（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的混合有源电力滤波系统的研究与实现.pdf

基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 a b s t r a c t w i mt h er a 口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 c s ，a l ls o n so fp o w e re l e c t r o n i c d e v i c e sh a v eb e e nm o r ea 1 1 dm o r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c ha sp o w e rs v s t e m ， t r a 行i c ，i n d u s t r ya n df 孤i ly ，e t c t h ep r o b l e mo fh 锄o l l i ca n dr e a c t i v ec u f r e n t si t b r i n g sa b o u ti sb e c o m i n gm o r es e r i o u sa 1 1 dh a sb e e np a i dm u c ha t t e m i o n t h ep o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e su s eu pr e a c t i v ep o w e r sa n db r i n ga b o u td i s a d v a n t a g ee 丘e c t st o p u b l i cp o w e rn e t w o r k a tt h es a m et i r n em e yp m d u c eh a r m o n i ch a m st op u b l i c p o w e rn e t w o r k i no r d e rt or e s 仃a i nh a n n o n i ca 王1 dc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r t l l e s c h 0 1 a r si nh o m ea 1 1 da b m a dh a v ed e v e l o p e dm a n yn e w - s t y l er e a c t i v ec o m p e n s a t i n g d e v i c e sa 1 1 da c t i v ep o w e rn l t e rs y s t e m s s h u n tp a s s i v ef l l t e r s ，w h i c hh a v eh i t l l e r t o b e e nu s e da i o n et os u p p r e s sh a m l o n i c si np o 、v e rs y s t e m s ，e n c o u m e r e di n s o l v a b l e s h o n c o m i n g ；h o 、v e v e r t h ea c t i v ef i l 把r sh a v et l l ep r o b l e mo f i n i t i a ln l r u l i n gh i 曲c o s t s s ot 1 1 ec o m b i n e da c t i v ed o w e rf i l t e rs v s t e m sh a v eb e e nr e s e a r c h e d b a s e do nd s p ，t h i sp a p e rs t u d i e sm a i l l l yo nm er e a l i z a t i o no ft l l e p a r a l i e l c o m b i n e da c t i v ep o 、v e rf i i t e rs y s t e m nc o n s i s t so fas m a nr a t e da c t i v ef i l t e ra i l da p a s s i v em t e rw h i c ha r ec o n n e c t e di ns e r i e s 、v i me a c ho t h e ra 1 1 di n s t a l l e di nd a r a l l e l w i t h 协ec o m d e n s a t e dh a n n o i l i cl o a d t h ea c t i v ef i l t e ri sc o m r o l l e dt om a 王，et 1 1 es e r i e s h 黜o n i ci m p e d a n c eo ft l l ep a s s i v ea 1 1 da c t i v ef i l t e r se q u a lz e r o ，s oa st oi m p m v et h e f i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft l l ep a s s i v e 捌t e la sar e s u l t ，m ep r o b l e mo ft 1 1 es h u n t p a s s i v ef i l t e ru s e da l o n ei s s 0 1 v e d b a s e do nt h e f p f q a r i t l l m e t i co fm et 1 1 e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ，s o m ec o r r e l a t i n gp r o b l e m s ，w h i c hd e t e c t i n gh i g h f r e q u e n c yh 锄o n i cc u 舭m 印p l y i n gh p f ( h i 曲p a s sf i l t e r ) d i r e c t ly ，a r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ep h a s ed i s t i n g u i s h i n gt e c h n o l o g y t h ei n s t a n t a n e o u sh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n gm e t h o di sl u c u b r a t e l ys t u d i e d ，o fw h i c ht h ef u n d a r n e n t a lc u r r e n ta n da n y t e h l l f r e q u e n c yh a r n l o n i c c u r r e n tc a nb ed e t e c t e d b ym e a n so fm a t h e m a t i c r e a s o n i n g ，i t i sp r o v e dt h a tt h ep l l ( p 1 1 r a s el o c k e dl o o p ) i sn o tu s e d 、v h e no n l yh i g h f b q u e n c y h 姗o n i cc u r r e mi sd e t e c t e d m a k i n gu s eo fm a r l a bs o f t w a r e ，c o m p u t e rs i m u l a t i o ns t u d i e sa r em a d ea t l d t 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l tv a l i d a t e st l l et h e o r e t i c a la n a l v s i sc o r r e c t as m a l ld r a c t i c a l c o m b i n e d6 1 t e rs y s t e mi sd e s i g n e da n dr e a l i z e db yu s i n gc o n t r o l l e rt m s 3 2 0 f 2 4 0 d sp m o s f e ti su s e di nt h e v o l t a g e s o u r c e p w mi n v e r t e lh a r m o n i c c o m p e n s a t i n ge x p e r i m e m sa r ed o n ef o ran o n 1 i n e a r i t y1 0 a da n dt h ec o n t r a s ta n a l y s i s a r e2 i v e n t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sa r es h o w ni nt 1 1 ep a p e rt 1 1 a tt h e c o m p e n s a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t l l es y s t e mi so b v i o u s l yi m p r o v e d ，h e nt h es m a l l r a t e d a c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e mi so p e r a t e d k e y w o r d s ： a c t i v e p o w e rf i l t e r ， h a m o n i c c u r r e n t ， r e a c t i v ec u r r e n t ， i n s t a l l t a n e o u sr e a c t i v e p o 、v e l p h a s e d i s t i n g u i s h i n g ，d e t e c t i n g i i 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密圈 。 沙j 年钿f 舌日 指导教师签名：谚7 同乡由 。k 3 年6 月日 才0 气 & 鹰 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：夕手表) 支 隰洲年乡月“日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 有源电力滤波系统研究的目的和意义 1 1 1电力网的谐波污染问题及无源滤波的局限性 二十世纪二十年代和三十年代，当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造 成了电压、电流波形的畸变，电力系统的谐波问题从而开始引起人们的注意。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文，到了 五六十年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐 波问题的大量论文，七十年代以来，世界各国都对谐波问题予以充分的关注【l j 。 在现代工业企业和运输部门中，非线性电力负荷在大量增加。随着电力电子 技术的飞速发展，晶闸管整流和换流技术得到广泛的应用。例如：冶金、化工、 矿山部门大量使用晶闸管整流电源；工业中大量使用变频调速装置；电气化铁道 中采用交流单相整流供电的机车；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器( 电 视机、电冰箱、洗衣机、电子节能灯) 等等。此外，工业中广泛使用的电弧和接 触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等也均属非线性电力负荷。电力变压器容量 在不断发展，已成为电力网中的一个重要非线性负荷。 电力网的谐波主要由各种大容量电力和变流设备及其他非线性负荷等产生。 非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压波形的畸变( 即电网中谐波含 量急剧增加) ，因此通称为谐波源。谐波的危害是非常严重的，网谐波对各种电力 设施、用电设备，对继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系 统等均有不利的影响，并危及广大用户的正常用电和生产，殃及附近的用电设备。 由于谐波的作用引起的经济损失主要是恶化了电能质量指标，降低了电网的可靠 性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命，在有些情况下还使产品的质量降 低，数量减少。而电力电子设备消耗的大量无功功率也给电网带来额外的负担， 增加了输电线路的损耗，并严重地影响到供电质量，尤其是供电电压的质量。 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有 效措施。由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的l c 无源滤波器( p f ) 是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器虽然结构简单、投资成本 低、技术成熟、运行可靠及维护方便等优点，是目前采用得较为广泛的谐波和无 功抑制手段，但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻抗通路， 以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以 下缺陷1 2 】【3 】1 4 】：( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，不能 第l 页共7 2 页 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 对谐波和无功功率实现动态补偿，lc 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波 性能不稳定，而且滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调：( 2 ) 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lc 网络的设计较困难；( 3 ) 只能消除特定次的几次谐波，而电网的参数与lc 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 ) 电网中的某次 谐波电压可能在lc 网络中产生很大的谐波电流；( 5 ) 谐波电流增大时，滤波器负 担随之加重，可能造成滤波器过载；( 6 ) 有效材料消耗多，体积大。 1 1 2 有源电力滤波系统研究的目的和意义 谐波及其抑制技术的研究是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、 理论电工等领域的重大课题。由于其涉及内容广泛，理论意义和实际的经济效益 都非常重大，因此在世界范围内正在掀起一股研究热潮。2 0 世纪7 0 年代以来， 随着电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中 的应用日益广泛，谐波污染状况及危害程度呈急剧上升趋势。由于电力电子装置 所产生的谐波污染问题是阻碍电力电子技术发展的重大障碍，无法回避，这使得 研究人员不得不投入到谐波问题的研究工作中。近几年来由于谐波问题已引起了 多起民用建筑的火灾事故，电力系统中由于谐波所引起的事故( 如引起谐振，造 成电容器烧毁等) 也越来越多。因此，正像对待大气和水资源环境的污染问题一 样，如果不对电网环境的谐波污染问题及早进行必要的科研投入，必将在事态比 较严重的时候处于十分被动的地位。更何况抑制谐波本身具有十分明显的节能降 耗效益，而且电力电子装置谐波问题的解决也必将极大地促进电力电子这种高效 使用能源的技术在所有涉及电能的场合全面推广和普及。这对于提高我国产业竞 争力、实现低消耗可持续发展的战略具有非常积极的意义。谐波研究的意义更可 以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说， 其“绿色”的标志主要就是“无谐波”【l 】。目前，国际上公认谐波“污染”是电 网的一个比较严重的公害，因此解决此问题是刻不容缓的。 为了克服传统无源滤波补偿系统存在的诸多不足，解决电力电子等非线性负 载所带来的日益严重的谐波问题，随着电力电子技术的不断发展，目前的趋势是 采用电力电子装置进行谐波补偿，因此，国内外学者提出许多有源电力滤波器 f a p f ) 方案，并逐步得到应用。 第2 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 1 2 有源电力滤波系统的发展历史、现状及趋势 1 2 1有源电力滤波系统的国外发展历史及研究现状 有源电力滤波器( a p f ) 的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文【5 】中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电 流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽 然没有出现“有源电力滤波器”一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思 想的萌芽。 1 9 7 1 年， l s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文【6 j 中，首次完整地描述了有源电力 滤波器的基本原理。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，未能在工业中实用起来。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成的有源电 力滤波器【7 】，并正式确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确立了有源电力滤 波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想 的补偿电流发生电路，有源电力滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个 在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络，因此 可以分为并联有源滤波器和串联有源滤波器。其基本结构是一个d c a c 逆变 器与一个谐波注入电路，按照p w m 逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压 型有源滤波器及电流型有源滤波器。但是由于当时电力电子技术的发展水平还不 高，全控型器件功率小、频率低，有源电力滤波器仍然局限于实验研究。 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，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。国外有源 电力滤波器的研究以日本为代表，已进入大量实用化阶段。由于日本社会的电气 化进程早，一直受电网谐波问题的困扰，有源电力滤波器的研究在日本受到了相 当的重视，因此从七十年代有源滤波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的 人力物力进行了深入的研究，现在有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家 越来越多。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“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有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大 地促进了有源电力滤波器的发展，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了实 验室【8 【9 】o 此后这一理论不断完善，在此基础上有源电力滤波器的研究十年间有 了长足的进展。 a k a 2 i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器消除谐波。有源电力滤波器 在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生 第3 页共7 2 页 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为正弦波，通 过不同的控制，还可以对谐波、无功、不平衡等分量补偿，因此功能多，联结也 方便【l 们，但该方法也存在诸多缺点： ( 1 ) 由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器件电压等级要求高。 ( 2 ) 负载谐波电流含量大，这种有源滤波装置的容量必须也很大。 ( 3 ) 同时具有大的补偿容量和宽的补偿频带是困难的。 ( 4 ) 开只适合于电感型负荷的谐波补偿。 ( 5 ) 开关引起的谐波电流将会影响电路中的无源滤波器或电容器的滤波特 性，利用l c 网络吸收这部分高次谐波时，由于l c 网络受电网参数的影响，并 且p w m 逆变器的输出谐波频带宽广，l c 网络难于设计。 1 9 8 7 年，m t 钛e d a 等人提出了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方案。在这种电路中，有源电力滤波器仍起谐波补 偿的作用，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这种 有源电力滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐波 通道【川。 f z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结 构，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻 抗。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐 波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网【1 2 】。 1 9 9 0 年，日本的h f u j i t 等人提出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，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流中 谐波分量成比例的电压，实际上该方案可以等效为f z p e n g 的方案，由于注入变 压器联结在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适合 于高压系统应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感f l3 1 。 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电 力滤波器的综合有源滤波系统。其目的是在电网与公共连接点之间提供一个电压 和电流净化装置，消除用户对电网的谐波污染，同时保证用户得到正弦供电电压。 串联有源电力滤波器将电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源 滤波器，同时阻止电源谐波电压流入负载端。并联有源电力滤波器提供一个零阻 抗的谐波支路，使得负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。该方 案从拓扑上实现了两种方法的综合【l ”。 1 9 9 8 年，国外学者又提出一种新型a p f ，其名称尚未统一，文献 1 5 1 6 称之为统一电能质量调节器( u p o c ) ，目前还处于试验阶段。这种a p f 兼有串、 并联a p f 的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有较高的 性价比，是今后值得推广的一种装置。 第4 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 近几年来，国外学者已经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同 时抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。另外还针对 不同的谐波源，研究最优配置有源电力滤波器和无源滤波器的结合方式，取得了 一定的成效1 7 】【1 8 】【1 9 】 2 0 】【2 1 】【2 2 1 。 有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业 发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产 厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国四门予公司等。据文献 2 3 介绍，自1 9 8 1 年以来，仅在日本，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。 1 2 2 有源电力滤波系统的国内研究状况 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐 波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作【2 ”。夏道止等1 9 9 4 年出版的高 压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作 2 ”。此外，唐统一 等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在 国内有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到 1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章【2 6 】，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验【2 7 】， 国内的研究基本处在理论及实验室阶段。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。从发表的文章看，以理论研究和 实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，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f 。谐波检测算法【2 8 1 ，同时还对基于 d s p 芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究【2 ”。 清华大学的朱东起等和浙江大学的钱照明等都做了一些很有意义的研究【3 o 】口”。 近年来，我国学者提出了基于优化特定消谐p w m 技术的广义有源滤波器【3 2 】【3 3 】， 通过改变逆变器输出波形的频谱分析，使其接近于正弦波，从而达到消谐的目的。 从原理上看，广义有源滤波器是一种新型非跟踪型有源滤波器，其控制系统比较 简单，是一种构思较新颖的有源滤波器。 目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距， 这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工 作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具 有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 第5 页共7 2 页 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 1 2 3 有源电力滤波系统的发展趋势 从近年来的国内外研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展趋势2 2 l 【2 3 】： a 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现 对高次谐波的有效补偿。当a p f 的容量小于2m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿：当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐 波补偿。 b 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器并 联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低成本、提高效率 的目的。从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降； 同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型 有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联a p f 由于其功能强大、性 价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。目前一个应用的新趋势是在供 电系统的供电侧安装一种称为“统一电能质量调节器”的有源电力滤波器的新的 系统构成形式，这是一种综合解决电力系统谐波问题的方法【2 2 1 。 c 可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的有源线路 调节器( a c t i v ep o w e r1 i n ec o n d i t i o n e r ，缩写为a p l c ) 的出现例，表明电力 系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。这种a p l c 其结构与 a p f 相似，因此过去很多文献上都将a p l c 等同于a p f 。其实，从原理上看， 与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是向网络中某个( 几个) 优选节点注入消 谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内流动，实现该范围内所有节点谐 波电压的综合抑制。由于a p l c 代表的是谐波治理的一种更高层次，不应将两者 等同。目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段，实时确定补偿电流、优 选补偿节点、在线测量谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 d 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低成 本和损耗，进一步改善补偿性能，多功能化，有源装置小型化等。在有源电力滤 波器的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源滤波 器的相互干扰，有源滤波器对电网上已装设的l c 滤波器的影响，有源和无源滤 波器结合方式的研究，等等。 第6 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究内容 通过阅读大量的国内外资料，对有源电力滤波系统的理论进行了深入研究。 利用m a t l a b 仿真软件进行具体仿真分析，基于仿真结果，构建了一套实验平 台进行实验研究。 自从三相瞬时无功功率理论提出以来，有源电力滤波器成为研究热点。有源 电力滤波器中关键部分是谐波电流和无功电流的检测及分离，但其算法太复杂且 系统实时性要求较高，一般如5 1 和9 6 系列1 6 位单片机由于速度远远达不到实 时要求，故以前这一部分算法实现较多用模拟电路来代替，但实践表明模拟器件 的固有缺点如可靠性不高，零漂较大等使整个系统的性能变差，而且电路中需要 调节的参数很多，很难达到满意的效果。 有源电力滤波系统在结构上特别适合于全数字化的控制，为此本文提出用 t i 公司t m s 3 2 0 f 2 4 0 为处理器的高速d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片来实 现谐波电流和无功电流检测和分离，设计出系统的硬件和软件，实现有源滤波器 的全数字化控制。 对本文内容作如下安排： 第一章为绪论。 第二章介绍了混合有源电力滤波系统的构成和基本原理。 第三章介绍了两种谐波和无功电流的实时检测方法。即基于三相电路瞬时无 功功率理论的检测法和基于鉴相原理的检测法，并基于m a t l a b 仿真语言进行了 计算机仿真研究。 第四章研究设计系统的硬件实现方案和软件实现方案。基于t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 构建系统的实验平台，进行实验研究，给出相应的实验结果。 第五章总结课题的得失，并就进一步需要研究讨论的问题作了展望分析。 第7 页共7 2 页 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 第二章混合有源电力滤波系统的构成与基本原理 2 1l c 滤波器 2 1 1l c 滤波器的结构和基本原理 在抑制谐波的各种方法中，l c 滤波器是传统的谐波补偿装置，出现最早，且 存在一些难以克服的缺点，但因其具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较 高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的方法。 l c 滤波器也称为无源滤波器或者交流滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电 阻器适当组合而成的滤波装置，装设在谐波源处，与谐波源并联，用来吸收谐波 源产生的谐波电流，还兼顾无功补偿的需要，这是防止谐波源注入系统谐波电流 的有效而通用的措施。l c 滤波器又分为分调谐滤波器和高通滤波器两种。前者有 单调谐滤波器及双调谐滤波器，用于吸收单一次数或相邻的两次谐波，后者用于 吸收某一次数及以上各次谐波。对于大容量的谐波源，次数较低、含量较大的几 次谐波，如3 、5 、7 次，可对每次谐波各装一个单调谐滤波器，将谐波分别滤除。 次数较高的几次谐波，如1 1 次及以上各次，则装一个高通滤波器将其谐波全部滤 除。对于小容量的谐波源，可装一个高通滤波器，这样可使各次谐波电流进入滤 波器，不再注入系统。双调谐滤波器承受基本电压的能力较高，基波功率损耗较 小，但结构比较复杂，调谐较困难，当前仅应用在高电压的场合。实际应用中常 用几组单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波装置f 3 4 1 。 l c 滤波器是利用电容和电感串联谐振的原理，在调谐频率处形成接近于零的 低谐波阻抗，如3 次谐波滤波器，调谐至3 次谐波频率处的阻抗接近于零；高通 滤波器则调谐至某次谐波及以上的各次谐波阻抗接近于零，则各次相应的谐波电 流均从各自滤波器的低阻抗中分流，从而抑制了注入电力系统的谐波电流。 1 单调谐滤波器 单调谐滤波器为电容、电感的串联谐振电路，用于滤除某一特定频率处的谐 波。电路原理图如图2 1 ( a ) 所示。滤波器对n 次谐波( 。= 珂棚，) 的阻抗为 乙础扫圳砌卜赤) ( 2 - 1 ) 式中，下标f n 表示第n 次单调谐滤波器。 由上式可以画出计入电阻后取其模i z f n l 的阻抗频率特性，如图2 1 ( b ) 所示。 第8 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成的，谐振次数n 为 ”： i ( 2 2 ) 舻i 面 2 。动 在调谐频率( 串联谐振点) 处，i z f r i i = r f n ，谐波阻抗最小，且为纯电阻，该 次( n 次) 谐波电流主要由r f h 分流和吸收，很少流入电网中。而对于其他次数的 谐波，若谐波次数小于调谐频率的谐波，则l z m l r f t l ，滤波器呈容性；若谐波次 数大于调谐频率的谐波，则i z f h p r f l ，滤波器呈感性。由于离开调谐频率的l z f n i 增大很快，故两侧谐波不能被大量的分流和吸收。因此，简单地说，只要将滤波 器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波 器，从而起到滤除该次谐波的目的。 滤波器的品质因数为调谐频率处的感抗或者容抗与电阻r 之比，用q 表示 g = 半= 志= j 吉他 ( 2 s ) q 决定了滤波器调谐的敏锐度。q 越大，即r 越小，谐波阻抗频率特性的陡度即 绝对值idj z f n l d fi 越大，滤波器的调谐越敏锐。q 过大，会使被滤谐波频率的频带 过窄，当系统频率或滤波器电容、电感参数发生偏差时容易失谐，q 过小会使滤 波器的损耗增大，调谐滤波器品质因数的典型值为q = 3 0 6 0 。 t iz f 。 一c l 口r r f 。 山( ”由，) ( a ) ( b ) ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 图2 1 单调谐滤波器原理及阻抗频率特性 2 高通滤波器 l f 一 ( a ) ( b ) ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 图2 2 二阶高通滤波器原理及阻抗频率特性 鬲通滤坡器也称为城幅霭坡器，二膨r 商遗滤坡器、撼、饭住能最好，凼向最雨用。 图2 2 ( a ) 给出二阶高通滤波器的电路原理图。二阶高通滤波器的复数阻抗为 z = 去+ c 去+ 志) _ 1 = 惫斋坝# 舞一专 陋。， 一雨丽叫。雨丽一历 u 1 1 z i 随频率变化的曲线如图2 2 ( b ) 所示。该曲线在某一很宽的频带范围内呈现 钨9 丽其7 2 丽 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高 通滤波器。从某一频率f o 开始，l z l 值很小，当频率低于f 0 时其阻抗显著增大，该 f 0 称为截止频率。为与次数较低的单调谐滤波器配合，其截止频率次数n = f o f l 应 比调谐滤波器滤除的最高谐波次数至少大1 ，截止频率与滤波器参数r 、c 按下式 配合 1 兀2 嘉 ( 2 5 ) 谐波阻抗i z 值为最小时的频率f m 选择在要滤除的主要谐波处。 当滤波器电路存在谐振状态时，在谐振频率处，式( 2 4 ) 阻抗z 的虚部为零， 调谐频率为 ，：生： 。 2 厅 r 一 再一再 其中，加2 南。 式中m 一为高通滤波器的结构参数，一般为m = 0 5 2 0 。 可看出，仅当m 1 时才存在调谐状态及调谐频率。代入式( 2 4 ) 得高通滤波 器在调谐频率处的最小阻抗为 ， z 2 赤2 m r ( m 1 ) ( 2 - 7 ) 为等值纯阻抗。 当f 1 ，滤波器不存在谐振状态及疳，式( 2 4 ) 等值串联阻抗的虚部为容性， 故滤波器对于全部频率均呈容性。 高通滤波器的品质因数q ，把滤波器电路化为式( 2 4 ) 所示的等值串联电路， 按调谐滤波器的品质因数，可表示为 d = 兰 一砒 为了统一适应各种阻抗频率特性，规定对应l 、c 串联电路谐振时的频率，即 2 卯：2 夕幺万时上式的q 值为高通滤波器的品质因数值 第1 0 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 卿，捂= 去 p s ， 不同的m 或q 值会影响到高通滤波器的阻抗频率特性。一般参数m = o 5 2 0 ，故 高通滤波器q 的典型值为q = 0 7 1 4 【3 4 】。 2 1 2 l c 滤波器的设计 设计l c 滤波器时，首先应该满足各种水平下对谐波限制的技术要求，然后 在此前提下，使滤波器在经济上最为合理。 l c 滤波器应满足两个基本要求：( 1 ) 使谐波源注入系统的谐波减少到标准固 定的允许水平；( 2 ) 进行基波无功补偿，供给如交直流换流器一类谐波负荷所需 的全部或部分无功功率。前者决定于滤波器的参数配合，及其谐波阻抗与系统谐 波阻抗间的分流比，与滤波器安装点的系统阻抗频率特性有关。后者则决定于滤 波器的容量和尺寸【 。 根据国家标准，滤波性能的下列指标：各次谐波电压含有率h r u 。、电压总 谐波畸变率t h d 。和注入电网的各次谐波电流大小都应满足规定标准【l 】【3 4 1 。由于 滤波装置是由各种不同形式滤波器组合而成，结构并非唯一，在满足上述技术要 求的前提下，可有多种不同的滤波装置方案，为此需要对不同的方案做经济分析。 除技术要求和经济分析外，设计滤波装置还应考虑： 1 ) 滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变，电网频率 会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。 2 ) 电网阻抗变化会对滤波装置的滤波效果有较大影响，而更为严重的是， 电网阻抗与滤波器有发生并联谐振的可能，设计时必须予以充分考虑。 根据以上要求，设计滤波装置的一般步骤如下【l 】： 1 ) 准备设计的原始数据，包括估算系统中谐波源向电力系统注入的各次谐 波电流，进行谐波阻抗分析，确定应提供的无功补偿容量大小等。 2 ) 确定滤波装置的构成。 3 ) 滤波装置中各滤波器的初步设计，初步确定各单调谐滤波器、高通滤波 器中各元气件参数、容量等。 4 ) 滤波装置的最后确定，这包括计算滤波器之间的影响，校核滤波装置是 否满足谐波抑制的要求，对系统进行谐波潮流计算，对不同方案进行经济分析等。 本课题研究的系统中，负载为三相全控桥式整流电路的交流侧电流，负载电 流中含有高次谐波，因而实验系统中设置一组无源滤波器，滤波器的参数根据负 载及系统构成的综合阻抗的频率特性、并考虑系统谐波源的作用，使其对于滤除 谐波源负载的谐波，选择技术、经济最合理方案。具体参数见后面表f 4 1 ) 。 第l l 页共7 2 页 基于d s p 的混合有源电力滤波系统的研究与实现 2 2 有源电力滤波器 随着电力电子装置的日益广泛应用，电网的谐波污染问题越来越严重。此外， 电力电子装置较低的功率因数也对电网的运行产生不利的影响。电力谐波治理与 无功补偿已成为广泛受到关注的课题。传统的无源l c 滤波器和一些无功补偿装 置，由于受自身能力的限制，已不能满足现代电力系统发展的需要。许多研究人 员已把注意力集中到对电网阻抗和谐波频率有较好适应能力，且不会产生谐波放 大和过载的有源电力滤波器( a p f ) 的研究上。 2 2 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器( a p f ) 是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力 电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法仅能对确定频率进行滤波和补偿，有源 电力滤波器的应用可以克服这些缺点。它具有对补偿对象的瞬态响应快，受电源 阻抗影响不大，不易和电源阻抗发生谐振等优点。另外，有源电力滤波器补偿无 功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。因此，有源电力 滤波器引起了许多专家学者的关注和研究，并在日、美等国家已大量地投入工业 应用。 图2 3 所示为最基本的有源电 力滤波器系统构成的原理图。图中 v s 表示交流电源，负载为非线性的 谐波源，它产生谐波并消耗无功功 率。有源电力滤波器系统由两大部 分组成，即指令电流运算电路和补 偿电流发生电路( 由电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路三个部分 构成) 。其中，指令电流运算电路的 核心是检测出补偿对象电流中的谐 波和无功电流等分量，因此也称之 l 一一一一1 图2 3 有源电力滤波器( a p f ) 系统构成 为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路 得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w m 变 流器。在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。 图2 3 所示的有源电力滤波器( a p f ) 的基本工作原理是，实时检测补偿对象 的电压和电流，经指令电流的运算电路计算得出补偿电流( 谐波和无功电流) 的 第1 2 页共7 2 页 江苏大学硕士学位论文 指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电 流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的 电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无 功的目的。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出 补偿对象负载电流f ：的谐波分量f 将其反极性后作为补偿电流的指令信号0 由补偿电流发生电路产生的补偿电流即与负载电流中的谐波分量以大小相等、 方向相反，因而两者互相抵消，使电源电流f 。中只含基波电流分量，不含谐波电 流分量。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可用一组公式描述： z j = k + z c 2 j = e c 6f 2 9 、 i f = 一l 、7 f j = k + l c = 7 式中，由负载电流中的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要 在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功功率成份相抵消，电源电流等于负载电 流的基波有功分量。 2 2 2 有源电力滤波器的特点及其分类 目前电力系统中进行补偿的电力电子装置可以分为两大类：一类是以补偿无 功功率为主，其典型装置为静止无功补偿器( s v c ) ；另一类是以补偿谐波为主， 其典型装置为有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。有源电力滤波器的思想早 在七十年代就出现了【5 】 ，而直到八十年代以来，由于新型电力半导体器件的出 现，p w m 逆变技术的发展【”，以及基于瞬时功率理论的谐波电流的瞬时检测方 法的提出【8 】，有源电力滤波器才得以迅速发展。与l c 无源滤波器相比，由于有 源电力滤波器