（电力电子与电力传动专业论文）软开关直流侧有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t t or e m o v es u c hd e f e c t sa se x c e s s i v es w i t c h i n gl o s s ，c o m p l i c a t e dd e t e c t i o na n d c o n t r o lm e t h o d so f t r a d i t i o n a lp w ma c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，t h i sp a p e rw o r k sa tt h e s t u d yo fan e ws o f t s w i t c h i n gd cs i d ea p f t h ee m p h a s i so ft h i st h e s i si sl a i do nt h e a n a l y s i so f p r i n c i p l eo f m a i nc i r c u i t ，s t u d yo f c o n t r o lm e t h o da n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tt e c h n o l o g y ， f i r s to fa l l ，a f t e rt h en e c e s s a r yd i s c u s s i o no nc u r r e n ts t u d ys i t u a t i o no fa p f , a n e wd cs i d ea p fi sp r o p o s e db a s e do no n ec y c l ec o n t r o lt h e o r y u s i n gb i d i r e c t i o n a l b o o s tc o n v e r t e ra si t sm a i nc i r c u i t ，t h es i n g l e p h a s ea p fi ss h u n t e da tt h ed cs i d eo f r e c t i f i e r , c o m p e n s a t i n g t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n to fn o n l i n e a rl o a d s c o m p a r e d 谢t l lt h et r a d i t i o n a ls h u n ta p f s ，t h e r ei sn on e e dt os e n s el o a dc u r r e n t ，n o n e e dt oc a l c u l a t et h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p o n e n to ft h el o a dc u r r e n t ，m a dn o n e e df o rm u l t i p l i e r i nc o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a lp o w e rf a c t o rc o r r e e t o r ( p f c ) ，t h en e w d cs i d ea p fd e a l sw i t hl e s sp o w e ra n df e a t u r e sl o wr a t e ，s m a l lv o l u m e ，h i g h e f f i c i e n c ya n d s oo n s e c o n d l y , t h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi se m p l o y e dh e r ef o rr e d u c i n gs w i t c h i n g l o s sf u r t h e r , a n dt h em a i np o w e rs w i t c h e si nt h en e wd cs i d ea p fh a v er e a l i z e dz e r o v o l t a g es w i t c h i n g ( z v s ) a tt h es a m et i m et h es w i t c h e sc a na v o i de x c e s s i v ev o l t a g e s t r e s sb yu s eo fa c t i v ec l a m pt e c h n o l o g y n e e d i n gn oa d d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，b y a c t i v ec l a m pa n dz v st h ed cs i d ea p fn o to n l yr e d u c e st h es w i t c h i n gl o s sg r e a t l y b u ta l s oo b e y st h eo r i g i n a lc o n t r o lr u l e ，i n c r e a s i n go p e r a t i n ge f f i c i e n c ya sw e l l t h i s m e t h o dh a ss o m e t h i n go fs i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l do f h i g hv o l u m ea p f n e x t ，af a s ts i m u l a t i o nm e t h o di sp r o p o s e di n t h i sp a p e rb yc o m b i n a t i o no f r e s p e c t i v ef e a t u r e so fm a t l a ba n dp s p i c e t h ep o w e r f u lc a l c u l a t i o nf a c u l t ya n d a d v a n t a g e o u sp r o g r a mo fm a t l a bi sh e l p f u lt oi n c r e a s et h es p e e do fc o n v e r g e n c e w h e nu s i n gp s p i c e ，a n dt h i sm e t h o di so fu n i v e r s a l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f y t h ev a l i d i t yo f p r o p o s e dm e t h o da n dt h es u p e r i o r i t yo f t h i ss i m u l a t i o nm e t h o d f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lc o n t r o lc i r c u i ti si m p l e m e n t e db yu s i n gu c 3 8 7 5a si t s c o r ep a r t t h ea c h i e v e dr e s u l t sa r ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e c t e dp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：h a r m o n i ce l i m i n a t i o no n e c y c l e c o n t r o l s o f t s w i t c h i n g b i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r d cs i d ea c t i v ep o w e rf i l t e r 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，也不包含为获得墨鲞盘茎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：蔼专铎签字嗍咿罗年，月，f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘童基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： 堍李学 导师签名 签字日期：伽箩年1 月1 罗日 签字日期：夕町年，月l 厂日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 谐波的产生及危害 随着电力电子技术的发展，电力系统中的非线性负载越来越多( 各种电力电 子变流器) ，由于电网电源是工频正弦量，大量非线性负载的接入所导致的直接 后果是造成电网电流的严重畸变。例如：整流器一电容滤波电路就是一个典型的 非线性元件和储能元件的组合，它接入正弦电压源以后所得电压电流波形如图 1 1 所示。 ( 9u s c = = r ( 。秣u 一朱 j 弋 、 图1 1 a c d c 整流电路及其i ：作波形 由图可以看出，虽然输入电源电压v 。仍然是正弦的，但是输入电流f 。却呈脉 冲状，发生严重畸变。通过傅立叶分析知道，脉冲状输入电流含有大量谐波，总 谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 高达9 5 6 f 5 8 】【5 9 1 。由此可见，大 量非线性元件的引入是产生电网谐波的主要原因。大量电网谐波的注入，对电力 系统安全稳定运行和通讯设备正常工作带来非常大的危害和影响，造成对电网的 污染，主要体现在以下几个方面【4 7 】 5 9 。 ( 1 )当系统中存在谐波分量时，可能会引起局部的并联或串联l c 谐振，放大 谐波分量，增加了由于谐波所产生的附加损耗和发热，使电力设备发生额 外的损耗、过热，还可能造成设备运行故障。如在三相电路中，中线由于 流过三相三次谐波电流的叠加而造成中线过流损坏； ( 2 ) 高频谐波本身就是一个很强的电磁干扰( e l e c t r o m a g n e t i ci m e r f e r e n c e ， e m i ) 源，它会对直流或交流线路沿线附近的通讯设备产生干扰，造成设 备无法正常工作； ( 3 ) 谐波的存在还会影响电力控制设备的正常工作，导致某些电力设备保护装 置的误动作，加速电力设备元件的绝缘老化，缩短使用寿命； ( 4 ) 由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低了发电、输配 第一章绪论 电以及用电设备的使用效率。 1 1 2 谐波的治理 针对电力谐波的危害，谐波研究已经引起了相关方面广大学者的密切关注， 现在对谐波研究主要集中在谐波功率理论研究、谐波分析及谐波危害和影响分 析、谐波补偿和抑制以及与谐波有关的测量问题和限制谐波标准等几个方面。其 中，如何消除和降低电力电子装置所产生的谐波已成为当今电工学科研究的热点 之一。谐波治理主要可以从两大方面考虑： ( 1 ) 治理谐波源：从谐波源本身出发来抑制谐波。如对电力电子设备采取如下 措施：增加换流相数、采取先进的控制技术和多重化接线技术、限制变流 装置容量等【5 6 1 ； ( 2 ) 对畸变电源进行谐波补偿：即安装谐波补偿装置( 滤波器、功率因数校正 器) 来抵消电力电子装置所产生的谐波。 随着电力电子变流装置广泛应用，一方面对电网系统产生的危害的可能性越 来越大，另一方面各种电力、通讯设备对供电系统要求越来越高。这双方的矛盾 就促成了谐波治理技术快速发展，吸引了越来越多的研究学者的广泛关注。因此， 研究出更有效谐波治理方法和谐波治理装置具有很重要的理论与实际意义。 1 2 前人研究工作 1 2 1 无源电力滤波器 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ) 是利用l c 谐振特性在阻抗分 流回路中对谐波形成低阻通路，从而滤除谐波分量。它由电力滤波电容器、电感 器和电阻按功能要求组合而成，现有的高压直流输电工程中大都采用无源电力滤 波器进行滤波，具有结构简单、一次性投入低、运行费用低、吸收特定次谐波效 果显著的优点。但是无源电力滤波器也存在以下难以克服的缺点： ( 1 ) 无源电力滤波器只能抑制特定次谐波，如果高次谐波成分较多，则必须同 时加入多个滤波器，这样往往导致滤波装置的体积和损耗增加，成本增高； ( 2 ) 谐波源电流超量时，滤波器往往过载而导致滤波器损坏； ( 3 ) 无源电力滤波器元件的参数随着诸如温度等外界条件的变化而变化，或者 当谐波频率发生偏差时，滤波器将发生失谐现象，因此一个实际的无源滤 波器在任何时候都满足谐波衰减是很困难的； ( 4 ) 现有的高压直流输电系统中的无源电力滤波器对非特征谐波抑制效果不 佳，导致其线路上流动幅值较大； 第章绪论 ( 5 ) 由于在谐波频率f ，网络的阻抗并非远大于滤波器的阻抗，从而导致滤波 效果不彻底； ( 6 ) 无源电力滤波器还可能与电力系统发生串联谐振，造成电压畸变而产生附 加的谐波电流，影响其滤波效果；在特定频率下，电网阻抗和无源滤波器 之间可能发生并联谐振，使该频率的谐波电流被放大。 目前对无源电力滤波器在很多工业应用场合还有其用武之地，但趋势是结合 有源电力滤波器的混合使用5 】【5 6 1 。 1 2 2 有源电力滤波器 f 由于无源电力滤波器的这些缺点，所以很难满足现代电力系统的要求。有 源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，a p f ) 的出现则很好地弥补了这些不足，它 运用瞬时滤波形成技术，对包含谐波和无功分量的非正弦波进行矫正，可以很好 地动态抑制谐波、补偿无功功率，能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功 进行实时补偿1 4 8 1 。有源电力滤波器发展可以追溯到6 0 年代末，1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 首次提出通过向交流电网注入三的倍数次谐波电流来减少电源电流 中谐波成分，从而改善电源电流波形的方法【4 圳，这奠定了有源电力滤波器的基 本思想。1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m s c h i d a 发表论文完整地描述了有源电力滤波器 的基本原理1 5 ”，但当时采用的是线性放大方法产生谐波补偿电流，损耗大，成 本高，因此仅仅在实验室中研究，未能在工业生产中得到应用。1 9 7 6 年，美国 西屋电气公司的l g y u g y i 和e c s t r y s u l a 提出采用p w m 控制变流器构成的有源 电力滤波器【5 ”，并建立了有源滤波器主电路的基本拓扑结构。但由于7 0 年代电 力电子器件功率小、频率低，因此有源电力滤波器发展仍十分缓慢。进入8 0 年 代以后，随着电力电子技术以及p w m 控制技术发展，有源电力滤波技术也得到 了长足的发展。到目前为止，有源电力滤波技术在日本、美国等少数工业发达国 家得到广泛应用【5 5 】【5 “，而在我国大多数还处于实验室研究与理论分析阶段，仅 有少数几台有源电力滤波器真正投入生产使用。有源电力滤波器具有体积小、占 地少，价格较便宜，补偿效果好等优点，是一种很有发展前途的谐波治理方法， 也是当前电力电子领域研究热点之一。按照有源电力滤波器直流侧储能元件的不 同，分为电压型和电流型两大类。直流侧用电容作为储能元件的有源滤波器称为 电压型有源电力滤波器；直流侧储能元件为电感的有源滤波器称为电流型有源电 力滤波器。按照主电路和母线的联接方法的不同，有源电力滤波器也可分为并联 型和串联型两大类。有源电力滤波器直接接入电网系统母线，这时候滤波器与负 载成为并联联结方式，称这种接入方式的有源电力滤波器为并联型有源电力滤波 器；有源电力滤波器通过变压器接入电网系统母线，这时滤波器与负载构成串联 第一章绪论 联结方式，称这种接入方式的有源电力滤波器为串联型有源电力滤波器。并联型 有源电力滤波器是有源电力滤波器中最基本形式，也是目前技术最为成熟，使用 最为广泛的一种形式旧【5 6 1 。 有源电力滤波器工作原理是：将系统中所含有的有害电流检测出来，然后生 成指令信号电流来控制有源电力滤波器，使有源电力滤波器产生相应的补偿电流 达到消除系统谐波的目的。由此可见，有源电力滤波器实现最关键的部分是：谐 波电流的检测和补偿电流的控制。当前对a p f 研究的热点主要集中于谐波检测、 补偿信号控制、a p f 的多功能化和应用以及a p f 的理论和补偿特性研究等方面。 1 2 2 1 谐波信号的检测策略 谐波的实时检测对于有源电力滤波器的补偿性能具有至关重要的影响。因为 检测出的谐波电流就是有源电力滤波器的指令控制电流，指令电流的正确与否直 接影响到有源电力滤波器能否产生准确的补偿电流。谐波般比基波小但变化较 大，并且随着不同非线性负载和电网的不同运行方式而表现出较大差异，因此给 谐波检测带来了很大困难。但是有源电力滤波器的谐波检测中一般不需要分解出 各次谐波分量，而只需要检测出除基波和有功电流之外的总的高次谐波和无功畸 变电流。根据这一特点，很多研究学者先后提出了很多关于谐波检测方法 1 5 6 1 5 9 1 1 删【6 2 1 6 8 】。目前为止广大学者所公认比较成熟的一种谐波实时检测方法 是：基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。该方法由日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年首次提出( p q 理论) 6 ”。其基本思想是：将三相电路的电压、电流变换成两 相正交口一坐标系上的矢量，电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率，电 压、电流矢量的差积定义为瞬时无功功率，电流矢量在电压矢量( 电压矢量法线) 上的投影定义为瞬时有功电流( 瞬时无功电流) 。通过矢量运算，将三相电路中 电流的基波分量与谐波分量、有功分量与无功分量实时地分解开来。瞬时无功功 率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功分量、不对 称分量及高次谐波分量的实现电路较简单，并且实时眭较好。目前，基于瞬时无 功功率理论的谐波检测研究已经非常深入，取得了工程应用成果。以此为基础的 派生出来的谐波检测方法有p q 、d - q 、和i p i q 等方法 6 1 1 【6 2 1 。虽然基于瞬时无 功功率理论的谐波检测方法在三相三线系统谐波检测中取得很好的效果，但是还 不适合于三相四线和单相系统。近年来，国内外很多研究学者对瞬时无功功率理 论进行了发展，提出了广义瞬时无功功率理论，以期解决传统三相瞬时无功功率 谐波检测理论所不能解决的问题，不过电路在实现起来耗费很大，目前还处于理 论研究和实验室仿真实验阶段1 6 2 】。另外还有一些其它的谐波检测方法，如：模 拟滤波器、基于傅立叶变换的谐波检测法、基于神经网络谐波检测法、基于f r y z e 传统功率定义的谐波检测法、基于自适应对消原理的谐波检测法和基于小波分析 第一章绪论 的谐波检测法【6 0 】【6 lj 。 基于瞬时无功功率理沦的谐波检测法实时性好，延时小，既能检测谐波又能 补偿无功；基于傅立叶快速变换的谐波检测法，在谐波检测、无功补偿和频谱分 析方面，均获得较广泛的应用，这两种方法是目前采用的主要方法。到目前为止， 虽然谐波检测方法繁多，但是大多数方法存在适用范围小、实时性差、精度不高 的缺点。所以完善现有的谐波检测理论并建立新体系，提出新的谐波检测方法仍 是当前谐波检测研究的当务之急。另一方面，针对目前谐波检测的种种缺陷与困 难，很多研究学者提出了一些不需要谐波检测环节的新型有源电力滤波器1 6 1 1 6 ”， 这也为谐波治理提供了一种新的解决途径。本课题对这一新型有源电力滤波器进 行了较深入地分析研究，在此基础上提出了一种新型软开关有源电力滤波器拓 扑，并给出了一些负载下相应的仿真和实验结果。 1 2 2 2 补偿信号产生的控制策略 有源电力滤波器的最终目的是要给电网系统提供及时准确的谐波补偿信号， 抵消非线性负载所产生的谐波分量。那么补偿信号产生的控制方法就显得至关重 要，可以说控制方法的好坏直接影响了有源电力滤波器的补偿性能。目前提出来 的控制方法主要有：正弦三角波调制法、代价函数最小p w m 法、组合变流器相 移s p w m 法、空间电压矢量最优控制、电流滞环比较控制法、变结构控制、无 差拍控制、基于单位功率因数控制和单周期控制等8 】 9 5 5 】。其中基于电压矢量 的控制方法本身就具有较高的直流电压利用率和控制精度；电流滞环比较控制是 基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点，在电压矢量的基 础上实行滞环比较控制可在同样的控制精度下，有效地降低开关频率，减小a p f 的开关损耗；变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性； 无差拍控制是。一种全数字化的控制技术，动态响应快，能够快速地响应电流的突 然变化，易于计算机的执行；组合变流器相移技术是多重化技术和p w m 技术的 有机组合，该技术可以在较低的器件开关频率下取得与较高开关频率等效的结 果，使得p w m 技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时， 有效地减小了输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽，很好地解决了大功率 装置与器件开关频率较低的矛盾，使得g t o 组成的变流器可以用于有源电力滤 波器装置，在大功率有源电力滤波器场合中具有很好的应用前景【3 【4 】 8 】 9 1 。单周 期控制是一种大信号非线性控制方法，能在一个周期内消除稳态、瞬态误差，具 有反应快、抗电源干扰，控制电路简单等优点，是一种很有前途的控制方法。在 本论文后面相关章节将有对这些控制方法较为详细地论述。以上这些方法中，基 于模拟控制技术的三角载波线性控制方法和滞环比较控制法是目前有源电力滤 波器中用得较多的方法。伴随着微机控制技术的不断发展和数字信号处理器 第一章绪论 ( d s p ) 运算速度的不断提高以及智能控制方法( 如自适应滞环、模糊控制等) 不断引入，有源电力滤波器装置的补偿特性将会得到更一步的提高。未来有源电 力滤波器控制方法研究主要应着重于如何提高波形质量、电压利用率和降低开关 损耗等方面。 伴随着高频大功率电力电子器件的出现，电网系统的波形质量问题已得到了 很好的解决，但开关损耗问题日益严重。对此解决办法有两个：一是运用多重化 控制技术尽量降低丌关频率达到与传统高频p w m 控制等效的结果；另一方面就 是改进有源电力滤波器主电路拓扑实现主功率器件的软开关，从而降低开关损 耗，提高效率。本课题在有源电力滤波器软开关技术上进行了一定研究，提出了 一种新型有源电力滤波器的软开关拓扑，并结合单周期控制对其工作过程进行了 较深入分析，后面相关章节再进行论述。 1 2 2 3 有源电力滤波器主电路的研究 随着电力电子技术的发展，各种功率丌关变流器的应用越来越广泛，同时对 电网系统产生的有害谐波也越来越多，从而使得对谐波治理要求也越来越高。这 一方面要求有源电力滤波器的容量越来越大，即要求更大容量的功率开关；另一 方面各种电子装置、通讯设备对谐波要求越来越苛刻，这同时对有源电力滤波器 的补偿性能提出了更高的要求，即要求功率开关频率越来越高，但是大功率的电 力电子器件所允许的开关频率却越来越低，为了解决功率开关器件频率和容量之 间的矛盾，国内外很多学者对有源电力滤波器主电路结构进行研究【5j 【6 j “，尝试 提出新的主电路或新的控制方法，以期实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿的 多功能要求，同时提高有源电力滤波器的动态补偿特性。迄今为止，几乎所有有 源电力滤波器主电路形式仍为典型p w m 逆变器结构，根据逆变器直流侧储能元 件不同分为电压型和电流型两种。直流侧储能元件为电容的是电压型有源电力滤 波器：直流侧储能元件为电感的是电流型有源电力滤波器。目前绝大多数有源电 力滤波器主电路为电压型p w m 逆变结构。 1 2 。2 4 有源电力滤波器补偿原理研究 按照有源电力滤波器的主电路与母线的连接方式可以分为串联型和并联型。 串联型a p f 通过变压器接入电网系统，此时滤波器与负载相当于串联联结；并 联型a p f 直接并入电网系统，那么滤波器与负载相当于并联联结。这两种连接 方式既可以单独使用也可以混合使用，还包括有源电力滤波器与无源电力滤波器 的混合联结使用。这些混合连接使用的方法可以满足滤波器多功能化( 如大容量、 高功率因数) 要求。多数情况下，并联型a p f 主要用于补偿可以看作电流源的 谐波源，此时有源电力滤波器向线路注入补偿电流，抵消谐波源所产生的谐波电 6 第一章绪论 流，使母线电流谐波减小或消除。这种情况下，并联型有源电力滤波器本身表现 出电流源的特性。而串联型a p f 多用于补偿可看作电压源的谐波源。串联型a p f 输出补偿电压，抵消谐波源产生的谐波电压。这样，电网阻抗上承受的电压中不 含谐波，因此母线电流电就不含谐波分量，从而达到抑制电源中谐波电流的目的。 串联型a p f 的作用并不是直接补偿线路的谐波电流，而是改善无源滤波器的滤 波特性，并解决了单独使用无源滤波器可能出现与线路发生并联谐振问题。可以 说串联a p f 只是起谐波隔离的作用，以阻碍谐波进入电网系统。一般串联a p f 容量小于弗联a p f 容量。无论是哪种形式联结的有源电力滤波器，从电路等效 的角度来看都相当于一个受控电源。利用阻抗变换原理，任何简单或复杂的谐波 补偿系统都可简化为3 支路的谐波等效电路：电网支路、负载支路和谐波支路【6 。 如图1 2 所示。 电网支路补偿点 a 负 载 支 路 图1 2a p f 补偿谐波时简化三支路等效电路图 每个支路由相应的谐波等效阻抗或等效阻抗与受控源联结所组成，根据谐波 抑制系统目标：使电网支路仅含电流基波分量，提出了一系列解决途径 5 6 】【矧， 对有源电力滤波器补偿原理研究提供了理论指导。 1 2 3 直流有源电力滤波器 直流有源电力滤波器( d ca p f ) 是将a p f 置于电网系统的赢流侧对非线性 负载所产生的谐波进行补偿，同时还实现对系统的无功功率补偿的目的。直流有 源滤波器的概念直到9 0 年代初才由国外学者提出来，主要应用于高压直流 ( h i g hv o l t a g ed c ，h v d c ) 输电系统，其补偿原理和主电路结构跟传统交流有 源电力滤波器相差无几。目前，在国外直流有源电力滤波器己在h v d c 系统中 取得了较好的应用，但在我国大多数还处在理论研究与仿真实验阶段。直流有源 电力滤波器相关的控制方法与应用领域将在第二章予以较详细论述。 1 3 本论文的研究内容与结构 1 3 1 论文研究内容 第一章绪论 本论文通过查阅大量的参考资料，在总结前人研究方法的基础上，提出了一 种新的直流有源滤波器的软开关拓扑及其控制策略。归纳起来主要有咀下几点： 1 在深入研究现有a p f 的检测控制策略前提下，针对各种控制方法固有的优缺 点，提出一种基于单周控制的软开关直流有源电力滤波器； 2 采用双向b o o s t 变换器作为该直流有源电力滤波器的主电路，重点研究分析了 该主电路工作特点，并根据其工作特点采用有源钳位方法实现了滤波措主功 率器件的软开关，同时使开关器件中的电压钳位在一定的数值水平。对比传 统的硬丌关有源滤波器，该方法大大降低了功率器件的开关损耗和导通损耗、 提高了变换效率，而且具有更好的动态补偿性能；同时该滤波器所处理的功 率较之传统的并联型a p f 也大大减小，降低了对功率开关管容量的要求，可 咀大大提高有源电力滤波器的性价比，为直流有源电力滤波器走向实用奠定 基础。 3 采用p s p i c e 和m a t l a b 两种软件相结合的办法对所提出的新型软开关直流 有源电力滤波器进行了仿真论证；另一方面对实验方案进行了设计，仿真和实 验结果验证了理论分析的正确性。 1 3 2 论文结构 本论文共分六章，各章内容概述如下： 第一章为论文的绪论部分，简要介绍了前人已做的研究工作及成果和作者在 该课题所做的工作；第二章为直流有源电力滤波器的主电路研究；第三章为直流 有源电力滤波器控制策略的研究：第四章为软开关直流有源电力滤波器的研究与 控制；第五章为直流有源电力滤波器的仿真和实验设计，提出对应的仿真和实验 方法并给出相应的仿真和实验结果；第六章为论文的结束语部分，对本论文的工 作进行了总结，并就后续研究工作的展开做了展望。 第二章直流有源电力滤波器 第二章直流有源电力滤波器 2 1 直流有源电力滤波器的发展 2 1 1 直流有源滤波器的概念 通常a p f 都是放置存交流侧对电网中非线性负载产生的浩波与无功电流进 行补偿，直流有源电力滤波器( d c a p f ) 是把谐波发生器放置在电路的直流侧对电 网系统的谐波和无功分量进行补偿。直流有源电力滤波器对谐波的检测和补偿方 法与传统并联型有源电力滤波器相同一但由于作j j 对象不同，直流有源电力滤 波器具有以下优点； 1 在音频范围( 3 0 0 3 0 0 0 h z ) 内，直流有源滤波器对每次谐波都有很强的抑制 效果； 2 由于直流有源滤波器是两象限内l ：作，因此仅需要两象限i 作的功率丌关器 件，使得直流有源电力滤波器性价比更高； 3 当频率发牛变化或谐振失调时，直流有源滤波器也能进行准确的跟踪补偿， 而且小存在过载问题。 2 1 2 直流有源电力滤波器的发展 有源电力滤波器在交流系统中的研究虽然起步较早，但直流有源电力滤波器 的概念直到1 9 8 8 年才由n m o h m a 和c w o n g 提出来，把直流有泺电力滤波器用 于高压直流输电系统【1 i ，并与无源滤波器进行了比较分析，同时给出了基本的系 统结构。但由于当时大功率低损耗的p w m 变流器研制未取得实质性的进展，加 上过去几十年中对高压直流输电工程中的谐波治理未引起足够的重视，直流有源 电力滤波器一直未得到实际应用。直到9 0 年代初直流有源电力滤波器用于高压 输电才取得一些实质性的进展，1 9 9 1 年直流有源电力滤波器首先在丹麦取得r 存工业中的应用，用丁2 5 0 k v 直流输l b 工程，并取得了满意的效果，并对直流 有源电力滤波器与直流母线的接线方式、谐波检测点、基本工作原理、系统结构 及其挣制方式、保护璐控都做了论述口j 。此后，高压直流有源电力滤波器逐渐成 为人们研究的热点，并且直流有源滤波技术陆续应用到直流电源p j 、有源功率冈 数校正”l 等方面。奉论文后面所研究的直流有源电力滤波器用来消除非线性负载 所引起的谐波电流，同时对无功功率也进行补偿，使电源电流与电源电压同频同 相，与功率因数校正器功i i 十i ( i 。但是该直流有源电力滤波器所处理功率更小， 相，与功率因数校正器功i i 十i ( i 。但是该直流有源电力滤波器所处理功率更小， 效率更高。 第，：章直流有源电力滤波器 2 2 传统直流有源电力滤波器 2 2 1 直流有源电力滤波器的分类 与交流有源电力滤波器相似，按照其与负载的联结方式，直流有源电力滤波 器也可以分为串联直流有源电力滤波器和并联有源电力滤波器，分别如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。 图2 1 ( a ) 串联型直流有源电力滤波器 ( b ) 并联型直流有源电力滤波器 串联型直流有源电力滤波器的工作原理：检测出整流器经平波电抗器后的输 出电压u ，+ a u ，如图2 1 ( a ) 所示，其中“为直流电压纹波，用a u 控制直流 有源电力滤波器的输出电压“。，使得甜。与”大小相等、相位相反，从而达到消 除直流负载中纹波电流的目的，理论上讲完全可以使直流负载中不存在纹波电 压。在此，直流有源电力滤波器相当于电压控制电压源( v c v s ) 逆变器，而且 平波电抗器在串联型直流有源电力滤波器中可以省略”j 。并联型有源电力滤波器 工作原理：检测经平波电抗器的输出电流，。+ i 。，如图2 - 1 ( b ) 所示，其中屯为 电流纹波，通过低通滤波器将纹波电流i 。分离出来，用屯控制直流有源电力滤波 器的输出电流i 。，使i 。与i 。的大小相等，相位相同，这样达到消除直流负载中电 流纹波的目的。并联型直流有源电力滤波器相当于电流控制电流型( c c c s ) 逆 变器。 对比串联型直流有源电力滤波器和并联型直流有源电力滤波器的工作特点， 可以看出，串联型直流有源电力滤波器与负载串联联结，因此通过全额负载电流， 当负载电流较大时，必须提高开关器件的耐流能力或者采用多个直流有源电力滤 波器并联使用，这样使得直流有源电力滤波器损耗大为增加，是它的缺点。串联 型直流有源电力滤波器是通过抑制纹波电压达到消除纹波电流的目的，多用于谐 波电压的补偿，它的作用并不是直接补偿直流输电线路的谐波电流，而是改善了 无源滤波器的滤波特性，解决了单独使用无源滤波器可能出现与线路发生并联谐 振等问题。换言之，串联直流有源电力滤波器不是起谐波补偿的作用，而是起谐 波“隔离器”的作用，阻碍谐波进入直流输电线路。因此，一般串联型直流有源 电力滤波器的容量小于并联型直流有源电力滤波器的容量。串联型直流有源电力 1 0 鹅礴 第二章直流有源电力滤波器 滤波器比较适合对纹波电流要求低或电感量较小的直流负载。并联型直流有源电 力滤波器相当于一个谐波电流发生器，向线路注入补偿电流，抵消谐波源产生的 谐波电流。并联型直流有源电力滤波器承受全额的负载电压，一般采用纹波电流 控制补偿电流进行控制，但是当纹波电流较小时，电流纹波不易检测分离，应采 用纹波电压来控制补偿电流，这时并联型直流有源电力滤波器相当于电压控制电 流源( v c c s ) 。并联型直流有源电力滤波器比较适合于电感量较大的直流性负 载。 2 2 2 经典直流有源电力滤波器的主电路 与传统交流有源电力滤波器一样，直流型有源电力滤波器也可以采用典型的 p w m 型逆变器作为其主电路。按照直流侧储能元件的不同又可分为电压型和电 流型两种。其主电路分别如图2 2 ( a ) 、( b ) 所示。 刘十c书卜l 这两种主电路工作的主要特点如下： 1 电压型直流a p f 的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变， 可看作电压源；电流型直流a p f 的直流侧接有大电感，正常工作时，其电流 基本保持不变，相当于电流源； 2 对电压型直流a p f 而言，为保持其直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行 控制；对电流型直流a p f 而言，为保持其直流侧电流不变，需要对直流侧电 流进行控制； 3 电压型直流a p f 交流侧输出为电压p w m 波，电流型直流a p f 其交流侧输出 电流p w m 波。 与电压型直流a p f 相比，电流型直流a p f 的优点是：不会由于主电路开关 器件的直通而发生短路。但是，电流型直流a p f 直流侧始终有电流流过，该电 流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前电流型直流a p f 使用较少。 不过，随着超导贮能磁体研究的进展，一旦用超导储能磁体取代目前的大电感器 件，电流型a p f 将会得到广泛应用【5 j 。 第二章直流有源电力滤波器 由于直流a p f 仅仅承受单向电压，能量仅需要双向流动，所以不需要像交 流有源电力滤波器那样需要四象限变流器，其主电路可以考虑用双向d c d c 变 换器来构建。本论文将对这种结构直流有源电力滤波器展丌研究。在研究这种新 型直流有源电力滤波器之前，下面先对双向d c d c 变换器知识进行简单的介绍。 2 3 双向d c d c 变换电路 2 3 1 d c d c 变换器的基本知识 将一种直流电压变换成另一种( 固定或可调的) 直流电压的过程称为d c d c ( d i r e c tc u r r e n t ) 变换，其器件称为d c d c 变换器或直流斩波器。这种变换器 的特点是：利用晶闸管、晶体管或其他电力半导体器件作为无触点开关，接于电 源与负载之间，控制品闸管、晶体管等器件的通断来改变加到负载电路上的直流 电压平均值，从而得到可调的负载电压。 d c d c 变换器广泛应用于开关电源和直流电动机调速的控制。如图2 3 所 示，变换器的输入通常是由工频电压经整流而获得的不稳定的直流电压( 也可以 是蓄电池、太阳能电池等) 。采用d c d c 变换器以后可以使不稳定的直流输入 电压变为所要求的或者稳定的直流输出电压。 ! 丽一 图2 3d c d c 变换器系统框图 非隔离型单向d c d c 变换器主要有b u c k 降压型、b o o s t 升压型、b u c k b o o s t 升降压型、c u k 型、s e p i c 型和z e t a 型等几种基本拓扑【5 9 1 。 2 3 2 双向d c - d c 变换器基础 由于单向d c d c 变换器主功率传输通路中都有二极管这个环节，因此能量 只能单向流动。而在某些场合需要能量进行双向传输，即电压极性不变，而电流 可以双向流动。图2 4 所示为双向d c d c 变换电路结构图。图中k 和吒可以是 直流电压源或直流有源负载，它们的极性保持不变，能量可以从_ 传输到， 也可以从传输到k 。 第二章直流有源电力滤波器 = 二二爿 ( il ) o ，i2 0 ) 双向 d c d c 变换器 忙、 u i p 一 + v 2 三二= 二( i 。 o i z 0 ) 图2 - 4 双向d c d c 变换器结构 双向d c d c 变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输，更容易实现 同步整流工作方式，有利于降低通态损耗( c o n d u c t i o nl o s s ) ，具有效率高、体 积小、动态性能好和降低变换器成本的优点，在直流不问断电源系统( d c u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , d cu p s ) o o 1 h 航天电源系统( a e r o s p a c ep o w e r s v s t e m ) 【l = 1 6 1 、电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ) f 1 7 】【1 8 【1 9 】【2 2 1 、直流功率放大器( d cp o w e r a m p l i f i e r ) 【12 及蓄电池储能( b a n e r ) re n e r g ys t o r a g es y s t e m ，b e s s ) 1 2 4 】等场合得 到广泛应用。 2 3 3 双向d 0 - d 0 变换器的拓扑结构 许多单相d c d c 变换器都可通过将其中的无源开关( p a s s i v es w i t c h ) ，替 换为有源丌关而成为双向d c d c 变换器 2 ”。究其根本也就是将其单向基本单元 替换为双向基本变换单元。单向d c d c 变换器所有的基本拓扑都可以由此规则 变换为相应的双向d c d c 变换器拓扑【2 。图2 - 5 为六个单向d c d c 基本变换 器拓扑，图2 - 6 为六个相应的双向d c d c 变换器拓扑，它们都能控制能量的双 向流动。文献 2 8 】中所述的双向d c d c 变换器，以及文献 2 7 r 0 的十个半桥式双 向d c d c 变换器，实际上就是这些双向d c d c 基本变换器或足它们的输入输 出增加滤波器后的简单拓扑变形。 + v ( b ) b o o s t ( a ) b i d i r e c f i o n a lb u c k ( b ) b i d i r e c t i o n a lb o o s t 第二章直流有源电力滤波器 ( c ) b u c k b o o s t( c ) b i d i r e c t i o n a lb u c k b o o s t ( d ) c u k ( e ) s e p i c ( d ) b i d i r e c t i o n a lc u k ( e ) b i d i r e c t i o n a ls e p i c ( f ) z e t a ( f ) b i d i r e c t i o n a lz e t a 图2 5 单向d c d c 变换器拓扑 图2 6 对应双向d c d c 变换器拓扑 双向d c d c 变换器的控制也用p w m 控制的方法来实现，只是需要考虑两 个方向各自不同的等效电路模型。一般而言典型的p w m 控制方法均适用于双向 d c d c 变换器控制 1 2 】【2 l l 。 2 4 基于双向b o o s t 变换电路的直流有源电力滤波器 双向d c d c 变换电路和有源滤波电路同属于p w m 变流电路，而且二者主电 路中的功率流向也类似。那么从理论上讲，直流有源电力滤波器的主电路都可以 用双向d e d c 变换器来实现。图2 7 所示为新型直流有源电力滤波器进行谐波补 偿时的电路6 】1 6 7 】。虚线框内为直流a p f 主电路图，它由一个双向b o o s t 变换器组 成。 4 第二章直流有源电力滤波器 f ) ( 、+ i i ， u ，u ： ) 一鱼墓： 直流 u c 盘载 () 一 图2 7 新型直流有源电力滤波器工作电路图 该电路工作原理为：对功率开关管m 。和m 2 进行适当地控制使整流桥的直 流输出电压u g 和输出电流i g 同相位，也即使整流桥直流输出侧等