（电力电子与电力传动专业论文）统一电能质量调节器测控方法的研究.pdf

a b s t r a c t t h ep o p u l a r i t yo fp o w e re l e c t r o n i c sb r i n g sc o n v e n i e n c et oe n e r g yc o n v e r s i o na n d u t i l i z a t i o no no n eh a n da n da l s ob r i n g sn e g a t i v ei m p a c tt op o w e r q u a l i t yo nt h eo t h e r h a n d ，s u c h a sh a r m o n i cc o n t a m i n a t i o n ，e x c e s s i v er e a c t i v ep o w e rc o n s u m p t i o n ， u n b a l a n c e ，v o l t a g ef l u c t u a t i o na n dv o l t a g es a g a c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n i q u ep l a y sa m a j o rr o l ei ns o l v i n gt h ep r o b l e m u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ( u p q c ) i so n eo f t h ee x a m p l e s i tn o to n l yc o m p e n s a t e st h ed i s t o r t i o no fw a v e f o r m ，b u ta l s os e lv e sa s d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r t h i sp a p e rd i s c u s s e san e wt o p o l o g yo fu p q c ，i nw h i c ht h e c o n v e n t i o n a lu p q cw a sd i v i d e di n t oav o l t a g ec o m p e n s a t i o ns e c t i o na n dac u r r e n t c o m p e n s a t i o ns e c t i o nr e s p e c t i v e l y t h ev o l t a g ec o m p e n s a t i o ns e c t i o nc o m p r i s e sav o l t a g es o u r c ei n v e r t e rc o n n e c t e dt o g r i di ns e r i e sb yas i n g l e p h a s es t e p - u pt r a n s f o r m e r t h ec u r r e n tc o m p e n s a t i o ns e c t i o n e m p l o y sat h r e e - p h a s es w i t c h e dc a p a c i t o rc o n n e c t e di np a r a l l e lt ot h eg r i d s u c h t o p o l o g yr e q u i r e sl o w e rd cv o l t a g e ，s ot h ec a p a c i t a n c eo ft h ec a p a c i t o ra n dt h e nt h e t o t a lc o s t sc a nb ee f f e c t i v e l yr e d u c e d t h i sp a p e ra l s od e v e l o p e das o f t w a r e b a s e ds y n c h r o n i z em e t h o df o rd e t e r m i n i n g t h ec o m p e n s a t i o ns i g n a la c c o r d i n gt ot h eg r i dv o l t a g e t h i ss o f t w a r e - b a s e dm e t h o d ， a t t e m p tt od e r i v et h eu n i t yf u n d a m e n t a lc o m p o n e n t o rp o s i t i v es e q u e n c ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n to ft h ep h a s ev o l t a g eb yu s i n gf o u r i e ra n a l y s i sa n ds y m m e t r i cc o m p o n e n t m e t h o d ，h e l p st os i m p l i f yt h eh a r d w a r ed e s i g n t h e nt h es y n c h r o n i z i n gs i g n a lc a nb e c a l c u l a t e dt or e a l i z et h es y n c h r o n i z a t i o no f v o l t a g ea n dc u r r e n tc o m p e n s a t i o n i nt h e v o l t a g ec o m p e n s a t i o ns e c t i o n ，t h er e f e r e n c es i g n a li sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h e s t a n d a r dv o l t a g es i g n a lw h i c hi sd e t e r m i n e db yap r e s e td e s i r e dr m sl o a d i nt h e c u r r e n t c o m p e n s a t i o ns e c t i o n ，t h e s t a n d a r dc u r r e n ti sc a l c u l a t e d u s i n g t h e i p i qc a l c u l a t i o nm e t h o d i 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 rt h e o r y t h e nt h ec u r r e n t c o m p e n s a t i o nr e f e r e n c es i g n a lc a nb ed e r i v e d t h ev o l t a g ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi sar e n o v a t e ds v p w m m e t h o d ，w h i c hi sm o r e s i m p l ea n df a s t e r t h ec u r r e n tc o m p e n s a t i o ns t r a t e g yi san o v e lc o n t r o lm e t h o db a s e d o nn e u r a ln e t w o r kh y s t e r e s i sl o o p a l lt h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e sw e r es i m u l a t e du s i n g t h em a t l a b ，a n df a i r l ys a t i s f a c t o r yr e s u l t sw e r es h o w e di nt h es i m u l a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , 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 ，a c t i v ep o w e r f i l t e r , v o l t a g ec o m p e n s a t i o n ，c u r r e n tc o m p e n s a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加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，也不包含为获得苤盗盘鲎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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢哥鸱 签字隅加7 年月习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 专鸱 导师签名： 答字r 期：砷年f 月刁日 签字嗍： 7 嗣 谚卞净 虻7 第一章绪论 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。我 国国民经济持续稳定的发展，与我国电力事业的进步和发展有着密不可分的联 系。由于电力电子技术的发展与其应用的日益广泛，以及电力网络负荷的急剧加 大，特别是冲击性、非线性负荷容量的不断增长，从而引发了电网电压电流波形 畸变、电压波动与闪变，以及三相不平衡等电能质量问题。因此，电网污染的治 理必将会像环境污染治理一样，成为国民经济可持续发展的需要，而受到充分重 视。 1 1 电能质量的基本问题及其危害 理想的三相供电系统中，电能总是以单一恒定频率和稳定的电压由电源流向 负荷；在电能传递和转换过程中，电源电压波形应该始终保持正弦波，并且希望 供电线路产生的损耗最小和提供最大的电能给用户。即理想的三相供电系统应该 保持三相平衡对称，并且电压电流波形皆为正弦波，且功率因数为1 。然而，现 实的配电系统是复杂的非线性系统，由于供电系统中的非线性元件和负荷的原 因，配电系统中的电压和电流波形经常会偏离理想的正弦波，目前，i e e e 电能 质量标准委员会推荐采用如下几种术语对电能质量问题进行分类：电压骤降 ( s a g ) 、电压骤升( s w e l l ) 、闪变( f l i c k e r ) 、供电中断( i n t e r r u p t i o n ) 、谐波 ( h a r m o n i c ) 、三相不平衡( u n b a l a n c e ) 。另外，负载无功功率问题也会造成大量 的电能损耗与无功冲击等问题，它虽然不属于电能质量范畴，但它与电能质量问 题紧密相关，因为产生谐波、电压闪变等电能质量问题的电力电子装置同时大都 也是消耗基波无功的装置。上述这些电能质量问题无论对供电系统本身还是对用 户都有一定的影响，其主要表现为以下几个方面： l 使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的 效率： 2 影响各种电气设备的正常工作。对电机的影响除了引起附加损耗外，还会 产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。使电容器、电缆等设备 局部过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏； 3 过配电系统的各种电容器和电抗器会进行谐波放大和谐振； 4 导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确： 第一章绪论 5 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；重者导致 信息丢失，使通信系统无法正常工作等； 6 对于那些对电能质量有较高要求的生产过程，会严重影响其产品的质量。 因此，改善电能质量的需求己愈来愈高。仅就谐波一项，我国至少有7 0 以 上工厂的电网需要治理，世界各国也非常重视谐波治理问题，制定了各种限制谐 波的法规。目前，改善电能质量的手段和设备比较单一，主要包括无源滤波器、 有源电力滤波器、静止无功补偿装置( s v c ) 以及一些不问断供电电源。随着人 们对用户电力技术概念的内涵进一步深入理解，电能质量的治理工作不是简单的 几个孤立设备的投入问题，而是一个系统工程。 1 2 电能质量问题解决办法 柔性交流输电技术( f a c t s ) 和用户电力技术( c u s p o w ) 是快速发展的姊妹 型新式电力技术。两者共同的基础技术都是电力电子技术，各自的控制器在结构 和作用上有许多类似之处，只是f a c t s 控制器面向高压交流输电系统，主要解 决交流输电中的潮流灵活控制问题；而c u s p o w 技术面向中低压配电系统，主要 解决供电的可靠性和电能质量控制问题。现代电力电子技术高速发展的一个显著 标志就是电力电子器件的高频化和集成化，这使得c u s p o w 技术比f a c t s 具有 更好的发展空间。电力电子的高频化会给传统的供配电技术带来革命，许多原来 在频域内处理和理解的问题又回到在时域处理和理解。 电能质量问题解决的手段大致分为三种： 1 减少谐波发生，抑制谐波首先可以从源头入手，减少谐波的发生。具体方 法包括：a 、开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率因数为1 ，例如单位功 率因数变流器；b 、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。 2 无源补偿，即传统的l c 调谐滤波器。这种方法既可滤除谐波，又可补偿 无功功率，而且结构简单，成本低，是当前谐波补偿最主要的手段。这种方法主 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。它只 能补偿固定频率的谐波，补偿效果不甚理想。 3 有源补偿，理论上只要电力电子开关器件的开关频率足够的高，它就可以 滤除所有频率的谐波分量和分数次分量。它的缺点是由于开关器件容量的限制， 它的补偿容量有限。故现在多与l c 滤波器混合使用。 本文所研究的内容就属于有源补偿，因此，下面主要介绍一下有源补偿相关 技术。 2 第一章绪论 根据电能质量的各种问题，有源补偿的研究重点各有侧重，主要有有源电力 滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r s ) 、静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t o r ) 和动态电 压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 等。 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 ) 是一种用于动态抑制谐波和补偿 无功的电力电子装置，它能对幅度和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补 偿，并可以克服无源滤波器的许多缺点，有源电力滤波器特性不受系统阻抗特性 的影响，可消除与系统阻抗发生并联谐振的危险。还具有自适应能力可自动跟踪 补偿变化的谐波，是一种很有前途的谐波抑制方法。有源电力滤波器系统分为两 部分，一部分是指令电流运算；另一部分是补偿电流发生，它是由电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路三个部分构成，按照其与电网连接的方式分为串联型和 并联型。并联型有源电力滤波器由指令电流运算得出补偿电流指令信号，然后将 指令电流运算得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，从本质上它相当 于一个流控电流源【，而串联型有源电力滤波器通过变压器以串联方式与配电系 统相连，它检测分解出谐波电流量后，控制主电路开关在串联变压器上产生一个 k 倍于谐波电流量，零倍于基波电流的补偿电压，等效于一个对谐波呈大阻抗， 对基波呈零阻抗的电阻以隔离谐波，阻碍谐波流向电网，从本质上讲它相当于一 个流控电压源睇1 。 动态电压恢复器是一种用于动态抑制电网电压谐波、骤降、闪变等电压质量 问题的电力电子装置，目的是为负载侧提供三相平衡且恒定频率和恒定幅值的正 弦电压。其与电网连接方式通常与串联a p f 相同，在本质上，d v r 等效为一个 以电源侧电压为控制量的压控电压源，其与串联a p f 不同之处在于检测控制方 式，并且d v r 不但要补偿谐波电压，还要补偿电网电压骤降等问题引起的基波 电压变化，而d v r 的直流电压由储能装置经升压提供，所以对电源电压基波幅 值变化进行补偿时，只能在一段时间内有效，如果补偿电网电压欠压时间过长， d v r 持续向外释放能量，那么储能装置的能量也持续下降，当降低到一定程度 时，直流电压会迅速跌落，导致d v r 无法正常工作，必须退出电网充电。 随着计算机技术和信息自动化技术的飞速发展，高密集的计算机网络系统、 微机化测控仪器、计算机控制系统、不间断电源、变频器以及可控整流电源大量 使用在电力系统中，各种设备的电源供给通常直接或间接采用低频相控或不可控 整流器，导致电能质量水平大大下降，同时用户对电能质晕也提出更高要求。所 以作为支撑c u s p o w 技术的控制设备希望具有对电能质量的更全面控制功能，因 此，日本学者1 9 9 6 年在分析“有源电力滤波器新趋势”p l 。文中首次提出统一 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 - - u p q c ) 的概念，它集中 c u s p o w 技术中的电能质量控制功能，可快速补偿供电电压中的骤升或骤降、波 第一章绪论 动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断等。 有关u p q c 的技术和试验研究在各国均得到不断加强，西门子公司已生产出系 列p q c 装置，它给予i g b t 的p w m 换流器，是并联型有源电力滤波器和串联 型有源电力滤波器的组合，是众多此类研制品中较有代表性的产品。 1 3 统一电能质量调节器的研究现状 u p q c 的研究包括理论、拓扑、测量和控制等方面的研究内容。从u p q c 的 诞生开始就与有源电力滤波器紧密相关，因此，谈到u p q c 的研究现状就必然 涉及到有源滤波器的研究现状。 自1 9 7 6 年g y u g il 等提出有源电力滤波器的概念以来，随着大功率高频电力 电子技术的发展，有源电力滤波技术的研究不断得到加强。在有源滤波器系统拓 扑结构方面，电力电子器件的每一步进展必将推动有源滤波器的进步，由于有源 滤波器可以使用电压逆变器和电流逆变器两种主电路，在接入系统形式上又分为 串联和并联，这些系统可分别吸收谐波电流，补偿谐波电压，还可以阻尼谐波振 荡。在补偿分量检测方法方面，人们一开始希望从非正弦电路的无功功率定义入 手解决补偿分量检测问题。2 0 世纪初，罗马尼亚和波兰科研人员分别提出了无 功功率理论，这些理论主要解决正弦波系统电能计量问题，对于非线性电路而言， 上述理论很难应用于电能计量。由于高频电力电子器件的不断发展，人们转而研 究时域的无功功率的定义问题，目前最有影响力的就是a k a g ih 提出的建立在三 相对称的正弦波系统的瞬时无功理论。其最大的意义就是突破传统的频域定义无 功功率的方法，对实时无功功率控制和有源滤波器的实际应用起到了很大的推动 作用。国内在电能质量控制方面的研究大多局限在谐波问题的范围内，也提出和 开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，包括各种有源电力滤波 器、动态无功补偿装置、电能质量综合补偿装置以及动态电压恢复器等，与国外 的差距是非常明显的。 并联型有源电力滤波器在补偿谐波过程中会对电源产生谐波电流干扰，即使 采用复合式控制方式这种问题都不可避免；而串联型有源电力滤波器可起到负载 和电源之间的谐波隔离作用，但是如果系统中仅用串联有源滤波器隔离谐波，必 将导致负载的供电电压严重畸变。因此，1 9 9 6 年a k a g ih 在总结串联和并联有 源滤波器各自特点的基础上，按f a c t s 技术中的统潮流控制器思路提出了 u p q c 的概念。其基本思路是串联补偿检测电源电流，通过控制使补偿点对谐波 频率呈大阻抗，而并联补偿检测补偿点电压，通过控制使补偿点对谐波频率呈低 阻抗，这样一方面可基本维持负载供电电压质量，另一方面可补偿谐波电流，这 4 第一章绪论 种u p q c 主要适用于主配电变压器出口的谐波电流补偿。1 9 9 8 年a k a g ih 等提 出适合补偿电压闪变维持负荷供电电压波形的u p q c 拓扑结构【4 】，并对适合补偿 谐波电流和抑制电压闪变的控制策略进行了深入研究，重点分析了u p q c 内部 的瞬时有功功率和无功功率潮流控制，通过实验进一步证实u p q c 在改善电能 质量中的有效性。另外，德国西门子公司将逆变器直流测电容改为蓄电池，使得 u p q c 包含不间断电源的一些基本特征，负荷电能质量综合治理装置的基本功 能，从而使u p q c 涉及到用户侧的有功潮流控制问题，具有更大的实际意义。 我国的u p q c 研究仍处于试验阶段，大多数更处于理论仿真研究阶段，本文针 对客户端小功率敏感、非线性负载，对u p q c 的拓扑结构、检测算法及控制方 法在理论上作了一些有益的研究。 1 4 本文的主要研究内容 本文在参考了大量国内外相关文献的基础上，针对客户端小功率敏感、非线 性负载，探索了一种以补偿电网谐波电压、电流和无功电流为控制目标的统一 电能质量调节器，将统一电能质量调节器分为两部分：电压补偿部分和电流补偿 部分。 电压补偿部分主电路采用电压源型逆变器通过三个单相升压变压器串联接 入电网，电流补偿主电路设计了一种三相切换电容主电路并联接入电网，这样的 拓扑结构补偿部分需要的直流电压较小，相应的电容也会减小，而且切换电容主 电路虽然需要三个电容、三个电感，但是容量都很小，因此本文设计的这种拓扑 结构大大减小了u p q c 的体积与成本。 u p q c 的控制参考信号的获取方法，采用首先从实际信号中提取标准信号， 然后用所提取的标准信号减掉实测信号作为控制参考信号的方法。标准信号提取 时，为了简化硬件电路设计，参考信号与电网电压的同步采用了软件同步的方法， 即利用软件算法从电源电压中提取出单位基波或基波正序分量作为同步信号，软 件算法采用基于傅立叶分析和对称分量法得到相电压单位基波分量或基波正序 分量，以此作为电压补偿和电流补偿共同的同步信号，以实现两者的同步协调。 电压补偿部分采用人为设定负载期望有效值的方法进一步获得标准电压信号，从 而获得电压补偿参考信号，而电流补偿部分采用瞬时无功功率理论的i 。一i 。运算 方式获得电流标准信号，从而获得电流补偿参考信号。 电压补偿部分的控制策略是一种简单快速s v p w m 方法；电流补偿部分的控 制策略采用神经网络滞环控制。在m a t a l a b 的s i m u l i n k 仿真环境下，建立了仿真 模犁，仿真结果显示此种策略的统一电能质量调节器控制效果良好。 5 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 2 1u p q c 基本拓扑结构 1 9 9 4 年，日本学者a k a g i h 提出了一种并联型有源滤波器和串联型有源滤波 器混合结构，与f a c t s 技术中的统一潮流控制器类似，称之为统一电能质量调 节器。其基本拓扑结构如图2 - 1 所示。 努联 串联 图2 1u p o c 基本拓扑结构 由图中可见，它是由两个通过电容器耦合的背靠背电压型逆变器组成，一侧 通过变压器串联入电网，另一侧与电网并联。这种基本的u p q c 拓扑结构还有 一种串联侧与并联侧接入顺序前后颠倒的形式。其中串联有源滤波器的作用是隔 离谐波，阻止谐波电流从负载流进电源或从电源流进负载；并联有源滤波器的作 用主要是补偿负荷产生的谐波电流。通过选择适当的控制策略，u p q c 同样可用 于无功功率控制、电压闪变或不平衡的补偿。如果直流测电容器改成直流电源， u p q c 还可以进行有功功率的控制，实现动态电压恢复、不间断电源供电等功能。 基本的u p q c 拓扑结构由于电力电子器件的限制，要实现大功率电路相当困 难，而且成本很高，因此在实际应用中通常与无源补偿装置联合使用，由于本文 所设计的u p q c 主要针对小功率客户端负载，因此在此不再对这种拓扑结构作 介绍。 这种基本的u p q c 拓扑结构由两个背靠背电压型逆变器通过电容器耦合而 成，为了满足两个逆变器的控制需求，一般电容器都比较大，体积大，成本高， 另外在控制过程中，由于两者耦合在一起，容易影响彼此的控制效果。考虑到这 种基本的u p q c 拓扑结构的这些缺点，本文从u p q c 的控制目标出发，把u p q c 6 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 分成两部分：电压补偿部分和电流补偿部分。并分别研究两部分的拓扑结构，探 索一种电压补偿部分与电流补偿部分结构相对独立的u p q c 拓扑结构。 2 2 电压补偿部分拓扑结构的研究 电压补偿a p f 的基本拓扑结构如图2 2 所示，主要有三种结构5 】【6 】。 移，口， 饥栈 曲串联式 u 目j b ) 并联式 伍 骏 c ) 串并联式 图2 2电压补偿a p f 的基本拓扑结构图 图2 2 a 为串联式，其主功率回路系统由能量存储单元、直流电压稳定与滤波 单元、电压源变换器( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r - v s c ) 型全控型逆变器又称电压 源型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r - v s i ) 、滤波器以及串联、保护与控制等单元 组成。图2 2 b 所示的主功率回路系统、控制系统的结构与串联式的结构非常接 近，但它通常不采用能量存储单元，只为系统提供无功，通过并联方式接入系统。 这类控制器并不是直接补偿负荷电压，而是通过对无功电流的控制来实现电压调 整，通常被称为静态无功发生器或静态补偿器，它通过发出或吸收无功电流来补 偿有限的电压跌落。图2 2 c 所示的则是将串联补偿电路与并联补偿电流结合起 来的一种拓扑结构，使能量可以双向流动，对供电系统电压骤升的抑制非常有用。 7 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 本文采用图2 2 a 所示的串联式电压补偿方式，这种补偿方式直接补偿电压的 差值，具有补偿容量小( 只需提供补偿电压部分相应的功率) 、补偿效果与系统 阻抗以及负荷功率因数无关等特点。下面分别对其主功率回路系统中的能量存储 单元、直流电压稳定与滤波单元、电压源变换器型全控型逆变器、滤波器等单元 进行分析。 能量存储单元具有在电压跌落期间给负载提供有功功率的作用，因而必须具 有一定的能量存储与功率交换能力。储能设备的冲放电多采用直流，因而还需要 相应的变换与控制电路。典型和潜在的储能设备包括：电池、超级电容、超导储 能以及飞轮储能等【7 1 。这其中，铅酸电池是采用铅及其化合物作为正、负极的活 物质并以稀硫酸作为电解液的二次电池，是最为成熟的电池技术；此技术成熟、 价格低，电路简单。另外如考虑到能长时间补偿有功电压跌落，可由p w m 整流 器提供能量，但是这样一方面要保证能量的供给，同时也要保证整流电路不会对 电网造成新的污染。本文更倾向于使用p w m 整流电路，本文对这部分的未作具 体实现方面的研究，仅就其在u p q c 中接入电网的位置作一选择，具体将在下 文中有所体现。 滤波单元通常由电容器实现，电压较高时，可通过均压控制的电容器组合 而成。因为串联a p f 的滤波器必须能够有效滤除开关谐波，保证基波幅值以及相 位的不失真传递，并且能确保低次谐波不予放大，通常采用r 形结构来实现，如 图2 - 3 所示： 1 图2 3 滤波器电路 高压大容量串联有源滤波器中，补偿电压是利用串联升压变压器接入电网的。采 用这种主接线方式不仅可以使逆变器部分与电网隔离，还能降低逆变器部分所承 担的电压，以降低对逆变器输出电压能力的要求，因此可选择较低的电压。当然， 逆变器产生的高次谐波将增加变压器的容量，而且，串联升压变压器会引入附加 的相移和压降，降低控制器的性能。因此滤波器的位置将对补偿的性能带来影响。 如果将滤波器放置在逆变器侧，则可以降低串联变压器的设计容量，这主要是因 为滤波器可以将逆变器输出补偿电压中的高次谐波滤除。但是，滤波器也会引起 相移和幅值的衰减，给滤波器和控制器的设计带来了难度。如果将滤波器放置在 线路侧，则可以利用变压器漏感作为滤波电感，从而减少一个滤波电感，而且， 滤波器对于控制系统的影响将减小，其缺点在于串联变压器要处理高次谐波功 8 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 率，因而容量必然要增大，滤波效果也没有放置在逆变器侧好。如果将逆变器输 出滤波电感电容放置在线路侧，该结构的优点是可以用电感来消除串联变压器偶 感的分布参数的影响。在控制上，由于电感电容上的电流直接反映了负载电流的 情况，使得控制器可以方便地取样电感或电容电流，进行电流模式控制。它带来 的问题是系统电流中将流过高频电流成分，虽然这个问题可以通过在装置输入侧 增加一个附加的l c 滤波器来缓解，但是显得不够经济，而且并不能解决变压器 设计上的困难。综合考虑这三种滤波器接入方法的优缺点及本文所设计综合电能 质量控制器的控制目标，将滤波器放置在逆变器侧。 基本的r 型滤波器一般是按照低通滤波器的计算方法进行设计的，使逆变器 基波频率落在通带内，从而达到抑制谐波、保留基波的目的。但是，仅仅这一点 是不够的，设计时还应考虑滤波器对逆变主电路的影响。在实际设计中，若不考 虑到滤波电路对逆变器主电路的影响，则往往可能造成逆变器工作不稳定、不可 靠。在空载或轻载的情况下，若滤波器输入端出现扰动输入，由于欠阻尼则在滤 波器的输出端相应地产生振荡分量。当系统的动态响应速度不是非常迅速时，反 馈控制环节的调节作用就容易受到此振荡分量的影响，使得l c 输出滤波器前端 电压波形中出现频率在输出滤波器谐振频率附近的扰动分量，常规的滤波器不能 对其进行有效的抑制和消除。 输出电压u o 对滤波器入端电压u a b 的传递函数为： g o ) =盟： 鱼 u 4 b ( j ) s 2 r 三c l ，+ 吐，+ r 工 ( 2 1 ) 当负载电阻尺，j0 0 时，孝_ 0 ，同时谐振峰值m p - - 。对于二阶系统，m p 表征系统的相对稳定性，如果m p 的值在1 0 m p 1 5 时，阶跃响应将出现几次超调。一般来说，m p 的值越大， 响应的瞬态超调量就越大。当m p 很大时，如果系统受到频率在谐振率附近的干 扰信号作用，l c 输出滤波器不能对其进行有效抑制和消除，输出端便有相对值 较大的扰动分量。 k 一 淄“ i 割b 图2 - 4 逆变器常规输出滤波器等效电路 从滤波器瞬态响应角度来看，在空载或轻载时，若l c 滤波器前端出现一扰 动输入u ，则滤波器输出端相应地出现多次振荡。在此仅讨论空载的情况。由 叠加原理得振荡电路如图2 4 b 所示，心包括了引线电阻和感容寄生电阻。由扰 9 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 动输入u r 在输出端引起得振荡电压分量为： 甜。= u 。| - l t 一等p 一厅s m c q ，+ ，qj 式协参一s 2 妄，q 2 1 ，铲再万 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中第一项就此扰动阶跃输入而言是个定值，它所引起的电压误差通 过反馈控制系统很容易得到调节。因为如非常小，故式( 2 2 ) 中第二项幅值衰 减很慢。虽然控制系统可对其进行调节，但由于劬和蛾相差不大，在控制系统 的动态响应速度很快时，系统的调节作用就比较有限，并且容易受到该振荡分量 的影响，引起u 。舟中出现频率与无阻尼自然谐振频率皱相近的谐波分量，l c 输 出滤波器不能对其进行有效抑制和滤除，最后表现为输出电压基波上叠加有一扰 动振荡谐波分量。 对此，在不改变系统整体结构的情况下加大万，从而加快式( 2 2 ) 中第二项 幅值的衰减，对其进行有效抑制。加大艿可通过加大b 和减小三，来实现。对于 一定开关频率和基波频率的变换器系统，其滤波电感三，变动范围不大，若过多 减小三，会影响滤波效果，所以我们采取措施加大尺。 图2 5 新型分离式滤波器结构图 加大天。有四种方法： ( 1 ) 在彤处串联一个小电阻； ( 2 ) 在c ，处并联一个较大的电阻； ( 3 ) 在c ，处串联一个小电阻； ( 4 ) 将c ，一分为二，其中一个串联一个小电阻。 前两种方法均会在附加电阻上产生很大的损耗；第三种方法会使输出电压中 高频谐波滤除得不干净，因为小电阻上有少部分高频谐波压降，在c ，较大时，尺， 上的损耗也不能忽略；第四种方法是针对于第三种方法的改进，如图2 5 所示， c ，会使输出电压中的高频谐波滤除干净，串联电阻可抑制振荡且使电阻损耗大 为减小。串联电阻的选择，是在保证远小于容抗的情况下尽可能大，同时要保证 其损耗要小。本文选择了这种新型的分离式滤波器结构，通过逆变器空载和轻载 仿真试验，确定了l c 低通滤波器的参数：l ，= 2 m h ，c ，= c ，= 2 胪， r ，= 2 q 。由仿真结果可以看出此l c 滤波器滤波效果良好。 1 0 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 主电路是电压源型逆变器采用三相桥式结构，其接入电网的方式有两种，一 种是将其输出线电压接入，另一种是将其输出相电压接入，从直流电压利用率的 角度考虑，本文在t w q c 拓扑结构中将其输出线电压通过滤波单元和升压变压 器接入电网。 一 综上所述，本文设计如下图所示u p q c 电压补偿部分的拓扑结构： 图2 - 6u p q c 电压补偿部分的拓扑结构 2 3 电流补偿部分拓扑结构的研究 如图2 7 所示，传统的电流补偿有源电力滤波器主要有以下几部分组成：主 电路、指令电流运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路和高通滤波器( h p f ) 等。电流跟踪控制电路和驱动电路合称为补偿电流发生电路。p 。表示交流电源， 负载为谐波源( 以整流装置为例) ，它产生谐波并消耗无功电流等电流分量，因 此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令 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。 图2 7 电流补偿有源电力滤波器的系统图 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 其中的指令电流运算电路和电流跟踪控制电路的大部分功能由微处理器实 现，本文未作深入研究，另外本文所作仿真研究中，主电路器件均选用理想开关， 这里对驱动电路也不作讨论。 主电路根据有源电力滤波器直流侧储能元件的不同，传统的主要分为两大 类：电压源型和电流源型。电压源型在直流侧接有大电容，在正常工作时，其电 压基本保持不变，可看作电压源：电流源型的直流侧接有大电感，在正常工作时， 其电流基本保持不变，可看作电流源。电压源型主电路能够很容易通过并联形式 扩充装置的容量，相对于电流源型，它的重量较轻，价格便宜，但是它的控制系 统比较复杂；电流源型主电路由于开关器件不会发生直接短路现象，所以其控制 系统相对简单，比较可靠，但是电流源型主电路由于电流侧电感上始终有电流通 过，该电流在电感内阻上将产生较大的损耗。应用中多采用电压源型。除以上两 类，还有一种特殊结构的切换电容主电路形式，与传统的p w m 变流器主电路相 比，前者的直流侧含有大电容或者电感以维持电压或者电流基本不变，容量都比 较大，而切换电容结构中的每个电容取值较小，一般为4 0 8 0 ，而电压型a p f 直流侧的电容一般为4 7 0 0 9 0 0 0 【8 】【9 1 。可见，这种切换电容滤波器比有源电力 滤波器成本低，体积大大减小，结构也较为简单，使用方便。本文设计的就是一 种三相切换电容主电路形式，下面对此作比较详细介绍。 切换电容电路也叫s c ( s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 电路，是一种由开关、电容和 电感组合而成的电路。其最大的特点是开关的通断方式决定了电路的特点和性 能。如通过控制开关，这些电路可以作为性能可变的滤波器，其可以向电网提供 超前或者滞后的无功。而且通过对开关的适当控制，对超前和滞后无功可同时提 供【1 0 】。 s c 电路大体可分为三种：( 1 ) 单开关单电容结构；( 2 ) 双开关双电容结构； ( 3 ) 三开关双电容结构。这三种结构如下图所示： l v 图2 8 单电容s c 电路 v 一，v 图2 - 9 双电容s c 电路 图2 1 0 三开关双电容s c 电路 单电容s c 电路结构最简单，相对的灵活性、控制精度差，三开关双电容s c 电路比双电容s c 电路多了一个开关和一个电阻，主要是考虑开关s l 、s 2 不能同 1 2 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 时导通，在两个开关的通断状态改变时存在一个死区，这个死区就是s 3 导通的 时间，目的是为了平滑电流i ，避免在死区内可能导致的电流阶跃变化【1 1 】。相对 于单电容电路和三开关双电容电路，双开关双电容电路结构简单，控制灵活，控 制效果好，由于s l 、s 2 不能同时导通可能存在的死区i = - 1 题，可以通过软件方法 加以弥补。基于此，本文选择了这种双开关双电容的s c 电路，双电容电路工作 原理如下： 当s 。闭合s 2 打开时 罢2 圭( f ) 岷( f ) 删( f ) ) d v c l ：一1 i ( f 1 d t c l ( 2 2 ) 当s 2 闭合s 。打开时 等2 三哪) 。嘣f ) 删) ( 2 锄 d v c , ：一1 “f 1 d t c 2 ( 2 4 ) 式中的r 是等效电阻，包含了开关导通电阻，电感以及线路中的电阻。 对于三相开关电容电力滤波器文献 2 2 提出了如图2 1 1 所示的主电路结构， l ：一r 6 7 z王 r。fr。r r f 。+ f ? 厂 t ，t t l 。t 图2 1 1 三相切换电容电力滤波器主电路结构一 本文从每个双开关双电容切换电路对应一相相电流补偿的控制思路，提出了 如图2 一1 2 所示的主电路结构。 叫￥“ 图2 1 2 三相切换电容电力滤波器主电路结构二 i o 一一 上玎 一。h。w一 第二章统一电能质量调节器拓扑结构的研究 此种三相切换电容电力滤波器主电路结构，每个双开关双电容切换电路主要 控制一相相电流，各自控制目标明确，思路简单易实现，从仿真结果可以看出， 因为其各切换电容电路针对性强，控制很快就能达到稳态。 2 4u p q c 拓扑结构探索 前两节分别设计了电压补偿部分和电流补偿部分的拓扑结构，这一节将考虑 电压补偿部分与电流补偿部分的连接问题。 若电流补偿部分在后，则其只补偿负载侧的电流，则电源侧的电流由于电压 补偿部分高频电流的影响，可能不是纯净的正弦波，从而影响补偿的效果，如果 电流补偿部分在前，则可以保证电源电流为纯净正弦波，而电压补偿部分需承担 无功和谐波电流，从而对电压补偿部分的工作和补偿效果会带来一定的影响，综 合考虑这两种连接方法，本文采用了第二种电路结构，即电流补偿部分在前，电 压补偿部分在后，最终的u p q c 拓扑结构框图如下图所示： 电流弘戆麓：分 也j k 钋 ：! ? 囊e 分 图2 1 3u p q c 拓扑结构框图 1 4 第三章u p q c 参考信号获取方法的研究 第三章u p q c 参考信号获取方法的研究 3 1 有源滤波器参考信号获取方法综述 u p q c 参考信号的获取方法可以说与有源滤波器参考信号获取方法基本相 同，所不同点仅在于u p q c 要考虑电压补偿信号与电流补偿信号的同步协调问 题，因此本节首先对有源滤波器的参考信号获取方法作简单论述。 补偿信号的获取根据补偿目的的不同有不同的方法。- 但其基本原理可以归结 为：从电网中分离出我们“不需要”的分量，然后用这个量作为有源滤波其的指 令，使其产生一个和此分量大小相等、方向相反的量注入到电网中，从而消除这 以分量。有源滤波器参考电压信号和参考电流信号的获取方法基本是通用的，下 面将以电流参考信号的检测方法为例作简单介绍。 1 模拟法 模拟法具有速度快的优点，但其调节困难，元器件多的缺点限制了它的应用。 1 ) 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法【1 2 】【1 3 】 该方法用于分离出被检测信号中预定的某一单一频率分量，是用模拟方法来 实现频域分析的一种方法，也是最早被采用的谐波电流检测法。其优点在于电路 结构简单、造价低廉、输出阻抗低、品质因数易于控制。但该方法对元器件参数 十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的精度；此外，该方法补偿容量 大、损耗大，无法区分基波有功和无功电流。 2 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测、法【1 4 】 该检测方法是将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全 一致的电流分量，称为有功电流分量；另一个分量为负载电流与有功电流的差值， 包含基波无功和谐波，称为广义无功电流分量。该方法的主要缺点是计算量大， 有较长的延时时间，不适用频繁变化负载的补偿。而且仅能区分有功电流和广义 无功电流，无法应用到需要分别补偿无功电流和谐波电流的场合。 2 数字法 1 ) 基于频域分析的快速傅立叶( f f t ) 变换检测法【l 5 】 该方法是建立在f o u r i e r 分析基础上的，因此要求被补偿的波形是周期变化 的，否则会带来较大的误差。通过f f t 将检测到的一个周期的信号进行分解， 得到各次谐波的幅值和相位角，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变 换器得到所需的补偿信号，再将误差信号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。 第三章u p q c 参考信号获取方法的研究 其优点是可以选择拟消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还可以通过电网 电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和无 功电流；而且受环境因素的影响较小