4 1 3 广义积分控制器的系统响应曲线图3 9 4 0 4 1 图5 3 辅助电源电路设计4 2 图5 4m 5 7 9 6 2 l 驱动及其外围电路4 3 图5 5 电流采样调理电路4 4 图5 - 6 电网电压采样调理电路4 4 图5 7 电网电压捕获电路4 5 图5 8 直流侧电压采样4 5 图5 - 9i o 接口电路4 6 图5 1 0 主程序流程图4 7 图5 1 1 定时器中断程序流程图4 7 图5 1 2c a p 中断程序流程图4 8 图5 1 3a d 中断程序流程图一4 8 图5 1 4 指令电流计算流程图4 9 图5 1 5 数字平均值滤波流程图5 0 图5 1 6 广义积分控制流程图5 0 图5 1 7 谐波补偿实验波形5 1 表格清单 表4 1 混合有源滤波器特征方程的r o u t h 表3 4 表5 1h a p f 样机各部分参数5 1 第一章绪论 本章首先总结了谐波的危害和谐波治理的一些方法，介绍了混合有源电力 滤波器的现状和发展情况，最后指出本文的主要任务和内容。 1 1 课题的背景 随着社会的发展与科技的进步，许多精密负载的运用对电能质量的要求越 来越高。同时，伴随着这些精密负载的增加使得电力电子器件和变压器的应用 相应随之增加，而这些非线性负载是重要的谐波源，给电能质量带来严重的污 染，给社会生产、生活带来危害【l 4 】。因此，电能质量的综合治理问题亟待解决， 已成为近年来社会关注的热点之一。 1 1 1 谐波的产生 谐波产生的根本原因是非线性负载所致，由于市电电压是正弦波，加在非 线性负载上，使得电流与电压不成线性关系，而不再是正弦波，从而产生谐波。 定义谐波的频率是基波频率的整数次倍。 谐波的产生主要有以下三方面原因 5 - 7 j ： ( 1 ) 公用电网电源质量不高直接造成谐波的产生 由于发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称，并且磁极磁场不可能完 全是按正弦规律分布，产生的感应电动势也就不是正弦波，含有一定量的谐波。 这种谐波电动势的幅值和频率不受负载的影响，只与发电机本身的结构和材料 相关。 ( 2 ) 输配电过程产生谐波 主要是由电力变压器进行电力变换时，励磁回路的非线性引起的谐波电流。 变压器铁芯的磁通是正弦变化的，由于磁化曲线的非线性，产生的励磁电流从 而变成了非正弦。励磁电流谐波含量的多少是和铁芯的饱和程度直接相关的。 当铁芯所加的电压为额定电压时，铁芯工作在线性范围内，有很少的谐波电流， 当轻载时，所加的电压升高，铁芯工作在饱和区，谐波电流含量升高，铁芯的 饱和程度越高，变压器工作点就会偏离越远，就会产生更多的谐波电流。 ( 3 ) 电子负载设备运行时产生谐波 特别是电力电子装置运行时，多采用相控方式，由于开关器件的通断，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， 含有大量的谐波。另外电弧炉、电石炉等设备加热原料时，电炉的三相电极很 难平衡使得燃烧不稳定，造成三相负荷不平衡，产生谐波电流。荧光灯、高压 钠灯等气体放电类电光源，分析其伏安特性，可知其非线性十分严重，有的甚 至还含有负的伏安特性，它们会给电网引入奇次谐波电流。 1 1 2 谐波的危害及其治理 大量的谐波电流和谐波电压对电网电能质量造成了严重污染，对用电设备 和周围环境也带来了不利的影响。具体有以下几个方面的危害： ( 1 ) 对供配电线路的危害 供配电线路和电力变压器是通过电磁继电器来进行检测和保护的，它们容 易受到电网谐波的干扰影响，产生误动作和拒动作；大量的谐波会使电网电压 和电网电流产生畸变，降低电网电压，浪费电网容量，从而影响电网电能质量。 ( 2 ) 对电力设备的危害 当线路中有谐波时，会使电力电容器的端电压和电流迅速升高，功率增大， 造成电容器异常发热，加速绝缘介质老化，谐波严重时，甚至会使电力电容器 击穿和爆炸；谐波会使电力变压器的铜耗和铁耗增大，浪费变压器容量，并且 当3 次谐波电流流入三角形连接的变压器中时，会在绕组中形成环流，使绕组 发热甚至发生火灾。 ( 3 ) 对用电设备的危害 谐波会增加电动机的附加损耗，从而降低其效率，特别是当负序谐波在发 电机中形成逆向磁场，产生逆向力矩，起到制动作用；谐波会使低压电磁断路 器和接触器产生误动作；对其他弱电系统设备会形成一定的干扰。 ( 4 ) 对人体的危害 电网谐波的电磁辐射会影响人体的脑磁场和心磁场。 ( 5 ) 影响电力测量的准确性 由于目前我们所用的电力测量仪表都是在电压电流无畸变的条件下整定 的，当线路中存在谐波时，会对测量仪表带来一定程度的误差。 ( 6 ) 对邻近的通讯系统产生干扰影响 大量的谐波会降低通讯质量，甚至会使信息丢失，无法正常工作。 面对谐波的巨大危害，抑制谐波的措施可从以下两个方面着手。一是主动 治理，对谐波源( 特别是电力电子装置) 的拓扑结构和控制策略加以改进，使 其理论上不产生谐波，或尽可能的降低其谐波含量并且具备较高功率因数。二 是被动治理，外加滤波器，阻碍谐波注入电网，从而起到对谐波源产生的谐波 进行补偿的效果。 主动治理针对性强，但是通用性不高。具体采取的措施有【弘9 】： ( 1 ) 多重化技术。为了让减少矩形波中含有的谐波，将多个变流器联合起 来使用，利用多重化技术可以使矩形波接近正弦波。 ( 2 ) p w m 技术。采用脉宽调制技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅值 较小，波形接近正弦波，但此方法只适用于自关断器件构成的交流器。 ( 3 ) 高功率因数变流器的使用。通过采用具有高功率因素和低谐波含量的 变流器，如矩阵式变频器、四象限变流器等，可以明显提高系统的传输功率和 谐波抑制能力。 被动治理是研究如何治理已经存在于电网中的谐波，具有很好的通用性。 主要有以下三种措施： ( 1 ) 采用无源滤波器( p f ) 。无源滤波器由于简单方便、成本低、易于维护， 还可补偿无功是目前用于谐波治理最广泛的措施。它是利用电感和电容谐振特 性，在特定频率的谐波下表现低阻抗，从而对谐波进行分流。 ( 2 ) 采用有源电力滤波器( a p f ) 。有源电力滤波器是通过检测补偿对象的谐 波电压和电流，通过一个补偿装置发出等量反相的谐波电压和电流，进行抵消， 从而消除电网侧谐波。 ( 3 ) 混合有源电力滤波器( h a p f ) 。混合有源电力滤波器是将p f 和a p f 结合 使用，利用无源滤波器来处理大部分谐波，有源部分来改善无源的补偿效果和 动态性能。h a p f 能够充分发挥a p f 和p f 各自的优点，具有较高性价比。 1 2 混合有源电力滤波器技术研究 1 2 1 有源电力滤波器的现状和发展 1 9 7 1 年，日本学者h s a s a k a i 首先提出了有源电力滤波器的概念和基本原 理，但是由于是采用的是线性放大的原理来产生谐波，效果不理想，损耗大且 成本高。19 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成的 p w m 逆变器来构成有源电力滤波器。由于当时半导体器件研制水平较低以及控 制策略落后的限制，对a p f 的研究一直处于试验的阶段。直到1 9 8 3 年，日本学 者h a k a g i 提出了“瞬时无功理论 【1 0 - l ，而此时的电力电子半导体水平和数 字信号处理技术也有了飞速的发展，使得有源电力滤波器研究和应用不再受限 于实验室，而广泛应用于工业和民用设备。1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了将并 联有源滤波器和并联无源滤波器结合起来的装置构成混合有源电力滤波器的方 案，可以大大降低有源滤波器的容量。1 9 9 4 年，h a k a g i 等人又提出了一种综合 了并联有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的综合滤波系统( u p q c ) 【1 2 j3 1 ，可 以在消除用户对电网的谐波污染的同时，保证用户得到可靠的正弦供电电压。 目前在日本、德国、美国等发达国家，有源滤波技术已经比较成熟【1 4 五3 1 。这些 国家已经将有源电力滤波器作为治理谐波、改善电能质量的关键技术，对其进 行大量的财政和技术投入。 我国有源滤波方面起步比较晚，1 9 8 9 年才有相关研究的文章，1 9 9 3 年才有 试验性的工业应用实验。国内的研究基本处在理论及实验室阶段【2 4 艺引。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，对谐波和无功电流的实时检测方法进行了研究， 以瞬时功率理论为基础提出了p g 和f 。一i o 谐波检测算法，并采用多重化技术研 制出了1 2 0 k v a 并联型有源滤波器的试验样机【3 0 - 3 6 1 。清华大学的朱东起【3 7 38 1 、 浙江大学的钱照明 3 9 - 4 0 】等也对a p f 展开了深入的理论和实验研究。华中科技大 学的陈乔夫提出了基于基波磁通补偿的串联有源电力滤波器模型。北交大王良 博士于1 9 9 1 年研制出3 k v a 的有源无功和谐波综合补偿器实验装置。另外，冶 金自动化研究院、华北电力科学研究院、重庆大学、合肥工业大学【4 l j 都做了许 多的研究工作。 1 2 2 混合有源电力滤波器的研究意义 无源滤波器具有结构简单、初期投资小，运行效率高等优点，但只能消除 特定次数的谐波，且它的滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，对于谐波次数 经常变化的负载滤波效果并不好。还可能与系统端产生串并联谐振，导致谐波 放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。单一的使用有源电力滤波器虽然具有动态 跟踪效果好、谐波抑制频谱宽的性能，但对变流器容量的要求较高，这一问题 在需要进行高压大容量谐波治理的场合就更加突出。因此能够结合a p f 和p f 的优点，具有较高性价比的混合型有源电力滤波器就成为高压大容量条件下谐 波补偿的一种很有吸引力的选择【4 2 4 3 1 。国外发达国家混合有源电力滤波器也有 很多的运用 4 4 - 4 5 】，用于谐波补偿的a p f 容量一般在1 0 k v a 一2 m v a ，而在2 0 0 0 年，日本y a m a n a s h i 磁浮线所采用的h a p f 的容量达到了3 0 m v a 。我国的混 合有源滤波器也仍然处在起步研究阶段【4 引，以高校科研为主，工程产品化很 少，这与我国现在日益严重的谐波污染现状很不适应，相信随着科学技术的发 展和国内对谐波问题和电能质量问题的不断重视，有源滤波器特别是混合有源 滤波器将会有很广阔的发展和应用前景。 1 3 本文的主要内容 针对目前我国有源滤波以及混合有源滤波技术不太成熟和完善，无法进行 大量产业化的现状，本文旨在研究并联混合有源滤波器的相关先进技术；促进 并联混合有源滤波器的现场应用。本文主要内容可分为以下几个部分： ( 1 ) 对比各种不同拓扑结构的混合型有源滤波器，对它们工作原理和所具 有的特点进行分析；提出一种结构简单、实用性强的拓扑，并且结合实际情况 对该结构的主电路各部分的参数设计进行讨论。 ( 2 ) 对基于瞬时无功理论的两种谐波检测算法作了比较，并分析f p 如算法 在三相不平衡负载中的应用，本文又对混合有源滤波器的控制方法进行研究， 将广义积分控制技术引入h a p f 中，介绍它控制原理和迭代算法，并通过仿真 对比分析广义积分控制和传统p i 控制在动态响应速度和稳态精度上的优劣。 ( 3 ) 在电压源控制策略的前提下，对反馈控制和前馈控制的优缺点进行讨 论，通过仿真分析反馈控制下电网阻抗和系统延迟时间对整个系统的稳定性的 ，分析控制系统各部分 效果和理论方法的正确 第二章混合型有源电力滤波器的结构和参数设计 ，2 1 几种混合有源电力滤波器的比较 交流并联混合有源电力滤波器根据有源滤波器和无源滤波器的混合连接方 式不同可分为并联a p f 和并联p f 混合型、注入式混合型、a p f 和p f 串联后 并入电网混合型。 2 1 1 并联a p f 和并联p f 混合型 n o n l i n e a r l o a d 图2 1 并联a p f 和并联p f 型混合有源电力滤波器 这种混合有源电力滤波器的拓扑结构是m t a k e d a 在1 9 8 7 年提出的，如图 2 1 所示，a p f 和p f 均与谐波源并联挂入电网。它的工作原理是：p f 由多组 单调谐滤波器和高通滤波器组成，来滤除谐波源产生的大部分谐波，如相对含 量较多的5 次，7 次等特定次谐波以及开关频率附近谐波。而有源滤波器只需 补偿无源滤波器未能补偿的谐波，因而容量不需太大。但是这种混合装置存在 不可避免的缺点，根据结构可以看出a p f 和p f 存在谐波通道，可能使a p f 注 入的谐波又流入p f 及系统；同时a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受着 全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。所以这种结构比较适合于低压 且需a p f 和p f 分段抑制谐波的场合，如a p f 抑制低频段谐波，p f 用来抑制 高频段谐波。 2 1 2 注入式混合型 n o n l i n e a r l o a d 组 图2 2 串联谐振注入式混合有源电力滤波器 n o n l i n e a r l o a d 图2 3 并联谐振注入式混合有源电力滤波器 注入式混合有源滤波器是用电感和电容构成注入回路，当电路中的电感和 电容发生谐振时，会使得a p f 承受较小的基波电压，减少其容量。由于谐振特 性的不同，注入式混合有源滤波器可以根据谐振方式的不同分为串联谐振注入 式电路和并联谐振注入式电路，分别如图2 2 和2 3 所示。串联谐振式注入式 电路中的无源滤波器组用来滤除特征次谐波。三l 和c l 在基波频率处产生串联谐 振，从而使a p f 部分不承担基波电压，基波电压大部分落在c o 上；而对于高 于基波频率的谐波分量，三l 和c l 的阻抗很大，a p f 产生的谐波电流大部分流 向电网。并联谐振注入式电路中的三l 和c l 在基波频率处产生并联谐振，基波 阻抗很大，基波电压基本加在无源部分；而对于高于基波频率的谐波分量，三l 和c l 的阻抗较小，并且远小于支路另一电感工2 的阻抗，从而使a p f 产生的谐 波电流大部分流向电网。比较串联谐振注入式和并联谐振注入式可以看出串联 谐振注入式可以通过支路端电容c g 来补偿无功功率，而由于并联谐振注入式 基波阻抗很大，基波电流很小，无法补偿无功功率。 2 1 3a p f 和p f 串联后并入电网混合型 一 一风 一k1 。n i - 一_ _ 一、，_ j 以k 哇哇 r 4 无源溏 n o n l i n e a r l o a d 波器组 图2 4 a p f 和p f 串联后并入电网混合有源电力滤波器 这种混合有源滤波器的拓扑结构是h f u j i t a 和h a k a g i 在1 9 9 0 年提出的，如 图2 4 所示。其中无源滤波器组是由5 次、7 次单调谐和高通滤波器支路组成的； a p f 是电流控制的电压源，产生与谐波电流分量成一定比例的电压。电网谐波 主要是依靠无源滤波器组进行补偿，a p f 的作用是改善p f 的补偿性能，抑制无 源滤波器补偿谐波时与电网阻抗产生谐振的可能。p f 的基波阻抗相对a p f 的基 波阻抗较大，这就使得a p f 承受较小的基波电压。低通滤波器o c 0 作为输出滤 波电路是用来滤除开关器件通断时的高频毛刺的。隔离变压器的作用一是用来 电气隔离有源滤波器和无源滤波器；二是通过合理的选择变压器的变比来匹配 无源滤波器的电压，减少有源滤波器的容量。 2 1 4 无耦合变压器混合型 竹 r一风 玉 l a p f 卉 n o n l i n e a r l o a d 图2 - 5 无耦合交压器的混合有源电力滤波器原理图 本研究提出的无耦合变压器型混合有源电力滤波器拓扑如图2 5 所示，无源 部分是一个7 次单调谐电路，对基波和高频谐波处阻抗都很大，这就不仅使a p f 承受较小的基波电压，另外还可以阻断a p f 开关频率处谐波流入电网，因此可 省略a p f 输出滤波器。而且这种特殊的电路结构由于不需要耦合变压器，使得 电路结构更紧凑，价格更便宜，节约了成本，是一种比较有发展前景的拓扑。 非线性负载中的谐波分量以5 次和7 次为主，之所以选择的是7 次单调谐而不 是5 次，从经济性和滤波效果方面来看都具有优越性，原因有： ( 1 ) 两个无源滤波器如果采用相同的滤波电感f ，要得到谐振效果，7 次单 调谐的滤波电容更便宜，体积更小点。 ( 2 ) 7 次单调谐对应于1 1 次和1 3 次谐波分量的阻抗比5 次单调谐所对应的要 小，也就是说7 次单调谐对其他谐波分量的滤除效果更好。 n o n l i n e a r 3 8 0 y 5 0 h zl o a d 图2 - 6 无耦合变压器型混合有源电力滤波器主电路结构图 2 2 主电路各部分设计 如图2 6 所示，无耦合变压器型混合有源电力滤波器是有无源滤波器即7 次单调谐、电压型逆变器及其缓冲电路和直流侧电容组成。现就这些部分的设 计分别进行讨论。 2 2 1 无源滤波器的设计 2 2 1 1 无源滤波器对有源部分容量的影响 混合有源滤波器补偿前后的单相等效电路如图2 7 所示， 现根据h a p f 理想状态下的补偿情况，做出几点假设： ( 1 ) 电网电压为2 2 0 v ，5 0 h z 的正弦波，恒定无畸变； ( 2 ) 非线性负载电路等效于一个谐波电流源； ( 3 ) 基波电流在电网阻抗上的压降可以忽略不计； ( 4 ) 在投入h a p f 之后，基波电压全由无源滤波器分担， h a p f 吸收补偿。 ( a ) h a p f 补偿前的等效电路 为了便于分析， 谐波电流完全被 n o n l i n c a l l o a d n o n l i n e a r l o a d ( b ) h a p f 补