（电力系统及其自动化专业论文）三相四线制有源电力滤波器建模与仿真.pdf

华北电力人学硕上学位论文 摘要 本文以三相四线制并联有源电力滤波器( a p f ) 为研究对象，对其几种主电路 常用拓扑结构的补偿能力进行了量化分析，并指出四桥臂拓扑结构相对于其他结构 的优点。对四桥臂拓扑结构a p f 输出电压进行空间矢量分析，提出可将其分解为对 称分量和零序性分量的数学模型对其分别控制的思想，指出了对称分量和零序性分 量相互间影响的机理。进而将应用于三相三线制并联a p f 的定频滞环控制策略应用 于a p f 输出电压的对称分量控制中，并改进了该策略中某些参数的设计方法。在上 述结论的基础上提出了设计a p f 主电路参数的方法，该方法具有一定实用价值。应 用p s c a d e m t d c 以及r t d s 建立a p f 仿真模型，仿真结果验证上述理论的正确性和 有效性。 关键词：三相四线制，有源电力滤波器，四桥臂拓扑结构，定频滞环控制 a b s r r a c i i i lt l l i s t h e s i s ，3 - p h a s e4 - w i r ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) h a sb e e nt o o kf o rs t u d y , t h e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo fi t sm a i nc i r c u i tt o p o l o g i e sh a sb e e nt o o kf o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，a n di t s p o i n t e do u tt h a tt h ef o u r - a n nb r i d g et o p o l o g yh a ss e v e r a la d v a n t a g e sc o m p a r e dt oo t h e rs t r u c t u r e s t h e o u t p u tv o l t a g eo ft h ef o u r - a n nb r i d g et o p o l o g ya p fh a sb e e nt o o kf o rs p a c ev e c t o ra n a l y s i s ，a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lt h a tt h eo u t p u tv o l t a g ec a nb ed i v i d e di n t os y m m e t r i c a lc o m p o n e n ta n d z _ 2 r o s e q u e n c ec o m p o n e n ti sp u tf o r w a r d ，t h ei d e at h a tt h e yc a na l s ob es e p a r a t e l yc o n t r o l l e di sp u t f o r w a r d ，a n dt h ei n t e r - m e c h a n i s mo fh o wt h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n ta n dz e r o - s e q u e n c ec o m p o n e n t i m p a c te a c ho t h e ri sp o i n t e do u tt o o o nt h i sb a s i s ，af e df r e q u e n c yh y s t e r e s i sc o n t r o ls t r a t e g yu s e di n t h r e e - p h a s et h r e e w i r ep a r a l l e la p fh a sb e e nt o o kf o rc o n t r o l l i n gt h es y m m e t r i c a lc o m p o n e n to f t h ea p f s o u t p u tv o l t a g e ，a n dt h ed e s i g nm e t h o do fs o m ep a r a m e t e r so ft h es t r a t e g yh a sb e e ni m p r o v ei n o nt h e b a s i so ft h ea b o v ec o n c l u s i o n s ，ad e s i g nm e t h o df o rp a r a m e t e r so fa p fm a i nc i r c u i th a sb e e np u tf o r w a r d ， t h em e t h o dc a nb eu s e di np r a c t i c a lp r o j e c t s b a s e do na p p l i c a t i o no fp s c a d e m t d ca n dr t d s ，o ft h e s i m u l a t i o nm o d e lo fa p fh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h ec o r r e c t n e s sa n d e f f e c t i v e n e s so ft h et h e o r y c a ot i a n z h i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：3 - p h a s e4 - w i r e ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , f o u r - a r mb r i d g et o p o l o g y , f i x e d f r e q u e n c yh y s t e r e s i sc o n t r o l 华北电力大学硕十学位论文 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文三相四线制有源电力滤波器建模与仿 真，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j 争l d n 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：盏亟丝 日期： 型瑾缯日 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 1 1 前言 第一章引言 电能即是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。 随着时代进步与科技的飞速发展，现代电网与负荷构成出现了新的变化趋势。 一方面对电能质量要求比较高的敏感设备在逐年增加，另一方面，为了提高电能利 用效率，供电中出现了许多新型的用电设备，例如交流电机变速驱动装置、大容量 并联电容补偿装置，以及大量的非线性、功率冲击性和波动性负载等，这些设备又 会导致电力系统谐波污染和电压暂降，给电力系统安全运行带来直接的或潜在的危 害。谐波污染和电压暂降已成为当前我国电能质量问题中的一个重要方面。 随着电能作为商品进入市场后，电能质量问题更加突出，越来越多的电力用户 向电力部门提出了高质量供电的要求。提高电能质量意识、满足生产发展的需求已 经成为供用电双方共同的愿望。 1 2 三相四线制系统电能质量的特点 大部分负荷特别是民用负荷都是通过三相四线制系统获取电力的，新增的信息 化设备、日益普及的互联网、城市的现代化建设等都需要高质量的电力供应，三相 四线制系统的电能质量问题与信息产业、高兴技术制造、金融服务以及居民生活息 息相关。因此人们对三相四线制系统中电能质量问题越来越重视。 1 2 1 我国三相四线制交流系统的电压等级 根据我国国家标准g b l 5 6 9 3 中对标准电压的规定，我国三相四线制系统主要 应用于低压供电，其电压等级如表1 1 所示。 表1 1 我国低压配电系统电压等级 三相i r 【i 线制交流系统标称l u 瓜值及电气设备的额定t 乜胝值( 有效值v ) 注表中有斜线“”的数值，斜线之上为相电压，斜线之下为线电压。 三相四线制交流系统一般用于低压配电网，我国规定低压配电电压等级为 l 华北电力大学硕士学位论文 2 2 0 3 8 0 ，但在石油、化工及矿山( 井) 场所可以采用3 8 0 6 6 0 的配电电压n 1 。这主 要是考虑到在这些场合的变电所不能设在负荷中心，而且距离负荷中心又较远的缘 故。 1 2 2 三相四线制系统中的谐波污染问题 1 2 2 1 民用负荷成为三相四线制系统谐波污染的主要来源 近年来为了提高能源利用率以及工作效率，现代化设备中都广泛应用了电力电 子技术，例如住宅电梯采用变频调速装置，空调等低压小容量家用电器中使用的整 流逆变电路，各种调光、调温设备中采用的斩波电路，各种信息设备如计算机、打 印机中采用的开关电源等。电力电子装置的开关动作使得这些设备呈现出很严重的 非线性口1 ，工作电流中谐波含量很高。虽然这些设备的额定容量比较小，但是大量 的非线性负荷集中在一起同时运行时，对于供电系统的影响就不能忽略了。例如对 某移动公司大楼配电系统( 主变压器容量为1 2 5 0 k v a ) 进行测试后发现，在白天用 电高峰期2 2 0 v 侧电压畸变率达到了1 0 ，谐波电流含有率为1 4 。因此各种民用负 荷正成为三相四线至系统电能质量问题的主要来源。 1 2 2 2 三相四线制系统谐波污染随负荷运行情况发生变化 在不同的天气条件，不同的工作日、甚至一天中的不同时段，负荷的运行情况 差异很大，三相四线制系统谐波污染也随着发生较大的变化。根据对某城市负荷比 较密集的配电系统的谐波含量的调查分析口1 ，在不同的季节中电流谐波含量变化较 大，冬季谐波含量要高于夏季，某些情况下5 、7 次谐波电流已经超过国家标准， 如表1 - 2 所示。由于三相四线制系统谐波问题的时变性、动态性等特点，因此其治 理的措施也具有一定的特殊性。 表1 - 2 各次谐波电流实测值 被测测试谐波电流( 有效值a ) 用户条件3 次潴波5 次谐波7 次渚波 9 次谐波 实测值允许值实测值允许值实测值 允许值实测值 允许值 某宾馆夏季1 4 42 6 71 2 03 2 9 1 2 63 4 30 1 22 8 2 冬季1 5 01 2 6o 9 60 4 8 某人厦夏季0 7 64 6 21 0 45 5 41 2 05 5 1 o 2 44 1 6 冬季1 1 20 8 0o 8 8o 3 2 某商场夏季0 6 92 6 85 4 13 3 63 3 93 5 9 o 0 63 0 8 冬季0 9 35 6 13 7 8o 1 8 注：表中谐波电流允许值引自g b t1 4 5 4 9 9 3 表1 - 3 还给出了一些信息设备和公用设备在不同工作状态下所发出的谐波电流 华北电力大学硕士学位论文 含量钔。 表1 - 3 一些信息设备和公用设备的电流谐波含量 负荷工作方基波电流谐波含量( t a d )主要谐波成分 式( 有效值h ) 计算机开机 0 5 4 h1 1 0 3 r d5 8 激光打印机打印 0 3 4 a1 1 3 3 r d5 5 空闲o 1 l a 1 6 0 9 6 3 r d5 2 传真机 发送0 1 6 a1 2 0 3 r d8 7 打印 3 7 4 a6 3 r d5 空闲0 1 l a9 8 3 r d5 4 复印机复印 5 5 6 a2 6 3 r d2 0 空闲0 3 5 a 1 0 6 5 r d4 2 u p s # 1 工作 4 0 a3 5 3 r d2 5 u p s # 2空闲4 3 a 1 3 0 3 r d8 9 电梯 运行3 9 a3 6 5 r d2 8 磁芯镇流器银光灯开 0 2 1 a3 0 3 r d1 8 电了镇流器银光灯开0 2 3 a1 0 3 r d9 从表1 - 3 中可以看到，这些设备所发出的谐波电流中3 r d 谐波所占比例很大， 3 r d 以及3 n r d 等零序性谐波电流污染问题是三相四线制系统谐波问题的一个主要 特点。 1 2 2 3 非线性负荷密度增大 近年来，各种非线性负荷的使用出现密度增大的趋势，尤其在各种智能化建筑 和智能化小区。这些场所在一个较小的范围内大量集成了各种以设备自动化、办公 自动化和通信自动化为目标的现代化信息设备，使得单位面积上非线性负荷的数量 大大增加。同时这些非线性负荷在使用时间上也出现集中化的趋势，如现代化办公 大楼中的各种办公设备通常集中在工作时间内使用。从表1 - 3 中还可以看到，这些 不同类型的设备所产生的谐波具有相似的特点。因此，非线性负荷的特性也出现了 集中化的趋势陌1 。 1 2 3 三相四线制系统中的三相负荷不平衡的问题 正常情况下，在三相四线制低压电力网中，由于各种单相负载的存在，三相负 载一般是不对称的。因为：单相负载连接时，三相负载分配很难做到平衡； 即使在连接时三相负载分配很均衡，但各个单相负载运行、停止时间也不会做到同 华北电力大学硕十学位论文 时；即使在连接时三相负载分配得很均衡，但在使用过程中各相都有可能增加负 载。 在非正常情况下三相负载不对称的情况尤为严重，其原因有：配电变压器高 压侧线路发生一相或两相断线或接地故障；配电变压器调压分接开关接触不良， 或高、低压侧接头，绕组故障；配电变压器高、低压侧一相或两相熔断器熔断； 低压电网一相或两相线路发生接地或断线故障；三相线路阻抗不相等，或电动 机三相绕组中有一相或两相发生故障；单相负载私拉乱接，或为窃取电价差额， 把高电价负荷接到低电价线路上阳1 。 1 2 4 三相四线制系统电能质量问题对供电系统造成的影响 综上所述，三相四线制交流系统主要的电能质量问题是：谐波电流含量大、三 相负荷不平衡以及零序性谐波所造成的中线电流过大等问题。这些问题给供电系统 的安全运行以及用户设备的正常使用造成了比较大的危害h 1 。 l 谐波问题影响供电系统的安全运行和用户设备的正常使用 谐波电流会增加线路损耗，降低线路的传输能力，加快电缆绝缘老化，在谐波 严重时还会影响断路器的正常工作。谐波的存在增加了电网中谐振的可能性。谐波 电流使变压器的铜损增加，严重影响电力系统中以负序( 基波) 量为基础的继电保 护和自动装置，威胁系统的安全运行。谐波还影响测量和计量仪器的准确性。 谐波造成电动机使用寿命的缩短。对感应式电动机使用寿命缩短的原因进行的 调查表明阳3 ：当3 次谐波含量达到5 时，电动机平均寿命缩短3 0 ，而5 次谐波达 到1 0 时，平均使用寿命缩短4 0 以上。谐波会使电视机、计算机不正常工作。对 于带有启动用镇流器和提高功率因数用电容器的荧光灯及汞灯则会在一定参数下 形成某次谐波震荡损坏镇流器或电容器。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可使晶 闸管误动。谐波还会对通信系统造成干扰。 2 中线电流带来变压器附加损耗以及中性点电位的偏移 国标g b 5 0 0 5 2 供配电设计规范、变压器运行规程中都规定了y y 。接线的 配电变压器运行时中线电流不能超过变压器线电流的2 5 。中线电流的增加会引起 变压器损耗的增加，同时造成中性点电位的偏移。例如s j 、3 1 5 k v a 、1 0 k v o 4 k v 变压器，其零序电阻r o = o 1 2 2q ，零序电抗肛0 1 7 4q ，绕组电阻尼= 0 0 0 8 4 9q 。 当仁1 0 0 a 、l = 2 0 0 a 、l = 3 0 0 a 、c o s f p = c o s 仇= c o s 优= 0 7 时，变压器附加损耗为 3 8 2 k w 、中性点偏移电压为3 6 6 v 1 。 4 华北电力人学颂上学位论文 3 中线零序性谐波电流过大造成的危害 中线电流过大直接造成中线过热，严重时甚至造成中线烧断。3 次等零序性谐 波电流流过中线时会出现“集肤效应”，加重导线的温升。目前设计施工中，中线 的选择标准是：相线截面小于1 6 m m 2 时，中线截面必须等同于相线；相线截面大于 1 6 m m 2 时，中线截面不得小于相线的一半n 引。由于系统中零序性谐波电流的含量很 大，往往中线总电流会达到1 5 倍左右的额定值，如果要保证中线正常工作就并必 须增加中线截面，从而造成资源的浪费。 1 3 三相四线制系统电能质量问题的主要治理方法 由于三相四线制交流系统电能质量问题日益严重，人们陆续地提出了一些措施 对其进行治理，主要的方法包括： l 改进谐波负载的用电特性，减小其产生的谐波1 。例如对大容量的整流设备， 设计时尽量增加整流相数，低谐波高功率因数的p w m 整流技术得以应用等方法。这 些方法主要是投资大，有的受到技术条件限制。 2 合理组织负荷，降低不平衡度；对多台相同的整流装置，使整流变压器二次 侧有适当的相角差等n 副。根据实际负荷情况，进行配电网合理的改造，如将星型 星型接法的变压器改造为三角形星型接法。使用电设备在低于额定值条件下运行。 这些方法主要问题是设备容量不能充分利用，都属于被动性质的手段。 3 装设无源电力滤波器。无源电力滤波器具有投资少、效率高、结构简单以 及维护方便等优点，现阶段被广泛应用于配电网中，但是由于其滤波特性受系统参 数影响大，只能消除特定的几次谐波，对某些次谐波会产生放大作用，甚至发生谐 振。 4 装设有源电力滤波器n 1 。有源电力滤波器( a p f ) 实质上是一个与负荷谐波电 流反相位的特殊补偿电流源，具有动态特性好、滤波效果不受系统参数影响、占地 小等特点。常规的并联有源电力滤波器( a p f ) 能够基本上克服无源电力滤波器的 缺点，但要实现大容量的谐波与无功功率补偿，需要其具有较大的装置容量，这就 增加了a p f 的成本并增加了其实现的难度。 1 4 并联型a p f 研究现状 1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变 器构成的有源电力滤波器消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的限 华北电力大学硕上学位论文 制，有源电力滤波器的研制一直处在实验研究阶段。进入8 0 年代以后，随着电力 电子技术的飞速发展，大功率可关断器件( g t o ，i g b t 等) 的不断进步，以及对非正 弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为有源电力 滤波器的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。目前世界上 a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士a b b 公司、法 国梅兰日兰公司和德国西门子公司等。 有源电力滤波器作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、日本 等发达工业国家己广泛用于国民经济的各个生产部门。自1 9 8 2 年世界上第一台g t o 有源电力滤波器在日本投入运行，最大的一台容量达到2 0 m v a 。 有源电力滤波器主要有单相、三相三线制、和三相四线制三种主要结构，自1 9 7 6 年起，已有大量文献介绍了三相三线制有源电力滤波器的研究情况。自8 0 年代起， 有不少学者对单相有源电力滤波器的结构形式和控制方法等问题展开了研究，以满 足单相非线性负载的需要。针对a p f 成本高、难以制造高压大容量装置等问题，研 究者还提出一种结合了有源与无源各自优点的改进型有源电力滤波器方法，并在三 相三线制系统中取得了很好的效果，但在三相四线制系统中如何设计其无源部分的 参数以保证良好的滤波以及对不平衡负载的补偿效果还需要进一步研究。对三相四 线制有源电力滤波器的研究国内正处于初级阶段，一些国外的文献主要介绍了非线 性不平衡负载引起的电能质量问题，提出了一些解决中线谐波电流和不平衡负荷电 流问题的方法，主要内容涉及到谐波补偿、负载平衡等方面。 1 4 1 有源电力滤波器的分类 从有源电力滤波器基本概念的提出到现在，经过了几十年的发展，产生了许多 不同类型的有源电力滤波器。而根据不同的划分原则，有源电力滤波器可以分成不 同的类别 按所使用的变流器类型，有源电力滤波器可以分为电压型和电流型两大类。电 流型有源电力滤波器在直流侧连接大电感，损耗较大，在一般场合下使用较少。电 压型有源电力滤波器在电路直流侧接有一容量较大的电容，装置体积小且性能较 好，目前使用的主要是这种形式。 根据使用场合的电源相数，有源电力滤波器又可分为单相、三相三线制和三相 四线制有源电力滤波器。 按照有源电力滤波器的主电路与母线的连接方式可将其分串联型、并联型和串 并联型而三者又可以再细分为不同的类型。目前，有源电力滤波器的研究主要集 6 华北电力大学硕十学位论文 中在交流用有源电力滤波器，对直流用有源电力滤波器的研究相对较少。直流用有 源电力滤波器的典型应用一般是在直流输电系统中滤除直流输出谐波和高精度输 出的直流电源上。图1 - 1 给出了有源电力滤波器的分类示意图 交t a p f 直流a p f 图1 - 1 有源电力滤波器分类示意图 鉴于并联型a p f 的优点较为突出n 幻，以下仅对并联型结构进行分析。 1 4 2 主电路结构 目前常见的三相四线制电压型并联有源电力滤波器中逆变器的拓扑结构如图 卜2 所示，主要有三单相全桥拓扑结构、四桥臂拓扑结构和三桥臂电容中分式拓扑 结构n 3 1 。 a ) 三单相全桥拓扑结构 b ) 四桥臂拓扑结构 7 一一一一一一一一 一一 竺l 墨一三三肼 华北电力大学硕十学位论文 c ) 三桥臂电容中分式拓扑结构 图1 - 2 常见的三相四线制p w m 逆变器拓扑结构 从直观角度看，三单相拓扑结构控制简单，但是三个单相全桥控制器之间需要 进行信息交换，增加了控制器的负担；采用三桥臂电容中分式拓扑结构时，硬件成 本最低，但需要对两个电容电压进行均压控制。关于三种拓扑结构性能的比较将在 第二章里进行详细分析。 1 4 3 谐波电流检测的主要方法 1 4 3 1 模拟滤波器谐波检测法 采用陷波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波 分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该方法的优点是电路结构简单，造价低。 但滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的 幅频和相频特性。并且这种方法无法实现基波有功电流和无功电流的分离n 钔。 1 4 3 2 基于频域分析方法 基于频域的d f t n 副或f f t 方法可以计算每一个指定的谐波分量。因此，该算法 特别适用于需要补偿指定若干次谐波补偿场合n 引。缺点是需要进行两次变换，实时 性稍差，但对于稳态和准稳态谐波，这也是一种可选的方法。 1 4 3 3 基于坐标变换的检测法 基于口夕变换的检测法：p g 法、护法，以及基于p a r k 变换的检测法：i - - i 。 法。 前者为基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以几乎无延时 地得出检测结果。p q 法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测； 护l 法与i - - i 。法在检测谐波电流时，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压 不对称时也同样有效，但此时所检测的基波有功和无功分量存在一定的误差n 7 1 。 这两种坐标变换方法中，因被检测对象中谐波的构成及采用滤波器的不同，会 有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。具有较好的实时性，因此目前应 r 华北电力大学硕十学位论文 用较为广泛。 为了提高谐波检测的精度与动态响应，一些新的方法也不断地被提出，如：同 步检测法n 8 1 ；自适应谐波检测法n 9 1 ；基于神经网络检测法乜们；基于小波分析的谐波 检测方法等乜。各种方法各有特色，其研究也在不断深入。 1 4 4 并联a p f 常用电流控制技术 1 4 4 1 滞环比较方式 把补偿电流的指令信号j 乞与实际的补偿电流j 。进行比较，两者的偏差作为滞环 比较器的输入，通过滞环比较器产生脉冲信号，该脉冲信号经驱动电路来控制主电 路中开关的通断，从而控制补偿电流j 。的变化。其原理图见图卜3 。 图1 - 3 滞环比较方式原理图 滞环比较控制法的优点是原理简单，响应快，属于实时控制法。因为不使用载 波，所以输出中不含特定频率谐波分量。若滞环的宽度固定，则电流跟随误差是固 定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的，造成输出电流的频带比较宽，给 高频电流吸收回路的设计造成困难。针对这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较 器的宽度h 设计成可随j 。的大小而自动调节的；另一种方法是采用定时比较方式口别。 1 4 4 2 三角波比较方式 三角波调制法是最简单、常用的一种p w m 控制方法，如图卜4 所示。该方法将 调制后的实际补偿电流t 与电流指令信号j 。的偏差4 经放大器k 放大后，与高频 三角载波进行实时比较，从而得到不同时刻逆变器的开关状态。采用三角波调制法 的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，有利于简化器件的选择和器件保护的 设计，而且动态响应好，实现电路简单，对高丌关频率的系统有较好的控制特性； 缺点是逆变器始终处于高频工作状态，输出波形中含有与三角载波同频率的高频畸 变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 9 华北电力大学硕十学位论文 三角燃 图1 - 4 三角波调制法原理图 1 4 4 3 空间矢量调制方式 空间矢量调制，其原理为令实际电流跟随指令电流的目标转化为跟随一个指令 电压矢量，根据指令电压矢量所处区间判断选择哪几个基本矢量，然后计算两相邻 基本矢量的占空比以合成指令电压矢量。当a p f 产生该电压空间矢量时实际电流与 指令电流的误差将被最大限度的减小 2 3 op w m 脉冲的频率与空间矢量计算的采样频 率一致，开关频率是固定的。这种控制方式误差小，开关频率恒定，但是计算复杂 且计算中需要用到a p f 连接电感以及系统电压等参数，其控制精度对参数的变化非 常敏感。 1 5 本文所做的主要工作 本文在总结a p f 基本原理、基本结构的基础上，以三相四线制并联型a p f 为对 象，研究a p f 的主电路拓扑结构、输出电压的空间矢量分析、控制方法以及参数的 设计等问题，以求对电力系统中的谐波电流、中线谐波电流和基波不平衡电流进行 补偿，使补偿后系统的电能质量达到应用的要求。本文所做的工作如下： 1 研究有源电力滤波器的工作原理，介绍了有源电力滤波器的特点和目前国内 外对有源电力滤波器的研究现状和应用情况。 2 研究适用于三相四线制系统的并联a p f 拓扑结构，对几种拓扑结构的优缺点 进行比对，特别是在对基波不平衡电流进行补偿时，从能量转换的角度对几种拓扑 结构的优缺点进行分析。 3 建立四桥臂拓扑结构a p f 的数学模型，并对a p f 输出电压进行空间矢量分析。 在此基础上研究了各桥臂输出电流之间相互影响的机理。 4 研究了基于优化电压矢量的定频滞环电流控制方法，并对其加以改进以求让 其适用于三相四线制并联a p f 。 5 研究了三相四线制并联型有源电力滤波器的参数设计方法，包括直流电压、 直流电容、连接电抗和外滞环比较单元的滞环宽度。特别是应用四桥臂拓扑结构 的数学模型，从能量的角度提出了直流电容参数设计的方法。 1 0 华北电力大学硕j ：学位论文 6 应用p a c a d 和r t d s 仿真软件对四桥臂三相四线制并联a p f 电路模型进行仿真 研究，分析其对负载谐波电流、基波不平衡电流和零序谐波电流的补偿能力，并进 一步分析了a p f 补偿前后的三相系统电流谐波含有率以及三相系统电流不平衡度。 对影响a p f 补偿性能的一些因素做了仿真分析，同时对a p f 的暂态恢复性能做了一 定的仿真分析。 华北电力火学硕十学位论义 第二章三相四线制a p f 逆变器拓扑结构分析 2 1 三单相全桥拓扑结构分析 2 1 1 三单相全桥拓扑结构逆变器n 桥臂的电流输出能力 图2 一l 是三单相全桥拓扑结构逆变器基本单元，以a 相为例，其中a 点与系统 a 相母线相接，n 点与系统中线相接。 e 图2 - 1 三单相全桥拓扑结构逆变器a 相等值电路图 三单相全桥拓扑结构逆变器可以看成是三个独立的单相逆变器，桥臂a 的上桥 臂开关与桥臂n 的下桥臂开关同时通断，同理桥臂a 的下桥臂开关与桥臂n 的上桥 臂开关同时通断。电压的值为+ e 或者是一e 。对如和如列状态方程： u 加= 厶鲁 u 矿“每 由于“一= “爿。+ “j l ，+ 甜。，所以： u 州= l sd 口i f f o + “百d i f f + 根据基尔霍夫电流定律，拓如。，所以： u 州= ( 岛+ “) 鲁+ 虬。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 华北电力夫学硕上学位论文 由于三个单相a p f 输出的补偿电流中的正序和负序谐波电流分量将抵消掉，从 三相整体角度看，其1 3 桥臂输出的补偿电流为基波零序电流、零序性谐波电流和谐 波电流中的零序分量。即： = + k + k ( 2 5 ) 由式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 5 ) ，并假设、比和比为理想正序基波电压，可得： 盟：坠坠坠 ( 2 6 ) a r t l n + l s 若以i d i n 出l 来衡量逆变器n 桥臂对指令电流的跟踪能力，也就是输出能力， 并简写为以，则三单相全桥拓扑结构逆变器的输出能力可以表示为： 凡= 3 e i ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可见，三单相全桥拓扑结构逆变器其输出能力与直流电压和连接电感 有关。 2 1 2 三单相全桥拓扑结构对基波不平衡电流补偿情况分析 如果三单相全桥拓扑结构a p f 采取每相独立控制策略，则其只能对谐波电流进 行补偿，对基波电流中的负序以及零序分量不具备补偿能力，这显然是不合适的。 因此，必须对其采取三相统一的控制策略。为分析方便，考虑只有a 相有基波有功 电流，b 、c 相电流为零的情况。经过对称分量法对三相电流进行分解得到： j 彳，= j 一2 = j 一。= 三 ( 2 - 8 ) 为了实现补偿后三相电流平衡的目标，a 相的补偿电流- - i ：+ i a 。- - 2 ) 。3 ，而 b 相和c 相的补偿电流则分别是一口：3 和一口3 ，总补偿容量约为单相负载容量 的1 3 倍。由于为基波有功电流，所以a 相逆变器在发出有功功率，而b 相和c 相逆变器则在吸收有功功率，这种情况会造成a p f 直流电容电压泵升或崩溃所以是 不允许出现的。 2 2 四桥臂拓扑结构分析 2 2 1 四桥臂拓扑结构逆变器n 桥臂的电流输出能力 1 3 华北l i 土力人学硕l j 学位论文 中性点。 图2 2 为四桥臂拓扑结构逆变器的等值电路，其中0 为直流电容假想电压 + e ，2 0 e 1 2 l _ k a 卜求卜一 s b fe腩暴 r- s c s l 萨! 埘一 ： 币n 一 n 图2 2 四桥臂拓扑结构逆变器等值电路图 设每个桥臂的开关函数为： f1 ，桥臂上开关管导通，下开关管关断，。n 、 o j ( j 口厶“) 一10 ，桥臂上开关管关断，下开关管开通 怕刊 则每个桥臂中点对0 点的电压为： “口 “6 口 甜c 0 塞爹萎 = 蚕多耋 一 圣； 1 4 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) 可得： ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 、，、，、j、j 2 2 2 2 ， l 1l，工，工 - 一 4 6 f s s s s l，l，l，l e e e e = = = = 华北电力人学硕j ：学位论文 l “口= u 4 0 一u n o i i “6 = u b o u n o 气 lu c = u c 0 一“o l i “n ，= ”月0 一u n o ( 2 - 1 5 ) = e 彘s 口仙吼+ 鲁沁糌) ( 2 - 1 6 ) 由式( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 可得： “槲= e 軎( 娼一一 一) ( 2 1 7 ) b b 1“槲2 也卜i 一一o 口一 一o cj ( 2 3 厶+ 厶、 7 由式( 2 - 1 1 ) 和( 2 - 1 7 ) 可得四桥臂拓扑结构逆变器n 桥臂的输出能力为： 圪= 蚓脚 = e i ( 3 瓯一疋一咒刮l 脚 ( 2 - 1 8 ) 由式( 2 - 1 6 ) 可见，四桥臂拓扑结构逆变器n 桥臂输出能力也由直流电容电压、 输出电感值决定。 2 2 2 四桥臂拓扑结构a p f 对基波不平衡电流进行补偿情况分析 采用与2 1 2 小节相同的假设条件，可将四桥臂拓扑结构a p f 等效为三个单相 的a p f ，这时由于其每个等效的单相a p f 的端口电压和电流都与三单相拓扑结构a p f 中对应相独立的单相a p f 相等，所以他们的外特性完全相同。但是从整体看，不妨 设系统电压u 鲥= c o so t ，a 相负载电流= c o sc o t ，这样a p f 的a 、b 、c 相发出 的瞬时功率为： p 一尸，= p 爿4 - p 曰4 - p c = u s a i f a4 - “船+ “w k ( 2 1 9 ) 将2 1 2 小节中计算出补偿电流值代入式2 1 9 中，可以计算出p 彳p f = 0 。这 说明四桥臂拓扑结构a p f 在对不平衡基波负载电流、零序电流进行补偿时自身就能 起到能量转换的作用。 2 3 三桥臂电容中分式拓扑结构分析 华北电力人学硕士学位论文 2 3 1 三桥臂拓电容中分式扑结构逆变器中线电流输出能力 图2 3 为三桥臂电容中分式拓扑结构逆变器的等值电路，其中n 为直流电容电 压中性点。 由式( 2 - 9 ) 可得： l s aa 一_ _ j s bb 峙 l _ - 卜 s c c 崦 一k -l w 图2 - 3 三桥臂电容中分式拓扑结构逆变器等值电路图 对等值电路列写状态方程得： 1 一主户 最一乎 疋一驴 “脯= 乓鲁岷 “鲋岷= 岛鲁 “倒+ 肋= 岛百d i r e + 假设系统电压为不含谐波分量的基波正序量，将式( 2 2 1 ) 中三项相加得： 又因为： ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) + 地m = 岛掣( 2 - 2 2 ) i p d + i 陆+ i f c 七i f = 0 ”“鲁 1 6 ( 2 - 2 3 ) 华北电力人学硕 ：学位论文 由式( 2 - 2 0 ) 、( 2 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) 可以得出： 篮=一瓦e瓦(e+sb+疋一一3art2 ) ( 2 2 4 ) 3 0 + 岛一 。 可得三桥臂电容中分式拓扑结构逆变器n 相的输出能力为： 圪= 引删 = 剖 ( 2 - 2 5 ) 2 3 2 三桥臂电容中分式拓扑结构a p f 对基波不平衡电流进行补偿情况分析 采用与2 1 2 小节相同的假设条件，三桥臂电容中分式拓扑结构a p f 与四桥臂 拓扑结构a p f 端口条件完全一致，所以他们的外特性完全相同，三桥臂电容中分式 拓扑结构a p f 在对基波不平衡电流进行补偿时也具有能量转换的作用。 2 4 三种拓扑结构的对比分析 由式2 - 7 、2 - 1 8 和2 - 2 5 可知，三单相拓扑结构a p f 中线补偿电流的输出能力最 强，而电容中分式拓扑结构a p f 中线补偿电流的输出能力最弱。衡量三相四线制a p f 功能的一个重要指标是对不平衡电流的补偿能力，而由2 1 2 小节、2 2 2 小节和 2 3 2 小节的分析可知，三单相全桥拓扑结构a p f 显然不满足这一要求。 另外，三桥臂电容中分式拓扑结构a p f 还必须很好地解决分裂式电容的均压控 制，虽然可以利用反馈控制来控制电容电压，但是两个电容地参数不可能完全一致， 长期运行难免会使分裂式电容的参数变化以至于影响到a p f 的正常工作。 综上所述，从中线电流的补偿能力、不平衡负载电流的补偿能力以及可靠性三 个角度考虑，四桥臂拓扑结构是三相四线制并联a p f 的首选。 2 5 混合型a p f 拓扑结构分析 目前，国内外已提出了多种应用于三相三线制系统的混合型有源电力补偿方 案。其中，对于将有源补偿环节与l c 电路串联后再与系统并联的混合型补偿方案 优点明显。可通过对有源补偿输出电流的控制，使补偿装置装设处公共连接点基波 1 7 华北电力人学硕卜学位论文 电压全部降落在l c 电路上，从而a p f 逆变器两端的基波电压为零，所承受的仅为 谐波电压，逆变器容量可得到显著降低，同时也补偿了一定的基波无功功率乜4 1 。 由于三相四线制a p f 还要求具备一定的补偿基波不平衡电流的能力，当三相不 平衡时，由于补偿电流中还包含基波负序和零序分量，其极性与负荷电流的基波负 序和零序分量相反，因而最终叠加在l c 上的基波电压不再等于系统电压。因此， 有源部分除了承受降落在l c 上的谐波电压外，还承受降落在l c 上的基波负序与基 波零序电压以及降落在厶两端的电压四者的矢量和。此时就要求直流侧电容电压能 承受更高的电压口5 1 。 另外，如何设计l c 电路以使a p f 能够保证对基波负序和零序电流的补偿能力 也是混合型有源滤波器应用于三相四线制系统的一个难点，未来还需要进行探索。 本文中将采用电感连接电路 2 6 本章小结 本章分析了适用于三相四线制并联a p f 的三种拓扑结构，重点研究其中线补偿 电流的输出能力和对不平衡负载电流的补偿能力。分析了混合型拓扑结构的突出优 点以及将其应用于三相四线制系统所面临的难点。指出四桥臂拓扑结构的中线电流 补偿能力和不平衡负载电流补偿能力最优，为选择三相四线制并联a p f 的拓扑结构 提供了理论根据。 华北电力人学硕l ：学位论文 第三章四桥臂拓扑结构a p f 的电压矢量分析 3 1 三相电压型a p f 电压矢量分析 三相电压型a p f 的等值电路图如图3 - 1 所示： + e 2 0 e 2 s a _ _ p o s b o 卜z o s c 勺咎 i i 一 图3 - 1 三相并联电压型a p f 的等值电路图 三相电压型a p f 共有2 3 = 8 种开关组合模式，相应的三相交流侧电压值如表3 - 1 所示嘶1 ： 表3 - 1 不同开关组合时的电压值 s as bs c u i u b u c oo0 0 o o 0ole 3一e 32 e 3 ol0 一e 32 e 3一e 3 o 1 12 e 3e 3e 3 l0o2 e 3 一e 3 一e 3 l 0 le 32 e 3e 3 ll0 e 3e 3 2 e 3 i l 1 0o0 分析表3 一l 可知，三相电压型a p f 不同开关组合时的交流侧电压可以用一个模 为2 e * 3 的空间电压矢量在复平面上表示出来，由于三相电压型a p f 开关的有限组 合，因而其空间电压矢量只有2 3 = 8 条，如图3 - 2 所示，其中u 。( 0 0 0 ) 、u ，( 1 1 1 ) 由 于模为零而称为“零矢量”。 1 9 华北电力火学硕士学位论文 l b 图3 - 2 三相电压型a p f 空间电压矢量分布 显然，某一开关组合就对应一条空间电压矢量，该开关组合时的、 即为该空间矢量在三轴( a ，b ，c ) 上的投影。上述分析表明，复平面上三相电压型a p f 空间电压矢量可定义为： j 以= 2 e e m - 1 ) 棚州1 ，一 6 ) ( 3 - 1 ) i v o ，7 = 0 上式也可表达成开关函数形式： 巩= 导e ( 只+ s h e 叩州3 + 足p j 2 , m ) k = ( o ，7 ) ( 3 2 ) 3 2 四桥臂拓扑结构a p f 电压矢量分析 四桥臂拓扑结构a p f 的等值电路与兵逆变器相l 司，见图2 - 2o 出瓦【z l u ) 瓦 ( 2 1 6 ) 易得： “州面百1 瓦 ( 岛+ 2 l ) s o 一厶( + 疋) 一厶邑 u b n2 e 去 ( 厶) 墨一( 毗) 馘 ( 3 - 3 ) ”c = e l s + l 3 l 一, , ( k + 2 l n ) s c 一厶( 邑+ 咒) 一乓鼠 “州2 e 。瓦专笺i ( 3 鼠一s o 一邑一足) 毕北电力人学硕士学位论文 以三( 2 疋一昆一疋) 一刍币e l 瓦n ( 3 最一疋一最一疋) 堪三( 2 瓯一疋一) 一刍而e l 瓦n ( 3 瓯一疋一邑一疋) ( 3 -