（电力系统及其自动化专业论文）基于神经网络的有源滤波器的研究.pdf

a bs t r a c t t h eh a r m o n i cp o l l u t i o no fp o w e rs y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e s e r i o u sw i t ht h eu s i n go fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t si np o w e rs y s t e m t h e h a r m o n i c ss h o u l db ec o m p e n s a t e db e c a u s ei tc a nd om u c hh a r mt ot h ep o w e r s y s t e m t h es t u d yo na c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，w h i c hi s an o v e ld e v i c e c o m p e n s a t i n gh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n ts i m u l t a n e o u s l y , i st h e f o c u si nt h ef i e l do fp o w e rq u a l i t yc o n t r 0 1 t h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o ni so n eo ft h ek e ye l e m e n t sf o rt h ea p f t ok e e paw e l ld y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e r , f i r s t l y , i n t r o d u c e st h eb a s i c s t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fa p f , a n dt h e nm a k e sc o m p a r i s o na m o n gs o m e c o n v e n t i o n a lh a r m o n i c sd e t e c t i o n sm e t h o d s b a s e do nt h ei d e am e n t i o n e d a b o v e o n eh a r m o n i c sd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nh o p f i e l dn e u r a ln e t w o r k c o n c e m i n g c o m p a r e dw i t ho t h e ra p p r o a c h e s ，t h i so n ep r o c e s st h es a m p l e d a t ar a p i d l y , n e e dl e s st r a i n i n gi na d v a n c ea n dc a nd e t e c ta c c u r a t e l yt h e a m p l i t u d ea n dp h a s ea n g l eo ft h ef u n d a m e n t a lw a v ea sw e l la st h eh a r m o n i c s c o m p e n s a t i n gc u r r e n ti sa n o t h e ro n e o ft h ek e ye l e m e n tf o rt h ea p ft o k e e paw e l ld y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra d v a n c eo n et h r e e - p h a s e f o u r - w i r es h u n ta p fs y s t e mw h i c ha d o p t st h eh y s t e r e t i cc o n t r o lo f c o m p e n s a t i n gc u r r e n tm e t h o d t h eh y s t e r e t i cc o n t r o lo fc o m p e n s a t i n gc u r r e n t m e t h o di ss i m p l ea n dh a sg o o dr e a lt i m e a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to fi n s t a n t c u r r e n tt r a c k i n g ，t h ee s t i m a t i n gf o r m u l ao f o u t p u ti n d u c t a n c ei sp r o p o s e da n d t h ec r i t i c a lv a l u eo fd eb u sv o l t a g ei sd e r i v e d t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c tw i l l b ea l s oi n f l u e n c e db yt h eo u t p u tf i l t e ro ft h ep o w e rc i r c u i tt h e r e f o r e ，al c l f i l t e ri sd e s i g n e da n dh a r m o n i co f s w i t c h 仔e q u e n c yi se l i m i n a t e de f f e c t i v e l y s i m u l a t i o nm o d e l so ft h r e e p h a s ef o u r - w i r e s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r s y s t e mb a s e do nt h i sm e t h o da r eb u i l ti ne n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a th a r m o n i c sd e t e c t i o nm e t h o db a s e do n h o p f i e l dn e u r a ln e t w o r ki ss u p e r i o rt ot r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，i tc a nn o t o n l y e li m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n te f f e c t i v e l y , b u ta l s oc a ni m p r o v et h e i m p r o v et h ei n t e g r a lp e r f o r m a n c eo f t h ea p f e f f e c t i v e l y k e yw o r d sa c t i v ep o w e rf il t e r , h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n ，h o p f i e l d n e u r a ln e t w o r k ，c u r r e n tc o n t r o l n 原创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了论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，也不包括为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：毕日期：童哔年三月二日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其他手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 作者签名：万日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论 近年来，随着社会的发展和科技的进步，特别是现代电力电子技术的发展，更 多的电力电子装置应用在工业上，这样一方面随着非线性负载的数量和容量增加， 电力系统中的谐波污染日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用 电器对电能质量的要求也日益提高，愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要 求形成了一对尖锐的矛盾。据中国电力报道，我国仅由电能质量问题造成的年 电能损失就高达4 0 0 多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问 题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力系统瘫痪等事故也屡见不鲜，因此对电力 系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义 的研究课题。 1 1 1 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该具有单一固定频率以及规定的电压幅值。近 年来，配电网中带有功率电子器件的交直流变流设备、感应炉、电气化机车等各种 电力电子设备的应用不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性， 会向公用电网注入谐波电流或谐波电压，给公用电网带来污染，使用电设备所处的 环境恶化；对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害；造成供电质量的严 重下降。 一般将向公用电网注入谐波电流或谐波电压的电气设备称为谐波源，具有非线 性特性的电气设备是主要的谐波源【2 1 。通常作为谐波源，非线性设备可分为以下几类： ( 1 ) 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉等。 ( 2 ) 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。 在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波己退居次 要的地位。电力电子装置的应用日益广泛，各种电力电子装置成为主要的谐波源， 大量电动机的使用，也增加了电网的无功负荷，从而使得谐波和无功问题引起人们 越来越多的关注。在交流电网中，高次谐波来自多个方面，其中功率较大、作用时 间较长并可能导致公害的大型谐波源主要有：大功率晶闸管整流传动装置、大型炼 钢电弧炉运行时产生的谐波和相控电抗型静止无功补偿装置产生的谐波等。虽然荧 光灯和彩电等家用电器以及个人电脑和办公设备等产生的谐波单机容量不大，但数 量大、分布广，它们广泛普及带来的谐波污染问题也同益严重。 硕士学位论文 第一章绪论 谐波对电力系统的危害很大，主要表现在以下方面； 1 影响电网的质量 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的 中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量奇次谐波，其中3 次谐 波的含量较多，可达4 0 。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流会产生同次谐波 的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。 2 对电力设备的危害 ( 1 ) 对电力电容器的危害 当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，经过电容器的电流增大，使 电容器损耗功率也增大。另外，谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，尖顶电压波 易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更 能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。一般来说，电压每升高1 0 ， 电容器的寿命就要缩短1 2 左右。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或 爆炸【3 1 。 ( 2 ) 对电力变压器的危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部 因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁 心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。除此之外， 谐波还导致变压器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的磁滞伸缩引起的， 随着谐波次数的增加，振动频率在1 k h z 左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出 金属声。 ( 3 ) 对电力电缆的危害 由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显，从而 导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系 统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并 联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。 ( 4 ) 对电动机的危害 谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时 使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转 方向相反的转矩，起制动作用。另外电动机中的谐波电流，当频率接近某零件的固 有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。 ( 5 ) 对低压丌关设备的危害 对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而 发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大； 热磁型的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低 2 硕士学位论文第一章绪论 与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值 的电子断路器，额定电流降低得更多。 ( 6 ) 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统 中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中产生干扰。其中电 磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大 量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。 ( 7 ) 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有电磁型和感应型，它们受谐波的影响较大，特别 是电能表( 多采用感应型) ，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确。 1 1 2 谐波的治理 针对电力谐波的危害，谐波研究已经引起了相关方面广大学者的密切关注。谐 波治理主要可以从两大方面考虑1 4 】： ( 1 ) 治理谐波源：从谐波源本身出发来抑制谐波。如对电力电子设备采取如下措 施：增加换流相数、采取先进的控制技术和多重化接线技术、限制变流装置容量等； ( 2 ) 装设谐波补偿装置来补偿谐波：即安装谐波补偿装置( 滤波器、功率因数校正 器) 来抵消电力电子装置所产生的谐波。滤波器主要有无源滤波器p f ( p a s s i v ef i l t e r ) 、 有源滤波器a p f ( a c t i v ep a s s i v ef i l t e r ) 和混合型有源滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r ) 。 目前在治理谐波的措施中，广泛采用p f 。它利用电感、电容元件的谐振特性， 在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。p f 成本低、技 术成熟，还可补偿无功功率，但存在以下不足【5 】【6 】1 7 】： ( 1 ) 只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只 能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波； ( 2 ) 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的 阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。l c 参数 的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； ( 3 ) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当p f 投入运行之后，如果谐波 的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果，p f 需要根据谐波次数的多少，设置 多个l c 滤波电路； ( 4 ) 滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况 随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大； ( 5 ) 9 能与系统阻抗发生串并联谐振。p f 可能与系统阻抗发生串联或并联谐振， 从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降； 硕士学位论文第一章绪论 ( 6 ) 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电 压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流； ( 7 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是很 困难的； ( 8 ) 电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果 并不理想； ( 9 ) 消耗大量的有色金属、体积大、占地面积大。 与传统的p f 一样，a p f 也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效 导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络，但是一台a p f 理论上可 以拥有无穷多个谐振频率。与p f 相比，a p f 具有以下些优点： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响： ( 2 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果； ( 3 ) 原理上比p f 更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理； ( 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化； ( 5 ) l h 于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载； ( 6 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿； ( 7 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； ( 8 ) 可以对多个谐波源进行集中治理。 然而在今天的电力电子器件的制造水平下，单独采用a p f 的高压大功率的谐波 补偿较为困难，而且成本也非常昂贵，因而采用h a p f 将p f 和a p f 结合起来，取 两者之长，避免它们的短处，是当前中、高电压大功率a p f 推广应用的必然途径。 1 2a p f 研究现状及发展趋势 1 2 1a p f 研究现状 电力有源滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和 j e m a r h s 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流 的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然未出现电力有源滤波 器一词，但其描述的方法是a p f 基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a e h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了a p f 的基本 原理【8 】。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大、成本高，因而 仅在实验室中研究，未能在工业中实用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 提出了采用p w m 控制变流器构成的a p f ，确立了a p f 的概 念，确立了a p f 主电路的基本拓扑结构和控制方法【9 】。从原理上看，p w m 变流器是 一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平不高，全控 4 硕士学位论文第一章绪论 型器件功率小、频率低，因而a p f 仅限于试验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对a p f 的研究逐 渐活跃起来，是电力电子技术领域的热点研究之一。这一时期的一个重大突破是， 1 9 8 3 年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”【1 0 j ，以该理论为基础的谐波和 无功电流检测方法在a p f 中得到了成功的应用，极大地促进了a p f 的发展。目前， 三相电路瞬时无功功率理论被认为是a p f 的主要理论基础之一。 在国外，有源电力滤波器己开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波 补偿的次数逐步提高，有的可以高达2 5 次谐波；单机装置的容量逐步提高。如在日 本和美国，应用领域可以接受的a p f 的容量已增加到5 0 m v a ，其应用领域从补偿用 户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展【1 1 1 。 与国外相比，我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电 力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。此外，唐统一等人和容健 纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内有较大的影 响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面 研究的文章，19 9 3 年才见到试验性的工业应用实验，国内的研究基本处在理论及实 验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和 少数研究机构。从发表的文章看，以理论研究和实验为主，这些研究有的已达到或 接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定的 研究，以瞬时功率理论为基础提出了谐波检测算法，对基于d s p 芯片的单相综合有 源电力滤波系统的数字控制系统的实现也进行了研究。浙江大学的钱照明等都做了 一些很有意义的研究。华中科技大学的陈乔夫等人提出了基于基波磁通补偿的串联 型有源电力滤波器，向串联变压器副边注入基波补偿电流，使串联变压器对电网基 波电流呈低阻抗，对谐波电流呈高阻抗，从而抑制谐波。 目前有源滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距，这与我 国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工作的深入 开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市场 应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 1 2 2a p f 的发展趋势 随着现代社会对电能质量要求的日益提高，有源滤波器的应用也将日益广泛。 但目前有源滤波器在对电网电能质量进行补偿时还存在许多缺陷，有许多需要进一 步研究解决的问题。如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高补 偿效果及性能、提高性价比等。基于解决这些问题的要求，有源滤波器的发展主要 在以下几个方面1 1 2 j ： 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 谐波检测和控制策略方面，研究新的能更加准确和快速检测谐波电流，并且 易于实现的检测算法。由于电力系统及补偿器具有非线性、多变量等特点，因此谐 波检测方法和控制策略的鲁棒性也成为今后有源滤波器研究的重点； ( 2 ) 为降低投资成本和提高补偿效率，将有源滤波器与l c 无源滤波器混合使用， 这样既能克服无源滤波器的缺点，又可提高有源滤波器的补偿功能，取长补短，相 得益彰； ( 3 ) 通过采用p w m 调制及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； ( 4 ) 从拓扑结构上改进有源电力滤波器的性能。提出新的有源滤波器拓扑结构， 提高有源滤波系统补偿性能，简化控制系统结构； ( 5 ) 补偿装置的控制系统趋向数字化及多功能化，提高系统的集成度，使其具备 综合补偿功能； ( 6 ) 增加滤波器功能，使其除能补偿谐波和无功电流外，通过在控制电路上加以 改造还可以抑制电压闪变以及电压不平衡等，具备综合补偿功能【l3 1 。 我国在有源滤波器方面研究起步较晚，目前还主要以理论研究和实验为主，今 后加强引进发达国家技术，提高器件制造水平，发展适合我国电力系统标准的控制 技术，研制开发低损耗、低价格、大容量的有源滤波器，是加快有源滤波器在生产 实际的应用，改善电能质量的有效途径。 1 3 本文研究的主要内容 本论文提出了一种三相四线并联型a p f 的系统结构，对a p f 的两大关键技术一 谐波电流检测技术和补偿电流控制技术进行了研究，提出了基于h o p f i e l d 神经网 络的谐波电流检测方法。 本论文共分为六章，各章所进行的主要工作如下： 第一章为绪论部分，讨论了谐波的产生、危害、治理，比较了有源滤波技术与 无源滤波技术的优劣，最后分析了a p f 在谐波抑制上的应用前景。 第二章阐述了a p f 的基本原理及主要拓扑结构。在这章里对a p f 的工作原理和 主要的拓扑结构进行了分析，谐波电流检测方法和补偿电流控制方法是影响a p f 性 能的两个关键因素，本章最后对常用的谐波电流检测方法进行了概述。 第三章提出了基于h o p f i e l d 神经网络的谐波电流检测方法。通过期望电流与实 际电流差之最小的优化目标，来构造一个目标函数，利用h o p f i e l d 能量函数构造一 个h o p f i e l d 网络结构的检测电路模型，最后对新方法进行了仿真研究。 第四章提出了一种三相四线并联型a p f 的系统结构，该系统采用第三章提出的 6 硕士学位论文 第一章绪论 基于h o p f i e l d 神经网络的谐波电流检测方法和滞环比较控制方法，为了该系统性能 满足需要，本章对其主电路的工作原理进行了分析，同时对系统的主电路的参数进 行了详细分析和选择。 第五章针对第四章提出的三相四线并联型a p f 进行仿真。仿真结果表明该a p f 滤波效果良好，能够满足实际需要。 第六章对全文进行了总结与展望。 7 硕士学位论文第二章a p f 的基本原理 2 1a p f 的基本原理 第二章a p f 的基本原理 a p f 由两部分组成，包括谐波电流检测电路和补偿电流发生电路，图2 1 为最基 本的并联型a p f 结构图，由图2 1 可以看出补偿电流发生电路又由电流跟踪控制电路、 驱动电路和逆变主电路组成，各部分功能如下： ( 1 ) 指令电流运算电路主要是完成谐波和无功电流的检测，是实现补偿的基础。 由于这种检测不需要分解出各次谐波分量和无功电流，只需检测出谐波或谐波与无 功电流之和，同时考虑到基波的检测比谐波的检测容易得多，因此常常采用检测负 荷的基频或基频有功电流的方法来得到参考补偿电流； ( 2 ) 驱动电路的主要任务是根据参考指令电流，确定各电力电子器件的开关状态， 并由此形成控制各个开关通断的逻辑信号； ( 3 ) 逆变主电路主要是根据控制触发信号产生所需的补偿电流。目前逆变主电路 多采用p w m 变流器。作为逆变主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为 逆变器工作。但是在电网向a p f 直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。也就 是说，它既工作于逆变状态，又可以工作于整流状态。主电路各器件的容量决定了 该装置的补偿容量。 图2 - 1 并联型a p f 系统框图 负载 发生电路 图2 1 所示的a p f 基本工作原理是：a p f $ f l 当于一个谐波电流发生器，它跟踪负 载电流中的谐波分量，产生与负载谐波大小相等、方向相反的谐波电流，从而抵消 了线路中的谐波电流，将电源侧电流补偿为正弦波。其谐波源负载中含有基波电流， 和谐波电流f ，。，当a p f 输出一个与谐波电流f ，。相反的电流t 时，电源电流中就仅包 含负载电流中的基波分量f ，这就是a p f i 皆波补偿原理。上述原理可用如下的一组 公式描述，其中f 。为电源电流；t 为补偿电流；f ，为负载电流： 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 t 2 t + 之 ( 2 一1 ) 屯2 t ，+ 屯i ， ( 2 - 2 ) 令： 之。一么 ( 2 3 ) 则： 2 t ， ( 2 4 ) 如果要求a p f 在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿电流的指令信 号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的电流成分即可。这样，补偿电流与负 载电流中的谐波和无功电流相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。 2 2a p f 的拓扑结构 具体选择a p f 时，电路结构的选择是一个很重要的环节，因为不同韵滤波器结 构适合不同的应用目的和不同的功率范围。 根据p w m 逆变主电路贮能元件的不同，a p f 可以分为电压型a p f $ 1 电流型a p f 两种，其电路结构如图2 2 所示。电压型a p f 的主电路贮能元件为电容，正常工作时 其电压基本保持不变，电压型a p f 损耗小、效率高、初期投资小、可任意并联扩容、 易于单机小型化、经济实用，适用于电网级谐波补偿1 4 儿1 5 】【1 6 1 。目前9 0 a p f 以上为 电压型，技术相对成熟、完善。电流型a p f 的主电路贮能元件为电感，正常工作时其 电流基本保持不变。但由于电流型a p f 的主电路的直流侧始终有电流流过，该电流将 在电感的内阻上产生较大的损耗，不适用于大容量系统，目前较少使用l l7 1 。就目前 电力电子元器件和电力电子技术的现状和水平来说，直流侧储能元件用大电容比用 大电感更具有现实意义。 ( a ) 电压型a p f 弋7弋7弋7 j 一 j 一 j 一 弋 一75 7弋7 ? 一 j 一 图2 - 2a p f 主电路结构 ( b ) 电流型a p f 根据接入电网的方式不同，a p f 口- t 分为并联型、串联型和串并联混合型【1 8 1 _ - - 大 类，其具体种类划分如图2 3 所示。 9 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 单独使用方式 并联型卜+ 一并联混合型 注入回路方式 广一串联混合型 一 l 串联型卜一。 lr l 一单独使用方式 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 串并联混合型i _ j 图2 - 3a p f 的分类 2 2 1 并联型a p f 并联型a p f 是a p f 中最基本的方式，其主电路与负载并联接入电网，故称为并联 型，主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补偿，如直流侧为阻感负载 的整流电路。并联型a p f 又可以分为单独使用方式、与l c 混合使用方式、注入回路 方式【2 0 1 。 ( 1 ) 单独使用方式的并联型a p f 图2 4 所示为单独使用方式的并联型a p f ，这是a p f 中目前应用最多、最基本的 一种形式。由于并联型a p f 并联接人电网，相当于一个受控电流源，可消除负载引起 的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相电流。其优点是它只流过补偿电流和小部分 基波有功电流，另外并联型a p f 可以并联使用以提供大的电流。但由于a p f 是和被补 偿的谐波负载并联在电网上，须承受电网基波电压，这使其容量很大。而构成a p f 主电路的p w m 逆变器的容量和动态性能成反比，很难使a p f 在具有很大容量的同时 还能具有良好的动态特性和较低的开关损耗。 图2 - 4 单独使用方式的并联型a p f ( 2 ) 与l c 混合使用的并联型a p f 这种方式是为克服要求大容量a p f 这一缺点而提供的。其基本思想是利用l c 滤 波器来分担有源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 1 0 一一一一一一一 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 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 5 中并联型a p f 与l c 滤波器并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务i 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，从而使得对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，因此实现大容量相对容易一些。 从理论上讲，使用l c 滤波器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，需要对a p f 进行有效的控制，以抑制可能发生的谐振。 图2 6 中并联型a p f 与l c 滤波器串联，谐波和无功主要由l c 滤波器补偿，而并联 型a p f 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克i 艮l c 滤波器易受电网阻抗的影响，易 与电网阻抗发生谐振的缺点。这种方式中，并联型a p f 不承受交流电源的基波电压， 因此装置容量小。 有源滤波器 图2 - 5 并联型a p f 与l c 滤波器并联 有源滤波器 图2 - 6 并联型a p f 与l c 滤波器串联 负 载 负 载 硕士学位论文第二章a p f 的基本原理 ( 3 ) 注入回路方式 注入回路方式又可分为与l c 串联谐振注入回路方式和与l c 并联谐振注入回路 方式两种。注入回路方式是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a p f 只需承受很小部分的基波电压，从而降低a p f 的容量。但在这种方式 中，a p f 不能补偿基波无功功率。 2 2 2 串联型a p f 串联型a p f 作为电压源串联在电源和谐波源之间，相当于一个受控电压源。包括 单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种【2 1 】【2 2 】【2 3 】。 ( 1 ) 单独使用的串联型a p f 图2 7 为单独使用串联型a p f 结构图。串联型a p f 主要用于消除带电容二极管整 流电路等，电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏 感负载的影响。与并联型a p f 相比，这种串联型a p f 的主要优点是能补偿电网谐波电 压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用。主要缺点是流过很高的负载电 流，使得变压器的额定参数上升、体积变大、损耗大；此外这种串联型a p f 投切、故 障后的退出及各种保护较为复杂。 图2 - 7 单独使用的串联型a p f ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用的串联型a p f 图2 8 为这种方式的典型系统结构。这种系统结构的特点是谐波基本由l c 滤波器 补偿，而a p f 作用只是改善l c 滤波器的滤波特性。谐波基本上由无源滤波器补偿， 而a p f 的作用是改善p f 的滤波特性。可将a p f 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p f ，a p f 起到了谐波隔离的作用。这样还可抑制电网阻抗对p f 的影响，以及抑制电网与p f 之 间可能发生的谐振，从而极大地改善p f 的性能。 1 2 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 有源滤波器 图2 - 8 串联型a p f 与l c 并联混合使用方式 负 载 串联型a p f 中流过的是正常负载电流，损耗较大；并且串联型a p f 的投切、故障 后的退出及各种保护也比并联型a p f 复杂，因此使用范围受到很大的限制。 2 2 3 串并联混合使用方式 由上面可知，串、并联a p f 各有各自的特点，为了充分发挥它们的优点，可以 将二者组合起来使用，这就构成了串并联混合使用方式，其基本结构如图2 9 所示。 串联a p f 通过变压器接入主电路中，具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变或不平衡 的补偿等作用，其变压器容量取决于电压调节范围，容量很小。并联型a p f 直接与主 电路相连，起谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直流母线电压调节作用。这种 结构虽然功率开关较多，但开关应力较小，容量不大。两个a p f 都采用电压型逆变器 结构，公用直流平波电容器，损耗低，效率高；系统输入和输出波形畸变小；电压 调节动态响应时间短、范围宽、精度高：能适用于各种用电负载能抑制电网三相交 流电压不均衡。这种电路结构的控制方式改变后可以实现统一电能控制器和交流电 网移相器的功甜2 4 j 【2 5 】【2 6 1 。因此对这种装置龟路结构和控制方法研究是目前电力电子 技术领域的一个研究热点和发展方向。 有源滤波器 图2 - 9 串并联混合使用方式 负 载 硕士学位论文第二章a p f 的基本原理 2 3a p f 的谐波检测技术 a p f 的工作性能，很大程度上取决于对谐波电流以及基波无功电流的高精度、实 时的检测上。因此对谐波电流以及基波无功电流检测方法的研究具有十分重要的意 义。 2 3 1 谐波电流检测方法概述 a p f 的谐波检测技术经历了一个有频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发 展过程。最早的检测方法是通过模拟电路实现的，即采用模拟滤波原理，在检测到 的信号中提取出基波分量，它与原信号之差就是要补偿的谐波，通常由带通滤波器 来实现。使用带通滤波器的优点是实现电路简单，造价低，输出阻抗低，品质因数 易于控制。但缺点很多包括滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影 响很大，难以获得理想的幅频特性和相频特性，滤波特性受电网阻抗和频率影响很 大，运行损耗大等等。因此随着电力系统谐波检测要求的提高以及新的谐波检测方 法日益成熟，该方法已不再优先使用了，随着电子技术和计算机的飞速发展，谐波 的检测也被数字检测方法替代。数字技术能够很好地克服模拟电路检测技术固有的 缺点，因此，越来越得到广泛的应用。 目前，谐波电流的检测主要有以下几种方法： ( 1 ) 基于频域运算的方法【2 7 】：这是最早用于谐波电流检测的一类方法。其基本思 想是用频域滤波器首先分离出负载电流中的基波分量和谐波分量，然后再使用电路 理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。由于需采用锐 截止的高阶带通滤波器，所以附加相移较大。另外，滤波器特性对电网频率波动和 电路元件参数比较敏感，所以该方法已很少采用，而转向以快速傅里叶变换为基础 的全数字频域滤波方法。该方法能自动跟踪电网频域的波动而自适应地提取基波分 量，但仍存在较大延迟，实时性差，补偿效果不好等问题。 ( 2 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法：基于瞬时无功功率理论的检测法是目前 a p f 中应用最广的一种谐波电流检测方法。最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 4 年提出， 仅适用于对称三相电路。后经过不断的改进现已包括p g 法【2 引，i 乞法【2 9 1 以及一g o - d 法【3 0 等。其中p q 法最早应用，它仅适用于对称且无畸变的电网；而f 。艺法不仅对 电源电压畸变有效，也适用于不对称三相电网；基于同步旋转p a r k 变换的d q 法不 仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称有畸变的电网。 ( 3 ) 基于现代控制理论的检测方法【3 l 】：最早应用的有基于p i 控制器的方法，因p i 控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等现 代控制方法。它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需电网电流的 基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的值。 1 4 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 ( 4 ) 自适应检测、法【3 2 】：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载 电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电 压畸变、频偏及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢。 ( 5 ) 基于神经网络控制法【3 3 】：该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展 起来的一种新型智能控制检测手段。人工神经网络以自学功能性强，进化算法和反 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，而且有广 泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性负载的a p f 系统。 从以上检测方法看，基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能 良好，并已经趋于完善和成熟，目前占主导地位。自适应检测法和基于神经网络控 制法等新型检测法有较强的自适应能力和广阔的发展前景。 2 3 2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法包括p g 法和一法。p 一9 法根据 瞬时无功功率理论的相关定义算出p 、q ，经低通滤波器( l p f ) 得到p 、q 的直流分 量万、虿。当电网电压无畸变时，歹为基波有功电流与电压作用所产生，虿为基波无 功电流与电压作用所产生。于是由p - 、虿即可计算出被检测电流i 口、屯、乞的基波分 量0 、磅、芬。 l l = c 弛f 二 享 = 吉c c 月 琴 c 2 - 5 ， l l 矿j 从图2 - 1 1 可以看出，将0 、0 、0 与乞、之相减，即可得出谐波分量么、 。当a p f 同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无 功电流。此时只需断开图2 1 1 中计算q 的通道即可。这时，由p 即可计算出被检测电 流乞、之的基波有功分量切、锄、锄为： r ；1 斛硼 ( 2 - 6 ) l 切i 。 将乞、f 6 、之与切、锄、锄相减，即可得出乞、之的谐波分量和基波无功 分量之和0 、磅、f g r ，取负后就是a p f 所需要的指令电流信号f 。 硕士学位论文 第二章a p f 的基本原理 图2 1 1 p - q 运- 算方式原理框图 由于采用了低通滤波器求取矽、虿，故当被检测电流发生变化时，需经一定延 迟时间才能得到准确的矽、虿，从而使检测结果有一定延迟。当只检测无功电流时， 则不需低通滤波器，而只需直接将q 反变换即可得出无功电流，这样就不存在延迟了， 得到的无功电流如式2 7 所示： 厂i 阱扣朋圈 p 7 ， l 叼j f 。一法原理图如2 1 2 所示，是用一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号发生电 路得到一个与a 相电网电压p 。同相的正弦信号s i n 纠和对应的余弦信号c o s m t 。然后 利用得到的正弦信号s i n o g t 和余弦信号c o s 缈t 将根据瞬时无功功率理论得到的瞬时电 流值屯、i b 通过二相二相旋转变化计算出电流