（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的谐波治理和无功补偿.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a g e n e r a ld e s c r i p t i o no f t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t ，t h ed e v e l o p m e n to f h a r m o n i ce l i m i n a t i o n a n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ea r o u n dt h ew o r l da n dt h e o r yo ft h r e e - p h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r i s g i v e n i n t h i s t h e s i sa t f i r s t 1 1 l e 一m e t h o d b a s e d o l l t h e o r y o f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r i n d e t e c t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n ti sr e s e a r c h e da se m p h a s e s t h e nt h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo f a c t i v ep o w e rf i l t e ri si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nm o d eo f a c t i v e p o w e rf i l t e r i nh a r m o n i ce l i m i n a t i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nb a s e do n 一m e t h o di sg i v e ni n s l m u l i n ke n v i r o n m e n t so f m a ：n ，a b6 5s o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s e a r c ht ot h em e t h o do f p w mc o n t r o l o fg e n e r a t i n gc o m p e n s a t i v ec u r r e n ti sd o n e t h ep u r p o s eo fs i m u l a t i o ni sd i s c u s s e dt h es t r u c t u r ea n d p e r f o r m a n c eo ft h el o w p a s s t h es y s t e mc o n t r o lt ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e ri sa l s or e s e a r c h e d 1 1 1 er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es i m u l a t i o nm o d ea n dt h es i m u l a t i o nm e a n si m p l e m e n t e da r ep r o p e ra n de f f i c i e n t a tt h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n to fi n t e g r a t e dc o m p e n s a t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t s s h u n ta p fc o n t r o l l e db yt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r es y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e mo f t h i sd e v i c ea r ed e s i g n e d 1 1 1 eh a r d w a r ec i r c u i t si n c l u d et h ec u r r e n ta n dv o l t a g ed e t e c t i n g t h ep w md r i v i n g c i r c u i tb a s e di n6 s d 3 2 1 e im o d u l e ，t h em a i nc i r c u i ta n dt h ep r o t e c t i n gc i r c u i to fi g b t t h es o f t w a r e s y s t e mi sw r i t t e nb yd s pc o m p i l el a n g u a g e 1 1 1 em a i np r o g r a mi n c l u d e st h ei n t e m l p tc o n t r o l ，z e r op o i n t d e t e c t i n go fv o l t a g e ，h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sd e t e c t , t h ed c b a rv o l t a g ec o n t r o l ，t h ep w mc o n t r o l a n dt h ep r o t e c t i n gc o n t r 0 1 f i n a l l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e dw a v e l e tt h e o r ya n dp r o d u c e dan e wh a r m o n i cs u p p r e s s i o na l g o r i s m w h i c hh i g hs p e e d t h et e s tr e s u l t sf r o mc c ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di se f f e c t i v e ，w h i c hc a nb e u s e d t oe n h a n c et h eh a r m o n i cs u p p r e s s i o nf u n c t i o no f t h ep o w e rs y s t e m k e yw o r d h a r m o n i c ，r e a c t i v e t h e o r yo f t h r e e p h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ， p 、m m ，d s p ，w a v e l e t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：翌篮担日期：丛：生2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：盈盘煎 导师签名：! ! 茎垒 日期：o 二正厶 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电能的使用是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的重要标志之一，随着电力电子技 术的发展，电力网络负荷的急剧加大，冲击性，非线性负荷容量的不断增长，电网中出现了 电压电流波形畸变、电压波动与闪变，以及三相不平衡等电能质量问题。 理想状态的公用电网是以恒定的频率，标准的电压和正弦波形对用户供电，但因为非线 性电力负荷的大量应用，产生了大量的谐波电流、谐波电压和无功，引发了各种问题。如损 耗增加、效率降低、噪声和过压过热等，严重恶化了电力生产环境“1 。于是各国的电力科技 人员对谐波抑制和无功补偿这方面的课题研究产生了浓厚的兴趣。并且随着电力电子技术的 飞速发展，在这方面取得了一些突破性发展，其中美日两国的科研人员取得了巨大的成就， 而国内目前多处在起步阶段，但也有了不小的进步，因此选择这个课题是很有意义的；另外 从维护绿色环境的角度来看，无谐波就是电力系统环境“绿色”的主要标志之一，所以选择这 个课题研究也是很有实际意义的。 1 2 谐波和无功电流产生的原因及其危害 电网中的谐波主要是由各种大容量变流设备以及非线性负载产生的，谐波的存在使电能 的生产、传输和利用率降低，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。谐波还会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量 增大，造成电容器等设备烧毁；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。 另外谐波还会对通信设备和电子设备产生严重干扰。无功功率则会增加设备容量，增加设备 及线路损耗。引发电网电压的波动，使一些用电设备无法正常工作，降低供电质量”。所以 进行谐波治理和无功补偿是非常有必要的。 1 3 谐波治理和无功功率的补偿措施 谐波和无功，从本质上来看，都可以归结为波形的问题。谐波是工频正弦波畸变，无功 是电压电流波形相位不同“。正是由于这种本质的统一性，可以对电力系统中的谐波和无功 同时进行综合补偿。 谐波抑制的基本思想有两条：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波；二是对电力电子装置 本身进行改造，使其不产生谐波，将功率因数控制为1 。装设谐波补偿装置的传统方法是装 设l c 调谐滤波器，既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单。但其补偿特性受电 网阻抗和运行状态影响，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 毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果不甚理想。目前一个重要趋势是采用有源 电力滤波器( a p f ) 。其基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个 与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流与之相抵消，从而使电网电流只含基波分量。这 种滤波器能很好地对谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的 重视。它实现了动态补偿。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 东南大学硕士学位论文 网阻抗的影响较小，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。所以本文采用有源电力滤波器进行谐波治理和无功补偿。1 1 4 国内外研究概况及发展趋势 传统的无功功率控制方法有很多，同步发电机直接输出无功；使用同步调相机，同步电 动机和并联电容器提供无功。但这些方法都存在无法克服的缺点。本世纪7 0 年代以来，电 力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，使晶闸管控制的静止无功补偿装置( s v c ) 得 到迅速的应用。静止无功补偿器是现阶段广泛使用的无功补偿装置，技术已经很成熟。随着 全控型电力电子器件g 1 o 、i g b t 的发展，一种新型的无功补偿装置静止无功发生器( s v g ) 发展起来”，原理和控制与s v c 有很大不同，是动态无功补偿装置的发展方向。日本和美 国已有少数几台8 0 1 0 0 m v a 的s v g 投入运行。在中国，清华大学和河南省电力公司合作， 自主研制出2 0 m v a 静止无功发生器”1 ，达到国际水平，使我国成为少数几个拥有s v g 自主 知识产权的国家之一。 在谐波抑制方面，传统的抑制方法是使用i x ? 滤波器，但其损耗大，参数易变，不能动 态补偿等缺点已不能满足电能质量的要求。动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电子装置有 源电力滤波器( a p f ) 成为近些年来研究的热点。a p f 是在1 9 7 1 年由s a s a l d h 最早提出。 1 9 8 2 年世界上第一台并联型有源滤波器投入工业应用；1 9 8 7 年t a k e d a 等提出串联a p f 加 并联无源滤波器的混合有源电力滤波器( h a p f ) ：1 9 8 8 年，f z p e n g 等提出串联a p f 加并 联无源滤波器的f i a p f ：1 9 9 0 年，h f u j i t 等提出a p f 与无源滤波器相串联的h a p f ；1 9 9 4 年，h a k a g i 等提出串联a p f 和并联a p f 的h a p f 等等。最近又有人提出统一电能质量调 节器( u p q c ) ”“”。结合并联有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的优点，综合改善电能质 量。现阶段有源电力滤波器的研究方向是如何减少开关损耗，增大系统容量，其中基于 s p w m 的多电平级联变流器是研究的热点”。9 0 年代后期，并联a p f 在日本、美国等国开 始广泛应用。在国内，西安交大、浙大、清华、哈工大等高校正在积极研究，取得了阶段性 成果，其中拓扑结构和控制方法方面取得了一定的成果，但离产业化目标甚远，有很多关键 技术如a p f 大容量化。模块化，标准化有待解决“，还未见到有应用性成果报道。 谐波和无功综合补偿是指在补偿谐波的同时补偿无功，即在a p f 装置中同时补偿谐波 和基波无功。综合补偿谐波和无功的a p f 的拓扑结构与只补偿谐波的a p f 很相似。不同的 是两者的指令运算系统。综合装置不仅检测谐波电流还检测无功电流，补偿电流发生电路产 生的补偿电流中包含基波无功电流。也就是说对有源屯力滤波器的指令系统加以改进就可以 同时补偿谐波和无功。再有两者的容量也有区别，一般综合补偿的a p f 容量大，对器件的 要求更高。 除装设a p f 外，另一条抑制谐波的途径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l ，称之为高功率因数整流器”。 1 5 论文的主要工作以及研究本课题的工作意义 论文中研究的课题是根据中国电能质量现状，谐波抑制和无功补偿的实际情况。追踪当 前课题学术前沿，研究能够同时补偿谐波电流和无功电流的综合控制技术，最后通过m a t l a b 仿真软件实验验证补偿效果。 课题研究的谐波治理和无功综合补偿技术是面向0 4 k v 电压等级的谐波源和无功消耗 2 第一章绪论 大户，如住宅小区。办公大楼以及大型整流装置。实际投入后希望能够降低2 2 0 v 用户流入 电网的谐波，实现用户谐波电流和无功电流的就地补偿，达到较好的效果。 论文中采用有源电力滤波器补偿装置( 即a p f ) 对谐波及无功电流进行综合补偿，主 要论文工作包括以下几个方面： 首先叙述了电力系统中谐波产生的原因，目前研究的现状，分析谐波电流和无功功率对 电网的危害，研究了综合治理谐波和补偿无功功率的办法。重点介绍了基于瞬时无功功率理 论的t t 检测方法，接着以m a r l a b6 5 软件包中的s i m u l i n k 仿真环境为平台，构建了基于 f 。一算法的检测电路的模型，研究了低通滤波器对谐波和无功电流检测的影响，得出了仿 真效果最优的通用滤波方法和滤波器。并在文中第二章的最后部分介绍了三相并联型有源电 力滤波器的拓扑结构、工作原理，系统控制结构框图以及a p f 系统控制方式的选择。研究 结果表明，单独使用的三相并联型有源电力滤波器的混合控制方式的补偿效果最好。 在仿真的基础上，对基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 控制器的综合补偿谐波和无功电流的三相并联 型有源电力滤波器实验系统进行了软、硬件设计。搭建的硬件电路包括：电流和电压信号检 测电路、基于6 s d 3 1 2 e i 驱动模块的p w m 驱动电路、p w m 三相变流器主电路以及保护电 路等几部分。并对搭建的硬件电路进行了m a t l a b 仿真，根据仿真得到的波形可以看出a p f 有源电力滤波装置对谐波的抑制和无功功率的补偿是非常有效的。系统软件部分用d s p 汇 编语言编写，其中包括：定时器中断控制及a d 采样、软件方法实现与电压信号过零同步、 基于f n t 运算方式的谐波和无功电流的计算、直流侧电容电压的稳定控制、串1 ：2 1 通讯程序、 p w m 驱动信号的生成、脉冲的输出控制、外部中断保护控制程序。最后还对暂态谐波进行 了一定的软件分析。 在文章中的最后一部分对谐波的测量计算还引用了当前比较热门的小波分析方法，并且 还自主构造了一个新的小波滤波器进行谐波分析。小波变换作为一种新兴的理论，时频特性 具有良好的局部性，而且由于其高频段采取逐渐精细的时频步长，可以聚焦到分析对象的任 意细节。虽然傅立叶变换可以给出各次谐波分量，但实时性较差，小波变换作为一种调和， 它用不如傅立叶变换的频率分辨率换来了傅立叶变换所不具备的时间分辨率，也就是具有实 时性。而且小波变换本身对信号的奇异点非常敏感，可以用来跟踪那些出现非常突然，消失 也非常突然的谐波信号。这种信号正是谐波检测的难点。根据c c s 软件得到的数据表明，所 构造的新小波滤波器的这种算法具有较好的检测效果，同时具有良好的跟随特性。 1 6 仿真工具简介 本论文的仿真研究采用m a t l a b 软件中提供的s i m u l i n k 仿真环境对三相电路中单独使 用的并联型有源电力滤波器进行仿真分析。作为仿真工具，s i m u l i n k 有着丰富的模型库 ( b l o c k s e t ) ，它是运行在m a t l a b 环境中用于建模、仿真和分析动态系统的软件包，它支 持连续，离散及两者混合的线性和非线性系统，具有直观、方便、灵活的特点，而且仿真的 过程是交互式的，可以随时修改参数，并能够及时看到仿真结果。其库模块p o w e rs y s t e m b l o c k s e t 提供了电力系统建模时的大部分模块，利用它可以正确建模，节省了用户自己建模 所需的精力，本文即利用所提供的模型来实现对并联型有源滤波器的动态仿真。 东南大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器工作机理 2 1 有源电力滤波器检测算法的研究 2 1 1 瞬时无功功率理论 研究谐波和无功电流的综合补偿技术，首先要解决谐波电流和基波无功电流的检测问 题，本论文采用基于瞬时无功功率理论的一i q 检测算法。首先简单介绍一下瞬时无功功率 理论。 在三相三线制电路中。设三相电压，电流的瞬时值分别为： e 。= e is i n c o t ：既s i n ( c o t 一孥) ( 2 1 ) 岛：e ms i n ( c o t + 孕) = ls i n ( 耐一伊) = l s i n ( o j t 一妒一争 = 驯n ( 耐一妒+ 争 由于气+ - e 。；0 ，屯+ 厶+ = 0 所以三相电压和三相电流各只有两个独立分量 将它们变换到a - i ；两相正交的坐标系中，可得： = g 2 le 6 1 4 = c 3 ：l ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 其中： = 叫：苏：纠 ， 在如图2 - 1 所示的口一平面上，矢量毛，和毛，珞分别合成矢量虿和f 。 4 1j 1j气钏胡。ll 第= 章有源电力滤波器工作机理 p ，e i p i b p 刁 磊， b p j i 阳 q 图2 - 1 a - p 坐标系中的电压、电流矢量 i=i。+i8=ez手t(2-6) f=毛+=f么办(2-7) 式中e 、i 为亭、f 的模。 三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量f 在矢量亭及其法线上的投影 ( 2 8 ) 式中：= 丸一谚，i q 示于图2 - 1 上。 三相电路瞬时无功功率g ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量i 的模和三相电路瞬时无功电 流( 瞬时有功电流) 的乘积。即： p 叫?( 2 9 ) g = p 1 4 将式2 - 8 与矿= 戎一谚代入式2 - 9 ，得： 乏地 将式2 - 3 和2 - 4 代入式2 - 1 0 ，得： p = e a i a + e 乒h + e c g ：i 1 【瓴一) + ( e 。一 +眈一)iaeo)i6 ) 9 2 万【瓴一) + ( 巳一 + 眈一 一 从式2 - 1 1 可以看出，三相电路的瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 删州 ； = f | 1 0 1 _ 0 p 臣 东南大学硕士学位论文 2 1 2 基于瞬时无功功率的一运算方式 该检测方法“1 的框图如图2 - 2 。 图中： ， - s i n c o t l c o s 研 图2 - 2 一运算方式的原理图 阼： l f gj ( 2 1 2 ) i a h i b h i c h 如图所示该方法中用到正弦信号s i n r o t 和对应的余弦信号- - c 0 5 c o t ，它们与a 相电网电 压e 。同相位，s i n 研在这里相当于电压矢量亭的c o s 允，- - c o s ( o r 相当于电压矢量亭的 s i n 丸，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电路得到。根据瞬时无功功率 理论计算出、i q ，经l p f 低通滤波器滤波得到、f 。的直流分量、。在这里由于、 是由0 、匆、0 产生的，因此可由、i q 计算出0 、匆、0 ，进而计算出谐波分量如、 、乙 经过证明即使用到的正弦信号s i n c o t 与a 相电网电压p 。基波分量不同相，相差一个相 位角护，也不影响最终谐波分量检测的结果。 当检测谐波和无功电流之和时，只需断开图中的计算通道。只检测无功电流时，只需 对f 。进行反变换即可。 2 2 低通滤波器对谐波电流与无功电流检测的影响 从一运算方式的原理图中可以看出检测谐波电流和无功电流时用到了模拟低通滤 波器l p f ，它的作用是对计算得到的瞬时有功电流和瞬时无功电流滤掉交流部分，保留直流 部分。虽然在理论上比传统的谐波检测方法有很大的改进，但l p f 的类型，截止频率和阶 数的选取对谐波检测电路的动态响应和检测精度有着很大的影响。因为滤波器在响应时有一 个动态过程以及滤波器的精度问题都关系到谐波电流检测的快速性与准确性，这些都是电流 6 = 第二章有源电力滤波器工作机理 检测中的关键。因此选取一个动态响应快且精度高的滤波器非常有必要。 我们选用m a t l a b 软件搭建了检测电路的仿真图来进行低通滤波器的选取“”，如图2 3 所示。 图2 3 选取低通滤波器的m a r l a b 仿真图 首先，低通滤波器类型的选取。常用的滤波器有b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 、b e s s e l 和 e l l i p t i c 滤波器等。把这些滤波器分别加入图2 3 中进行仿真研究，结果发现，同样阶数的滤 波器，当截止频率选得较低时，b u t t e r w o r t h 滤波器的检测精度最高，这是因为它的频率特 性在零点附近最好。如果要求截止频率大一些。则用b e s s e l 滤波器的检测精度最好， c h e b y s h e v 滤波器次之，b u t t e r w o r t h 稍差一些，这是由滤波器阻带的衰减特性决定的。而用 b e s s e l 滤波器动态响应过程最快，依次为e l l i p t i c 和c h e b y s h e v 滤波器。根据所得结论，考 虑综合效果以及谐波检测的实时性，本文选用b e s s e l 滤波器。 其次，l p f 截止频率厂，的选取对谐波电流检测效果也有很大的影响。根据m a t l 曲仿真 分析，对于电网信号砸) = s i n ( 2 t f i ) + s i n ( 1 0 ，) q ) + s i n ( 1 4 0 c t ) ，当l p f 截止频率凡选2 0 0 h 2 时，有很好的动态响应效果，但精度不高，检测波形失真；当截止频率f 选3 0 h z 时， 虽然精度高，但是动态响应过程太慢。所以既要兼顾谐波电流检测电路的动态响应过程，还 要考虑谐波的次数，检测精度。这里选取的截止频率厂。为5 0 i - i z ，动态响应快而且精度也较 高。 最后，阶数的选取对谐波电流的检测效果影响也很大。当截止频率选为5 0h z 时，b e s s e l 滤波器的阶数分别为2 阶和3 阶时，检测得出的电源电流波形分别如图2 - 4 ( a ，b ) 所示。 图2 - 4 ( a ) b e s s e l 滤波器阶数为2 阶时的波形 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 4 ( b ) b e s s e l 滤波器阶数为3 阶时的波形 与图2 4 ( a ) 相比，虽然厂。是一样的，但图2 4 ( b ) 动态响应过程明显变慢。所以阶数选 得高，虽然能提高检测精度，但时延加大，动态响应过程减慢。而且高阶数的l p f 会增加 滤波器的元件数目。进而增加实现费用。所以我们这里选2 阶b c s s e l 滤波器。 2 3 有源电力滤波器拓扑结构的选择 本文所要补偿的是电流源性质的谐波源，这里选用并联型有源电力滤波器。下面对各种 拓扑结构”1 的优缺点大致介绍一下。 1 单独使用的并联型有源电力滤波器，可用于补偿谐波，补偿三相不对称电流，补偿供电 电压的波动，补偿无功功率，可以根据需要连续调节。丽本文所要求实现的功能是补偿 谐波，补偿无功功率，所以该拓扑结构符合本论文要求，且该拓扑结构适用于带感性负 载的整流器负载。 2 和无源滤波器并联的并联有源电力滤波器，这种方案有两种补偿方式：一种是p f ( 高 通滤波器) 主要补偿少量的较高次谐波，大部分谐波由a p f ( 有源滤波器) 补偿，有 源滤波器的容量没有太大的减少；另一种方式是p f 分担大部分谐波，而a p f 是用来改 善整个系统的性能，那么所需容量与单独使用方式相比可大幅度降低，在这两种方式中， a p f 的作用相当于电流控制电流源。缺点是电源与a p f 以及a p f 与p f 之问存在谐波 通道，特别是a p f 与p f 之间的谐波通道，有可能会使a p f 注入的谐波又流入p f 及连 接滤波电容上。而且这种拓扑结构适用于原来有无源滤波器的系统。由于本装置所使用 的场合原先没有无源滤波器，所以该拓扑结构不符合要求。 3 和无源滤波器串联的并联有源电力滤波器，其优点是：a p f 通过的电流为p f 高通滤波 器流过的基波无功电流和谐波电流，不存在过电流的危险。a p f 发生故障也不会危及 电网。由于a p f 连接在p f 三相中性点的附近，电压隔离问题比较简单。流经a p f 的 基波无功电流比较稳定，a p f 的开关和导通损耗可以由p w m 逆变器通过产生一定的基 波电压直接得到补偿。缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。适用于高压电力系统。本 装置主要针对的是0 4 k v 电压系统，所以该拓扑结构也不符合要求。 4 注入电路方式的并联型有源电力滤波器，这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一 种方式，有源电力滤波器的容量取决于其承受的电压和流过a p f 的电流。注入电路方 式是采用电感和电容构成注入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波 器只需承受很小部分的基波电压，从而极大地减小了有源电力滤波器的容量。在注入电 路方式中，为保证补偿电流注入电网与负载的连接处，须合理配置注入电路的几个电感、 电容的参数。此外，有源电力滤波器不能补偿基波无功功率。所以在此处该拓扑结构也 不适合。 8 第二章有源电力滤波器工作机理 综上所述，本文选择单独使用的有源电力滤波器。 2 4 并联型三相有源电力滤波器补偿系统简介 2 4 1 并联型三相有源电力滤波器补偿系统原理图 并联型三相有源电力滤波器补偿系统原理框图“”如图2 - 5 所示，单独使用的并联型有源 电力滤波器是工业实际应用中最多的一种，整个系统由电流检测，指令电流运算电路。补偿 电流发生电路，p w m 信号产生及驱动，直流侧电容电压稳定环节等组成。指令电流运算电 路主要是用来检测被补偿对象中的谐波和无功等电流分量，其采用的算法是前面所介绍的基 于瞬时无功功率理论的一运算方式。补偿电流发生电路是根据指令电流运算电路得出的 补偿电流的指令信号产生实际的补偿电流，通过控制器d s p 来控制主电路三相桥整流器的 开关状态。主电路采用p w m 变流器，产生补偿电流前作逆变器工作，但它不仅仅工作在逆 变器状态下，当电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就工作在整流器状态下。 负载为三相桥式全控整流桥谐波源，整流桥直流侧为阻感负载。t 1 为整流变压器。 图2 - 5 并联型三相有源电力滤波器补偿系统原理框图 有源电力滤波器的工作过程是，根据补偿目的得出补偿电流的指令信号e ，产生补偿电 流。因为本文要同时补偿谐波和无功功率，所以指令电流运算电路产生的补偿电流的指令 信号e 应与负载电流的谐波及基波无功分量之和大小相等、极性相反，补偿后的电源电流应 与负载电流的基波有功分量磅完全相同 9 东南大学硕士学位论文 2 4 2 系统控制结构图 从图2 - 6 中我们可以看出，为了控制p w m 变流器直流侧电容电压保持不变，我们采用 了一个电压环控制，通过霍尔电压传感器采样直流侧电容电压巩信号，与参考电压值u 。 比较，得到的差值经p i 调节器后叠加在有功电流的直流分量上，经运算在( 中包含一定 的基波有功电流，补偿电流发生电路根据c 产生补偿电流t 注入电网。使得有源电力滤波器 的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧发生 能量交换，将巩调节至给定值。 图2 - 6 系统控制结构图 2 4 3 有源电力滤波器控制方式的选择 为了使有源电力滤波器得到较为理想的补偿效果，必须选择一种适当的控制方式。一般 来说。并联型有源电力滤波器有三种控制方式。 1 检测负载电流控制方式。这种方式的指令电流运算电路的输入信号取负载电流，在 这种方式下它能够较好地补偿谐波和无功电流，但是由于实际补偿的电流是瞬时跟踪补偿电 流信号，补偿后的波形微观上看呈锯齿状，注入电网后，电源电流也呈锯齿状跟踪理想的电 源电流。由于存在连接电感，波形中还存在一些尖顶的毛刺，实际补偿的电流不可能象检测 出的补偿电流信号那样存在电流的不连续突变。而且波形峰值处的毛刺比其他地方更大，这 是因为采用的定时滞环控制方法在电流变化平稳时开关频率过高引起的。所以呢，虽然这种 方法有较好的补偿效果，但是在i g b t 高频通断阶段，会在工作频率附近产生高次谐波。一 般在实际应用中，往往在p w m 主电路中并入一个高通滤波器，滤除补偿电流中的毛刺，使 波形更加平滑。但是却又会引发另外一种问题，就是谐振，使补偿后的电源电流波形发生畸 变，有时会使补偿效果更差。 2 检测电源电流控制方式。检测负载电流控制方式相对a p f 来说是开环控制，而检测 电源电流则因电源电流的反馈而构成闭环控制系统，它把产生谐振的传递函数g z ( s ) 包括在 闭环内，选择恰当的校正环节即可抑制谐振。o z ( s ) 在这里的作用是抑制i - - i p f 和电网阻抗之 间的谐振，不承担补偿谐波电流的任务。但是这种方式会由于g z ( s ) 传递函数的放大倍数过 大导致闭环系统的不稳定。 3 复合控制方式。把1 和2 两种控制方式结合起来，指令电流信号的输入取负载电流 信号。而电源电流及校正环节g ( s ) 的作用则是抑制谐振，g ( s ) 的放大倍数不必太大保证了系 统具有良好的稳定性，并且还具有很好的谐波补偿效果。 1 0 第二章有源电力滤波器工作机理 根据这三种控制方式，在m a t l 曲仿真软件中分析可以得到如下不同的波形如图 2 - 7 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 图2 - 7 ( a ) 检测负载电流控制方式下的补偿后电源电流波形图 图2 - 7 ( b ) 加入高通滤波器后的补偿后电源电流波形图 图2 - 7 ( 0 复合控制方式下的补偿后电源电流波形图 可以看出复合控制方式下补偿后的电源电流波形最好，电源电流的谐波总畸变率最小。 东南大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先介绍了瞬时无功功率理论和基于瞬时无功理论的一运算方式，研究了低通 滤波器对谐波和无功电流检测的影响，得出仿真效果最优的通用滤波方法和滤波器。最后在 本章的后两节介绍了有源电力滤波器的拓扑结构、工作原理以及a p f 系统控制方式的选择， 系统控制结构图。关于有源电力滤波器的软硬件设计、各个器件的参数选择以及m a t l a b 的 仿真分析将在后面章节中介绍。 1 2 第三章有源电力滤波器的硬件设计以及m a t l a b 仿真分析 第三章有源电力滤波器的硬件设计以及m a t l a b 仿真分析 前面简要地介绍了一下并联型三相有源电力滤波器补偿系统的结构以及工作原理，这里 将着重介绍有源电力滤波器的硬件设计，各个功能模块参数的选择以及m a t l a b 仿真分析。 这个装置主要针对的是o 4 k v 电压等级电力系统的谐波治理和无功补偿。其核心部分 d s p 控制系统主要完成以下几个方面的功能作用： 1 检测非线性负载电流么和么与a 相电网电压信号圪，按照一算法计算出所要 补偿的谐波和无功电流作为指令电流； 2 检测有源电力滤波器连接电感上的补偿电流t 和。按照滞环比较器控制算法产 生p w m 驱动脉冲使其跟踪指令电流； 3 检测p w m 变流器直流侧的电压，通过p i 调节器控制直流侧电压使其保持稳定； 4 提供装置的各种保护功能。 3 1 系统的组成及模型的选择 3 1 1 非线性负载模型的选择 本装置主要是在实验室的条件下进行分析研究的，实验室一般最大的承载电流为2 a 左 右，实际应用中电流大小则远远大于这个。一般达到几十、几百安培。这里按照实验室的条 件来选取电阻值和电感值，选三相桥式整流负载为非线性负载。负载电流按最大2 a 来计算， 直流侧电阻为5 0 0 0 ，电感1 0 h 。整流电路的触发延迟角万6 ，负载电流中存在谐波和无功 电流。电源和负载之间的线路电阻为1q ，电感为2 m h ；滞环比较器的环宽h 为0 2 a ； 设三相电压为有效值2 2 0 v ，频率5 0 h z 的正弦对称电压。根据三相桥式整流器的电路 参数可以计算出非线性负载直流侧的电压u d 为 u = 1 3 5 u ，c o s a - - 4 4 5 5 v式中u l 是线电压有效值。 3 1 2 主电路模型参数确定 ( 1 ) a p f 容量的确定： 并联型有源电力滤波器的容量主要由流入有源电力滤波器的电流和加在有源电力滤波 器上电压的有效值来确定。实际计算时通过计算非线性负载一相( 这里选a 相) 的谐波峰值 电压( 么。和非线性负载流入电流的最大值屯。的乘积来得到，即： f = 3 睨一乞。 ( 3 1 ) 根据计算，非线性负载电流的最大值为1 4 5 a 。相电压最大值为2 2 0 v ，所以这里有源 东南大学硕士学位论文 电力滤波器的容量为0 9 5 7 k v a 。 ( 2 ) 主电路电力电子器件的选择 目前，有源电力滤波器主电路采用的电力电子器件多为g t o 和i g b t 。近年来还出现 了一种新型有源电力电子器件i g c t 有望用于有源电力滤波器主电路。对于大容量的有源电 力滤波器一般选g t d 作为主电路器件，但因其工作频率较低，对高次谐波的补偿效果较差， 一般采用多重化技术来提高其等效频率。对于中、小容量的有源电力滤波器一般选用i g b t 作为主电路器件，由于i g b t 的工作频率很高，所以对高次谐波的补偿效果比较好。但是当 其工作在较高频率时，损耗加大，补偿效果降低。i g c t 在器件容量、控制手段等方面具有 一定的优势，可用于大容量的电力有源滤波器，但因价格较高限制了其适用范围“。所以本 文选用i g b t 模块。 i g b t 额定工作电压的选择既要考虑主电路直流侧电容电压和交流侧电网电压，又要考 虑到开关产生的浪涌电压的影响，故其额定电压要高于直流电压加上叠加在直流电压上的浪 涌电压。通常，对于电压低于交流2 2 0 v 的系统，一般选用额定值为6 0 0 v 的i g b t ，而对于 输入电压高于2 2 0 v 小于3 8 0 v 的电力电子设备，一般选用1 2 0 0 v 的i g b t 。器件的电流可 根据最大补偿的电流值，再考虑一定的裕量来选取。器件的工作频率则由实际补偿对象和具 体补偿要求来确定“。所以本系统中选用了3 个e u p e c 公司的f f l 0 0 r 1 2 k s 4 快速i g b t 模块，额定电压为1 2 0 0 v ，额定电流为1 0 0 a 。最大开通时间为0 1 p s ，最大关断时间为0 5 3 u s 。 本论文主要进行的是结合1 5 0 k v a 超导线圈和锂电池一电容组合式s v g - - a p f 的研制 工作，因为超导线圈对i g b t 的要求很高，1 g b t 模块的安装、过压和过热问题的处理是否 得当直接关系到所研制装置的成败。在这里有必要对i g b t 通态损耗和开关损耗引起的过热 问题进行分析。对杂散电感引起的过电压及容性母线的设计进行讨论，并给出了计算实例和 实验结果。 下面先介绍一下i g b t 的内部结构，图3 1 是某种型号i g b t 的透视图和芯片布置图。 从图3 - 1 可以了解到：i g b t 内部使用的是集成电路芯片；i g b t 和续流二极管芯片到模 块引出线之间是由多股细铝丝连接而成，存在杂散电感；模块外部的引出线根部与底板的连 接非常薄弱。一般几公斤的拉力就能使内部连接损坏。在安装过程中这种拉力有时很难察觉， 例如某单位在安装i g b t 模块的过程中，由于用力过大，在试验时电压仅升到二十几伏模块 就击穿了。 1 4 第三章有源电力滤波器的硬件设计以及m 砒l a b 仿真分析 图3 - 1i g b t 内部结构图 一杂散电感对i g b t 的影响 在强电工程中，杂散电感只在频率较高的情况下才会显现出来。i g b t 的杂散电感和杂 散电容分布如图3 - 2 所示，其中模块外部的杂散电感是由用户负责，模块外部的杂散电感主 要是i g b t 直流侧电感。 图3 - 2i g b t 杂散电感与杂散电容 东南大学硕士学位论文 杂散电感l 对i g b t 的影响可通过下式计算： 吃=三磊di+(3-2) 其中吃为加在i g b t 发射极和集电极之间的电压，为直流电容电压。d d t 为i g b t 中的电流变化率，i g b t 开通和关断时这个数值非常大由于i g b t 内部是集成电路芯片， 耐压能力比较差，如果杂散电感产生的电压较大，即使装置的输出功率不大，产生的过电压 也能轻易地将i g b t 击穿。所以一般要求直流母线的杂散电感小于5 0 n h ，越小越好。 虽然i g b t 直流侧用短而粗的铜排直接连接，看上去杂散电感很小，但是对于大功率器 件i g b t 来说非但不小，甚至不能容许。一般杂散电感与电流回路包围的面积有关，如图 3 - 3 所示。 图3 - 3 杂散电感与电流回路关系示意图 对于导线半径为a 、线圈半径为b 的单匝圆线圈，其外自感l 为： = 肿( 2 - k 2 ) 1 k ( k 一) - 2 e ( k ) 式中k = 而了r 矿面两万 ( 3 - 3 ) 设b = 1 0 c m ，a f f i l m m , 则计算可得k - - - o 9 9 9 9 8 7 5 ，l ( ( k ) 娟6 8 4 6 5 0 4 ，e ( k ) = 1 0 0 0 0 7 7 3 ，杂散电感 l = o 5 8 8 7 小，远远大于几十纳亨。 直流母线的杂散电感不仅与电流回路包围的面积有关，还与直流母线的布置方式有关， 图3 - 4 示出了3 组布置方式下杂散电感的差别，其中第一组下面布置方式的杂散电感仅为上 面的2 0 ，第二组下面布置方式的杂散电感为上面的3 0 ，第三组下面布置方式的杂散电 感为上面的5 0 ，因此这里直流母线的布置方式选取第一种布置方式。 1 6 出 2 、j x 2 s0c 2 ，彤一l n“po f j j 、， 七 ，l e m f 。 = ) 鬈 第三章有源电力滤波器的硬件设计以及m a t l a b 仿真分析 图3 4 三组布置方式的杂散电感 二温度对i g b t 的影响 i g b t 在任一运行状态下的最大允许结温为1 5 0 c ，壳温则更低。e u p e c 和s e m i k r o n 新 产品的参数以壳温为8 0 c 时标定，如e u p e c 公司的i g b t 模块f s 4 5 0 r 1 7 k e 3 的定义是指在 壳温为8 0 c 时i g b t 中所能通过的最大电流为4 5 0 a 。 i g b t 在各种运行工况下的结温需结合i g b t 模块总功耗、散热器尺寸和冷却风机的类 型及流量等进行周密计算，在试运行研制期间需进行全面测试，以确保所选散热器和冷却风 机流量满足要求。 通常i g b t 的通态电压与负载电流及结温的关系用，o ) = a + b x + c x 2 或直接