（电力电子与电力传动专业论文）混合型有源电力滤波器运行性能的分析与研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文从抑制谐波出发，研究了混合型有源电力滤波器的运行性能。按有源滤波 器的分类分析给出了拓扑图、阐述了其工作原理，并从补偿特性分析了有源滤波器 针对不同类型谐波源的适用性。在对基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流的检 测原理进行深入分析的基础上，通过对三种方法的研究，选择了f 。一谐波检测方 法。同时分析了有源滤波器两种最常用控制策略，通过对它们的特点和仿真波形的 比较选用了滞环比较控制策略。然后讨论了并联混合型有源电力滤波器的主电路参 数设计，结合选定的谐波检测方法和滞环比较控制策略建立了m a t l a b 仿真模型， 其中包括主电路的仿真模型、指令电流检测模型、滞环比较模型、无源滤波器模型 和负载突变模型。最后利用m a t l a b 进行了运行性能的仿真验证。 关键词：混合型有源电力滤波器，谐波抑制，控制方式，m a t l a b 仿真 a b s t r a c t f r o mt h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o n , t h i sa r t i c l es t u d yh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i f i c a t i o no fa p ft h i s a r t i c l eg a v et o p o l o g i e s ，s e to u ti t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc o m p e n s a t i o nf r o mt h ea n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fa p ff o rd i f f e r e n ta d a p t i v eh a r m o n i cs o u r c e t h e n ，b a s e do nt h e 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 yo fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o np r i n c i p l e o fa ni n - d e p t ha n a l y s i so nt h eb a s i so ft h et h r e em e t h o d st h r o u g hr e s e a r c h ，t h i sa r t i c l e c h o s e n i p i l h a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h r o u g ht h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa n ds i m u l a t i o nw a v eac h o i c eo fh y s t e r i c sc o m p a r e dw i t hc o n t r o ls t r a t e g y t h i sa r t i c l ea n a l y s i st h et w om o s tc o m m o n l yu s e da p fc o n t r o ls t r a t e g y t h e nt h i sa r t i c l e d i s c u s s e dt h eh a p fd e s i g np a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i t ，am a t l a bs i m u l a t i o n m o d e l s ，i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i ts i m u l a t i o nm o d e l s ，i n s t r u c t i o nc u r r e n td e t e c t i o n m o d e l ，h y s t e r i c sm o d e lc o m p a r i s o n ，t h ep a s s i v em o d e lo f t h ef i l t e ra n dl o a dm u t a t i o n a t l a s t ，o nm a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e ，i th a ds e v e r a lr u np e r f o r m a n c eo ft h es i m u l a t i o n b ix i a n g y a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db yp r o f z h ul i n g k e y w o r d s ：h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , h a r m o n i c sr e s t r a i n t ，c o n t r o lm e t h o d s ， m a t l a bs i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文混合型有源电力滤波器运行性能 的分析与研究，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： 日 期： 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： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对环境的污染和破坏也空前加剧。 为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮电力系统也是一种“环境 ，也面 临污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最为严重的一种污染 谐波作为评价电能质量的一个重要因素，引起人们越来越多的关注【1 1 。 随着现代工业生产规模的扩大，非线性工业负荷的数量和容量正迅速增加，包 括变频装置、可控硅整流装置、大功率工业电炉和家用电器在内的其它各种谐波源 也在增多，这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，致使电网的电流、电压发 生畸变，给生产安全用电造成了严重的隐患，对用电设备使用寿命产生了严重影响， 同时，使用电设备损耗增多，效率降低。因此，生产和技术的发展都要求对供电系 统的谐波现状进行分析和治理，以确保电网的绿色要求。 1 1 谐波及其产生 国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量。其频率为基 波的整数倍数”由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它们为高次谐波。 谐波的产生主要是由于大容量供电和用电设备的整流或换流，以及其它非线性 负荷造成的。这些供电或用电设备从电力系统中引起的畸变电流可以分解为基波和 一系列的谐波电流分量。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下， 本身不会造成电网中电压或电流的较大畸变，但是在暂态过程( 例如系统发生短路 故障时、切合空载线路或空载投入变压器时) 以及超出其正常工作条件时( 例如变 压器在其额定工作电压以上运行时) 将可能增大其产生的谐波含量。 系统中主要的谐波源包括各种整流设备、交直流换流设备、电子电压调整设备、 电弧炉、感应炉、现代工业设施为节能和控制使用的各种电力电子设备、非线性负 荷以及多种家用电器和照明设备等电气铁道机车采用的大容量单相整流供电设 备，除了产生大量谐波电流外，还对三相交流供电系统产生不平衡而引起负序电流 和负序电压。这些负荷都使电力系统的电压和电流产生畸变，并对供电设备和用电 设备及通信线路产生危害或干扰影响。 1 2 谐波的危害 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波会对电力系统造成谐波污染，影响到整 个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户，而且其谐波污染影响的范 围和距离很远，可能比一个工厂的有害排放对大气环境的污染距离还要远，范围还 华北电力大学硕士学位论文 要大。谐波的危害主要表现在以下几个方面f 2 】： ( 1 ) 谐波会使无功补偿电容器组的电容器阻抗变小、引起谐振或谐波电流的放大， 从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压 击穿从而影响其使用寿命。 ( 2 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动作。尤其是一些衰减时间较 长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和含量都很大，更容易引 起继电保护的误动 ( 3 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 4 ) 谐波使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 用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 5 ) 谐波可以增加电机的附加损耗，还会使其产生机械振动、噪声和过电压； 使变压器附加损耗增大、局部过热。谐波还会延缓电弧熄灭，导致单相重合闸失败， 扩大事故，或导致断路器断弧困难，影响断流能力。 ( 6 ) 谐波会引起电力测量误差，测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的， 如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。 发达国家的经验表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数 量和用电量将会迅猛增加。很明显，随着我国改革开发和经济建设的发展，我国电 网己开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面。随着高新技术的发展，谐波 污染源的使用数量猛增，电网电压畸变率也将上升。这样一来。越来越严重的谐波 污染与越来越高的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。 综上所述，对电能质量己经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已 成为电能质量另一个重要指标。为了避免谐波的危害，不少国家和国际组织制订了 限制用电设备谐波的标准，如被广泛接受的i e e e 5 1 9 标准和i e c5 5 5 - 2 标准。可见， 无论是从保障电力系统的安全稳定和经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全 和正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，营造“绿色电网 ， 己经迫在眉睫。我国谐波治理的水平相对于发达国家较低，谐波治理问题的研究意 义重大。 1 3 目前谐波抑制的主要方法 谐波治理的措施主要有三种溺：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出 发，提高抗谐波干扰能力。主动治理，即从谐波本身出发，使谐波源不产生谐波或 降低谐波源产生的谐波。被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电 2 华北电力大学硕士学位论文 网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。 受端治理的措施主要有以下几种： ( 1 ) 选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的电网节点或由高一级电压 的电网供电，来减小谐波对系统和其他用电设备的影响。 ( 2 ) 避免电容器对谐波的放大和提高设备抗谐波干扰能力。 ( 3 ) 改善谐波保护性能。 主动治理谐波的措施主要有以下几种： ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉波数。改造变流装置或利用相互间有一定移相 角的换流变压器，可有效减小谐波含量。 ( 2 ) 将多个变流器组合起来使用的多重化技术，其原理是将多个方波移相叠 加，得到接近正弦波的阶梯波以消除频率较低的谐波。 ( 3 ) 采用脉宽调制( p w m ) 技术，使交流器产生的谐波频率较高、幅值较小， 波形接近正弦波。 ( 4 ) 设计或采用高功率因数变流器。 被动治理谐波的措施主要有以下几种： ( 1 ) 采用无源滤波器p f ( p a s s i v ef i l t e r ) 。在谐波源附近或公用电网节点装设 单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维 护简单。 ( 2 ) 采用有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在谐波源附近和公用电网节 点装设并联型或串联型a p f 可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用。 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) h a p f 兼具 p f 成本低廉和a p f 性能优越的优点，并可以克服无源滤波器易与电网发生谐振的 缺点，而且适合在大功率场合下对谐波的抑制。 1 4 有源电力滤波器国内外研究动态 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代末，1 9 6 9 年b m b i r d 和 j k m a r s h 发表的论文1 4 j 中，描述了通过向电网注入三次谐波电流来消除电源电流 中的谐波成分，从而改善电源电流波形的方法。 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【5 l 中首次完整地描述了有源电力滤 波器的基本原理，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相 等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器【6 】， 3 华北电力大学硕士学位论文 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，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不 高，因而有源滤波器仅局限于实验研究。 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，虽然很多学者提 出了各种实现有源电力滤波器大容量、低损耗和多功能的电路结构，但由于受开关 器件的限制，容量的增大往往有限，而且造价极高。鉴于无源滤波器具有结构简单、 造价低廉等特点，经过多年的研究，为尽量发挥有源电力滤波器的特长，提高性能， 并尽量减少其容量，于是开始研究a p f 与p f 相结合而成h a p f 以实现优势互补。 1 9 8 7 年t a k e d a 等人提出的h a p f 中【7 1 ，其主要部分是用于滤除低次谐波的并 联l c 滤波器，使有源滤波器的容量和造价大大降低。在这种电路中无源滤波器包 括多组单调谐滤波器及高通滤波器，对于三相桥整流电路这样的谐波源，无源滤波 器的组成包括5 次、7 次及高通滤波器，有时还包括1 1 次甚至1 3 次滤波器。这样， 绝大多数由谐波源产生的低次谐波已由无源滤波器滤除，有源滤波器的作用只需补 偿无源滤波器未能补偿的高次谐波，改善整个系统的性能以及抑制l c 与电网阻抗 之间可能发生的谐振。这种方式的设计要点是必须使得无源和有源部分各自承担的 谐波频谱分离，否则有可能造成谐波放大。 1 9 8 8 年，f z p e n g 等人提出串联a p f 加p f 的结构【8 】。这种方式是在并联的负 载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，谐波基本上由l c 滤波器补偿， 而有源滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。此处，有源滤波器具有谐波隔 离的作用，可将其视为一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗， 阻止谐波电流流入电网，而迫使其流入l c 滤波器。同时，有源滤波器还可抑制电 网阻抗变化对l c 滤波器的影响，防止电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振，从 而极大地改善了l c 滤波器的性能。 1 9 9 0 年h f u j i t a 等人提出的a p f 与p f 相串联，再并联到电网的混合型滤波器 p 】该方式中，谐波和无功主要是由l c 滤波器补偿，而有源滤波器通过注入谐波 电压使得l c 支路对谐波呈现低阻抗，从而改善l c 滤波器的滤波特性，克服无源 滤波器易受电网阻抗的影响等缺点。 1 9 9 4 年h a k a g i 等人提出的采用双变流器的混合型有源滤波器【l 小。该装置实际 上由并联型和串联型有源电力滤波器组合而成。串联部分主要在电网和公共连接点 ( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ) 之间起谐波隔离作用，同时起到对公共连接点电压调整、 抑制电压闪变和不平衡作用：并联部分则承担了消除谐波和无功的作用，同时承担 对串并联有源电力滤波器公用的直流侧电压进行调整。由于此装置是针对未来电力 系统用户而设计提出的，整体造价较高，显然并不适合单个用户安装。 近年来，有源电力滤波器在国外的研究以日本和美国为代表。目前，世界上 4 华北电力大学硕士学位论文 a p f 的主要生产厂商有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。 我国对有源电力滤波器的研究始于上世纪8 0 年代末期，兴于9 0 年代中期。当时一 些高校和科研院所对有源电力滤波器的研究全面展开，包括拓扑结构、谐波检测、控制 方法和系统仿真等方面都进行了深入的研究，但在有源电力滤波器的实际应用方面远落 后于日本及美欧国家。从2 0 0 3 年起，我国的有源电力滤波器市场逐渐升温，出现了一 些系列化的产品，例如，上海追日电气有限公司生产的j c b l 系列的串联有源电力滤波 装置、z r a f 系列的并联有源电力滤波装置，上海宝钢安大电能质量有限公司( 教育部 电能质量工程研究中心) 研发生产的p q a f 低压有源滤波器，深圳市波宏电力滤波设备 有限公司研发生产的b h a f c 2 0 - 4 0 0 系列低压电力有源滤波器，北京新电创拓科技有限 公司、邯郸恒山通用电气有限公司、上海现代电源设备有限公司等公司也都自主开发了 一些电力有源滤波产品。国内许多高校对有源电力滤波器进行了广泛的理论及应用研 究，开发了一些产品。 1 5 有源电力滤波器研究存在的主要问题 长期以来，有源电力滤波器的实际应用没有大的突破，市场反应较为冷淡。原因是 一方面有源电力滤波器的价格仍然居高不下，且运行费用较高：另一方面，对大多数用 电方来讲，装设有源电力滤波器并不能带来太多的实惠，而大部分国家的“电力谐波标 准 只是推荐性标准，而非强制性标准。 目前国内商品化的有源电力滤波器基本上都为纯有源的拓扑结构，成本较高，用户 难于接受，并且以目前固态器件容量和开关频率的水平，采用纯有源拓扑无法实现高压 大容量负载的谐波补偿。 在无功和谐波电流的实时检测方面。现有方法均存在难以克服的缺点，特别是 电网电压波形畸变情况下的检测方法还有待于进一步研究 在控制策略方面，在满足系统实时控制要求的同时，还必须满足控制系统稳定 性，目前研究的控制策略较多，但是有些方法比较复杂，实现起来比较困难 另外在主电路产生复杂补偿电流的同时，要将直流侧电容上的电压维持到一定 范围内也是十分困难的。 所以，进一步从拓扑、谐波检测、控制策略等方面入手，研究性能价格比高、损耗 低的新型电力有源滤波器具有很高的理论意义和应用价值。 1 6 论文的主要工作 容： 本文根据有源电力滤波器发展现状与存在问题，从以下几方面作为主要研究内 ( 1 ) 有源电力滤波器的结构、原理和补偿性能的分析 5 华北电力大学硕士学位论文 为了适应不同的补偿需要，有源电力滤波器的结构形式多种多样。本文在对现 有电路拓扑结构的不同形式、优缺点及其使用范围作了全面分析的基础上，将混合 型有源电力滤波器作为重点研究的内容，对其工作原理和补偿特性进行了深入的分 析，对主电路、谐波检测电路、电流跟踪控制电路分别进行了研究，并进行仿真验 证。 ( 2 ) 谐波检测方法及控制策略的研究 推导了基于瞬时有功功率理论的三种指令信号检测方法，最后采用了i 。一乞变 换的检测方法，并进行了仿真研究，证明该方法具有较好的检测效果。 电流跟踪控制的目的是使有源电力滤波器输出的补偿电流跟踪指令电流的变 化，是决定有源电力滤波器稳态和动态性能的一个关键因素。目前用于有源电力滤 波器的控制技术比较多，其中滞环电流控制和三角波比较控制的控制方式简单，实 际应用也最多，本文对这两种控制策略进行较为深入的比较分析，给出相应的仿真 结果。 ( 3 ) 并联混合型有源电力滤波器的参数设计 混合型有源电力滤波器在硬件电路结构上复杂，但滤波效果好，所以对于其电 路参数的选取是很关键的，参数选取包括主电路参数和控制电路参数，本文从这两 个大的方面着手，详细介绍了参数的选取。 ( 4 ) 并联混合型有源电力滤波器的运行性能的仿真研究 对并联混合型的主电路进行了研究，确定了主电路结构及主要参数，结合谐波 电流检测和控制策略，利用m a t l a b 仿真软件对其运行性能进行了仿真研究。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的工作原理及其特性分析 有源电力滤波器( a p f ) 可以对幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿 性能不受电网阻抗的影响。但由于交流电源的基波直接( 或经变压器) 施加到变流器 上，且滤波电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。为克服这一缺 点，可将有源电力滤波器与无源滤波器混合使用，即构成混合型有源电力滤波器 ( h a p f ) 。混合型有源电力滤波器克服了无源滤波器和有源滤波器的缺点，既减小了 有源部分的容量，又可实现谐波动态抑制，其合理组合可使整个系统获得良好的性 能。 2 1 有源电力滤波器分类 在选择有源电力滤波器时，电路结构的选择是一个很重要的环节，因为不同的 滤波器结构适合不同的应用目的和不同的功率范围。根据电路结构和连接方式有源 滤波器的分类主要包含串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器及混合型有 源电力滤波器，如图2 1 所示。 图2 1 有源电力滤波器的拓扑结构分类 a p 卜有源电力滤波器，p 卜无源电力滤波器 有源电力滤波器的每一种类型结构各有特点，因而其具体工作原理和特性也不 相同。下面就每一种类型有源电力滤波器的系统构成和主要特点进行分析。无特殊 说明时均以单相电路结构进行为例。 2 2 串联型有源电力滤波器的拓扑结构和基本工作原理 串联型有源滤波器如图2 2 所示，主要构成：耦合变压器、交流器和输出电感。 串联型a p f 相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与之 相反的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。而早期的并联型有源电力滤波器 7 华北电力大学硕士学位论文 适于补偿电流型的谐波源负载，对电压型谐波源负载的补偿效果不是很理想。电压 型谐波源负载即直流侧含有大电容滤波的整流电路，过去由于这种整流电路容量小 而且分布分散，其谐波污染未能引起足够的重视。随着变频器、开关电源、u p s 和 电子整流器的应用日益增多，电压型谐波源负载越来越不容忽视，为此人们又提出 了串联型有源电力滤波器，其优点是：这种结构的有源装置容量小，运行效率高， 对电压型谐波源有较好的补偿特性。 串联型a p f 的缺点是：绝缘强度要求高、不能进行无功功率动态补偿、负载谐 波含量较大时其装置容量也会很大、安装、投切、故障后的退出及各种保护也较为 复杂。根据以上的缺点，单独使用的串联型a p f 的工程实用性受到限制。 串联型有源电力滤波器的基本工作原理：通过指令信号控制a p f 产生一个与负 载谐波电压大小相等，方向相反的谐波电压，抵消负载产生的谐波电压，从而使负 载注入电网的谐波电流为零。因此，串联型a p f 本质上属于受控电压源。 图2 - 2 串联型有源电力滤波器 2 3 并联型有源电力滤波器的拓扑结构和基本工作原理 并联型有源电力滤波器1 1 1 , 1 2 1 系统构成如图2 3 所示。由于有源电力滤波器的主 电路并联接入电网，故称为并联型。 图2 - 3 并联有源电力滤波器 8 华北电力大学硕士学位论文 并联型a p f 相当于一个谐波电流发生器，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与 之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，并联型 a p f 可以对谐波、无功和不平衡分量等进行补偿，因此其功能较多，连接也方便。 多个并联型a p f 还可并联使用，用于补偿大容量的谐波电流。因此，其应用范围比 较广泛。 并联型a p f 缺点是：单独使用电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压等 级要求高；负载谐波电流含量高时，其装置的容量也必须很大，投资高：在兼具大 的补偿容量和宽的补偿频带时实现比较困难。 并联型有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指 令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，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抵消，最终得到期 望的电源电流。 2 4 混合型有源电力滤波器的拓扑结构和基本工作原理 混合型有源电力滤波器的基本思想是利用无源滤波器来分担有源电力滤波器 的部分补偿任务。由于无源滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、 易于实现且成本低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合使用，既可 克服单独有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 混合型有源电力滤波器的结构形式主要包括：串联a p f 和并联接入电网的p f 、 串联a p f 和并联a p f 、a p f 和p f 两者并联后再并联接入电网、注入式混合a p f 、 a p f 与p f 串联再并入电网等【1 3 1 4 , 1 5 】。 2 4 1 串联混合型有源电力滤波器的拓扑结构和基本工作原理 串联a p f 和并联p f 构成的混合有源电力滤波器【1 6 l 如图2 - 4 所示 。 匕竺 i 一一 ：咀2 一型 i 广 一 i 疗 i 厶 2 l f ， 图2 - 4 串联a p f 和并联p f 构成的混合有源电力滤波器 这种方式是在负载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器。 9 华北电力大学硕士学位论文 串联混合型a p f 的基本工作原理：谐波基本上由l c 滤波器补偿，而串联有源 电力滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。可将串联有源电力滤波器看作一 个可变电阻，它对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗。换言之，有源电力滤波 器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻抗对l c 滤波器的影响，以及抑 制电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善了单独使用l c 滤波器 的谐波抑制性能。 串联混合型a p f 的优点是：可以适应线路故障条件、进行无功功率补偿并且无 源滤波器滤除主要次数的谐波，比单独使用的串联a p f 容量就可以做的很小等。 2 4 2 并联混合型有源电力滤波器的拓扑结构和基本工作原理 并联混合型a p f 较之的串联混合型a p f 的拓扑结构较多，以下分类介绍各自 的特点。 ( 1 ) a p f 和p f 并联后再并联接入电网的并联混合型a p f 图2 5a p f 和p f 两者并联后再并联接入电网 a p f 和p f 两者并联后再并入电网的拓扑结构如图2 5 所示，这种组合结构不 需要采用昂贵的大功率开关器件，适于大容量系统。 它的主要缺陷是由于无源滤波器和有源滤波器两者并联接入电网，因此无源滤 波器对有源滤波器发出的谐波电流有分流作用，这一方面加大了有源滤波器的谐波 容量，另一方面，如果无源滤波器的谐波阻抗很低，在无源滤波器和有源滤波器之 间很容易产生较大的环流，造成较大的损耗和有源滤波器的过载。 ( 2 ) 注入式并联混合型a p f 注入式并联混合型a p f 是利用l c 谐振电路，使有源滤波器不承受或只承受较 小的基波电压，从而减小逆变器容量、缩小体积和降低成本。通常采用的注入电路 有两种：串联谐振注入式和并联谐振注入式。 串联谐振注入式 此种结构如图2 - 6 所示，其缺点是，由于l 2 ，c 2 组成的基波谐振回路与有源滤 1 0 华北电力大学硕士学位论文 波器为并联结构，因此从有源滤波器发出的谐波电流一部分会因为l 2 ，c 2 组成的基 波谐振电路而被旁路，这就增大了有源滤波器的容量，增大k ，c 2 对谐波的阻抗可 以降低其影响，但同时也会增大l 2 ，c 2 串联回路的基波阻抗。另一方面，由于l 2 ，c 2 对基波谐振，因此这种结构不适合通过有源滤波器动态补偿基波无功。 图2 - 6 串联谐振注入式混合有源电力滤波器 并联谐振注入式 此种结构如图2 7 所示，通过选择l l 、c i 使其在基波频率产生并联谐振，可大 大降低加在有源滤波器上的电网基波电压。但其缺点是：由于l i 、c l 对基波的并 联阻抗很大，因此该电路不具有无功功率补偿能力，只能进行谐波的补偿。 - 图2 7 并联谐振注入式混合有源电力滤波器 ( 3 ) 有源电力滤波器和无源电力滤波器串联后再和电网并联 1 9 9 0 年，f u j i t ah 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案， 其结构如图2 8 所示。该方式中谐波主要由l c 滤波器滤除，而有源电力滤波器的 作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与 电网阻抗发生谐振等缺点。 华北电力大学硕士学位论文 在这种方式中，有源滤波器不直接承受系统基波电压作用，因此装置容量小， 开关器件耐压等级低，而且改变耦合变压器的变比能够改变有源滤波器承受的基波 电压及基波电流，以适应在补偿一定量的无功功率时能满足有源滤波器的容量和电 压等级要求。另外，由于耦合变压器联接在y 型联接的p f 的中性点上，方便保护 和隔离，因此更适合于高电压系统应用。 图2 8a p f 和p f 串联后再并联接入电网 ( 4 ) 串联注入式以及a p f 和p f 串联后再并联接入电网的结构 这种结构形式是近几年为了适应混合型有源电力滤波器大功率应用的需求提 出来的，如图2 - 9 所示。其中l l 和c i 为基波谐振电路，也有人提出直接用电感代 替基波谐振电路( 即取消c 1 ) ，其目的都在于混合有源电力滤波器在要求补偿很大 的无功功率时，进一步降低有源电力滤波器的分压，从而降低有源电力滤波器的基 波容量。与串联注入式的结构相比较，采用无源电力滤波器来代替电容，可以进一 步降低对特定谐波的注入阻抗。 图2 - 9 注入式与s h a p f 的综合应用 这种结构的并联混合型a p f 缺点是基波谐振电路或者是附加电抗器的引入，一 方面增加了混合有源电力滤波器的成本，另一方面也对有源电力滤波器发出的谐波 电流起到分流作用，使得有源滤波器的容量必须加大，由此会引起有源滤波器损耗 1 2 华北电力大学硕士学位论文 增加等一系列的负面影响。 事实上，采用a p f 与p f 相串联后与电网并联的结构形式时，通过对耦合变压 器变比合理的设计，理论上可以将有源滤波器承受的基波电压几乎降为零。因此， 在不是要求超大功率的无功功率补偿以及耦合变压器设计很困难的情况下，在耦合 变压器网侧并联基波谐振电路或者是附加电感是没有必要的。 比较并联混合型有源电力滤波器不同拓扑结构和原理可见，a p f 和p f 串联后 再并联接入电网方式更好地体现了并联混合型滤波器的优点。因此，本文将在第五 章对其运行性能进行重点讨论。 2 4 3 统一电能质量调节器的拓扑结构和基本工作原理 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出一种将串联a p f 和并联a p f 进行混合的混合有源 电力滤波器【17 1 ，也被称之为统一电能质量调节器( o p q c ) ，其结构如图2 1 0 所示。 f 一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图2 - 1 0 串联a p f 与并联a p f 的混合方案 u p q c 的基本工作原理为：一方面，当配电网母线电压偏离正常值时，串联型 a p f 中的变流器将直流电容电压进行p w m 调制变换为交流补偿电压，经串联变压器 注入系统中，以补偿非正常电压与正常电压之差，最终使用户侧负荷电压保持正常 值从而确保对电压敏感的用电设备的可靠工作；另一方面，当用电负荷从电网吸收 无功电流并向电网注入负序电流和谐波电流时，u p q c 的并联型a p f 的变流器将直流 电容电压进行p w m 调制而改变变流器的输出电压，进而来调节并联型a p f 的补偿电 流，使之与负载中的无功电流、负序电流和谐波等畸变电流大小相等、方向相反， 从而保证用电负荷对电网不产生污染。 这种方式结合了两种a p f 的优点，具有良好的动态性，对电压和电流、无功功 率都有补偿作用。但其控制比较复杂、所需容量较大的缺点较为明显。 2 5 有源滤波器的补偿特性 有源电力滤波器是治理电网谐波的有效手段，其补偿特性与谐波源类型有关， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 因此对其补偿特性的分析对于有源电力滤波器的研究具有指导意义 。2 5 1 串联型有源电力滤波器的补偿特性 串联型a p f 工作时与负载串联，通过控制a p f 产生一个与负载谐波电压大小 相等、方向相反的谐波电压，抵消负载产生的谐波电压，从而使负载注入电网的谐 波电流为零。因此串联型a p f 本质上属于受控电压源。串联型a p f 补偿不同类型 谐波源时的等效电路如图2 1 l 所示。 u s h 一( ) ”c ；f ( a ) 补偿电压型谐波源( b ) 补偿电流型谐波源 图2 1 l 串联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路 串联型a p f 补偿电压型谐波源时的等效电路如图2 一1 1 ( a ) 所示。电源的谐波 电流为： = 堑鲁玉 ( 2 - 1 ) z l s + z s 当电网电压无畸变时u j = 0 ，如果控制a p f 的输出电压u 。= 一，就能使 = o 。这说明，不论负载是否为理想谐波电压源，串联型a p f 均能补偿。所以， 串联型a p f 适合补偿电压型谐波源，如直流侧电容滤波的整流器。 串联型a p f 补偿电流型谐波源时的等效电路如图2 1 l ( b ) 所示。电源的谐波 电流为： = 嚣+ 再z , p z 嘻z lz 陋+ z | ( 2 - 2 ) 当电网电压无畸变时，u 曲= 0 ，如果控制a p f 的输出电压u 。= 屯，就能使 = 0 。因此理论上讲，如果让其补偿电压设定值为“c = ，串联型a p f 能补偿 电流型谐波源。但是，补偿效果受等效阻抗z h 的影响，而z ，。的大小又由负载电感 决定。对气较小的电流型谐波源，串联型a p f 有一定的补偿效果。实际上，直流 侧电感滤波的整流器，虽然不能等效成理想谐波电流源，但仍然可以看成很大的 谐波电流源。因此，补偿此类负载时，串联型a p f 需要产生很大的补偿电压“，。 特别是当滤波电感足够大时，负载可以看成是理想谐波电流源，z ，。接近无穷大 1 4 华北电力大学硕士学位论文 时，需要产生无穷大的补偿电压，这是不可能达到的。实际中，要使串联型a p f 产生需要的补偿电压，则要求提高其产生谐波电压的能力。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，从而决定串联型a p f 产生谐波电压的能力是有限的。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，串联型a p f 不 适合补偿电流型谐波源。 2 5 2 并联型有源电力滤波器的补偿特性 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相等且方 向相反的电流注入电网，抵消负载产生的谐波电流，从而达到谐波补偿的目的。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2 1 2 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 1 2 ( a ) 所示。电源的谐 波电流为： = 丧+ 去峨训 ( 2 3 ) 当电网电压无畸变时，= 0 ，如果控制a p f 的输出电流之= ，就能i s k = 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，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。 一 ) () 瓤 3 z 一 ( ( a ) 补偿电流型谐波源( b ) 补偿电压型谐波源 图2 1 2 并联混合型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路 并联型a p f 补偿电压型谐波源时的等效电路如图2 1 2 ( b ) 所示。由图得电源 的谐波电流为： = 嚣+ 麦。之z l + z bz s + z h ( 2 4 ) 当电网电压无畸变时”妇= 0 ，如果控制a p f 的输出电流= 垃，就能使= o 。 z 正i 1 5 华北电力大学硕士学位论文 因此理论上讲，如果让其补偿电流为t = = 丝，并联型a p f 能补偿电压型谐波源。但是， z 缸 补偿效果受等效阻抗z k 的影响，而z h 的大小又由滤波电容决定。对z h 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z k 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，z k 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。 2 5 3 串联混合型有源电力滤波器的补偿特性 s z ：飞， 叫 ”( ( a ) 补偿电压型谐波源( b ) 补偿电流型谐波源 图2 1 3 串联混合型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路 图2 1 3 ( a ) 给出了采用串联混合型a p f 补偿电压型谐波源时的单相等效电路。 电源的谐波电流为： = 而i l i i i - - u c 一吾勃磊丢 沼5 ) 如果控制a p f 的输出电压咋= 一导l ，就能使= 0 。 z ，十z l l 由于电压型谐波源的气较小，“。u 拍一当电网电压无畸变时，“旃= 0 如 果控制a p f 的输出电压“c = 一“豫就能使= 0 。这说明，串联混合型a p f 适合补偿 电压型谐波源。 图2 1 3 ( b ) 绐出了采用串联混合型补偿电流型谐波源时的单相等效电路。电 源的谐波电流为： 1 6 华北电力大学硕士学位论文 = 鳖导+ 冬 z f l + z iz r 七z | 篡中z r - - z ff | z l p ( 2 6 ) 如果控制a p f 的输出电压：咋= + 铂，就能使屯= 0 。 由于电流型谐波源的较大，适当减小z ，以控制补偿电压的大小，也能使 = 0 这说明，串联混合型a p f 适合补偿电流型谐波源。 2 5 4 并联混合型有源电力滤波器的补偿特性 并联型a p f 工作时，交流电源的基波电压直接施加到变流器上，且补偿电流基 本上由变流器提供，所以要求变流器具有较大的容量，为克服这一缺点，提出了与 l c 滤波器混合使用的工作方式。利用l c 滤波器结构简单、易实现且成本低而有源 电力滤波器补偿性能好的优点，使整个系统获得良好的性能。有源电力滤波器与 l c 滤波器并联工作时，l c 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝 大部分补偿谐波和无功的任务。 图2 1 4 ( a ) 给出了采用并联混合型a p f 补偿电流型谐波源时的单相等效电路。 其中z 丹为无源滤波器等效阻抗z p 和电流型谐波源等效阻抗z ，的并联值。从图中可 以看出，采用无源滤波器补偿后，由于无源滤波器阻抗与谐源阻抗并联后一并处理， 无源滤波器与非线性负载一起仍然可以看成是谐波电流源。因此，并联混合型a p f 适合补偿电流型谐波源。图2 1 4 ( b ) 为采用并联混合型a p f 补偿电压型谐波源时 的单相等效电路。电源的谐波电流为： = l 一上l 上一j 咀i ( 2 7 ) z s + z f | | z bz i i + z f | | z sz f + z iz i + z f | | z h c 如果控制a p f 的输出电流之= 竺生+ 兰凸，就能使= 0 。 z fz h n ) )( ( - ( a ) 补偿电流型谐波源 叉岁i一一 l 一，j 一 ) p ( j 乏i ( b ) 补偿电压型谐波源 图2 1 4 并联混合型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路 1 7 华北电力大学硕士学位论文 由于电压型谐波源的z h 较小，因此在补偿此类负载时，并联型a p f 需要产生 很大的补偿电流t 所以，并联混合型a p f 不适合补偿电压型谐波源。 综上所述，由于串联型与并联型a p f 的本质不一样，从而决定了它们的补偿对 象不同，并联混合型a p f 不能用来补偿任意类型的谐波源，只适用补偿电流型谐波 源。 2 6 本章小结 本章在对有源电力滤波器进行分类、拓扑结构介绍及其原理分析的基础上，讨 论了各种形式的优缺点。就目前技术水平