（电力电子与电力传动专业论文）差异化级联多电平式复合电流质量控制与检测方法研究.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文差异化级联多电平复合电流质量调节 装置控制技术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 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了谢意。 学位论文作者签名：藓一一一一日 期：2 竺! 竺：兰：乡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签 2 坐：鲨e l期：2 1 坦：兰：多 华北电力人学硕：i ：学位论文 摘要 谐波、无功和负序电流对电网的污染及其治理是现代电力系统领域需要解决的重大 课题。本文在研究复合电流质量调节装置的基础上，首先对装置的拓扑结构和原理进行 了详细地分析，并建立起装置的数学模型。通过详细分析和比较基于瞬时无功功率理论 的三相电流扰动量检测算法及两种适用于单相电路的检测算法，确定了与本装置结构和 功能最吻合的技术。对于基频模块的控制，本文设计了电压内外环加电流环的三环控制 方法，并提出了一种通过叠加误差信号的正弦函数的方法实现每个桥调制波微小的移 相，在准确输出补偿电流的同时完成了电容电压的平衡与稳定控制。对于高频模块的控 制，本文设计了p i 加重复控制的电流跟踪控制方法，可以弥补两种方法相互的不足， 使系统获得较快的动态响应速度和较高的波形输出质量。最后，本文通过在实时数字仿 真器r t d s 上进行建模与实验，对装置的正确性和有效性进行了验证。 关键词：电流扰动量检测；直流电容电压；重复控制；r t d s a b s t r a c t t h ep o l l u t i o nt op o w e rn e t w o r kb yh a r m o n i cc u r r e n t 、r e a c t i v ep o w e r 、 n e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n ta n dh o wt om i t i g a t et h e i r e f f e c ti so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e mf a c e dt om o d e r np o w e rs y s t e mr e s e a r c h e s t h i sw o r ki sb a s e do n t h er e s e a r c ho fc o m p l e xc u r r e n tq u a l i t yr e g u l a t o r t h et o p o l o g yc o n s t r u c t i o na n d p r i n c i p l eo ft h er e g u l a t o rw e r ef i r s ta n a l y z e dd e t a i l e d l ya n dt h e nt h em a t h e m a t i c m o d e lw a sb u i l tu p a f t e rc o m p a r e ds e v e r a ld e t e c t i n gm e t h o d s ，t h eb e s to n ef i tf o r t h i sd e v i c ew a sc o n f i r m e d ac o n t r o lm e t h o di n c l u d i n gi n s i d ea n do u t s i d ev o l t a g e l o o pa n dac u r r e n tl o o pw a sd e s i g n e df o rf o u n d a t i o nf r e q u e n c ym o d u l e t h em e t h o d o fp i + r e p e t i t i v ec o n t r o lw a sp u tf o r w a r da n d d e s i g n e dt o h a r m o n i cm o d u l e a c c o r d a n t l y a tl a s t ，s o m ek e ye x p e r i m e n t sw e r ep r o c e s s e db yr t d sa n dd e t e r m i n e t h ec o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h i sd e v i c e l e ix i a o ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：c u r r e n td e t e c t i o n ；d cv o l t a g e ；r e p e t i t i v ec o n t r o l ；r t d s 华北电力人学硕i ：学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 电能质量问题l 1 1 1 谐波电流的产生原因与危害1 1 1 2 无功功率的产生及影响2 1 1 3 负序电流的危害性。2 1 2 电力系统谐波、无功和负序电流的补偿方法。2 1 3 本论文的主要工作3 第二章复合电流质量调节装置基本工作原理5 2 1 装置主电路拓扑与原理5 2 1 1 装置主电路5 2 1 2 装置原理。6 2 1 3 元件参数设计7 2 2 装置数学模型的建立8 2 3 本章小结1 0 第三章电流扰动量的检测算法1 l 3 1 谐波电流检测方法综述。l l 3 2 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法1 2 3 2 1 瞬时无功功率理论1 2 3 2 2d q 法检测谐波和无功电流1 3 3 2 3 仿真分析l4 3 3 单相电路谐波和无功电流检测1 5 3 3 1 基于瞬时无功功率理论的单相电路检测法1 5 3 3 2 有功电流分量分离法1 8 3 3 2 1 乘以正余弦函数法。1 8 3 3 2 2 新的乘以正切函数有功电流分离法1 9 3 3 3 仿真分析。2 0 3 4 负序电流检测2 l 3 4 1 基于d q 变换的负序电流检测2 l 3 4 2 仿真分析2 2 3 5 系统畸变下的谐波无功检测方法比较分析2 2 3 5 1 电源电压纯正弦、负荷不平衡时检测方法比较分析。2 2 3 5 1 1 三相电路检测法的分析2 3 3 5 1 2 单相电路检测法的分析。2 4 3 5 2 电源电压畸变及三相不平衡时的检测方法比较分析2 5 3 5 3 检测方法精确度分析2 7 3 5 4 检测方法动态响应分析2 7 3 6 本章小结2 8 第四章基频模块控制技术2 9 4 1 载波移相调制技术2 9 华北电力大学硕：e 学位论文 4 1 1c p s s p w m 的原理与实现2 9 4 1 2 仿真分析2 9 4 2 基频模块控制3 0 4 2 1 电流调节技术3l 4 2 一直流侧电容电压控制技术3 2 4 2 立1 理论分析3 3 4 2 2 2 仿真验证3 6 4 3 本章小结3 8 第五章高频模块控制技术。3 9 5 1 高频模块控制原理3 9 5 2 电流跟踪控制研究3 9 5 2 1 比例积分控制。3 9 5 2 2 重复控制原理4 1 5 2 2 1 重复控制的原理4 1 5 2 2 2 重复控制器的设计4 2 5 2 3p i + 重复控制4 5 5 3 仿真分析4 6 5 3 1 高频模块仿真分析4 6 5 3 2 装置复合补偿仿真分析4 8 5 4 本章小结4 9 第六章r t d s 仿真建模与实验5 0 6 1r t d s 实时数字仿真技术5 0 6 2 数字控制器仿真实验5 l 6 2 1 基于i 汀d s 的装置仿真模型搭建5 l 6 2 1 1 主电路模型的建立5 l 6 2 1 2 基于r t d s 的数字控制系统5 3 6 2 2r t d s 数字仿真实验5 4 6 3 本章小结：。5 6 第七章结论与展望5 7 7 1 结论5 7 7 2 未来工作展望。5 7 参考文献5 9 致谢6 3 在学期间发表论文和参加科研情况。6 4 n 华北电力大学硕士学位论文 1 1 电能质量问题 第一章绪论 近几十年来，随着全球工业化进程的加快，对地球环境的污染和破坏也日趋严 重。因此，在全国乃至全球范围内，都掀起了一股环境保护的热潮。对于电力系统 而言，同样存在着与自然环境相类似的电磁环境受污染的问题。随着电力电子装置 日益广泛地应用，电网中的谐波污染日趋严重；与此同时，电力电子装置的大量使 用给电网带来了额外的负担。此外，电气化铁路等电力系统中的三相不对称负荷产 生的负序电流也会对整个电网和电气设备造成一系列危害，对供用电质量产生很大 的影响。谐波、无功和负序电流对电网的污染以及对它们的治理是现代电力系统领 域需要解决的重大课题。 1 1 1 谐波电流的产生原因与危害 电网中的谐波主要是由各种大容量电力和用电变流设备以及其它非线性负载 产生的，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，包括各种整流装置、变流装置、 电弧炉、交流调压装置、照明设施、办公及家用电器等等。电力机车中采用的大容 量单相整流装置，除产生谐波电流外，还引起三相交流供电系统的三相电流不平衡。 除此以外，一些铁磁非线性设备，如发电机、变压器及铁磁谐振设备等也是不能忽 视的谐波源。所有这些设备都使得电力系统的电压或者电流波形发生畸变，产生高 次谐波【卜4 】。 谐波对各种电力设备、通信设备以及线路都会产生有害影响，严重时会造成设 备损坏和电力系统的事故。近年来电力电子设备的快速增加，大量谐波源负荷的投 入，使谐波的危害日趋严重。高次谐波对公用电网和其他系统的危害主要体现在以 下几个方面： ( 1 ) 谐波使电网中的元器件产生附加功率损耗，降低发电、输电及用电设备的效 率； ( 2 ) 谐波会影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机发热、产生脉动转矩和噪 声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、使用寿命缩 短，以至损坏： ( 3 ) 谐波会导致继保和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表的计量不 准确； 【4 ) i l 彗波会对邻近通信系统产生干扰，在较轻的情况下也会产生噪声，降低通信 质量；在较重的情况下会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作，0 华北电力大学硕十学位论文 ( 5 ) 谐波会引起公用电网中局部发生并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使 得前四个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 1 1 2 无功功率的产生及影响 在工业和生活用电负荷中，感性负荷占很大比例。变压器、感应电动机、传统 的同光灯镇流器等都是典型的感性负载。变压器和感应电动机所需的无功功率占电 力系统所提供的无功功率中很高的比例。电抗器和架空线等也需要一定的无功功 率。部分电力电子装置，尤其是相控整流器、相控交流电力调节器等相控装置，工 作时其基波电流滞后于电网电压，要吸收大量的无功功率。工业电弧炉在工作时， 不仅要吸收大量无功功率，且由于其电弧不稳定，所吸收得无功功率存在很大的波 动【5 羽。 无功功率对公用电网的不良影响主要体现在以下方面： ( i ) 增加设备容量。无功功率增加，会使发电机、变压器及其它电气设备的容量 和导线的容量增大。电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大： ( 2 ) 设备及线路的损耗增加； ( 3 ) 无功功率变化会引起电网电压波动，使一些用电设备无法正常工作，降低供 电质量。 1 1 3 负序电流的危害性 三相电力系统中产生负序电流的原因可以归纳为事故性和正常性两类。事故性 因素是由于三相电力系统中一相或两相出现故障所致，而正常性因素是由于三相负 载不对称所致【7 1 。对于前者，一般由继保、自动装置动作切除故障元件，在短期内 使系统恢复正常，从而消除负序电流。目前在我国，电气化铁路和交流电弧炉产生 的负序电流是电力系统负序电流中的主要部分。本文所讨论的负序电流是针对正常 性这一类。 负序电流对电力系统和用户的危害主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 引起旋转电机和变压器的附加发热与振动，危及其安全运行和正常出力： ( 2 ) 引起以负序分量为起动元件的继保装置发生误动作： ( 3 ) 增加电网损耗； ( 4 ) 对通信系统产生干扰，影响正常通信质量。 1 2 电力系统谐波、无功和负序电流的补偿方法 传统的谐波抑制方法有两大类。一类是对产生谐波的谐波源装置本身进行改造 i t - 9 ，另一类是设置谐波滤波补偿装置。 对于第一类方法，目前主要有：增加整流相数；采用多重化的方法：采用先进 2 华北电力大学硕二l 学位论文 的控制技术如p w m 技术，消谐优化法等：限制变流装置的容量；加入滤波环节等。 尽管这些措施可以有效地减少高次谐波，但由于一些电力电子装置的工作机理的固 有特征，必然要产生一定量的高次谐波。 对于第二类方法，目前使用较多的是由电抗器、电容器和电阻器适当组合而成 的“l c 无源滤波器 。这种滤波器和谐波源并联，除能起到滤波作用外，还兼顾无 功补偿功能。因为l c 无源滤波器结构简单、技术成熟、运行可靠、维护方便，因 此得到了广泛的应用。但在实际应用中，无源滤波器还存在很多问题，如滤波参数 固定导致滤除多次谐波时的成本增加、易受电网阻抗和频率变化的影响、容易发生 串联和并联谐振等等。 有源电力滤波器( a p f ) 是一种新型的抑制谐波与补偿无功功率的电力电子装 置，可以补偿频率和幅值时变的谐波分量和无功分量。并联型有源电力滤波器实际 上可以看作任意电流波形发生器，其工作原理就是根据所检测到的非线性负载电流 中的谐波电流分量来控制有源电力滤波器，使其发出一个与谐波电流幅值大小相等、 相位相反的补偿电流，这样在系统电流中就不再含有这个谐波电流成分，从而起到抑 制谐波电流对电网污染的目的。理论上讲，有源电力滤波器可以对任意谐波电流进行 补偿。但是目前有源电力滤波器的成本较高，且承受电压等级较低，有待进一步发 展。 对于电力系统中无功功率的补偿措施，目前只要使用的并联电容器、静止无功 补偿器( s v c ) 、静止无功发生器( s v g ) 以及s t a t c o m 。后面三种都是电力电子装置， 通过不同的控制，既可发出无功功率，呈容性，又可吸收无功功率，呈感性【1 0 川】。 这些电力电子装置目前只能补偿无功功率，功能略显单一。 目前，补偿负序电流的方法主要有将不对称负载分散接到不同的供电点或将其 合理分配到各相以及采用平衡装置等方法。这些方法虽然可以减小电力系统中的负 序电流，但对于象电气化铁路这类大容量的单相负载，其产生的负序电流仍很难得 到根本抑制和消除。 1 3 本论文的主要工作 不论是谐波、无功还是负序电流，从物理本质看，都可归结为波形的问题。谐 波是非工频正弦波叠加，导致工频电流发生畸变：无功是由电压与电流波形的相位 不同导致的；三相电流波形相位、大小不对称，能解析得到对称的负序电流。正是 由于这种物理本质的一致性，可以考虑对电力系统中的谐波、无功和负序电流进行 综合补偿。 本文以国家科技部支撑计划项目：“电力电子关键器件及重大装备研制电 能质量复合控制技术和装置 为背景。此课题的实施以及成果应用，将打破国外技 3 华北电力大学硕上学位论文 术和产品在该领域的垄断局面，使我国完全自主掌握高压、大容量复合型电能质量 控制装置的设计、试验以及制造技术，并积累初步的运行和维护经验。大容量复合 电流质量调节装置作为课题内容之一，研究的目标是无功、谐波和负序复合控制技 术，冲击负荷动态有功支撑技术以及负荷波动功率补偿技术。针对该装置多目标补 偿的功能和容量的优化设计，提出了高频模块和基频模块组合的差异化拓扑结构。 本文的研究内容正是以此装置拓扑结构为依托，根据课题中提出的装置的拓扑 结构、参数以及控制目标，通过理论分析和推导，研究高频模块和基频模块的控制 算法，以及基频模块h 桥级联结构的直流侧电容电压平衡稳定控制技术，并通过 e m t d c 平台的仿真分析，验证控制策略的正确性和有效性。 4 华北电力人学硕士学位论文 第二章复合电流质量调节装置基本工作原理 复合电流质量调节装置以谐波、无功和负序电流的综合补偿为目标，实现各电 流扰动量的优化补偿。其拓扑结构需要从其补偿功能等各方面进行考虑，以达到预 期的各种效果。本研究中采用高频与基频模块组合使用的差异化h 桥级联结构，并 对其补偿原理与数学模型进行了详细的推导。 2 1 装置主电路拓扑与原理 2 1 1 装置主电路 根据项目要求，复合电流质量调节装置需要同时完成谐波、无功及负序电流的 复合补偿，并且能提供冲击负荷的动态有功支撑以及负荷波动功率的补偿。装置的 额定电压l o k v ，容量1 m v a 。根据上述要求，设计的主电路拓扑结构如图2 1 所示。 图2 1 复合电流质量调节装置主拓扑结构 5 华北电力人学硕士学位论文 装置主要采用星形连接的h 桥级联结构。其中，u s x ( x = a ，b ，c ) 为三相电源电压， i 。( x = a ，b ，c ) 为电源侧电流，i l x ( x = a ，b ，c ) 为负荷侧电流，i c x ( x = a ，b ，c ) 为逆变器输出的补 偿电流，i h o a 为a 相高频模块的输出补偿电流，i f o a 为a 相基频模块的输出补偿电流。 x l v d c x l l ( x = a ，b ，c ) 为逆变器直流侧电容电压。 由于装置需要产生高频分量，因此对i g b t 的开关频率要求较高。若采取统一 化级联设计，各h 桥的i g b t 均需要选用高频开关，经济性较差，开关损耗也会增 加。此外，由于装置需要同时产生基频和高频分量，因此若采取统一化级联设计， 选择合适的滤波器保证多频率分量的输出非常困难。针对以上问题，提出了差异化 的拓扑结构。该拓扑包括两个部分：高频模块和基频模块。高频模块为单独一个h 桥或两个h 桥串联组成，与系统之间通过一个较小的电感l h 。忙口，b ，c ) 连接，用于 谐波电流的补偿；基频模块采用1 0 个h 桥级联结构，与系统之间通过一个较大的 电感l f x ( x = a ，b ，c ) 连接，用于补偿基频的无功、负序电流，以及提供有功支撑。 2 1 2 装置原理 复合电流质量调节装置的基本原理：高频模块产生与系统电流中的高频谐波电 流相同的电流，注入系统侧，抵消系统电流中的各次谐波分量；基频模块产生与系 统电流中的基波无功和负序电流相同的电流，注入系统侧，抵消系统电流中的无功 与负序电流分量，从而在系统侧看去，系统电流功率因数接近l ，电流谐波畸变率 小于要求值。 由于电流调节装置为星形连接，三相独立控制，现在以a 相为例进行分析。 在未接入调节装之前，设系统电流 乞魂= 钿乜坳 ( 2 - 1 ) 其中i p l 为基波正序有功电流分量，i q i 为基波正序无功电流分量，“为谐波电流 分量，i f 2 为负序电流分量，且i 髓与负载电流i l a 相等。电流调节装置经过控制，高 频模块输出电流i h 0 i = i h ，基频模块输出电流i f o a = i q l + i f 2 ，则 乜2 k + l 细2 t h + i 叮l + ，2 ( 2 2 ) 电流调节装置接入系统中负荷侧后，装置输出电流注入系统，此时 幺+ 乞= 幺 ( 2 3 ) 将式( 2 1 ) 的i l a 等式与式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) ，得i 髓= i p i ，即装置接入负荷侧之后， 其输出电流抵消了系统侧的谐波、无功和负序电流，使系统电流中只剩下基波正序 有功电流分量，从而完成了电流质量的调节。图2 2 为系统中无谐波时，a 相各基 频电流向量关系图，其中只含有无功和负序电流分量的补偿关系。由图可知，经过 逆变器输出电流与原电源电流的叠加，电源电流中只剩下基波正序有功电流量了。 6 华北电力人学硕一 ：学位论文 l ! p 一 弋汐t 一 2 1 3 元件参数设计 图2 2 单相基频电流向量图 ( 1 ) h 桥参数设计 首先需要对基频模块级联h 桥的个数进行设计。考虑到i g b t 耐压，基频模块 级联个数需要多一些。 装置基于三相1 0 k v 系统设计，单相相电压u s = 5 7 7 k v ，由于基波连接电抗非 常小，因此逆变器输出电压基本等于系统电压。按目前常用的i g b t 模块耐压等级 1 7 k v 进行设计，取直流侧电容电压为l k v ，直流电压利用率l ( d 。= o 8 5 。计算得单 相h 桥级联个数： n = 堕：堕垒：9 6 ( 2 4 ) u d c k d o i x 0 8 5 、7 按照冗余设计，最后取n = 1 0 ，即每一相采用1 0 个h 桥级联作为基频模块。 由于装置主要承压由基频模块来完成，高频模块实际承压较小，故高频模块每 相只需要1 个h 桥即可，且直流侧电压取8 0 0 v 。 再考虑h 桥模块额定电流值的问题。装置的设计最大容量为i m v a ，过载系数 a = 1 2 ，则装置的额定电流为： i n = 舞= 丽1 2 = 6 9 3 a ( 2 - 5 ) ( 2 ) 连接电感值的选取 对于连接电感值的选取需要考虑到高低频模块之间的电流环流的问题。基频连 接电感的大小，直接影响到基频模块输出电流的调节精度、高频模块的承压和输出 电流的跟踪性能以及高频模块的谐波电流输出量。基频连接电感过大，高频模块承 受电压就高，不利用装置的安全性；电感值过小，会对高频模块的输出谐波电流精 度产生影响。 高频连接电感的选取直接影响到高频模块输出电流的跟踪性能。工程经验表 7 华北电力大学硕士学位论文 明，电感值选取过大，会降低输出电流的跟踪性能，甚至跟踪不上；电感值选取过 小，开关频率过高，同时输出电流的纹波较大。此外，由于高频模块需要输出高频 电流，因此连接电感的大小也会受到谐波次数的影响，当谐波次数增大时，等效连 接电感值变大，对于高次谐波的输出精度产生负面影响，且导致输出电流的跟踪性 能下降。 经过计算和大量的仿真分析，选择最合适的电感值，使基频模块与高频模块的 输出电流之和i c 。的误差最小化。 差异化设计的主要优点在于：有利于耐压较低的高频i g b t 的选取。为了降低 高频模块的承压水平，将高频模块与基频连接电感并联。此时，高频模块的交流侧 电压仅为基频连接电感上的电压，而基频连接电感上的压降较低，因此高频模块所 需承受的极限电压较低，有利于高频i g b t 的选取。 2 2 装置数学模型的建立 对装置进行控制电路的设计，需要首先对装置的原理有了解，并掌握装置的数 学模型。复合电流质量调节装置为三单相差异化h 桥级联结构，且1 0 k v 系统为三 相三线制结构，故可以将每相装置进行单独考虑。 电流质量调节装置是一个复杂的电力电子装置，建立精确的数学模型比较困 难。为分析方便起见，做如下假设： ( 1 ) 忽略主电路中电力电子器件( 包括i g b t 及与其反并联的二极管) 的通态压 降，将之等效为一理想的双向开关； l o a d on 图2 - 3 装置单相等效电路图 8 ljj 一一 华北电力大学硕：f ：学位论文 ( 2 ) 忽略主电路中直流侧电容电压的波动，即其等效为一理想直流电压源； ( 3 ) 忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响； ( 4 ) 装置的高频模块连接电感和基频模块连接电感均为理想电感； ( 5 ) 电流调节装置在正常工作时，同一桥臂上下两个i g b t 工作在互补状态，且 不考虑死区的影响【1 2 - 3 1 。 根据图2 1 ，得出装置的单相等效电路图，如图2 3 所示。 其中，u s 为系统电源电压，u h 、u f 分别为高频模块输出电压和基频模块输出电 压，r h + j o l h 和r t + j i ( o l f 分别为高频模块和基频模块的连接阻抗，i s 为系统侧电流， i l 为负荷侧电流，i h 为高频模块输出电流，i f 为基频模块输出电流。对于i g b t 器件， 采用p w m 调制方法控制出发脉冲的产生，驱动开关电路产生所需要的输出电压。 设单个h 桥的开关函数为s ( t ) ，h 桥i g b t 编号顺序见图2 1 的a 相高频模块，则 fl 开关1 、3 同时导通，2 、4 未导通 s ( f ) = 0 开关l 、4 或2 、3 同时导通 ( 2 6 ) i l 开关2 、4 同时导通，1 、3 未导通 高频和基频模块输出电压可以表示为 lu h = s ( t ) u a , h l l d f = 主( f ) 2 _ l i = 1 由等效电路图可以看出，高频连接电感上的电压是高、基频模块输出电压与系 统电压之差。高频模块电压关系式为 u s + u l h = + 吁+ “们 ( 2 8 ) 其中 “肭= 咒哦+ 厶鲁 ( 2 9 ) 将式2 7 与2 - 9 代入式2 - 8 ，得到单相装置高频模块的关系方程 厶鲁一r 嘎一+ s ( f ) + 喜( f ) + ( 2 - 1 0 ) 基频连接电感上的电压是基频模块输出电压与系统电压之差。基频模块电压关 系式为 u s + u t f = u y + u u o ( 2 - 1 1 ) d i ， 其中 = 彤哆+ 厶云( 2 - 1 2 ) 将式2 7 与2 1 2 代入式2 1 1 ，得到单相装置基频模块的关系方程 9 华北电力大学硕上学位论文 t 等= 一r , a f 飞嘻啪h 饥。 ( 2 1 3 ) 根据式2 1 0 与2 1 3 ，得到装置三相数学模型为 高频模块 基频模块 厶鲁= 一心t 一+ ( 咖拙+ 喜f ( f ) + “。 厶警= 一咒k 一+ ( 咖酗a + 喜如) “劬+ “。 ( 2 1 4 ) 厶鲁一兄t 一+ 瓯( f ) 。+ 喜+ 2 3 本章小结 _ 鲁= 一b 一埘嘻“蚴。 t 鲁= 一母如一+ 喜( f ) “蚴+ “。 ( 2 5 ) t 警= 一髟k 一嘻蹦峙蝴。 根据装置的功能和容量方面的考虑，本装置采用每相高频模块和基频模块组合 的h 桥级联结构，高频模块主要完成谐波电流补偿，基频模块主要完成无功和负序 电流的补偿。装置参数设计也是一个重点问题，需要考虑到对装置补偿能力和精确 性的影响。2 2 节通过对整个装置数学模型的初步推导，为后续研究工作的展开打 下了基础。 1 0 | 一 i一j 华北电力人学硕：l ：学位论文 第三章电流扰动量检测算法 3 1 谐波电流检测方法综述 常规的谐波检测方法有模拟带通或带阻滤波器、基于傅立叶变换的谐波检测方 法、基于瞬时无功功率的谐波检测方法。在以上各种方法基础上，许多经拓展和改 进的方法应运而生。目前主要应用几种检测方法如下： ( 1 ) 傅立叶分析法 1 4 a s l 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散 傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较 高，功能较多，使用方便。这种方法的主要缺点是：不能分开有功电流和无功电流， 并且要求有严格的同步采样和等间隔采样，否则将会出现栅栏效应和频谱泄漏现 象，从而影响检测的准确性。此分析方法需要一定的采样计算时间，造成谐波检测 速度慢。在实际工程应用中，完全的同步采样和等间隔采样是不可能实现，只能在 电网频率稳定的情况下，尽可能地接近同步采样和等问隔采样，这就注定了这种方 法的检测精度不高，而且只适合于变化缓慢的负载。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法们。 该方法的基本原理是将负荷电流分解为两个正交分量：一个是与电压波形完全 一致的分量，另一个分量即为广义无功电流分量。当电网电压有畸变时，这种方法 计算的结果也含有畸变分量，这是它的局限。并且，这种方法是基于平均功率的概 念导出的，失去了瞬时性。 ( 3 ) 同步测定法7 1 该方法的基本出发点是从功率平衡的角度确定补偿电流，即首先计算系统的平 均功率，分别考虑各相的情况，把补偿分量分配到三相中去，使补偿后的每相功率 ( 等功率法) 、电流( 等电流法) 或电阻( 等电阻法) 相等。从运用这三种方法补偿后的 线路损耗比较来看，等电流法方案最优。对三相系统来说，同步测定法在补偿无功 及谐波电流的同时，还具有平衡各相电流的作用，对不同运行情况具有较大的灵活 性。和上述第二种谐波检测方法一样，这种方法失去了瞬时性，且仅适用于三相电 压均为正弦波的情况。而且，由于该方法需要进行大量计算，时间延迟较大。此外， 检测出的补偿电流包含无功电流、谐波电流和一部分不平衡分量，无法将它们分离 出来，这些都大大限制了它的应用范围。 ( 4 ) 乘正弦信号法明 电流信号乘以一个频率等于基波频率的正弦信号，并对其乘积进行积分运算， 然后采用低通滤波器滤除积分结果中的高次谐波分量，低通滤波器的输出结果即是 卜。卜 华北电力大学顾 = 学位论文 基波电流的幅值信息，幅值乘以与电网电压同相位的单位正弦信号，即为电网瞬时 基波电流信号。显然，这种方法仅适用于电网电压为对称正弦波的情况，否则，有 源滤波器的参考指令电流信号中将包含不期望的谐波信号，从而降低有源滤波器的 补偿效果。这种方法的缺点是延时更大( 通常大于一个完整的电网周期) ，与傅立叶 分析法相似，只适合于变化缓慢的负载。 ( 5 ) 瞬时无功功率法n 鲫 经过不断改进，现已出现了p q 法、i p i q 法以及d - q 法。p q 法只有在电网电压 对称且无畸变的情况下，才能准确地检测出谐波电流。i p i q 法和d q 法不仅在电网电 压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。i p i q 法功能灵活，可方便地分离 出三相瞬时基波正序有功电流、基波正序无功电流、基波负序和高次谐波电流等， 而且算法简单，计算量小，易于在线实现。 ( 6 ) 基于神经元的自适应滤波检测法 传统的基于神经元的自适应滤波检测法适用于谐波电压对称的电力网。其优点 是：系统运行特性与系统各参数无关，即不受系统参数变化的影响，实时较好。缺 点是：不能检测出电压，电流谐波分量的不对称分量，在普遍的谐波污染不对称电 力网系统中的应用受到限制。改进的基于神经元的自适应滤波检测法通过改进传统 的自适应滤波检测装置的自适应检测模块，克服传统的自适应滤波检测法的不能检 测出电压、电流谐波分量的不对称分量的缺点。使用这种方法具有较好的准确性和 实时性，与有源谐波无功补偿装置相结合能较有效地治理谐波污染，提高供电电能 的质量，在实际电网中有较好的应用价值。 ( 7 ) 基于小波变换的谐波检测方法 可以很好地检测出谐波中的基波信号，并且具有较快的跟踪速度。对于时变谐 波和有闪变电流的谐波，可以准确地检测出其突变点，克服了傅立叶变换不具有时 频局部性的特点。其应用性有待提高。 ( 8 ) 预测型谐波电流检测方法 这种方法是针对整流负荷和电力牵引系统提出来的。通过预测型谐波电流检测 算法来解决时间延迟问题，从而实现快速跟踪负荷变化，解决一般低通滤波器的滞 后效应。对电解厂，电气化铁路的电力供电系统的有源滤波器治理谐波有积极的意 义。 3 2 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法实现简单，延时小，动态性 能好，在本研究中先进行重点分析。 3 2 1 瞬时无功功率理论 1 2 ， q l刁 华北电力大学硕一l ：学位论文 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文( a k a g ih ) 提出，此后该 理论经过不断研究逐渐