（电力系统及其自动化专业论文）广义有源电力滤波器的研究.pdf

a bs t r a c t t h e r ei sag r e a td e m a n dt ou t i l i z et h eg e n e r a t l i z e da c t i v ep o w e rf i l t e r ( g a p f ) t or e d u c et h eh a r m o n i co ft h ep o w e rs y s t e ma n di m p r o v et h ep o w e r q u a l i t yi nc h i n a t h e r e f o r ei ti sw o r t h yo fr e s e a r c hh o w t oc o r r e c t l yc h o o s e t h ec o n t r o la r i t h m e t i co fg a p ft oi m p r o v ei t sp e r f o r m a n c ea tt h et i m eo f r e d u c i n gi t sc o s t f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h et h e o r y ，s t r u c t u r ea n dc l a s s i f i c a t i o no f t h eg a p f t h ed - q - 0m e t h o do fh a r m o n i c sd e t e c t i o nb a s e do ng e n e r a l i z e d i 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 yi s s t u d i e d d e t e c t i n gt h e o r yo ft h e i n s t r u c t i n gc u r r e n to nd q 0i sd e e p l yr e s e a r c h e di nt h em a n ys c h e m e sf o r g a p f s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ov a l i d a t e dt h ep r o b a b i l i t yo fa p p l y i n gt h i s t h e o r yi nt h r e e p h a s ef o u r w i r es y s t e m s e c o n d l y ，i no r d e rt or e m e d yt h ed i s a d v a n t a g et h a td o e sn o ta c c o m p l i s h t h eh i g hc o m p e n s a t i o np r e c i s i o na n dr a p i dr e s p o n s es p e e df o rc o m p e n s a t i o n c u r r e n tb yt h em e t h o do ft r a d i t i o n a r yh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，t h ec o n t r o l m e t h o do ft h r e ed i m e n s i o n a l s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( 3 d s v p w m ) i sa p p l i e di nt h ec o n t r o l l e dp a r to fc o m p e n s a t i o nc u r r e n t i n t h i sp a p e r ，t h e r ei sn o to n l y i n - d e p t ha n a l y s i st h a tt h ec o n t r o lm e t h o do f v o l t a g es p a c e v e c t o r sp w ma p p l i e di nb a s e do nt h em i d p o i n to ft h e c a p a c i t o ri nt h r e e - - p h a s ef o u r w i r es y s t e mb u ta l s op u tf o r w a r da c h i e v et h e e x p e r i m e n t a ls t e p s t h em e t h o dh a st h eh i g hc o m p e n s a t i o np r e c i s i o na n d r a p i dr e s p o n s es p e e d t h ec o n t r o lm e t h o dc a nb ea c c o m p l i s h e dc o n v e n i e n t l y w i t ha l g o r i t h mb e c a u s ei td o e sn o tn e e dt os i m u l a t ec o n t r o lc i r c u i t f i n a l l y ，am o d e lo fg a p fw a sb u i l t w i t ht h el o a do ft h r e e p h a s ed i o d e r e c t i f i e ra n dt h r e e - p h a s ea s y m m e t r yl o a d ，s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h i sm o d e l p r o v e dt h a tt h eg a p fc a nw o r kw e l ls u p p r e s s i n gh a r m o n i c c o m p a r e dw i t h t r a d i t i o n a lh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，t h e3 d - s v p w mt e c h n i q u e s o l v e st h ep r o b l e mo ft h en e u t r a ll i n ec u r r e n tb yt h i si n f l u e n c ea n dr e a l i z e s t h ec o m p e n s a t i o nf o rt h ei m b a l a n c e ，h a r m o n i ca n dn e u t r a lc u r r e n t s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e3 d s v p w mt e c h n i q u ei sv a l i d ，a n do b t a i n s b e t t e rc o m p e n s a t i o ne f f e c ta n dc o n s e q u e n t l yi m p r o v e sp o w e rq u a l i t y 1 1 t h es t u d i e si nt h i sp a p e rh a v es o m eg u i d a n c eo nt h ee x p l o i t a t i o no ft h e g e n e r a l i z e da c t i v ep o w e rf i l t e re x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yw o r d s ： g e n e r a l i z e da c t i v ep o w e rf i l t e r ；i n s t r u c t i o n a lc u r r e n t ； g e n e r a l i z e di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e r ；t h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( 3 d s v p w m ) ；h a r m o n i cc u r r e n t i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 郑桩 日期：知d g 年5 月2 j e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：关产蕴日期：刀略年岁月2 f 日 导师签名： 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 电力系统的谐波是交流电中频率大于基波频率的正弦分量的统称。 由于交流发电机输出的电压中谐波含量很小，因此，一般可以认为发电 机输出的电压为正弦波。当负载具有非线性时，电流就会含有谐波，波 形就会发生畸变，使电力系统中的电压和电流不再是单一的基频正弦波， 而成为含有谐波的非正弦波。近几十年来，以计算机技术和功率半导体 制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和切换速度有了显著提 高，配电网中各种变流器、变频调速装置、电子镇流器等电力设备不断 增加。随着电力电子装置的工业市场和应用领域的不断扩大，对国民经 济的发展起到了很大的促进作用。但是，由于电力电子装置是一种非线 性时变拓扑负荷，具有冲击性、不平衡性的用电特性，由其造成的谐波 污染也日趋严重，现在，它已超过变压器、发电机、电弧炉等传统谐波 源，成为电力系统中最重要的谐波源。另外，电力电子装置在产生大量 谐波的同时，也要消耗无功功率，也给电网带来额外的负担。谐波的危 害是十分严重的。谐波使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低 了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线 路过热甚至发生火灾：谐波影响各种电气设备的正常工作，使电气设备 过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，缩短使用寿命，甚至发生故障 或烧毁；谐波可引起电力系统局部并联谐振和串联谐振，使谐波放大， 造成电容器等设备损坏；谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作， 使电能计量出现混乱。另外，国外许多研究表明，谐波不仅对电力系统 中的运行设备和负荷有危害，而且对通信系统和计算机系统等也有较大 的影响。轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系 统和计算机系统无法正常工作。在保证有功功率一定的情况下，无功功 率的增加，会导致视在功率的增加，使发电机、变压器等电气设备容量 增加。另外，无功功率的增加，会导致电流增加，一方面使设备和线路 损耗增加，另一方面线路和变压器的电压降增大，影响到供电质量。因 而进行无功功率的补偿可以提高供用电系统的功率因数、降低设备容量、 减少功率损耗，改善输电系统的稳定性，提高输电能力：稳定受电端及 电网电压，提高供电质量；在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，还 可平衡三相的有功和无功负载。 目前消除谐波主要有主动型和被动型两种途径。主动型指从装置本 身出发，设计不产生谐波的设备；被动型则指外加电力滤波器，比如在 电力系统中加上l c 滤波器，或在装置的电源侧加装有源滤波装置等。被 动型谐波抑制中安装的电力滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器。 早期使用的补偿装置是l c 无源滤波器，其主要思想是根据l c 的串 并联谐振原理，为谐波分量提供一个低阻通路，同时提供一定的无功补 偿。l c 无源滤波器由于其构造简单，一直被广泛使用。但其只能补偿固 定频率的谐波，而且补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，容易与 系统发生谐振。为解决传统无源滤波器的局限性，人们做了很多的研究 和探索，其中最有代表性的是有源电力滤波技术的提出”。 与传统的无源滤波器相比，有源电力滤波器( 简称a p f ) 有自己的特 点1 3 1 ： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功 功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做 到连续调节。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容 量也不大。 ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也不会发生过载，并能 正常发挥补偿作用。 ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 7 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集 中补偿。 由于有源电力滤波器的诸多优点，自它提出以来一直受到广泛的重 视。但是，由于理论研究深度不足的制约、功率器件容量的限制、经济 因素的影响、可靠性问题的困扰，另外有源电力滤波技术集合了检测， 控制和实时补偿于一体，内容相对比较复杂，对于检测的准确性、控制 的稳定、补偿的快速性以及各个环节的相互协调等要求，有源电力滤波 器的应用远没有达到预期的广泛程度，在谐波抑制中没有起到应有的作 用。因此，加强有源电力滤波器及相关技术的研究，提高滤波装置的性 能，满足实际应用的需要，使其成为电力谐波治理的有力手段，还有许 多问题有待于进一步研究。 2 1 2 有源电力滤波器发展历史、研究现状与展望 1 2 1 有源电力滤波器的发展历史 早在19 6 9 年，b m b ir d 和j f m a r s h 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中的谐波成分，从而改善电 源电流波形的新方法。尽管作者在该文中未提出有源电力滤波器这一概 念，但其所描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 19 71 年，h s a s a ki 和t m a c h id a 发表的论文中，首次完整地描述了 有源电力滤波器的基本原理。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，因此仅在实验室中研究，未能在工业中应 用。 197 6 年，l g y u g yi 等人提出了采用p w m 变流器构成的有源电力滤波 器，确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确立了有源电力滤波器主电路 的基本拓扑结构和控制方法。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和大功率可关断器件的限制， 对有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。 进入8 0 年代以来，随着大功率可关断器件如大功率晶体管( g t r ) 、 大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶体管( s it ) 、绝缘栅双极晶 体管( i g b t ) 等快速器件的发展，以及p w m 控制技术的发展，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这 一时期的一个重大突破是，1 9 8 3 年日本学者赤木泰文等人提出了“三相 电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在 有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的 发展。投入实际运行的绝大多数有源电力滤波器都是以该理论为基础， 来检测负载侧的谐波和无功电流。 1 2 2 国内外有源电力滤波器的研究现状 近些年来，有源电力滤波技术成为研究热点，有大量的相关论文、 专著及文献发表或出版。有源电力滤波技术在抑制谐波、补偿无功功率 方面已经比较成熟。在不同的结构组成、控制策略和硬件装置等各个方 面都有了很大的发展。在结构组成方面，针对单相，三相三线，三相四 线系统以及电压补偿和电流补偿的需要，并联、串联或者与l c 无源滤波 器三者混合的有源电力滤波器都有了较大的发展。并联型有源电力滤波 器对于谐波抑制、无功功率补偿和中性线电流补偿都具有很好的效果。 并联有源电力滤波器由于具有功能多样，连接方便等优点，所以它已经 成为应用最多的有源电力滤波器，在日本等国家得到了广泛应用。串联 型有源电力滤波器至今主要处在实验研究阶段，它对于谐波电压补偿、 电压平衡和电压闪变的抑制等方面都有不错的表现。统一电能质量调节 器对于电流和电压补偿方面都有很好的效果，但是由于其容量、体积及 造价都在一个很高的水平上，所以限制了它的实际应用。 在硬件装置方而，随着快速自换向器件的发展，有源电力滤波技术 有了很快的发展。在使用的元器件方而，起初是晶闸管，大功率双极型 晶体管( b j t ) 和功率m o s 场效应晶体管用于有源电力滤波器的制造，随后 是静电感应晶体管( sit ) 和可关断晶闸管( g t o ) 。随着绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 的成熟，有源电力滤波技术得到了真正的推广。如今，在小容量 有源电力滤波器方而，元器件的理想选择是绝缘栅双极晶体管( ig b t ) ， 大容量则选择可关断晶闸管( g t o ) 。同时，传感器的发展也为有源电力滤 波技术发展做出了很大贡献，价位适中、容量足够的霍尔传感器大大改 进了有源电力滤波器的性能。另外，微处理器，微控制器甚至数字信号 处理器( d s p ) 的使用，使有源电力滤波器在线的实现大量、复杂的算法成 为可能，也使得各种复杂的控制算法，诸如p i 、变结构控制、模糊逻辑、 神经网络、预测等控制算法得以实现，保证了有源电力滤波器的快速、 实时的补偿性能以及稳态性能。2 0 世纪末，使用ig b t + s p w m 逆变技术的 有源滤波器研制成功，随着大功率成本的降低，有源滤波器将替代传统 无源滤波器成为未来应用的主流。 检测、控制电路是有源电力滤波器的关键部分，它完成对电网负载 中的谐波电压和电流进行实时检测，得到相应的补偿控制指令，以控制 p w m 逆变器产生相应的补偿电压或电流。因此，如何快速、准确地把供电 系统中谐波电压、谐波电流及无功成分检测出来，进行实时的动态补偿 将是实现有源电力滤波器的关键问题。根据被检测的电流、电压信号位 置的不同，可分为检测负载端电压、有源滤波器直流电压、负载电流、 电源电流、及有源滤波器直流侧电流等不同方式。产生补偿指令的控制 算法可分为频域法和时域法两种1 ，在频域法中主要是傅里叶分析法，其 缺点是要求电力有源电力滤波器开关频率为所补偿谐波最高频率的两倍 以上，而且计算复杂，响应慢，实时性不好。时域法中有很多种方法， 典型且实用的是瞬时无功功率理论方法，即p q 法，及随后产生的适合 电压发生畸变场合的f 。一f 。法、d - q 法等。时域算法中还有p i 控制器法、 同步检测法、滑模控制器法等。除了以上方法外，近年来，还出现了自 适应检测方法、基于噪声对消技术的检测方法、基于鉴相技术的瞬时谐 波电流检测方法、信号预测检测方法、小波变换检测方法、模糊逻辑检 4 测方法以及神经网络检测方法、广义瞬时无功功率理论检测方法等一些 实时检测谐波和无功电流的方法，但从文献资料和实际应用看，基于瞬 时无功功率理论的检测方法是占主流地位、应用广泛的检测方法，。 本课题也是采用基于这一理论的检测方法。由于广义有源电力滤波器产 生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器 具有很好的实时性， p f 采用的控制方法主要有特定消谐法、组合变流器 相移s p w m 控制、滑模控制、滞环电流控制、空间矢量控制、模糊控制、 人工神经网络控制等控制方法，除了以上的控制方法外，还有一些研究将 自抗扰控制、遗传算法等先进控制算法应用到a p f 控制中m 1 。但目 前对于a p f 的研究还处于理论和仿真研究阶段，尤其是先进的算法在a p f 中还没有实际的应用实例。有关a p f 的控制策略正随着d s p 技术和智能 控制理论的发展不断涌现。 一般的有源电力滤波器都是针对某个具体的谐波源进行谐波抑制、 补偿无功的，接在电网的某一个节点上。最近，国外有一人提出了针对 局部电网的完成谐波抑制、补偿无功等功能的有源线路调节器( h c t iv e p o w e rl in e 。c o n d itio n e r s a p l c ) 的概念。目前，国外a p l c 的应用还处 在研究和试验阶段，实时确定补偿电流、优选补偿节点、在线测量谐波 等技术难点影响了a p l c 的应用。 ，- 目前，世界上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋 电器公司、德国西门子公司等。据统计，仅在日本，自l 9 81 年以来，己 有5 0 0 多台a p f 投入运行，其容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，功 能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。近 年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 g t o ，i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波 器已经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本己经开始大量使用电力有 源滤波器来补偿电网中的谐波以提高电能的质量”。 国内有源滤波器的研制始于2 0 世纪8 0 年代中期，19 8 9 年华北电力 科学研究所研制出中国第一台有源滤波器。此外，西安交通大学、清华 大学等高校也陆续有新产品通过试制。 2 0 世纪9 0 年代末期，电力滤波器在我国开始实质性应用，2 0 世纪 初，电力滤波器开始逐渐普及。2 0 0 6 年，电力滤波器的发展开始加速， 无源滤波器，组合滤波器，有源滤波器都已开始实际应用。但是，目前 国内有源滤波器的技术和产品还不完善，这与我国目前谐波污染日益严 重的状况很不适应。 从国内外电力滤波器的发展经历来看，国内的理论研究和产品研制 水平均比国外落后1 3 15 年左右，国内电力滤波器的商业应用也相应滞 后，随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发展，电能 质量问题会越来越引起人们的关注，因此有源电力滤波器有着良好的发 展前景和潜在的技术经济效益。 1 。2 3 有源电力滤波器的发展趋势 随着我国对电能质量治理工作的日益重视，有源电力滤波器作为净 化电网污染、改善供电质量的一种有效装置，有着广阔的应用前景。综 合现阶段国内外对a p f 的研究和应用，可看出其有如下发展趋势： ( 1 ) 增大器件容量，提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补 偿效果。此外，应用多重化技术也能提高器件等效开关频率，实现对高 次谐波的补偿。 ( 2 ) 随着电力电子器件的发展、微机控制技术的完善、数字信号处理 器( d s p ) 运算速度的提高以及补偿控制策略的不断改进，将会逐步实现滤 波器控制系统的简化与数字化，进一步提高装置的可靠性。 ( 3 ) 随着谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，a p f 将会实现 多功能化，不仅可以补偿系统谐波，还可以补偿无功电流，抑制闪变， 稳定系统电压等。 ( 4 ) 对谐波理论的进一步研究，完善现有的谐波检测理论体系并建立 新体系，提出新的检测方法和控制策略，进一步发展在线测量谐波电流 的技术和产品。 电力系统的谐波污染问题日益严重使其对a p f 的需求不断增加，随 着我国对a p f 研究的不断深入和对电能质量治理工作的持续开展，利用 a p f 进行电能质量改善将会有巨大的市场应用潜力，在补偿谐波、中线电 流、不平衡电流和功率因数校正等方面，a p f 技术必将得到更加广泛的应 用。 1 3 本论文主要研究内容 本课题是在掌握国内外有关最新资料的基础上，结合有源电力滤波 器的研究现状，对广义有源电力滤波器进行了研究，主要有以下具体内 容： r ( 1 ) 介绍了广义有源电力滤波器的结构、原理、特点。 ( 2 ) 深入研究了基于广义瞬时无功功率理论的d q o 谐波检测法，并应 用m a tla b sim ulin k 和s im p o w e rs y s te m 仿真工具，对基于广义瞬时无功 功率理论的d q o 谐波检测法在各种工作模式下进行了仿真研究，为谐波 6 检测电路的设计提供了依据和参考。 ( 3 ) 补偿电流的控制方法是实现有源电力滤波器功能的核心环节，本 文深入分析了滞环电流控制方法和基于电容中点式三桥臂逆变器主电路 的三维空间电压矢量p w m 控制方法，并设计了实现空间电压矢量p w m 控 制方法的实验方案。 ( 4 ) 以基于电容中点式三桥臂逆变器主电路的广义有源电力滤波器 拓扑结构为研究对象，对其容量、开关器件的选择、电路参数设计等进 行研究，并建立了广义有源电力滤波器的仿真模型，仿真结果表明本文 设计的广义有源电力滤波器对抑制电力系统的有害电流有很好的效果， 使用三维空间电压矢量p w m 控制方法比传统滞环控制方法更具有优势。 7 第二章广义有源电力滤波器的组成及其工作原理 2 1 广义有源电力滤波器的定义 电力系统谐波抑制的基本措施有两种，一种是采用l ( 电抗器) 、c ( 电 容器) 、r ( 电阻) 构成的无源电力滤波器，另一种是采用电力电子器件构成 的有源电力滤波器。有源电力滤波器早在19 6 7 年就被提了出来，主要用 于抑制高次谐波，2 0 世纪9 0 年代以后开始在电力系统得到实际应用。与 此同时，国内外也有人提出并从理论上证明有源电力滤波器可以进行谐 波和无功综合补偿，出现了广义有源电力滤波器雏形，但是由于有源电 力滤波器提供无功电流时带来不必要的高频开关损耗，它比任何一种实 用化的无功补偿装置效率都低，而它的瞬时无功功率测量系统和跟踪控 制系统却相对复杂得多，这是传统有源电力滤波器向广义有源电力滤波 器发展的主要障碍。传统有源电力滤波器主要用于补偿高次谐波，而且 多用于三相对称或基本对称的三相电路，因此研制一种可靠性大、测量 和控制简单、实现相对容易、开关损耗低、补偿功能多的有源电力滤波 器具有重要的学术意义和实用价值。 19 9 0 年，加拿大c o n c o r d ia x 学的p d z io g a s 提出了一种三相固态功 率因数补偿及谐波抑制器，孕育了一种新型有源电力滤波器的诞生，揭开 了广义有源电力滤波器研究的序幕。19 9 2 年，华北电力学院在原来三相 固态功率因数补偿及谐波抑制器的基础上，提出将其应用于电力系统的 配电系统抑制非线性负荷的谐波，并推广应用于不对称负荷补偿方面，由 此提出一种新型的无功、谐波和负序综合补偿装置并把这种新型的无 功、谐波和负序综合补偿装置命名为广义有源电力滤波器( g a p f ) ，g a p f 概念正式形成。19 97 年，哈尔滨工业大学研制出lo o k v a r 广义有源电力滤 波器实验样机，但是该g a p f 还限用于三相三线制电力系统。在此基础上， 后来的学者将g a p f 进一步推广到三相四线制电力系统，g a p f 的内涵扩展 为综合补偿无功、负序、零序、谐波与间谐波的电力装置”。从目前国 内外的情况来看，利用广义有源电力滤波器进行谐波和无功补偿以提高 电能质量的技术仍是今后的一个发展趋势。 2 2 广义有源电力滤波器的分类 2 2 1 根据接入电网的方式分类 广义有源电力滤波器( g a p f ) 能对系统中动态的谐波和无功进行补 8 偿，克服了传统l c 滤波器的缺点，因此自其出现以来就引起了人们的广 泛关注。根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型广义有源电 力滤波器和串联型广义有源电力滤波器。两者又分别包括不同的类型， 如图2 1 所示。并联型广义有源电力滤波器与负载并联接入电网，主要 适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补偿。串联型广义有源电 力滤波器与负载串联接入电网，主要消除电压型谐波源对系统的影响。 图2 1 根据接入电网的方式分类 2 2 2 根据广义有源电力滤波器直流侧储能元件分类 根据主电路储能元件的不同，广义有源电力滤波器可分为电压型和 电流型两种。电压型广义有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容， 在正常工作时，其电压基本保持不变；电流型广义有源电力滤波器的主 电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变。与电压 型g a p f 相比，电流型g a p f 的一个优点是，不会由于主电路开关器件的 直通而发生断路故障，但是，电流型g a p f 的直流侧大电感上始终有电流 流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。 电压型和电流型两种g a p f 将在后面详细介绍。 2 2 3 根据补偿系统的相数分类 根据补偿系统的相数来分类，广义有源电力滤波器可分为单相和三 相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。 单相有源滤波器一般应用在小功率场合，例如商业写字楼或是教学 楼以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，单 相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷，因此逆变器的开关频率 9 可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。 2 3 并联型广义有源电力滤波器的系统结构 本文以应用于三相四线制的并联型广义有源电力滤波器为研究对 象。图2 2 为并联型广义有源电力滤波器的系统结构。并联广义有源电 力滤波器可认为由三大部分组成：即主电路、检测电路、控制电路组成。 v 1 - 一v 6 i g b t 门极 图2 2 并联型广义有源电力滤波器的系统结构 2 3 1 主电路 2 3 1 1 主电路类型 广义有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大，如果采用单 个p w m 逆变器不能达到容量要求时，通常可以采用多重化技术，来满足 实际需求“，。下面介绍单个p w m 逆变器的主电路形式。 广义有源电力滤波器的主电路一般由变流器构成。根据变流器的直 流侧采用电容或电感两种不同的储能元件，其主电路结构可以分为电压 型和电流型桥式电路两种；如果根据电平数量进行分类，可以分为二电 平和多电平；如果根据相数的不同分类，可以分为单相与三相；如果根 据桥臂数量进行分类，可以分为三桥臂、四桥臂和两桥臂电路。目前， 三相三线制电力有源滤波器己经成功地在一些工业产品中得到应用。三 相四线制有源电力滤波器的拓扑虽然早在8 0 年代就有了介绍，但在实际 1 0 系统中的应用仍然较少，还有许多问题需要研究和解决。随着三线四线 制系统在整个电网中产生谐波比重越来越大，研究如何用广义有源电力 滤波器对三相四线制系统谐波和无功进行补偿有重要意义。广义有源电 力滤波器的主电路基本形式如图2 3 一图2 4 所示。 ( a ) ( b ) 图2 3 三桥臂电路 ( a ) 三桥臂电压型电路 ( b ) 三桥臂电流型电路 ( a ) ( b ) 图2 4 四桥臂电路 ( a ) 四桥臂电压型电路 ( b ) 四桥臂电流型电路 图2 3 一图2 4 中所画的电力电子开关器件为ib g t ，实用中电力电子开 关器件可在g t o ( 晶闸管) 、b j t 、ib g t 、电力m o s f e t 等器件中选择。有源 电力滤波器装置彻底摆脱了依靠电容器提供无功功率的传统模式，其主 电路直流侧仅需较小容量的电容器维持电压。 三桥臂电路和四桥臂电路区别在于后者增加了一个桥臂，适合用于 三相四线制系统不平衡系统，同时避免交流系统与有源电力滤波器直流 侧相连。当然，三桥臂也适合用于三相四线制系统，但是需要从直流电 容或电感的中点与交流侧的中性线相连。 图2 3 为三桥臂电路，图2 4 为四桥臂电路。采用四相变流器主电 路形式的有源电力滤波器能有效地补偿三相电源电流中的谐波，并消除 零线中的电流，使三相电流对称。由于采用了一对开关管直接控制对零 线电流的补偿，因此有较好的零线补偿效果。三相变流器结构形式的三 相四线制有源滤波器对零序电流的控制是一种间接方式。从结构上看， 三相变流器比四相变流器采用的开关管数目少。但从控制的角度来说， 由于零线电流在两个电容上可能引起电压不平衡的情况，所以控制电路 要比四相变流器的控制电路复杂一些。 图2 3 ( a ) 为电压型桥式有源电力滤波器，直流侧接有恒压大电容， 其直流电压为u 电压型有源电力滤波器主电路中包括变流电路( 通常采 用g t o 或ig b t ) ，整流电路( 由6 个二极管组成) 和储能设备( 直流电容c ) 。 图2 3 ( b ) 为电流型桥式有源电力滤波器，直流侧接有恒流大电感，其直 流电流为i 。，交流侧与电网相连。由于有源电力滤波器交流侧只输出无功 功率，所以直流侧的电压源或电流源实际上并不需要有功功率输出，可 以用充有电压u 。的电容器或者初始电流为i 。的电感来代替。在交流侧，对 电压型桥式电路，还需再串联电感l 才能并入电网；对于电流型桥式电路， 则需并联上电容器c 。交流侧所接的电感l 和电容器c 的作用分别为阻止高 次谐波进入电网和吸收换相时产生的过电压。 考虑到有源电力滤波器主电路需要在电压型主电路和电流型主电路 中进行选择，所以介绍一下这两种主电路的特点，。 ( 1 ) 电压型变流器主电路的基本特点： 电压型主电路器直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本 保持不变，可作电压源。 对于电压型主电路，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压 进行控制。 电压型主电路的交流侧输出电压为p w m 波。 初期投资小，工作效率高，开关功率损耗小，因而电压型主电路 目前较多使用。 电压型主电路可能会由于主电路开关器件的直通发生短路故障。 ( 2 ) 电流型变流器主电路的基本特点： 电流型主电路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。 对于电流型主电路，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流 进行控制。 电流型主电路交流侧输出电流为p w m 波。 电流型主电路保护更容易，工作更稳定。 电流型主电路不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障， 但是，电流型p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大 1 2 电感的内阻上产生较大损耗，因而电流型p w m 变流器目前较少使用。 不过，随着对超导储能磁体研究的进展，一旦超导储能磁体实用化， 必可取代大电感器，促使电流型p w m 变流器的应用增多。电容储存能量， 其效率高于电感储存能量。此外，电压型变流器的交流增益较高。 2 3 1 2 主电路容量 目前广义有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型，下面分析 基于电压型主电路的容量。 广义有源电力滤波器直流电压一般应取交流电源相电压峰值e ，的 3 倍，而使g a p f 有较好的补偿特性。假定补偿电流的有效值为l ，则g a p f 的容量疋为： 既= 3 e 。i 。 ( 2 1 ) 上式中要注意的问题是： ( 1 ) 广义有源电力滤波器的容量与补偿电流的大小有关，因而与补偿 对象的容量及补偿的目的有关。 ( 2 ) 主电路中功率开关器件的耐压由直流侧电压u 。决定，而虬与e 。 的关系由设计决定，一般要求玑3 e 。( 玩为相电压的峰值) ，但没有确 定不变的对应关系。 目前应用于有源电力滤波器的功率开关器件主要有g t r ，i g b t 和g t 0 等，其选择首先应满足工作频率和补偿容量的要求，其次功率开关器件 的额定电压由直流侧电压【厂。确定，额定电流由补偿电流l 来确定。 2 3 1 3 主电路中开关器件的选择 有源电力滤波器变流器开关器件的选择主要分三步：首先，应根据装 置的容量和直流侧电压的大小选择器件的耐压水平和最大工作电流。一 般情况下为了保证器件的可靠工作，器件的耐压水平应选择为其工作中 可能承受最大电压的两倍。而开关器件的电流有多个值，选择开关器件 时应根据器件工作电流的有效值、峰值来确定，通常也留有一倍的裕量。 其次，根据补偿谐波频率的高低来选择器件的工作频率。器件工作频率 的选择应根据实际要滤除负荷电流最高次谐波的次数来定，根据采样定 理，开关频率必须为最高次谐波的二倍以上。从理论上讲，器件的开关 频率越高，有源电力滤波器对谐波的补偿能力越强，补偿谐波的效果越 好，但随着开关器件开关频率的增高，开关损耗也会增加，器件工作时 对散热的要求也越高。最后，应根据器件的耐压水平、电流水平、开关 频率及散热要求，综合考虑主电路的成本，选择合适的开关器件”。 在实际应用中，为了使有源电力滤波器的补偿电流能快速地跟随指 令电流的变化，必须采用开关速度快的器件。同时，要根据有源电力滤 波器容量的大小来选取器件的电压和电流等级。此外，要根据实际补偿 要求选择器件的开关频率。 目前，有源电力滤波器主电路所采用的电力电子器件多为g t o 和 i g b t 。近几年出现的新型电力电子器件i g c t 有望用于有源电力滤波器的 主电路。 对于大容量的( 5 m v a 以上) 有源电力滤波器一般选取g t o 作为其主电 路器件，但因其工作频率较低，对较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开关频率。对于中、小容量( 2 m v a 及其以下) 的有源电力滤波器一般选取ig b t 作为其主电路器件，由于其工作频率很 高，所以对较高次谐波的补偿效果也很好，但当其工作在较高工作频率 情况下，其损耗将加大，有源电力滤波器的效率将随之降低。 2 3 2 检测电路 广义有源电力滤波器的工作性能很大程度上取决于对指令电流实 时、准确地检测。指令电流检测电路的输出是控制电路的输入，从而决 定了控制电路的输出。而控制电路的输出又决定了有源电力滤波器的输 出补偿电流，所以有源电力滤波器补偿电流的大小、方向、相位及精度 等，都很大程度上取决于畸变电流的检测环节。本小节简单介绍g a p f 检 测环节的构成以及设计中的关键问题。图2 5 为检测电路的原理框图。 下面对各个环节进行介绍。 图2 5g a p f 的谐波检测环节原理 ( 1 ) 电压与电流传感器 用于g a p f 的电压互感器p t 与电流互感器c t 与一般用于电力系统继 电保护与测量的p t 与c t 有一定的区别，即该p t 与c t 要求精度较高， 要求精度o 2 级以上，线性度好。其次要求p t 与c t 具有快的响应特性， 一般要求信号延时在lo us 以下。最后要求p t 与c t 能够测量直流信号。 对于接在系统侧的p t 与c t ，可以不需要测量直流信号，但对于接在g a p f 1 4 上的p t 与c t ，一定要能够测量出直流信号，否则在控制过程中装置的性 能可能难以达到要求。满足上述要求的p t 与c t ，一般是基于霍尔效应的 电压、电流测量模块。接于电网侧用于检测系统谐波电压或谐波电流的 p t 与c t 的安装位置也要根据实际情况选择，总的原则为谐波检测互感器 安装在电网的谐波源侧。如图2 6 所示，检测电网谐波的p t 与c t 应该 安装在图中所示的谐波源一侧，这样就不会因为安装g a p f 后因其补偿影 响谐波的变化。 图2 6 谐波检测互感器的安装位置的选择 ( 2 ) 预处理环节 一般的预处理环节为将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电 压信号并进行恰当的滤波和放大。互感器输出的信号经过转化环节变成 电压信号，而由于实际中总存在一定的高频噪声，因此一般都要对信号 进行一定的滤波及进行放大或缩小。由于g a p f 对谐波信号的延时非常敏 感，因此预处理环节的延时必须很小，否则将影响谐波补偿的效果。为 此要求预处理环节的延时为微秒级，如小于1o u s 。因为现在很多g a p f 的器件开关频率很高，如有的达到2 0 k h z ，则开关周期为5 0 u s ，因此一 旦预处理环节延时超过1o us ，会影响整个g a p f 的谐波跟踪及补偿效果。 ( 3 ) 采样保持与a d 转换 g a p f 对谐波信号的时间同时性要求很高，因此一般情况下应该对所 需要的信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对 输入的信号进行采样。将采样得到的信号保持起来，然后可以分别进行 a d 转换，将模拟量转化为数字量。由于g a p f 对信号频率范围及精度的 检测有较高的要求，因此应该根据滤波器对谐波补偿的要求确定采样保 持的频率及a d 转换的速度。按照采样定理，信号的采样频率为信号频 率的2 倍才能复原该信号，但实际中为了获得较好的效果，一般要求采 样频率为信号频率的4 倍以上才能得到该信号。例如如果电力系统要求 补偿谐波的最高频率为21 次谐波，则信号的采样频率最好在4x21x 5 0 = 4 2 0 0 h z 以上。同时a d 转换的精度应该满足要求，通常在12 位以上。 由于g a p f 的控制器算法较复杂，而要求较高的运算速度，因此通常采用 数字信号处理器( d s p ) 。 2 3 3 控制电路 广义有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好 坏的关键。g a p f 的控制系统主要有模拟控制系统、数字模拟混合控制系 统和纯数字控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，产生p w m 脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发展，因而通过专门电路 或通过可编程器件实现p w m 脉冲发生器已经非常方便而且在速度和分辨 率方面有了显著的提高，因此g a p f 的控制系统已经逐步变成纯数字的控 制系统。与其它的基于电力电子的装置类似，根据g a p f 控制算法的复杂 性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般基于 单数字信号处理芯片的带有p w m 信号的控制系统，即如图2 7 所示的控 制系统，由于d s p 芯片本身带有p w m 脉冲产生部分，因此采用单片的d s p 芯片就可以实现g a p f 的控制系统。 d s p 控制