（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的有源电力滤波器仿真与实验研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e r e l e c t r o n i c s ，l a r g e s c a l eu s eo f i n v e r t e r sa n do t h e r n o n l i n e a rl o a d s ，t h ep r o b l e m so fh a r m o n i c sp o l l u t i o n sa r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l y s e r i o u si np o w e rg r i d u s i n ga c t i v ef i l t e r ( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) t e c h n o l o g yt o s u p p r e s sh a r m o n i c sh a sb e c o m eat r e n dt o d a y a p fc a i lb eu s e dt os u p p r e s st h e h a r m o n i co f 鲥d ，i m p r o v ec u r r e n tw a v e f o r mi np o w e rl i n e ，b u ta l s oc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e ro fg r i d a p fd e v i c ea l s oh a sa ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo fd y n a m i c c o m p e n s a t i o n a i m i n ga tl i m i t a t i o n so fm a j o r i t yo fa p fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s c a no n l yd e t e c tt o t a lh a r m o n i cc u r r e n t ，b a s e do nt h ei 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 e o r y , am e t h o dc a nb ep r o p o s e dt h a td e t e c t st o t a lh a r m o n i cc u r r e n t ，b u ta l s or a n d o m h a r m o n i cc u r r e n t t h i sm e t h o dc a nb eu s e df o rt h r e e - p h a s et h r e e w i r es y s t e m ，a n d c a nb eu s e df o rt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m t h ep a p e ra n a l y z e si nd e t a i lt h ep r i n c i p l e so fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t e ( s v p w m ) ，g i v e sd i g i t a lm e t h o d f u r t h e rc o m b i n i n gt h ea b o v eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o da n ds v p w mc o n t r o ls t r a t e g yt oc o m p o s ea c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m ， a n dc a r r yo u to v e r a l ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e m c a na c c u r a t e l ya n dr a p i d l yd e t e c ta n dc o m p e n s a t et h eh a r m o n i cc u r r e n t b a s e do nt h ep r o g r a m so fc u r r e n td e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o n , d e s i g no ft h e w h o l ea p fs y s t e mf o rs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei sf i n i s h e d t h em a i np a r to ft h e h a r d w a r et e s tc i r c u i ti sb u i l tr e s p e c t i v ea n dt h ee x p e r i m e n t a l s t u d yi sc o m p l e t e d i n t e g r a t i o nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ep r o c e s s ，h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n 、s v p w m a n do t h e rm a j o ri n t e r r u p t i o np r o c e d u r e sa l ed e v e l o p e da n da c h i e v e di nt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) ，g i v e nt h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r r n sa n d a n a l y s i s f i n a l l y , i na f a c t u a lp e r s p e c t i v e ，u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n s ，m a t l a bo p t i m i z a t i o n n a b s t r a c t 麓曼! 曼曼冀燃l l l l ) l l l l u l l l l l l i ii l i l i l l i p l l l l l , i l i ij l l l i _ l ! ) l , ：! l ! ! l ! ) ! i v i i i t o o l b o xi su s e dw i l o u tc o o r d i n a t e st r a n s f o r m a t i o nt od e s i g na p et h i sm e t h o dh a s t h ec o n t r o lc i r c u i tt oa c h i e v er e l a t i v e l ys i m p l ec o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lm e t h o d ，a n d h a sb e t t e rf i l t e r i n ge f f e c t 。 k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r 俄p 玲，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r , h a r m o n i c d e t e c t i o n ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t e ( s v p w m ) ，d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o ro d s p ) l i l 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论 文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 l 论文作者签名：去墨z日期：2 翌里呈年上月兰望日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电力 大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名 单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：苤壅z 导师签名： i ：中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和 中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文数 据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科技信息研 究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学位论文全文 数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国优秀博硕士 学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全文数据库中使 用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：由顽士口博士 作者签名：j 兵j 立一 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 指导撕签名：狗盘 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 有源滤波器技术概述 1 1 1 谐波研究的意义 无论在工业生产还是日常生活中，电能已经成为人类社会应用最广泛的能 源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的主要标志。随着科学的进步，特别 是电力电子技术的发展，电力电子装置等非线性负载广泛地应用于工业控制领 域，从而使电能得到了更加充分的利用。然而，由于这些负载的非线性、冲击 性和不平衡用电性给电网造成了严重的谐波污染，电力电子装置已取代变压器 成为电网中主要的谐波源【l 】。 谐波研究的意义，首先在于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。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。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计 算机技术一起成为2 l 世纪最重要的两大技术【2 j 。然而，电力电子装置所产生的 谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它已迫使电力电子领域的 研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来 认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色 主要标志之一【3 】。在电力 电子技术领域，要求实施“绿色电力电子的呼声也日益高涨。目前，对地球 环境的保护已成为人类的公识。对电力系统谐波的污染的治理也已成为电工科 学技术界所必须解决的问题。 东北电力大学硕士学位论文 曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇鼍曼曼曼曼曼皇i 曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼 1 1 2 有源滤波技术国内外发展 目前，为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：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制 为1 ，这适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一条是装设谐波补偿装置来 补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。 抑制谐波的传统方法是采用l c 无源滤波器。由于无源滤波器具有结构简单， 设备投资少，并且既可补偿谐波，又可补偿无功功率等优点，得到了广泛的应 用。但由于该方法存在一些难以克服的缺点 4 1 ：补偿特性易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，使l c 滤波器过载甚至烧坏。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波( a c t i v ep o w e rf i l t e r 即 a p f ) 【5 】【6 】。a p f 实际上是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中实时检测 出谐波电流，利用可控电力电子器件产生一个与该谐波电流大小相等相位相反 的补偿电流，注入电网，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能很好的 对谐波进行跟踪补偿，实现了动态补偿，可同时对谐波和无功进行补偿，也可 单独补偿谐波或无功，受电网阻抗的影响很小，不易与电网阻抗发生谐振，能 够跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响。基于以上优点有源电 力滤波器得到了国际上广泛的重视，9 0 年代后期，a p f 已在美国，德国等工业 发达的国家获得了广泛的应用，而日本作为电力电子技术最发达的国家，有源 滤波器已经到了普及的应用阶段【7 】【引。 一 国内对有源电力滤波器的研究起步教晚，到1 9 8 9 年才有这方面的文献。研 究主要集中在并联型，混合型有源滤波器，也开始研究串联型，主要是以理论 眼界和实验为主【9 】- 1 1 2 j 。虽然我国对a p f 研究处于起步阶段，但是已经取得了阶 段性的成果。1 9 9 1 年华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于3 8 0 v 三相系统的3 3 k v a 电压型有源滤波器；采用多重化技术，西安交通大学研制出 了1 2 0 k v a 并联型有源电力滤波器的实验样机。此外，清华大学，华北电力大学， 重庆大学等高等院校也对a p f 展开了深入的理论和实验研究。我国虽然在理论 上取得了一定的成绩，由于多方面条件的限制，我国有源滤波技术还处在实验 第1 章绪论 阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，至今未有正式产品用于实际。 综上所述，我国有源滤波技术具有广泛的发展和应用前景，也是提高我国电能 质量的关键技术之一。 1 1 3 有源电力滤波技术发展趋势 从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器具有如下的发展 趋势【1 3 j ： 1 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。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采用 i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重 化技术进行谐波补偿。 2 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用有源电力滤波器与l c 无 源滤波器并联使用的混合型有源电力滤波系统，以减小有源电力滤波器的容量， 达到降低成本、提高效率的目的。从长远角度看，随着大量换流器用于变频调 速系统，其价格必然下降；同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其 是i g b t 的广泛应用，混合型有源电力滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串 并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源电力滤波 装置。 - 3 国外的研究在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低 成本和损耗，进一步改善补偿性能，实现多功能化、有源装置小型化等。在有 源电力滤波器的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策， 有源电力滤波器的相互干扰，有源电力滤波器对电网上已装设的l c 无源滤波器 的影响，有源和无源滤波器结合方式的研究，等等。 t 1 2 有源电力滤波器研究现状 有源电力滤波器是一种动态的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变 化的谐波和无功进行补偿，是一种理想的电能质量解决方案。 有源滤波器的基本工作原理是：检测控制对象而得到的电压和电流信号， 东北电力大学硕十学位论文 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，根据此信号由补偿电流发 生电路产生补偿电流，该补偿电流与负载电流中要补偿的谐波、负序和无功电 流同相位而极性相反，它们互相抵消。在上述过程中可以看出，电流检测方法 和补偿控制策略是影响有源电力滤波器补偿性能的好坏两个关键环节。 1 2 1 有源电力滤波器谐波信号检测方法 1 2 1 1 基于频域分析的快速傅里叶分析( f f t ) 法该方法以f o u r i e r 分析为基 础，要求被补偿信号的波形是周期变化的，否则误差较大。通过f f t 将检测到 的一个周期的非正弦信号分解，得到各次谐波的幅值和相位，将欲消除的谐波 分量进行f f t 反变换，即得到补偿参考信号。该方法的优点是可以选择欲消除 的谐波次数，还可计算出负载电流的基波有功和基波无功分量，而且受环境因 素影响较小。缺点是需要进行f f t 变换及其反变换，计算量大，因而有较大的 时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时，谐波电流的检测误差较 大。 1 2 1 2 基于瞬时无功理论的谐波电流检测法此方法在a p f 的发展过程中起 到了巨大的推动作用，是目前a p f 中应用最广的方法，它包括f 。、法和p q 法。当电源电压对称无畸变且负载电流对称时，两种方法都能准确检测出基波 电流的有功、无功分量和谐波电流分量；当电源电压和负载电流均畸变但对对 称时，f i 、屯法仍能准确检测出谐波电流，而p q 存在误差；当三相电压或三相 电流不对称时，直接应用这两种算法都存在检测误差，不能实现非有功电流的 完全补偿。基于该理论的瞬时无功电流检测法具有较好的实时性，其时间延迟 仅取决于低通滤波器的性能。在检测基波无功电流时基本上是无延迟的，故在 三相平衡正弦系统中得到了成功的应用。 1 2 1 3 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法该方法利用信号处理 的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负 载电流中消去与电压波形相同的有功分量，而得到所有谐波与基波无功电流之 和。此检测系统是一个闭环调节系统j 其运行特性与元件参数几乎无关，当电 网电压发生波形畸变或频率波动时，检测系统仍能正常工作，具有良好的自适 应能力；其确定是动态响应速度较慢。 第1 章绪论 _ 1 2 1 4 基于神经网络的检测方法该方法是随着神经控制理论在控制系统中 的应用而发展起来的一种新型智能控制手段。人工神经网络自学功能强，进化 算法和方向传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复杂计 算，且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线非线性负载的 a p f 。该方法优点是可以通过模拟电路来实现，硬件电路简单易于实现，克服了 电子滤波的延时现象，对负载具有自适应性。 1 2 2 有源电力滤波器控制策略 1 2 2 1 三角载波线性控制三角载波线性控s u ( t r i a n 百ew a v e l i n e a rc o n t r 0 1 ) 是 最简单的一种控制方法。通过将检测环节得到的电流实际值与参考值之间的偏 差与高频三角载波相比较，所得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信 号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的优点是动态响应好，开关 频率固定，实现电路简单，缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频 畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 1 2 2 2 滞环比较控制滞环比较控制( h y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 是将补偿电流参考值与 逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出 来控制开关的开合，从而达到逆变器输出值实时跟踪补偿电流参考值。与三角 载波线性控制相比，滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快等特点。缺点 是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响，带宽固定 时，开关频率会随补偿电流变化而变化，容易引起较大的脉动电流和开关噪声。 1 2 ：2 3 无差拍控制无差拍控$ 1 j ( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 是一种在电流滞环比较控制 技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参 考值和实际值，计算出前一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输 出值，选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零 的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化。缺点是计算量大，而 且对系统参数依赖性较大，近年来不断有新的改进方法出现。 1 2 2 4 空间矢量脉宽调制方法空间矢量调制( s p a c ev e c t o r p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 是将三相器器件作为一个整体考虑，通过控制与参考矢量最接近的三 个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考 东北电力大学硕士学位论文 矢量相等：其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波 的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信息。 采用空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可有效降低开关频率和减小交 流侧电流的总谐波畸变率，但受一般微控制器运算能力所限，该控制方法经常 要在实现速度和合成脉宽调制波形质量之间折衷，应用d s p 使该控制系统向高 可靠、高性能的全数字化方向发展。 1 2 2 5 单周期控制单周期控制( o n e c y c l ec o n t r 0 1 ) 又称积分复位控制。是 一种新型非线性制法。基本思想是控制开关占空比，在每个控制周期内使开关 变量的平均值与控制参考信号相等或成比例，从而消除稳太和瞬态误差。其优 点是开关调制频率恒定，控制系统简单并可在一周期内消除开关变量和控制参 考信号之间的稳态和动态误差。其明显的缺点是系统性能易受外界条件影响， 轻载时畸变严重，系统对电路的参数要求十分精确，否则电网侧电路上有电流 的直流分量产生。目前研究的单周期控制的a p f 仅仅适合中小功率场合。 1 3有源电力滤波技术数字化 国际上公认的谐波( h a r m o n i c s ) 的含义为：是一个周期电气量的正弦波量， 其频率为基波频率的整数倍。 - 信号可定义为一个传载信息的函数。信号处理是对信号进行分析、变换、 综合、识别等加工处理，以便有效可靠地从信号中提取、传递信息。 由以上定义可知，谐波是一种信号，信号处理的理论方法工具可以有效地 应用于谐波的研究中。 ：， 1 3 1 数字信号处理与谐波检测 电网的谐波检测方法主要有：滤波器法，傅立叶变换检测法，基于瞬时无 功功率理论的检测方法等。这些方法都运用了信号处理技术，对原始信号进行 分析、变换、综合、识别等加工处理，以获得谐波信号。在谐波检测中采用数 字信号处理技术可以更为有效的检测谐波。在谐波检测中用到的数字信号处理 技术主要是数字滤波与数字谱分析。有源电力滤波器的数字化控制系统中可以 应用数字滤波与数字谱分析技术实现谐波检测。 第1 章绪论 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 1 阐述了并联型有源电力滤波器的系统结构和工作原理，并在此基础上针 对大多数谐波检测方法只能检测总谐波电流问题，本文提出一种能够检测任意 指定次数谐波电流的检测方法，并给予改进使之能用于三相三线制和三相四线 制系统。 。 2 对空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 算法进行了理论分析，并在有源电力滤 波器中的给予应用，仿真结果验证了利用s v p w m 算法进行谐波补偿的实时性， 可行性。 3 结合上述任意指定次数谐波检测算法和s v p w m 控制策略，设计了一种高 性能并联有源电力滤波器，并运用m a t l a b s i m u l i n k 软件对整个系统进行了数 字仿真。理论分析和仿真结果证明该并联有源电力滤波器能够对任意次数谐波 进行准确、有效的补偿。 ， 4 编写基于t i 公司的c c s 为平台的谐波算法和控制程序，给出详细的流 程图，并对软件重要部分给出相关程序进行说明。搭建并调试了包括信号调理、 a d 采样等相关外围硬件电路，通过实验进一步验证理论分析和仿真结果的正确 性。 5 在考虑满足不同的性能指标或某种实际要求时的基础上，例如满足 i e e e 5 1 9 规定的谐波电流限制，一本文提出了利用优化算法对有源电力滤波器进 行设计的一种新思路。 东北电力大学硕士学位论文 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 2 1有源电力滤波器系统结构 有源电力滤波器可以从不同角度分类。通常将有源电力滤波器按系统构成 和主电路形式进行分类。 一 2 1 1 有源电力滤波器的分类 按照系统构成可将其分为两大类，即并联型和串联型。二者又可分为多种 类型，这是目前对有源电力滤波器分类的主要方法。详细分类如图2 1 所示。 厂单独使用方式 卜厂与无源滤波器并联 弋并联混合型弋与无源滤波器串联 i ： 注入回路方式厂串联谐振式 l 并联谐振式 l 与旋转电机混合使用 厂单独使用方式 l 串联混合型 图2 - i 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器的每一种类型的结构各有其特点，因而其工作原理、特性 等各不相同。下面对其中主要的几种类型的系统构成和特点分别进行论述。 2 1 1 1 并联型a p f ( s h u n t t y p ea p f ) 1 单独使用的并联型a p f ( s h u n t - t y p ea p f ) 单独使用的并联型a p f 系统构 成的原理如图2 2 所示。图中负载为产生谐波的谐波源，逆变器和与其相连的电 感共同组成a p f 的主电路。与a p f 并联的小容量一阶高通滤波器( 或采用二阶高 通滤波器) ，用于滤除a p f 所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。 由于a p f 的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。又由于其补偿电 8 型 涩 咖 啾 扪 串 厂f、iilllllll 嚣有洌 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼曼曼量曼曼曼曼鲁曼皇曼曼罡曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼! 鼍i ii i i i i 一一一。一i 。 i 皇曼皇曼皇曼舅 流基本上由a p f 提供，为与其它方式区别，称之为单独使用的方式。这是a p f 中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。在这种方式中，只要采取适当的 控制方式就可以达到多种补偿目的，它可以实现的功能最为灵活丰富。但是， 由于交流电源的基波电压直接施加到逆变器上，且补偿电流基本上由逆变器提 供，故要求逆变器具有较大的容量。这是这种方式的主要缺点。 p f 图2 2 单独使用的并联a p f图2 3 并联型a p f 与l c 滤波器并联方式之一 2 a p f 与l c 滤波器混合使用方式这种方式正是为克服要求容量人这一缺 点而提供的。其基本思想是利用l c 滤波器来分担a p f 的部分补偿任务。由于l c ， 滤波器与a p f 相比，其优点在于结构简单、易实现且成本低，而a p f 的优点是 补偿性能好。两者结合同时使用，既可克服a p f 容量大、成本高的缺点，又可 使整个系统获得良好的性能 并联型a p f 与l c 混合使用的方式又可以分为两种：一种是a p f 与l c 滤波器 并联，另一种是a p f 与l c 滤波器串联。 图2 3 是a p f 与l c 滤波器并联方式的一种。a p f 与l c 滤波器均与谐波源并 联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，l c 主要补偿较高次的谐波，是一 个高通滤波器。这里，高通滤波器一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件 通断而引起的谐波，另一方面它可以滤除补偿对象中次数较高的谐波，从而使 得a p f 主电路中器件开关频率的要求降低。这种方式中，由于l c 滤波器只承担 了少部分补偿谐波的任务，故对降低a p f 的容量起不到很明显的作用。但因为 它对a p f 中器件的开关频率要求不高，故实现大容量相对容易一些。 东北i 乜力大学硕士学位论文 图2 - 4 所示为a p f 与l c 滤波器并联的另一种方式。在这种方式中，l c 滤波 器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任 务。a p f 的作用是改善整个系统的性能，所需要的容量与单独使用方式相比可大 幅度降低。 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，因此在 a p f 与l c 滤波器并联使用的方式中，需对a p f 进行有效的控制，以抑制可能发 生的谐振。 图2 5 为并联型a p f 与l c 滤波器串联方式的原理图。该方式中，谐波和无 功功率主要由l c 滤波器补偿，而a p f 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克 服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式中， a p f 不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。由于与l c 滤波器一起仍是 与谐波源并联接入电网，故仍将其归入并联型。 图2 4 并联型a p f 与l c 滤波器并联方式之二图2 5 并联型a p f 与l c 滤波器串联方式 目前已大量使用的l c 滤波器均可以采用图2 3 或图2 - 4 的方式进行改进和 提高性能。 3 注入电路方式这是为降低a p f 容量而提出的又一种方式，a p f 的容量取 决于其承受的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电感和电容的谐振特性， 使得有源电力滤波器只承受很小一部分的基波电压，从而极大的减小a p f 的容 且 里o 根据电感电容电路谐振特性的不同，注入电路方式又可分为l c 串联谐振和 第2 章有源电力滤波器的基本结构及工作原理 ，。： l c 并联谐振注入方式。图2 6 所示为l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图。 p f 图2 - 6l c 串联谐振注入电路方式图2 7 单独使用串联型a p f 在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配 置注入电路中的几个电感、电容的参数。 2 1 1 2 串联型a p f ( s e r i e s t y p ea p f ) 1 单独使用的串联型a p f 图2 7 是单独使用的串联型a p f 的原理图。这种 方式的特点是a p f 作为电压源串联在电源与谐波源之间。在多数情况下，并联 型a p f 主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直流侧为阻感负载的 整流电路。此时，a p f 向电网注入补偿电流，抵消谐波源所产生的谐波，使电源 电流成为正弦波。在这种情况下，并联型a p f 本身表现出电流源的特性。 串联型a p f 与并联型不同，主要用于补偿可看作电压源的谐波源。针对这 种谐波源，控制系统从电源电流中瞬时检测出其中的谐波电流，并控制p w m 逆 变器实时产生出与之成一定比例的谐波电压，从而达到使串联型a p f 对基波阻 抗为零而对谐波呈现一定阻抗的目的。串联型与并联型可以看作是对偶关系。 东北电力大学硕十学位论文 图2 8 串联型a p f 与l c 滤波器混合使用图2 - 9 串并联型a p f 2 与l c 滤波器混合使用方式图2 8 是这种方式的原理图。这种方式是在 负载和电源之间串入a p f 。其特点是谐波基本由l c 滤波器补偿，而有源电力滤 波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻 抗，它对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而 迫使谐波电流流入l c 滤波器。换言之有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作 用。这样还可以抑制电网抗阻对l c 滤波器的影响，以及抑制电网与l c 滤波器 之间可能发生的谐振，从而极大的改善l c 滤波器的性能。这种方式称为串联混 合型有源电力滤波器。 ： 3 串并联型a p f 图2 - 9 所示为一串并联型有源电力滤波器，这是一种新型 的a p f ，其名称尚未统一，有些文献【1 4 j 称之为统一电能质量调节器叫p q c ) ，目 前还处在试验阶段。这种a p f 兼有串、并联a p f 的功能，可解决配电系统发生 的绝大多数电能质量问题，具有较高的性价比，是未来值得推广的一种装置。 2 1 2 有源电力滤波器主电路形式 有源滤波器的主要作用是缓冲基波和谐波的能量，并按一定规律输入输出 电压或电流，因此有源滤波器的主电路有四象限变流器其储能环节组成。按照 有源电力滤波器的主电路形式分类，根据其直流侧储能元件的不同可分为电压 型和电流型，如下图所示。 、 ，- (a)电压型(b)电流型 图2 1 0 有源电力滤波器的主电路结构 电压型变流器的储能环节采用电容器，直流侧电压经过闭环控制保持基本 第2 章有源l 乜力滤波器的幕本结构及t 作原理 不变，可等效为一个可控电压源。它控制方法是根据要求控制输出电压，使之 与电源电压在输出端电抗器相减而得到所需要的补偿电流。电压型变流器具有 电路结构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、控制易于实现等优点。 但它存在一个严重的缺点：由于直流侧为电容，一旦发生某个桥臂短路，就会造 成直流贯通短路，所以电压型可靠性相对较低，必须在软硬件上采取保护措施， 即同一桥臂的上、下元件必需保持互锁关系，并有死区封锁时间。 电流型有源滤波器的变流器的储能环节是电感元件，经闭环控制保持直流 侧电流基本不变，可等效为一个可控的电流源。它是将直流电流调制成一个脉 冲列，再通过交流输出端上的交流滤波器解调成所要求的电流。其直流侧电流 应与最大补偿电流相匹配。由于电流型变流器直流侧的储能元件是电感，故在 装置发生贯穿短路等故障时，有限制故障电流急剧增加的作用。电流型变流器 的缺点是由于在装置中始终有一个与需要补偿电流最大峰值相当的电流流通， 损耗较大和由于是对电流进行调制，需要设置解调滤波器，另外，电感使系统 的体积、重量和成本提高。基于上述原因电流型变流器目前在有源滤波器中较 少采用。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源滤波器 投入使用。 2 2有源电力滤波器基本原理 有源电力滤波器主要由谐波和无功电流的检测、补偿电流的产生等部分组 成。通过检测电路检测出电网电流中的谐波和无功等分量，产生相应的指令电 流，然后采用某种控制方式控制功率电路产生实际的补偿电流，并注入到电网 中，以达到消除谐波和无功电流的目的。流入电网的电流可按需要成为正弦波 和三相对称的电流，并可按需要控制功率因数，最高可接近1 i l 5 。 本文采用并联型有源电力滤波器，所以以并联型a p f 为例来讲解有源滤波 器的工作原理。图2 1 1 为最基本的并联型a p f 系统结构图，e s 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 东北电力大学硕士学位论文 逆变主电路发出补偿电流。 并联型有源滤波器的基本工作原理可以表述为：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。 图2 1 l 并联型有源电力滤波器原理图 下面作定量分析。如图2 1 1 所示，将负载电流f ，按傅立叶级数展开为： ( r ) = ls i n ( n w t + 0 ) n = l 。 ， 一，c o s o ls i n c o t + i ls i n e , c o s c o t + 厶s i n ( n w t + e ) n = 2 = i ，p ( t ) + f f 口( ，) + i t h ( f ) 其中： 6 p ( t ) = l ic o s o ls i i l 耐，为基波有功电流 ( ，) = 1 is i n t 毛c o s o ) t ，为基波无功电流 ( r ) = ，。s i n ( n w t + 0 ) ，为高次谐波电流 由图2 1 1 可以得到下式： i 。= i l + i 。 即电源电流由负载电流和有源滤波器的输出电流t 共同组成，如果控制 有源滤波器的输出电流，使 z c = - - i h 第2 章有源电力滤波器的基本结构及丁作原理 则电源中就只有基波电流了，即有 i s = i i p - t - | q 这样就达到抑制谐波的目的。简言之，并联型有源滤波器相当于并联在电 网上的受控电流源，它实时检测负载中的谐波电流，并产生与之大小相等而方 一向相反的谐波电流，使流入电网的谐波电流基本为零。 进一步分析上式还会看到，有源滤波器也可以同时用来补偿无功功率，这 时只需使 “，j 厶= 一( + i l s ) ，贝u t = 即电源中就只含基波有功电流。 2 3本章小结 本章介绍了有源电力滤波器的基本结构和工作原理。首先，从系统构成角 度对有源滤波器进行分类，分别介绍了并联a p f 和串联a p f 的各种主要拓扑结 构，每种结构均配有原理图。其次，按照有源电力滤波器的主电路形式分类， 根据其直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可分电压型和电流型两种，并 说明了各自应用的优缺点。最后，以本文要研究的并联有源电力滤波器为例阐 述了a p f 的基本工作原理，并给予定量分析说明。 东北电力大学硕十学位论文 第3 章有源电力滤波器谐波电流检测方法研究 3 1前言 在并联型有源滤波器的应用系统中，负载一般是非线性的，且功率因数小 于等于1 ，因此负载电流中包含大量的谐波成分，并包含无功电流。当系统包含 大功率单相负荷时，负载的三相电流还存在不对称现象，这种情况在电弧炉及 单相工频电气化铁道的供电系统中尤为严重。由于线路阻抗的存在，这种小对 称并包含谐波的电流必然使电网电压产生畸变，并使其对称性恶化。 系统理想的下作状态，是电源仅提供负载所需的、三相对称的纯有功电流， 即电源各相的电流与电源的基波正序电压同相位，并且三相电流的幅值相等。 但是，对于有源滤波器而言，线路的阻抗未知，供电系统源头的电压也无法得 到，因此只能将负载接入电网处的电压作为电源电压处理。如何获取电源指令 电流( r e f e r e n c ec u r r e n t ) 的信息，是有源电力滤波器正常工作的一个关键问题。 在三相不对称条件下，并联型有源滤波器的指令电流生成环节必须能获取 电源基波正序电压的信息，并从负载电流中分离出需要补偿的电流成分，包括 正序无功电流、负序电流和谐波电流，或者由它们按照一定规律的组合。为了 满足滤波器实时补偿的要求，该环节还必须具备一定的速度和精度要求。 ： 3 2谐波电流检测算法研究 纵观a p f 的发展历程，谐波检测方法的进步在推动a p f 一步步走出实验室 的过程中发挥了关键作用。最值得一提的是由日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 提 出的三相电路瞬时无功功率理论【1 6 1 。该理论的提出以及随后发展的谐波检测技 术最终使得a p f 真正意义上得到了工程推广。本文所提出的谐波检测算法也是 以此理论为基础，下面重点对此理论体系进行研究分析。 3 2 1 瞬时无功功率理论。 瞬时无功功率理论最初由日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 于1 9 8 3 年提出，后 经许多专家学者的完善和发展，现已基本成熟，它突破了传统功率理论的限制。 第4 章有源电力滤波器控制策略研究及仿真 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量皇曼曼鼍皇曼! 曼曼量量曼量皇曼曼i i i ii _ 。皇鼍曼! 皇曼鲁皇曼篡量曼量曼曼量曼曼曼鼍曼曼量曼 瞬时无功功率理论是以电气量的瞬时有功电流f p 和瞬时无功电流j ，为基础的理 论体系，已成为当前谐波分析的一种基本的理论工具。 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e 。、e 。、e 。和、屯、t 。为分 析问题方便，把它们变换到口一两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以 得到口、两相瞬时电压p 口、e p 和口、两相瞬时电流f 口、如 阱g ： 式中c 3 2 = 刭 11 2 0 压2 。3 ， ，乏=c乙2芝 c 3 2 ， 一1 2 - i 一压2 j 如图所示的口一平面上，矢量p 口、p 口和屯、r ：_ 曰 如分别可以合成为( 旋转) 电压矢量苫和电流：。 矢量7 e = e 口4 - e p2 e z 纯 待屯+ = i l ( o _ f 设f 滞后e 的角度为矽， 和无功电流f 。分别定义为： i p 2 z c o s 缈 z 口2ls m 缈 ( 3 3 ) 瞬时有功电流f p m i n - g o ：“ ( 3 - 4 )图3 - 1 口- 坐标系中的电压、电流矢量 上式和相量意义上定义的有功电流和无功电流的概念很相似，可看成是其 推广和延伸。仿照在相量意义上的有功功率p 和无功功率g ，可定义瞬时有功 率p 和瞬时无功功率g 为： _ p = 口，q = e i g ( 3 - 5 ) ；成矩阵形式有 弓 = 乏 根据口理论，瞬时有功功