（电力电子与电力传动专业论文）基于限容控制策略的有源电力滤波器并联运行研究.pdf

茎坐盔兰三兰堡主兰垡丝苎 a b s t r a c t p r o l i f e r a t i o no fn o n l i n e a rl o a d sh a sc a u s e ds e r i s eh a r m o n i cc u r r e n ta n d r e a c t i v ep o w e ri s s u e s i n p o w e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m s t h ea c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) u s i n gt h ef a s ts w i t c h i n gc o n v e r t e r t os u p p r e s st h eh a r m o n i cc u r r e n t ， a n d c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r h a sb e e np r o v e dt op o s s e s s g o o d p e r f o r m a n c e f o rd e a l i n gw i t ht h e s ei s s u e s h o w e v e r , s i n g l ea p fc o m p e n s a t i o nc a p a c i t yi sl i m i t e db yt h ec a p a b i l i t yo f p o w e rd e v i c e ，i t si m p o r t a n to nr e s e a s r e h i n gp a r a l l e lo p e r a t i o no fm u l t i - a p f s t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e p a r a l l e lo p e r a t i o no f m u l t i - a p f sc a na c h i e v eh u g e c a p a b i l i t ya n di m p r o v et h er e d u n d a n c ya n df l e x i b i l i t yo ft h ec o m p e n s a t i o n s y s t e m p a r a l l e lo p e r a t i o np e r f o r m a n c ea n di m p l e m e n t a t i o no ft h ea p fb a s e d o nt h ec a p a c i t y - l i m i t a t i o na r ee x p l o r e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h em s t e s td e v e l o ps i t u a t i o no fa p fi ss t a t e d i ti sa l s od i s c u s s e d a b o u th o wt od e t e c th a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n t o nr e s e a r c h i n go i l m a n yc o n t r o lm e n t h o d so fp a r a l l e l e da p f s ，an e wc o n t r o lm e t h o db a s e do n c a p a c i t y - l i m i t a t i o ni sp r o p o s e d a d v a n t a g e so f t h ep r o p o s e da p p r o a c hi n c l u d eh 远hf l e x b i l i t yf o re x t e n d i n g s y s t e mc a p a c i t y , h 远hr e l i a b i l i t yd u et on oc o n t r o li n t e r c o n n e c t i o n , r e d u c i n g p o w e rc a p a c i t yd e m a n do fs i n g l ea p f ，h i g hm o d u l a r i t yd u et oi n d e n t i c a l a p f s ，s t a b l er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n ts h a r i n ga n di t sp e r f o r m a n c e i si n s e n s i t i v et o p a r a m e t e r s m i s m a t c ho fa p f s c o s t e f f e c t i r ed u et o m o d u l a r i z a t i o n , a n ds oo i ls o m es i m u l a t i o nw a v e sa r ea l s od e m o n s t r a t e dt o a p p r o v ei t sf e a s i b i l i t y f i n a l l y , t w os i n g l e - p h a s ea p f sa r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ec o n t r o l c i r c u i t sa n d p a r a l l e do p e r a t i o np r o g r a mb a s e d 0 1 2d s pa r e d e s i g n e d r e s e a r c h i n ga n da n a l y s i n go f t h ee x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e db a s i c a l l ya tt h ec a s e o f l o wv o l t a g e k e y w o r d sa p f ；p a r a l l e lo p e r a t i o n ；c a p a c i t yl i m i t a t i o n ；d s p ；r e d u n d a n c y 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于限容控制策略的有 源电力滤波器并联运行研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士 学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将 完全由本人承担。 作者签字刈幺绎日期：知7 年千月；d 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 基于限容控制策略的有源电力滤波器并联运行研究系本人在燕山 大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相 关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借 阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文， 可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密i 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：毒j l 元巾 导师签名钗务钙 日期：乃口7 年伯。日 日期：叼年相湘 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各种非 线性和时交性电子装置如逆变器、整流器以及各种开关电源等大规模地应 用，其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大 量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真， 从而替代了传统的变压器等铁磁材料的非线形引起的谐波，成为最主要的 谐波源。电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低 了人民的生活质量。世界各国已经十分重视电能质量的管理。谐波治理是 电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。 为抑制非线性设备谐波污染，出现了许多解决谐波问题的方法，有源 电力滤波器是一种很有发展前景的谐波抑制技术i l 叫。从八十年代以来，有 源电力滤波器理论与应用方面均取得了很大的进展，随着h a k a g i 等人提 出的“三相电路的瞬时无功功率理论”在有源电力滤波器a p f ( a c t i v e p o w e rf i l t e r ) 中的成功应用，有源滤波器进入了工业实用化阶段i “】以该 理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测 方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。 基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路，实现时多为模拟电路， 其线路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者提出了许多简单的理论和方法， 力图来完成谐波和无功电流的分离工作1 7 j 1 。近年来高速数字信号处理器 d s p 的出现及其性能价格比日益提高，有源电力滤波器的数字控制方案引 起了人们的重视阻1 1 】。数字控制相对于模拟控制有很多优点，尤其在计算 负载电流中的谐波和无功电流方面有着模拟控制难以取代的优势。随着 d s p 芯片的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的研究也在积极 地进行0 2 , 1 3 1 。可以预见在不久的将来，在有源电力滤波器中，数字控制将 会取代模拟控制 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 传统电力系统谐波及其补偿方法 谐波补偿的传统方法是采用l c 调谐滤波器。它是由电容器、电抗器 和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，起旁路谐波的作用， 还可以兼顾无功补偿的需要。l c 调谐滤波器具有结构简单、设备投资少、 运行费用较低等优点。但是这种方法有如下的不足：它的补偿特性易受电 网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不 甚理想。 1 3 有源电力滤波器技术及发展现状 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器a p f 有源电 力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波 和基波无功电流。由补偿装置产生一个与该谐波和基波无功电流大小相等 而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含基波分量。这种滤波器能够对 幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响， 因而受到广泛重视【1 4 】。 国外电力有源滤波器的研究以日本为代表，已步入实用化阶段随着 容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向改善整个电力 系统供电质量的方向发展。在日本、美国等少数工业发达国家，有工业装 置投入运行，其装置容量最高可达2 0m v a ，国内对有源电力滤波器的研究 尚处于起步阶段。 目前，在装置技术方面，国外的研究主要朝提高补偿容量、改善补偿 性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展。在应用方面， 主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策，解决最优配置、有源滤波器 的相互干扰及其对电网上装设的l c 滤波器的影响以及停电和瞬间保护等 问题。与此相关的还有谐波的预测、有源滤波器系统的故障诊断以及补偿 容量的计算等方面的课题。 2 第1 章绪论 1 3 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型、拓扑结构和电源相数 来进行分类。 ( 1 ) 根据使用的交流器类型分类有源电力滤波器的主电路有两种类 型，即电流型p w m 变换电路和电压型p w m 变换电路，它的作用是产生 非正弦电流来补偿非线性负载的谐波电流。电流型有源电力滤波器虽有较 高的可靠性，但却有较高的损耗并且在交流侧需要并联数值较大的电感， 因此在一般场合下使用较少。而电压型p w m 交流器直流侧并有电容，损 耗较少、造价低、体积小，所以现在主要使用的是这种装置。 ( 2 ) 根据拓扑结构分类按照拓扑结构，有源电力滤波器可以分为串联 型1 1 5 - 1 7 1 ，如图1 1 所示；并联型1 1 8 , 1 9 ，如图1 2 所示；以及两者混合使用 的统一电能质量调节器口乱】，如图i - 3 所示。 图l l 串联a p f图1 - 2 并联a p f f i g 1 - 1s e r i e s 心tf i g 1 - 2s h u n ta p f 串联有源和并联无源混合使用的滤波器被称作复合型滤波器。目前的 研究主要集中在交流有源电力滤波器上，直流有源电力滤波器的研究也在 逐步开展，典型的研究之一是在直流输电系统中的应用就目前来看，单 独使用串联型a p f 的方式并不多见，大多数a p f 采用并联或混合型补偿 方案，单独使用a p f 时所要求的装置容量较大，这在经济上是不合算的。 所以混合型a p f 引起了大家的重视，也是目前研究的一个热点。混合型 a p f 中有源电力滤波器容量般仅占总补偿容量的5 - 1 0 ，这样整个补 偿装置将有一个好的性价比 3 燕山大学工学硕士学位论文 图1 - 3 统一电能质量调节器 f i g 1 - 3u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ( 3 ) 根据电源的类型分类有源电力滤波器可以按照单相和三相( 三线 或四线) 电源或负载系统分类。有许多非线性负载，如家用设备，连接在 单相电源系统中。一些不带中线的三相负载由三相电源供电。还有许多单 相非线性负载，如计算机、家用电灯等，分布在三相四线制系统中所以， 有源电力滤波器可根据单相、三相三线和三相四线进行分类。 1 3 2 制约有源电力滤波器发展的主要问题 目前，妨碍有源电力滤波器大量使用主要因素有以下几个方面 2 3 2 5 1 ： ( 1 ) 与无源滤波器相比，设备的初期费用偏大。目前这两者的费用比大 约在7 ：1 左右但从长远来看，随着电力电子器件价格的下降，这个比值 会随着技术的成熟而大幅下降。 ( 2 ) 单台有源电力滤波器的容量受多方面的限制，使其实际应用有很多 困难，因此提高有源电力滤波器的容量是亟待解决的问题。 ( 3 ) 有源电力滤波器的自身损耗问题。有源电力滤波器的主开关器件由 于工作在高频状态，其开关损耗是不可避免的。与无源滤波器的2 4 5 恻a 和同步调相机1 2 3 0w k v a 相比，有源电力滤波器的损耗要达到 5 0 - - 。如何减少这一部分的损耗，并提高a p f 的效率也是今后9 0w k v a 研究的一个重点。 ( 4 ) 有源电力滤波器工作在高频状态，其产生的电磁干扰、电磁元件的 发热也是妨碍其使用的一个因素。 4 第1 章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本课题主要完成了以下几个方面的工作： ( 1 ) 在查阅相关文献和资料的基础上，阐述了电网谐波污染问题；简单 介绍有源电力滤波器的研究现状及发展前景；详细阐述了目前常用的有源 电力滤波器数字控制方法的分类和原理。 ( 2 ) 比较研究了各种有源电力滤波器并联控制方法的优缺点，在此基础 上介绍了限容控制的工作原理，分析出限容控制系统具有良好的稳定性。 对限容控制a p f 系统的基本结构进行说明，对其谐波抑制和无功功率补偿 原理进行分析研究。 ( 3 ) 对限容控制有源电力滤波器系统中的各种非理想情况进行深入探 讨，通过理论分析和仿真研究验证了在负载突变，a p f 单元热插拔等情况 下系统仍具有良好的补偿特性。 ( 4 ) 以单相a p f 系统为主要研究对象，研制出了基于数字信号处理器 d s p 的有源电力滤波器的限容控制系统。 最后在两个容量为1k v a 的容量限制数字控制a p f 实验样机上进行 补偿实验，验证了理论分析的正确性和控制方案的可行性，基本完成了低 压系统实验研究与分析。 5 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章并联型a p f 的工作原理 2 1 并联型a p f 基本工作原理 图2 - l 所示为最基本的有源电力滤波器原理框图，它是电压源型交流 器，以并联形式接入电网的，可称之为电压型并联有源电力滤波器【2 6 1 。图 中心表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功功率，从而使 电网电流发生畸变。 图2 1 所示的有源电力滤波器系统由指令电流运算电路和补偿电流发 生电路两大部分组成。其中补偿电流发生电路又可以分为电流跟踪控制电 路、驱动电路和主电路三个部分指令电流运算电路的核心是检测出负载 电流中的谐波和基波无功电流分量，因此也叫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计算得出的谐波和无功 电流分量，将其反向后作为补偿电流指令信号，该指令信号经驱动电路， 来使主电路产生所需的补偿电流注入电网中用以抵消电网中的谐波和基波 无功电流分量，最终在电网侧得到所期望的电网电流。 图2 - 1a p f 原理图 f i g 2 - 1p r i n c i p l ed i a g r a m o f a c t i v ep o w e rf i l t e r 6 第2 章并联型a p f 的工作原理 假设负载电流的形式为： t = 0 + 也：( 2 - 1 ) 式中，为负载基波有功电流，么为负载基波无功电流和谐波电流之 和。如果要补偿负载的谐波和无功电流，只需通过指令电流运算电路运算 得到谐波和无功电流，将其反极性后作为补偿电流信号的参考值f ，再通 过补偿电流发生电路产生相应的补偿电流与负载所产生的谐波和无功电流 相抵消。最后使电源电流只含负载基波有功电流 2 一 = 屯+ 之= 0 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 如果只要求补偿负载所产生的谐波或无功电流，那么只需让指令电流 运算电路仅检测负载的谐波或无功电流即可实现补偿。根据同样原理有源 电力滤波器还可以对不对称三相电路的谐波无功电流和负序电流等进行补 偿。借助于适当的p w m 控制方式，交流器就能完全控制有源滤波器输入 电流的波形，使其与指令电流的波形保持一致，实现对各种负载的补偿。 在理想情况下，a p f 如果无任何损耗，那么即使有源滤波电流中不含 基波有功电流，直流侧电容器电压也能维持其平均值不变。在实际系统 中由于有损耗存在，储能电容器的电能将逐步被消耗而使其电压降低。为 了稳定电容器电压以保证a p f 正常工作，可以在控制系统中引入v 出平均 值的负反馈，以使滤波电流中含有正好可以补偿a p f 损耗的基波有功电流 分量。这样滤波电流中不仅含有谐波基波无功电流分量而且含有适当的基 波有功电流分量。 2 2 并联型a p f 的主电路及补偿特性分析 有源电力滤波器的主电路通常采用p w m 变流器，根据直流侧储能元 件的不同，可分为电压型和电流型两种。图2 2 和图2 3 分别示出可用于 单相有源电力滤波器系统的电压型和电流型p w m 交流器。 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基 本保持不变，可看作电压源，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压 7 燕山大学工学硕士学位论文 进行控制，在交流侧的输出电压为p w m 波。 电流型p w - m 变流器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基 本保持不变，可看作电流源，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流 进行控制，在交流侧的输出电流为p w m 波。 u c l 图2 2 电压型p w l v t 变流器图2 - 3 电流型p w m 变流器 f i g 2 - 2v o l t a g es o i r c ep w m r e c t i f e r f i g 2 - 3c u r r e n ts o u r c ep w m r e c t i f e r 有源电力滤波器分为并联型和串联型，并联型a p f 主要适合对电流型 谐波源进行补偿，串联型a p f 主要适合于对电压型谐波源进行补偿。本文 中采用的是并联型a p f 用来补偿电流型的谐波源，下面分析并联型a p f 的运行特点 2 7 - 2 9 1 。 ；并联型a p f 与负载并联，工作时通过控制a p f 产生一个与负载谐波 电流大小相等方向相反的电流注入电网，抵消负载产生的谐波电流，使电 源电流接近正弦波，从而达到谐波李卜偿的目的。因此，并联型a p f 本质上 属于受控电流源。并联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路如图3 1 所示。 并联型a p f 补偿电流型谐波源时的等效电路如图2 - 4 ( a ) 所示。电源的 谐波电流为： 2 再h s h 4 乙l + i p 乙+ 一i o ) ( 2 川 当电网电压无畸变时，= 0 ，如果控制a p f 输出电流= ，就能 使= 0 这说明，不论负载是否为理想谐波电流源，并联型a p f 均能补偿。 所以，并联型a p f 适合补偿电流型谐波源，如直流侧电感滤波的整流器。 s 第2 章并联型a p f 的工作原理 z i z 1 i z - 圃乙围i 图2 - 4 ( a ) 电流型谐波源图2 - 4 电压型谐波源 f i g 2 - 4 ( a ) c u l r c n th a r m o n i c $ 0 1 1 t c ef i g 2 - 4 ( 聃v o l t a g eh a r m o r i i cs o u r c e 并联型a p f 补偿电压型谐波源时的等效电路如图2 - 4 ( b ) 所示电源的 谐波电流为： 5 两l , l s h - - u l ：h + 彘之( 2 - 5 ) 当电网电压无畸变时，“。- - - 0 ，如果控制a p f 的输出电流= “， 就能使- - 0 。因此，从理论上讲，如果让其补偿电流为；，并联 型a p f 能补偿电压型谐波源。但是，补偿效果受等效电阻乙的影响，而乙 的大小又由滤波电容决定。对乙较大的电压型谐波源，并联型a p f 有一 定的补偿效果。一般情况下，直流侧含有电容滤波的整流器，虽然不能等 效成理想谐波电压源，但仍然可以看成乙很小的谐波电压源。因此，补偿 此类负载时，并联型a p f 需要产生很大的补偿电流t 。特别是当滤波电容 足够大时，负载可以看成是理想谐波电压源，忍接近零，这时，需要产生 无穷大的补偿电流，这是不可能实现的。 实际中，要使并联型a p f 产生需要的补偿电流，则要求提高其产生谐 波电流的能力。这就意味着必须提高它的直流侧电压。与此相适应，元器 件耐压也必须提高。而元器件耐压的提高不可能是无限的，从而决定并联 型a p f 产生谐波电流的能力是有限的。另外，元器件耐压的提高势必使 a p f 的成本提高，经济性能比下降。综合这些因素，并联型a p f 不适合补 偿电压型谐波源。 9 燕山大学工学硕士学位论文 2 3a p f 的电流跟踪控制策略 a p f 的控制电路可分为两个环节：电流跟踪控制电路和p w m 驱动电 路。电流跟踪控制电路根据补偿电流的参考信号和实际补偿电流之间的相 互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个功率器件通断的p w m 信号，驱动电路根据p w m 信号直接驱动相应器件的开通和关断【3 2 1 。 有源电力滤波器工作时，通过控制p w m 逆变器中的开关状态，使输 出的补偿电流实时跟随参考电流而变化，以达到理想的补偿效果。这就给 电流波形控镱4 提出了很高的要求。 一般电流跟踪控制电路必须满足以下三个要求： ( 1 ) 补偿电流的快速控制能力； ( 2 ) 由开关操作而产生的谐波失真要尽量小； ( 3 ) 如果是多重化有源滤波器，则必须使每一个逆变器的开关频率相 等。并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪参考电流的变化， 要求补偿电流发生器有很好的实时性。 目前电流的跟踪方法主要有两种：滞环比较控制和三角载波控制。下 面对这两种方法进行比较分析： 2 3 1 滞环比较控制方法 a i c lf m r 一 jl 7 - - h + h 图2 - 5 滞环比较控制原理图 f i g 2 - 5p r i n c i p l ed i a g r a mo f h y s t e r e s i sc o m p a r ec o n t r o l 滞环比较控制方法采取瞬时值比较的方式，如图2 5 所示。补偿电流 的参考信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者的偏差t 作为滞环 比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的p w m 信号， 1 0 第2 章并联型a p f 的工作原理 从而使主电路产生补偿电流注入电网中 设滞环比较器的环宽为日，当t h 时，p w m 信号控制的开关通断 应使得丘增大；当馘 毛，故第一个a p f 只提供幅值为的畸变电流毛，其 输入畸交电流幅值为厶。挑= 1 5 l ，因为五2 = 磊。，第二个a p f 也向总线提 供五：砌= 七，于是，矗：加= o 5 厶；类似地，五，= 乓2 ，第三个a p f 提供 五，。= o 5 ，所以，厶，即为正弦波。从第四个a p f 开始，输入电流无畸 变，所以第四个和第五个a p f 没有参与谐波分配。 l i i l 4 , 1 。= k “i i l 2i d ml l 2 m 2l 1 i l l 图3 4 ( b ) 谐波电流分配 f i g - 3 - 5 ( b ) h a r m o n i cc t n t e n ls h a r i n g 3 2 4与其它a p f 并联方法性能的比较 由以上分析可以看出，负载的无功和谐波电流都被并联的a p f 模块补 偿掉了，系统输入无功功率幺与输入畸变电流厶。，为0 ，可使系统得到单 位功率因数，由此也可以看出限容控制a p f 的并联运行有以下特点： 1 ) 扩展系统容量非常容易，只需增加更多的a p f 。 2 ) a p f 之间没有控制上的联系，任何a p f 的中断不会影响其它的a p f 的正常运行，a p f 的在线更换和维护是可行的，所有这些都确保了系统的 2 l 燕山大学工学硕士学位论文 高可靠性。 3 ) 主电路采用高频i g b t 电压型逆变器可以用来达到更好的滤波性能， 也能减少对单个a p f 的容量要求。 4 ) 由一系列限容控制实现的无功功率和谐波分配是十分稳定的，即使 a p f 总量小于负载要求，控制精度对a p f 参数的不一致也不敏感。 5 ) 因为a p f 可以模块化，所以其性价比好。系统可以通过扩展十分接 近负载要求，使冗余最小化。 由于容量限制，负载的无功功率和谐波电流几乎被参与补偿的a p f 平 均分担，但是要注意到，参与补偿无功功率的a p f 和参与补偿谐波的a p f 个数可能不等，补偿无功功率的a p f 不一定分担电流。总之，这项技术的 价值在于容量扩展的可行性和可靠性，这些特征明显优予以前的研究方案。 表3 - l 限容控制a p f 与其它控制方案的比较 并联控制方案控制算法控制稳定性响应速度并联可靠性 不好( 主从控制， 慢( 计算平均无功功率 同步检测算 不好( 属功率闭 某点故障即可导 负载电流分配需要低通滤波器) ( 直 法环调节)致整个系统关 流分量) 闭) 不好( 任何a p f 不同开关频率多电同步检测算好( 属功率开环快( 计算平均无功功率 停止工作将导致 流控制逆变器 法调节)不需要低通滤波器) 整个系统故障) 慢( 需要低通滤波器以不好( a p f 停止 不同开关频率瞬时无功算好( 属功率开环 消去平均有功功率) 工作将导致系统 a p f 的级联 法调节) ( 直漉分量)部分故障) 慢( 计算平均无功功率 限容控制 同步检测算 好( 属功率开环 需要低通滤波器) ( 直优秀 a p f 的并联法调节) 流分量) 第3 章a p f 并联系统分析与设计 表3 1 列出了本方案与其它几种以前研究方案在各方面的比较 4 0 - 4 2 。 在稳定性方面，由于本方案的无功功率控制是通过计算负载无功功率然后 转换成要求的逆变器电流指令来实现的，故无功功率控制是开环的，其稳 定性与其它的开环控制方案是一样的。 在控制算法上，本方案通过控制使输入电流是正弦的且与电网电压同 相位，与同步检测算法一样，能有效降低系统电压畸变。但为了限制无功 功率容量，需要通过低通滤波器计算平均无功功率，使其相应速度类似于 瞬时无功功率算法。就并联运行可靠性而言，本方案是表中最好的。 3 3 单台限容控制a p f 特性分析 3 3 1单台不限容a p f 模块的实现 采用限容思想的a p f 并联模块控制方法都是相同的，而且相互没有任 何的关联。由于要对每个a p f 模块进行限容，则要分别计算出谐波和无功 电流，并分别对其进行限幅，从而达到并联运行的目的。 图3 - 6a p f 仿真图 f i g 3 - 6s i m u l a t i o nd i a g r a mo f a p f 燕山大学工学硕士学位论文 a p f 的限容控制是建立在精确计算负载谐波和无功电流的基础上的， 为了验证第2 章中的瞬时谐波和无功电流计算方法的正确性，我们首先用 p s p i c e l 4 0 仿真软件对单台不限容a p f 模块进行了系统仿真。 仿真参数：非线性负载为单相可控整流阻感性负载：r = 3 0q ，l = 3 0 m h ，在1 0 0i l l s 时负载发生跳变，将另外一路负载：r = 3 0 绝，l = 1 5m h 与 原负载并联。输入电源电压2 2 0v ；交流电抗器l = 0 0 2m h ；电容c = 1 0 0 0 心：直流电压给定为3 4 0v 。 利用以上检测方法来搭建仿真电路，如图3 - 6 所示仿真电路图中， 将采样的负载电流分为三路，其中两路分别通过低通滤波器来得到基波有 功和基波无功电流，另外一路与它们相减之后得出负载的谐波电流。谐波 电流和无功电流相加之后作为给定信号和补偿电流的采样信号一起送给滞 环电路，从而产生驱动信号来控制主电路开关的导通与关断。在求基波有 功和无功电流的时候，需要用到与电网电压同相位的正弦信号和余弦信号， 可以通过信号发生器来产生 1 0 a y l o o y 咏 炉k q 身；鞣撼 ：州厂矿寿* 。羚盼盼 门mmmv 蜷麟-饼一敞一封 咏：；孝知i 癸毛衿甄撇 ；! ! 0 ，50m；looms 1 5 口皿iz 口0 搬 v n 哇：工，* $ - 6 0 v i h z ：3 ，o ，s 5 0 一i l v 5 i 图3 7 仿真波形图 f i g 3 - 7w a v e f o r mo f s i m u l a t i o n 仿真波形如图3 7 所示，最上面的波形为检测到的负载电流波形，可 以看出负载电流波形严重畸变。最下面的波形是计算出来的谐波和无功电 第3 章a p f 并联系统分析与设计 流波形，通过a p f 产生负的谐波和无功电流注入电网中从而得到经过补偿 后的电网电流波形，如中间波形所示。 从仿真图中可以看到，经过a p f 系统补偿之后，电源电流为理想的正 弦量，且与供电电源同相位，即使经过负载跳变，a p f 仍然能够及时的补 偿谐波和无功功率。说明采用这种谐波和无功电流算法的a p f 系统具有良 好的补偿特性。 3 3 2 采用限容控制的单个a p f 模块实现 为了实现a p f 模块的并联运行，必须对每一个a p f 模块的谐波和基 波无功电流进行限容控制。使其检测出的负载电流中的谐波和无功电流不 能够完全被补偿，而只能根据每个a p f 模块自身的容量进行补偿。这样每 个a p f 模块分担的补偿容量就不会超出自身的容量，从而使需要补偿的谐 波和无功根据每个a p f 模块的补偿容量进行了分配。 采用限容控制的每个a p f 模块的控制方法都是相同的，而且相互之间 没有关联。只要设计出单个a p f 模块，则其余模块都依此设计出即可。， 要实现单个限容控制a p f 模块，则必须根据每个a p f 模块自身容量 计算出每个a p f 模块的谐波和无功电流，并对它们分别加以限幅然后将 限幅后的谐波和无功电流相加，作为补偿电流的指令信号。这样谐波和无 功补偿容量都不会超出a p f 模块的补偿容量，实现了限容控制。如图3 - 8 所示： 限幅罂 限幅器 图3 8 限容控制方法图 f i g 3 - 8d i a g r a mo f c a p a c i t y - l i m i t e dc o n t r o l 2 5 燕山大学工学硕士学位论文 3 3 3 谐波电流限容特性 为了验证这种a p f 模块的限容特性，首先对其谐波电流进行限容控 制，使其计算出的谐波电流不能够完全被补偿，但是使其无功电流可以被 完全补偿。其仿真波形如图3 - 9 所示： q 扮：f谢沁瓣 鹣 ，、：、i - 八! 厂、；i 八；才训一扎雕瞧 ! 一mvmy m 一嫩一世一蛾一w ：一j i ：一 鼍气-粕矿-j 肆玲鹦艘婴藤 ii ； 0 ，5 0 i l工0 强；工5 口】h sz 0 0 z b ， v ( h z ：3 ，o 5 + 6 0 可f n ：1 ) + 5 6 0 + 一工( v s i 图3 - 9 仿真波形图 f i g 3 - 9w a v e f o r mo f s i m u l a t i o n 由仿真图中问波形可以看出在前1 0 0m s ，经过补偿后的电流波形相位 没有延迟而且没有畸变，说明其无功电流和谐波电流已经完全被补偿。在 1 0 0m s 后，由于负载发生跳变，系统的谐波和无功电流增大，此时由于对 谐波电流进行了限容控制，使其谐波电流不能够完全被补偿。从图中可以 看出，1 0 0n 1 s 后电网电流有所畸变，但是相位没有延迟，说明无功电流被 完全补偿而谐波电流只被部分补偿。 3 3 4 无功电流限容特性 同样为了验证这种a p f 模块的无功电流限容特性，对其无功电流进行 限容控制，使其计算出的无功电流不能够完全被补偿。其仿真波形如图3 1 0 所示： 第3 章a p f 并联系统分析与设计 传待炉谢沁鹱蕊 ：；、：厂、i女弧一铲i 扮- 纷 ：1 i x a vj x 4 融 ：斟：v ： 眵甜曳 每：抖咻褂母慨粉 卜卞卜。卜 ： 0 ss o 址o1 0 0 m s1 s o - # 7 i l 2 ：3 0 ，5 + 6 0 vc e l 4 ：i i 5 - 6 0 x z i v s ： 。图3 l o 仿真波形图 f i g 3 - 1 0w a v e f o r mo f s i m u h t i o n 由仿真图中间波形可以看出在前1 0 0m s ，经过补偿后的电流波形相位 没有延迟而且没有畸变，说明其无功电流和谐波电流已经完全被补偿。在 1 0 0 m s 后，由于负载发生跳交，系统的谐波和无功电流增大，此时由于对 无功电流进行了限容控制，使其无功电流不能够完全被补偿。从图中可以 看出，1 0 0m s 后电网电流没有畸变，但是相位有延迟，说明谐波电流被完 全补偿而无功电流只被部分补偿。 3 3 5 无功和谐波电流同时限容特性 如果对这种a p f 模块的无功和谐波电流同时进行限容控制，则其无功 和谐波电流都不能够完全被补偿，这样电网中没有被补偿掉的谐波和无功 电流就留给了其余的a p f 模块进行补偿。其仿真波形如图3 1 1 所示： 由仿真图中间波形可以看出在前1 0 0m s ，经过补偿后的电流波形相位 没有延迟而且没有畸变，说明其无功电流和谐波电流已经完全被补偿在 1 0 0m s 后，由于负载发生跳变，系统的谐波和无功电流增大，此时由于对 无功和谐波电流同时进行了限容控制，使其无功和谐波电流都不能够完全 被补偿从图中可以看出，1 0 0m s 后不仅电网电流有畸变，而且相位有延 燕山大学工学硕士学位论文 迟，说明谐波和无功电流都没有被完全补偿。 1 0 8 y 吩聃炉弋聃棵；瓣蕊 ：q：1。：，弋：八a 一可r j 一讲 肿 ；一i vv v 辫蚺v 一 v 曳 ，榔户件爿斗妒怫j 妒pf 尊：翻：矿 j - j - - 一一- 一j 一- 一- o s5 嘶 10 0 z 幢 1 s o z - sz o o m s 口7c e ：3 ，d ，。5 + 6 0 vc n 4 ：工i s 一6 0 - - z v ，i 图3 - 1 1 仿真波形图 f i g 3 - 11w a v e f o r mo f s i m u l a t i o n 3 4 。限容控制a p f 的并联运行特性分析 3 4 1 稳态情况下的特性分析 前几节分析了对单相a p f 进行谐波和无功电流分别限容情况下，单台 a p f 的运行情况，由仿真波形可以看出采用的谐波和无功电流检测方法效 果良好。对其谐波和无功电流限容之后，a p f 只能根据自身的限容容量来 进行补偿。这种限容特性有利于a p f 模块的并联运行，下面就对基于限容 控制的a p f 模块进行并联运行特性分析。 为了验证这种限容控制a p f 的并联运行特性，首先用p s p i c e l 4 0 仿真 软件搭建了两个a p f 模块，对电路模型进行仿真。仿真电路如图3 1 2 所 示。如图所示，两个采用限容控制的a p f 模块并联在电源和负载端，负载 为单相可控整流阻感性负载。 仿真参数如下：交流电抗器工l = l 2 = lm h ；电容c = 1 0 0 0 心，直流电压 给定为3 5 0 v ；整流桥负载电阻l o q ，电感1 0 0 m h 。 第3 蕈a p f 并联系统分析与设计 图3 1 2 仿真电路图 f 弛3 - 1 2s i m u l a t i o nc i r c u i td i a g r a m 第一个a p f 的仿真波形如图3 1 3 所示： 此波形中，最上面的是离负载最近的a p f 检测到的负载电流波形。可 见负载电流严重畸变。负载电流经过第一个a p f 运算后得到了需要补偿孵 谐波和无功电流，然后第一个a p f 根据自身限容容量进行补偿，中间的波 形即为它的补偿电流波形 经过第一个a p f 补偿之后，电网电流波形得至b 了改善，如最下面的波 形所示。从补偿之后的电网电流波形可以看出，虽然经过了离负载端最近 的第一个a p f 补偿，但是补偿之后的电流波形仍然有些畸变，说明电网的 谐波和无功电流超出了第一个a p f 的补偿能力。第一个a p f 根据自身限 燕山大学工学硕士学位论文 容的最大容量来进行补偿。 由图中可以看出经过第一个a p f 补偿之后，电网电流虽然没有被完全 、 补偿，但是已经得到了改善。经过第一个a p f 补偿之后的电网电流就成为 第二个a p f 的负载端电流而被检测到。 图3 - 1 3 第一个a p f 的仿真波形 f i g 3 - 1 3s i m u l a t i o nw a v e f o r m so f t h em s t a p f 第二个a p f 的仿真波形如图3 1 4 所示： 由图中最上面的波形可以看出。第二个a p f 检测到的电流即为第一个 a p f 补偿之后的电网电流波形。最下面的波形是第二个a p f 的补偿电流波 形。它补偿的是第一个a p f 补偿之后电网剩余的谐波和无功电流经过第 二个a p f 补偿之后，由中间的电网电流波形可以看出，电网电流波形呈现 出正弦波，且相位没有延迟。说明被第一个a p f 补偿之后的电网谐波和无 功分量被第二个a p f 检测并补偿了，而且第二个a p f 检测到的电网谐波 和无功电流在自己的限容补偿容量范围之内。 第3 章一a p f 并联系统分析与设计 v 图3 1 4 第二个a p f 的波形图 f i g 3 - 1 4s i m u l a t i o nw a v e f o r m so f t h es e c o n da p f 3 4 2 负载突变情况下a p f 的并联运行特性分析 当两个a p f 并联运行时，它们根据自身限容容量自动分配需要补偿的 谐波和无功电流。当负载突变时，电网中的谐波和无功电流也会突变，并 联运行的a p f 会及时检测出这种变化，瞬时计算出需要补偿的谐波和无功 电流然后根据自身限容容量来调整需要补偿的谐波和无功电流。 为了验证这种特性，用p s p i c e l 4 0 仿真软件搭建了两个a p f 并联运行 模块，对电路模型进行了仿真。非线性负载为单相不控整流阻感性负载， 并且在1 0 0m s 时负载发生跳变，负载的谐波和无功电流增加。 仿真参数如下：交流电抗器l l - - ；2 = 1m a l 电容c = 1 0 0 0 心，直流电压 给定为v = 3 5 0v ；整流桥负载电阻r = 1 0q ，电感l = 1 0 0m h 。 仿真波形如图3 1 5 所示： 燕山大学工学硕士学位论文 图3 1 5 负载突变情况下仿真波形图 f 嘻3 - 1 5s i m u l a t i o nw a v e f o r m sw i t ht h em u t a t i o nl o a d 最上面的两个波形是第一个a p f 检测到的电网电流和它的补偿电流。 最下面的两个波形是第二个a p f 检测到的电网电流和它的补偿电流在 1 0 0m s 之前，电网电流中的谐波和无功分量基本上被第一个a p f 补偿掉 了，第二个a p f 只补偿了很少一