（电力系统及其自动化专业论文）并联型有源电力滤波器.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子装置在电力系统中的大量应用，电力系统的谐波污染问题日 益严重。谐波会对电力系统产生很多危害，必须予以补偿。有源电力滤波器 ( a p f ) 作为一种新型的谐波和无功功率动态补偿装置正越来越收到重视。本 文首先介绍了谐波和无功功率的基本概念、对电力系统的种种危害以及传统的 补偿谐波和无功功率的方法。然后介绍了有源电力滤波器的基本知识，分析了 其工作原理，并对各种类型的有源电力滤波器进行了分析和比较。 有源电力滤波器所采用的谐波电流检测方法，决定了谐波电流的检测精度 和跟踪速度，进而影响其补偿的效果。本文介绍了常用的几种谐波和无功电流 检测方法，并进行了比较。并且提出了两种新的谐波电流检测方法一种基 于人工神经网络的谐波电流测量方法和一种神经网络自适应谐波电流检测方 法。基于人工神经网络的谐波电流测量方法应用一个多层前馈神经网络 ( m l f n n ) ，对当前采样时刻和上一采样时刻的三相电流采样值进行分析计算， 从而得出三相电流的谐波分量，该方法具有延时小而精度高的优点。神经网络 自适应谐波电流检测方法，应用白适应噪声抵消技术( a n c t ) ，将基波电流作为 噪声信号，从负载电流中滤除，从而得到谐波电流。采用两层人工神经网络实 现噪声抵消，从而克服了单层神经网络进行抵消的缺点，改善了谐波电流检测 的效果。该方法能够实时准确地检测出畸变电流中的谐波成分，而且计算量小。 对不断变化的谐波也自很好的检测，具有较强的自适虚能力。本文所设计的并 联型有源电力滤波器就采用了这种检测方法。 本文对并联型有源电力滤波器进行了详细的讨论，并设计了一台三相三线 制并联型有源电力滤波器。该有源电力滤波器采用电压型主电路，选用新一代 i g b t 模块作为主电路的开关器件，并选用了相应的驱动电路以保证电路正常工 作。应用数字信号处理器( d s p ) 进行数据采集和谐波电流检测，并产生控制 主电路的p w m 波形。数字信号处理器专为实时数字信号处理而设计，将实时 处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决 方案。数字信号处理器的使用，既提高了计算的精度，加快了计算速度，还使 山东大学硕士学位论文 电路本身得以简化。 本文对人工神经网络、自适应噪声抵消技术和数字信号处理器的基本知识 也进行了介绍。为了验证设计电路的正确性，还应用m a t l a b 工具软件对所设 计的并联型有源电力滤波器进行了大量的仿真研究。仿真结果证明，该并联型 有源电力滤波器各部分电路设计合理，结构简单，达到了一定的水平，而且结 果也是可以满意的。 关键词：谐波有源电力滤波器神经网络数字信号处理器 4 a b s 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 es e r i o u s w 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 ti np o w e rs y s t e m t h eh a r m o n i c s s h o u l db ec o m p e n s a t e db e c a u s ei t c a l ld om u c ht m r mt ot h ep o w e rs y s t e m a c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) h a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e d a san e wd e v i c et oc o m p e n s a t e h a r m o n i e sa n dr e a c t i v ep o w e ra c t i v e l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t i o no f l m r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rf i r s t l y t h e nt h eh a r m t op o w e r s y s t e mo f h a r m o n i c s a n dt h em e t h o d st oc o m p e n s a t i n gi ta r ep r o p o s e d t h ei b u n d a t i o no fa p f i sp r o p o s e d a n di t s o p e r m i o np r i n c i p l e i s a n a l y z e d t h i sp a p e r a l s o a n a l y z e sa n dc o m p a r e s s e v e r a lt y p e so f a p f t h ea p p r o a c ho fm e a s u r i n gh a r m o n i cc u r r e n tu s e di na p fd e t e r m i n e st h e m e a s u r i n gp r e c i s i o n , t r a c i n gs p e e da n de f f e c to fc o m p e n s a t i o n s e v e r a lm e t h o d so f m e a s u r i n g h a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n ta r ei n 订o d u c e da n dc o m p a r e di nt h i s p a p e r t w on e wa p p r o a c h e sf o rm e a s u r i n g h a r m o n i cc u r r e n ta r ea l s op r o p o s e d a n e wa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka p p r o a c ha n dan e t t r a ln e t w o r ka d a p t i v e d e t e c t i n g a p p r o a c h t h e n e wa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a p p r o a c h f o r m e a s u r i n g h a r m o n i c c u r r e n ta n a l y z e sa n dc a l c u l a t e st h et h r e e p h a s ec u r r e n to fc u r r e n ts a m p l et i m ea n do f t h el a s tb ya m u l t i - l a y e rf e e df o r w a r dn e u r a ln e t w o r k ( m l f n n ) ，t h e n t h eh a r m o n i c c o m p o n e n t s o f t h e t h r e e p h a s ec u r r e n ta r eo b t a i n e d t h i sa p p r o a c h h a st h ea d v a n t a g e o fs h o r td e l a ya n dh i g hp r e c i s i o n t h en e u r a ln e t w o r ka d a p t i v ed e t e c t i n ga p p r o a c h f o rh a r m o n i cc u r r e n tb a s e so nt h ea d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y ( a n c t ) ， r e g a r d i n g t h ef u n d a m e n t a lc u r r e n ta sn o i s es o m c e ，i tc a nb ec a n c e l l e df r o mt h el o a d c u r r e n t ，a n dt h e nt h eh a r m o n i cc u r r e n ti so b t a i n e d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) w i t ht w o l a y e r si su s e d t oc a n c e lt h eh a r m o n i c s ，t h e nt h es h o r t c o m i n go f d e t e c t i n gb y a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kw i t ho n el a y e ri so v e r c o m ea n dt h ee f f e c to fh a r m o n i c d e t e c t i n gi si m p r o v e d t h i sa p p r o a c hc a r ld e t e c th a r m o n i cc o m p o n e n t sa tr e a lt i m e w i t hh i g hp r e c i s i o n ，l i t t l ec a l c u l a t i o na n ds t r o n ga d a p t i v ea b i l i t y t h ec o n t i n u o u s l y c h a n g e dh a r m o n i c sa l s oc a r lb ew e l ld e t e c t e d 、椭mt h i sa p p r o a c h t h i sa p p r o a c hi s u s e di nt h es h u n ta p f d e s i g n e d i nt h i sp a p e r 5 山东大学硕士学位论文 s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r i sd i s c u s s e d p a r t i c u l a r l y i nt h i s p a p e r , a n d a t h r e e p h a s et h r e e w i r es h u n ta p f h a sb e e nd e s i g n e d t h em a i nc i r c u i to ft h i sa p f a d o p t sv o l t a g ed e s i g n ，a n d u s e st h el a t e s t g e n e r a t i o n i g b tm o d u l ea si t s s w i t c h c o m p o n e n t t h ec o r r e s p o n d i n gd r i v i n g c i r c u i ti su s e d t h ed i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) i su s e d t oc o l l e c tt h ed a t a ，m e a s u r et h eh a r m o n i cc u r r e n tm a d g e n e r a t et h ep w mp u l s e t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri sd e s i g n e df o rt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g i th a st h ea b i l i t y o fr e a lt i m ep r o c e s s i n ga n dt h ef u n c t i o no f c o n t r o l l e r sp e r i p h e r a l ，a n d p r o v i d e sa n i d e a ls o l v i n gs c h e m ef o rc o n t r o ls y s t e m t h e u s i n go fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ri m p r o v e st h ep r e c i s i o no fc a l c u l a t i o n ，s p e e d st h e c a l c u l a t i o np r o c e s sa n d p r e d i g e s t st h ec i r c u i ti t s e l f t h ef o u n d a t i o n so fa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k ，a d a p t i v e n o i s e c a n c e l i n g t e c h n o l o g y a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a l o to f s i m u l a t i o n sf o rt h ea p f d e s i g n e di nt h i sp a p e r a r em a d e b yu s i n gm a t l a b t ov e r i f y t h ec o r r e c t n e s so ft h ec i r c u i td e s i g n e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h i sa p f d e s i g ni nt h i sp a p e ri sr e a s o n a b l em a ds i m p l ei ns t r u c t u r e i th a sr e a c h e dah i g hl e v e l a n dw i t ht h es a r i s f y i n gc o m p e n s a t i o ne f f e c t ， k e y w o r d s ：h a r m o n i c s n e u r a ln e t w o r k a c t i v e p o w e r f i l t e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代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。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文j 。 到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，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 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展， 各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所 造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开 了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力 系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。现在谐波抑制和无功功率补偿已经发 展为涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术及电工理论等领域的重大 问题。 电力系统运行时，理想情况下它应该以额定频率和额定电压向用户供电， 电压和电流的波形应该是标准的正弦波。但是在实际运行中，由于负荷不断变 化，电力系统的频率和电压不可能保持恒定不变。除了频率和电压以外，电压 和电流的三相平衡情况、波形畸变的情况以及由于负荷急剧变化造成的电压闪 变等技术问题都将影响电力系统的正常运行，使得现实中的电力线路上的电压 电流的波形无法保持为完全标准的正弦波。电力系统的谐波主要是来源于一些 具有非线性伏安特性的输配电和用电设备。主要是各种换流装置、电子电压调 整设备、电弧炉、感应炉以及现代工业设备为节能和控制使用的各种电力电子 设备，还有各种家用电器和照明设备等 2 ，3 1 。 1 1 谐波的概念和谐波研究的意义 1 1 1 谐波的概念 谐波的概念来源于声学，国际上现在公认的谐波定义为；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。 在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) 中定义谐波为“谐波分量为周期量的 傅立叶级数中大于1 的n 次分量”，对谐波次数n 的定义则为“以谐波频率和基 山东大学硕士学位论文 波频率之比表达的整数”。在i e e e 标准( i e e e 5 1 9 1 9 8 1 ) 中定义为：“谐波为一 周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。” 在电力系统中，理想的交流电压和交流电流呈正弦波形，正弦波电压可以 表示为： “( f ) ：x 2 u s i n ( o r + a ) ( 1 1 ) 式中u 电压有效值； 口初相角： 功角频率，= 2 x f = 2 z r l t ； 频率； 丁周期。 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，电流就会变为非正弦波，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 = 2 , r r o 的非正弦电压u ( c o t ) ，一般满足狄里赫利条件， 可分解为如下形式的傅立叶级数： 式中 u ( r o t ) = a o + z ( a 月c o s n r o t + b ns i n n c o t )( 1 - 2 ) n = l 4 0 ：去岩一u ( w t ) c t 一( c o t ) 4 02 西坛 铲去岳4 咖，) c o s n 国t m ，) 6 。= 去譬8 咖咖i n 删懒f ) ( 即- l ，2 3 人) 或u ( m t ) = a 0 + c hs i n ( n o t + 妒”) ”= l 式中c 。、妒 和a 旷b 。的关系为 f l - 3 ) 山东大学硕士学位论文 厂j 彳 c 。= d ：+ 6 ： 。= a r c t g ( a ”b ) 口”= c ”s i n 妒 b h = c 月c o s 妒” 在式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率为1 丁的分量称为基波，频率为大 于1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数 比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用， 把式中u ( c o t ) 转成f ( 国d 即可。m ，6 1 1 1 2谐波分析中常用的特征量 在进行谐波分析时，常用一些特征量来表示畸变波形偏离正弦波形的程度， 最常用的特征量有谐波含量、电压总畸变率、电流总畸变率和露次谐波韵含有 率等。 7 1 ( i ) 谐波含量。所谓谐波含量是指各次谐波平方和的开方，分为谐波电压含 量和谐波电流含量。 谐波电压含量可表示为 u h = 摩 谐波电流含量可表示为 ”3 整j ( 1 - - 4 ) f 1 5 ) 式中：u 。和。分别为第- 次谐波的电压和电流有效值。 ( 2 ) 谐波总畸变率。谐波含量与基波分量的比值的百分数称为谐波总畸变 率，用t h d 表示。据此可得 电压总畸变率为 t h d u = 导圳。 c ，卅 电流总畸变率为 山东大学硕士学位论文 _ _ - _ _ l i _ - _ _ _ l _ _ - _ _ i - _ - _ l _ - _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ - l _ 1 。一一 t h d ，：丝1 0 0 ( 1 - - 7 ) 1 j 1 式中：u i 和，1 分别为基波电压和基波电流的有效值。 ( 3 ) 谐波含有率。为了抑制或补偿某次谐波，在工程上往往要求给出畸变 周期量中某次谐波的含有量，通常以某次谐波的有效值与基波有效值的比值来 表示，称为谐波含有率，记为h r 。据此可以写出 第门次谐波电压含有率为 h r u 。= 卫x 1 0 0 ( 1 - - 8 ) u l 第月次谐波电流含有率为 瑚， = 等1 0 0 ( 1 - - 9 ) l 1 1 3谐波对电力系统的危害 谐波对电力系统的危害非常严重。理想的公用电网所提供的电压应该是单 一而固定频率以及规定的电压幅值。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电网的谐波污染日益 严重，由谐波引起的各种故障及事故也不断发生，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一下几个方面： 4 , 8 1 ( 1 )谐波可使旋转电机附加损耗增加、出力降低，绝缘老化加速。谐波 电流与基波磁场间的相互作用引起的振荡力矩严重时能使发电机产 生机械共振，使汽轮机叶片疲劳损坏。当谐波电流在三相感应电动 机内产生的附加旋转磁场与基波旋转磁场相反时，将降低电动机的 效率，使电动机过热。在直流电机中，谐波除附加发热外，还会引 起换相恶化和噪声。 ( 2 ) 谐波电流流入变压器时，将因集肤效应和临近效应，在变压器绕组 中引起附加铜耗。谐波电压可使变压器的磁滞及涡流损耗增加。3 山东大学硕士学位论文 次谐波及其倍数的谐波在变压器三角形接法的绕组中形成的环流会 使变压器绕组过热。此外谐波还会使变压器的噪声增大，使绝缘材 料中的电场强度增大，缩短变压器的使用寿命。 ( 3 )谐波电压作用在对频率敏感( 频率越高，电抗越降低) 的电容元件 上，例如电容器和电缆等，会使之严重过电流，导致发热，介质老 化，甚至损坏。 ( 4 )高次谐波电流流过串联电抗器时，会在串联电抗器上形成过高的压 降，使电抗器的匝间绝缘受损。 ( 5 ) 谐波电流流过输电线时，输电线的电阻会因集肤效应而增大，增加 了线路的损耗。谐波电压的存在可能使导线的对地电压和相间电压 增大，使线路的绝缘受的影响，或使线路的电晕问题变得严重。 ( 6 )谐波电压和谐波电流将对电工仪表的测量正确度产生影响。过大的 高次谐波电流流入电能表，可能烧坏电流线圈；频率过高时，电能 表可能停转。 ( 7 ) 供电线路中存在的高次谐波所产生的静电感应和电磁感应会对与之 平行的通信线路产生声频干扰，影响到通信质量。 ( 8 ) 谐波侵入电网，有可能会引起电力系统中继电保护装置的误动作或 拒绝动作，影响到电力系统的安全运行，也可能对使用中的电子设 备产生影响。 总之，目前谐波“污染”已经成为电网的公害。提高波形质量，已经成为 电力工作者的一项重要任务。为此必须采取措施对电网的谐波加以有效的限制。 1 2 无功功率的概念及其对电力系统的影响 1 2 1无功功率的概念 在正弦电路中，理想的负载是线性的，电路中的电流和电压都是正弦波， 由于电力系统同时具有电阻性和电抗性负载，其中电感或电容所具有的储能作 用引起相位超前或者滞后，设电压和电流可以分别表示为：【8 ，9 ，嘲 “：压us i n 耐 i = 、2 1 s i n ( r o t 一咖= 2 ，c o s 妒s i n 国f 一2 ，s i n 妒c o s 国f = i p + 7 叮( 1 1 0 ) 山东大学硕士学位论文 式中妒为电流滞后电压的相角。 电流被分解为与电压同相位的分量f 口和滞后电压相位9 0 。的分量f q ，i p 和 i a 分别为 f p2 兰8 妒8 i l ( 1 - - 1 1 ) ? 日= 一x 2 i s i n , p c o s m ti 电路的有功功率p 就是其平均功率，即 尸= 去岳r u i d ( c o t ) = 去岳4 甜( i p + i q ) d ( 硼= u c 。s 妒( i - - 1 2 ) 电路的无功功率定义为 q = u ls i n 妒 ( 1 1 3 ) 可以看出，q 就是式( 1 1 2 ) 中被积函数的第二项无功功率分量“j 。的变 化幅度。甜f 。的平均值为零，表示了其有能量交换，但这种能量交换通常是在电 源和具有储能元件的负载之间进行的。我们把由式( 1 1 1 ) 所描述的f 口和分 别称为正弦电路的有功电流分量和无功电流分量。在工程上，人们把电压电流 的有效值的乘积作为电气设备功率设计的极限值，这个值也就是电气设备最大 可利用容量，称为视在功率： s = u ( 1 1 4 ) 1 2 _ 2无功功率对电力系统的影响 从式( 1 1 2 ) 可知，有功功率p 的最大值为视在功率s ，p 越接近s ，电气设 备的容量越得到充分利用。由于无功功率的存在使得有功功率小于视在功率， 导致下面的各种不良影响： 8 , 9 , 1 0 1 ( 1 )增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率的 增加，从而使发电机、变压器及其它电气设备的容量和导线容量 增加。电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要 加大。同时电源设备的供电能力得不到充分利用，输送相同的有 功功率所需要的系统容量增大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使 山东大学硕士学位论文 设备及线路的损耗增加。 ( 3 )使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还 会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。有功功率的波动 一般对电网电压的影响较小，电网电匿的波动主要使由无功功率 的波动引起的。电动机在启动期间功率因数很低，这种冲击性无 功功率会使电网电压剧烈波动，甚至使接在同一电网上的用户无 法正常工作。正因为如此，无功功率补偿称为电力系统调节电压 的最主要的手段。 1 3 谐波的抑制和无功功率补偿 无功功率补偿的措施有很多，可以分为固定补偿和动态补偿两种方式。传 统的固定补偿方式一般采取无功补偿电容器和l c 滤波器两种形式；而动态补 偿包括晶闸管控制电抗器( t c r ) 、晶闸管投切电容器( t s c ) 和静止无功发生 器( s v g ) 等等。传统谐波抑制方法有两大类，一类方法是对电力电子装置本 身进行改造，使之尽量少的产生谐波；另一类是设置补偿装置对谐波进行补偿 的方法。装设l c 滤波器是传统的抑制谐波和补偿无功功率的主要手段。l c 滤 波器具有结构简单，成本低，既可以补偿谐波，又可以补偿无功的优点。很久 以来，被广泛用于补偿电力系统中的谐波和无功功率。 1 3 1i c 滤波器简介 l c 滤波器又称为无源滤波器，它是由电力滤波电容器、电抗器和电阻器按 功能要求组合而成。它与谐波源并联，除了起滤波作用外，还兼顾无功补偿的 需要。l c 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器等几种，实 际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器构成混合滤波装置。单调谐 滤波器是利用串联l c 谐振原理构成的，图1 一l ( a ) 所示为单调谐滤波器的电路 原理图。滤波器对第n 次谐波的阻抗为 1 z 加= r f n + j ( n c o s l 一_ 二i ) ( 1 1 5 ) n ( o s ( 5 式中下标办表示第n 次单调谐滤波器，。为基波角频率。由上式可以得到滤波 器阻抗随频率变化的关系曲线，如图1 1 ( b ) 所示。 13 山东大学硕士学位论文 _ _ - - _ - _ - l - _ _ _ - 一 谐振的谐波次数n 由下式决定 1 ，z = ；一 s q l c 下l z 扣 上 立 ( a ) 0 12 酬 镰) ( b ) 图l l单调谐滤波器原理及阻抗频率特性 ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 ( 1 1 6 ) 在谐振点处，z 廓= r f n ，因r f n 很小，n 次谐波电流喝足要由r 加分流， 很少流入电网中。而对于其他次数的谐波，z 廓 r f n ，滤波器分流很少。因 此，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波 将大部分流入滤波器，从而起到消除该次谐波的目的。 高通滤波器又称为减幅滤波器，常见的高通滤波器有四种，分别是一阶、 二阶、三阶和c 型。一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也较大，因此 较少使用。二阶高遥滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其基波损耗较 高。三阶高通滤波器比二阶的多一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗， 从而大大减小了基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。c 型滤波器的性 能介于二阶和三阶之间，它也可以减少基波损耗，但缺点是对基波频率失谐及 元件参数漂移比较敏感。综合上述特点，最常用的高通滤波器是二阶滤波器，c 型也有较好的推广应用价值。 除了上述两种滤波器外，在一些地方还用到了双调谐滤波器。它有两个谐 振频率，可以同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤 波器。但是与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗要小，而且只有一个电感承 l4 山东大学硕士学位论文 受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻 抗，所以并联电路所承受的工频电压比串联电路低得多。另外并联电路中的电 容容量一般较小，基本上只通过谐波无功容量。由于双调谐滤波器的这些特点， 而且投资较少，近年来在国内外一些高压直流输电工程中有所应用。但它也有 自己的缺点，就是结构比较复杂，调谐困难，所以应用还是比较少。1 2 ，1 3 1 1 3 2l c 滤波器的缺点 l c 无源滤波器虽然有很多优点，得到了广泛的应用，但也存在着种种不可 弥补的缺陷： ( 1 ) l c 滤波器针对特定次数谐波进行设计，因此只能对特定频率进行 滤波，对电网阻抗和频率的变化十分敏感，如果谐波频率发生偏 移，则滤波效果不易保证。 ( 2 ) l c 滤波器有可能与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从 而导致系统不能正常工作，严重时还会损坏滤波器并使局部电网 崩溃。 ( 3 )由于电网中谐波的频率范围通常较宽，因此一般要设置多个l c 滤波器。因基波电流流过各个滤波器，使得滤波器容量大，体积 大，损耗也大。 1 3 3有源电力滤波器的优势 利用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 进行谐波和无功 功率补偿是目前的一个趋势。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿 无功功率的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波以及变化的无 功进行补偿，其应用可以克服上述各种方法的缺点。从理论上说，有源电力滤 波器从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相 等而极性相反的补偿电流注入电网，从而抵消谐波电流，使电网电流只含基波 分量。应用有源电力滤波器补偿谐波和无功具有以下优点：【h 1 ( 1 ) 可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功进行补偿，对补偿对 象的变化有极快的响应，实现了动态补偿。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的程度连续可调。 ( 3 ) 补偿无功时理论上不需要储能元件，补偿谐波时储能元件容量也 15 山东大学硕士学位论文 不大。 ( 4 )受电网阻抗的影响较小，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 )既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可以对多个谐波和无功 源集中补偿。 采用有源电力滤波器可以获得比传统方法更好的补偿性能。随着电力 电子技术的发展，电力电子器件的成本在逐年下降，有源电力滤波器势必 会成为一种补偿谐波和无功功率的行之有效的方法。 1 ，4 本文的主要研究内容 本文首先叙述对比电力系统谐波抑制和无功功率补偿的各种方法，然后对 有源电力滤波器的理论基础进行了简单介绍，按下来对并联型有源电力滤波器 的各个部分进行了详细的分析。在理论分析和前人仿真结果的基础上，比较各 个方案的优缺点，挑选合理的方向作为并联型有源电力滤波器样机设计的基础， 然后根据各个部分的实际工作需要，设计完成了样机各个部分的实际电路。 本文设计的5 k v a 的并联型三相三线制并联型有源电力滤波器电路，应用 处理速度快的d s p 芯片进行数据处理和控制，主要包括指令电流运算电路、补 偿电流发生电路和驱动电路。介绍了常用的几种谐波检测方法，并介绍了笔者 提出的两种谐波检测方法。本文应用笔者提出的自适应神经网络的方法对畸变 电流进行谐波检测，该方法在线路电压发生畸变的情况下，仍然可以准确地计 算出谐波电流，而且原理简单，计算量小。采用空间矢量p w m 方法对有源电 力滤波器的补偿电流发生电路进行控制，该方法可以使补偿电流快速准确的跟 踪指令电流，对线路的谐波和无功功率进行补偿。驱动电路保证了补偿电路工 作的可靠性和安全性。 除了对电路进行设计外，本文还应用m a t l a b 工具软件对部分电路进行了 大量的模拟仿真，对设计的正确性进行了验证。仿真结果表明，该有源电力滤 波器的各部分电路设计合理，达n y 一定水平，而且效果是令人满意的。 第二章有源电力滤波器基础 2 1 有源电力滤波器的历史、现状及发展趋势 2 1 1有源电力滤波器的发展历史 早在六、七十年代就有人提出利用有源电力滤波器补偿谐波的思想。 t 4 - 1 9 1 在1 9 6 9 年b i r d 和m a r s h 等人发表的论文中，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1 1 。 在论文中虽然没有直接提出有源电力滤波器一词，但其基本的思想方法可以说 是有源电力滤波器思想的萌芽。1 9 7 1 年s a s a k i 和m a c h i d a 的论文首次完整地描 述了有源电力滤波器的基本原型”】，但由于当时采用线性放大器产生补偿电流， 损耗大，成本高，因而并没有实用化的前景。1 9 7 6 年，g y u g y i 等人提出了采用 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制变流器构成的有源电力滤波器 16 】，这才确 立了有源电力滤波器的完整概念和主电路拓扑结构。 八十年代以来，由于新型电力半导体器件的出现，p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 技术的发展，以及日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 的基于瞬时无功功率 理论的谐波瞬时检测方法的提出【2 0 删，有源电力滤波器才得以迅速发展。瞬时 无功功率理论突破了建立在平均值基础上的传统无功功率概念，提出了三相电 路瞬时无功功率的概念。这一理论中，三相电路电流的基波分量与谐波分量、 有功分量与无功分量等能够被实时地分解开来，这为谐波电流、无功电流的实 时检测奠定了理论基础，成为目前使用较多地一种实时检测谐波的基本方法。 同时赤木泰文研制成功了第一台7 k v a 的并联型有源滤波器试验装置，该装置 成功地补偿了2 0 k v a 三相全控桥整流器产生的谐波和无功，该试验证明了有源 电力滤波器是可行的并且可以应用到实践中犯3 , 2 4 1 。从八十年代至今，有源电力 滤波器已经成为电力电子技术领域中的研究热点之一，有不少论文在国际刊物 及国际学术会议上发表，这些论文涉及到有源电力滤波器的各个方面，推动着 有源电力滤波器理论上的不断发展和完善以及实际应用中的不断推广。 2 1 。2 国外有源电力滤波器的研究与应用情况 国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，已步入大量实用化阶段。随着 山东大学硕士学位论文 容量的逐步提高，其应用范围也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。从1 9 9 3 年以来，i 二：| 本已经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波 器投入实际使用，这些滤波器主要用于谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。 随着有源电力滤波器价格的下降，它的市场越来越大。早期的有源滤波器的 p w m 变流器主要采用b j t 或g t o 。现在电压型有源滤波器开始在其主电路中 采用i g b t 模块，从而增大了有源电力滤波器的容量。 作为改善供电质量的一项关键技术，有源滤波器在日本、美国、德国等工 业发达国家已经得到了高度重视和曰益广泛的应用。目前，世界上有源电力滤 波器的主要生产厂家有日本的三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子 公司等。 2 1 3有源电力滤波器在我国的研究应用状况 我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到八十年代末才有文章发 表，但所采用的谐波检测方法较为陈旧，补偿效果不理想。九十年代以来一些 高等院校和研究机构开始进行有关有源电力滤波器的研究。但有关研究主要以 理论研究和实验为主，虽然起步比较晚，但是取得的进步非常大，在对国外研 究成果进行消化吸收的基础上，我国有源电力滤波器的理论研究已达到或接近 国际先进水平。在理论研究方亟，以西安交通大学和浙江大学为代表，他们已 经形成了比较系统的研究体系和理论基础。另外，国内其他高校和研究所也开 展了这方面的研究工作。在实际应用方面，国内已经有人试制出了有源电力滤 波器的样机，并且在小功率的场合使用。哈尔滨工业大学电气工程系研制开发 出一种单相有源滤波器产品，目的是改善单相用户接入点的电网品质，进而改 善配电网的品质。浙江省新技术推广站已经把3 0 k v a 有源电力滤波器产品化， 并开始投放市场。但总的来说，由于多方面条件的限制，使得有源电力滤波器 在我国尚未能得到工业领域的广泛应用。这主要是由于我国对谐波和无功问题 未能给予足够的重视，有关的法规虽早已制定却未能得到严格执行。因此，目 前的关键是加快有源电力滤波器在生产实际中的应用，提高实际应用水平。 2 5 - 2 7 2 1 4a p f 的发展趋势 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： ( i )通过采用p w m 调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术， 山东大学硕士学位论文 实现对高次谐波的有效补偿。当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行补偿。 f 2 )当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波 器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低 成本、提高效率的目的。 ( 3 )从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，串一并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种 很有发展前途的有源滤波装置。 目前又出现了一个新的应用装置统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 它是把并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器进 行结合使用的一种新型装置。在供电系统的一次侧安装统一电能质量调节器， 在电力系统的各个支路及用户端安装并联型有源电力滤波器，这样可以从系统 端和用户端两个方面抑制和消除供电系统的谐波，进一步提高供电质量，是一 种综合解决电力系统谐波问题的方法。 2 1 5 对我国有源滤波技术发展的几点建议 ( 1 ) 建全用电单位的谐波计量和管理制度。大量的谐波注入电网，己严重地 威胁电网的安全运行。许多国家都相继制定和颁发了限制谐波的国家标 准和规定。我国于1 9 9 3 年由国家技术监督局正式颁布了国家标准电能 质量公用电网谐波，使我国对谐波管理工作法规化。但是目前还缺乏对 用电单位的谐波计量和管理的可操作的制度，特别是对于重点的谐波源 用电单位，应有必要的监督和约束机制。 ( 2 ) 应加大对电力有源滤波器的研制工作的政策扶持。我国电力有源滤波器 的研制工作进展缓慢的一个重要原因是造成谐波危害用户基本不承担经 济责任，电力有源滤波器消费市场还没有形成，导致研制开发的积极性 不高，政府应在政策上给予积极支持。 ( 3 ) 适当引进国外先进的电力有源滤波装置，对重点的重大谐波源进行治理。 在目前我国基本不能生产大型有源电力滤波器的情况下，对重大谐波源 进行有针对性的治理，对提高电网质量是十分必要的，同时也可以促进 国内的研制工作。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 在有源滤波器的关键技术上要有新的突破。电力有源滤波技术至今仍没 有在各国普遍使用，一个重要原因是补偿电流的简便和精确检测等问题 始终没有很好解决。我国在研制有源滤波器时应着力采用新理论和新方 法。 ( 5 ) 改善电网谐波质量的两步走的技术方案。根据我国国情，结合当前技术 水平，采用小额定值的电力有源滤波器配以无源滤波器的混合型电力滤 波的方式，是切实可行的。随着电力有源滤波技术的发展，再逐步转向 大功率、高频率有源滤波器的发展道路。【2 驯 2 2 有源电力滤波器的基本原理 图2 一l 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，es 为 交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两 大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、 驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，指令电流运算电路的核心是