（电力系统及其自动化专业论文）三相四线有源电力滤波器控制算法研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文关键词：三相四线，有源电力滤波器，瞬时无功功率，3 d - s v p w m 模糊p i 控制，故障状态仿真- n a b s t r a c ta c t i v ep o w e rf i l t e r ( 岬j so n eo f 栅e q u i p m e n t sf o ri m p r o v i gp o w e rq u a l i t y i t r e d u c ev a r i o u sh a r m o n i e si np o w e rg r i d ，a i s o ，i t no u t p u tf , o m er e a c t i v ep o w e ri fr e q u i r e d i ti sa氍a r c ht a s kf o rm a n ys c h o l a r sa b o u ta p fb a s e do nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e s o nc o n t r o l m e t h o d o f t h r e e - p h a s o f o u r - w i r e a c t i v e p o w e r f i l t e r s t h eb a s i ck n o w l e d g ea b o u ta p fi n c l u d i n gi t ss o r t , w o r kt h e o r ya n dm a t h e m a t i c a lm o d e lp r o v i d et h e o r yr e f e r e n c ef o rl a t t e rr e s e a r c h i ti n t r o d u c e st h eip ，i id e t e c t i n gm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ru s e di nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m b e c a u s eo ft h ee x i s to ft h en e u t r a ll i n ei nt h r e e - p h a s e如u f w i i s y s t e mi ts e p a r a t e st h en u l lc u r r e n ta tl u s t , a n dt h e nd e t e c t st h et h r e e - p h a s ec u r r e n tb a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ru s e di nt h r e e - p h a s et h r e e - w i r es y s t e mw h i c hc a nr e a l i z et h ec u r r e n td e w i n gi nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m i ta d o p t st h et h r e ed i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rp i i i 辩w i d t hm o d u l a t i o n ( 3 d - s v p w m ) t e c h n i q u ea tt h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r o lp a r tf o rt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r s t h es p a c ev e c t o r s a l l o c a t i o ni n3 - d i m e n s i n n a ls y s t e ma n dr e a l i z a t i o no f3 d - s v p w mi si n t r o d u c e d i nt h e3 d s v p w mt e c h n i q u e ，t h en u l lv e c t o r sw h i c hc h a n g ei n t ot h ep o s i t i v ev e c t o ra n dt h en e g a t i v ev o a ：t o i i n f l u e n c et h eo u t p u t so ft h eo o n v e l t e r s t h e3 d s v p w mt e c h n i q u es o l v e st h ep r o b l e mo ft h en e u t r a ll i n ec u r r e n tb yu s i n gt h i si n f l u e n c ea n dr e a l i z e st h ec o m p e n s a t i o nf o rt h ei m b a l a n c e ，h a r m o n i ca n dn e u t r a lc u r r e n t s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sg i v e n i tj ss h o w e dt h a tt h e3 d s v p w mt e c h n i q u ei sv a l i d i t y i to b t a i n sb e t t e rc o m p e n s a t i o ne f f e c ta n di m p r o v e sp o w e rq u a l i t y i ts t u d i e so i id c - s i d ev o l t a g ec o n t r o lo ft h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r s t od e a lw i t ht h ew e a k n e s so fl a r g e rs t a t i ce l t o ra n do v e r s h o o ta b o u tc o n v e n t i o n a ld c - s i d ev o l t a g ec o n t r o lm e t h o d s , af n a z y - p lc o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e d t h ef u 7 2 y - p lc o n t r o la d o p t sf u z z yc o n t r o l l e rt oa u t o m a t i c a l l ya d j u s ti n i t i a lp a r a m e t e r so fp ic o n t r o la c c o r d i n gt or e a d - t i m ev o l t a g ev a r i a t i o ni nd c - s i d e t h a tm a k e sm o s ts u i t a b l ep ic o n t r o lp a r a m e t e r sa d o p t e da ta n ym o m e n lt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sg i v e na n dc o m p a r e d 诵t hc o n v e n t i o n a ld c - s i d ev o l t a g ec o n t r o lm e t h o d s i t 证s h o w e dt h a tt h ef u z z y - p ic o n t r o lm e t h o d 缸v a l i d i t y b e s i d e s , s i m u l a t i o nr e s u l ta l s os h o w st h ep r o p o s e dc o n t r o lh a sa d v a n t a g e ss u c h _ s ：m us t a t i ce r r o ra n do v e r s h o o ti nc o m p a r i s o nw i t hc o n v e n t i o n a lc o n t r o l , a n db e t t e rc o n t r o le f f e c tf o rd c - s i d ev o l t a g ec mb eo b t a i n e d m 国电自动化研究院硕士学位论文f o ro r d e r sa n df a u l t so c c u m n gi np o w e rs y s t e m s , t h eb e h a v i o ro fa c t i v ep o w e rf i l t e ri ss i m u l a t e d 。t h ei n f l u e n c ef o ra c t i v ep o w e rr a t e ro nd i f f e r e n tf a u l t so fp o w 口s y s t e mi sa n a l y z e d a n di tp r o v i d e sa c a d e m i cs u p p o r tf o rr e s e a r c ho np r a c t i c a lt h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r s f i n a n y , at h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r sf o re x p e r i m e n t a lp u r p o s e ，w h i c h i 日gd s pa s s e m b l e rb a s e do nd s p 5 6 p s 0 5i nm o t o r o a lc o m p a n y , h a sb e e ns e tu pa n dt e s t e d 。t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t i n d i c a t e s t h e v a l i d i t y o f t h e p r o p o s e d c o n t r o l m e t h o d k e yw o r d s ：t h r e e - p h a s ef o u r - w i r e ，a c t i v ep c m 盯f i l t e r , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , t h r e ed i m e n s i o n a ls 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 , f u z z y - p ic o n t r o l , f a u l t ss t a t es i m u l a t i o n第一章绪论第一章绪论1 1 引言近年来，随着电力电子技术和计算机等相关技术的飞速发展，越来越多的电力电子设备及非线性、冲击性设备广泛应用于生产和生活中但是随之而来的问题是，这些电力电子装置，特别是使用相控整流技术的大容量非线性负载消耗大量无功功率的同时也产生大量的谐波电流。此外，电力系统三相不平衡产生的负序电流也对电力系统和用户造成一系列危害，影响供电质量。威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用同时，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对电能质量的要求也越来越高。鉴于此，必须对电网中的谐波进行补偿，当今对谐波进行补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题1 1 i 谐波的产生原因b 。匐自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，人们就知道电力系统中的谐波问题。电网中的谐波主要是由各种大容量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的，但是，近年来随着非线性装置的大量使用，使这一问题更加突出所谓非线性装置就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生非正弦电压的装置电网中的谐波源主要是各种电力电子装置( 含家用电器、计算机等的电源部分) 、变压器、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流。在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源。随着近3 0 年来电力电子装置应用的日益广泛，电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。除了带感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后问题之外，直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波交流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流除此之外，由于逆变器，直流斩波器和间接d c - d c 变换器所需的直流电源主要来自整流电路。其谐波问题也比较严重。1 1 2 谐波的危害通常公用电网所提供的理想电压是单一而固定的频率以及规定电压幅值的正弦波。谐波电流和谐波电压的出现对公用电罔是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。随着近年来各种电力电子装置的迅速普及，公用国电自动化研究院硕士学位论文电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。谐波的危害性逐渐引起人们的高度重视。谐波的危害大致有以下几个方面【2 j ：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；谐波影响各种电气设备的正常工作，使电动机产生机械振动、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，以至损坏；谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述所提危害大大增加。甚至引起严重事故；谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确；谐波会对附近的通信系统产生干扰，产生噪声，降低通信质量，甚至导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1 1 3 传统的谐波抑制方法及存在的问题传统的谐波抑制方法有两大类一类是对产生谐波的谐波源装置本身进行改造的方法，另一类是设置谐波滤波装置的方法对于第一类方法，目前主要有：增加整流电路相数；采用多重化接线方式；采用先进的控制技术如p w m 技术，谐波消去优化法等；限制变流装置的容量；加入滤波环节等虽然这些措施可以有效地减少高次谐波，但由于一些电力电子装置的工作机理所决定，必然要产生一定量的高次谐波。对于第二类方法，目前大量使用由交流电抗器、电容器和电阻器适当组合而成的l c 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ，该类滤波器是设计在特定的商次谐波频率下产生串联谐振，对该频率的谐波分量呈现低阻抗，从而对谐波分量具有分流作用，达到降低或滤除高次谐波分量的目的l c 无源滤波器结构简单，技术成熟，运行可靠，维护方便，但占地面积较大还存在以下几个问题p 1 ：谐波滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，在有些情况下，滤波器有可能与系统阻抗形成谐振，从而放大谐波；当电力系统频率偏离l c 无源滤波器的设计频率时，滤波器不能有效滤除谐波；当谐波电流超过滤波器的额定负荷时，为保护滤波器设备本身，必须把滤波器切断，在这种情况下，其滤波作用就完全丧失；对不确定谐波及随机谐波源的抑制效果差；对于多次谐波分量合成的谐波源。需采用多路单调谐l c ，因而它受到体积、价格、性能多方面的限制；无源滤波器不仅对谐波有抑制作用，而且能提供基波无功功率，因而在无源滤波器的参数整定中，滤波和无功补偿应加以协调。1 2 有源电力滤波器的特点由于不论是谐波还是无功，从物理本质上都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波2 第一章绪论畸变，而无功则是电压电流波形相位不同正是由于这种物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波进行补偿。鉴于传统谐波抑制方法的不足，目前谐波抑制的一个重要方法是采用有源电力滤波器有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ，简称a p f ) 也是一种电力电子装置。它采用大功率、高开关频率的开关器件，具有功率换流器的高度可控性和快速响应性，其最大特点是能迅速地动态跟踪补偿随机的谐波电流，可有效克服传统l c 滤波器存在的问题，是一种新型的谐波补偿装置。和前面论述的传统谐波抑制方法相比，有源电力滤波器具有以下一些特点p i ：( 1 ) 实现了动态补偿有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功和负序电流进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；( 2 ) 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功或负序电流，且补偿无功的程度可连续调节；( 3 ) 在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小；( 4 ) 即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内继续正常工作；( 5 ) 受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振；( 6 ) 能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响；c 7 ) 既可对特定的谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿，也可对多个谐波源和需要无功及产生负序电流的负载进行补偿。可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往谐波抑制方法优越的补偿性能。随着电力电子技术的发展，电力电子器件容量的增加，成本的下降有源电力滤波器将会成为一种具有良好应用前景的谐波补偿装置【2 1 1 3 有源电力滤波器研究情况概述1 3 1 有源电力滤波器的发展历史有源电力滤波器发展历史主要分为以下几个阶段：( 1 ) 思想萌芽的产生。1 9 6 9 年，b 乩b i r d 和j e m a r s h 提出了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，从而改善电源电流波形的方法。尽管它没有描述一个完整的有源电力滤波器，但文中所述的方法可以认为是有源电力滤波器基本思想的萌芽( 2 ) 基本原理的提出1 9 7 1 年，i ls a s a k i 和t m a c h i d a 首次完整地描述了有源电力滤3 国电自动化研究院硕士学位论文波器的基本原理。( 3 ) 基本概念的形成1 9 7 6 年，lc j y i i g y i 和e cs t r y c u l a 提出了采用p w m 变流器构成的有源电力滤波器。他们还讨论了有源电力滤波器的实现方法和相应的控制原理以及基本拓扑结构等，确定了它的基本概念( 4 ) 快速发展阶段。八十年代后有源电力滤波器进入快速发展阶段1 9 8 3 年，赤木泰文等人提出的。三相电路的瞬时无功功率理论”，对有源电力滤波器的快速发展起到了极大的推动作用，井使之走向工业实用化( 5 ) 持续发展阶段八十年代末至今。随着电力电子及其相关技术的快速发展，有源电力滤波器己成为电力电子技术领域中的研究热点关于有源电力滤波器的研究涉及其方方面面，标志着该领域的研究持续发展，不断深入1 3 2 有源电力滤波器的研究现状目前，国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，由于理论研究起步较早，已步入工业化应用阶段随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展除此之外，美国电力科学研究院也在有源电力滤波器研究方面取得一定成绩。在另一方面，有源电力滤波器的工业化应用反过来也对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。与国外相比，我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到二十世纪八十年代末才有论文发表。九十年代以来一些高等院校和科研机构例如浙江大学、西安交通大学、华北电力大学、国电自动化研究院等开始进行有源电力滤波器的研究，但有关研究主要以理论研究和实验为主，虽然在理论上取得了一些进展，但由于多方面条件的限制使得到目前为止，有源电力滤波器未能在我国工业领域得到广泛应用。但随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发展，电能质量问题会越来越引起人们的关注，因此有源电力滤波器有着良好的发展前景和潜在的技术经济效益。1 4 论文的选题背景。三相电路瞬时无功功率理论自加年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用以该理论为基础，可以得到谐波和无功电流的实时检测方法使用该方法的有源电力滤波器可以对大小和频率变化的谐波以及变化的无功进行补偿，有效地弥补无源滤波装置的不足，从而广泛地引起了人们的重视，使得有源电力滤波器的研究与应用得到了迅速的发展三相瞬时无功功率理论亦称为p 、q 理论，该理论突破了建立在平均值基础上的传统无4 第一章绪论功功率的概念，提出了三相电路瞬时无功功率的概念在这一理论中，三相电路电流的基波分量与谐波分量、有功分量与无功分量等能够实时地分解开来，为谐波电流、无功电流的实时检测奠定了理论基础，基于瞬时无功功率理论的检测方法成为目前使用较多的一种实时检测谐波的方法。该理论主要是建立在三相三线制电路的基础上，到目前为止，大多数有源电力滤波器的研究主要还是在三相三线制系统中进行，并得到了许多的研究成果，已在实际系统中得到应用。但是针对三相三线制以外的系统如何应用有源电力滤波器。也是近几年国内外学者关心的问题。三相四线制系统与三相三线制系统的区别在于存在零线。因而用于三相四线制系统中的有源电力滤波器与用于三相三线制中的相比，根本的区别在于对三相电流中零序分量的处理有源电力滤波器由指令电流运算和补偿电流生成两部分组成。对于前一部分，要求在三相四线制的情况下仍能准确快速地形成指令电流，也就是检测出补偿对象中的谐波、基波负序、零序等电流分量；对于后一部分，则要求根据指令电流信号正确地产生补偿电流简单地讲在三相四线制的情况下，一要解决检测问题，二要解决补偿问题由于三相四线制系统在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中广为应用，其中的谐波和三相不平衡问题越来越引起人们的重视。根据日本电气学会发表的一项有关谐波源的调查报告，办公及家用电器所产生的谐波占整个谐波源的2 5 左右嘲。零序电流引起的事故在我国也有报道，因此三相四线有源电力滤波器的研究具有十分重要的现实意义。正是由于有源电力滤波器的研究对电力工业和国民经济的发展具有重要的战略意义，在国家科工委和国电自动化研究院的支持下。国电自动化研究院电气控制研究所于2 0 0 0 年开始研制容量为8 0 k v a ，开关频率为6 k h z 的并联型三相三线制a p f 工业样机目前，该样机已经研制成功。现场试运行表明其性能稳定，谐波抑制效果非常好，已通过国家科技部的验收。本文的工作正是在此基础上进行的。1 5 论文的主要工作本文的主要工作是进行三相四线有源电力滤波器的控制算法研究，主要在以下方面作了一定的工作：( 1 ) 三相四线有源电力滤波器电流检测方法的选择本文采用基于瞬时无功功率理论的f p 、检测法的谐波电流检测技术目前，电流检测方法很多，但相比之下，检测法具有很明显的优势它继承了瞬时无功功率理论的优点，而且不受电网电压波形畸变的影响( 2 ) 三相四线有源电力滤波器电流控制方法的选择5 国电自动化研究院硕士学位论文本文对三维空间矢量脉宽调制技术进行相关研究目前，有源电力滤波器电流控制方法很多，由于空间矢量脉宽调制方法具有开关频率固定、有利于数字实现，可根据不同目标优化等优点，为本课题所选用但在三相四线制情况下，传统的二维调制技术无法解决的中线电流问题，为了能同时补偿三相谐波和中线电流，本文中专门对三维空间矢量脉宽调制方法进行了研究，仿真和实验表明，该算法在各种三相四线有源电力滤波器的不周负荷工况下均能达到优秀的补偿效果。( 3 ) 基于模糊控制的直流侧电压控制本文对目前的有源电力滤波器直流侧电容电压控制方法进行仿真分析，提出了一种基于模糊控制技术的模糊h 控制方法，仿真表明，该方法对直流侧电压的控制是正确有效的；同时通过与传统直流侧电压控制方法相比较，该方法具有明显的优点，能对直流侧电压具有很好的控制效果。( 4 ) 三相四线有源电力滤波器仿真研究本文利用m a t l a b 仿真软件对三相四线有源电力滤波器进行了仿真研究，主要包括有源电力滤波器的正常状态研究和故障状态研究。在正常状态研究部分主要有动态跟踪性能仿真，负载运行电流与补偿效果的关系仿真。负载电流波动情况下的仿真波形等；在故障状态研究部分主要有单相短路，两相接地短路，两相短路，三相短路等，分析在故障状态下三相四线有源电力滤波器的运行情况及故障对其的影响等( 5 ) 三相四线有源电力滤波器实验研究本文介绍了以m o t o r o l ad s p 5 6 f 8 0 5 为控制核心构建的三相四线有源电力滤波器的实验电路，编写了相应的软件程序，通过对实验波形的分析再次从实验上验证了所提算法的正确性。6 第二章有源电力滤波器研究基础第二章有源电力滤波器研究基础2 1 引言有源电力滤波器是一种综合补偿装置，它能对谐波电流、无功电流以及负序电流( 在三相四线制系统中还包括零序电流) 进行准确实时补偿，其应用可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。本章主要介绍了有源电力滤波器研究的相关基础知识，包括有源电力滤波器的分类、工作原理以及数学模型等，为进行后续研究打下了基础。2 2 有源电力滤波器的分类 6 , 7 1有源电力滤波器按照应用范围的不同可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类有源直流滤波器主要用来消除i d c 系统中换流器直流侧的电压、电流谐波；而有源交流滤波器( 即通常所说的有源电力滤波器，简称a p f ) ，则是应用于交流电力系统各个电压等级的谐波补偿。下面主要是对有源交流滤波器的分类进行探讨( 1 ) 根据有源电力滤波器接入电网的不同，其系统构成主要可分为两大类，即并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器。两者又分别包括不同的类型，有源电力滤波器的系统构成分类如下图所示：图2 - 1 有源电力滤波器系统构成分类图除了单纯的并联型和串联型之外，有源电力滤波器还包括串并联型有源电力滤波器以及混合型有源电力滤波器7 国电自动化研究院硕士学位论文有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，称为并联型有源电力滤波器。并联型有源电力滤波器主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的综合补偿。有源电力滤波器的主电路与负载串联接入电网，称为串联型有源电力滤波器。与并联型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载电流，因此损耗较大此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂因此，它的使用范围受到很大的限制。为了尽量发挥其特长，提高其性能、减小其容量，可将并联型或串联型有源电力滤波器与无源l c 滤波器混合使用。但仍隶属于并联型或串联型有源电力滤波器近几年。出现一种将并联型和串联型有源电力滤波器结合使用的新型有源电力滤波器，称之为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) ，可兼有并联型和串联型有源电力滤波器的功能。( 2 ) 根据主电路贮能元件的不同分类，有源电力滤波器可分为电压型和电流型两种。电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变。可看作电流源。对于电压型有源电力滤波器，为了保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制；对于电流型有源电力滤波器，为了保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制电压型有源电力滤波器的交流侧输出电压为p w m 波，电流型有源电力滤波器的交流侧输出电流为p w m 波与电压型有源电力滤波器相比，电流型有源电力滤波器不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但由于电流型主电路直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗。因此目前较少使用。2 3 并联型有源电力滤波器由于本文的研究对象是并联型有源电力滤波器，因此下面主要对并联型的有源电力滤波器进行介绍a 单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源滤波器由变流器，与其相连的电感、直流侧储能元件( 电容) 构成。与有源电力滤波器并联的l c 无源高通滤波器，用于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补偿电流基本上由有源电力滤波器提供这种方式是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种其系统构成如下圈所示8 第二章有源电力滤波器研究基础图2 - 2 单独使用的并联型有源电力滤波器这种方式可用于：( 1 ) 只补偿谐波电流；( 2 ) 只补偿无功功率，补偿的多少可根据需要连续调节：( 3 ) 补偿三相不对称电流；( 4 ) 补偿供电点电压波动；( 5 ) 以上任意项的组合只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，实现的功能最为丰富灵活。但是由于交流电源的基波电压直接施加到变流器上，且补偿电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。b 与l c 滤波器使用方式这一方式为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器部分补偿任务。这种方式既克服了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怠好的性能。与l c 滤波器混合使用方式又可以分为两种：一种是有源电力滤波器和l c 滤波器并联；另一种有源电力滤波器和l c 滤波器串联，其原理图分别如下：图2 - 3 与1 1 2 并联使用的有源电力滤波器图2 4 与l c 串联使用的有源电力滤波器从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能。因此需要有抑制谐振的控制手段。除了与【c 滤波器混合使用方式以外，注入电路方式、与旋转电机并用方式也是为降低有源电力滤波器容量而提出的其它一些方式9 -雷电自动化研究院硕士学位论文串联在电源和谐波源之间的有源电力滤波器称为串联型有源电力滤波器，如下图所示。在多数情况下并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源。典型的如直流侧为感性负载的整流电路此外，并联型有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波电流，使网侧电流成为正弦波。这时，并联型有源电力滤波器表现为电流源的特性。串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。比如说电容滤波型整流电路针对这种谐波源。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，使供电电压波形成为正弦波。串联型和并联型可以看作对偶关系图2 - 5 串联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器根据接入系统的不同分类，可分为单相和三相两种形式，其中后者又可分为三相三线制和三相四线制。本文基于三相四线制系统的有源电力滤波器进行研究，下面主要对其进行详细探讨由于三相四线制系统中零线的存在。使系统中有源电力滤波器主电路及控制电路的构成与三相三线制系统时有所不同。对零线电流补偿方法的不同，产生出不同的主电路结构形式和控制方式就主电路而言有四桥臂变流器和三桥臂变流器两种不同的方式。对应的控制电路也有其各自的特点主电路为四桥臂变流器的有源电力滤波器电路图如下图所示：图2 - 6 四桥臂变流器滤波器电路图在四桥臂变流器电路中四个桥臂分别用于产生- ，b 、c 三相及零线的补偿电流其中第1 、2 ，3 个桥臂分别用于产生a 、b 、c 三相的补偿电流，第4 桥臂专门用于对零线电流进行补偿i o 第二章有源电力滤波器研究基础采用四桥臂变流器作为主电路的有源电力滤波器f s l 主电路分工明确，各相补偿电流的产生和零线电流的补偿可以看作是由各个桥臂独立完成的，整个系统可看成是一个四相电流跟踪控制系统。由于零线补偿电流不会引起直流侧电压的变化，主电路直流侧电容上的电压控制可仿照三相三线制系统直流侧电压控制的方法进行【9 j 主电路为三桥臂变流器的有源电力滤波器电路图如下图所示：图2 - 7 三桥臂变流器滤波器电路图图中三相电源的零线与直流侧母线中点相连，给零线补偿电流提供通道；屯l 、屯2 分别为流经直流电容上部分和下部分的电流与四桥臂变流器电路相比，三桥臂变流器所需的电力电子器件数目少，但为了使直流侧的电容电压屹。和吃2 相互平衡，则需要对这两个电压的差值进行控制，使得控制电路的组成与四桥臂变流器相比要复杂一些。两种不同主电路结构形式的比较：首先是四桥臂变流器比三桥臂变流器多用一对开关器件，主电路结构及驱动电路要相对复杂；其次是四桥臂变流器的控制特别是直流侧电压控制部分要相对简单；最后是四桥臂变流器对零线电流的控制范围要大于三桥臂变流器，补偿效果更好由于采用三桥臂变流器结构的有源电力滤波器所需电力电子器件数目少，主电路结构及驱动电路相对简单，开关器件的利用率较高：同时。三桥臂结构可适用于三相三线与三相四线制系统，应用范围更广：而且由于其采用的电力电子器件数目比四桥臂少。因此还有一定经济价值本文正是对基于此种主电路结构的有源电力滤波器进行深入研究。2 4 有源电力滤波器的工作原理1 1 伽有源电力滤波器的研究主要分为两个部分：一是准确、实时地检测出补偿对象电流中的谐波、无功电流分量( 若补偿负序电流，还需检测出负序电流) ；二是如何根据检测结果，快速、准确地产生补偿电流前者涉及到电流检测方法，称为指令电流运算电路；后者涉及国电自动化研究院硕士学位论文到补偿电流控制方法，主回路结构等问题，又称补偿电流生成电路主电路目前都采用p w m变流器。应用于三相四线制系统的并联型有源电力滤波器系统结构如下图所示：图2 - 8 有源电力滤波器系统结构图图中乞为交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功，同时还有零线电流。流过；图中f 为电源侧的中线电流，b 为a p f 侧的中线电流有源电力滤波器由指令电流运算电路，电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分组成，其中后三部分共同构成了有源电力滤波器的补偿电流生成电路其基本工作原理是检测补偿对象( 即图中负载) 的电压和电流，经指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，再经补偿电流生成电路放大，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等电流相抵消，最终得到期望的电源电流。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出负载电流屯的高次谐波分量么，将其取反后作为补偿电流的指令信号z c ，然后由补偿电流生成电路产生的补偿电流i c 即与负载电流中的高次谐波分量么大小相等、方向相反，因而两者相互抵消，使得电源电流中只舍基波，不含高次谐波。从而达到了抑制电源电流中谐波的目的上述原理可用如下的一组公式来描述：- + ti t - i t t + f nt 一- i u ,l l 。l 工 1 - l c 1 2 第二章有源电力滤波器研究基础式中：电源电流；负载电流；补偿电流；0 负载电流的基波分量；么负载电流的高次谐波分量当需要有源电力滤波器同时补偿谐波和无功时，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。此时，补偿电流抵消了负载电流中的谐波及无功功率，电源电流等于负载电流的基波有功分量。按照同样的方法，有源电力滤波器还可对产生的负序及零序电流进行补偿2 5 三相四线有源电力滤波器的数学模型三相四线有源电力滤波器电路图如图2 - 7 所示，图中e ，岛、e 分别为三相电源电压屹、，屹分别为主电路各桥臂中点电压，屯、屯分别为a p f 产生的补偿电流，屯。、屯2 分别为流经直流电容上部分和下部分的电流列出有源电力滤波器的数学模型如下【1 1 1 ：譬e 一屹出。工孥乜一出99三冬。e k出c l 孥叱c 2 孥。吨：出“2 6 本章小结本章首先分析的有源电力滤波器的工作原理；然后介绍了有源电力滤波器的分类情况；其次详细介绍了并联型有源电力滤波器的情况。特别是比较了三相四线有源电力滤波器中的两种不同主电路形式：三桥臂变流器和四桥臂变流器；最后给出了有源电力滤波器的数学模型这部分工作为后续研究打下了基础，具有重要的指导意义1 3 -国电自动化研究院硕士学位论文第三章三相四线有源电力滤波器谐波电流检测方法的选择3 1 引言谐波电流检测是有源电力滤波器研究中的重要组成部分，有源电力滤波器的工作性能很大程度上取决于对负载电流中谐波电流、无功电流、负序电流以及零序电流的准确、实时检测这种检测一般不需要分解出各次谐波分量，而只需检测出除基波电流或基波有功电流，或基波有功电流的正序分量之外总的畸变电流，就可达到提取指令电流的目的对有源电力滤波器的畸变电流检测除了要求较高准确度和较好的实时性外，当负载发生变化时要有良好的自适应跟踪检测能力。本章分别比较了目前几种主要的谐波电流检测方法的优缺点，最终确立了基于瞬时无功功率理论的f ，、i q 检测法的谐波电流检测技术3 2 目前主要谐波电流检测方法综述3 2 1 采用带通滤波器或带阻滤波器的谐波电流检测 j z l采用带通滤波器的谐波电流检测方法原理图如下所示，其工作原理很简单，即负载电流乇( f ) 通过工频5 0 h z 的带通滤波器得到基频分量o ) ，然后将负载电流与基频分量之差得到的谐波分量( f ) 作为补偿电流。叫5 0 h z 波嚣降i图3 1 采用带通滤波器的电流检测方法采用带阻滤波器的谐波电流检测方法原理图如下所示，其工作原理与采用带通滤波器的电流检测方法不同，它是通过负载电流屯o ) 通过工频5 0 h z 的带阻滤波器，滤除基频分量后直接得到谐波分量o ) 图3 - 2 采用带阻滤波器的电流检测方法由于实现起来简单、方便在有源电力滤波器出现的初期这两种方法曾应用较多但是1 4 第三章三相四线有源电力滤波器谐波电流检测方法的选择这两种方法的缺点也是显而易见的由于这两种电流检测方法的滤波器中心频率固定为工频5 0 1 4 2 ：，而工程实际中的电网频率总是在5 0 h z 上下不断波动，因此当电网频率波动时。滤波效果显然会变差。除此之外，滤波器的中心频率对元件参数十分敏感且常常不可避免地产生附加的相移。这样，要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是非常困难的另外，这两种方法均无法检测出基波无功电流和负序电流，限制了其应用范围。3 2 2 谐波和无功功率的自适应检测方法文献【1 3 】提出了一种谐波和无功功率的自适应检测方法该方法的特点是系统的运行特性与元件参数几乎无关；表现为一个二阶滤波器，此二阶滤波器的带宽可方便地通过改变参考输入的幅度和积分器的增益来调节；当电源电压产生畸变和基频偏移时，检测系统仍能正常运行，并具有优良的自适应能力但是该方法对硬件电路的性能要求很高，否则检测准确度要受到很大的影响，而且该方法用于三相系统时不能检测出负序电流。3 2 3 基于小波交换的谐波电流检测方法在介绍小波变换的谐波电流检测之前有必要了解多分辨率的概念多分辨思想可以作一个简单的比喻：当看一幅图时。如果站得很近，那么一切细节都非常清楚；往后退几步，图画就要模糊一些；再往后退，细节就更加模糊。只能看到图画中占主导地位的主体。如果把含谐波的电流比作这副图画，那么其中的谐波就可看作为画中的细节。而基波就是图画的主体。站得越远，谐波就越模糊，基波就越突出从数学理论上讲，多分辨就是不断地滤除频率相对较高的频带上的分量，同时保存那些低频分量以进行信号重构，这就是多分辨思想用于谐波检测的原理纛三= 气= = 矿原信号、7 一磊争2 x 、；7尺度2 、7 一舔手= s 、墨7尺度3 ，赢手= s 、7尺度4薷云= - 气= 岁尺度5 。图3 - 3 小波变换示意图图3 是在不同尺度下观察原信号的示意图，可以看出随着尺度的增加，信号的细节越来越模糊，谐波含量越来越少，到了第4 个尺度，基本上可以认为信号只含基波含量，滤波的目的就达到了这就是小波变换应用于谐波检测的实质国电自动化研究院硕士学位论文文献【1 4 】首次将小波变换应用于电力系统谐波检测通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，分析了电流信号的各个尺度上的分解结果利用多分辨率的概念，将高尺度上的结果看作不舍谐波的基波分量该检测方法需要用软件实现，计算量较大，实时性难以保证，而且检测准确度较低3 2 4 基于补偿电流最小原理的谐波和无功电流检测方法文献【1 5 】提出了一种基于补偿电流最小原理的谐波和无功电流检测方法。其基本原理是，当有源电力滤波器输出的补偿电流中不含基波有功电流时，其方均根值最小因此只要调节补偿电流的方均根值，使之最小，就可检测出负载电流中的谐波和无功电流成分该方法用硬件实现比较复杂，而且准确度难以得到保证3 3 基于瞬时无功功率理论的谐波、无功和负序电流检测法三相电路瞬时无功功率理论自8 0 年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法3 3 1 三相电路瞬时无功功率理论三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，并在此基础上提出了三相电路的谐波、无功和负序电流检测方法文献【2 】对三相电路瞬时无功功率理论作过详细论述，下面简述如下设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为巳，、e ci a 、，将其变换到口一卢两相正交的坐标系上。由下面的变换可以得到口，声两相瞬时电压，e 口和口，卢两相瞬时电流，卧【| ：】- 巳巳l dbl c- 1 6 ( 3 1 )( 3 - 2 )第三章三相四线有源电力滤波器谐波电流检测方法的选择1122压压22在下图所示的口一卢平面上，矢量毛，毛和乏、分别合成电压矢量亭和电流矢量f ，它们可分别表示为：暑- e l 以f 一配以式中e 、i 分别为矢量善、f 的模。bc e磊f 一砖7 云a、h图3 - 4a b 坐标系中的电压、电流矢量( 3 - 3 )( 3 _ 4 )三相电路瞬时有功电流( 瞬时无功电流为f ，) 为矢量f 在矢量享( 舌的法线) 上的投影。即【i p - f i c 。o i n s 妒妒式中妒- 丸一识( 3 - 5 )三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率为p ) 为电压矢量舌的模与三相电路瞬时