（电力电子与电力传动专业论文）基于tms320f2812的有源电力滤波器控制系统研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 字仿真模型，并在多种工况下进行仿真研究。仿真结果表明， 即使电网电压存在畸变和不对称情况下，采用本文所提谐波 检测方法和补偿电流控制策略，仍能够很好地检测和补偿电 网中的谐波和无功电流，使补偿后三相电流波形对称，接近 正弦，补偿效果良好，验证了本论文所提算法的正确性和可 行性。 为了进一步验证本文所提算法的正确性和可行性，构建 了一台小容量有源滤波器实验室样机，以三相全桥二极管整 流桥为负载，采用p m 5 0 r s a l 2 0i p m 模块作为系统主电路功 率开关器件，并建立了以谢s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心的高速数字信 号处理控制平台，在此平台基础上设计了系统控制电路，编 译了系统控制软件。实验结果表明，采用本文所提出的谐波 检测方法和控制策略能够很好的补偿负载产生的谐波，且控 制系统工作可靠、性能稳定。 关键词：谐波，有源电力滤波器，控制策略，数字信号处理 n 北京交通大学硕士学位论文 s t u d yo nc o n t r o ls y s t e mo f a p f b a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fh a 瑚o n i ci ss e r i o u sf o r t h e p o w e rs y s t e m s i n c et h ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e s a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a _ p f ) i sak e ye q u i p m e n tt od e a lw i t hh a 珊o n i c s ，f o ri tc a n c o m p e n s a t ed y n a m i c a l l yh a r m o n i c sw h o s e f r e q u e n c i e s a n d a m p l i t u d e sv a r ) ，；m o r e o v e r ，i t sc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si s i m m u n et ot b ei m p e d a n c ev a r i a t i o no fu t i l i t y h a r m o n i cc i l r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dc o m p e n s a t i o nc u r r e n t c o n n 试s t r a t e g ya r et h et w ok e yi s s u e st oi m p a c tt h ep e d o n i l a n c e o fa p f ，n l e ya r ea l s ot h e 妣u so ft h es t l l d yo na c t i v ep o w e f f i l t e r s t oo v e r c o m et h ed i s a d v a i l t a g ee 脆c t sr e s u l t e d 仃o mt h e n o n i d e a ls u p p l y v o l t a g e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lh a 姗o n i ca n d r e a c t i v ec i l r r e n t sd e t e c t i o n m e t h o d ，w b i c hi sb a s e do nt h e c 0 0 r d i n a t et f a n s f o m a t i o no fv o l t a g e sa n dc u n - e n t si n r o t a c i n g l 北京交通大学硕士学位论文 r e f e r e n c ef r a m e 7 n l ep r o p o s e dm e t h o de x t f a c f sh a 珊o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n t st h r o u g hv o l t a g e 柚dc u h e n tv e c t o r sp r o j e c ti n d qc o o r d i n a t e p r e d i c t i v ec 1 1 r r e n t c o n t r o lm e t h o di st a k e nl o g e n e r a t ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t s ， w h i c hi m p m v et h e t r a c k i n g p r e c i s i o n o fr e f e r e n c e c i l r r e n t s ， a n d g o o dc o m p e n s a t i o n p e r f o m a n c e i sa t t a i n e dc o n s e q u e n t l y 1 nt h ep a p e r ，ah t a ：r i 。a b - b a s e dd i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e lo f a _ p fs y s t e mi sc r e a l e da n ds i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tu n d e rv a r i o u s c o n d i t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a n a c c u r a t e l yd e t e c ta n dc o m p e n s a t eh a 珊o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t o fp o w e rn e t w o r ke v e ni ft h es u p p l yv o l t a g ei sd i s t o n e do r a s y m m e t r i c a f t e rc o m p e n s a t i ， t h r e e p h a s e c u r r e n ti s s y m m e t r i c 柚dn e a r l ys i n u s o i d a l ，a sar e s u l tp e r f e c tc o m p e n s a t i o n r e s u l ti so b t a i n e d ，w h i c hv e r i f i e st l l ec o r r e c t n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o di nt h ep a p e r t bf u r t h e rv a l i d a t et h ec o r r e c t i l e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e p r 叩o s e dm e t h o di nl h ep a p e r ，ala _ b o r a t o d rp r o t o t y p eo fa p f a r e c r e a t e d i nt l l eh 锄o n i c m p e n 鞠t i o ne x p e r i m e n t ，l r c e - p h a s e 北京交通大学硕士学位论文 d i o d ec o n t r o l l e d1 e c i i f i e r i s s e l e c t e da sn o n l i n e a r1 0 a d p m 5 0 r s a l 2 0i ss e l e c t e da st h em a i nc i r c m i tp o w e rs w i l c h b a s e do nt h ec o r eo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t h eh 碴h s p e e dd i g i t a ls j g n a l p r o c e s s i n gc o n t r o jp l a t f o 珊i se s t a b 】i s h e d n e o r e t i c a la n a l y s i s ， s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s n a t et h ee f ! e 色c t i v e n e s s o ft h ep r o p o s e dc a l c u l a t i o na n dc o n t r o la p p r o a c h e s k e yw o r d s ：h a 瑚o n i c ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ，c o n t r 0 1 s t r a t e g y ， d i g i t a ls i g n a lp i d c e s s o r v 北京交通大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 电力系统的谐波问题 在电能传递和转换过程中，电源电压波形应该始终保持正弦波，对 其他负荷不产生任何干扰，并且希望供电线路产生的损耗最小，提供给 用户的电能最大。由此可知，理想的三相供电系统对任何供电负荷 供电时，应该保持三相平衡对称，电压电流波形皆为正弦波，且功率因 数为1 。然而，配电系统是复杂的，其复杂性主要表现为：由于其所跨区 域广，具有分布性；系统中的负荷通过供电线路互联在一起，具有强耦 合性；再者，由于现代电力电子技术的发展，各种非线性负荷和具有强 非线性特征的电力电子装置大量应用于电力系统中，因此，配电系统具 有非线性，谐波问题不可避免。 谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低， 使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚 至发生故障或烧毁。谐波还可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振， 使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。例如，我国陕西安康地区曾 因电气化铁路产生的谐波在电网中发生持续5 次谐振，致使年损失电量 达1 6 6 万k w h 。山西北部的雁同电网因牵引变电站密集，频繁发生电网 和电容器组的并联谐振，致使大量电容器组不能投运或损坏，负载的功 率因数长期偏低【2 j 。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能 计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生 严重干扰。 3 北京交通大学硕士学位论文 早在2 0 世纪2 0 年代电力系统的谐波问题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、电流波形的畸变口】。 5 0 年代后由于高压直流输电技术的发展，谐波问题受到关注，学术界也 发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。7 0 年代后由于大 量的电力电子设各的应用，谐波造成的危害日益严重。谐波研究与补偿 成为学术界和工程界的研究与开发热点。 1 1 2 谐波治理技术 解决电力电子装最及其他非线性负载产生的谐波污染问题，可以采 取两种方法1 4 j 。其一是对谐波源本身进行改造，如增加整流装置脉动数、 采用多重化技术和优化p w m 技术等，降低谐波源产生的谐波含量。其 二是通过外部装置补偿或抑制谐波源产生的谐波，减少谐波源对电力系 统公共连接点其他负荷的影响。本文的研究内容属于第二种方法。 ( 一) 无源滤波技术 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流是治理谐波 的有效措施。装设l c 调谐无源滤波器( p a s s i v ep o w e ff i h e r 简记为p p f ) 是 滤除谐波的传统方法。p p f 有单调谐、双调谐和高通等几种主要结构。 利用l j c 电路在谐波频率下形成低阻抗支路，使谐波电流不再流入电网， 达到了滤除谐波电流的目的。 无源滤波技术的主要优点是投资少、效率高、结构简单、维护方便 而且可以耐受高电压，容量可以很大并可以在滤除谐波的同时适当补偿 无功功率。在我国，无源滤波是目前广泛使用的谐波抑制手段。但是由 于p p f 的滤波特性由电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定，滤波特性受 系统参数的影响较大。随着电网频率的变化，p p f 将偏离设计的谐振点， 从而使p p f 的滤波特性变坏。在电网电压存在谐波分量时，系统阻抗与 4 北京交通大学硕士学位论文 p p f 之间可能发生串联谐振；在特定谐波电流作用下，系统阻抗可能与 p p f 发生并联谐振。另外，l c 滤波器还会向网络注入多余的无功功率， 并且可能对电力系统中传送的载波信号产生干扰。可见单纯依靠无源滤 波技术治理谐波己经不能满足要求脚。 ( 二) 有源滤波技术 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i 】i e f 简记为a p n 的概念m ，其工作原理就是根据所检测到的负荷谐波电 流分量来控制a p f ，使其发出一个相反的谐波电流进行抵消，从而起到 实时补偿谐波电流的目的。但在7 0 年代，由于受半导体功率器件研制水 平的限制，a p f 的研究没有取得重大突破。进入8 0 年代以后，大功率丌 关器件的迅速发展和非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究为有 源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使之开始进入工业应用阶 段。有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，它不仅能补偿各次 谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，而且补偿无功功率的大小可做到连 续调节，有一机多能的特点，其滤波特性不受系统阻抗和电网频率的影 响，同时还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。当补偿对 象过大时，a p f 不会发生过载，能正常发挥补偿作用。这些优点使得从 8 0 年代至今a p f 一直是电力电子技术领域的研究热点。 1 2 有源电力滤波器的研究现状与发展趋势 有源电力滤波器经过二十多年的发展，其技术已经日益成熟。目前， 有源电力滤波技术己在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到了广 泛应用。a p f 的应用以单独使用为主，并联型a p f 比较成熟。在日本， 己有5 0 0 多台a p f 投入实际运行，绝大部分为并联型a p f 。在德国北部， 由西门子公司制造，欧洲最大的一台6 1 0 l m 业用并联a p f 已经运行 5 北京交通大学硕士学位论文 了近8 年1 “。国内对于a p f 的研究尚处在起步阶段，武汉大学、电力部电 力科学研究院、清华大学、西安交通大学、东北大学、重庆大学、北方 交通大学、华北电力大学等单位正积极进行这方面的相关研究，部分单 位已经研制出样机并投入试运行，但在我国广泛应用a p f 还需要一段时 间。从近年来的研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展趋势： v 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技 术，实现对高次谐波的有效补偿。 v 从经济上考虑，可以采用a p f 与p p f 组成的混合型滤波系统，以减 少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。 v 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波 系统低成本的优势将逐渐消失，而并联a p f 由于其功能强大、性价比高， 将是很有发展前途的有源滤波装置。 v 随着电力电力器件耐压水平的提高和对电能质量的日益重视，a p f 也将在工业系统中高压领域得到广泛应用。 1 3 选题意义与本文主要工作 1 3 1 选题的意义 随着电力电子技术的发展，在现代工业企业和运输部门中，晶闸管 整流和换流技术得到广泛应用。同时在居民用电设备中，电视机、洗衣 机、收录机、电冰箱等家用电器已相当普及。这些负荷的非线性、冲击 性和不平衡的用电特性对供电质量造成了严重污染。另一方面，现代工 业、商业和居民用户对供电质量提出了更高的要求。尤其是r r 产业的迅 猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字化的 设备对供电的质量要求更高。近年出现的用户电力技术概念就表明了信 6 北京交通大学硕士学位论文 息时代的电力用户己经明确提出了对电能质量的要求，因而对改善电能 质量的研究己是刻不容缓，开展有源电力滤波器的相关研究具有重要意 义。 1 3 2 本文主要工作 本文首先阐述了有源电力滤波器的工作原理。对有源滤波器谐波检 测方法进行研究，提出基于电网电压和电流在旋转坐标系下进行坐标变 换的谐波检测方法。该方法能够在电网电压存在畸变和不对称情况下准 确提取电网中谐波和无功电流：提出一种适用于非理想电网电压的预测 电流控制策略，提高了控制精度、改善动态响应性能。 建立有源电力滤波器系统数字仿真模型，在多种谐波源和电网电压 条件下进行仿真和模拟试验，验证本论文中所提谐波检测方法和补偿电 流控制策略的正确性和可行性。 设计了基于德州仪器公司的数字信号处理器1 1 订s 3 2 0 f 2 8 1 2 的高性 能控制板，其具有控制功能强大、接口丰富、运算速度快、计算精度高 和电磁兼容性好等优点。采用c 语言开发控制系统应用程序，编程方便 而且效率高。 开发一台小容量盟有源滤波器实验室样机系统，以三相二极管整流 桥为负载，并在对称电源电压和不对称电源电压条件下进行谐波补偿实 验，进一步验证本论文所提谐波检测方法和补偿电流控制策略的正确性 和可行性。 7 北京交通大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器基本原理 根据有源电力滤波器所接入电网的电能传输方式划分，分为直流滤 波器和交流滤波器两大类。两者又分别包括不同的类型，如图2 1 所示。 本论文重点研究交流滤波器，故对直流滤波器不做介绍。 育 源 电 力 滤 波 器 交流滤波器 直流滤波器 串联型 并联型 巫蠼 统一电能质量调节器 图2 1 有源电力滤渡器的分类 f j g 2 1c 】a 镕i f i c a i i o f a p f 2 1 并联型有源电力滤波器的基本原理及其特性分析 2 1 1 有源电力滤波器的基本原理 根据与补偿对象连接的方式，以及是否与无源电力滤波器混合使 用，a p f 可分为三种基本类型：并联型、串联型和混合型。不同类型的 a p f 适合于不同的补偿对象。串联型a p f 适合补偿电压型谐波源负载， 即直流侧含有大电容滤波的整流电路。并联型和混合型a p f 适合补偿 电流型谐波源负载，即直流侧含有大电感滤波的整流电路。下面就各种 8 薰熏 北京交通大学硕士学位论文 滤波器的基本工作原理、特点和补偿特性进行概括分析。 本文采用并联型有源电力滤波器。下图2 1 2 为最基本的并联型a p f 系统结构图，岛代表交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功 功率。a p f 系统主要由两部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发 生电路( p w m 信号发生电路、驱动电路和逆变主电路) 。指令电流运算 电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。补偿电流发 生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电 路发出补偿电流。 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器 工作。为了维持直流侧电压基本恒定，需要从电网吸收有功电流，对直 流侧电容充电时，此时作为整流器工作。它既可以工作在逆变状态，又 可以工作在整流状态，而这两种状态无法严格区分。 图2 2 并联型有源滤波器原理图 f i g 2 2 s d 心m a 6 cd i a g n mo f s h u 附y p c a p f 图2 2 所示的a p f 的基本工作原理是：通过电压和电流传感器检测 补偿对象( 非线性负载) 的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计 算出补偿电流的指令信号，再经p w m 控制信号单元将其转换为p w m 指令，控制逆变器输出与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相 位相反的补偿电流，最终得到期望的电源电流。 9 北京交通大学硕士学位论文 例如：当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源滤波器检测出负 载电流屯中的谐波分量以，将其反极性后作为补偿电流信号f 。+ ，由补 偿电流发生电路产生的补偿电流f c 会与负载电流中的谐波成分也大小 相等、方向相反，因而相互抵消，从而使电源获得期望的基波电流。上 述原理的公式描述如下： l l 蕾l + l i f 。童一f t 曩+ j 。暑f 盯( 2 1 ) 式中函负载电流的基波分量。 如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要 在补偿谐波电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性分 量即可，使得补偿电流与负载电流中的谐波及无功分量相互抵消，电源 电流等于负载电流的基波有功分量。 根据有源滤波器逆变主电路直流侧储能元件划分，可分为电压源有 源滤波器v s 州i 姆s o u r c ea c l j v ef i j t e r ) 和电流源有源滤波器 c s 甜( c u 玎c n ts 伽- a d i v ef i l t e r ) 。逆变器类型不同，滤波器与电网主 电路的连接方式和所采用的控制变量也有所不同。 对于v s a f ，为确保在任何瞬间逆变器直流侧电压不小于3 2 交流主电路电压峰值，y k 应满足关系式7 i ( 2 2 ) ： 皂届矿o s 如) 2 + 敝+ 1 ) s i n b ) 一6 女r( 2 2 ) v s a f 直流侧电容最小值应为 c j 告 ( 2 3 ) 彬k 、 c s a f 直流侧电感最小值应为 1 0 北京交通大学硕士学位论文 铲彘 这里七；l ： ，+ l y 一交流主电路电压有效值； 。一晶闸管触发角： 庐；垢虹掣蛳 j ry 。 一电源角频率； 卢滤波器产生的谐波功率 ( 2 4 ) k v s a f 直流侧电压允许波动：，。一c s a f 直流侧电流允许波动。 2 1 ，2 并联型 p f 补偿特性分析 并联型a p f 对谐波源进行补偿时，其系统单相等效电路如图2 3 所 示。图中，嗡和分别是电源电压魄的基波和谐波分量，互是电源阻 抗，畸和分别为电源电流的基波和谐波分量。并联型a p f 输出的 补偿电流用表示。工作时，通过控制a p f 产生个与负载谐波电流 大小相等方向相反的谐波电流蠢注入电网，抵消负载所产生的谐波电流， 使艮接近正弦波，并联型a p f 本质上属于受控电流源，它以电流源方 式进行谐波补偿。 并联型a p f 补偿电流型谐波源时，1 次谐波电流为： 。鳖掣 ( 2 5 ) 当“矗- o ，即电网电压无畸变时，只要令乏= 缸，则，蕊- o 。因此， 不论负载是否为理想谐波电流源，并联型舢下均能够补偿。所以，并 联型a p f 适合补偿直流侧是电感滤波的整流器一电流型谐波源。 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 1 补偿电流型谐波源 t 。t t 4 + i i * i q + i 一二三三l 一一j i 三 + z ，! 。- + 气! 二- 。 。“陆 、_ t ? 图2 3 2 补偿电压型谐波源 图2 3 并联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路图 f i 导2 3e q u i 砌e n t c j 删“s o f s h u n t a p f c o m p e n s a l i n g d 砸b r e n tt y p eh a 册o n i c u r c e s 当电网电压无畸变时，即n 妯= o ，采用并联型a p f 补偿电压型谐波 源，对于n 次谐波，只要使用并联型a p f 产生的补偿电流满足 j 。= 一u z h( 2 6 ) 就能使如= o 。由式( 2 6 ) 可知，补偿电流不仅与谐波源有关，而且还与 乙有关。因此，补偿效果将受z 6 影响，而磊的大小又由电容c 决定。 对磊较大的电压型谐波源，并联型a p f 有一定的补偿效果。实际应用 中，一般直流侧电容滤波的整流器虽然不能等效成理想谐波电压源，仍 然可以看成磊很小的谐波电压源。园此，补偿此类负载时，并联型a p f 需要产生很大。特别是，当c 足够大时，负载可以看成是理想谐波电 压源，磊接近零，需要产生非常大的补偿电流。要使并联型a p f 产生 需要的补偿电流，剐要求提高其产生谐波电流的能力，这意味着必须提 高它的直流侧电压1 9 j ，器件的耐压也必须提高，而器件的耐压也是有限 的，这也就决定了并联型a p f 产生谐波电流的能力是有限的。此外， 元器件耐压的提高势必使a p f 的成本提高。综合这些因素，并联型a p f 不适合补偿直流侧为电容滤波的整流器一电压型谐波源。 2 2 串联型有源电力滤波器的基本原理及其特性分析 1 2 醢 北京交通大学硕士学位论文 2 2 1 单独使用的串联型a p f 图2 4 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。这种方式的 特点是有源电力滤波器作为电压源串联在电源与谐波源之间，相当于受 控电压源，补偿负载产生的谐波电压，是串联型有源滤波器结构中最简 单的一种。 d 串联型a p f 系统单相等效电路如图2 5 所示。其中，和“。分别 是负载电压“，的基波和谐波分量，而h 。表示串联型a p f 输出的补偿电 压。工作时，通过控制a p f 产生一个与负载谐波电压大小相等相位相 反的谐波电压”。，抵消，从而使负载注入电网的谐波电流为零， 变成正弦电流，而嘶变为正弦电压，因此，串联型a p f 本质上属于受 控电压源，它以电压源的方式进行谐波补偿。 图2 5 1 辛h 窑电流型谐波源图2 5 2 补偿电压型谐波源 图2 5 串联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路 f 皓2 5e q u i v a l e n tc i 枷i lo f 湖恼a p fc o m p e n s a t i n gd i 船i e mt y p eh a n n o n i cs o u r c e s 北京交通大学硕士学位论文 采用串联型a p f 对电流型谐波源进行滤波时，电网电压无畸变，即 曲= 0 时，对于h 次谐波，有 j 矿掣与肇 ( 2 7 )“ z 。+ z 0 7 显然，式( 2 7 ) 在满足d 。= z 。，。条件下，“= o 。如果让其补偿电 压指令为d 二= z 。，则，串联型a p f 能补偿电流型谐波源。但是， 补偿效果受己的影响，而z a 的大小又由工决定。对z a 较小的电流型谐 波源，串联型a p f 具有一定的补偿效果，而实际应用中，由于一般直 流侧电感滤波的整流器其电感电流虽有波动，不能看成理想的谐波电流 源，但非常接近理想谐波电流源，因此，z a 相当大。这样，串联型a p f 需要产生很大的补偿电压。如果要使补偿的效果好，则必须提高其产生 谐波电压的能力，这就意味着必须提高直流侧电压。与并联型a p f 补 偿电压型谐波源相似，这是不经济的。所以，串联型a p f 不适合补偿 直流铡电感滤波的整流器电流型谐波源。 采用串联型a p f 对电压型谐波源进行谐波补偿时，对n 次电源谐波 电流有 。警 ( 2 8 ) 如果= o ，无论磊的大小如何，只要令= 叫m ，则“= 0 。因此， 不论负载是否为理想谐波电压源，串联型a p f 均能对其进行补偿。所 以，串联型a p f 适合补偿直流侧为电容滤波的整流器一电压型谐波源。 总之，在选择有源电力滤波器的结构类型时，要根据谐波源的类型 来选择相应的有源滤波器。如果不了解谐波源的类型，即不知道是电压 型谐波源还是电流型谐波源，盲目选择有源滤波器，不能取得令人满意 1 4 北京交通大学硕士学位论文 的补偿效果。在必要时，可采取串联型a p f 和并联a p f 混合使用的方 式，来进行谐波补偿。 2 3 混合型有源电力滤波器的基本原理 北京交通大学硕士学位论文 理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此 在有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用方式中，需对有源电力滤波器 进行有效控制，以抑制无源滤波器与系统阻抗之间发生谐振。 a c 图2 7 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之二 f i 吕2 7m o d e i 咖o f p a 珀l l c lc 0 仰e c f i 0 db e 脚e e ns h 帅l 。i y p ea p fa n dl c6 l t e r 图2 8 为并联型有源电力滤波器与i c 滤波器串联方式的原理图。 芝一。一f ：竺：一一萌磊面日 矗二霪无= 堕瞄谢u p 嚣 匝巫封：= 亨= 图2 8 并联型有源电力滤波器与l c 滤波嚣串联方式 f i g 2 8m o d c lo f 辩r i a lc o 柚e c i i b e t 帆e ns h u n t - l y p ea p f 卸di cf i l i e r 目前已大量使用的l c 滤波器均可以采用图2 6 或图2 7 的方式进 行改进来提高性能，而图2 9 所示结构应用还较少。此外，还有注入电 路方式，与旋转电机并用方式等，这些方式现在已几乎很少采用。 2 3 2 串联型a p f 与l c 逮波器混合使用方式 图2 9 是串联型有源滤波器与l c 滤波器混合使用方式原理图。其 特点与图2 8 所示的方式类似。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 l 嘶黜! 。f 函匿i ； 2 一l 。篷井l 一 工 ! l 一一i 图2 9 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用 f i g 2 9 h y b r i du s eo fs e f i e s t y p e a p fa n dl cf i l t e r 为了更好了解混合型电力滤波器，对串联混合型和并联混合型 以及串并联混合型电力滤波器的特征进行概括对比f 6 l ，如表2 1 所示。 表2 1 混合型滤波器比较 r a b l e2 1c o m p a r i s o no fh y b d da c t i v ef i l t e r s 串联型滤波器并联型滤波器与并联型滤波器与 + 无源滤波器无源滤波嚣并联 无源滤波器串联 窖磊 配， 孙一， 酏怎 不带电流 带有电流 电压反馈 有源滤波 环的屯压 环的电压p w m 逆变电 器电路 反馈p w m 反馈p w m 路f 电流环可 逆变电路逆变电路 看可无1 有雩普器粉隔离嘉勰 黻椭 匕善! i i 苎彗 1 、普通并l 、已安装的 秉莩鎏鎏器娄釜；器鑫妻蠹未磊赫 簧乏熟戮篡 “ 流鎏羹擎 2 茹警彖嬲褥 滤波器 簧瓣鬻纛塞藉没搿 没有无功控制 承担补偿任务 目前应用状况 试验阶段商用阶段 即将进入市场 1 7 北京交通大学硕士学位论文 2 4 本章小结 电力系统中负载种类繁多，其中非线性负载是造成电网诣波污染的 根源。谐波源类型不同，其对外所表现出来的谐波特性也有所不同。直 流侧采用电感滤波的整流桥等是电流型谐波源，表现为电流源特性，而 直流侧采用电容滤波的整流桥是电压型谐波源，表现为电压源特性。在 治理电网谐波时，首先要分析谐波源特性，即电压型谐波源还是电流型 谐波源，然后采取相应的滤波措施。 有源滤波器根据与主电路连接方式划分，可分为串联型有源滤波器 和并联型有源滤波器。串联型滤波器适用于补偿电压型谐波源，而并联 型滤波器适用于补偿电流型谐波源。因此，在设计有源滤波器进行谐波 补偿时，选用何种滤波器结构要根据被补偿对象的谐波特性而定，电压 型谐波源选择串联型滤波器补偿，而电流型谐波源采用并联型滤波器补 偿，只有“对症下药”才能取得好的补偿效果。本文采用并联型a p f 。 有源滤波器逆变主电路多采用电压型逆变器，而电流型逆变器则采 用较少，主要原因在于，直流侧采用电感储能，逆变器损耗大，成本高。 但是，随着高温超导技术的不断发展，电流型逆变器将会具有较广阔的 应用前景。 在混合滤波器结构中，通常需要采用无源滤波器，混合滤波器控制 算法设计时，应当考虑无源滤波器与有源滤波器之间的相互作用问题， 通过对有源滤波器适当控制，来抑制无源滤波器与系统之问可能发生的 谐振，使有源滤波器与无源滤波器相互“协作”，实现谐波补偿功能。 北京交通大学硕士学位论文 第三章有源电力滤波器谐波检测算法与控制方法 关于有源滤波器的研究多集中在谐波电流检测方法、补偿电流控制 策略和逆变主电路结构上。谐波检测方法在有源滤波技术的研究中占有 重要地位，谐波检测精度直接影响有源滤波器性能。而逆变主电路是有 源滤波器的“执行机构”，其对参考电流指令执行的准确性，即补偿电 流跟踪指令电流的精确程度，决定于所采用的逆变主电路整体性能和补 偿电流控制策略。因此，谐波电流的准确提取和补偿电流的精确控制， 是有源滤波器能够有效地补偿电网中谐波的必要条件。 3 1 谐波电流检测方法 根据参考电流( 电压) 信号的硬件实现方法划分，可分为模拟电路检 测法和数字电路检测法。模拟电路检测法通常采用模拟带通( 阻) 滤波器、 低( 高) 通滤波器、乘法器、加法器等模拟器件实现。由于模拟电路设计 复杂，计算精度低，器件易受工作环境，如：温度、磁场等条件影响， 致使系统工作性能不稳定，而且集成度低，现在已很少采用。数字电路 检测法是指采用以数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g l l a lp m c e s s o r ) 为代表 的微处理器，通过算术运算来提取谐波。基于数字电路的谐波检测方法 可提高谐波检测精度和系统集成度，增强系统可靠性。此外，数字系统 维护方便，升级换代容易。目前有源滤波器谐波检测已几乎全部采用数 字电路实现。 迄今为止，已有多种谐波检测方法被提出l l l 。q 。如：基于瞬时无功 功率理论的谐波检测方法、基于砰榔tf o l l r i e r 胁n s f o m i a t i o n ) 的谐波 e 京交通大学硕士学位论文 电流检测方法、基于小波变换的谐波检测方法、基于i p 变换的谐波检 测方法、基于同步检测法的谐波检测方法以及基于人工神经元网络的谐 波检测方法等。下面对其中部分谐波检测方法特点进行分析，并提出一 种基于旋转坐标系下进行坐标变换的谐波检测方法。 3 1 1 基于n 丌的谐波检测 随着数据采集技术和微处理器技术的不断发展，基于h 呵的信号频 谱分析已经得到广泛应用。有学者将其用于有源滤波器谐波检测当中， 并取得了一定成效【1 4 。幔1 ”。该方法的谐波检测原理如图3 1 所示。 图3 1 基于f f l 的谐波检测原理 f 嘻3 1s c h e m a o ff f l - b a 9 e dh 娜i cd e l e c u o n 基于f f r 的谐波检测原理是：被检测模拟信号诹卸，6 ，c ) 在同步脉 冲作用下通过模数转换器进行离散化处理，转换为数字量，再经快速傅 立叶变换( 唧进行处理，得到各次谐波幅值和相位系数，。经低通滤波 器i j p f ( k wp a 鹞f i i t e r ) 检测出所需要的信号，对检出的信号作h t 反变 换即得补偿电流信号。采用这种方法需要有较高精度的模数转换器， 同时要求输入信号有较高的信噪比。 基于f f t 的数字化分析法，要求被检测信号是周期性变化量，否 则会带来较大的误差。虽然文献【1 & 1 9 l 对传统的f f t 方法进行改进，提高 了谐波检测精度，但是，由于该方法至少需要采集被检测信号一个完整 周期量，而且采样频率要求足够高( 至少是有效信号最高频率的两倍) ， 计算量非常大。因此，该方法具有较长的时问延迟，实时性差。不过该 方法用于离线频谱分析却不失为一种理想选择，现在很多离线式谐波分 北京交通大学硕士学位论文 ( 一) 瞬时无功功率理论的定义 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( h a k a 舀) 提 朋理论，是以电网电压和电流在n 书坐标系下进行坐标变换为基础， 建立瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 的定义。 时电压岛、印和两相瞬时电流屯、扫，其矢量关系如图3 2 所示。其中 卧c z ，i i ， 卧，园 z ， 枷m 2 眠，2 历瞌嚣岩习 ；= 毛+ ；p 丸，f 一乞+ 一f 工疵 ( 3 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 ；孤。 艇瓣 i x 誓t “ 口 图3 2 。【一d 坐标系中的电压、电流矢量 f j 昏3 2v o j l a g ev e c t o ta n dc u r r e n tv e c t o fj na bc 0 0 r d i n a i e ip = i c 稍争= i c f 一热) 一i 口c o s 虻+ i b s n 母fq 冬 = 括跏妒= 括抽忱一晚j - t s 跏啦一c d s 丸 ( 3 5 ) 有功功率p 和无功功率q 定义如式( 3 6 ) 所示 p 2 p f p ，叮2 百q ( 3 6 ) 根据式( 3 4 ) 、( 3 5 ) 和( 3 6 ) ，得 阶臣滩卜吲 式( 3 7 ) 中 c 坩= 【： 当电网电压三相对称无畸变时，有 c i 一压e s 汛积 一互西加妇一扭，3 )( 3 8 ) 巳一芝b 跏缸+ 妇，3 ) 假设三相电流对称，其波形表达式为 北京交通大学硕士学位论文 i 。= 西。s 跏( n 甜+ ) = 砌。s 跏b 妇一吲3 ) + 吼) ( 3 9 ) t ；扫砌b 缸+ 驯3 ) + ) 根据式( 3 7 卜( 3 9 ) 可得 卧廊瞄】，卧巧 善l 咖g 耐+ ) 荟哪白酣+ 吼) ( 3 - 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 中，n - 强+ 1 时取上号，n = 弘- 1 时取下号，由式( 3 7 ) 和( 3 1 0 ) 得 吲。压一埘 【g j【一“：= 矧站 善印 ( 1 千n b 千】 妻t l s 抽 ( 1 一n 如 ( 3 1 1 ) mg 经低通滤波器( l p f ) 可得 l i i 观障瑚 b ，筇 ( 二) 三相电路谐波和无功电流检测 基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测原理如图3 3 所示。 首先根据瞬时无功功率定义计算出瞬时有功功率p 和无功功率口，经低 通滤波器( f ) 处理后，得到有功功率p 的直流分量芦、无功功率鼋的 直流分量彳。在电网电压对称且无畸变时，芦为基波有功电流与电压作 用所产生，虿为基波无功电流与电压作用所产生。由f 、虿即可计算出 被检测电流乇、如、中的基波分量访、面、锄， 北京交通大学硕士学位论文 卜丹知c 一囝 聊 将西、协匆分别与、如、f c 相减，即可得出、如、f c 的谐波分量 的通道即可。由芦即可计算出被检测电流、如、己中的基波有功分量切、 黔哪 聊 北京交通大学硕士学位论文 31 3 i p i q 法 为了克服电网电压畸变对谐波检测带来的不利影响，有人对基于瞬 时无功功率理论的谐波检测方法进行改进，提出法【2 l 】。该方法的谐 波检测原理见图3 4 所示。 队4 中变换矩阵c = f 兰二：卜 l c 0 占甜一s l 以“耳l 胁，卅= ：球m = ：= 矧 式( 3 1 5 ) 与式( 3 1 1 ) 不同之处在于，变换矩阵c 代替了c k ，从而降 该方法谐波检测过程如下，使用锁相环p u 胛h a s e l 0 c k e dl o o p ) 号，得到变换矩阵c 。三相输入电流、o 经过a b 变换后与变换 矩阵c 相乘，得到有功电流f ，和无功电流i ，、经低通滤波器i j p f 滤波后，得到直流分量、，它们是由基波电流、0 、0 产生的。 因此，将、反变换，即可计算出基波电流0 、畸、0 ，进而计算 出谐波电流、o 、。 北京交通大学硕士学位论文 与m 口运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需要 断开图3 4 中计算的通道即可。而如果只需检测无功电流，则仅对岛 进行反变换即可。 从上面求解过程可以看出，该方法之所以能够准确提取谐波，其原 因在于采用了锁相环p l l ，消除了电网电压对谐波检测带来的影响。值 得指出的是，该方法是对a 相电压进行锁相得到参考正余弦信号，而忽 略了b 相和c 相电压相位信息。因此，在三相电压不完全对称情况下， 采用该方法检测无功功率时将会带来误差。 除以上提到的几种谐波检测方法外，还有基于人工智能的多层神经 元网络谐波检测方法i 臻”】等，由于算法复杂，参数依赖性强，收敛性难 以得到保证，目前这类方法仅用在仿真试验当中，距离实际应用还有一 定差距，存在许多有待进一步研究、探讨之处。 3 1 4 基于旋转坐标系下进行坐标变换的谐波检测方法 谐波检测方法根据所采用的功率理论和算法又可分为以下两大类： 一类是以瞬时无功功率理论为代表的谐波检测方法，这类方法需要计算 电网中的功率。但是，在电网电压存在不对称和畸变情况下，关于功率 的理论和定义并不十分明确，至今没有一套完整的功率理论被普遍接受 1 2 4 1 。因此，通过计算电网功率提取谐波和无功电流的方法值得进一步研 究。另外一类是以电网电流为研究对象，通过滤波或者频域分析等方法 来提取谐波电流。然而，当电网电压存在畸变或不对称时，这类方法难 以准确提取基波无功电流。例如，文献1 1 濒提出的谐波检测方法很好地 解决了电网电压存在畸变时谐波电流的提取问题。但是，该方法由于没 有考虑电网电压相位因素，在提取基波无功电流时，会受同步参考正余 弦初始相位的影响，给基波无功电流的提取带