（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的并联型有源电力滤波器的研究.pdf

r e s e a r c ho fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd s p c o n t r o l a b s t r a c t a l o n gw i t h t 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 i q u e ，a n i n c r e a s i n gn u m b e ro fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r ep r o d u c t i o na n dp e o p l e sd a i l yl i f e t h ep o w e re l e c t r i ce q u i p m e n t sh a v e t h ec h a r a c t e r i s t i co fn o n l i n e a rl o a d s t h e yg i v er i s e t om u c hh a r m o n i c s a n d r e a c t i o np o w e rc u r r e n ti n t op o w e rg r i da n db r i n ga b o u tal o to fp o w e rq u a l i t y p r o b l e m s t r a d i t i o n a ll cp a s s i v ep o w e rf i l t e r ss h o u l db er e p l a c e db ya c t i v ep o w e r f i l t e r i nt h ef u t u r e ，b e c a u s eo fi t ss h o r t a g et h a ti tc a no n l ya b s o r bt h eh a r m o n i c so ff i x e d f r e q u e n c ye a s i l ym a k ep a r a l l e lr e s o n a n c e a c t i v ep o w e r f i l t e rh a sa na d v a n t a g e a n di tc a na c h i e v et h ef u n c t i o no fh a r m o n i c sa n dr e a c t i o np o w e rc o m p e n s a t i o n a n di tc a na l s ow e l lc o m p e n s a t et h eo b j e c t so fw h i c hf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e c h a n g e sa tt h es a m et i m e ，t h i so v e r c o m e st h es h o r t a g e o ft h el cp a s s i v ep o w e r f i l t e r sv e r ym u c h f i r s t l y ，t h ec a t e g o r i z a t i o n ，o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dm a i nc i r c u i t st o p o l o g i e s o fa c t i v ep o w e rf i l t e ra r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d b a s e do 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 yi sr e s e a r c h e di nd e t a i l c o n c e r n i n g i t ss h o r t c o m i n g ，an o v e lh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o db a s e do na d a p t i v en e u r a l n e t w o r k si sp r o p o s e d t h em a t hm o d e l so ft h r e e p h a s et h r e e w i r ea n dt h r e e - p h a s ef o u r w i r e c a p a c i t a n c e m i d p o i n ta c t i v ep o w e rf i l t e ra r ef o u n d e ds e p a r a t e l y ，o nt h eb a s et h e c o n t r o ls t r a t e g i e ss u i t a b l ef o rd i f f e r e n tt o p o l o g i e sa r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d f o r t h r e e p h a s e t h r e e w i r e s y s t e m s t w oc o n t r o ls t r a t e g i e sa r er e s e a r c h e d ， s t r a t e g i e sb a s e do nl o a d c u r r e n td e t e c t i o na n do nd cc a p a c i t a n c e s v o l t a g e d e t e c t i o n f o rt h r e e p h a s ef o u r w i r es y s t e m s ，ah a r m o n i cd e t e c t i o na n dc o n t r o l m e t h o db a s e do nz e r o o r d e rc u r r e n ta b r u p t i o na r ea p p l i e d p s i ma n dm a t l a bm o d e l sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed e t e c t i o nm e t h o d sa n d c o n t r o ls t r a t e g i e sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra r eg i v e n ，t h e i rv a l i d i t ya n df e a s i b i l i t ya r e v a l i d a t e db ys i m u l a t i o n f i n a l l yap r o t o t y p eb a s e do nd s pi sd e s i g n e d t h e e x p e r i m e n t so fh 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 da n dc o n t r o ls t r a t e g yb 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 yh a v ed o n eo ni t ，a n dt h er e s u l tv e r i f i e st h e t h e o r y v a l i d i t y k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r s ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i o np o w e rt h e o r y ；h a r m o n i c s i i d e t e c t i o n ；a d a p t i v en e u r a ln e t w o r k s ；c o n t r o ls t r a t e g y ；p s i mm o d e l ；m a t l a b m o d e l ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g i i i 插图清单 图2 1 电压型有源电力滤波器8 图2 2 电流型有源电力滤波器8 图2 3 有源电力滤波器的系统构成分类9 图2 - 4 有源电力滤波器的原理图1 0 图2 5 三相三线制有源电力滤波器1 1 图2 6 三相全桥主电路拓扑1 1 图2 7 三桥臂电容中点式并联滤波器结构1 2 图2 8 三相四桥臂并联滤波器结构1 2 图2 - 9 三单相全桥并联滤波器结构1 2 图3 1 仅一1 3 坐标系中的瞬时功率定义1 5 图3 2 仅d 坐标系中的f 。和屯定义1 5 图3 3p q 检测方法原理图1 6 图3 4f d 一乞检测方法原理图17 图3 5 有源电力滤波器仿真模型1 7 图3 - 6f d 一乞检测方法仿真模型1 8 图3 7f d 一屯法谐波电流检测结果1 8 图3 8 自适应噪声对消技术原理图1 9 图3 - 9 将基波有功电流作为噪声源的原理图一2 0 图3 10 将无功和谐波电流作为噪声源的原理图2 1 图3 1 1 基于自适应神经网络的谐波电流检测方法的仿真模型2 2 图3 1 2 将基波有功电流作为噪声源的自适应滤波器2 2 图3 1 3 将无功和谐波电流作为噪声源自适应滤波器2 3 图3 1 4 将基波有功电流作为噪声源的仿真结果2 4 图3 15 将无功和谐波电流作为噪声源的仿真结果2 4 图3 1 6 三相四线系统不平衡负载模型一2 6 图3 17 适用于电容中点式系统的指令电流运算电路原理2 7 图3 1 8 采用零线电流分离法检测谐波仿真2 8 图4 1 三相三线制有源电力滤波器主电路3 2 图4 2 三相四线制电容中点式有源电力滤波器主电路3 4 图4 3 三角波比较电流跟踪控制原理3 6 图4 4 滞环比较电流跟踪控制原理3 7 图4 5 定时滞环比较电流跟踪控制原理3 7 图4 6 检测负载电流谐波的控制策略3 7 图4 7 并联型有源电力滤波器电流内环解耦控制结构4 0 v i i i 图4 8f 。电流内环结构4 0 图4 - 9 无扰动时f 。电流内环简化结构4 0 图4 1 0 检测直流侧电容电压控制策略一4 2 图4 1 1 基于检测负载电流的控制策略的仿真结果4 2 图4 一1 2 负载电流和系统电流的频谱4 3 图4 13 基于检测电容电压的控制策略的仿真结果4 3 图4 1 4 负载电流和系统电流的频谱4 4 图4 1 5 电容中点式的有源电力滤波器的控制电路4 5 图4 16 三相四线制电容中点式补偿电流仿真结果4 6 图4 17 直流侧电压波形4 7 图5 1 样机的系统构成图4 8 图5 2d s p 电源5 v 3 3 v 电路5 2 图5 3 直流母线电压采样5 2 图5 4 负载和补偿电流采样5 3 图5 5 温度采样5 3 图5 - 6 驱动电路5 4 图5 7 捕获电路5 4 图5 8 通信电路5 5 图5 - 9 人机界面的组成示意图5 5 图5 1 0 主程序流程图5 7 图5 1 1t i m e r l 中断程序流程5 8 图5 1 2a d c 中断程序流程5 8 图5 1 3c a p 中断程序流程5 9 图5 1 4s c i 中断程序流程5 9 图5 1 5f 。的波形一6 0 图5 1 6 己的波形6 0 图5 1 7 样机补偿谐波电流的实验结果6 l i x 表格清单 表1 1i e c l 0 0 0 3 4 标准( 对a 类设备) 一3 表5 13 0 k v a 有源电力滤波器主电路参数5 l 表5 2 系统资源分配和程序模块化设计列表5 6 x 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注和致谢的地方外，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厶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。 学位论文作者签名： 王 莫 签字日期：功。7 年锄i2 e l 学位论文作者签名： 土 央 签字日期：幻d 7 年嘲i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月墨王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权业 王些太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 王莫 签字日期：抽7 年牛月z 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 蓼搠硼期 钒矿形1 名 期 签 日 师 字 导 签 致谢 值此论文和学业即将完成之际，我要对三年来给予我无私关怀的老师、家 人和同学们表示衷心的感谢。 首先，我要感谢我的导师张国荣老师。三年研究生生涯，无论生活学习还 是课题研究中，张老师都给了我最大的帮助和支持。张老师为人谦和，对学生 关爱倍加，视如己出。在科研上，张老师敏捷的思维，严谨治学的态度，忘我 并且时常通宵达旦的工作作风，是我一生学习的榜样。在课题的研究过程中， 从论文的选题到理论验证，到软件算法的实现，再到最后的样机试验，每一步 都倾注了张老师大量的心血。在此向张老师表示我最崇高的谢意! 感谢苏建徽老师和茆美琴老师。苏老师渊博的学识，丰富的科研经验和忘 我的工作态度都令我敬佩不已，课题研究中遇到的难题，多次在苏老师的指点 下都迎刃而解，苏老师给我的指导和教诲使我获益良多。茆老师精深的理论水 平和出色的外语水平也令我非常敬佩，感谢茆老师在理论知识和仿真理论等方 面给予的帮助和指导。 感谢陈林老师软件算法实现和样机调试等多方面给予的帮助和指导。感谢 能源所的杜雪芳老师、杜艳老师、张健老师、刘翔老师和刘宁老师等多位老师 三年来给予的帮助。 感谢与我同届的同学们，三年来我们朝夕相处，相互帮助，留下了美好的 记忆，结下了深厚的友情。他们是：于德政、朱国军、王晓刚、董康、武伟、 吴胜兵、全江华、贺敬、瞿晓丽、陈轶涵、项若轩和刘程。 感谢0 7 级和我同课题组的张学友、马骏、齐国虎和李丹等同学在样机组装 和样机调试中给予的帮助。 最后感谢我的家人多年来对我的养育和支持，我能够顺利完成学业离不开 家人支持。 i v 作者：王英 2 0 0 9 年3 月3 0 日 i 1 课题的背景 第一章绪论 在能源和环境保护问题日益受到关注的今天，人们逐渐认识到电力系统环 境净化的必要性。在电网污染越来越严重的情况下，对电能质量的研究和治理 自然具有十分重要的意义l l 。j 。 随着现代工业的发展，电力系统中非线性负载大量增加。各种非线性和时 变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，其负面效应 也日益明显。逆变器、整流器及各种开关电源等电力电子装置中的开关动作时 向电网中注入大量的谐波，使得电网中的电压和电流的波形严重失真。电力电 子装置已经成为电网最主要的谐波源，对其带来的谐波污染问题的研究也成为 了电气电子工程领域的一个关注和研究的热点。目前，不少国家和学术研究组 织都制定了研制电力系统和电力电子装置谐波的标准和规定。解决谐波污染问 题的途径主要有两种：一是对电力电子设备自身的改进( 有源和无源功率因数 校正) ；二是对电网进行谐波补偿。 1 2 有源电力滤波器的发展与现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代末。19 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来 减少电源电流的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然未 出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是a p f 基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了a p f 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，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 提出了采用p w m 控制变流器构成的a p f ，确立了a p f 的概念，确立了a p f 主电路的基本拓扑结构和控制方法。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对a p f 的 研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的热点研究之一。这一时期的一个重 大突破是，19 8 3 年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论 为基础的谐波和无功电流检测方法在a p f 中得到了成功的应用，极大地促进 了a p f 的发展1 4 。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是a p f 的主要理 论基础之一。 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波 器己经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本已经开始大量使用有源电力滤波 器来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。 与国外相比，我国的有源滤波技术还处在研究阶段，工业中只有少数几台 投入运行。随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题的日益严重， 对有源电力滤波器的研究与应用要提高到一个新的认识高度。伴随着我国电能 质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市场应用 潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 1 3 谐波问题及其抑制技术 1 3 1 谐波问题 2 0 世纪2 0 、3 0 年代在德国，由于使用静止汞弧变流器造成了电压、电流 的畸变，谐波问题就引起了人们的注意和研究。19 4 5 年，j c r e a d 发表了早期 谐波研究的经典论文( 有关汞弧变流器谐波问题) ，到了2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究进一步深入。2 0 世 纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业、农业、交通以及人们的日常生活中应用日益广泛，谐波造成的危害 也日趋严重，世界各国对谐波问题也日益关注。 我国对谐波问题的研究起步比较晚。吴竞昌等在19 8 8 年出版的电力系 统谐波一书是有关谐波问题比较有影响的专著。夏道止等在1 9 9 4 年出版的 高压直流输电系统的谐波分析和滤波是有关谐波问题研究代表性的著作。 谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要 谐波源有：电力变压器的非线性励磁、旋转电动机引起的谐波、电弧炉引起的 波形畸变和各种电力电子装置( 包括家用电器、计算机的电源部分) 产生的谐 波。 随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断加大，其产生的谐波 比重也越来越大，目前已经成为电力系统的主要谐波污染源。谐波对公用电网 和其它系统的危害大致有【4 】： ( 1 ) 使电网中的元件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热 增加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动转矩；另外降低了发 电、输电及用电设备的效率，大量的3 次谐波电流流过中性线会导致中 线过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波电流在输电线路上的压降会使用户端的电压波形产生严重的畸变， 影响电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化， 寿命缩短，以致损坏。 2 ( 3 ) 容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串 联谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。 据统计，由于谐波问题引起的电容故障占电容器总故障的7 1 8 3 。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测仪表计量不准，影响计 量精度。 ( 5 ) 对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 3 2 谐波标准 制定谐波标准是治理谐波污染的重要措旌之一，一些国家和国际学术机构 相继制定了相关标准。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。 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1 6 a 的用电设备。i e c l 0 0 0 3 列出了四类用电 设备的谐波标准。表1 1 列出了其中a 类设备的谐波电流限值。对于每相输入 电流在1 6 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【5 - 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 ) 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 7 5 a ) ( 3 ) 谐波测量标准 i e c 】0 0 0 4 7 表1 1i e c l 0 0 0 3 4 标准( 对a 类设备) 1 3 3 98 4 0 偶 谐波次 35791 1246 数( n )奇次 次 允许最 大谐波 电流 2 3 01 1 4o 7 70 4 00 3 32 2 5 n1 0 80 4 3o 3 0o 2 3 幸8 n ( a ) 在以上标准中，i e c l 0 0 0 3 2 和i e c l 0 0 0 3 4 对各次电压和电流谐波分量都 有具体的限制，所以其影响也最大。i e e e 5 19 19 9 2 对各次谐波分量也有限制， 但它主要针对公共电网接点的谐波。由于i e c l0 0 0 3 4 不容易满足，所以有的 企业采用i e e e 519 标准限制三相设备的谐波。其中i e c l0 0 0 3 2 已经转换为 e n 6 1 0 0 0 3 2 ，并于1 9 9 8 年7 月1 日开始在欧盟执行，此外日本也制定了类似 的j e i d am i t i 标准。在我国，i e c l 0 0 0 3 2 标准已经等同地转化为国家标准 l ：低压电气及电子设备发出的谐波电流限制( 设备每相输入电流s l6 a ) ( o b 1 1 7 6 5 1 1 9 9 8 ) 。 我国对电网谐波污染的立法始于19 8 4 年，由原水电部制定了电力系统谐 波暂行规定r s d l 2 6 8 4 ) ，规定中指出：为向国民经济各部门提供质量合格的 5 0 h z 电能，必须对各种非线性用电设备注入电网的谐波电流加以限制，以保 证电网和用电设备的安全经济运行，同时要求各级电力部门加强对电网谐波的 监视和管理。国家技术监督局于1 9 9 3 年颁布了新的电能质量公用电网谐波 标准( g b t 1 4 5 9 4 9 3 ) ，规定了电网标称电压为o 3 8 6 10 3 6 6 6 11 0 k v 公用电网 中的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 的其他电能质量标准还有电能质量供电电压允许偏差( o b l2 3 2 5 9 0 ) 。电 能质量电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 ) 和电能质量三相电压允许不平衡度 ( g b t 15 5 4 3 9 5 ) 等【9 l 0 1 。 国标和标准的制定和执行，无疑给电网的净化起着积极的推动作用，而如 何治理电网的谐波则是有待我们解决的重大课题。 1 3 3 谐波的主要指标计算 在供电系统中，通常希望交流电压和电流是正弦波。正弦电压可表示为： ”( ，) = 劢s 咄耐+ 口) ( 1 1 ) 当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦，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波。根据电路理论所学知识 可知：对于周期为t = 2 n 的正弦电压表达式为： u ( c o t ) - - a o + k 。c o s ( n c o t ) + b s i n ( n c o , ) ( 1 - 2 ) 式中：= 去卜( o t ) a ( c o t ) a n = 去f 万甜( 耐) c o s c o t ) d ( c o t ) 九= 击r 石z ，( 纠) s i n ( 胛c o t ) d ( c o t ) 在式( 1 2 ) 中的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量为基波，频率大于整 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倍。1 1 次谐波电压含有率以h r u 。表示： h r ”鲁1 0 。 ( 1 3 ) 式中：u 。一第n 次谐波电压有效值 4 u 一基波电压有效僵 n 次谐波电流含有率以h r i 表示： h r 卜争1 0 0 式中：j 。一第n 次谐波电流有效值 u 。一基波电流有效值 谐波电压含量u h 和谐波电流含量如分别定义为： u h = - u 。2 yn = 2 驴薹鬈 电压谐波总畸变率t h d 和电流谐波总畸变率t h d j ： t h d = 鲁川。 刀囝：丘1 0 0 1 3 4 谐波抑制技术 ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) 解决电力电子装置和其他谐波污染源的问题，基本途径有两条：一种是设 置谐波补偿装置，如各种无源、有源滤波器，这对各种谐波源均适用；另一条 是对于电力电子装置谐波源，可以对其进行改造，使之不产生谐波或者不消耗 无功功率，如有源功率因数校正技术和p w m 整流技术。 在电力系统中装设l c 调谐滤波器一直是传统补偿无功及谐波的主要手 段。l c 调谐滤波器因其结构简单，既可补偿无功，又可抑制谐波而一直被广 泛应用。但l c 调谐滤波器也存在着诸如滤波补偿特性依赖于电网和负载参数、 l c 参数的漂移会导致滤波特性的改变、具有负的电压调整效应、重量大、体 积大和容易同系统发生谐振等缺点。 目前的趋势是采用电力电子装置对谐波进行抑制，即使用有源电力滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 技术进行谐波抑制。有源电力滤波器是一种动态 抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功 进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性， 是一种理想的补偿谐波装置。 1 4 有源电力滤波器的简介 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一 5 条是装设谐波补偿装置，这对各种谐波源都适用；另一条是对电力电子装置本 身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ，这只适用于主要谐波 源是电力电子装置的情况。目前谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波 器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 。 1 4 1 传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷 目前我国电力系统中普遍采用由电抗器和电容器串联后组成的分路调谐 l c 滤波器作为滤波器，但这种无源型l c 滤波器抑制谐波的效果并不理想， 且系统阻抗参数l 、c 也经常变化，当系统阻抗参数运行条件变化时，会发生 与系统并联或串联谐振问题，造成电源侧的某一频率谐波电流倍增，严重影响 滤波性能，它一般只适用于静态补偿。其主要存在以下问题： ( 1 ) 电源阻抗严重影响滤波特性； ( 2 ) 随着电源侧谐波的增加，滤波器有可能过载； ( 3 ) 在同一系统内设置很多l c 滤波回路情况下，难以取得高次谐波流入的 平衡。 现阶段在电力网中广泛应用静止型无功补偿器( s v c ：s t a t i cv a r c o m p e n s a t i o n ) ，其内部的电力电子开关元件多为晶闸管，它有两种基本类型： 晶闸管可控电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 。晶闸管在导通期间 处于失控状态，这使s v c 每步补偿时间间隔至少为工频的半个周期。若被补 偿的负荷为急剧波动的干扰性负荷时，常用的s v c 因固有的时间延迟使其响 应不够快。上面所说的两种补偿装置都离不开大容量的储能元件，这是由于电 感和电容储存和交换电能的特点向系统提供无功功率的补偿容量决定的，因 此，其容量的大小应不少于所补偿的无功功率。另外，这些大容量储能元件存 在固有的时滞影响，使它们不可能做到瞬时无功补偿。晶闸管控制投切电容器 组虽然己能相对平滑地快速调节容性无功功率的大小，实现动态无功功率补偿 作用，但是这种无功功率补偿器的容量明显受到安装点电压变化的制约( 与安 装点电压平方成正比) 。当电网无功功率不足引起电压下降时，电容器提供的 无功功率减少，导致母线电压进一步降低。 综上所述，传统无功功率的定义和概念，只限于处理系统运行参数是正弦 周期的情况，对功率急剧变化所出现的瞬时或随机变化的非周期现象己不能适 应。 1 4 2 有源电力滤波器的优点 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装 置，它能对大小和频率都变化的谐波以及无功进行补偿，其应用可克服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，是电力系统柔性交流 6 传输系统( f a c t s ) 中的一个重要的发展方向。这种滤波器的特点为： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进 行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续 调节； ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不 大； ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发 挥补偿作用； ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； ( 7 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中 补偿。 1 5 本文的主要内容 本文的主要内容包括： ， 第一章主要是对有源电力滤波器的发展与现状以及谐波的问题及抑制技术 进行了调研，并简要介绍了有源电力滤波器的原理，比较了其相对与传统无功 补偿的优点。 第二章首先介绍了由于电力滤波的分类和结构形式，对有源滤波器补偿谐 波的原理进行了详细的论述，最后针对三相三线制和三相四线制有源电力滤波 器，分别介绍了主电路各种拓扑结构及其特点。 第三章主要讨论有源电力滤波器的谐波电流检测方法。首先论述了瞬时无 功功率理论和基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法；由于该方法存在缺限， 提出了一种基于自适应神经网络的谐波电流检测方法；最后针对三相四线制系 统的特点，给出推广的瞬时无功功率理论以及谐波电流的检测方法。文中对所 有提出的检测方法均进行了仿真验证。 第四章主要讨论有源电力滤波器的控制策略。首先对三相三线制和三相四 线制电容中点式有源电力滤波器的主电路分别建立了数学模型；在此基础上， 对三相三线制系统介绍了基于检测负载电流和检测直流侧电容电压两种控制 策略，对三相四线制系统采用了基于零序电流分离的控制策略。文中对以上控 制策略分别进行了仿真验证。 第五章主要是有源电力滤波器的实验研究。本章详细分析了样机的主电路、 d s p 控制系统、人机交流界面、程序结构和程序流程等多个方面的设计思路。 最后进行了实验研究，并对实验结果进行了分析。 第六章主要是对本课题的工作进行全面的总结和展望。 7 第二章有源电力滤波器的结构及原理 有源电力滤波器作为一种改善电力系统电能质量的装置，可以动态抑制谐 波、补偿无功，它能对大小和频率同时变化的谐波和无功电流进行补偿，这很 好地克服了传统的无源l c 滤波器只能抑制固定频率的谐波电流和只能补偿固 定大小的无功电流的缺陷。本章主要介绍有源电力滤波器的结构和基本原理。 2 1 有源电力滤波器的分类和结构形式 ( 1 ) 根据直流侧储能元件的不同分类 应用有源电力滤波器的目的是补偿谐波和无功，因此其与交流侧间必有能 量的交换，并且为了维持有源电力滤波器的正常工作，自身也会有能量损耗。 所以有源电力滤波器的直流侧必须具有储能元件，该储能元件既可以是电容也 可以是电感。因此根据有源电力滤波器直流侧储能元件的不同可以将其分为： 直流侧采用电容的电压型有源电力滤波器和直流侧采用电感的电流型有源电 力滤波器1 。主电路分别如图2 1 和图2 2 所示： a p f 图2 1 电压型有源电力滤波器 a p f 图2 - 2 电流型有源电力滤波器 ( 2 ) 根据接入电网的方式分类 8 l 根据有源电力滤波器接入电网的方式，可以将其分成三大类：并联型有源 电力滤波器( s h u n ta p f ) 、串联型有源电力滤波器( s e r i e sa p f ) 和串并联混 合型即统一电能质量调节器( u p q c ) 。并联型有源电力滤波器与负载并联接入 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。串联型有源电 力滤波器与负载串联接入电网，主要消除电压型谐波源对系统的影响。串联型 有源电力滤波器中流过的是正常负载电流，损耗较大；并且串联型有源电力滤 波器的投切、故障后的退出及各种保护也比并联型有源电力滤波器复杂，因此 使用范围受到很大的限制。图2 3 所示为有源电力滤波器根据接入电网的方式 进行的详细分类以及与无源l c 滤波器混合使用的系统构成方式u 1 1 。本文所研 究的对象是并联型有源电力滤波器，因此文中在没有特殊说明的情况下所指都 是并联型有源电力滤波器。 图2 3 有源电力滤波器的系统构成分类 2 2 有源电力滤波器的结构和工作原理 图2 4 所示为a p f 的结构和工作原理，a p f 主要由两大部分组成，即指令 电流运算电路和补偿电流发生电路，其中补偿电流发生电路又由电流跟踪控制 电路、驱动电路、主电路和高通滤波器( h i g hp a s sf i l t e rh p f ) 等部分组成。 a p f 主电路日前均采用p w m 变流器。作为主电路的p w m 变流器，在产生补 偿电流时，主要作为逆变器而工作。但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如 在电网向电力有源滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。也就 是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区 分。因此，一般称其为变流器，而不称之为逆变器。 a p f 的工作原理是，经指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，该指 令信号经过补偿电流发生电路产生补偿电流，从而将负载电流中的谐波和无功 电流抵消掉，最终得到期望的系统电流。 9 非线性负载产生的含有谐波的负载电流为f ，根据傅立叶级数可以将其展 开为： 屯2 善ls i n ( 以耐+ 纯) = 厶s i n ( 研+ ) + 脚i ns i n ( n a g + 纸) ( 2 - 1 ) = i l + i h = i t p + i l 叮+ 厶 其中p = s i n ( r o t ) c o s ( 缈! ) ，k = 1 1c o s ( c o t l ) s i n ( 伊) ，i h = ls i n ( m o t + q k ) 由( 1 ) 式可知，负载电流包含三个部分：基波有功电流口，与系统基波电 压保持同相位；无功电流。，与基波有功电流p 正交；谐波电流。 图2 - 4 有源电力滤波器的原理图 由图1 可知 i s = 屯+ i c = f l p + q + 厶+ 屯 其中，兵为系统电流，扛为a p f 输出的补偿电流。 若要系统电流在补偿后仅含基波有功电流f l 口，则： z c2 一h g 一 即a p f 输出的补偿电流既包含与无功电流。大小相等， 也包含与谐波电流厶大小相等，方向相反的分量。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 方向相反的分量， 若a p f 仅补偿谐波电流厶，则补偿后的系统电流西中仅含有基波电流。 2 3 有源电力滤波器的拓扑结构 2 3 1 三相三线制有源电力滤波器的拓扑结构 有源电力滤波器根据接入电网的相数以及有无中线，可以分为单相、三相 三线制和三相四线制有源电力滤波器。图2 5 所示为三相三线制并联型电压源 有源电力滤波器系统结构图，u s 为三相电网电压，乙、i 曲、i s c 为上文有源电 力滤波器工作原理中介绍的三相系统电流，i 口、f 肪、也为三相负载侧电流，i c a 、 i c b 、匕为逆变器输出的三相补偿电流，为直流侧电压。 1 0 a r c 图2 - 5 三相三线制有源电力滤波器 图2 5 所示的三相三线制有源电力滤波器中主电路的拓扑结构采用的是三 相半桥，也可以采用三相全桥的拓扑结构，如图2 - 6 所示。三相全桥的拓扑结 构一般多用于串联型有源电力滤波器中，图中u 、”曲、u 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，因不属于本文研 究的内容，不过多论述。 执氘 图2 - 6 三相全桥主屯路拓扑 2 3 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有源电力滤波器的拓扑结构有三桥臂电容中点 式、三相四桥臂式和三单相全桥结构。其接入方式与三线制相似只是增加了零 线，除三单相全桥结构通过变压器与主电路耦合外，另两种均采用直接接入方 式j 2 , 1 3 1 。对应的电力电子变换装置分别如图2 7 、图2 8 和图2 - 9 所示。 图2 7 三桥臂电容中点式并联滤波器结构 墨叫b 墨叫晷叫b 岛叫 岛叫隆酬罄叫b 舀叫 c 图2 8 三相四桥臂并联滤波器结构 图2 9 三单相全桥并联滤波器结构 电容中点式结构简单，但直流侧使用了两个电容串联，在维持直流侧电压 恒定时要对两个电容进行均压控制，这增加了控制系统设计难度，主要应用于 小容量的场合。三相四桥臂系统的优点是对零线电流单独控制，可补偿零线电 流，但直流侧电压控制等级较高同时增加使用了开关管，主要应用于中小容量 的场合。三单相全桥结构可有效利用直流侧电压使直流侧电压控制等级降低， 变压器使用一方面增加了系统的成本，另一方面变压器本身就是一个谐波产生 源，要求其通带频率高，设计难度大，主要应用大容量的场合。本文主要分析 电容中点式和三相四桥臂并联型有源电力滤波器的谐波检测及其控制策略，对 三单相全桥结构不再具体分析。 1 2 2