（电力系统及其自动化专业论文）h∞鲁棒控制理论在有源电力滤波器中的应用.pdf

a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sah o v e ip o w e re l e c t r o n i cd e v i c e t ob e d y n a m i c a l l yu s e d t oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n dt o c o m p e n s a t e r e a c t i v e p o w e r c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lm e a s u r e s ，a p fh a sm a n ya d v a n t a g e sa n dw i d e p r o s p e c t , a n di t i sc o n s i d e r e da so n eo fm o s te f f e c t i v em e a n st or e s i s tt h ep o w e r p o l l u t i o n i nc h i n a ，t h es t u d ya n de x p l o i t a t i o ni nr e g a r dt oa p fa r ea tt h e i ri n i t i a l s t a g e ，a n dm a t u r ep r o d u c t sh a v en o tb e e nc o m i n go u ty e t , s ot h es t u d yr e g a r d i n g a p fh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h ep a p e rr e s e a r c h e ss y s t e m i c a l l ya n dd e e p l yo n s h u n ta p f ，a n a l y s e si t sv a r i o u ss e c t i o n sa n dd e r i v e si t sm a t h e m a t i cm o d e l h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h ec r i t i c a lt e c h n o l o g i e so f t r a d i t i o n a la p ei t s d e v e l o p m e n th a sd i r e c t l ye f f e c t0 nt h ed e v e l o p m e n to fa p f t e c h n o l o g y , s o t o i m p r o v et h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sv e r y s i g n i f i c a t i v et op r o m o t et h ep r o p e r t yo fa p et h ep a p e rf i r s t l ys t u d i e st h eh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o d si na p fb a s e do nf f td i g i ta n a l y z i n g , s i n g l e - p h a s eh a r m o n i cf a s t d e t e c t i o na n dt h e a d a p t i v en o i s ec a n c e l l i n gt e c h n o l o g y ；t h e nt h ep a p e rm a k e s s i m u l a t i o ni nu s eo fl a s th a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d , a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dh a sn o to n l yh i g hd e t e c t i n gp r e c i s i o nb u ta l s ob e t t e ra d a p t a b i l i t y t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa p fi sa n o t h e rv i t a l t e c h n o l o g y t o a i ma tt h e c h a r a c t e r i s t i co f a p fb e i n gs u b j e c tt oe x t e m a li n t e r f e r e n c ea n da tm o d e lu n c e r t a i n t y , t h ep a p e r a p p l i e sh 。c o n t r o lt h e o r yt oc o n t r o lt h eo u t p u to fa p eo nt h eb a s i so f i l l u s t r a t i o n sa b o v e ，比r o b u s tc o n t r o l l e r sh a v eb e e nd e s i g n e dt oa i ma tq u i n t u p l e a n ds e p t i ch a r m o n i cc u r r e n t , r e s p e c t i v e l y t h ed i g i t a ls i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t t h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h er o b u s tc o n t r o l l i n gm e t h o d , b o mo ft h e 日 c o n t r o l l e r sa r ei n d e p e n d e n to ft h em o d e lo fa p fs y s t e ma n dt h ee f f e c tf r o mt h e s y s t e mu n c e r t a i n t ya n de x t e r n a ld i s t u r b a n c ec a nb eg r e a t l ye l i m i n a t e d t h er o b u s t c o n t r o l l i n gm e t h o dc a ne n s u r et h ei n t e r n a ls t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so ft h es y s t e m , w h i c hc o n f i r m st h ev a l i d i t ya n dp e r f o r m a n c eo f t h em e t h o d f i n a l l y , t h ep a p e rc o m p a r e st h ea d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d b a s e do nt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g yw i t hh ar o b u s tc o n t r o lm e t h o d , a n dt h er e s u l t ss h o wt h ep r e v i o u sm e t h o di so fh i g h e rd e t e c t i o np r e c i s i o n h o w e v e r , 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i i 页 t h em e t h o dn e e d v e l a lp e r i o d i ct i m e a n di t sd e t e c t i o np r e c i s i o ni sa tt h ec o s to f s a c r i f i c ed v n 锄i cc h a r a c t e r i s t i c ；t h e1 a t t e rm e t h o di so fe q u i v a l e n tp r e c i s i o n , b u t o n l ya f t e ro n ep e r i o d i ct i m e t h es y s t e mc a l lb es t a b i l i z e d t h e r e b yt h i ss h o w s 日坤 r o b u s tc o n t r o lm e t h o di so f t m e x a m p l e dp r e d o m i n a n c e k e yw o r d s ：a p f ：h a ：r o b u s t ：d e t e c t ；c o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 电能已经成为现代人类生活中不可缺少的重要元素之一，无论在工业生产 还是在日常生活中，用户对电力可靠性及质量的要求都在不断提高，任何供电 质量问题都可能导致产品质量下降、生产设备损坏，给用户造成损失。尤其是 i t 产业的迅猛发展使得人们更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字 化设备对供电的质量要求更高f l 】。同时，由于电力电子技术的发展，非线性电 力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛应用，为了解决电力系统自身发展 存在的问题，直流输电和柔性交流输电系统( f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n t t r a n s m i s s i o ns y s t e m s f a c t s ) 技术不断投入实际工程应用，调速电机以及无功 功率补偿电容器也大量投入运营。这些设备的运行使得电网电压和电流波形畸 变越来越严重，谐波水平不断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、 大型轧钢机、电力机车等，在运行中不仅会产生大量的高次谐波，而且还会产 生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题，电力系统中的谐波和无功电 流问题日渐突出，已危及电力系统的安全运行，谐波污染治理与无功补偿成为 电力系统和电力用户急需解决的问题【2 5 】。因此，必须采取有效措施抑制电力系 统中的谐波和无功电流，才能保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电 设备的可靠工作。 近年出现的用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 概念就表明了信息时代的电力 用户已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刻不容缓。 电力系统谐波抑制是改善电能质量的一个重要方面。高次谐波对公网及其 它系统的危害主要有以下几个方面1 6 , 7 ： ( 1 )谐波使公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 次谐波流过中性线时会使线路 过热甚至发生火灾。 ( 2 )谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除了会 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压 器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、 寿命缩短，以至于损坏。 ( 3 )谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并且会使电气测量 仪表不准确。 ( 4 )谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信 质量，重者会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 5 )谐波会引起公网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放 大，这就使上述危害大大增加，甚至引起严重事故。 为了解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条： 其一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波；其二是装设谐波补偿 装置。 对装置本身迸行改造的具体方法有：开发新型变流器，使其不产生谐波， 且电流和电压同相位，例如单位功率因数变流器；在大容量变流器中采用多重 化技术，将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波。 谐波补偿装置中常用的方法是采用l c 无源调谐滤波器，这种方法既可以 补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用，但是其主 要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导 致谐波放大，另外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不是很理想。为 了弥补无源滤波装置的不足，各国学者不断探索新的谐波抑制手段。目前，谐 波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 。a p f 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 f m a r s h 发表的 论文中阎，描述了通过向交流电网中注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐 波成分，可看作是a p f 基本思想的萌芽；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【9 】中，首次完整的描述了a p f 的基本原理，但当时仅采用线性放大的方 法产生补偿电流，不实用：1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 控制器构 成的有源滤波器1 1 0 ，确定了a p f 的概念，确立了a p f 主电路的基本拓扑结构 和控制方法。但当时电力电子技术和p w m 控制技术的发展水平不高，仍局限 于试验研究。8 0 年代以来，a p f 成为电力电子技术领域研究的热点之一。1 9 8 3 年赤木泰文等人提出“三相电路瞬时无功功率理论”【l l ”】，以此为基础的谐波 和无功检测方法在a p f 中得到了成功应用，极大地促进了a p f 地发展。 有源电力滤波器的控制技术是有源电力滤波器的关键之一。不管有源电力 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 滤波器的拓扑结构如何，它总是受电网电压和谐波源的干扰，对于这种具有建 模不确定性和受外部扰动的被控对象，如果能将一些鲁棒控制方法应用到其中， 将对有源电力滤波器的性能有很大的提高。 本文的研究目的在于希望借助先进鲁棒控制技术的理论和方法，解决有源 电力滤波器应用过程中遇到的一些问题，使之达到更好的抑制电网谐波、改善 电能质量的作用。 1 2 有源电力滤波器控制方法的研究 尽管现在人们对有源电力滤波器拓扑结构的研究尚未停止，但基本没有太 大的突破。一直以来，国内国际对控制策略方面的研究却相对活跃的多。有源 电力滤波器的控制有它固有的控制特点，a p f 的电流控制要求产生的不是正弦 电流，而是补偿电流。a p f 的控制策略主要包括谐波电流( 电压) 检测技术和 补偿电流的控制技术。毫无疑问，选择优良的控制策略直接关系到a p f 的补偿 效果。a p f 发展的物质基础是现代电力电子器件，而脉宽调制( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ，p c m ) 控制技术则是实现的必要手段和关键。近十几年来，由于 p w m 技术、微处理器等方面的发展，促使a p f 控制技术具备了数字化控制，甚 至还有智能控制的特征。下面就介绍几种常用的控制方法： 1 ) 空间电压矢量p w m 控制0 3 a 4 】 空间电压矢量p w m ( v o l t a g es p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) 是以三相对称正弦电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的 开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通。由他们的比较结果决定逆变器 的开关，形成p w m 波形。此法从电机的角度出发，把逆变器和电机看作一个整 体，使电机获得幅值恒定的圆形磁场。通过控制磁通或者电压矢量导通时间， 用尽可能多的多边形磁通去逼近正弦磁通。此方法又可分为磁通开环式和磁通 闭环式。前者用两个非零矢量和一个零矢量合成一个等效的电压矢量，若采样 时间足够小，可合成任意电压矢量，其输出电压正弦波调制时提高了1 5 ，谐 波电流有效值之和接近最小。后者引入磁通反馈，控制磁通的大小和变化的速 度，在比较估算和给定磁通后，根据误差决定产生下一个电压矢量，形成p w m 波形。后者克服了前者的不足，解决了电机低速时，定子电阻影响大的问题， 减小了电机的脉动和噪音。 2 ) 滞环电流控制( n y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 1 5 - 1 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 滞环电流控制方法是目前应用非常广泛的一种菲线性闭环电流控制方法。 它利用滞环比较器形成一个以0 为中心、汀和一为上下限的滞环或死区，通过 把补偿电流和指令电流的差值控制到规定的滞环宽度( 误差限) 范围之内，来控 制逆变器的开关动作。其工作原理如下图所示： 滞环比较嚣 ， 0 l “m s 2 图1 - 1 采用滞环比较器瞬时值比较方式的原理 ， 0 一k 首先，把补偿量的指令信号e 与实际的补偿量信号进行比较，然后将两者 的差值越作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生出控制a p f 开关器件通 断的p 嘲信号，此信号再经驱动隔离电路便可驱动a p f 的开关，使a p f 产生的 补偿量跟踪指令信号的变化。 在这种控制方式中，滞环的宽度对补偿量的跟踪性能有较大的影响：当 较大时，开关通断的频率越低，故对开关器件的要求不高，但是跟踪误差较 大。反之，当较小时，虽然跟踪误差减小了，但开关频率却提高了。因此， 对开关器件的要求也较高。另外。滞环比较控制方法具有硬件电路简单、补偿 量响应快、由于不使用载波，在a p f 的输出中不含有特定频率的谐波分量，属 于跟踪型p w m 的闭环控制方式。当滞环宽度固定时，补偿量的跟踪误差范围 也固定等特点。 滞环电流控制是一种简单的b a n g - b a n g 控制，集电流控制与p w m 控制与一 体。它具有以下特点：( 1 ) 滞环电流控制具有动态响应速度快、鲁棒性好的优 点；( 2 ) 滞环电流控制本质是一种隐含载波的变频s p i 鞭i 调制方式，在三相高功 率因数整流器中，滞环控制隐含载波频率随电网电压作周期性交化，变化频率 为工频的2 倍；( 3 ) 滞环电流控制输出频谱范围宽，滤波较困难，谐波能量均 匀分布在较宽的频带范围内。 3 ) 变结构控制【1 8 , 1 9 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 5 0 年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制，近年来在电力电子技术中 得到了越来越广泛的应用，由于变结构控制系统中的滑动模态具有不变性，即 系统的运动状态只取决于滑模面的参数和控制规律，而与系统本身的参数摄动 和外界干扰无关。这种理想的鲁棒性吸引着众多学者致力于该控制策略的应用 研究。另一方面则由于构成多种变换器的电子开关所产生的不连续控制，使得 各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统，所以在电力电子装置中引入滑 模变结构控制是一种比较理想的选择。并且根据系统要求，采取不同的滑模形 式可以满足不同的需求。 4 ) 无差拍控带1 2 0 , 2 1 】 该方法是一种全数字化的控制技术，它利用前一时刻的指令电流值和实际 补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。其 优点是动态响应快，易于计算机执行。缺点是计算量大，对系统参数依赖性较 大。随着数字信号处理单片机应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。 在有源电力滤波器中，跟踪参考信号的控制方法是决定有源滤波器补偿质量的 关键。因为只有求得补偿信号参考值后，才能通过反馈环节和控制变流器的开 关元件使变流器产生与参考信号相等的实际信号。无差拍控制的优点在于数学 推导严密、跟踪无过冲、动态性能好等。无差拍控制的有源电力滤波器即使在 开关频率较低的情况下也有着良好的动静态响应。 5 ) 单周控制【2 2 2 5 】 单周控制是一种非线性控制法，它同时具有调制和控制的双重性，通过复位 开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。单周控制的基本 思想是：控制开关占空比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参 考电压成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。它具有反应快、抗电源干扰和 控制电路简单等优点。可应用于p w m 控制、软开关等。单周控制在控制电路中 不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误 差不会带到下一周期。此外，单周控制还能优化系统响应、减小畸变和抑制电 源干扰，其控制原理如图1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图1 2 单周控制原理图 由图可见，单周控制由控制器、比较器、积分器及时钟组成，k 可以是任 何物理开关，也可以是其它可转化为开关形式的抽象信号。单周控制法克服了 传统的p w m 控制方法的不足，适用于各种p w m 软开关等开关逆变器，此外 它还可用于控制物理开关变量或可转化为开关变量的抽象信号。 6 ) 人工神经网络控制【硐 人工神经网络控制是近二十年发展起来的一门交叉学科。它具有自适应和 自组织能力，可以根据系统的输入和输出寻找他们之间的非线性关系，而不需 要系统的数学模型。人工神经网络的容错性和自适应性可应付复杂系统在运行 过程中的众多不确定因素，提高系统的抗干扰能力而具有强鲁棒性；人工神经 网络固有的并行结构和并行处理能力使它可以快速处理系统的大量数据。因此 对于电力电子这个非线性系统来讲，神经网络控制具有很大的应用潜力。神经 网络控制在有源电力滤波器方面的应用尚属于起步阶段，由于它本身的菲线性 特性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习能力，必将具有广泛的应用 前景。 7 ) e 。鲁棒控制【2 7 】 鼠。控制理论是加拿大学者g z a m e s 于1 9 8 1 年开创的，迄今为止已经发展 的比较成熟。它是以某种性能指标的优化为设计依据的鲁棒控制理论。日一控 制在研究具有强鲁棒性的稳定控制中占据了重要地位，已经成为控制理论中一 个引人注目的分支。巩控制不仅具有处理单变量、多变量问题的能力，还有 解决具有建模误差，参数不确定和干扰未知的控制问题，并直接解决鲁棒控制 问题。风。算法具有较好的直观性和严格的数学基础。此外，e 。控制经过简单 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的运算便可使系统具有较好的性能。壬乙控制理论是分析和设计不确定系统的 有力工具。 由于电网及其滤波装置在实际运行时会受到各种不确定性的影响，因此可 以通过对其确定性模型引入干扰，得到非线性模型。对此非线性模型就可以直 接采用风。鲁棒控制理论设计控制器，利用其自身优势，使系统具有很好的鲁 棒性。 有源电力滤波器作为一种消除谐波的强有力工具，正在蓬勃发展中，但是 在实际应用中还存在一些问题，同时向控制理论提出了更高的要求。虽然目前 将现代控制理论应用于有源电力滤波器刚刚处于初期阶段，但是有源电力滤波 器与现代控制理论的紧密结合将是一个具有生命力的发展方向。 鉴于以上介绍，本论文选用了具有强鲁棒性的玩。控制进行研究，将其运用 到并联型有源电力滤波器的控制系统中，并做了仿真研究，结果验证了这种控 制方法的可行性和优越性。 1 3 有源电力滤波器的应用概况 自从1 9 8 2 年世界第一台有源电力滤波器( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功并被 正式投入应用以来，越来越多的a p f 投入了运行。以a p f 在日本的应用为例， 日前已投入运行的a p f 数目达到1 0 0 0 多台，从5 0 k v a 到6 0 m v a 功率范围越来越 宽，从谐波补偿到抑制电压闪变和电压调压，其应用功能越来越丰富。例如： 1 9 8 6 年，9 0 0 k v a 的并联a p f 安装在日本某钢厂，与6 6 0 0 k v a 的无源滤波器一起 用来补偿大功率交一交变频器所产生的谐波。1 9 9 1 年2 0 m v a 的并联a p f 投入使 用，与2 0 m v a 的并联无源滤波器一起来抑制电弧炉所造成的电压闪变【2 l 【3 】。从 实际投入的设备来看，大多将并联型有源电力滤波器作为一种标准方式应用到 实际系统中去，主电路采用电压型的结构方式。串联型应用较少，且电流型主 电路结构基本上没有实际产品。 混合型a p f 在实践中得到了很多成功的应用。如日本m e i d e n s h a 公司使用 3 0 0 k v a 的并联a p f 和3 0 0 k v a 的并联p p f 组成的混合型有源滤波器成功地用于 变频调速系统的谐波补偿；东芝公司制造的3 个1 6 m v a 的a p f 与6 b i v a 的p p t 混合使用的有源滤波器，成功应用于电动机车的电压冲击和变化的补偿以及电 压不平衡补偿。1 9 9 6 年，k a w a g u c h i 等人将一台串联混合有源电力滤波器安装 在日本y a m a n a s h i 磁悬浮列车试验线上用于谐波阻尼，结果证明能够有效防止 电网阻抗和并联无源滤波器之间的谐振现象 2 8 2 9 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 在我国对各种电能质量调节装置的研究中，a p f 是开展最早的之一，但是 由于各方面条件的限制，a p f 装置的研发还处于试验样机的阶段，至今未有正 式的产品用于实际工程。 1 4 并联有源电力滤波器的优势及应用前景 在实际的谐波治理场合下确定最优的滤波方案主要取决于两大方面：非线 性负载或者有待治理场合的谐波特征和滤波系统的整体成本预算。通常认为并 联型有源电力滤波器适合于补偿电流型谐波源，而串联型滤波器适合于补偿电 压型谐波源。滤波系统的整体成本预算除了包括有源部分外，还包括无源器件， 系统化的设计和工程等多方面成本。例如无源滤波器的应用需要现场调研、针 对性设计、现场安装和参数整定等多个环节；混合式有源滤波器则需要隔离变 压器：保护电路则需要相应的开关设备等。这些都说明在确定滤波方案时需要 以系统的观点进行成本核算以便综合比较，再结合滤波场合的特征选择最优方 案。 综合来说，对于容量在1 m v a 以下的负载，并联有源电力滤波器是最佳选 择，因为高带宽的功率电路成本在超过5 0 0 k v a 以上时增幅较大；混合式有源滤 波器由于较小的有源部件容量，成为1 m v a 5 0 b i v a 容量范围负载的补偿方案优 选；对于5 0 m v a 以上的负载，无源滤波器则显得较为经济和实用【3 0 , 3 】。 并联有源电力滤波器作为中小容量场合的最佳选择，具有以下一些突出的 优势和特点p 2 j ： ( 1 )并联有源滤波器具有丰富的功能。对独立用户而言，除了能够 提供谐波、无功和不平衡补偿外，还能够补偿电压闪变和阻止 电网与负载之间的谐振。 ( 2 )不需要附加保护隔离变压器或开关设备，连接使用最为方便， 且不产生位移功率因数等问题，对非线性负载无任何影响，并 且保护容易实现。 ( 3 ) 由于被控制对象为一个电流源，控制器设计相对简单。 ( 4 )工作不受电网电压谐波和不对称因素的影响，也不受电网阻抗 的影响。 ( 5 )最适合于和具有整流电路接口的设备进行系统集成以满足相关 谐波标准，同时也能够附加其它功能。 ( 6 ) 能够作为标准配置直接安装使用，而不需要针对性系统化设计， 西南交通大学硕士研究生学位论文复9 页 ( 7 ) 也能够提供现有无源滤波装置的改造和升级方案。 具有模块化并联扩容能力，以提供大容量谐波补偿：各个模块 可以设定为全谐波补偿或者单次谐波补偿。 ( 8 )并联有源滤波器能够被安装于配电系统中，以阻尼由于功率因 数校正电容或者无源滤波器和电网阻抗之间相互作用而导致的 谐波扩散和谐振。 毫无疑问，从基层开始，即谐波源就近解决方式将是谐波问题解决的关键。 对于独立用户而言，例如：工厂，商场、宾馆、电信金融政府等重要部门可 以极其方便地使用并联有源电力滤波器进行自身地谐波治理，既可保证本单位 用电质量要求，也满足了电力系统的相关规定，这将成为未来地主要方式之一， 并联有源电力滤波器过去、现在和将来都将成为主流的应用，也将占据绝对比 例优势的市场。此外，随着电力电子器件的价格走低和电力电子集成技术的提 高，可以预见有源电力滤波器市场需求将不断形成和扩大。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作包括一下几个方面： ( 1 ) 首先对谐波危害、谐波抑制作了简要的介绍，由于本文主要研究有源电 力滤波器的控制，所以对各种控制方法也进行了说明，接下来阐述了有 源电力滤波器的应用概况、所具有的优势及应用前景。 ( 2 ) 详细说明了有源电力滤波器的工作原理，在此基础上推导出了它的简化 数学模型；讨论了有源电力滤波器的几种分类和各自的优缺点，从中选 取并联型有源电力滤波器作为本文的研究对象。 ( 3 ) 对传统有源电力滤波器来说，准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸 变电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提，论文介绍了基于f f t 的 数字分析法和自适应噪声抵消技术的两种谐波检测方法，并对后一种方 法进行了仿真。 ( 4 ) 概述了手乙控制理论的发展过程和设计思想，详细说明了乒乙标准问题及 其求解，并把有源电力滤波器问题转化为矾。标准问题。 ( 5 ) 为验证玩。控制方法的性能优劣，设计了针对五次谐波和七次谐波的鼠。 鲁棒控制器，然后建立了有源电力滤波器仿真系统，最后与自适应噪声 抵消技术的谐波检测方法进行了比较分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第二章并联有源电力滤波器原理及拓扑 结构的研究 2 1 引言 从2 0 世纪8 0 年代开始，有源电力滤波器的研制一直在进行，目前已经基 本成熟，可以有效地用于电力系统补偿谐波、无功功率、和补偿电压不平衡。 目前应用的有源电力滤波器多种多样，但是总的来说，其主电路都是基于脉冲 宽度调制( p 删) 变流器的。由于变流器有电压型变流器( v s c ) 和电流型变流 器( c s c ) 两种，故基于这两种变流器的有源电力滤波器都存在。对于并联型有 源电力滤波器来说，电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流。但是由于 电流源型的主电路损耗较大，在交流侧需要加装更大的滤波电容滤除不需要的 谐波电流，且电流源型结构不利于多重化，因此限制了整个滤波器的容量。基 于电压源型的有源电力滤波器具有结构简单、损耗小、价格便宜以及容易多重 化，从而降低开关器件的开关频率等优点，因此一直是人们研究的重点。 2 2 有源电力滤波器的构成与基本工作原理 图2 - - i 所示为最基本的有源电力滤波器的构成与工作原理【3 3 j 。图中，t 表 示交流电源，负载为感性和非线性负载，因此负载需要无功功率，并相当于一 个谐波源。有源电力滤波器由两大部分组成，即谐波和无功电流检测电路及产 生补偿电流的逆变器。前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分 量，后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生补偿电流。 有源电力滤波器的工作原理是：谐波和无功电流检测电路将负载电流中 的谐波电流f ，。和无功电流。分离出来，然后将它们反相并产生出补偿电流t 的 调制波信号，亦即指令信号e = 丘。+ 么。使p w m 控制电路产生出触发脉冲， 使逆变器产生补偿电流，t 要跟踪f ：，由于= e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 l 一j 图2 1 有源电力滤波器原理图 所以： 毛= 一e = k 一( 0 + 乞) = t 十= 屯+ ( = 屯+ ( 4 - 么) = k 这样电网电流中只含有基波有功分量以，从而达到了补偿谐波和无功补 偿的目的。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，在电网向a p f 直流侧储能元件充电时作为整流器工作，由于其既可以工 作在逆变状态又可以工作在整流状态，故可称作变流器。 2 3 建立数学模型 有源电力滤波器的主电路根据储能元件的不同，分为电压型和电流型。由 于电压型p w m 变流器装置效率高、初期投资小、易于单机小型化，所以目前 9 0 以上的装置都是使用电压型p w m 变流器。本节也以它作为有源电力滤波 器的主电路，推导变流器数学模型。 有源电力滤波器是一种复杂的电力电子装置，要想建立精确的数学模型是 比较困难的。为了简化问题、方便分析，首先假设： ( 1 ) 忽略主电路中的电力电子器件( 包括可控开关器件及其反并联的 二极管) 的稳态压降，即等效为一理想双向开关。 ( 2 ) 忽略主电路中直流侧电容电压的波动，即等效为一理想电压源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 3 ) 有源电力滤波器补偿电流输出侧串联的电感为一线性电感。 ( 4 ) 不考虑死区的影响，即认为正常工作时，同一桥臂上下两个开关 器件始终工作在互补状态。 对于图2 2 ( a ) 所示单相并联型有源电力滤波器，基于以上假设，其等 效电路如图2 - - 2 ( b ) 所示，图中以是电源电压，z 。是电源测等效阻抗，。为 等效谐波电流源，互是负载侧等效阻抗，z ，逆变器交流侧等效阻抗，以为逆 变器交流侧输出电压。工作的时候，通过a p f 产生一个与负载谐波电流大小相 等方向相反的谐波电流f ，注入电网，抵消负载产生的谐波电流，因此，并联型 a p f 本质上属于受控电流源，以电流源方式进行谐波补偿。 啦 z 。 图2 2 单相有源电力滤波器等效电路示意图 在实际装置中受控电流源主要由逆变器、滤波等装置组成，其与配电电源 和负荷相互作用的单相等值电路如图2 - - 3 所示。这里，考虑到乏乙，而电 源的内阻抗互一般很小，所以电源内阻抗和负荷阻抗乙共同对有源电力滤波器 的等效阻抗一般可以忽吲蚓。 图2 3 并联有源电力滤波器的单相等效电路图 图中玩为直流侧电容电压，需要控制使其保持稳定，【为并联电力有源 滤波器输出交变电压。从图2 - 3 可以推导出其状态空间表达式。 由 铲哮城+ 蚝 西南交通大学硕士研究生学位论文兰塞3 更 瓢 鲁一扣扣训 滤波电感l 中的电流t 就是所需提供的补偿电流，把它看作状态变量，系 统输出y 表示有源电力滤波器输出补偿电流。这样，系统的状态空间表达式就 可以表示为 r x = a x + b a 。( 2 - - 1 ) 【y = c x 其中彳= 一兰，口= 一圭，c = l ，控制变量珊= 郎一 这样就得到了有源电力滤波器的数学模型。 2 4 有源电力滤波器的分类 基于电压源型的有源电力滤波器种类繁多，可以根据主电路拓扑结构、控 制策略和补偿特性等加以分类。其中最常用的分类方法是按照接入系统的方式 将有源电力滤波器分为并联型、串联型、混合型以及串一并联综合型等四类。 下面分别予以介绍。 2 4 1 并联型有源电力滤波器 电力系统的谐波主要是因为负荷的非线性引起的，特别是近年来得到越来 越广泛应用的电力电子装置在根据需要进行功率变换的同时，将流经它们的基 波功率中的一部分转化为谐波功率，交成注入电网的谐波电流。由于该电流的 量值通常只与本身固有的非线性特性和工况有关，而与外加的端电压及外部阻 抗的变化几乎无关，故一般认为非线性负荷具有电流源的特性。谐波电流注入 系统会引起电压谐波，从而污染电力系统。采用并联型有源电力滤波器可以补 偿非线性负荷所产生的谐波，从而使流入系统的电流不含谐波分量，防止了非 线性负荷对系统的污染。 图2 4 是并联型有源电力滤波器的原理图，图中，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( 图中为电容) 共同组成的a p f 的主电路。因为a p f 的主电路与负载并联接入电网，所以称这种结构为并联型。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 系统 k 图2 4 并联型有源电力滤波器拓扑结构 这种方式可用于： ( 1 ) 只补偿谐波； ( 2 ) 只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节； ( 3 ) 补偿三相不对称电流： ( 4 ) 补偿供电点电压波动； ( 5 ) 以上任意项的组合。 并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，当通过耦合变 压器并入系统时不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简 单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来消除谐波时，由于交流电 源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到有源电力滤波器上，且补偿电流基本 由有源电力滤波器提供，故要求它具有较大的容量，这样会带来一系列的问题， 如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等，这是这种方式的缺 点。 2 4 2 串联型有源电力滤波器 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和电力电子 设备的大量使用，它们对系统中的干扰比机电设备更加敏感，因而对供电质量 的要求也很高，即要求不论系统处于正常稳态还是故障状态，均须保证幅值偏 差很小的基波正弦电力的可使用性。串联型有源电力滤波器是串联在供电电源 与负荷之间的电能质量治理设备，其主要功能是电压调节，即当系统电压受到 干扰时候，串联型有源电力滤波器将产生适当的补偿电压，使负荷侧电压不受 系统电压变化的影响。串联型有源电力滤波器的另外一个功能是接在供电系统 与非线性负荷之间，将系统与非线性负荷隔离开，同时在负荷侧并联无源滤波 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 器，防止非线性负荷的谐波电流流入系统，此时串联型有源电力滤波器的谐波 阻抗大，非线性负荷的谐波电流都通过阻抗小的无源滤波器支路分流了。 图2 - - 5 是串联型有源电力滤波器的原理图。串联型有源电力滤波器经过 耦合变压器接入电力线路，可以等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐 波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器 应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现磁饱和问题，所以 只在交流系统中采用p 6 j 。与并联有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力 滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波 器的投切、故障后的退出以及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。 系统 图2 5串联型有源电力滤波器拓扑结构 2 4 3 混合型有源电力滤波器 图2 _ 6 所示为混合型有源滤波器【3 7 - 3 9 ，它是有源滤波器和无源滤波器的组 成结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它串联的l c 无源滤波器部分消除 了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分的容量可以做到很小( 负荷容量的5 左右) ，这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流 谐波，而且成本相对来说较低，因而很受欢迎。不过这种结构的滤波器的缺点 在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。 慢 l | i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 系统 图2 6 混合型有源电力滤波器拓扑结构 2 4 4 串一并联型有源电力滤波器 图2 - 7 所示为串一并联型有源滤波器，有的文献【钟】称它为统一电能质量调 节器。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置 来解决电能质量的综合性问题。其中，直流侧电容器或者电感储能装置是串联 型和并联型有源滤波器所公用的，串联型有源电力滤波器起到补偿电压谐波， 消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的 作用：并联型有源电力滤波器起到补偿电流谐波与不平衡、补偿负荷的无功、 调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间 不问断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电 压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器结构。这种结构既可以用于三相 系统，又可以用于单相系统。但是其缺点在于成本较高( 需要较多的开关器件) 和控制复杂。 秉统 图2 7 串一并联型有源电力滤波器拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 5 谐波的检测理论 有源电力滤波器原理提出以来，为了充分发挥它的快速性，提高其快速补 偿能力，人们就一直在研究谐波的快速检测方法，到现在已经发展出了很多方 法，如基于快速傅立叶变换( f f t ) 的数字分析法和基于瞬时无功理论的各种 快速谐波检测方法及其衍生的方法【4 h 3 1 。这些方法的核心思想可以归纳为以下 两类： 1 如何从电流中提取基波分量或和谐波分量，快速f f t 方法就是基于 该思想的谐波检测法。 2 利用系统电压和电流的关系快速提取电流中的谐波分量，基于瞬时 无功理论的检测方法都属于这类。 2 5 1 基于f f t 的数字分析法 基于f f t 的数字分析法原理比较简单，其原理为将检测到的一个周期的谐 波信号用f f t 分解，即得到各次谐波的幅值和相位，从而也得到了各次谐波的 表达式。采用f f t 快速算法可以很快检测到测量波形中的各次谐波，但这种方 法的缺点是需要一个周期的采样数据，所以具有较大的延时。目前通用的方法 是采用移动窗口法，即每采样得到一个数据，则剔除一个时间最早的数据，将 新数据与其它数据一起构成新的数据窗，进行f f t 分析得到各次谐波，不过由 于新的采样点是逐步加进来的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周 期的测量，f f t 分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以基 于f f t 的数字分析方法存在一周期的延时。f f t 方法思路简明，原理和工作过 程清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种情况。但缺点是 具有一定延时，实时性差，而且该方法是建立在f o u r i e r 分析的基础上，因此要 求被补偿的波形是周期性变化的，否则会带来较大的误差，所以限制了其使用 范围。