（电力电子与电力传动专业论文）双桥单周期控制有源滤波器.pdf

华南理r 大学上学颀士学位论文 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 fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ew i d e u s eo fn o n l i n e a rl o a d s ，h a r m o n i c si np o w e rn e t w o r kb e c o m ei n c r e a s i n g l y s e r i o u s h a r m o n i c sish a r m f u lt ob o t hp o w e rn e t w o r ka n dt h eo t h e re l e c t r i c a l e q u i p m e n t s i ti s a nu r g e n tt a s kt os o l v et h eh a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e m p a s s i v ef i l t e r ( p f ) c a nr e d u c eh a r m o n i cp o l l u t i o ni ns o m ed e g r e e ，b u ti ti s l i m i t e db ys h o r t a g e ss u c ha sh u g eb u l k ，f i x e df u n c t i o na n de a s yt or e s o n a n t w i t ht h es y s t e m s i n c eg l o b a le c o n o m yb e c o m ei n t e g r a t i v e ，t h ed e m a n df o r i m p r o v e dp o w e rq u a l i t y isi n c r e a s i n g ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) e m e r g ea s t h et i m e sr e q u i r e ，a n di t i s d e v e l o p e dr a p i d l ya n dr e g a r d e d a so n eo fm o s t e f f e c t i v em e t h o d si nh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rp r o b l e m ， t h e r ea r em a n yc o n t r o lm e t h o d so fa p f t h eo n e c y c l ec o n t r o l l e da p fi s s t u d i e dw i d e l yb e c a u s eo fn e e d l e s so fr e f e r e n c es i g n a l ，g o o dp e r f o r m a n c ei n d y n a m i ct r a c k i n ga b i l i t y ，s i m p l i c i t yi nc o n t r o l ，e t c t h ed cc o m p o n e n to fa c c u r r e n ta n dl o c a l s t a b i l i t yp r o b l e m s a r ee x i s t e di nt h e c l a s s i c o n e c y c l e c o n t r o l l e da p f ，w h i c hr e s t r i c t e di t s a p p l i c a t i o n t h eo n e - c y c l ec o n t r o l l e d a p fw i t hd o u b l e b r i d g eh a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r ，w h i c hs o l v e st h e p r o b l e m sm e n t i o n e db e f o r ea n dh a sa b e t t e re f f e c ti nf i l t e r i n g f o l l o w i n gi sm a i nw o r ko ft h i sp a p e r ： 1 i n t r o d u c e dt h ep r o d u c i n ga n di n f l u e n c eo fh a r m o n i csa n dr e a c t i v e p o w e rp r o b l e m si np o w e rn e t w o r k ，a n dt h ea c t u a l i t yo fp fa n da p f 2 ，d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no fa p fi nd e t a i l s 3 d is c u ss e dt h ep r i n c i p l ea n dc o n f i g u r a t i o no fo n e c y c l ec o n t r o l l e da p f ， a n dp r o b l e m so fi t ，a n ds o m ee x i s t i n gi m p r o v e m e n t s 4 g e n e r a l l yd i s s e r t a t e dt h eb a s i ci d e aa n di m p l e m e n ts c h e m e so ft h e o n e c y c l ec o n t r o l l e da p fw i t hd o u b l e b r i d g e ，a n da na n a l y s i si nc o m p a r i s o n b e t w e e nd o u b l e b r i d g eo u t s i d ea n dd o u b l e b r i d g ei n s i d e 5 s i m u l a t i o n0 ft h eo n e c y c l ec o n t r o l l e da p fw i t hd o u b l e b r i d g ec a r r i e d i ns i m u l i n k ，t h er es u l t si m p r o v e dt h a tt h en o v e la p fh a ss o l v e dp r o b l e m s i nt h ec l a s s i co n e c y c l ec o n t r o l l e da p f 6 e x p e r i m e n t a lc i r c u i tw a sb u i l tt ov e r i f i e de f f e c t i v eo ft h eo n e c y c l e c o n f r o l l e da p fw i t hd o u b l e - b r i d g e a b s t r a c t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a t ，t h e o n e c y c l e c o n t r o l l e da p fw i t h d o u b l e b r i d g e h a so v e r c o m ed e f e c t so ft h ec l a s s i c o n e c y c l e c o n t r o l l e da p fa st h ev i r t u e sa r er e s e r v e d t h e o n e - c y c l e c o n t r o l l e da p fw i t hd o u b l e - b r i d g es h o u l db ee x t e n d e d k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ，o n e c y c l ec o n t r o l ，d o u b l e b r i d g e ，u n i f i e d c o n s t a n t - f r e q u e n c yc o n t r 0 1 i i 华南理工大学 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已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。 作者签名： 窘钲 日期：伤年占月2 移日 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。本人授权华南理工大学盯j 以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行榆索，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。 保密口，丘年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：拿锑仁 导师签名：臻甬j 崩 ，南 0 1 日期：动。j 年石月2 9 日 日期：h ! 年乡月) 乎同 第一章绪论 1 1 电能质量问题 第一章绪论 随着全球一体化经济的快速发展，各行各业对电力系统供电质量的要 求越来越高。同时电力系统的污染现象也日趋严重，公用电网供电质量日 益恶化，甚至发生安全事故，严重地威胁着电力系统的安全和经济运行。 为保护电力系统安全和用户的用电安全，迫切需要对电能质量进行监测和 分析，以提供整改方案、加强防范措施、限制强十扰源( 如谐波源) ，从 而保护电力系统的安全、可靠、经济运行，并保护电力用户的合法权益。 1 1 1 概述 在理想的电力系统中，电能应该总以稳定的电压和恒定的频率( 我国 是5 0 h z ，欧美是6 0 h z ) 对负载或用户供电。所以对电力系统来说，电能质 量的好坏也主要是通过电压和频率来衡量。实际运行的电力系统中，由于 负荷的多样性和时变性，电力系统的电压和频率是不能保持恒定的，因此 各国对电能质量都是用电压和频率的允许偏差值来衡量，并做出规定。电 力电子技术的广泛发展与应用，如半导体整流和逆变装置以及变频调速装 置等，这些具有非线性、谐波丰富、冲击性和不平衡特性的负荷的推广应用， 产生了大量的谐波污染。冲击性、波动性负荷，如电弧炉、轧钢机、电力机 车等运行中不仅产生大量的高次凿波，而且使得电压波动、闪变、三相不平 衡等。所以仅仅用这两个指标来表征电能的质量是不完善的，至少还有供 电可靠性问题。有文献从一般意义上给出了电能质量的定义：“导致设备故 障或误动作，以电压、电流或频率偏差为表现形式的一切电力问题。”这 里的偏差是广义的，甚至包括供电可靠性。由于人们看问题的角度不尽相 同，对电能质量的技术含义存在着不同的认识。 我国电力法明确规定”供电企业应当保汪供给用户的供电质量符合 国家标准，对公用供电设施引起的供电质量问题，心当及时处理”，在供 电营业规则中也明确规定用户的非线性负荷、冲击负荷、波动负荷、非 对称负荷埘供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，_ = | j 户必须 采取措施予以消除，如不采取措施或采取措施不力，达不到田家标准，供 华南理j 【：大学t 学硕十学位论文 电企业可中止对其供电。在市场经济条件下，供电企业有依法向用户提供 质量合格电能产品的责任，用户也有依法用电，不污染电网的义务。 因此，应对现有的关于电能质量问题的国家标准有一定了解。有文献 指出，我国电能质量的具体标准主要有电删频率、电压偏差、三相电压不 平衡、公用电网谐波、波动和闪变这五个主要指标。更具体的参数要求， 可参看相关的文献。其中后面的四项指标部属于电压质量的范畴。 1 1 2 谐波产生及其危害 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其 频率为基波的倍数。”由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常被称为高 次谐波。 目前世界所有的电力系统中，一般来说，发电机提供的是具有恒定幅 值和频率的正弦交流电。施加在线性负载的正弦交流电压产! e 电流也会是 j f 弦交流电流，且该电流与电压保持相同的频率，而施加非线性负载上的 正弦电压，则一般不会再产生同频的f 弦负载电流，此时电流存在谐波分 量。谐波分量的存在也影响系统的功率因素，它与系统的无功功率有着密 切的关系。在公共电网中，通常电压的波形畸变都很小，谐波污染主要是 指电流谐波。 在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。由于 发电机制造工艺问题，致使电枢表面的磁感应强度分部稍稍偏离正弦波， 因此产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势。当对发电机的结构采取 一些措旌后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的证弦波形的电压。 那么实际运行的电力系统中，谐波的产生主要是来自具有非线性特性的电 e 没备：( 1 ) 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如：变压器、电抗器等；( 2 ) 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流 弧焊机、炼钢电弧炉等；( 3 ) 以电力电子元件为基础的开关电源设备，如： 各种电力变流设备( 整流器、逆变器、变频器) 、相控调速和调压装置、大 容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道、冶 金、矿1 1 1 等工矿企业以及各式各样的家用电器中。这些电力或用电设备在 电力系统中产生的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波分量。其谐波 电流实际巴和电网的基波电压( 5 0 赫兹) 或电网的阻抗几乎无关，因此大多数 谐波源都视作恒流源。 随着非线性负载数量的不断增加，谐波污染的程度也越来越严重，由 此产牛的不利影响电越米越显著。那么到底大量的谐波污染会有什么样的 第一章绪论 危害呢? 大致说米，可概括为两个主要方面： 1 在电力危害方面 ( 1 ) 增加了旋转电机等的( 换流变压器过载) 附加谐波损耗，使其发热， 缩短使用寿命：降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过 中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏：也会引起系 统的低频震荡，从而引发事故。 ( 3 ) 可能引起继电保护装置的误动作，从而影响电力系统的安全。 ( 4 ) 使原有的电能测量定义和方法不适应及电气测量仪表计量不准确。 2 在信号干扰方面 ( 1 ) 对通信系统广：生电磁下扰，使电话通讯质量下降； ( 2 ) 造成重要的和敏感的自动控制与保护装置工作紊乱； ( 3 ) 影响功率处理器的正常运行。 由此可见，谐波的综合治理意义重大。治理谐波既有利于电力系统安 全、高质量的供电，又有利于用户高效、可靠的用电，从某一角度来讲， 也有利于提高人民的生活质量。 1 1 2 无功功率及其对电网的影响 无功功率描述的是电路中能量的交换，它用于电动机和变压器等在能 量转换过程中建立交变磁场，或移相电容器充放电时与电源交换能量，刘 外部电路不做功，即无功功率的大小表示了电源和负载电感( 或电容) 之 间能量的交换幅度。 在电力系统中，无功功率的产生主要有三种情况：电j - f 和电流为同频 率的正弦波，但它们之间存在一定的相位差；电压和电流中有个为正弦 波，另一个为不同频的f 弦变量或者非正弦的周期变量；电压和电流均为 非正弦周期变量。 能直观地表征系统传输的无功功率大小的主要参数是功率凶数。广义 来讲，功率因数可理解为电源和负载在能量交换的过程中，有功功率所占 的比率，即电源电能的有效利用率。对j 司频率的正弦电压利电流，其定义 式是： p f = c o s 妒= 么( 卜1 ) 式巾： p f 为功率冈数 妒为电压和电流的相位差 华南理t 大学_ _ l = 学硕士学位论文 p 为有功功率 s为视在功率 可见，同频率的正弦电流电压存在无功功率，主要是由于电流和电压 之间存在的相位角差值，这一类无功功率主要足由电网中的电容和电感吸 收或吐出无功功率而直接产生。 对于第二种情况，如假定电源电压为无畸变的工频正弦波，而电流为 更高频的正弦波或为同频的非正弦波。则功率因数的表达式町写为： 五= 丝盥= 生c o s 妒= uc o s 妒 ( 1 2 ) u li 式中： 丑为功率因数 电压有效值 ，电流有效值 i ，电流基波分量的有效值 以为电流基波分量和电压波形的相位差 。：o 即基波电流有效值和总电流有效值之比，称为基波区| 数 上式可以看出，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数 决定的。也就是说，电流经傅立叶分解后，基波电流和基波电压存在相移 时会产生无功功率，这一部分叫做基波无功功率；同时，分解m 来的高次 谐波曲于与基波电压的乘积的平均值为零，从而产生的交变功率仍是无功 功率，这一部分无功功率称为谐波无功功率。 第i 种情况和第二种相似，只是要将电流电压分别进行傅立叶分解后， 再分离出基波无功功率和谐波无功功率。 电网中大量无功功率的存在，会电力系统造成多方面的不良影响，主 要有以下一些方面： 1 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的增 加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。 2 设备及线路的损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大、因而使 设备及线路的损耗增加。 3 使线路及变压器的电压降增加，如果是冲击性无功功率负载，还会 使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。为了保证电能质量，就得增 加相应配套的无功调节设备，从而增大了输电成奉。 4 卣接增加电费成本。电业部门电价制度详细规定了对企业功率因数 的奖罚系数，奖罚数额直接讨入电费，冲减或增收当月电费。 第一章绪论 1 2谐波抑制及无功功率补偿 大量谐波和无功功率的存在，对电网的安全高效运行带来很多不良影 响，甚至带来隐患和事故。冈此，采取一些合理的设备和策略来进行必要 的谐波抑制及无功功率补偿是十分必要的。根据电力系统的实际要求，可 以采取单纯的滤波措施及无功功率补偿措施，而目前的研究趋势是综合考 虑后进行综合处理( 即对谐波和无功进行最优处理) 。 1 2 1 无源滤波器及其应用 在大功率半导体器件出现并广泛应用之前，电网中的非线性负荷很少。 变压器等电磁器件产生的高次谐波，因其频率相对固定上土相对容量较小， 未对电网和电器的运行造成太大影响；电弧炉、感应炉和轧机等大功率冲 击性负荷产生的大量高次谐波虽然影向较大，但因其相对容量不大和影响 范围相对较小，故其危害也不是十分严重。因此，出于方便性和经济性等 目的，早期的谐波抑制基本上是采用简单便捷的无源滤波器。 最常用的交流滤波装置就是利用l c 谐振原理，人为地创造一条或多 条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供低阻抗的通道，使之不会注入 系统，从而达到从系统中滤除该次谐波的目的。之所以称其为无源滤波器， 是帽对有源滤波器而占的，凶其只为谐波提供低阻抗通道，自身并不是电 流澡或电压源。 无源滤波器由于其运行历史久、技术成熟、价格低廉、性能可靠、容 量较大和设计相对简单等优点，曾被电力系统广泛应用。但是，这类装置 体积庞大，尤其当负荷运行工况变化较大时，大量i 。一c 装置的并联占地更广； 另外，无源滤波装置旦设定好，其运行特性就不能改变；同时，大量无 源滤波装置的存在，使系统具有产生共振的潜在危险。所有这些又都限制 了无源滤波器的更广泛应用。 1 22 有源滤波器及其发展概况 根据应用场合不同有源电力滤波器可分为自流有源电力滤波器和交流 有源电力滤波器两大类。直流有源电力滤波器主要用来消除高压直流输电 系统中变流器直流侧的电压、电流谐波；而交流有源电力滤波器则是应用 于交流电力系统各个电压等级的有源滤波，也就是通常所说的有源电力滤 华南理工大学t 学硕十学位论文 波器。没有特别说明，本沦文所述的有源滤波器就是指交流有源电力滤波 器。另外，这里所说的有源滤波器和控制电路中的应用到集成运算放大器 的有源滤波也是= ：_ f i 同的概念。 答于无源滤波器的上述那些局限性，有源滤波器( a p f ) 应运而生，而 且很快就被广泛地研究、实验，并得到了迅猛的发展。这些装置都能准确 快速地检测出电网谐波和无功功率，从而实现快速补偿。有源滤波器被认为 是日前综合治理谐波和调节无功功率最有效的方法之一。与无源滤波器相 比，有源滤波器具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐 波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大威胁， 相对体积重量较小。 有源滤波器作为改善供电质量的项关键技术，在困外已h 趋成熟，在 一些发达国家，已广泛应用于困民经济的各个部门。在我国，有源滤波器 的研究与应用，远远落后于发达国家，除了少数几台已投入工、l k 试运行外， 其它大部分尚处于研制阶段。目前要做的主要工作是引进吸收西方国家的 先进技术，提高我国的电力电子器件的制造水平，着力采用新理论和新方 法，加人对有源滤波器的研制工作的政策扶持，发展适合我国电力系统标准 和实际情况的电力电子控制技术。 1 3 课题研究的背景和意义 电能是人类历史上最方便、最清洁及最优质的能源之一，现已成为人 们生活中不可或缺的一项资源。随着社会文明的进一步发展，电能资源更 是显得f 1 益重要，简直就像水资源一样成为人类懒以生存的必需品，人均 消耗的电能量己成为衡量一个国家的重要标准。冈此，如何更安令和更优 质地生产出电能，如何给人们提供更便捷和更高效的电能，就是我们今后 相当长段时间内要做的研究工作。 早期的电力系统，由于负荷情况相对简单，电网中非线性负荷相对较 少，电例络本身也不是卜分庞大，所以，电能的生产和传输都相对简蕾。 衡量电能质量的两个主要标准电压和频率，在采用了一些相对简单的控制 措施就能得到保障。但是，随着人们牛活水平的提高和社会工业化进程的 加快，人们对电能的使用需求呈现出多样性，以转换电能形式的电力电了 技术就顺应时代的要求而迅速发展起来了。 电力电子技术的出现，提高了人们控制电能的能力，也推动了冶炼、 变频节能和电子电器等工业的高速发展。但电力电子装置等非线性负载的 广泛使用，给电能的质量造成很大的影响，其中以谐波污染和无功功率损 6 第一章绪论 耗尤为严重。于是，人们又回过头来，希望借助电力电子技术能提高电能 质量，这也正是我们在做的工作。其基本思路有两条：一条是，对电力电 子装置本身进行改进，使其减少或不产生谐波，如开发新型的变流器、采 用多重化变流技术和使用带有p f c 的开关电源等等，该方法只能抑制自身的 谐波；另一条是装设谐波和无功功率补偿装置，如串、并联各种无功补偿 装置、无源滤波器、有源滤波器和电能品质调节器等等，该方法显得更灵 活高效，但由丁：是被动型抑制，目口时性相对前一种要差一些。 其中，有源滤波器是目前国内外研究的热点。有源滤波器的理论研究 已经比较深入，但在国内的实用化进程比较缓慢。其成熟的拓扑形式基本 上已趋于固定，但控制方法却是千差力i 别，也各有优点。在众多有源滤波 器的控制方法中，基于传统比例积分控制( p i 控制) 的统一恒频积分控制 ( u f i 控制) ，也叫单周控制，因为无需参考信号、动态跟踪性好、控制简 便、即时性好等特点而被广泛研究。但是，经典的单周控制有源滤波器由 于控制策略上的不足，存在电流直流分量问题和局部稳定问题，影响了其 实用化进程。 为此，本溧题对传统单周控制有源滤波器的主电路和控制电路进行了 一些改进，在保留了经典单周控制有源滤波器各种优点的同时，也将其实 用化进程推进了一步。仿真结果和实验结果都证明，改进后的单周控制有 源滤波器没有直流分量问题，也具有更好的稳定性。 1 4 论文的主要工作 全文分为六章。第一章是绪论，主要论述了电能质量、谐波污染和无 功补偿等问题的产生及解决，并说明了本课题研究的背景和意义。第二章 主要介绍了无源滤波器和有源滤波器的研究和现状。第三章详细介绍了单 周有源滤波器的模型推导和控制的构造，以及电流鼠流分量问题和全局不 稳定问题的产牛机理和现有改进措施的优缺点。第四章全面论述了双桥单 周控制有源滤波器的基本思想和实现方案，内、外双桥各自的优缺点。第 五章主要是仿真f ：作，主要给出了经典单周控制、外双桥单周控制和内双 桥单周控制的仿真电路和各种电流电压仿真波形，并进行了比较分析。第 六章主要是实验电路的拓扑和参数设计。最后在结沦中总结了本文的一些 工作和创新之处，并提出了今后工作的一些设想。 华南理上人学工学顿士学位论文 第二章有源滤波器工作原理及结构 有源滤波器的概念是相对无源滤波器建立起来的，也主要是针对无源 滤波器的不足而提出来的，所以有必要先介绍无源滤波器的一些基本情况。 2 1 无源滤波器 无源滤波器是根据l - c 谐振原理建立的一种滤波装置，能滤除某些特定 频率的谐波，该频率原则上只与该装置的l c 设计参数有关。因为电感、电 容均为储能元件，且理论上不消耗有功功率，所以，无源滤波器在消除谐 波的同时也能进行无功功率的补偿。 2 1 ，1 无源滤波器工作原理 图l 为无源滤波器单相的等效电路和基本工作原理。图中v s 是交流电源 电压，z s 是电源电阻。电路中的电容c ，和电感l ，组成一个单调谐无源滤波器， t ，是负载电流。忽略电源的阻抗，负载电流i ，代表谐波电流源。无源滤波器 阻抗zr 在c r 和lr 的谐振频率时表现出低阻特性，该频率的谐波电流都流经该 支路，或者说，该频率的谐波电流极少注入电源中，此时对电源来说，就 起到了滤除谐波的效果。此处，电源阻抗和无源滤波器町能形成串联和并 联谐振。从负载侧看形成并联谐振，呈现高阻抗：从电源侧看形成串联谐 振，呈现低阻抗。 v s 罔2 一l 无源滤波器的工作原理图 f i g 2 lt h ep r in c i p led i a g r a m0rp a s s iv ef i l t e r 刈于无源滤波器本身来讲，其谐振角频率为m ，2 脑另外，衡量 其性能的重要参数还有：品质因数q 一和等值失谐率占。其表达式分别是 第二章有源滤波器t 作原理及结构 q = m z m 扣一 l 式中： o 。为品质因数 x m为电抗器在n 次谐波时的感抗 劢为无源滤波器在n 次谐波时的阻抗 j为等值失谐率 ，；为无源滤波器实际频率 磊为无源滤波器设计频率 2 1 2无源滤波器主要类型 无源滤波器的种类不是很多，般主要分为以下几类： i 单调谐滤波器，只由一个电容和一个电感组成一个支路。电路结构 图见图2 2 所示，其中的电阻也可以只是电感、电容的内阻。可以看到， 图2 1 中的无源滤波器就足单谐振滤波器。单谐振兀源滤波器只能滤除单 一频率的谐波。图2 2 也给出了其阻抗特性图。 c l r f f ， 图2 2单调谐滤波器原理图和阻频特性图 f i g 2 2d i a g r a mo fs ir l g le t u n e df il t c ra n di m p e d a n cerr e ql i e n c yc h a r a c t e r z 0 图2 3双调谐滤波器原理图和阻频特性图 f i g 2 3d ia g r a mo td o u b 】e t u n e df i l te ra n di m p e d a ncef r e q u e n c yc h a r h cle r 9 o上卜、t1垂一。 华南理工大学t 学硕十学位论文 2 双调谐滤波器，由两组l c 元件构成。它有两个谐振频率，在此频 率【：能有效地滤除谐波。双凋谐基本电路如图2 3 f j r 示，同样电路中的电 阻可以没有，而只是电感和电容的内阻。这里有两个谐振电路，上面部分 类似单调谐的谐振回路( c 1 、i 1 组成) 为主调谐回路，下面部分的并联谐 振( c 2 、l 2 组成) 为辅助调谐回路。该类型滤波器的阻抗特性也在图2 3 给出来了。 3 高通滤波器，也称减i 陌滤波器，它有阶、二阶、三阶和c 型四种。 一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。二 阶高通滤波器的滤波性能最好，其应用也最广泛。三阶高通滤波器比二阶 得多一个小容量电容，与二阶相比，基波损耗大大减少。c 型高通滤波器 的性能介于二阶的和三阶的之间。图2 4 给出了二阶高通滤波器的原理 图和阻频特性图，图2 5 给出了c 型高通滤波器的原理图和阻频特性图。 其各自的主要优缺_ ，可以参看相关文献。 _ _ - _ 尺r 0 一 图2 4二阶高通滤波器的原理图和阻频特性图 f i g 2 4d i a g r a mo fs e c o n d o r d e rc o n d e ns e f f il t e r a n di m p e d a n c ef r e q u e n cyc h a r a ct e r c 1 l r o 图2 5c 型高通滤波器的原理图和阻频特性图 d ja g f a mo fcc o n d e ns e rf i l t e ra n di m p e d f i l l c ef r e q u e n c y 一 | 一 一 一 r ；# 一 一 审一 第：章有源滤波器工作原理及结构 4 串并联谐振型电力滤波器，在基频时能很好地阻隔基频泄漏，对于 高次谐波，不仅与单调谐一样，在调谐处阻抗趋于零，而且又具有高通滤 波器的特点，其等效阻抗在较宽的段范喇内都很低，对特征、非特征谐 波都有很好的滤波作用。为使其具备滤波作用的同时能进行无功补偿，必 须还要采取一些相应的措施。目前，这种滤波器还未进入实用阶段。 l lc r 图2 6串并联谐振型电力滤波器 f i g 2 6t h ep o w e rf i i t e rw i t hs e r i e s s h u r l tresonance 电力系统中实际使用的无源滤波装置，通常是上述类型无源滤波器的 组合，可以由一个或几个单调谐滤波器和一个高通滤波器并联组合而成。 其中，单调谐滤波器的主要作用是滤除某些特定频率的谐波，而高通滤波 器的作用则是用于抑制所有频率高于截止频率的高次谐波。 2 2 有源电力滤波器 尽管通过多种无源滤波器的组合使用，能克服单独使用种无源滤波 器的缺点，但无源滤波器毕竟是不可控的，参数总是相对固定的，而电力 系统中负荷的时变性和多样性越来越明显，这对矛盾的日益尖锐，就使得 有源滤波器飞速发展。下面先介绍下它的工作原理。 2 。2 1 工作原理 由于有源滤波器基本 ：都足针对畸变电流而言的，所以有源滤波器可 以这样来定义：将系统中所含有害电流( 高次谐波电流、无功电流及零序负 序电流) 检出，并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路巾的有害电 流的半导体电力变换装置。有源滤波器的 ：作原理如图2 7 所示，虚线内 华南理工大学上学硕士学位论文 就是有源电力滤波器。 1 卉源滤渡器 图2 7有源滤波器工作原理 f i g 2 7r r h ep r i l 3 c i p l eo fa p f 由图可见，总处于谐波负载和电源之间的有源滤波器，在检测、控制 系统的控制下，将储能元件侧的直流电能转变为消除有害电流所需要的能 量。或者说：有源滤波器所产生的电流波形j f 好与有害电流的频率幅值完全 相同，而参考方向刚好相反，从而达到补偿或抵消有害电流的效果。有源 滤波器的主体部分是一个逆变器，能可控地输出需要补偿的电流。这里所 讲的凿波负载包含的范围很广，其中电力电子整流装置就是最典型的有害 电流源。 容易看出，有源电力滤波器实现的关键是：快速的有害电流检测方法、 合理的主电路结构和适当的控制策略。其中，谐波检测方法和控制策略种 类繁多，且各有优缺点，什么时候该使用什么方法要视情况而定，也有新 的控制方法不断产生；成熟的主电路结构己相对比较固定，变化也已经= ：f i 多。接下来两个小节就介绍一下有源电力滤波器的一些谐波检测方法和主 电路结构。 2 2 2 谐波检测方法概述 这早所说的谐波检测，既是指将有害电流中的谐波分量检测和分离出 来，当然也可以是无功功率分量的检测和分离。谐波检测是各项谐波抑制 和无功补偿工作的基础和主要依据，理论和实践证明：谐波检测的精度和 动态响应速度与检测方法密切相关。 现有谐波检测法按原理可分为：1 模拟滤波器；2 基于f r yz e 传统功率 定义的谐波榆测法；3 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法；4 基于傅立 叶变换的谐波检测法；5 基于神经网络的谐波检测法：6 基于白适应对消 原理的渚波检测法；7 基于小波分析的喈波检测法。其中，最常用的是l 、 第二章有源滤波器t 作原理及结构 3 、4 三种方法。 模拟滤波器有两种，一是通过滤波器滤除基波电流分量，得到谐波电 流分量。二是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐 波电流分量，其原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。 缺点是误差大、实时性差，电网频率变化时尤其明显，对电路元件参数十 分敏感。 i 9 8 3 年提出瞬时无功功率理论，以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义 为基础即p q 理论。后又补充定义瞬时有功电流i ，和瞬时无功电流i 。等物理量 经历了一个逐渐完善的过程。它首先用于三相电路谐波检测中，后来被推 广到单相电路中。这里以三相电路来简单说明其工作原理：将采样到的三 相电流通过坐标变换，计算出i ，、j 。分量，然后分别进行低通滤波，再进行 一次与前面相反的坐标变换，得到是三相电流的基波分量，将该皋波分量 分别与各相采样电流相减，就得到了各相补偿电流。当只需要检测谐波时， 还可以省去锁相环电路。该方法原理简单、动态响成速度快、延时小，且 既能检测谐波又能补偿无功功率，但结构复杂。在单相电路谐波电流检测 中，需要通过两次延时来构建另两相电路电流，才可以使用该方法，其算 法比三相电路还复杂，故一般不在单相电路中采用。 基于傅立叶变换的谐波检测法，用快速傅立叶变换( 简称f f t ) 获取各次 谐波信号的幅值、频率和相位。测量时问是信号周期的整数倍和采样频率 大于n y q u is t 频率时，该方法检测精度高、实现简单、功能多日使用方便， 在频谱分析和谐波检测两方面均得到广泛应用。但计算量大，凼而实时性 不够好。对非整数次谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等缺点，从而使检 测出的谐波幅值、相角和频率有误差。提高其榆测精度的关键在于减小泄 漏和其它误差，通常用到加窗算法、插值算法、双峰谱线修难算法等。 2 2 3 主电路结构概述 在选择有源电力滤波器时，主电路形式是一个很重要的参考方面，因 为有时一些特定的控制方法只能采用相应的主电路形式。分类的方法有多 种，从有源滤波器接入的电路是单相还是三相米看，有单相有源滤波器和 三相有源滤波器；从直流侧储能元件的类型来分，又可分为电压型和电流 型两种；从有源滤波器接入电路的形式来分，有串联型、并联型和串并联 型三种。 第一种分类方法容易理解，三相电路可以看作是三个单相电路的合成， 这罩1 i 详细说明。 华南理t ：火学i ：学硕士学位沧文 第二种分类方法中，电压型有源电力滤波器的储能元件为电容，而电 流型有源电力滤波器的储能元件为电感，其余部分两种类型之间没有多大 区别。与电流型有源滤波器相比，电压型有源滤波器损耗较小、效率高、 成本低和易控制，因此目前国内外绝大多数有源滤波器都采用电压型逆变 器结构。但电压型有源滤波器必须防止l 下桥臂直通而使电容短路，且其 电流再生能力相对电流型有源滤波器要弱得多。电流型有源滤波器不怕上 下桥臂直通造成短路，因而也无需相应的保护措施；另外，其再生能力也 比电压型要强。但电流型有源滤波器由于其储能电感中始终有较大的电流 存在，故其损耗较大，随着超导技术的发展，这一问题可望得到解决，到 时电流趔有源滤波器将会得到广泛的应用。 a ) 并联型有源滤波器 a ) t h es e r ie sa p f b ) 串联型有源滤波器 b ) t h es h u n ta p f c ) 混合型有源滤波器 c ) t h eh y b r ida p f 图2 8有源滤波器接入方式 f ig 2 8t h ec 0 n n e c tr o r m o fa p f 第三种分类方法中，并联型有源滤波器如图2 8 ( a ) 所示，可等效为 一受控电流源。并联型有源滤波器可产生与负载谐波大小相等、方向相反 的谐波电流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型有源滤波器丰要适 用于电流源型负载的谐波补偿，目前工业卜已投入运行的多采用此方案。 串联型有源滤波器必须通过串联变压器串联在电源与负载间，逆变器产生 的补偿电压需通过变压器耦合到主电路巾去，它可等效为一受控电压源， 如图2 8 ( b ) 。串联型有源滤波器主要用丁- 消除电压型谐波源负载对系统 的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。与并联型有 源滤波器相比，由于滤波器中流过的是正常负荷电流，凶此损耗较大；此 外，串联型a p f 的投切、故障后的退出及各种保护较并联型有源滤波器复杂 得多，故其单独使用的情况比较少。图2 8 ( c ) 所示为串并联型有源滤波 器，也称为电能质量渊节器，它兼有串联型、并联型有源滤波器的功能， 可解决配电系统发生的绝人多数电能质量问题，具有较高的性价比。 4 捌 第二章有源滤波器工作原理及结构 2 3 混合型有源滤波器 由于单独的有源滤波器有造价高、运行损耗大及容量受到限制等不足， 将无源滤波器与有源滤波器组合起来，构成混合型有源滤波器在目前无疑 是一种较好的方案。 2 3 1 工作原理 混合型有源滤波器可以在单相和三相中使用，本文前面已经说过，三 相可以看作是单相的组合，所以，这里以单相为例来说明其工作原理。 图2 9混合型有源滤波器单相等值电路 f i g 2 9t h e e q u i v a l e n c eo fs i n 9 1 ep h a s eh a p f 图2 9 为混合型有源滤波器单相等值电路，图巾以为电源电压，磊为电 源阻抗等效值，厶为逆变器与p c c 之问的阻抗，现，为电压型有源滤波器的等 效电压源，五，为电压型有源滤波器的电流值，绵cc 是混合型有源滤波器接 入点的电压值， 为谐波源的电流值。通过合理的设计，饰cc 的基波电压箍 本上出五来承担，有源滤波器只承受极小的谐波电压。在 含有谐波分量时， 通过适当的控制，可以强迫负载的潴波电流流过混合型有源滤波器支路， 以消除负载谐波电流对电网的影响，同样它也能抑制电源的谐波电压。 2 3 2 主电路结构概述 根据有源滤波器( a p f ) 和无源滤波器( p f ) 组合的形式米划分，混合 型有源电力滤波器主要有三种形式：串联a p f 型混合有源滤波器、并联a p f 型混合有源滤波器和a p f 与p f 串联后再一起并联到电网的混合型有源滤波 器。各白的电路丰结构形式如图2 10 所示。 值得说明的是，串联型混合有源滤波器，由并联接入的无源滤波器和 华南理t 大学1 ：学硕士学1 1 寺：论文 串联接入的有源滤波器组成。并联型混合有源滤波器，无源滤波器和有源 滤波器均采用并联接入的形式，而且，有源滤波器的接入点可以就是无源 滤波器的接入点，也可以接入到无源滤波器的l 和c 之间。第三种形式中， 有源滤波器可以通过串联变压器和无源滤波器串联，也可以直接和无源滤 波器串联。每种形式的主电路结构都有各自的优缺点，都对应着不同的补 偿f j 的，也对应着不同的控制策略，所以，具体采用时要合理选取。 霜靶霍 莉薄蠢誊囊 2 4 本章小结 有源滤波器 有源滤波器 图2 一l o混合型有源滤波器连接形式 f i g 2 1 0t h ec o n n e c t f o r m0 fh a p f 本章主要介绍了无源滤波器、有源滤波器和混合型有源滤波器的工作 原理及各自主电路形式的分类情况。其中，有源滤波器作为重点部分，介 绍得比较洋细。在按照实现有源滤波器的三个关键要素来依次介绍的过程 中，考虑到内容之间联系的紧密性，本文将“适当的控制策略”放在了后 面的章节中介绍。 第三章单周控制有源滤波器的发展 第三章单周控制有源滤波器的发展 前面已经提到，实现有源滤波器的三个关键要素中，主电路拓扑结构 己相对比较固定，谐波和无功的检测方法也是很难再有新的突破，所以关 键是设计适当的控制策略。 3 1 有源滤波器控制策略概述 控制策略是目前电力电子技术中最活跃的因素，在有源滤波器的发展 中，控制策略也经历了天翻地覆的变化，从最简单的线性控制方法到先进 的现代控制理论的引入，有源滤波器的控制策略随着人们对其要求的不断 提高，也证朝着智能化的方向飞速发展。本文简要介绍一些目前正被广泛 研究应用的控制策略。 1 三角载波线性控制：这是一种最简单的线性控制方法，利用三角波 和高次谐波比较从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的精度高、 响应速度较快，但开关频率不固定且c u 能波动很大，容易产生噪音和造成 较大的丌关损耗及高频失真。 2 滞环电流控制：滞环电流控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，实际电 流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形 成一个滞环。滞环电流控制是基于电流暂念的控制，具有动念响应速度快、 鲁棒性好的优点；但开关频率、损耗以及控制的精度受容差带宽度的影响， 容差带宽度越小，控制的精度就越高，同时开关频率和开关损耗也加大了； 其输出频谱范围宽，谐波能量均匀分布在较宽的频带范围