（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器的研究(1).pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , as h a r p l yi n c r e a s i n g n u m b e ro fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sh a v eb e e nw i d e l yu s e dn o w a d a y s a l t h o u g h t h e s ep o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sm a k eo u rl i f ec o n v e n i e n t ，t h e yi n j e c tm u c hh a r m o n i c c u r r e n tt ot h ep o w e rg r i df o rt h e i rn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a n o t h e ra s p e c t ，t h e d e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a v em a d em o r ea n dm o r ee q u i p m e n t s ，w h i c h b a s e do nc o m p u t e ra n dm i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l t e c h n o l o g y , p u t i nu s e t h e s e e q u i p m e n t sh a v eac o m p a r a t i v e l yh i g hr e q u i r e m e n tt op o w e rq u a l i t y , w h i c hs t o pt o w o r ko re v e n l yb r a k et h ew h o l l ys y s t e mo n c et h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e ma p p e a r s ，t h e e c o n o m i cl o s s e sb r i n g i n ga b o u tf r o mt h i si sd i f f i c u l tt oe s t i m a t e t h e r e f o r e ，h a r m o n i c c u r r e n tc o m p e n s a t i o ni sr e g a r d e dh i g h l y a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i so n eo ft h ee f f e c t i v em e a n sf o rh a r m o n i cc u r r e n t c o m p e n s a t i o na n dp o w e rq u a l i t yi m p r o v i n g t h et h e s i st a k e st h es m a l lc a p a c i t i e sa p f e q u i p m e n td e s i g n i n ga sm a i nj o b ，w h o s ep u r p o s ei st h a tt ob u i l dap l a t f o r ma n d h a r d w a r es u p p o r tf o ra p f sr e s e a r c h f i r s t l y , t h et h e s i s c o v e r st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc l a s s i f i e so fa p f ，a n a l y z e s s h u n t a p f ss t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l e ，i n t r o d u c e st h et o p o l o g i e so fi t sm a i n c i r c u i ta n db u i l d sm a t h e m a t i cm o d e l s e c o n d l t h em e t h o do fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i n gc u r r e n t c o n t r o lw e r e d i s c u s s e d ；t h e o v e r a l l s y s t e m h a sb e e nm o d e l e d u s i n g m a t l a b s i m u l i n k , a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h es t r u c t u r ei s r e a s o n a b l e f i n a l l y , t h ep a r a m e t e r si nm a i nc i r c u i to f3 k ws h u n t a p fi sd e s i g n e d ，c o n t r o l s y s t e m sh a r d w a r ei sa l s or e a l i z e db a s e do i lm i6 cm c ua n dt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p i nt h ec o n t r o ls y s t e mt h em e t h o do fc o m p e n s a t i n gc u r r e n tc o n t r o li si n s t a n t a n e o u s l y c o m p a r i n g ，a n dt h em e t h o do fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gi sb a s e do ni n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y a f t e r d e b u g g i n gf i r s ts t e p sr e s u l tw a sg o a e n ，a n di ts h o w st h e d e s i g n e ds t r u c t u r ei sr e a s o n a b l e ，t h et h e o r i e sw h i c hw e r ea d o p t e da r ec o r r e c t k e yw o r d s ：a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，d s p , h a r m o n i cc u r r e n tc o m p e n s a 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 , m a t l a bs i m u l a t i o n 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得叁鲞苤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了谢意。 学位论文作者签名：同福诞 签字日期： 加7 年歹月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：同稻泛 签字日期：加刃年多月g 日 导师签名：聋延冯、 签字日期：肋9 年6 月f ，日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电能无疑是现代社会中应用最广泛的能量，它的应用程度标志着一个社会的 文明程度，标志着一个国家的发展水平。我国是一个发展中国家，近年来，由于 社会经济的高速发展，电力事业迅猛发展电力系统的规模也日益扩大，经济高速 发展带来的电能缺乏问题已经得到了初步的解决。但与此同时，由于现代电力电 子技术的发展，各种非线性器件的广泛应用，使得畸变电流对电网的污染越来越 严重。另一方面，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处 理器控制的用电设备大量投入使用，它们对系统的干扰比机电设备更加敏感，因 此对电能质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运， 重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失是很难估量的。因此，用户对提 高电能质量的呼声越来越高，电流谐波的治理也越来越受到的重视n 吲。 制定谐波标准是治理谐波污染的重要措施之一，我国于1 9 8 4 年，由原水电部 制定了电力系统谐波暂行规定1 ，规定中指出：为了向国民经济各部门提供 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。1 9 9 3 年国家技术监督局颁布了新的电能质量公用电网谐波标准 ，规定了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。众多标准的出台都反映了有关部门对电网谐波治理重视，也说明电 网谐波治理具有重要的现实意义。 1 2 谐波来源及危害 1 2 1 谐波的来源 谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，它的频率为基波频率的整数倍。非 正弦电压u ( a ，t ) 在满足狄里赫利条件下可分解为如下形式的傅立叶级数( 周期 t = 2 r r 缈) ： “( 缈f ) = 口o + ( c o s 刀刎+ 巩s i n ，删f ) ( 1 - 1 ) n = - i 第一章绪论 其中 铲去卜拟， = 昙c 蛳蝴删c 刎 阮= 昙了删坶n 门删c 研， c n 毗3 ，4 ， 式( 1 1 ) 中频率为疗彩( 疗2 ) 的项即为谐波项。 当正弦基波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分 别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性 负载上时，电流就变为非正弦波，产生谐波电流。负载谐波电流通过与电网的公 共联结点注入电网中。 系统中的谐波源可分为两大类【8 ，9 】：含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和 铁磁非线性设备的谐波源。归纳起来，主要有以下几种： a ：静止变流器。如整流器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐波对 电网影响最为严重，被称为电网中“公害 。 b ：工业用电弧炉、交流电焊机等。虽然它们数量不多，但容量较大，产生的 谐波成份十分丰富，对电网的危害极大。 c ：电力变压器，发电机及铁磁谐振设备等。 d ：各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电源等， 虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越来越严重。 其中a 属于第一大类，b 、c 属于第二大类，d 分属上述两类谐波源。 1 2 2 谐波的危害 谐波对电力系统中的其它用电设备尤其是一些精密仪器影响严重，其危害主 要表现在以下几方面： ( 1 ) 电力方面的危害 1 0 , 1 1 ： a ：谐波容易引起电网与无功补偿电容器之间的串联或并联谐振。使谐波电流 放大，造成过电流，导致电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。 b ：污染电网波形，使电网供电质量下降，使电网中的设备产生附加的谐波损 耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，增加电网的线损。在三相四线制系 统中，中线会由于流过3 次及其倍数的谐波电流造成零线过热甚至发生火灾。 c ：谐波会产生额外的热效应，从而引起用电设备的发热、绝缘老化、降低设 第一章绪论 备的使用寿命。 ( 2 ) 在信号干扰方面【1 2 - 1 4 】： a ：谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电力电子设备和通讯系统 产生干扰，严重时还会导致信息丢失，通信系统无法正常运行。 b ：谐波还会导致自动控制和继电保护装置的错误动作。 c ：因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，这种测量仪表是在纯正弦波情 况下进行校验的，因此谐波会使仪表产生测量误差。 诸如此类的影响和危害同自然环境污染一样，己成为公害谐波问题日益严 重，为了保证供电质量、提高系统运行的安全性和经济性，谐波抑制问题已是当 前电力系统中迫切需要解决的课题。 1 3 谐波抑制方法 为解决谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是对谐波源装置本身 进行改造，使其不产生谐波；一条是加装谐波补偿装置来补偿谐波。 第一条思路我们称之为主动方式，它适用于作为主要谐波源的电力电子装 置，目前主要方法有：增加整流相数；采用多重化接线方式；采用先进的控制技 术如p w m 技术等。这种主动抑制谐波的方法代表了电力电子技术的发展方向，但 是对于已经投入运行的设备只能通过第二中加装谐波补偿装置的被动方法来抑 制谐波。 目前被动型谐波补偿装置主要是指电力滤波器，它可分为无源电力滤波器 ( p a s s i v ep o w e rf i i t e r ，p p f ) 和有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i i t e r ，a p f ) 。 无源电力滤波器和谐波源并联，除了起滤波作用外，还可起到无功补偿的作 用。p p f 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。 但同时p p f 存在许多缺点：a ：只能抑制按设计要求规定的谐波成份，有时由于高 次谐波成份复杂，必须同时加入多个滤波电路，这会使无源滤波装置的容量、体 积增大，而且会增加滤波装置的成本；b ：谐波过大时可能造成过载，损坏设备； c ：可能与电源阻抗发生并联谐振产生“谐波电流放大 现象；d ：可能与电力系统 发生串联谐振，造成变压波形畸变产生附加的谐波电流。 针对无源滤波技术上的缺点，出现了一种新型的有源滤波技术。它的基本原 理是：向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使电网 的总谐波与无功电流为零，从而达到净化电网的目的。随着电力电子技术，高速 处理芯片技术的发展，有源电力滤波技术也逐渐走向成熟，并得到越来越广泛的 应用。 第一章绪论 1 4 有源电力滤波器特点及发展 1 4 1 有源电力滤波器的特点 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它通过检测 电路检测出电网的谐波电流，然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量，并注 入到电网中，达到消除谐波的目的n 瓦1 6 】。其主要特点有： ( 1 ) 具有自适应性，实现了谐波的动态补偿，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速度； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿； ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件；补偿谐波时所需要的储能元件容量也相 对较小； ( 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，不能正常发挥 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集中补偿。 1 4 2 有源电力滤波器的发展啪 有源电力滤波器的发展可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和 j f m a r s h 发表的论文中u 7 1 ，描述了通过交流电网注入三次谐波电流来减少电源 电流中的谐波成份，从而改善电源电流波形的新方法。虽然在该文中未出现有源 电力滤波器一词，但其描述的是有源电力滤波器的基本思想萌芽。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n 引，首次完整的描述了有源电力滤波器的 基本原理。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 等人提出：利用大功率晶体管 组成p 删逆变器来构成有源电力滤波器n 钔，确立了有源电力滤波器的概念，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，但由于受到当时功率半导 体器件水平以及控制方法的限制，有源电力滤波器仍局限于实验研究。 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的飞速发展， 大功率可关断器件( g t r 、g t o 、i g b t 等) 的不断进步，有源电力滤波器的研究 逐渐成为电力电子领域的研究热点之一。特别是非正弦条件下无功功率理论的研 究突破：1 9 8 3 年日本学者赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论圳2 0 1 ， 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 应用髓1 。23 1 ，极大的促进了有源电力滤波器的发展。到今天，有源滤波技术已经有 第一章绪论 了长足的发展，越来越多的有源电力滤波器已经投入运行，在电网谐波治理和无 功补偿方面发挥着重要的作用。 作为消除电网谐波，改善供电质量的重要工具，有源电力滤波器在日本、美 国等工业发达国家已经广泛用于国民经济生产的各部门，并且向着高容量，高可 靠性，低成本和多功能型方向发展。以日本为例，1 9 8 2 年世界上第一台有源电力 滤波器在日本问世并投入运行，今天日本已经有5 0 0 多台有源电力滤波器投入运 行，其容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 并且越来越高，功能从谐波抑制和功率因数校正 到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。作为世界上电力电子最发达的国家有源电 力滤波器在日本已经达到了普及应用的阶段。 相比日本、美国等发达国家，我国的有源电力滤波技术由于起步晚，电子工 业不发达等客观因素，现在还处在实验和攻坚阶段。国内关于有源电力滤波器的 研究主要集中在并联型和混合型，并联型有源电力滤波器的研究最为成熟，主要 以理论和实验研究为主。理论上涉及到功率理论的定义、谐波电流的检测方法等。 虽然我们已经在理论上取得了一定的进展，但是由于多方面条件的限制至今还没 有自行研制的大批量生产的工业产品。多数只是实验样机，存在容量小，可靠性 差，补偿效果不理想，造价高等各种缺点，这些缺点也同时限制了国产有源电力 滤波器产品化的脚步。 目前，以高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 为基础的 实时数字信号处理技术的迅速发展使得模拟量控制的电能质量调节装置正被采 用数字量控制的电能质量调节装置所代替。随着数字信号处理技术的不断发展， d s p 的功能将越来越强大，运算速度也将大大的提高。用d s p 作为有源电力滤波器 的控制核心，可以更快的完成信号处理，提高有源电力滤波器的实时跟踪性。d s p 控制有源电力滤波器已经成为当今和未来发展的新热点乜4 卫副。此外，大功率电力 电子技术、控制技术的不断发展将使有源电力滤波器的成本大大降低，未来在我 国有源电力滤波器将有广阔的应用前景。 1 5 论文的主要工作 本文以并联型有源电力滤波器为研究对象主要工作包括以下几个方面： ( i ) 概括了有源电力滤波器的特点、分类；分析其结构、工作原理；对现有的 并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构进行介绍，并建立了主电路为三变流器 结构的三相四线制并联型有源电力滤波器的数学模型。 ( 2 ) 对谐波检测原理和电流跟踪控制方法进行讨论，阐述了瞬时无功功率理论 和基于瞬时无功功率理论的电流检测方法：p - q 、f 。一谐波电流检测方法和三 第一章绪论 相四线制有源电力滤波系统中的零序电流分离检测谐波的方法。在电流跟踪控制 方法的讨论中分析了瞬时比较电流跟踪控制和三角波比较电流跟踪控制方法的 工作原理，并且总结了两种电流跟踪控制方法各自的优点和缺点。 ( 3 ) 利用s i m u l i n k 环境对三变流器主电路结构的三相四线制并联型有源电力滤 波器进行仿真，并且对结果进行了分析和讨论。 ( 4 ) 完成t 3 k w 并联型有源电力滤波器主电路的设计，内容包括：容量的定义； 主电路拓扑结构的选择，电容电感参数的确定；主电路逆变器中开关器件的选择 及其驱动保护电路的设计。 ( 5 ) 设计了一种并联型有源电力滤波器控制电路，内容包括：控制电路芯片的 选择及控制电路结构的确定；信号采集电路的设计；控制程序的编写及电流跟踪 控制电路的设计。 最后在完成并联型有源电力滤波器样机设计、调试工作的基础上，分析实验 结果，对后续工作进行展望。 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 2 1 有源电力滤波器分类 有源电力滤波器的分类情况如图2 - 1 所示，根据不同的接入电网方式，可分 为串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器和统一电能质量调节器 ( u p q c ) 。 图2 - 1 有源电力滤波器分类 2 1 1 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器一般有两种使用方式：单独使用；与l c 滤波器混合 使用。其原理图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 串联型有源电力滤波器 第二章 并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 如图2 2 ( 1 ) 当串联型有源电力滤波器单独使用时，它作为电压源串联在电 源和谐波源之间。主要用于补偿可以看作电压源的谐波源，如电容滤波型整流电 路。串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电 点电压波形成为正弦波。 如图2 2 ( 2 ) 当串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用时，负载和l c 滤波器并联，有源电力滤波器串联在它们和电源之间。谐波主要由l c 滤波器补 偿，有源电力滤波器在这里的作用是隔离谐波，阻止谐波流入电网而迫使其流入 l c 滤波器。这种使用方法还可以阻止电网阻抗对l c 滤波器的影响，抑制可能发 生的谐振，从而极大的改善了l c 滤波器的性能。 2 1 2 并联型有源电力滤波器 ( 1 ) 单独使用的并联型有源电力滤波器n 叼 l 图2 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 图2 3 中，并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网。负载为产生谐波的 谐波源，变流器和与其相连的电感，直流侧储能元件共同组成有源电力滤波器的 主电路。与有源电力滤波器并联的r c 滤波器的作用是滤除有源电力滤波器所产 生的补偿电流中开关频率附近的谐波。这种使用方式中，补偿电流基本上全部由 有源电力滤波器提供。 单独使用的并联型有源电力滤波器是有源电力滤波器的最基本形式，也是使 用最普遍的一种形式，它可以用于：补偿谐波，补偿无功，补偿三相不对称电流 等。这种方式的主要缺点是需要变流器有较大的容量。 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用的 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 图2 4 有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用 由于单独使用有源电力滤波器时要求变流器有较大的容量，为了克服这个缺 点，我们将并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用，原理图如图2 4 所示。 补偿电流由l c 滤波器和有源电力滤波器共同提供，这样l c 滤波器就能分担部分 谐波补偿任务，从而降低有源电力滤波器的容量。 ( 3 ) 注入电路方式 图2 - 5l c 串联谐振型注入电路 注入电路方式原理图如图2 5 所以，这是另外一种有源电力滤波器的使用方 式。有源电力滤波器的容量由它所承受的电压和流过的电流决定，注入电路方式 利用电感和电容构成注入回路。由于电感电容的存在，有源电力滤波器只需要承 受很小部分的基波电压。因此有源电力滤波器的容量就大大的减小了，容量减小 的同时，相应的造价也将降下来。 2 1 3 统一电能质量调节器( u p q c ) j 勺j = 卜工_ r 丁m 图2 - 6 统一电能质量调节器 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 统一电能质量调节器也叫综合电能质量补偿器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o m p e n s a t o r u p q c ) ，它综合了串联型和并联型有源电力滤波器晗制。如图2 - 6 所 示：串联变流器和并联变流器通过一个电容耦合：串联部分抑制电压谐波；并联 部分补偿谐波电流及无功，并且调节电容直流电压使其维持在一个合适的值。 u p q c 综合了串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器的优点，适用于对 电能质量要求高、本身又是谐波源的负载。它可以解决配电系统中发生的绝大多 数电能质量问题。但是存在控制复杂、造价较高等问题。 2 2 并联型有源电力滤波器结构及工作原理 2 2 1 并联型有源电力滤波器的工作原理 如图2 7 所示有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象中含有谐波 的电流，经指令电流运算电路运算得出补偿电流的指令信号，该指令信号经跟踪 控制电路，控制主电路得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流 相互抵消，最终得到希望的不含谐波的电源电流。 当负载产生谐波电流时，有源电力滤波器检测出负载电流f ，中的谐波分量 f ，。，将其反极性后作为指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流f ，即 与负载电流中谐波分量f ，。大小相等，方向相反，在连接点相互抵消，这样就达 到了补偿谐波的目的使得电源电流f 。中只含基波，不含谐波。 图2 - 7 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器的原理可以用以下一组公式来描述： 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 = i + ic = i t + f 幽 = 一z 肌 故 = 屯+ 之= 谚 其中，0 为负载电流的基波分量a ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 2 2 并联型有源电力滤波器结构 如图2 - 7 所示，并联型有源电力滤波器由四部分构成：主电路、指令电流运 算电路、电流跟踪控制电路和驱动电路。 有源电力滤波器的主电路一般由p w m 变流器构成。根据变流器直流侧储能 元件的不同，可分为电压型( 储能元件为电容) 和电流型( 储能元件为电抗器) 两种。电流型p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流在大电感的 内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。现在比较常用的有源电力滤波器主 电路均为电压型p w m 变流器。它的直流侧接有大电容，在正常工作时其电压基 本保持不变，可以看作电压源。电压型变流器的控制方法是：根据开关控制信号 变流器输出相应的电压，使之与电源的电压在变流器输入端的电抗器上相互作 用，得到所需要的补偿电流。这种主电路具有结构简单、对逆变器开关器件反向 耐压要求不高、能量消耗小、控制容易实现等优点。 指令电流运算电路采集电网含有谐波的三相电流，根据相应的谐波检测理 论，经过运算，滤除其中的谐波电流得到基波电流。并用采集的电流减去计算所 的基波电流得到应该补偿的指令电流。 电流跟踪控制电路较指令电流和系统实际补偿给电网的电流，根据它们之间 的关系输出控制主电路逆变器桥的开通和关断信号，最终使实际补偿的电流能够 快速准确的跟踪指令电流。 驱动电路根据电流控制电路的开通和关断信号，产生驱动信号驱动逆变桥各 桥臂的开通和关断，主要是由逆变器驱动模块及其外围电路组成。 2 3 并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构及其数学模型 2 3 1 并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构 a ：三相三线制电压型主电路拓扑结构 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 目前，并联型三相三线制有源电力滤波器的技术已经比较成熟，并且有大量 的产品投入实际运行。其主电路结构如图2 - 8 所示： 图2 - 8 三相三线制电压型主电路拓扑结构 它是一个三相六开关电压型变流器，图2 - 8 中所画的开关器件为i g b t ，实 际使用中也可使用g t o ，晶闸管，i p m ，电力m o s f e t 等。其补偿电流是由直 流侧电容电压和交流侧电源电压的差值产生的。c 是一个储能电容，正常工作时， 必须保持其电压恒定，因此这种主电路结构在控制开关器件产生补偿电流的同时 还需要对直流侧电压进行控制。 b ：三相四线制电压型主电路拓扑结构 三相四线制系统在工厂用电，城市供电中广为应用，近年来，谐波和零序电 流引起的事故越来越引起人们的关注。如何在三相四线制系统中采用有源电力滤 波技术来抑制谐波和补偿零线电流已经成为有源电力滤波技术研究的一个热点。 由于零线电流的存在，三相四线制有源电力滤波器除了要对三相电流谐波进 行补偿外，还要对中线电流进行补偿，以消除电源侧的中线电流，使三相电流对 称。根据对零线电流补偿方法的不同，三相四线制有源电力滤波器主电路的拓扑 结构可分为两种形式【27 】：三变流器结构和四变流器结构，分别如图2 9 和图2 一l o 中所示： 图2 - 9 三变流器结构主电路 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 图2 一1 0 四变流器结构主电路 三变流器结构的主电路中，零线与直流侧母线中点相连，通过此给零线电流 提供通道：而在四变流器结构中，零线通过变流器中的一相连接到直流母线上。 三变流器结构的优点是需要的电力电子器件数目少，可以降低系统的造价。但是 由于中线电流的存在，必然使直流侧两个电容一个电压升高，一个电压降低。为 了使直流侧上下两电容电压相互平衡需要对差值进行控制，使得其控制相比于四 变流器结构的控制更为复杂。四变流器结构的主电路中，各桥臂的分工明确，各 相补偿电流的产生和中线电流的补偿可以看作是由各对桥臂独立完成的。整个系 统可以看成是一个四相电流跟踪控制系统。主电路直流侧电容上的电压控制可以 仿照三相三线制系统直流侧电压控制方法进行。这种方法多了一个桥臂，增加了 有源电力滤波器的成本，但其控制相对简单。 2 3 2 并联型有源电力滤波器数学模型 以主电路为三变流器结构的三相四线制有源电力滤波器为例来建立数学模 型。忽略i g b t 和二极管的通态压降，将它们视为理想双向开关，可的三相四线 制有源电力滤波的等效电路如图2 1 1 所示： i #卜长“58。g ；s h o a ；h ” l 仄、毒黑广 u b、一 ￥l b1 o 一 偿l 熊三u c ，- - - - u d 2 5 c n 一￥l c ! o 一 图2 1 l 三变流器结构的三相四线制有源电力滤波器的等效电路 设电网电压为圪、吒、圪，有源电力滤波器的输出电流为i 。、i 。、t 、f o ， 第二章 并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 咒、咒、s c 分别表不a 、b 、c 三相开关状态，其中，当向上闭合时，s i = 1 ； 当向下闭合时瓯= - i 。直流侧电容c 1 和c 2 电压为u d 2 ，有源滤波器交流侧面 的电感电阻分别为r 。和厶( k = a ，b ，c ) ，则系统的电路方程可表示为： v k + l k 等+ r k i k = u k ( 2 - 3 ) u k = s 。吉u 血 ( i ( = a b ，c ) ( z - 4 ) 将式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 4 ) 合并，展开可得三相四线制a p f 的数学模型： v i 也等+ r i i = s 。三u 出( 2 - 5 ) v b + l b 等+ r b i b = s b 三u 赴( 2 - 6 ) v c + l 。警+ r c i c s 。1 2u dc(2-7) 由此可以看出，主电路工作过程是各相的开关s 。通过各自的动作来产生各相的 补偿电流。 2 4 瞬时无功功率理论和谐波电流检测 有源电力滤波器要进行谐波和无功的补偿，如何快速、实时地检测出负载电 流中的谐波和无功分量是关键的第一步。瞬时无功功率理论的提出和在谐波电流 检测中的成功应用解决了这一问题。目前有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率 理论的谐波电流检测方法应用最多。 2 4 1 三相电路瞬时无功功率理论概述 三相电路瞬时无功功率理论首先是由日本学者赤木泰文于1 9 8 3 年提出啪】， 该理论突破了传统的平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬 时有功功率等瞬时功率量。该理论最初提出时是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率口 的定义为基础，并没有对有关的电流量进行定义，但经过后来学者对其不断的研 究，到现在已经逐渐的成为一个完善的理论。下面介绍以瞬时有功电流i 。和瞬时 无功电流为基础的理论体系。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为p 。，气，p 。和屯，。首先把它们 变换到口一两相正交的坐标系上得两相瞬时电压p 。、e 。和两相瞬时电流、，。 盼 p 口 e c ( 2 - 8 ) 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 ： = 豳 沿9 ， 热驴历 ：另；主二等2 如图2 1 2 所示的口一平面上，矢量己、和毛、易分别可以合成为电压 一毛一 ( 2 - 1 0 ) 图2 1 2 口一坐标系中的电压电流矢量 其中纯、仍为孑和7 的幅角，如图2 一1 2 所示。 - n 电路的瞬时有功电流和瞬时无功电流分别定义为矢量7 在矢量孑及 孑的法线方向上的投影即： lz p 2 以c o s 缈 1z g 2z s i n 缈 ( 2 一1 1 ) 【缈= 9 。一矿f 三相电路瞬时有功功率p 定义为电压矢量虿的模e 和三相电路瞬时有功电流 f p 的乘积；同理定义瞬时无功功率g 为p 和电路瞬时无功电流的乘积。即： 缈 -以卸p + + 气fk = = 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 p 5 e l ， ( 2 - 1 2 ) g = p 乞 ( 2 1 3 ) 将式( 2 - 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 可得成矩阵形式等式： 孑 = 宅窆 乏 = c 朋 芝 c 2 一- 4 ， 式中= 乏宅 将式( 2 - 8 ) 、式( 2 - 9 ) 代入式( 2 - 1 4 ) 可得 p = e o + + p 。 ( 2 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 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。 2 4 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法有两种：p g 方式和i p - 方式。 前者以计算瞬时有功和无功功率p 、g 为出发点；后者则以计算瞬时有功电流 和瞬时无功电流为出发点。 ( 1 ) p g 谐波电流检测方法 图2 1 3p g 谐波电流检测方法的原理图 p g 谐波电流检测方法的原理图如图2 - 1 3 所示：该方法根据定义算出瞬时 有功功率p 和瞬时无功功率g ，经过低通滤波器( l o wp a s sf i l t e r l p f ) 后 得到p 、口的直流分量j 、石。当电网电压波形没有畸变时，p 为基波有功电流 与电压作用所产生，；为基波无功电流与电压作用所产生。所以可以由p 、；计 算出被检测电流、厶、的谐波电流分量、。 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 o 锄 0穰阡扣囝 用含有谐波的负载电流、屯、i c 减去基波电流0 、0 即可得负载电流 中的谐波分量乙。这样就达到了检测谐波电流的目的。 ( 2 ) i p 一谐波电流检测方法 图2 - 1 4i v - 谐波电流检测方法的原理图 i v - 谐波电流检测方法的原理图如图2 1 4 所示： 图中：c ：i s l n 耐 一c ? s 耐i ( 其公式推导见附录) l c o s 删一s i n a ) tl a 相电压p 。首先经过一个锁相环，再经过一个正余弦信号发生电路得到与其 同相位的正弦信号s i nc o t 和余弦信号c o s c o t 。根据定义算出电路的瞬时有功电流 i p 和瞬时无功电流。i p 、经过低通滤波器l p f 滤波后可得到它们的直流分量 i p 、i q 。此处的直流分量f ，、i 。是由基波电流0 、磅、0 产生的，因此由i ，、 i 可以进而算出负载电流中的谐波分量乙、“、乙。 、町 锄 01 圈 这样也就同样达到了检测谐波电流的目的。如果需要检测谐波和无功电流之和 时，只需要断开图2 1 4 中的计算通道即可。 2 4 3 三相四线制系统零序电流分离检测谐波电流的方法 瞬时无功功率理论是以三相三线制系统为前提，在三相四线制系统中由于零 线电流的存在，不能直接使用前面所讲的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 方法。下面介绍一种三相四线制系统零序电流分离检测谐波的方法。 图2 一1 5 零序电流分离检测谐波电流 该方法的原理图如图2 1 5 所示：首先将三相四线系统中的三相电流、 f 。经过零序电流分离，得到不含零序分量的电流。、t 。零序电流分离原 理如下： i o = ( i + i b + i ；) ，3 ( 2 1 8 ) 经过零序电流分离后得到的三相电流。、。、f 。不含零序分量，因此可以使 用基于瞬时无功功率理论的一谐波电流检测方法将其谐波电流检测出来。这 样就实现t - - 相四线制系统中的谐波电流检测。 2 5 电流跟踪控制方法 图2 7 中，指令电流运算电路完成谐波电流的检测后，输出应该补偿电流的 指令信号。电流跟踪控制电路根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相 互关系，得出控制主电路中各器件通断的开关信号，控制的结果应该保证实际补 偿的电流能够快速准确的跟踪指令电流的变化。可以看出电流跟踪控制在有源电 力滤波系统中发挥的重要作用，它决定了系统的快速性、准确性。 为了使系统有较好的实时性，有源电力滤波器中的电流跟踪控制一般采用跟 踪型p w l v l 控制方式。目前主要由两种方法：瞬时比较方式和三角波比较方式。 2 5 1 瞬时比较电流跟踪控制方式 、j9- 一 2l bbb 一 一 一 k0 = = = l0 第二章 并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 ( 1 ) 采用滞环比较器 以单相电流跟踪控制为例，图2 - 1 6 为采用滞环比较器的瞬时比较方式的原 理图。 滞环比较器 图2 1 6 采用滞环比较器的瞬时比较方式原理图 图中为补偿电流指令信号，为实际补偿电流信号，t 为前两者的差值。 将越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 控制信号，从而达到控制实际补偿电流t 跟踪指令电流变化的目的。 这种控制电路的特点是不需要载波，硬件电路简单，电流响应快，若滞环宽 度固定则其电流跟踪误差范围固定。这种方式中滞环宽度h 对补偿电流的跟踪性 能有较大的影响：当h 较大时，其跟踪误差大，跟踪能力差，但对主电路中电力 半导体器件的开关频率要求较低：反之，当h 较小时其电流跟踪误差小但同时对 主电路中电力半导体器件的开关频率要求就比较高。 由滞环比较器滞环宽度h 对电流跟踪性能影响的特点可以看出，当h 固定时， 如果f 。的变化范围比较大，在f 。值小的时候固定的环宽可能使补偿电流的相对跟 踪误差过大；在值较大的时候，固定的环宽有可能使器件的开关频率过高，甚 至导致器件损坏。 ( 2 ) 采用定时控制比较器 为了克服滞环比较方式中缺点，我们可以在瞬时比较电流跟踪控制中采用定 时控制的比较器代替滞环比较器。其原理图如图2 - 1 7 所示： 图2 一1 7 定时控制的瞬时比较方式原理图 在该控制方式中，每个时钟周期对a 。判断一次，使得p 1 】l m 控制信号至少需 要一个时钟周期才会变化一次，这样所给的时钟周期就限定了主电路开关器件的 最高频率，从而避免器件因开关频率过高而引起的损坏。这种控制方式的缺点是 补偿电流的跟踪误差是不固定的。 第二章并联型有源电力滤波器原理及谐波检测方法 2 5 2 三角波比较方式 三角波比较方式的原理图如图2 - 1 8 所示： 图2 一1 8 三角波比较方式的原理图 这种方法将补偿电流指令信号和实际补偿电流信号t 之间的差t 经放大 器a 放大之后再与三角波比较，放大器a 一般采用比例放大器或者比例积分放大 器，控制电路的设计目标将缸控制为最小。三角波比较方式的特点是：电流响 应比较慢、跟随误差大、硬件复杂、器件开关频率固定、输出电压中所含的谐波 少。 2 6 本章小结 本章首先概括了有源电力滤波器的分类，分析了有源电力滤波器的结构和工 作原理。介绍了现有几种成熟的并联型有源电力滤波器的主电路结构，包括三相 三线制和三相四线制。 其次对谐波检测方法进行讨论，阐述了瞬时无功功率理论；介绍了三种基于 瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法：p 一口谐波电流检测、f 。一谐波电流检 测方法和三相四线制系统中的零序电流分离检测谐波的方法。 最后分析了瞬时比较电流跟踪控制和三角波比较电流跟踪控制两种电流跟 踪控制方法的原理。并且总结了这两种方法的优点和缺点。在瞬时比较电流跟踪 控制方法中分别介绍了采用滞环比较器和采用定时比较器两种方式。 2 0 第三章并联犁有源电力滤波器仿真 第三章并联型有源电力滤波器仿真 有源电力滤波系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行精确 的理论分析是比较困难的，常常需要花费大量的时间和精力。仿真可以验证系统 结构、控制方法的正确性，加深对系统和控制方法的理解。 在已经详细介绍了a p f 的工作原理，主电路结构，谐波检测方法，电流跟踪 控制方法等后，在这章里将以三相四线制系统的三变流器主电路结