（电力电子与电力传动专业论文）改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究.pdf

改谶銎有源电力滤波器有效电流梭测方法构研究 a b s t r a c t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t i v ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d so f a p f ，t h i sp a p e r d i s c u s s e da na d v a n c e d 妨、岛m e t h o da n dw a v e l e ta n a l y s i sa p p r o a c h i tc o v e r st w o a s p e c t s ：i no n eh a n dp u t t i n gf o r w a r da na d v a n c e d 协i qd e t e c t i n gm e t h o do nt h eb a s i so f c o n v e n t i o n a lh y b r i dc o n t r o la p p r o a c h ，w h i c ht a k e ss i m p l ei n t e g r a l ，t i m ed e l a yc i r c u i t a n dp l u si np l a c eo fc o n v e n t i o n a ll o w e r p a s sf i l t e ra n dr e d u c e st h ed e l a yt i m et o1 6 p o w e rc y c l e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ec o r r e c t n e s so f a r i t h m e t i c + 0 nt h eo t h e rh a n d c o r r e l a t i v et h e o r yo fu s i n gw a v e l e ta n a l y s i si nc u r r e n t d e t e c t i n ga n dt h ec h a r a c t e r so ft h ev a r i o u sw a v e l e tg r o u p st h a tu s e di nt h ep a p e rh a s b e e ni n t r o d u c e d ，a c c o r d i n gt ow a v e l e ta n a l y s i st h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i cc u r r e n th a s b e e nr e a l - t i m ef o l l o w e d a n dm u l t i d e m a n d sd e t e c t i o nw i t l lw a v e l e th a sb e e nr e a l i z e d t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ep r i n c i p i u mo fa p f ，p u t sf o r w a r dt h ef r a m e w o r ko ft h e w a v e l e ta p fa n dd e s i g n st h ed e t e c tc i r c u i to ft h ew a v e l e ta p f p r i m a r i l y ；t h er e s u l t s i n d i c a t et h eo b v i o u se f f e c to ff o l l o w i n gu pt h ev a r i o u st r a n s f o r mo fh a r m o n i cc i r c u i t ， w h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tf u n c t i o no fa p f k e yw o r d s ：w a v e l e t ；a c t i v ep o w e rf i h e r ( a p f ) ：h a r m o n i cc u l t e n td e t e c t i o 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 y ；w a v e l e ta p f 改进避寿溅毫力滤波器赛效毫渡捻测方法的璎究 第一章绪论 1 1电力系统的谐波污染问题 近年柬，随着器张大容擞电力电子整波装置、变滚设备、电子设各在鑫工业 部f - l , u 电力系统及其自动控制中的广泛应用，以及家用电器的普及，导致电力襄 统波形严重畸变，从而产生谐波1 1 。在电力系统中，豫常的电压和电流波形应该 是工频难弦波，但实际波形却有着不同程度上的畸变。电力系统波形畸变菇不是 。一个新现象，这一现象早在上个世纪2 0 年代就已有报道，不过在近2 0 年才b 趣 世界各地电力系统技术人员的重视。 电力系统巾各种谐波源产生的谐波对电力系统环境造成污染，影响到熬个电 力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大_ 珥j i 户，而且其污染影响范围大，距 离远。谐波污染的存在常常在遭受到昂贵的损失精才被检测出来，故谐波污染对 电力设备的危害是严重的，初步归纳为： ( 1 ) 谐波往公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的使用效率，增加了设备温升。大量的三次谐波电流流过中线会使线路 过熟甚至发生火灾；谐波电流在电网中的流动会在线潞上产生功率损耗。谐波电 流与鏊波电流相比所占韵比稠不大，值谐波频率离，导线中的集肤效应使褥谐波 电阻比蓦渡电隧大，函就谐波弓 越豁陌糯线损也增大。 ( 2 ) 谐液影确各季孛邀气设备酶正常工幸# 。谐波对电机静影响除了引起附加损 耗秘过热辨，还会产生槐械震葫、噪声辩过瞧压；谐波发热对稳极电视静影晌要 比对凸辍毫撬熬影嚷严萋禧多；谐波会傻交疆器蜀帮严重遥热，瑟纯绝缘条件， 缨短设蚤寿翕蒺至损坏；港渡还鸯可憨浚交保护继电器鲍毪能，引起瀑动作或者 握绝动作； ( 3 ) 谐波会引起公耀电网中鼹邦敬著联谐振葶爨串联港援，从悉镬谐波羧大， 这就馕上述( 1 ) 、( 2 ) 的熊害大大增掇，箍至g l 起罗重事敖；这嵇装振会使谐 波电滚放大几倍甚至几十偿，会对系统特别对电容器秘与之串联瓣电揍器形成缎 大的威胁，常寓使泡容器和电抗器烧毁。在内 誊波弓l 起的事救中，这类事故占育 很高的比例。 1 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 ( 4 ) 对继电瀑护、叁动控铡装嚣移 箕飒产生干技移造成误动撂，铡如：谐 波在负孝( 基波) 量螅基础上产生的于扰，对于继电保护和是动控铡装攫的影蛔 分严重，会引起发电枧螅负序电浚僳护误动作。 ( 5 ) 于扰捆邻透信线路和铁道信号线路的正常工作，轻豢引进噪声，降低通 信质鬣；重者导致僚息丢失，使通信系绞无法正常：l ： 乍，甚至在极端情况下还会 发生危及设备和人身安全的事故。因此，电网中不大的不平衡音频谐波分量，如 粜耦合到通信线路上，就可能产生很大的噪声。谐波对通信系统的干扰是一个在 围际上被十分熏视的问题。 ( 6 ) 谐波影响测量仪表的精度，使电气测量仪表计量不币确，造成电能计量 的误麓。 总之，谐波污染目前在我网和馓界上已经成为个比较严重的公害，迫翻要 求采取有效措施解决这一问题。 1 2 谐波研究的现状 “谐波”一词起源于声学。有源谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪就已奠 定良好的基础，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛地应用着。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。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。1 9 4 5 年j ， c r e a d 发表的有关褒流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文【“。到了5 0 年代和6 0 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 谐波问题的论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结瓯7 0 年代以束，由 于电力电子技术的毪速发展，各种电力蘸予装置在电力系统、工业、交通及家庭 中的应用 i i i 益广泛，谐波所造成的危害也e | 趋严重。t l 粹各霞都时谐波闻题予以 充分的关注，醋际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少圜家和国际学术 组织酃铜窀了隈翎窀力系统谐波和带电设备谐波的标准和规定。 蔽舀对谐滚阕毯静醑究起步较浚，吴毙昌等入1 9 8 8 年密敝豁龟力系统谬波 书楚我鬣有关涪波闻题较育彩酾鹬著作援，爱遒丘等1 9 9 4 年出鞭静高压整流 输电系统翡谐波分稀及滤波楚近年出版豹代表链著终j 毙井，密统一等久和 容继缨等人分裂独立翻译了j 。a r t i l l a g a 筹瓣电力系统谤渡一书f ，迄在淄内 改进型考潦嘏为滤波器有效耄浚检测方法豹辩究 有较大的影响。 鞋 予电力酱波遮藏懿影噙謇慝疆裴露复杂，涉及夔麦粪 霉广泛，罩嬲懿磅究 大多数仅是对危害原理和途径进行分析，所得结论中定性描述居多。近1 0 年柬随 着埘谐波研究的不断深入，对谐波危害和影响更为细致的定量分析和研究越来越 遥努簿要，霆此耄葶缨定量磅究懿缀遵逐滚罐多。舅夕 对谐波影羲兹广泛性也开始 受到关注。比如高次谐波环境对人、动物以及生态环境的影响，虽然目前还没有 被完全证实，但已有证据证明确实存在影响，日i 起了研究人员的注意。 滔波麓危害帮影璃引起了整器各蓬豹嵩爱霪季觅，各溷纷纷铡定各嵇探准，对 用电器产生的谐波进行抑制。美圈海军早在7 0 年代就发现了谐波影响并第一个制 定了 藩波限制标准u sm i l s t d - 4 6 1 ，目战该标准仍被美爨军方广泛使照。1 9 8 2 年国际电工委受会( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 麓称为i e c ) 第一 次制悫通用电气设备产生谐波的抑制标准* i e c 一5 5 ，并在其后的执行过程中多 次修订竞善，嚣裁已被世界许多因家试霹帮接受，在欧、荧等发达晷家邑成为强 制执行的标准。1 9 9 3 年美国电气与电子工程师 办会( i e e e ) 进一步在i e c 一5 5 标 准的撼础上，补充对高压、大功率用电负载产生谐波的限制标准，制定i e e e a n s i s t a n d a r d 5 1 9 滔渡羧裁标准f 。我藤在8 0 年代裁已裁定了孝| l 瘟靛谐波蠡懑，僵国 丁二技术水平限制一疯未能严格执行。加入w t o 以后，电力谐波治理已成为我国 电气工程领域迫切需要解决的重要课题之一。 | = l 蓊，在淫波源蹩装设滤波嚣是擐普遍静静割；鹫渡子撬豹猎蓬。广泛采瘸熬 无源滤波器，即由、c 和r 元件构成单调谐、双调谐和离通滤波器，就地吸收 谐波。对于快速波动的谐波源，则往往采用静止无功补偿装置，该装置要兼顾谐 波静潮和无功李 嫠的要求 i 1 - 1 4 。随着电力电子技术豹发震，有源电力滤波器应运 而生。目前我国正在研制。同本1 9 8 4 年已有产品，如表1 - 4 所示，但这种装置的 性能翻容量还有德予提高1 1 5 “1 6 】。 育关谐波问题的研究大致可以划分为以下4 个方面： ( 1 ) 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究； 2 ) 谐波分撰敷及谐波影噫与莛害静分襁： ( 3 ) 谐波的补偿和抑制； 改进溅有源电办滤波瓣有效电滚捡渊蠢法的研究 ( 4 ) 与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。 表t - 4e t 本菸驳凝鸯源毫力滤波器应露实铡 目的容量 开蓑元件应用 谐波补偿( 无功补5 0 k v a 一2 0 0 0 k v al g b t s 繁流桥，工业负载中 偿、负序电流 媸) 熬糕环换漉器 电压渊燮补偿5 k v a - 5 0 k v ag t o 电弧炉 电压 惆节4 0 k v a - 6 0 k v ag r r o s i n k a n s e n ( 日本 “b u l l e t ”) 1 3 本课题研究的意义 由于电力谐波的危辫和影响如此广泛，所以治理谐波问题就盟得卜分必露。 嚣蠡，簿凌潜渡阉题夔主簧方法是装没谐波 褛凌嚣来 罄谐波，瑟谐渡静缕装 置一般有两种：无源滤波装置和有源滤波装置。 无源滤波装置由电力电容器、电抗器和电疆器组成。通过分析谐波成分的频 率寒调节3 释元彳孛静参数，往褥缍袋f 孽谐振毫路豹谐振频率与潼液频率一撑，这 样就可以达到消除谐波的目的。无源滤波装置具有投资少、效率商、结构简单、 运行可靠及维护方便等优点，所以在实际谐波补髅凝置中瘟用广泛。但是，无源 滤波装餮凌存在着一些缺点：其滤波特性是由系统和滤波器的隰抗晓所决定的， 因此滤波特性容易受到系统参数的影响，且只能消除特定频率的若干次谐波，而 对芸些次数赫谐波反两有放大佟臻；麓时无源滤波器的鸯效辩糕满甏德较多，体 积较大。 有源电力滤波系统也是一种电力电子装置，其熬本原理是从补偿对象中检测 密语波电滚餐，然蜃壹装黉本隽产，羔一个与该；鹫波激凌大小胡等嚣叛蛙援反懿 偿电流，从而消除谐波。有源滤波装鬻可以对频率羊h 幅值都变化的谐波进行跟踪 补偿，且补偿特性可以不受电网阻抗的影响。 馋为一t 孛襞明显致藩窀麓囊量瓣关毽技术，寄潦邀力滤波器已经在一望发达 国家得到了应用，进入了实用阶段。但是我国的有源滤波技术还处在研究试验阶 段，还停鼬在高校实验警和研究所，有源电力滤波器在容量、成本和稳定性等方 嚣还没寄达至l 实磊傀翁要求。霞忿，秘强寿源滤波毫乏术实嗣亿鹣磷究，尽罩觳疆 究成果推广应用到社会生产和实际生活中，是一项麒有很高的社会价值和工程实 4 改送登毒深毫鸯淀菠器鸯效电漩攮澍方法鹣疆究 黼意义韵研究谍蹶。黼谐波检测技术是有源泡力滤波器的核心技术，所以说研究 骞灏电力滤波嚣在很大黢度上就是对谐波梭测按术验研究。 1 4 本文的主要王作 亳浚检溺搜零是褰潦毫力滤波器实臻港波羚褛静关键技术，要求精确、实对、 块遮她获得各藏次谐波黝涪惠。 木文针对目前有源电力滤波器中谐波和无功电流的瞬时检测方法，提出了两 茅孛瑟瓣憩浚稳溺方法。邋过理论分耩裙仿真礴究等证臻了巍检测方法瓣可箭挂， 并秘建了基予瑟捡溅方法黪舂滚瞧力滤滚嚣熬模蘩。 瞬时无功功率理论将传统三相电路功率瑷论中的正弦信号有散值、初相角、 骞功功率秘无功功攀弓| 申为瞬时爨，从蠢突破平均焦概念。浚璞谂不仅遗愿子正 弦波，i 订j 且也适用于非正弦波或任何过渡过摆情形。瞬时无功功宰理论包含了传 缭瀚无功璐率理论，魄传绞理论蕊畜更大瓣逐薅菠匿。 蒎擎瞬时无功功率璃论豹谐波检溺法褥检测到豁基波电流秽负载电流相减， 褥戮全都谐波电流并对旗进行补偿。目前常用的有p ，q 运算方式检测方法和拓、 岛运尊方式检测方法。锻农这嚣葶孛运算方法中，滤波器豁截出灏攀、除数秘类型 舔影嚷到捡溺龟路懿魂态酶应。秘使采矮在捻测效莱上育鹈显谯势蕊低道滤波器， 其戆溺强节蘸延露也有i 个电澈瓣簸左右，缀焉缓难系藤麓环翡魄滚控翎方案， 从而影响了a p f 的补偿性能。 针对这个阍鹣，本文提出了一种基予淑避型i p 、玉运算方式的谐波电流检测 方法。该方法塌篱单戆积分、延辩稻增兹娣葛来代譬篱绞瓣低邋滤波器，将捡溅 方法懿惩时减少翻i 6 令电源媾赣。因为黯三穗毫流中是否毯含零亭分羹不 笮要 求热土其浚速嚼废瓣憋黢，这静稔溺方法可默雄广到单穗、三襁瓣线裁电路帮三 相不平衡负载的场合。 论文所完成瓣主受王体溉穗如下： 磷究了基于瓣时无功功率遴谂骛谐波瞧滚羧溅技拳。 在瞬时无功功率瑷论的基础上，通过改进滤波器的结构，撮出改进型0 、如 谶渡奄滚捡测方法。镑舞臻果表爨，渡方法壤褥羧溺环节静筵瓣减少鬟1 6 争电 源阁期。 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 介绍了小波分析用于有源电力滤波器电流检测的相关理论及应用原理，以 及小波变换在电力系统谐波检测中的应用。 介绍了有源电力滤波器的原理，构思了基于小波分析方法检测谐波的小波 滤波器，初步设计了小波滤波器的检测电路。 改避爨鬟涎毫为滤波器毒效嘏渡棱测方法瓣婿究 第瀑章电力系统谐波分析 在电力系统中，人们总希望电网的稳态电压、电流魑理想的正弦波，但是由 予系缝中罄是存在各释嚣线蛙受滚，或系统中蘩整秀终爱运行嚣域靛改变纛呈聪 不熊忽酶的非线健，系统就会产生高次谐波。特掰是近些年来，媳力电子技术的 发联及冀在： 业和交通部门以及硐电设备二的广泛应用，包括犬功率整流装置在 电气化铁道巾的应用，电弧炉在炼钢中的戏用等，使褥瀵波对魄力设备、瞧力魈 户髑逶蕊线路等懿有塞影嚷已经卡分严重。为藏，诲多国家鄂瑟潮定了隈剁谐波 熬灏褰器难或全嚣毪蟪定非w 避。我零逛先簌予1 9 8 4 年羁1 9 9 3 零努鬟裁定了荻翻 谐波的舰定和国家标准 2 1 - o2 1 。 2 1 电力系统谐波的基本概念 任筒瘸麓经簿正羧波只要符台获篓赫蘩条传，蕊霹虢遁一个綦频歪蘩渡热上 一系列冀袍正弦波翻憾建分量表示。这黧正弦波通常育着 匕基波小的幅缓和为基 波憝羧嵇的频率，后者称为谐渡。按照国际一匕的通行定义是：谐波是一个周期电 气掇的燕弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于潢波的频率是基波黪整数 经，鼓亦穆之为褰次谐波。 聪潮f o u r i e r 缀数霹驭蠢寝滚涛瘸期瞧靛豫燮波努嫠藏蘧宠 寒流) 努萋、鏊 波分照投谐波，遮样的分解适合于用数学方法进行定量分析【l 嵋l 。 在工程实际中，邂襻在颧率低于工颧鏊液频率的分数，称沟次谐波。频率为 基波频牵静分数铸，称为分数谐波。忿外，在蒹魑情况下，电阏中静渡鼯在稷筵 静时闽交发生簿变，这荸孛暂态瑗蒙有对也露嚣馋蹩重复的弱麓爨溅有衰躐瀚瘸裁 餐，鼹它按蕊立时援拳黼开迄可获褥楱痰懿游波爨，敲蠢瑟豢称之为餐态涟渡。 2 2电力系统谐波的产生源 龟力系统中敬主鼗谐波源是嫠线毪炱载，这照菲线毪受载囊要是龟力电子装 鬣，魏番释露整整流器、交壤器、蘩渡器及交滚 | 鼙匿装餮等，这整设墨豁畜一个 固有的缺点：即在能量变换的过程中，会产生商次谐波，当谐波源和为改善功率 函数的龟力电容器产生并联谐振或串联稽缀，且这种谐掇电路的谐振频率等于或 搂近予莱统中存在卷懿萦次潼振凝率时，簸会弓l 超更兔严重的谤波阕莲，鄹谐波 ? 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 放火问题。 首先，供电系统中的谐波源除了电力电子设备外，还与变压器的设计和运行 有关。变压器正常运行时，其铁心一般在磁化曲线的线性段工作，因此电压和电 流波形不会畸变。当变压器的铁心处于饱和区时，非线性特性明显，将导致电流 或电压波形畸变( 电压为正弦波时电流畸变；电流为正弦波时，电压畸变) ， 畸变程度随饱和深度的不同而不同。 其次，交、直流电弧炉是电力系统中另一大类非线性负载，且电弧燃烧时极 其不稳定，因而产生高次谐波。因为电弧长度的突然变动，造成电压随机性的变 化非常大，电弧的谐波电流以低次谐波电流为主，5 次以上的谐波电流很小。所 以，一般说来电弧炉只产生低次谐波。 因此，电力系统的手要谐波源可分为两大类：( 1 ) 含非线性半导体器件的谐 波源；( 2 ) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。 2 3 电力系统谐波的抑制 1 ) 我国限制电力系统谐波的规定 实际电力系统中不能全部消除谐波，为了保证系统的安全经济运行，保证电 能质量，给出控制标准，对渚波进行抑制。限制电力系统谐波的国家标准或由权 威机构制订的限制规定是限制谐波源对电网的注入，控制系统内谐波含量的重要 技术依据。谐波指标的选取要满足：具有物理意义，能反映出谐波影响的大小： 可通过测量柬判断谐波是否超过允许值；为了能被广泛地采用，必须简单、实用。 我国限制电力系统谐波的国标为g b t1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波1 2 2 1 。 对畸变波形可有两个指标： 波形含有率h r ，即周期性交流量中的第h 次谐波含量的方均根值与基波 分量的方均根值之比( 用百分数表示) 。第h 次谐波电压含有率以h r u h 表示。 第h 次谐波电流含有率以h r 表示。 总谐波畸变率t h d ，即周期性交流量中的方均根值与基波分量的方均根值 之比( 用百分数表示) 。电压总谐波畸变率以t h d 表示，电流总谐波畸变率以 t h d ，表示。 ( 1 ) 对电压波形畸变的规定 敬迸戮寿濠溉力瀵渡器凑效嘏滚棱测方法秘礤突 表2 一l 公用毫网谐波电压( 栩电艨) 限值( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) i供电电压 电压总谐波畸变率限各次谐波电压古有率限制( ) ( k v ) 值( )奇次 偶次 。，3 85 04 02 0 l6 或l 。 4 03 21 6 3 5 残6 63 02 4j 2 t t 。 2 ，0 60 - 8 对于不同魄压等级的公用电网，允许电压的畸变率也不相同。电压等级越高， 谐波限制越严。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表2 1 给 出公用电阁谐波电压限值。 ( 2 ) 谐波电流允许值 公用电嘲公共逢接点般全熟熙户彝该点注入熬谐波瞧滚分量( 方均粳焦) 不 应超过表22 中规定的允诲值。表2 3 是对应表2 - 2 中供毫电压，计算出鳇港渡 电流允许德的电网最小短路容爨。 表2 - 2 漫入公共逡接煮戆谐波龟流凳诲毽( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 【供l 强屯 ；券波次数及谐波电流亢；乍稳 压 ( k v ) 3 4 5 6789 1 01 1 1 21 3 0 3 87 86 23 96 22 64 41 92 l1 62 81 32 4 64 33 42 l3 41 42 4l ll ls 5 1 6 7 1 3 1 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 9 3 51 51 27 71 25 18 83 84 ，13 1 5 6 2 64 7 6 61 61 38 1l35 49 ，34 14 33 + 35 ，92 ，75 。o 0 29 66 ，0 9 + 6 4 06 名3 03 22 4 4 + 3 2 03 ，7 羧遗墅囊漂电力嚣波器蠢姣毫滚捡溅方法秘翳究 供电屯 谐波次数及谐波电流兔 串徨 ( k v ) 1 4l s1 61 71 8 1 9 2 02 1 2 22 32 42 5 0 r 3 8l l1 29 。7 i 886j 6王8曩97 1 4矗5t 2 66 1 6 85 f 31 84 ? 9 0 4 3 4 9 3 ，97 4 36 6 8 1 0 3 74 13 ，6 02 85 42 ，62 92 34 ，52 ，】4 1 3 52 2 2 + s 93 6l 。73 2 。5 l + 8 ，4 2 + 了1 3 2 、5 l 6 62 3 2 6 2 0 j 81 1 83 41 6l 。6l ，52 81 42 6 l l l l o1 71 91 5 2 8lt 32 51 22 41 12 l0l ，9 表2 3 诗冀灞浚惫滚龛谗蓬秘惠阚最小透露褰黧( g b t1 4 5 4 3 - 9 3 ) 供 乜i 强压( k v ) 短路容量( k v a ) l 黼。l o 6 袋1 01 0 0 3 5 2 5 0 6 6 5 0 0 l7 5 0 l2 2 。 2 0 0 0 2 ) 谐波电流柳制方法 在毫力系统中，黯谐波静穆裁就愚城少或溪豫注入系统瀚谐波窀浚，l 冀镬愁 淫波毫嚣蘩鞫在袋壤良蠹。蘩裁 骞渡毫滚主要有耀令方蠢懿搭麓，一方瑟蔗装浚 谐波 偿装鬣米 绥谐波，夯稼被动黧；另一方西是辩电力电子装j 鼙本身进行黢 造，开发新裂变流嚣，使其不产生谐波，盛功率因数可控制必l ，也称主动型。 这种变流器被称为单位功率因数变流器。麓功率因数变流嚣可近似卷成为单位功 1 0 改进懿蒋灏电走灌注器鸯效蘸浚棱潮方渣鹣礤究 率强数变流器 2 秘。 按照采用的电路结撼可以分为：无潍滤波器方案、窍源滤波瓣方案鞠瀣合滤 波器方紧3 大类。 1 ) 丢濠滤波器p f ) 无源滤渡器是传统魏补偿光功稻帮裁谐波酾主要手段。稻个率联豹三c 并 联在熬流桥输入端，其谐波频率甜一1 历成与电路中的主要嵩次潴波频率相等。 无源滤波器方案是西秘袋踊静鬣鸯广迈静谐波排京手段，它缩秘鬻攀、迄债征、 运行爨麓迩低，在陵馥麓攻溪渡方蠹效慕聪瀑。程宅只对该敬谐波舂效，霹其篷 次滔波影蝻不大，有髓参数配合不好，还可髓会蒋不莉豹影桷。 ( 2 ) 有源电力滤波瓣( a p f ) 宵潍电力滤波器的熬本原理怒胰补偿对浆中检测出谐波电流，由 偿装置产 垒令与谈谗渡毫潺丈夺樱等囊辍整赣茨瓣钤褛毫浚，反瑟餐魄潮毫滚哭害基渡 分爨。遮耪滤波嚣畿对籁零穆幅壤帮变化浆谐波精确遗臻踩 偻，且 髅特往甭 受电潮戳抗静影桐，黼黼隧副广泛酶重视，并且已在日本等斟家获得广泛应用 1 2 锄7 i 。在蠢源滤波器等激功及谐波电流动态朴摸装置中，谐波及擞功电浚瓣实时 硷测靛茯遂缝、穗礁镌及菇活毪蕊疆影舔剩其窳鲸 搂耨犍，麓以，谐波窀流羧 溅遮一霹；节至关萋簧。蕻捻溅方法主要京淤下a 黪辫嘲二 提取基波分量漶 该法疑最早被采嗣姻潴波电流检测方漶，裁艨理是在被捡测剡的信号中提取 基波努鏊，它与黎结号之蕊耱是蕊需李 髅黥；辫波，遵露霹慕薅繁避滤波嚣实毽。 瞧繇采黛鹣毫酴滤渡嚣念产生瓣魏裙移，遮藏赣凌莹号篱变，影蠛蛰搂教黎。诧 静，遮释方法还存在设诗瓣礁、谈差大、对魄阏簇率波蘩帮亳熬露佟参数敏惑等 缺点，因而目前已较少策用。 蕊予f f t 鹃数字徽分撬蘧 谈方法是建立褒f o u r i e r 磐蘩蕊基稿上，蕊照耍袭霰餐搂翁浚黟莛鬟麓交毪 的，谢则会带来较大的谖藏。通过f f t 将检测别的一个周期的谐波缩号进行分解， 褥到器次港波熬整鏊裁考| ；l 德系数，器将该淡藏精号迸行f f t 爱交换，帮可褥到狰 偿键号。冀优点是可| 丛选择撒消鲦的谐波次数，缺点是其蠢较长的时闻延迟，实 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 时性较差。 自适应检测法 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始 输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无 功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应 能力，缺点是动态响应速度较慢。在此基础一l ，文献 3 4 ，3 5 提出一种基于神经元 的自适应谐波电流检测法。 瞬时空间矢量法 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前a p f 中应用最广的一种检 测方法，最早由日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出，经过不断改进，现在包括p - q 法、法及小g 法。其叶 ，p q 法适用于电网电压对称且无畸变情况下三相三 线制系统的谐波电流检测。、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。 小波分析法 a p f 的电流检测不同于一般的谐波检测，它不需分解出各次谐波分量，只需 检测出除基波电流外的总畸变电流。小波变换能解决时频同时局部化的问题。将 含谐波的电流进行基于多分辨思想的正交小波变换，提取出较高尺度上的变换值， 就可以得到电流的基波分量，由于小波分析在频域和时域同时具有局部性，故能 跟踪谐波的变化。而且小波变换本身对信号的奇异点非常敏感，这就可以用来跟 踪那些出现非常突然、消失也非常突然的谐波信号，这种信号正是小波检测的难 点。 本文主要针对后两种检测方法进行研究。 ( 3 ) 混合型有源滤波器 混合型有源滤波器具有有源滤波器的优点，同时弥补了无源滤波器的缺点。 它必将会得到广泛的应用，但由于目前混合型有源滤波器技术尚不够完善，故其 应用受到了一定的限制。 墼谯壁眷嚣耄走游建器寓效电浚撞溯方漫豹研褒 第三章 基于瞬时无功理论的谐波电流检测 3 1 瞬对无功功率遐论5 4 1 - - 4 4 1 鑫轶三接逛鼹瓣露无功功率瑾论予8 0 年健捷凌鞋寒，在许多方蓉敷霉了成功 的应用。该理论突破传缆的以平均艇为基破麴功率定义，系统媳懋义了瞬时无功 功牢、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理谂作为基础，可以握出魁予有源电力 滤波嚣的谶波鞠无功功率实时检测的方法。 兰楣惫鼹瓣时无功功率瑾论善先予1 9 8 3 冬是褰枣泰文爨璐，经过1 0 余年懿 发麓，瞬时无功功率理论已经逐渐完善起来。赤术泰文最初提出f 勺理论是一种简 单的以瞬时实功率p 和安时虚功率q 定义为熬础的理论，称为p q 理论。p q 理 论盼出现橡志蓉瞬时无功功率理论的涎生，它主要形成了以孵时有功电流毛和瞬 时无场电滤岛为薹磁懿璎论葵系。 设三桐电路各稠电聪和电流的瞬时值分剐为e 。、e 。鞠f a 、f b 、i 。，把这些 鬣变换到h p 两相e 交的圣l 垒标系上研究会使分析问题比较方便。逡用f 面的公式 褒按可以褥到伽p 两榴麟时电压、邙和a 一甄褶瞬时电流以、珏 髀i l 仔” 睁。 ：， 铲脚。1 孝荪 在图3 1 的所示的淞p 平馘上，矢警、部帮矗、而分掰可以合成为( 旋转) 意愿矢鼙# 窝邀潦矢莹i ： e = e a + e p = f z 矾 ( 3 3 ) 扣嵇 帮z 张 ( 3 4 ) 式中，8 、f 为矢詹e 、i 的摸；热、张分别为矢爨、l 蛉蝠兔。 兰糖毫鼹瞬蠡重考功电滚茹秘瞬射无功邀滤乓分型为矢量i 在矢羹譬及其法线 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 上的投影。即 l p = f c o s 驴 l q r = t s m q , 式中，p = 钆一仍。a p 平面中的和如图3 - 1 所示。 j 相电路瞬时无功功率口p ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢 印 量e 的模和三相电路瞬时无功 i b 电流( 三相电路瞬时有功电 流) 的乘积。即 p 。e l p q = e t q ( 3 - 7 ) 2 b ( 3 8 ) 将式( 3 5 ) 、式( 3 - 6 ) 及口 2 妒e 一仍代入式( 3 - 7 ) 、式( 3 8 ) 垴 中，可吼写出矩阵形式： 式中c 。旧 式 ： ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) 吲3 - 1a b 坐标系中的电压、电流矢量 ( 3 - 9 ) 把式( 3 1 ) 、式( 3 2 ) 代入上式，可得出p 、q 对于三相电压、电流的表达 p = e a i a + e b i b + p c i c ( 3 1 0 ) 1 9 2 【( - p c ) f a + ( p c e a ) i b + ( e a - e b ) i c ( 3 - 11 ) - q j 由式( 3 - 1 0 ) 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 1，j b h 一一 胛 c i i 1，j k 唯 ，。l1j a 邙叩 、j 邙叩 致i 莲受鸯源魄走滤波爨蠢效电滚检潮方法的翳窕 d 、p 稻酌瞬时无功电流岛、锄( 潍时有功电流如、如) 分剐为三相电路瞬时无 功电流蔷( 瞬时有功电流) 在a 、p 轴上的投影。其中，菜一相的瞬时有功电流 器簿时无功电流也可分剐称为该葙瞬时电流的有功分羹和无功分羹。而三栩电路 各摇豹瓣时无功电流( 或瞬时有功电路流) 是a 、p 相酌瞬时无功电流i 枷( 或 瞬时有功电漉砩、锄) 透过掰裾交换蜀三稻所得翔酌结采，酃 式中c 2 3 = g 2 7 。 ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) a 、b 、e 各楣豹瞬时无功功率孙粕、g 。( 瓣辩有功功率蕊、拂、执) 分弱为 该槌蜓蛙电匿秘瞬对无功瞧滚( 瞬涎有功电滚) 煞乘积。经过矩辫运冀，可以餐 剥以下性膜： 尸a + 讯 p c 鼍p ( 3 - 1 4 ) ( 3 一1 5 ) 传统溪论中豹有功功率、无功功率都建在平均氆基础或商量的意义上定义的， 它们最遥鼷于宅压、电流均为正弦波鹃清况。丽褥时无功功率理论中的概念，都 跫在骧时傻豹基秘上定义黥，它不铰适瑙于正弦渡，氇逶_ 蒂予菲正弦液和任何过 渡过程的| 骞凝。瓣时无功功率爨论中的缀念，在彩式主帮传统理论菲鬻稳颓，可 以吾戏传绞理论戆推广襄延糖。它包含了传统蕊无功功率理论，跑传绞理论宥更 大的遮用越困。 三相电路瞬时无功功率理论首先在谐波和无功电路流实时检测方面得到了成 功的应用。尤其目前在有源电流滤波器所应用的检测方法中，基于瞬时无功功率 p ， 峰 氍 也 巴： c | l = 1，；，j，|、， p p p 呻 w w n = 兰m b 卜hh一限一 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 理论的谐波和无功电流方法最多。在只检测无功电流时，可以完全无延时她得出 梭溺结采。裣溅谐波电流辩，困被硷溅对象蠢滚中谮波懿褥成帮采雳滤滚嚣懿不 同，会有不同的延时，但延时最多不超过个电源周期。对于电网中最典型的谐 波源焉相桥整流器，其检测的延时约为1 6 周稍。可觅，该方法具有很好的 实时牲。 根据赛术泰文的瞬时无功理埝，各楣的瞬时无功功率对总的瞬时功率( 瞬时 实功率) 没有任何贡献，丽是在各相之间相互传递，这也币是赤术泰文给出瞬时 实功率、瓣时连功率及各稳骥对无功功率、瓣辩裔功功率定义戆一霭。然瓤可以 通过公式推导得融，当电压和电流均为正弦波对称时，瞬时实功率和瞬时艘功率 正好等于传统功率理论中二稻电鼹有功功率和无功功率。当仅有三相电压为正弦 对称时，蝣时实功率和瞬时虚功率中的直流成分分别与相电流中基波的有功分量 和无功分赞对应，而交流成分与三榴电流中的谐波分量对应；特别是在一魑典型 揍凌下，妇当电浚为币对舔匏委三弦游，其负彦分璧转纯为p 彝薛中熬二次瀵波： 当电流为对称而台有6 k + 1 次谐波时，其谐波转化为p 和q 中的6 t 次谐波。有源 瞬拜章无璃功率理论酶应爝难是基予这一点。为了绘上述现象做出合理的释释，就 必须突破正弦电流和电压有效值f q 时间平均值豹概念，将其像幅缎一样视作瞬时 跃变的瞬时值，可记为妇和盯。具体地说，就是将其视为时间的函数，巢一时 粼嚣数酶穰裁是箕繇强述翁正弦蘸匿或寇溅弱毫效镶，盈为该霹裁镶篷麴j 2 。 这样，就可以使用如“三相对称正坛电流的有效缎在f 时刻由多少突变为多少” 的语句进行描述了。同样的，电联和电流的初相角和相位麓也应视为时间t 的函 数，以反映翅媚惫秘摆霪麓熬撰李交他。 传统功率理论中的功率表达式为： p 2 3 u l c o s ( 妒- 妒) q = 3u l s i n ( _ p - ，) 式中，钆、仇分别是电压和电流的相位角。 1 6 ( 3 - 1 6 ) ( 3 - 1 7 ) 改进型褒嚣彀走滤波爨鑫效奄滚捡溅左法昶辕灸 当将有效值和稻位差f 申为瞬时值之后，有功功率p 和无功功率q 也就突破 时两平均俊韵概念，被；i 申成为瞬时量，称之为三褶电路的瞬时有功功率和瞬时 无功功率，并记为： p 。3 u e r d e 鹋o s ( 一妒。) 譬2 3 掩蔽s s i n ( 妒。一妒矗 ( 3 一1 8 ) ( 3 一 9 ) 这样就将对称的三相丁e 弦电压和电流的有效值扩展为瞬时值的概念，它反映 了某一时刻三相对称电压戏电流作为正弦交流量的大小。稳态时，它就等于方均 根值。三稠电路的瞬时有功功率和瞬时无功功率的瞬时变化反映了对称正弦电压 和电流育效值或者电压和电流相位黧的瞬时变化引起的有功功率和无功功率的瞬 时变纯，稳态时它们就是传统豹有功功率和无功功率。传统功率理论中已知在稳 态时，三褶精称电压线路的总瞬时功率币好等于有功功率，而无功功率是在三相 电路之海榴互传递的。萄魏，警把商效值和稻位差引申为瞬时量籍，瞬时有功功 率帮瓣时无功功率也分霜反汝了菜一时刻三稠电路作为一个整体，由电源向负载 传递豹功率稳在单据瞧路之闻来回传递豹功率豹丈小。类戗的，将各次瞬时功率 蕊有功程无功分蓬表达式中电压帮惫滚静有效值、镯稻麓帮相位差g l 串为瞬时值 震，就分爨称为该瑗麴瞬对有功功率鞠瞬对无臻功率。隧a 稻为铡，可表示为： p 2 “e 旗f 西o s ( p “一妒，) 【1 一c o s ( 2 c o t + 2 r p 。) 1 矽w 一e c 礴i n ( 妒矿哟s 嗽2 耐+ 2 瓢) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 上面就是对传统功率理论和瞬时无功功率理论的统一数学描述。这样就将传 统理论中有效毽、稽位差、有功功率和无功功率等概念向瞬时值裰念进行了自然 扩震，阐懿了稀时无功功率理论的耨理意义。 在有源电力滤波器中，以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算小q 或 kf g 为出发点即可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p 、 口运算方式和、岛运算方式。 堕鲎型宣塑皇查堕婆量宣塑皇鎏丝塑查鎏塑里塞 3 2 p 、g 运算原理及其仿真结果。4 5 i 3 2 1 p 、q 运算原理 该检测方法的框图如图3 - 2 所示。图中上标“一1 ”表示矩阵之逆a 图3 - 2 n q 运算方式的原理图 浚方法根据定义算出p 、q ，经低通滤波器( l p f ) 得p 、q 得直流分量歹、虿。 电网电压波形无畸变时，芦为基波有功电流与电压作用产生，虿为基波无功电流 与电压作用产生。于是，由芦、虿即可计算出被检测电流i 。、j b 、i c 的基波分量f a f 、 f i ：a ! f = c 。c 二 ； = 吉c ”c ，。 ； c ，一：2 ) 将i a f 、i b f 、i c f 与i 。、i b 、i 。相减，即可得出i 。、i b 、i 。的谐波分量i b h 、f c h 。 当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象 中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开图3 - 2 中计算g 的通道即可。这 时，由芦即可计算出被检测电流i 。、i b 、c 的基波有功分量f 即f 、f 印f 、如f 为 眨i ；1 = c 。c 二 j c ，一z ， 将i ￥卜如f 、如f 与i 。、i b 、f 。相减，即可得出i 。、b 、f c 的谐波分量和基波无功 靛遴壁寿纛毫蠢滤波器鸯效窀滚梭瓣方法的辩突 分量之和a d 、f b d 、如。下标中的d 表示由检测电路得出的检测结果。 内予采薅了低邋滤波器( l p f ) 求取多、虿，敲当禳检溺电流发生变化时， 需要定延迟时问才能得到准确的芦、虿，从而使检测结果有一定延时。但当只 箍蒸笼功 趣浚时，猁不纛爨逶滤波器，两只需惑羧穆g 爱交羧耀可蒋密无功电漉， 这样就不存在延时了，得到的无功电流如下式所示： 褂知岛翻 净捌 3 2 2 p 、垡运算方式仿真结果 下丽根据p 、g 运算方式的特点进行仿真，没有特别说明的仿真都是撼- f a 3 2 2 1 电丽电压对称无畸变 围3 - 3 无畸变旋电嬲噬骶霎3 - 4 受载电渡 琏 图3 5 负载奄流和基波有功电流 1 9 t s 国3 - 6 指令电流波形 改进型有源电力滤波器有效电流检测方法的研究 3 2 2 2电网电压对称有畸变 图3 7 有畸变的电网电压波形 图3 - 8 负载电流 f ，s 图3 - 9 负载电流和基波有功电流 图3 1 0 指令i 乜流波形 当电网电压对称无畸变时，p 、q 运算方式能较准确地检测出所需的谐波和无 功电流分量，但是延时时问比较长：当电网电压对称有畸变时，p 、q 运算方式的 检测结果有比较大的误差。所以当电网电压对称有畸变时，刁i 能使用p 、g 运算方 式的检测方法。本文针对p 、q 运算方式检测谐波延迟时间长的问题，提出了改进 滤波器的算法。改进滤波器后的检测方法能极大地减小延时时间。将在后而进行 详细讨论。 3 3 oi q 运算原理及其仿真结果4 6 1 3 3 1 0 运算原理 该方法的原理如图3 11 所示。 改进整毒嚣毫鸯滤波器蠢姣龟滚辕测方法鹩磷巍 鬻中 豳3 - 1 知、岛运算方式麴露理凰 如。isino)t-一co。s091cosots l n ( o t 一一l 该方法零漏爨每a 穗毫瓣毫篷e 。瓣褪位懿爱弦整号s i n e ) t 箨黠瘦戆余弦嚣号 一c o s ，它们意一个镄相环( p l l ) 和个正、余弦信号发生电路得到。根据定 义可以计算出协如缝l p f 滤波得出瞄、i q 的直流分量、不。这里，、是妇 嵇、趣n 妇产生的t 爨她虫毛、乏鄹可计算避i a f - i b f i e f , 避隧诗冀出、i c h 。 与p 、譬运箨方式楣戳，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开黼3 - i1 中计算知的通道即可。而如莱只需检测无功电流，赠只要对如避行反变换邵可。 3 3 。2 毛、厶遴算方式彷真缩果 3 3 2 1 电两趣压辫稼无畸变 电压和电流波形如图3 3 和3 - 4 所示，图3 一1 2 和3 1 3 为仿真结果。 2 l 改进錾毒嚣毫夯薅涟蒸囊姣毫滚棱嚣蠢法鹣磅究 图3 - 1 2 负鼗电淹彝基裟育功毫滚 鹜3 - 1 3 豢令逛瀛渡形 3 3 2 ，2 电网电压对称糟畸变 毫压彝电浚波形瓣鬻3 。7 移3 - 8 舔承，强3 一1 4 窝3 1 5 为携粪结梁。 图3 - 1 4 负载电流和基波有功电流 图3 - 1 5 指令电流波彤 以上荫真绩巢表明，对于三鞠三线裁窀籍，尽管逮霹毫瑶滚形发垒三瞬变，困 按茹、如运算方式梭测时，出于只取s i n 国t 籀- c o s a t 参与运舅，嚼变电基翡谐波成 分在运藜过程中不趣骥，因嚣捡灏缝暴不蹙电压波薅莓变的影响，检测绪祭时浆 确的。但是，峦傍蠹懿