（电力系统及其自动化专业论文）基于环境特征的混合有源滤波器控制策略研究.pdf

i i iir ri i i i iiipiil u i i i y 1 8 3 2 2 4 3 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r t h er e s e a r c ho nh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ne n v i r o n m e n t a l ( ：h a r a c t e r i s t i c s c a n d i d a t e ：d a - w e iz h a n g s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 2 3 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o n e n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 一 一一 m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f l o n g - h u am u j a n 2 0 1 0 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：弓翻乞骺 2 - o t o 年月f 汐e l 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：弓缸氐f 等 沪飞d 年；月( 汐日 同济大学硕十论文摘要 摘要 近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子器件开始大量使用，各种非线 性负载的增加，使得电网谐波污染日益严重。传统的无源滤波器和有源滤波器各 有不足，而由两者构成的混合有源滤波器取两者之长，补两者之短，同时兼具无 源滤波器造价低和有源滤波器性能好的优点，使谐波补偿系统的性价比达到最 优，是目前谐波治理的趋势之一。同时，混合有源电力滤波器以其无功补偿和谐 波治理的优良性能逐步投入工业应用。 本文首先分析了谐波产生的原因和危害，介绍了国内外混合有源滤波器的研 究发展现状。在对传统混合有源滤波器滤波原理分析的基础上，提出一种新型的 并联谐振型混合有源滤波器s r h a p f ( s h u n tr e s o n a n c eh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r ) ，并对其原理做了详细分析，建立了数学模型。选择改进的p - q 法作为本 文提出的新型并联谐振型混合有源滤波器的谐波检测算法，这是因为改进的p - q 算法没有直接使用系统电压信息，因此检测结果的精度不受系统电压波形畸变与 否的影响，克服了传统p - q 法受系统电压波形影响的不足。混合有源电力滤波器 工作性能决定于主电路构成元件及其控制系统，当滤波器主电路确定后，控制方 法成为决定其输出性能和效率的关键。文中介绍了常规闭环控制、滞环控制、空 间矢量控制、单周控制等控制方式，比较了几种控制策略的优缺点，并且选用改 进的三角波载波控制方式作为本文的控制方式。设计了系统参数，大量的仿真实 验表明了文中提出的新型拓扑结构的正确性和有效性。最后设计了系统控制器硬 件电路和软件流程图。 关键词：电能质量，谐波，混合有源滤波器器，并联谐振，三角载波控制 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，t h e 面d h a r m o n i c sp o l l u t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sd u et ot h ew i d e l yu s eo f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dt h ei n c r e a s eo f n o n l i n e a rl o a d s b o t ht h et r a d i t i o n a l p a s s i v ep o w e rf i l t e ra n dt h ea c t i v ep o w e r f i l t e rh a v ed i s a d v a n t a g e si nh a r m o n i c s u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n b u t ，t h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , w h i c hi s c o m p r i s e do fp a s s i v ep o w e rf i l t e r a n da c t i v ep o w e rf i l t e r , h a sab e t t e r p e r f o r m a n c ei nh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h eh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e ra l s oh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e - p r i c er a t i o t h e r e f o r et h eh a p fi s o n et r e n do fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , a n dt h e r eh a v e b e e ns o m ei n d u s t r i a lm o d e l s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec a u s eo fh a r m o n i ca n di t sh a z a r d s t h ed o m e s t i ca n d a b r o a dr e s e a r c hs t a t u si sa l s oi n t r o d u c e d an o v e ls h u n tr e s o n a n c eh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e ri sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ；m a t h e m a t i c sm o d e li s b u i l ta sw e l l t h ei m p r o v e dp q - m e t h o di sc h o s e n a st h eh a r m o n i cd e t e c t i n gf i a e t h o df o ri t sd e t e c t i n gr e s u l td o e s n tb ei n f l u e n c e db yt h e s y s t e mv o l t a g ed i s t o r t i o n , t h u si t o v e r c o m e st h ep r o b l e mt h a tt h ed e t e c t i n gr e s u l t w o u l db ea f f e c t e db yt h es y s t e mv o l t a g ew a v e t h ep e r f o r m a n c eo f a h y b r i da c t i v e p o w e rd e p e n d so ni t st o p o l o g ya n d c o n t r o ls y s t e m w h e nt h et o p o l o g yi sd e t e r m i n e d ， t h ec o n t r o ls y s t e mi st h em o s ts i g n i f i c a n tp o i n to ft h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c yo f t h ew h o l es y s t e m t h ec o n t r o lm e t h o d s ，w h i c hi n c l u d et r a d i t i o n a ll o o pc o n t r o l ， h y s t e r e s i sc o n t r o l ，s p a c ev e c t o rc o n t r o la n do n ec y c l ec o n t r o l ，a r ei n t r o d u c e di nt h e p a p e r , a n dt h ei m p r o v e dt r i a n g u l a rc a r t i e rc o n t r o lm e t h o di s c h o s e nf o rt h en o v e l t o p o l o g y al o to fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n et ov e d f yt h ec o r r e c t n e s s a n de f f e c t i v e n e s so ft h en e wt o p o l o g y t h eh a r d w a r es c h e m a t i ca n dt h es o f t w a r e f r a m e w o r ka r ed e s i g n e da tl a s t k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , h a r m o n i c ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , s h u n tr e s o n a n c e ， t r i a n g u l a rc a r r i e rc o n t r o l 同济人学硕十学位论文目录 目录 第l 章绪论1 1 1 谐波的基本概念1 1 2 谐波产生的原因2 1 3 谐波的危害3 1 4 谐波的抑制4 1 5 混合有源滤波器的国内外研究现状5 1 6 本文的主要研究内容6 第2 章新型混合有源滤波器拓扑结构及滤波原理分析8 2 1 常见混合有源滤波器结构比较分析8 2 1 1 单独使用a p f 8 2 1 1 1 并联型a p f 8 2 1 1 2 串联型a p f 9 2 1 2 混合型有源滤波器9 2 1 2 1 并联型a p f + 并联型p f 9 2 1 2 2 串联型a p f + 并联型p f 1 0 2 1 2 3a p f 与p f 串联后并入电网1 l 2 1 2 4a p f 谐振注入型1 2 2 2 新型谐振注入式混合有源滤波器1 3 2 2 1 新型混合有源滤波器拓扑结构1 3 2 2 2 滤波补偿原理分析1 5 2 2 3 滤波器容量分析1 6 2 2 4 数学模型分析1 6 2 3 本章小结1 8 第3 章谐波检测方法分析1 9 3 1 基于f f t 的数字分析方法1 9 3 2 卡尔曼滤波器2 0 3 2 1 时变信号的状态空间模型2 0 3 2 2 卡尔曼滤波器算法2 l 3 3 三相谐波的快速检测理论2 2 3 3 1 基于瞬时无功理论的谐波快速检测方法2 2 3 3 2 改进的谐波检测方法2 6 3 4 预测方法在谐波检测中的运用2 8 3 5 本章小结2 9 第4 章混合有源滤波器控制策略3 0 i l l 同济人学硕十学位论文目录 4 1 新型s r h a p f 电气模型3 0 4 2 几种常见混合有源滤波器控制方法3 l 4 2 1 常规闭环控制3 1 4 2 2 滞环控制3 5 4 2 3 空间矢量控制3 7 4 2 4 其他控制方式4 0 4 2 4 1 单周控制，4 0 4 2 4 2 无差拍控制4 l 4 3 不同控制策略下新型混合有源滤波器的工作特性4 2 4 3 1 根据滤波器支路谐波电流进行控制4 3 4 3 2 根据电源谐波电流进行控制4 4 4 3 3 根据负载谐波电流进行控制4 5 4 3 4 根据负载谐波电压进行控制4 5 4 4s r h a p f 控制策略4 6 4 5 本章小结4 8 第5 章系统参数及硬件电路设计4 9 5 1 无源滤波器组参数设计4 9 5 1 1 无源部分设计的总体要求4 9 5 1 2 无源网络的选择5 0 5 1 3 无源滤波器的工作原理5 0 5 1 3 1 单调谐滤波器5 0 5 1 3 2 高通滤波器5 1 5 2 旁路电感设计5 3 5 3l c 并联谐振参数设计j 5 5 5 4 输出滤波器参数设计5 8 5 4 1 输出滤波器的结构5 8 5 4 2 输出滤波器的参数设计原则5 9 5 4 3 滤波器参数的设计6 0 5 4 3 1 电容初值确定6 0 5 4 3 2 串联电感设计：6 1 5 4 3 3 电阻值选择6 1 5 5 直流侧电容的设计6 l 5 6 系统硬件设计6 2 5 6 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 简介6 2 5 6 2 信号调理电路6 4 5 6 ，3 驱动电路6 4 5 6 4 保护电路6 5 5 6 5 其他外设电路6 7 i v 同济人学硕士学位论文目录 5 7 硬件抗干扰措旌6 7 5 8 系统软件流程设计7 0 5 9 本章小结7 l 第6 章仿真实验7 2 6 1p s c a d e m t d c 简介7 2 6 2 系统仿真实验7 2 6 3 仿真结果分析7 4 6 4 本章小结7 8 第7 章结论和展望7 9 7 1 结论7 9 7 2 展望8 0 致谢8 1 参考文献8 2 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果8 5 v 第1 章绪论 1 1 谐波的基本概念 第1 章绪论 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，有人把谐波称为 高次谐波，在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) 【1 1 、国际大电网会议的文献中定义： “谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于l 的h 次分量”。 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压 可表示为 甜( ，) = d 2 u s i n ( c o t + 咖 ( 1 1 ) 式中u 二电压有效值： 缈初相角； 彩一系统角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对 于周期为t 的非正弦电压u ( c o t ) ，在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形式的 傅立叶级数【2 】 u ( c o t ) = 口o + ( a nc o s n c o t + b ns i n n c o t ) ( 1 2 ) n = l 式中， 口o = 去岳 u ( c o t ) d ( c o t ) 铲昙万u ( c o t ) c o s n c o t d ( c o t ) = 妻鼢椰i n n c o t d ( c o t ) ( n = 1 ，2 ，3 ) 式( 1 2 ) 可以变形为 u ( c o t ) = 口o + c ns i n ( n c o t + 缈n ) ( 1 3 ) 同济人学硕十学位论文基丁环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 式中c n 、和a n 、的关系为 锄：届再 = a r c t g ( a n b b n ) a n = c n s i n q n = c n c o s ( o n 在式( 1 2 ) 或( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率与工频相同的分量称为基波，频率 是基波频率大于1 的整数倍分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整 数比。 定义n 次谐波电压含有率以h r u n ( h a r m o n i cr a t i o ) 表示为 h r u n = 鲁枷。 4 ， 式中，“为第n 次谐波电压有效值；仉为基波电压有效值。 谐波电压含量孤定义为 u h= ( 1 5 ) 定义电压谐波总畸变率t h d u ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 为 rr t h d u = 坦1 0 0 ( 1 6 ) 一 u l 根据以上定义可以明确谐波的基本性质，即谐波频率为基波频率的整数 倍。不同国家具有不同的基波频率，我国电力系统的基波频率为5 0 h z ；有些 国家的基波频率为6 0 h z 。 1 2 谐波产生的原因 近年来随着非线性设备的大量使用，使这一电力系统中的谐波问题更加突 出。所谓非线性设备就是在j 下弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流 下产生非线性电压的设备。公用电网中的谐波是如何产生的呢? 对于这个问题可 以从三个方面来回答。 ( 1 ) 电源本身质量不高产生的谐波 发电机是产生电能的装置，由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心 2 第1 章绪论 也很难做到绝对均匀一致和其它一些原因，致使电源多少也会产生一些谐波。随 着新能源的发展深入，一些新型的发电模式，例如风能、太阳能，能源的来源本 身就带来了大量的谐波。 ( 2 ) 输配电系统产生的谐波 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲 线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱 和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线 性越远，谐波电流也就越大，其中3 次谐波电流可达额定电流的0 5 。电源和 输配电系统虽然产生谐波，但这两方面产生的谐波所占的比例是很小的。 ( 3 ) 用电设备产生的谐波 这方面的谐波所占的比例很大，是电网主要的谐波源。在用电设备中，下面 一些设备都能产生谐波： 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉等变压器是一种谐波源， 由于经济原因，变压器所使用的磁质材料通常在接近非线性或就在非线性区域运 行。在这种情况下，即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的， 因而包含谐波( 主要是3 次谐波) 。旋转电机的线圈被嵌入线槽中，由于这些线 槽不可能严格按照正弦形分布，从而使得产生的磁动势是畸变的，因而旋转电机 也被认为是谐波源。电弧炉、电石炉的熔炼期，由于加热原料时电炉的三相电极 很难同时接触到高低不平的炉料，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压 器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7 次的谐波，平均可达基波的 8 2 0 ，最大可达4 5 。 现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使 用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。其中晶闸管控制设备包括 整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高压直流输电设备等。1 9 9 2 年， 日本曾经进行一项具有代表性的谐波源调查，结果8 9 的谐波源来自整流器。 家用电器设备，包括电视机、录像机、计算机、调光灯具等，因具有调压整流 装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调等有绕组的设备中，因 不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大， 也是谐波的主要来源之一。 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅 3 同济人学硕十学位论文基丁环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 值1 3 j 。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，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。在电力电子 设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但 那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装 置的迅速普及使得公用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，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他 系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 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，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火 灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗 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。谐波会 使电容器，电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短、以至损坏。 ( 3 ) 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 使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，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。 1 4 谐波的抑制 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条【4 】：一 是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都适用；二是对电力电子交流 器进行改造，使其不产生谐波，这只对主要谐波源有用。 装设谐波补偿装置传统的方法是采用l c 谐波滤波器。这种方法既可以滤除 谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。然而，这种方法 的滤波特性受电网阻抗和运行状态的影响，可能与系统发生串联、并联谐振，导 致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。而且，它只能补偿固定频率的谐波， 其滤波效果也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。 随着电力电子技术的发展，谐波治理的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，利用检 测出的谐波电流生成逆变器的控制信号，然后去控制逆变器产生与该谐波电流大 小相等方向相反的补偿电流抵消电网中的谐波电流，从而使电网只含基波电流。 4 第l 章绪论 这种滤波器能对相位和幅值都变化的谐波电流跟踪补偿，且补偿效果不受电网阻 抗影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。 有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用中大部分 使用电压型m 1 5 j 。从与补偿对象连接方式来看，又可分为并联型和串联型，目前 运行的装置几乎都是并联型。但是在单独使用有源电力滤波器的情况下，其装置 的容量非常有限。如果在小容量非线性负载的场合是可以提供有效的解决方案 的，但是在大容量场合就不是那么可行了。而混合电力滤波器【6 l 就是把无源滤波 器与有源滤波器相结合，它不但有无源滤波的成本低、高效率、补偿容量高的优 点，而且还有有源滤波器的动态补偿的特点。混合电力滤波器的出现也使得有源 电力滤波器在高压大功率输电工程中的实际运用取得了实质性的发展。混合电力 滤波器的系统构成又有多种形式，主要的分为两大类：一类是并联混合型电力滤 波器；另一类是串联混合型电力滤波器。而混合电力滤波器又可以用在直流系统 和交流系统中。所以混合电力滤波器的种类和运用范围是非常广泛的。 1 5 混合有源滤波器的国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代，有源滤波器出现时【7 1 ，由于受当时功率半导体器件水平的 限制，a p f 的研究一直限于实验研究阶段。1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了用并 联有源滤波器和并联无源滤波器相组合的混合型有源滤波器方案【引，混合有源滤 波器综合了a p f 对谐波的抑制，以及p f 对电网无功的补偿，是改善电网质量的 良好途径。但这种装置在使用时，电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道， 特别是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注人的谐波又流入p f 及系统中。 同时，a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐 压等级没有降低。1 9 9 1 年f 切i m 等提出a p f 与p f 相串联后再与电网并联【9 】的混 合型方案，滤波效果好，a p f 容量仅为p f 的5 1 0 ，节省了大量投资。随着我 国电力工业的不断发展，大范围输电网络逐渐形成，在对谐波治理的同时，对电 网无功功率的平衡要求也同趋严格。无功补偿从传统的有级同步调相机补偿，逐 步发展到以t s c 、s v c 为主的无级补偿方式。无功补偿装置与谐波治理联系更 加紧密，混合有源滤波器集成了谐波治理与无功补偿的优点，并且能够降低治理 投资、改善传统滤波器的技术性能，是现阶段抑制谐波和改善电能质量的主要方 式。 目前，混合有源电力滤波器已在美国、日本等发达工业国家广泛应用于国民 经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高( 典型值达2 5 次) ，单机装 同济人学硕卜学位论文基丁i 环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 置的容量也逐步提高，其应用领域正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。继日本、美国、德国等之后，我国在混合有源电力滤波器 的应用研究方面，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力， 但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。从9 0 年代中期起，我国对h a p f 的研究全面展开，许多大专院校和研究院，如西安交通大学、清华大学、华北电 力大学、湖南大学等，都对h a p f 技术进行了广泛深入的研究，部分高校还和企 业合作开发了一些产品，但这些产品多限于实验室研究，并未真正大规模投入使 用。为了改善混合有源电力滤波器的控制性能和可靠性，随着单片机和d s p 技 术的广泛应用，h a p f 开始向着数字化、多重化的方向发展。从2 0 0 3 年起，我 国的低压h a p f 市场逐渐出现了一些系列化的商业产品，除了国外a b b 、西门 子等公司的低压h a p f 产品外，国内的如上海思源清能电气电子有限公司生产的 h a p f 装置，上海现代电源设备有限公司等开发的低压h a p f 产品等。 尽管已经有了相关的产品问世，但是还存在一些问题有待进一步研究，比如： 针对特定谐波环境，如何提高谐波电流检测的实时性；如何有效减小由于系统电 压的高速波动对谐波电流补偿的影响；如何优化系统参数设计等，同时降低装置 成本，降低损耗，提高系统可靠性也是目前研究的热点。这些问题都是在主电路 确定的前提下，对电网特征进行充分的分析，采用不同的控制策略来达到最优补 偿。 1 6 本文的主要研究内容 本文主要针对混合有源电力滤波器在矿山电网的运用进行研究。矿山电网中 的各种变频调速装置、整流器等负荷容量不断增长，大量电力电子功率器件及装 置在矿山电网的广泛应用，给矿山生产带来节能和能量转换的同时，也给供电网 络电能质量造成严重的污染，大量的谐波和无功电流注入矿山电网，造成系统效 率变低，功率因数变差，并对其他设备和装置产生扰动，严重威胁矿山电网的电 能质量和矿山电力设备的安全运行。电网电能质量是矿山电网安全运行评价与研 究的一项重要内容，因此，对矿山电网无功补偿和谐波抑制的研究具有很重要的 现实意义。 本文对比分析了多种混合有源滤波器拓扑结构，对它们的补偿特性进行了分 析，提出了一种结构简单，通用性强的并联谐振型h a p f 拓扑结构，并对其滤波 原理做了深入的分析。分析表明新型谐振型混合有源滤波器，通过引入l 、c 并 联谐振模块，调谐于工频，使得a p f 不承受基波电压，而旁路电感则保证了系 6 第1 章绪论 统对无功补偿容量的需求，有效地解决了在大容量背景下，开关器件需要承受高 电压、大电流的难题。 本文共分为七章，第一章为绪论部分，第二章至第六章为论文的主体部分， 第七章为论文的结束部分，论文的后续章节内容如下： 第二章为新型混合有源滤波器拓扑结构及滤波原理分析。本章对常见混合滤 波器的主电路结构进行比较分析，提出一种更适用于大功率谐波治理场合的混合 有源滤波器拓扑方案，并详细分析其工作原理。 第三章为谐波检测方法分析。介绍了f f t 快速谐波检测方法、卡曼滤波器法、 p q 变换以及改进的p q 法。通过对这些谐波检测方法的介绍，选择改进的p q 法 作为本文提出的新型并联谐振型混合有源滤波器的谐波检测算法。这是因为改进 的p - q 算法没有直接使用系统电压信息，因此检测结果的精度不受系统电压波形 畸变与否的影响，克服了p - q 法受系统电压波形影响的不足。 第四章为混合有源滤波器控制策略分析。对新型并联型混合有源滤波进行了 数学建模分析，讨论了新型混合有源滤波器的滤波性能。介绍了几种常见的控制 策略，包括常规闭环控制、滞环控制、空间矢量控制、单周控制以及无差拍控制。 分析了不同控制策略下混合有源滤波器的工作特性。并采用改进的规则采样三角 载波控制方法作为新型混合有源滤波器拓扑结构的控制策略。 第五章为系统参数与硬件电路设计，分析了混合有源滤波器参数设计的原 则，对系统参数进行了设计。根据混合有源滤波器装置的功能，设计了基于 d s p 2 8 1 2 芯片的控制系统总体硬件结构，确定了系统各部分要完成的功能。 第六章为系统仿真试验，采用p s c a d e m t d c 软件，对传统混合有源滤波 器和新型混合有源滤波器进行了仿真比较分析。从谐波电流补偿效果、电流频谱 以及系统有源部分与负载的比值几个方面进行比较。 第七章为总结与展望。对本论文的研究工作做了详细的总结，同时也指出了 进一步研究的重点和方向。 7 同济人学硕 学何论文基丁环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 第2 章新型混合有源滤波器拓扑结构及滤波原理分析 混合滤波器兼顾了无源滤波器( p f ) 成本低廉和有源滤波器f ) 性能优越的 特点，同时有效地避免了与系统阻抗发生谐振从而放大谐波的可能。目前，世界 各地学者已经提出多种混合有源滤波器拓扑结构，但仍存在需要改进的地方。本 章在对常见混合滤波器的主电路结构进行比较分析基础之上，提出一种更适用于 大功率谐波治理场合的混合有源滤波器拓扑方案，并详细分析其工作原理。 2 1 常见混合有源滤波器结构比较分析 就单一类型滤波器而言，通常按照滤波装置与补偿对象的连接方式进行分 类。如单独使用有源滤波器a p f 可分为并联型a p f 和串连型a p f 两种。若在有 源滤波器中加入无源滤波部分而组成混合有源滤波器，那么按照其有源、无源部 分之间的耦合方式以及整个混合有源滤波器接入补偿对象的方式，就会出现多种 拓扑结构。 2 1 1 单独使用a p f 2 1 1 1 并联型a p f 并联型a p f 是现在实际工业应用最多的一种有源滤波器i 1 0 1 ，其连接方式如 图2 1 所示。这种装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪谐波源电流中的谐波 分量，产生与之大小相等、相位相反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电 流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进行动态补偿。该 a p f 功能强大，接入也方便，扩展容易，可用来补偿大容量的谐波电流。 图2 1 并联型a p f 但由于电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压等级要求高：负载谐波 8 第2 章新璎混合有源滤波器拓扑结构及滤波原理分析 电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很大，投资也大。因为要满足兼 具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合于电流型谐波源的谐波 治理；开关引起的谐波电流将影响电路中的p f 或电容器的滤波特性，若利用l c 网络吸收这部分高次谐波，l c 网络受电网参数的影响，p w m 逆变器输出的谐 波频带又很宽，所以该l c 网络的设计也较困难。 2 1 1 2 串联型a p f 串联型a p f 通过变压器串联于输电线路中( 图2 2 ) ，是另一种基本的a p f 形式【1 1 】，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与 之相反的谐波电压，从而隔离谐波源产生的谐波电压。有源装置容量小，运行效 率高，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型a p f 一方面用于改善系统 的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于对电压很敏感的负载； 另一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整流器，避免负载产生的谐 波电压影响电网电压波形。 仄 厂y n 广一谐波源l 图2 2 串联型a p f 但是串联型a p f 存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功 功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用 性受到限制。与并联型a p f 一样，负载谐波含量较大时串联型a p f 装置容量也 将很大，初期投资也很大。 以上分析可知，单独使用有源滤波器，无论是并联型还是串联型a p f 都由于 有源装置的容量较大、开关器件的等级较高，存在价格昂贵，运行成本高的缺点。 因此，人们一直致力更加优良的滤波方案的研究。 2 1 2 混合型有源滤波器 2 1 2 1 并联型a p f + 并联型p f 如图2 3 所示为并联型a p f + 并联型p f 结构的混合型有源滤波器。无源部分 9 同济人j ! ；乏硕十学位论文基丁环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 中l c 滤波器可以包括多组单调谐滤波支路及高通滤波支路。此时，p f 负责补 偿、吸收次数比较固定且变化较慢的无功成份和低次谐波，而a p f 补偿变化较 快的冲击性无功和频率较高的谐波成分。其中a p f 仍起着谐波补偿的作用，p f 滤除大部分谐波，因此a p f 容量很小。 图2 3 并联a p f + 并联p f 型混合有源滤波器 但在该混合滤波器使用时，电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道，特 别是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波又流入p f 及系统中。 同时，a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐 压等级没有降低，装置的成本依然很高。 2 31 2 2 串联型a p f + 并联型p f 串联a p f 加并联p f 型混合有源滤波器如图2 4 所示。其中串联a p f 相当于 一个电流控制电压源，产生与电网支路中谐波电流成正比的谐波电压。因此对谐 波电流而言，a p f 可以等效为一个谐波电阻，当谐波电阻的阻值远远大于电网阻 抗和无源滤波器等效阻抗时，电网支路电压和电流中将只有很小的谐波残余。对 基波而言，a p f 几乎为零的极低阻抗，不消耗基波功率。因此，a p f 相当于一 个谐波隔离装置。串联a p f 将迫使负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻 止了电源的谐波电压串入负载侧。对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。 这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，装置的补偿容量可以做得 很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。但是， 这种结构的缺点是：在低次谐波及其他频率处，要使a p f 的等效谐波电阻远远 l o 第2 章新型混合有源滤波器拓扑结构及滤波原理分析 大于无源滤波器等效阻抗是很困难的，因此对电网中的闪变分量，用该方法不能 实现隔绝；当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这 部分谐波流入p f ，这将在负载端产生谐波电压；由于a p f 串联在电路中，绝缘 较困难，维护也不方便；在正常工作时，注入变压器仍然跟单独使用的串联型 a p f 一样流过要所有负载电流，容量较大，成本也较高。 图2 4 串联a p f + 并联p f 型混合有源滤波器 2 1 2 3a p f 与p f 串联后并入电网 将a p f 与p f 相串联【1 2 】后与电网并联的混合有源滤波方案如图2 5 所示。其 中a p f 为电流控制电压源，产生与线路中谐波电流分量成比例的电压。该方式 中谐波主要由p f 滤波器滤除，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤 波特性，克服p f 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生谐振等缺点。 而且在这种方式中，有源电力滤波器不直承受系统基波电压作用，因此装置容量 小，开关器件耐压等级降低。 图2 5a p f 与p f 串联后并入电网型混合有源滤波器 但该电路对电网中的谐波电压非常敏感。而且，由于要降低a p f 承受的基波 电压及其流过的基波电流，a p f 比p f 的基波阻抗要小得多，即p f 的基波阻抗 较大，滤波器支路不可能产生较大的无功电流，所以该方式不适合进行较大容量 丁o、1： 同济人学硕+ 学位论文基丁环境特征的混合有源滤波器控制策略研究 的无功补偿。另外，这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选取l c 网络的 调谐频率，不适于非特征谐波源补偿。 2 1 2 4a p f 谐振注入型 通过使a p f 只承受谐波电压，以达到显著降低有源滤波装置容量目的【1 3 1 。 可选择用l c 串联网络或并联谐振网络作为注入电路将a p f 上承受的基波电压转 移。在a p f 串联谐振注入型混合滤波( 如图2 6 a ) 中，l c 网络在基波频率处发