（电力系统及其自动化专业论文）并联型有源电力滤波器的研究及其实现.pdf

茎坚查兰堡圭兰垡篓苎塑一 a b s t r a c t t h ew i d eu s eo f p o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n tm a k e sh a r m o n i cp r o b l e m d e t e r i o r a t e di n c r e a s i n g l y h a r m o n i cb e c o m e st h ep r i m a r yf a c t o ri n f l u e n c i n gp o w e r q u a l i t y a s a ne f f e c t i v em e a n so f h a r m o n i cr e s t r a i n t ，a c t i v ep o w e r f i l t e r i n gt e c h n i q u e b e c o m e st h er e s e a r c hf o c u so f s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp e r s o n n e l t h ep a p e ri s c o m p l e t e d b a s e do n d e v e l o p i n g as u i to f s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r i nt h ep a p e r , w e m a k eag e n e r a li n t r o d u c t i o no fa c t i v ef i l t e r i n gt e c h n i q u ea n dd i s c u s st h ep a r a m e t e r d e s i g no f t h em a i n c i r c u i to f t h ea p f 1 1 1 eo r d i n a r yc o u n t e r n l e a s u r ei st oc o m p e n s a t et h er e s p e c t i v el o a da t t r i b u t eo n t h es p o to f t h el o a d s ，b u ti ti sh a r dt oa v o i d a t t e n d i n g o n e t h i n ga n dl o s i n gs i g h t o f a n o t h e r , w h e nt h ec o m p e n s a t i o ni sn o tm a d eb yu n i t i z i n gm a t hm o d e n o w t h eu s eo f a c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f 、i sa ni m p o r t a n tt r e n d f o rh a r m o n i cr e s t r a i n ta n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n t h e c o u n t e r m e a s u r ew e a d o p t i st or e g a r dh a r m o n i c r e a c t i v e p o w e r a n d n e g a t i v ep o w e r a sak i n do f d i s t o r t e dw a v e ，s 0w ec a nc o m p e n s a t e t o g e t h e r o u rw o r k i sa d o p t i n gs o m e a l g o r i t h m t oi n t e g r a t et h ed i s t o r t e dw a v ei nt h e l o a dc u r r e n ta n d c o n t r o l l i n gt h ec o m p e n s a t i o ne q u i p m e n ta c c o r d i n g t os o m ec o n t r o l t e c h n i q u e ，s ot h a tt h ec o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t c a n p r o d u c e t h ed i s t o r t e dw a v ea n d a c h i e v et h ec o m p e n s a t i o n p u r p o s e n o w a d a y s r e s e a r c ha b o u t s h u n t a p fi sm a i n l yf o c u s e do nt h ed e t e c t i o no f t h e c u r r e n td i s t o r t i o na n dl e s so nl p f w h i c hi n f l u e n c e st h es y s t e m i cf e a t u r eo f t h e s h u n t a p f t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o do f l p fi su n s u i t a b l eb e c a u s et h e p a r a m e t e r s o fl p fa r ed e s i g n e d r e s p e c t i v e l y i n t h i sp a p e r ，t h em a i n d e s i g ni d e a a b o u tl p fi sa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f b u t t e r w o r t ha p p r o a c h t h eo p t i m a lm e t h o d f o rl p f a c c o r d i n g t ot h ea c t u a le q u i p m e n ti sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r 1 1 1 ec o l t c c t n e s s a n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o da r cv e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y t h i s p a p e ra n a l y z e st h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h es h u n ta p f a n di t s t o p o l o g i c a lc o n f i g u r a t i o nb r i e f l y ac o n t r o ls y s t e mo f a c t i v ep o w e r f i l t e rb a s e do n d o u b l e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i sp r e s e n t e d ，a n da l s ot h ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o n o ft h ec o n t r o ls y s t e mi si n 廿o d u c e d b a s e do nt h ea b o v e t h e o r ya b o u t a p f w eh a v ed e v e l o p e dat h r e e - p h a s ef o u r - w i r es h u n t p r a c t i c a la p fe q u i p m e n t a n dc a r r i e do n m a n ya c c o r d i n ge x p e r i m e n t s t h e r e s u l t sh a v ev e d f i e dt h ev a l i d i t yo f t h e p r e s e n t e d c o n t r o la p p r o a c ha n dt h e p a r a m e t e r d e s i g n m e t h o d k e yw o r d s ：p o w e r s y s t e m 、h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n 、a c t i v ep o w e r 、f i l t e rl o w - p a s sf i l t e r 、p a r a m e t e rd e s i g n 、t h r e e - p h a s ef o u r w i r e 一i i 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声名 本人郑重声明：所呈交的申请亟学位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 不包含任何其他人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要 贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方式表明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 作者签名：日期：年 月日 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、使用学位论文大规定，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，本人授权武汉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编制本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口、，。 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“、，”) 1 沁 p 象乞 c 日期：w j 年e 月，z 日 日期：协飞年易月f 乙日 孤jif 茎堡盔兰堡主兰垡堡奎一生兰! ! 鱼 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，在现代工业企业和运输部门中，晶闸管整流和 换流技术得到广泛应用。同时在居民用电设备中，电视机、洗衣机、收录机、 电冰箱等家用电器己相当普及。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特 性对供电质量造成了严重污染。另一方面，现代工业、商业和居民用户对供电 质量提出了更高的要求。尤其是i t 产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化 设备所提供的信息与服务，而数字化的设备对供电的质量要求更高。近年出现 的用户电力技术概念就表明了信息时代的电力用户已经明确提出了对电能质量 的要求，因而对改善电能质量的研究已是刻不容缓。在发达国家，对于这方面 的研究已经进行多年并取得了很大的发展。很多装置已经投入实际运行中，极 大的改善了电能质量。而在我国，这方面的研究起步较晚。谐波是影响电能质 量的主要因素。所以我们的选题谐波治理方法研究，在当今时代具有重要 意义。 1 1 谐波问题f 6 0 】【6 l l f 6 3 】 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 对其他负荷不产生任何干扰，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。由此可知，理想的三相供电系统对任何一供电负荷供电时，应该 保持三相平衡对称的，并且电压电流波形皆为正弦波，且功率因数为l 。然 而，配电系统是复杂的，其复杂性主要表现是：首先，配电系统由于其所跨区 域广，具有分布性；其次，配电系统中的负荷通过供电线路互联在一起，具有 强耦合性；再次，由于现代电力电子技术的发展，各种非线性负荷和具有强非 线性特征的电力电子装置大量应用于电力系统中，因此，配电系统具有非线 性。严格的说，配电系统应该是复杂的非线性系统，因此谐波是不可回避的问 题。 谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，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。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造 成电容器等设备烧毁。例如，我国陕西安康地区曾因电气化铁路产生的谐波在 电网中发生持续5 次谐振，致使年损失电量达1 6 6 万k w h 。山西北部的雁同电 网因牵引变电站密集，频繁发生电网和电容器组的并联谐振，致使大量电容器 组不能投运或损坏，负载的功率因数长期偏低。谐波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。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电 子设备会产生严重干扰。 早在2 0 世纪2 0 年代电力系统的谐波问题就引起了人们的注意。当时在德 国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。5 0 年代后由于 茎墨查兰堡主兰堡堡奎笪二兰! ! 垒 高压直流输电技术的发展，谐波问题受到关注，学术界也发表了有关变流器引 起电力系统谐波问题的大量论文。7 0 年代后由于大量的电力电子设备的应用， 谐波造成的危害日益严重。谐波研究与补偿成为学术界和工程界的研究与开发 热点。 1 2 谐波治理技术 解决电力电子装置及其他非线性负载产生的谐波污染问题，可以采取两种 方法。其一是对谐波源本身进行改造，如增加整流装置脉动数、采用多重化技 术和优化p w m 技术等，降低谐波源产生的谐波含量。其二是通过外部装置补 偿或抑制谐波源产生的谐波，减少谐波源对电力系统公共连接点其他负荷的影 响。本文的研究内容属于第二种方法。 1 2 1 无源滤波技术 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流是治理谐波的有效措 施。装设l c 调谐无源滤波嚣( p a s s i v ep o w e rf i l t e r 简记为p p f ) 是滤除谐 波的传统方法。p p f 有单调谐、双调谐和高通等几种主要结构。利用l c 电路在 谐波频率下形成低阻抗支路，使谐波电流不再流入电网，达到了滤除谐波电流 的目的。 无源滤波技术的主要优点是投资少、效率高、结构简单、维护方便而且可 以耐受高电压，容量可以很大并可以在滤除谐波的同时适当补偿无功功率。在 我国，无源滤波是目前广泛使用的谐波抑制手段。但是由于p p f 的滤波特性由 电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定。滤波特性受系统参数的影响较大。随着 电网频率的变化，p p f 将偏离设计的谐振点，从而使p p f 的滤波特性变坏。在 电网电压存在谐波分量时，系统阻抗与p p f 之间可能发生串联谐振；在特定谐 波电流作用下，系统阻抗可能与p p f 发生并联谐振。另外，l c 滤波器还会向网 络注入多余的无功功率，并且可能对电力系统中传送的载波信号产生干扰。可 见单纯依靠无源滤波技术治理谐波已经不能满足要求。 1 , 2 2 有源滤波技术 旱在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r 简记为a p f ) 的概念，其工作原理就是根据所检测到的负荷谐波电流 分量来控制a p f ，使其发出一个相反的谐波电流进行抵消，从而起到实时补偿 谐波电流的目的。但在7 0 年代，由于受半导体功率器件研制水平的限制，a p f 的研究没有取得重大突破。进入8 0 年代以后，大功率开关器件的迅速发展和 非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究为有源电力滤波器的实用化提供了 必要的条件，使之开始进入工业应用阶段。有源电力滤波器具有高度可控性和 快速响应性，它不仅能补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，而且补偿 无功功率的大小可做到连续调节，有一机多能的特点。其滤波特性不受系统阻 2 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 抗和电网频率的影响，同时还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐 波。当补偿对象过大时，a p f 不会发生过载，能正常发挥补偿作用。这些优点 使得从8 0 年代至今a p f 一直是电力电子技术领域的研究热点。 1 3a p f 的现状和发展 a p f 经过二十多年的发展，其技术已经日益成熟。目前，有源电力滤波技 术已在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到了广泛应用。a p f 的应用以 单独使用为主，并联型a p f 比较成熟。在日本，已有5 0 0 多台a p f 投入实际运 行，绝大部分为并联型a p f 。在德国北部，由西门子公司制造，欧洲最大的一 台6 1 0 k v a 工业用并联a p f 已经运行了近8 年 4 。国内对于a p f 的研究尚处在 起步阶段，武汉大学、电力部电力科学研究院、清华大学、西安交通大学、东 北大学、重庆大学、北方交通大学、华北电力大学等单位正积极进行这方面的 相关研究，部分单位已经研制出样机并投入试运行。由于用电机制以及成本等 因素，在我国广泛应用a p f 还需要一段时间。从近年来的研究和应用中可以看 出a p f 具有如下的发展趋势： 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对 商次谐波的有效补偿。 从经济上考虑，可以采用a p f 与p p f 组成的混合型滤波系统，以减少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低 成本的优势将逐渐消失，而并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是很 有发展前途的有源滤波装置。 随着电力电力器件耐压水平的提高和对电能质量的日益重视，a p f 也将在 工业系统中高压领域得到广泛应用。 无论是国内还是国外，应用a p f 主要是对低压配电网的应用。关于a p f 在 中高压配电网中的应用只有少数学者进行了初步的探讨，在我国这方面的研究 尚属空白。在a p f 的研究过程中，也主要集中在补偿分量的检测算法和控制策 略上，对a p f 和电网间连接低通滤波器l p f 的研究几乎没有。 1 4 本文主要工作 本文是结合武汉大学与华中电力集团公司合作项目“复杂电力系统谐波、 无功、负序综合治理系统”完成的。作者参与完成了一台三相四线制并联型有 源电力滤波装置。在广泛阅读有关技术资料和文献的基础上，通过实际装置的 设计、调试、试运行等实践过程，深入研究了a p f 的理论、拓扑结构和控制策 略等问题。本文着重于并联型a p f 的电路拓扑结构的研究和并联型a p f 与电网 连接低通滤波器l p f 设计与参数优化的研究。具体而言，本文完成的工作主要 有： 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 从并联型a p f 的主电路拓扑结构、补偿分量检测算法和控制策略三个 方面对其进行了综合叙述； ( 2 ) 对并联a p f 补偿分量检测方法和a p f 基本控制策略作了研究，并利用 实际装置对补偿分量检测算法作了试验验证； ( 3 ) 并联型a p f 与电网间连接低通滤波器( l p f ) 在a p f 实际使用中起着非 常重要的作用，而目前对其研究非常有限，本文中提出新的设计思 路，即根据巴特沃思滤波器设计原则设计l p f 的参数，并根据a p f 单 独使用、与t s c 联合使用以及和升压变压器连接等不同情况对l p f 的 参数进行优化，并作出相应的仿真研究； ( 4 ) 通过参与设计一部三相四线制有源电力滤波器。对a p f 主电路各部分 结构和器件的参数制定给出了理论依据，并介绍了一种用于并联型 a p f 的双d s p 控制电路系统，同时也对控制电路中软硬件各部分的结 构和功能作了一定的阐述： ( 5 ) 在以上理论的基础上进行实际装置的研制也是本文的一个重要内容， 文中对所研制的装置的功能进行了详细的介绍，并对试验结果进行了 分析，试验结果验证了以上理论的正确性。 武汉大学硕士学位论文 第二章并联a p f 综述 第二章并联a p f 综述 并联a p f 的结构主要有三个部分：逆变主电路、补偿分量检测环节和控制 环节。世界各国科技工作者对并联a p f 的研究工作也主要是围绕这三个方面展 开的。在本章将从电路拓扑结构、补偿分量检测算法以及控错0 策略这三个方面 对并联a p f 进行进一步的探讨。 2 1 并联a p f 电路拓扑结构 电路拓扑结构包括接入电网的方式和主电路形式两方面的内容。从与电网 的连接方式来看。a p f 可分为并联( 直接并联或通过变压器并联) 和通过变压 器耦合的串联两种形式，称之为并联型a p f 和串联型a p f 。a p f 可以使用电压 逆变器和电流逆变器两种主电路形式。电流型逆变器直流侧大电感上始终有电 流通过，电感内阻的损耗较大。因此只在一些特殊的场合应用，如用在有超导 线圈做储能设备的综合补偿滤波装置中。实际中应用较多的是电压型逆变器。 无论是电压型逆变器还是电流型逆变器，在用于谐波补偿时其容量受电力半导 体器件的限制而不能做得很大，难以满足补偿大容量谐波源的需要。解决这个 问题的一种办法是a p f 和p p f 混合使用，另一种办法就是采用多重化的主电路 形式。目前应用较多的各种类型的a p f 如图2 1 所示。下面详细介绍几种主要 的拓扑结构。 有京电力泣童矗 并联登 苎竺兰! 兰兰三i i 医赢 与p p f 矗合使用方戈 与p p f 丰联 l _ 1 皇! ! ! 兰兰 磊i 五i 习 串联型 兰竺兰! 兰兰兰l i 再忑 与p p p 矗夸使用方式 采由多重逆变电蓐 图2 - ia p f 的拓扑结构分类 由于目前电流型谐波源在电网中的比例占大部分，实际应用的装置也为并 联型a p f ，所以在本论文中主要对并联型a p f 进行研究，所研制的装置也是三 相四线制并联型有源电力滤波器。 武汉大学硕士学位论文 第二章并联a p f 综述 2 1 1 基本拓扑结构 图2 - 2 单逆变器并联型a p f 图2 2 所示为采用基本拓扑结构的并联型a p f 。采用基本拓扑结构的a p f 的主要问题是如果装置容量太大。会对主电路开关器件提出了很高的要求。但 开关器件的容量和开关频率是对立的，从而导致a p f 的补偿容量和对高次谐波 的补偿特性也是对立的。例如，采用开关频率较高的绝缘栅双极性晶体管 ( i g b t ) 可以保证对高次谐波的补偿性能，但补偿容量很小。采用容量较大但 开关频率较低的普通晶闸管( s c r ) 或可关断晶闸管( g t 0 ) 等开关器件又影 响a p f 对高次谐波的补偿特性。容量大是由于三相逆变器输出直接承受系统电 压( 并联方式) 所导致的。 2 1 2 改进的拓扑结构 目前电力电子开关器件的限制使得a p f 的容量不能很大。于是研究人员 从减小a p f 补偿容量的角度对a p f 主电路的拓扑结构进行了改进。改进的出 发点是与p p f 混合使用。在这种情况下，a p f 作为辅助性的补偿装置而由p p f 承担主要的补偿任务。1 9 9 3 年p e n gf z 等提出了一种并联无源滤波器加串联有 源滤波器的混合电力滤波器p 1 。该混合电力滤波器的特点是：利用无源滤波网 络滤除5 、7 次等低次电流谐波，并进行基波无功功率的补偿。有源滤波器不直 接承受电网电压和负载的基波电流，仅起负载电流和电网电压的高次谐波隔离 作用，因此a p f 的容量可以设计得很小。1 9 9 1 年f u j i t a h 等又提出了一种有源 滤波器和无源滤波器相串联的混合电力滤波器拓扑口1 。在这种结构中，无源滤 波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一定的基波无功功率，而有源电力滤 波器则起改善无源滤波器特性的作用。这样做就可以以非常小容量的有源滤波 器去弥补无源滤波器的缺陷。1 9 9 9 年徐永海等人提出了一种由两个并联的电压 源逆变器组成的综合补偿系统1 4 2 1o 该系统中负荷产生的谐波由带l c 并联谐振 6 茎堡查兰堡主兰篁笙壅 。蔓三童鲞壁型三! i 生 回路的混合型有源电力滤波器补偿，基波无功功率由并联的低开关频率的电压 源逆变器补偿。当需进行大容量的谐波与无功功率补偿时，利用该系统可有效 降低装置成本和损耗。 2 1 3 多电平级联结构懈1 2 帅7 1 一i ! 箜磊。壶。4 v d c r 一、 一 9 钽! ：坚 5 淞一4 v d c 。翌“芒y o c 。孟。v 1 = = 兰二 7 s s s 。逢! ：竺 一 v c a 3 j = _ 丁 v c a 2 二 _ 了 v c “ 二 【丁 图2 - 3 多电平桥式逆变器的单相结构和工频控制原理图 前面提到的拓扑结构都是采用单个逆变器，主要用于低压配电网。为了迸 一步提高a p f 的容量，人们将目光转向了多重化的主电路形式。其中比较有代 表性的是p c n g f z 等在1 9 9 5 年提出了一种用多个带独立电压源的单相桥式逆 变器组合而成的新型有源电力滤波器拓扑。该逆变器可以不用变压器，直接并 入或串入中压配电网中，用作有源滤波、电压调节、无功补偿等用途。 图2 3 所示为多电平级联逆变器的单相结构和工频控制原理，每个电桥都 有其独立的直流电压源。在一个周期内，由( m 1 ) 2 个单相电桥连接成的逆 变器发出m 个电平。这种结构的优点在于比较容易使逆变器工作在高电压、大 容量的环境下。而且主开关元件的开关频率很低，一个电网周期只开关一次， 设备成本、电磁干扰、开关损耗都可以显著降低。 多电平级联变流器由于采用分布式直流电压源供电，因此不用考虑其余形 式多电平变流器需要顾及的直流侧电容均压问题，大大提高的变流器工作的可 靠性。而且级联型变流器采用的是单相全桥变流器的串联，每一模块的结构完 全相同，便于模块化设计，并且直流侧电压也较容易控制，这种结构对中高电 压下的工作环境十分重要。实际上，多电平级联变流器在交直流能量转换、高 压大电机变频调速等领域已经得到相当多的应用，随着电力电子技术的发展， 其用于高电压电能质量治理领域是完全可以实现的。 纂 釜 武汉大学硕士学位论文 第二章并联a p f 综述 2 2 补偿分量检测方法 实时、精确地检测出电网中瞬时变化的畸变电流是提高a p f 补偿精度的关 键问题。最开始人们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，罗马尼亚人b u d e a n u c 和波兰人f r y z es 分别提出了无功功 率理论，但用该理论指导和实践有源滤波器时难以保证实时性。到了2 0 世纪 末，由于电力电子技术的迅猛发展，电力系统供电的电能质量问题成为人们关 注的焦点。非线性电路的功率理论问题得到重视，人们加强了对该问题的研究 工作。目前最有影响的是日本人a k a g ih 等提出的建立在三相对称正弦系统的 瞬时无功功率理论1 6 1 1o 该理论建立在瞬时值基础之上，通过a b c 鲫变换及其 逆变换获取三相补偿电流，可直接用于有源电力滤波器的控制。它最大的意义 在于突破传统的频域定义无功功率方法，对实时无功功率控制和有源滤波器的 实际应用起到较大的推动作用。但是该理论建立在三相正弦系统之上，用于谐 波分析具有一定的局限性，后来许多学者在其基础之上进行了一定改造提出了 很多行之有效的检测方法。人们在时域研究无功功率定义问题的同时在频域也 进行了大量相关的研究。较为代表的是美国学者波兰人l s c z a m e c k i 提出的一 种利用离散傅立叶分析方法实时计算提取基波分量公式，该方法可大大减少谐 波补偿分量计算的工作量。理想的谐波补偿需要对系统谐波进行无延时的跟踪 补偿。但实际上，针对未知的且具有扰动的电力系统准确检测出谐波补偿分量 是无法做到的。于是人们又利用历史数据进行模型辨识，采用自适应信号处理 理论和神经网络信号处理方法进行补偿分量检测的研究。但是这些方法针对噪 声和瞬间扰动的响应时间跟踪不上，理论上不能解决谐波补偿的无延时跟踪问 题。以下是目前常用的检测方法。 2 2 1 基于f r y z e 功率定义的检测方法 其原理就是将负荷电流分解出一个与电压波形一致的分量，将其余分量作 为广义无功电流( 包括谐波电流) 。该方法是建立在平均功率的基础之上，要 求得瞬时有功电流需要一个周期的积分，再加上其他的运算电路，会有很大的 延时。 2 2 2 基于频域分析的n 呵检测方法 此方法计算时间很长，实时性较差。而且电压畸变会带来较大的非同步采 样误差，特别是对高次谐波的检测精度影响很大。 2 2 3 基于瞬时无功功率理论的检测方法 1 5 z 6 11 1 7 1 i s l1 2 0 z t l1 2 3 1 该方法对于三相系统的畸变电流检测具有很好的实时性，有利于系统的快 速控制，可以获得很好的补偿效果。在实际系统中应用很多。 2 2 4 同步测定法 r 武汉大学硕士学位论文 第二章并联a p f 综述 该方法原来广泛用于通讯系统，它的优点是信号检测畸变小，放大系数 高，波形快速跟踪能力强。近年开始用于单相电流的测定。单相电路中有功电 流可以表示为： i ( t ) = 2 ( e “2 ) v ( r ) ( 2 - 1 ) 其中p 为消耗的平均功率，匕为相电压的均方根值。 分别计算每一相的补偿分量就可以将该方法由单相扩展到不平衡三相电力 系统。根据补偿后电源侧的三种不同情况，该方法又分为等功率、等电流、等 电阻同步测定三种途径。 等功率同步测定法按补偿后每一相提供的有功功率相等的原则来分配各相 的功率，然后按式( 2 1 ) 可以得到每一相的有功电流，从而得到每相的补偿电 流。、 等电流同步测定法按补偿后每一相提供的电流相等的原则来分配各相的功 率，然后按式( 2 - 1 ) 可以得到每一相的有功电流，从而得到每相的补偿电 流。 等电阻同步测定法按补偿后每一相负荷对电源的等效电阻相等的原则来分 配各相的功率，然后按式( 2 - 1 ) 可以得到每一相的有功电流，从而得到每相 的补偿电流。 同步测定法的三种途径都可以对不平衡三相电力系统中的无功和谐波电流 进行实时检测，并获得较理想的补偿效果。 2 2 5 自适应检测法1 2 2 】 该方法是根据自适应干扰对消原理，将近年来得到广泛使用的自适应干扰 对消信号处理技术用于谐波和无功电流的自适应检测。设计的检测系统全部用 模拟电路实现，以满足实时性检测的要求。当电源电压产生畸变和基频偏移 时，检测系统仍能正常工作，具有很好的自适应能力。 上述各种各样的检测方法可谓是仁者见仁、智者见智，其中一些已经应用 到a p f 的控制中。但是这些检测算法均存在一定的缺点，为实现谐波补偿的精 确、实时跟踪，人们将目光转向了控制策略的研究。 2 3 控制策略 对于a p f 的控制分为内层控制和外层控制。所谓内层控制是直接面向电力 电子主回路实现指令电流的跟踪。内层控制主要影响a p f 的动态损耗、输出补 偿电流能力和频率响应等参数。目前常用的控制方法有脉宽调制技术( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n 简记为p w m ) 和滞环控制( h y s t e r e s i s c o n t r o l 简记为 h c ) 。外层控制对a p f 的谐波电流补偿性能影响很大，是一个比较复杂的问 题。当然也有将两层控制合二为一的，如变结构控制就是直接从反馈量的检测 控制主回路的开关切换。 9 武汉大学硕士学位论文 第二章并联a p f 综述 2 3 1 内层控制 2 3 1 1p w m 法 在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的 效果基本相同，指惯性环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅氏 变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如一个矩形脉 冲、一个三角形脉冲和一个正弦脉冲，如果它们的面积( 即冲量) 相等，那么 当它们分别加在同一个惯性环节上时，其输出响应基本相同。脉冲越窄，其输 出的差异越小。以上即为p w m 控制的重要理论基础。 p w m 法就是把一个被调制的波形( 也就是我们要得到的波形) 用一系列等 幅而不等宽的脉冲来代替。在p w m 波形中，各脉冲的幅值是相等的，而宽度 是不同的。要改变等效输出波形的幅值时，只要按比例改变各脉冲的宽度即 可。 常用的是三角波载波与补偿参考电流比较以产生p w m 信号。这种方法简 单易行，可预先确定主电路器件的开关频率，调整也十分方便。在用数字控制 技术产生p w m 脉冲或采用等面积原理进行脉宽调制时，三角载波实际上是不 存在的，完全由软件代替了，这样既可减少硬件投资又能提高系统的可靠性。 p w m 法有如下缺点：其一，逆变器会产生载波频率的谐波，一般需要加无 源滤波装置进行滤除；其二，逆变器直流侧电压利用率不高，这降低了逆变器 的输出能力同时提高了电力电子器件的耐压要求；其三，开关频率较高导致开 关损耗很大。但是p w m 法控制简单方便、动态响应好、电流跟踪能力强等优 点使它在变流系统和a p f 中得到广泛应用。 在实际应用中，大功率p w m 变流器开关频率受到限制。一方面是因为大 功率半导体器件的开关频率较低，另一方面是高的开关频率会导致较大的开关 损耗。目前，a p f 的损耗高达5 0 9 0 w k v a ，远远大于电容补偿器和同步调相 机。较高的损耗即增加了运行成本又降低了系统的效率。而前面提到的多重化 功率变流器控制调节性能较差，不能满足现代电网的要求，因此p w m 技术和 多重化的并用成为解决这一问题的有效手段。 相移s p w m 技术 2 4 1 2 q 是正弦波脉宽调制技术( s p w m ) 和多重化结构的结 合，在较低的开关频率下可以实现等效高频载波的效果。它的基本思想是：在 多重化为的组合变流装置中，各单元变流器s p w m 采用共同的调制波，并 将n 个单元变流器的三角载波( 频率调制比为k ) 相位相互错开角度 2 州( a r k ) ，利用s p w m 技术中的波形生成方式和多重化技术中的波形迭加结构 产生相移式s p w m 波形。这种控制方法具有高开关频率s p w m 变流器的优 点，即等效开关频率高，传输频带宽，可引入瞬时值控制方式，控制性能优 良。图( 2 4 ) 和图( 2 4 ) 为s p w m 技术生成原理。 - 1 0 武汉大学硕士学位论文 第二章并聪a p f 综述 图2 - 4 三角载波和基波的波形图2 - 5 九电平输出波形 2 3 1 2 滞环控制法 滞环控制法的主要优点是可提高直流电压利用率，增大逆变器的输出能 力。它的工作原理是：把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号f ! 进行 比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生脉冲信号，该 脉冲信号经驱动电路来控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流f 的变 化。以单相的控制为例，控制结构如图2 - 6 所示。 图2 - 6 滞环控制结构图 当 且偏差达到u 时，i 1 导通，七2 关断，实际电流增加：反之七1 关 断，t 2 导通，实际电流减小。如此上、下两管反复通、断，迫使实际电流以锯 齿状不断跟踪参考电流的变化，并将偏差限制在2 ，范围内，从而获得较好 的补偿效果。 该方法的缺点是：其开关频率受到滞后系统及其上限和下限的限制，对于 快速暂态控制的效果很差。滞环宽度( 环宽) 2 ，对电流跟踪性能有很大的影 响。滞环宽度过大，开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大：反之，滞 环宽度过窄，虽然跟踪误差减小，但开关频率和开关损耗增加，受到开关器件 工作频率的限制。并且，对于给定的滞环宽度，开关频率也不是一个常数。 针对滞环比较控制方式的一些缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽 度设计成可随电流的大小自动调节：另一种方法是采用定时控制的瞬时值比 较方式。前一种思路的设计很复杂，后一种方法是用一个时钟定时控制的比较 武汉大学硕士学位论文第二章并联a p f 综述 器来代替滞环比较器。每个时钟周期对电流偏差判断一次，则器件的开关频率 最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限制了器件的最高工作 频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。但该方式的不足是，补偿 电流的跟随误差是不固定的，从波形上看，出现的毛刺忽大忽小。 2 3 2 外层控制 并联a p f 常采用的控制方式有检测负载电流控制方式、系统电流检测控 制方式以及由它们构成的复合控制方式。对于并联型a p f 而言，我们希望它能 对负载电流中的谐波分量实时跟踪补偿而使其不对系统电流产生“污染”。于 是采用负载电流检测控制方法，但指令电流出现误差或系统出现扰动时将导致 a p f 输出电流一部分重新注入系统而成为新的谐波源。因此负载电流检测控制 方法属于开环控制。为提高控制性能应引入闭环反馈控制即系统电流检测控制 方式。这两种控制方法的结合就形成了并联型a p f 的复合控制方法如图2 7 。 在这种控制方式中，指令电流主要来自负载电流，而系统电流主要起校正作 用。目前在实际装置中应用较多的控制方法是p i d 控制，该方法原理简单、实 现方便，但是控制效果不是十分理想。于是人们的目光转向智能控制理论以提 高控制的效果。采用变结构控制和模糊控制构成的控制器具有很强的非线性特 征，很适合快速跟踪控制，在a p f 的应用中均有报道【5 6 ”8 1 。 图2 7 复合控制方式 2 4 本章小结 本章首先对并联a p f 电路拓扑结构及其发展方向进行了讨论，然后介n t 目前常用的补偿分量检测算法并指出了各种算法的优缺点，最后对比分析了内 层控制的p w m 法和滞环控制法并对外层控制作了简要介绍。 - 1 2 武汉大学硕士学位论文 第三章a p f 检测方法和控制策略的研究 第三章a p f 检测方法和控制策略的研究 在第二章中主要对有源电力滤波器( a p f ) 的主电路拓扑结构，检测环 节，控制环节作了一个概述性的介绍，从这一章开始对a p f 主要环节做逐一分 析和研究，本章介绍了有源电力滤波器的工作原理，重点介绍了补偿电流分量 检测方法和相应的控制策略。这里所说的补偿电流即是电网中或非线性负荷中 的“畸变电流”。 圈3 - 1 有源电力滤波器原理框图 如图3 1 ，有源电力滤波器实际上可以称为任意波形发生器，或者可称为 可控非线性元件。其工作原理就是根据所检测到的负荷谐波电流分量来控制有 源滤波器，使其发出一个大小相同，方向相反的谐波电流进行抵消，这样在系 统中将不含有这个谐波电流成分，从而起到补偿作用。理论上讲，有源电力滤 波器可以对任意谐波电流进行补偿。 从原理图3 1 中还可以看出，有源电力滤波器一般包括三个部分：检测回 路、控制回路和主电路。其中，检测回路是最关键的一部分。实时准确的检测 出谐波电流分量是进行谐波补偿的重要前提。 在这一章里我们重点介绍了在我们研制的a p f 装置中用到的基于派克变换 ( 即由0 变换) 谐波检测方法，并对有源电力滤波器的基本控制策略进行了研 究，最后通过实际装置对检测算法进行验证，试验的结果证明了基于派克变换 的补偿分量检测方法的准确性和实时性。 3 1 基于派克变换的补偿分量检测方法 在各种对于有源电力滤波器进行综合补偿所需的补偿电流进行检测的方法 中，基于派克变换( 也称由0 变换) 的谐波检测方法是一种行之有效和易于实 现的方法。派克变换原在同步电机的坐标变换中应用较多，其作用是将定子三 相电流从口6 c 坐标下转换到由。坐标中，其三相对称电流在由。坐标系下呈现直 流状态，从而简化了同步电机电势方程的求解，其原理同样也可以用于有源电 1 3 - 武汉大学硕士学位论文 第三章a p f 检测方法和控制策略的研究 耳c o s o 时c o s ( c o t 一2 z 3 ) c o s ( c o t + 2 x 3 ) 1 如蚓器叫m 箝扪卜血符扪) j c1vt吲-i。c。o。s。(耐ojt+-2d州r，3，)一-s。血in(。耐cot一-22州7r，3，)彩a压-os m ti n l 。 c一。耐 l 压 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 。= c 0 ，0 = c 1 0 ；露。= 国。，k = c 。 ( 3 - 3 ) 通过派克变换，a b c 坐标系下的正序基波电流，电压分量转换为在砌0 坐标 系下的直流分量，而其余需要进行补偿的谐波在砌0 坐标系则呈现交流分量， 这也就为谐波检测和补偿分量分离提供了方便。 设检测回路检测到负荷侧电流如式( 3 - 4 ) ，在此只列出a 相电流， ( f ) = t 。( f ) + i o 。( f ) + i o 。( ，) + ( f ) = 4 2 i , + s i n ( r a + 鼠+ ) 十4 2 1 , 一s i n ( a 】t + 鼠) + 4 2 i , 。s i n ( r - a t + e 。)( 3 4 ) + z 。s i n ( n a , t + 咒) o 其中，。为基波正序电流有效值，国为基波角频率，0 + 为初始相位角，可 见只要确定了，+ 和仍+ 的值，也就确定t - - 相基波正序电流值。，i 一为基波负序 电流的有效值，0 为初始相位角。，。为基波零序电压的有效值，0 。为初始相 位角；l 为a b c 各次谐波的有效值，咒为a b c 各次谐波的初始相位角。 将( 3 4 ) 式代入( 3 3 ) 得下式： f 。( f ) = r 2 i , s i n 0 , + 历一s i n ( 2 耐+ 只+ ) + 日) 其中= 主弘一i 如+ i + g + 。卜主压，= 。i 遗一一l 冲+ 彰一。】 御= 店旧【s 吣- r ：2 ) + 而1 s i i l 咀俐2 ) + g ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 武汉大学硕士学位论文 第三章a p f 检测方法和控制策略的研究 其中g = 窆皿i 如+ 1 皿+ 砭。州2 】+ 芝y 砭,