（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器补偿技术的研究.pdf

s u b j e c t ：r e s e a r c ho nc o m p e n s a t i n gt e c h n i q u eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r s p e c i a l t y ：p o w e rs y s t e m a n di t sa u t o m a t i o n n a m e ：y a n g l i nx i a i n s t r u c t o r ：f uz h o ux i n g a b s t r a c t ( s i 伽椭gnature)f 缀幽丝 ( s i g n a t u r e ) a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa ne q u i p m e n tu s e dt od y n a m i c a l l yc l e a r i n gu ph a r m o n i c s a n dc o m p e n s a t i n gr e a c t i v ep o w e r , a p fh a saf i n ep r o s p e c t c o m p a r e d 、斩t l lt h et r a d i t i o n a l l - cf i l t e r st h ea c t i v ep o e w e rf i l t e r sh a v et h em e r i t si nr a p i dr e f l e c t 、b e t t e rc o m p e n s a t i o na n d t h ea b i l i t yi nd y n a m i cc o m p e n s a t i o n t h eb a s i cp r i n c i p l eo fa p fa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r s o m em e t h o d so fh a r m o m c m e a s u r e m e n ta l ec o m p a r e d ，a - qm e t h o do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r i e sa r ec h o o s e dt o u s e t h em e r i ta n ds h o r t c o m i n go ft h et r i a n g u l a rc a r r yw a v ec o n t r o la n dh y s t e r e s i s b a s e d c u r r e n tc o n t r o la r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d , t h et r i a n g u l a rc a r t i e rw a v e f o r mc o n t r o la r e c h o o s e d v o l t a g ec o n t r o lm e t h o do f d c s i d ea r es m d e d a p fw a ss i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ne x p r e s st h em e t h o d so f h a r m o n i c sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls t r a t e g yc h o o s e dh a v eb e t t e ro fc o m p e n s a t ef u n c t i o nt o t h eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rc a u s e db yt h en o n l i n el o a d ，a n da p fh a v eab e t t e rd y n a m i c c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l ya tt h ef o u n d a t i o no f t h er e s e a r c ho f t h et h e o r i e sa n di m i t a t i o n , a c t i v ep o w e r f i l t e r s y s t e ms t r u c t u r ei sd e s i g n e dw h i c hu s i n gt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n dp m l 5 c z f l 2 0 t h e s o f t w a r ef u n c t i o ni sa n a l y z e d ，s o f t w a r ei sd e s i g n e da n dw r o t e ni nt h em e a n t i m e k e y w o r d s ：h a r m o n i c s a c t i v ep o w e rf i l t e rd s ps i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 妻柳技丈学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：杨i 林霞日期：汐口孑辱夸日心日 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 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。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 袖啉霞特教师张懈 蛄年6 月r 3 日 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着科学技术与现代化建设的发展，现代社会从工业生产到日常生活都越来越离不 开电力供应，对供电质量也提出了更高的要求，特别是越来越多的精密电气设备对电力 谐波很敏感，如电子计算机，通信设备和网络连接器等。作为供电质量的衡量指标，除 了电压和频率的稳定以外，还有波形也是电力系统供电质量的重要指标。 波形问题主要是电压、电流波形发生畸变及电压电流波形相位不同等。电压、电流 波形发生畸变主要是电力系统中有谐波注入，谐波电压和谐波电流的出现，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，尤其是近年来电力电子设备的迅速增长，谐波的危害也日趋严重。在正弦交流 电路中，非线性负载引起的电压、电流间的相位移导致电能在电源与负载间的往复传输， 这一现象被认为是无功功率的表征。对谐波、无功电流进行抑制和补偿对改善供电质量 和提高全网的经济效益，增加系统稳定性至关重要。 1 1 1 谐波及其危害 一般而言，具有非线性电气特性的设备均构成了谐波源，在电力系统中，波形的畸 变主要来源于两大因素。第一是接入电网的电阻、电容、电感元件的非线性，比如发电 机，变压器等设备。第二是大量使用的电力电子装置，利用变流器对电压、电流及能量 进行控制与变换可以提高电力装置的性能，但同时引入了波形的畸变。随着电力电子装 置在工业、民用事业中日益广泛的应用，它们产生的谐波己成为当今世界各国电力系统 谐波的主要来源。国际上多次召开了有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组 织都制订了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国际电工委员会制定了 i e c 1 0 0 0 3 2 、i e c 1 0 0 0 3 6 标准。 谐波的危害面十分广泛归纳起来大致有以下几个方面【l 】： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备的温升。与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大， 但设备的有效电阻会因肌肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡 流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其 局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。 ( 2 ) 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在较高频 率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。当电压 畸变波形出现尖顶波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。 西安科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 可能引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转 矩可能使电机发生振动，当电机的机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发可能引起 共振时，则会损坏电机设备，危及人身安全。 ( 4 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿电容与 电力系统中的电感构成了局部电感电容回路，它们的一些组合有时会对某次谐波电流起 到放大作用，加剧了谐波的危害。当它们构成的局部谐振回路的频率与系统中存在的某 次谐波频率接近时，就会造成危险的过电压或过电流。 ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护和控制 设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形设计的，谐波的存在使 它们的正常工作条件受到干扰，严重时将造成误动作。 ( 6 ) 影响测量装置的精度，造成电能计量的误差。 ( 7 ) 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。 总之，电力系统的谐波会带来电磁兼容的破坏，一方面对输、配电系统的安全工作 构成威胁；另一方面影响了电网中的电力用户及附近的其他用户的正常工作。 1 1 2 谐波抑制 目前解决谐波问题的思路有两条：一条是对电力电子装置本身进行改造，如采用多 重化技术、p w m 整流技术以及有源功率因数校正技术等，这当然只适用于作为主要谐 波源的电力电子装置；另一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适 用的。谐波补偿装置可分为无源滤波器和有源电力滤波器两种： ( 1 ) 无源滤波器。 无源滤波器是传统方法，就是l c 滤波器，它是由电容器、电抗器和电阻器适当组 合而成的滤波装置，与谐波源并联，起旁路滤波的作用。l c 滤波器具有结构简单、设 备投资少、运行费用较低等优点。但这种方法有如下不足：它的补偿特性易受电网阻抗 和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧 毁。此外，l c 滤波器只能补偿固定频率的谐波，影响补偿效果。 ( 2 ) 有源电力滤波器。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r _ a p f ) 。有源电力滤波器是一种电力电子装置，这种滤波器能对频率和 幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，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，因而受到广泛的重视。 1 1 3 无功功率的影响 电源与负载间交换的部分功率，通常称之为无功功率，其大小表示了电源和负载电 感之间交换能量的幅度。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统 2 1 绪论 = 一 宣 ei i= - i i 宣宣昌i 昌置i i i i i 葺毒宣i i i 置宣i 宣葺i i i 暑暑萱暑暑i i 葺i i i 宣暑暑葺宣暑宣i i 暑盲葺昌i i ；昌 网络元件的阻抗主要是电感性的，这些感性的网络元件和负载所需要的无功功率必须从 网络中的某个地方获得，若系统中出现无功不足或倒送现象，将会对电网有不良影响。 无功功率对公用电网的不良影响主要有以下几个方面【2 j ： ( 1 ) 无功功率的增加，导致电流增大和供电设备视在功率增大，从而使发电机、变 压器及其它电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪 表的尺寸和规格也要加大。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，从而使设备及线路损 耗增加。 ( 3 ) 无功功率的变化会引起电网电压波动，使一些用电设备无法正常工作，降低供 电质量。 1 1 4 无功补偿技术的现状 感性的网络元件和负载所需要的无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传 送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应该是在需要消耗无功功率的地方产生 无功功率，即无功补偿。无功补偿装置主要有以下几种【2 】： 1 同步调相机 同步调相机实质是空载运行的同步电动机，其技术已显陈旧。这种措施投资大，并 且由于机组的惯性，影响了调节速度，目前只是少量使用。 2 并联电容器 并联电容器的成本比较低。电容器的迅速发展几乎取代了输电系统中的同步调相 机。但是电容器只能补偿固定的无功功率，在系统中有谐波时还可能发生并联谐振。 3 柔性交流输电技术( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 简称f a c t s ) 的无功补偿 所谓f a c t s ，即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性及增大电力传输 能力的交流输电系统。 第一代f a c t s 的典型代表是静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r 简称s v c ) 及晶 闸管控制的串联电容器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r 简称t c s c ) 。s v c 是并联 补偿装置，主要由固定电容器加晶闸管控制的电抗器( f i x e d c a p a c i t o 什t h 蜘s t o r c o n t r o l l e dr e a c t o r 简称f c + t c r ) 构成。国外对其研究始于七十年代，目前对s v c 的研 究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入s v c 控制系统中，大大提高系统的性能。t c s c 属于串联补偿，安装在输电线路中间，改善 供电系统的潮流分布，提高系统的暂态稳定。 第二代f a c t s 装置是静止无功发生器( s t a t i cv a rg e n e r a t o r 简称s v g ) 和静止同步串 联补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u ss e r i e sc o m p e n s a t o r 简称s s s c ) 【引。s v g 将电压源逆变技术 应用到无功补偿领域中，它并联于电网中，与s v c 相比，不需要大容量的电容和电感贮 3 西安科技大学硕士学位论文 能元件，谐波含量小。国内外对s v g 的建模、控制模式、结构设计及不对称控制等做 了很多研究，但目前仍有很多理论与实际运行问题有待解决。s s s c 的结构与s v g 类似， 不同之处s s s c 是串联在电网中，通过控制换流器改变其输出电压的幅值或相位，从而 改变线路两端的电压，实现对线路的有功、无功潮流的控制。 第三代f a c t s 的典型代表是由s v g 及s s s c 复合成统一潮流控制器( u n i f i e d p o w e r f l o wc o n t r o l l e r 简称u p f c ) 。u p f c 集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身， 既能稳定系统电压，又能保证输电线路的有功、无功潮流的双向流动，增大系统的稳定 性和提高输电能力。目前，u p f c 尚处于研制阶段。 1 1 5 谐波抑制与无功补偿的联系 谐波抑制和无功补偿两者之间联系密切。产生谐波的装置大都是消耗基波无功功率 的装置；抑制谐波的装置通常也是补偿无功的装置，因此有必要将谐波抑制与无功补偿 结合起来研究，在抑制谐波的同时提高功率因数。 不论是谐波还是无功功率，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐波是工 频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同。正是由于这种物理本质的同一性，可以 对电力系统中的谐波和无功电流进行综合补偿。有源电力滤波器就是一种新型的谐波和 无功电流综合补偿系统。随着电力电子技术发展，功率开关器件的容量和开关频率越来 越高，应用有源电力滤波器进行谐波和无功电流综合补偿将是今后的主要发展趋势。 1 2 有源电力滤波器的发展历史和研究现状 1 2 1 有源电力滤波器的发展历史 7 1 有源电力滤波器的发展最早可追溯2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年，b m b i r d 和j e 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的方法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。尽管它没有描述一个完整的有源电力滤波器， 但文中所描述的就是用补偿的思想来抑制谐波，达到滤波的效果，可以认为这是有源电 力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1 年，s a s a k ih 和m a c h i d at 发表的论文首次完整地描述 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，损耗 大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 和 e c s t r y c u l a 发表的论文描述了用p w m 变流器产生补偿电流的方法，确立了有源电力滤 波器的概念，建立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。然而，由于当 时电力电子技术的发展水平比较低，全控型器件功率小、频率低，对有源电力滤波器除 了实验研究外几乎没有任何进展。进入2 0 世纪8 0 年代以后，随着电力电子技术以及 p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究快速发展起来。1 9 8 3 年，h a k a g i 等 4 1 绪论 人提出的“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成功应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。此后不久， h a k a g i 等人研制出7 k v a 的有源电力滤波器实验装置，成功地补偿2 0 k v a 三相全控整 流器产生的谐波和所需的无功，其实验结果证实了有源电力滤波器的可行性和实用性。 此后的数年里，日本研制出许多应用于工业领域的大容量、综合性的有源电力滤波器。 2 0 世纪8 0 年代末至今，随着电力电子技术的快速发展和p w m 变流技术日趋成熟， 有源电力滤波器已成为电力电子技术领域中的研究热点。关于有源电力滤波器研究的论 文层出不穷，涉及面广，标志着该领域的研究持续发展。 1 2 2 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发 达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产厂家有日 本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。据文献介绍，自1 9 8 1 年以 来，仅在日本，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。同时，有 源电力滤波器的工业化应用对理论研究起了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断 出现。我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有论文发 表。2 0 世纪9 0 年代以来，西安交通大学、重庆大学、华北电力大学、上海交通大学、 广东工业大学等很多高等院校开始对有源电力滤波器进行研究，但有关研究主要以理论 研究和实验研究为主，虽然在理论上取得了一些进展，但是到目前为止，我国的有源电 力滤波技术尚未能在工业领域得到广泛应用i s 。随着我国电能质量治理工作的深入开展， 利用a p f 进行谐波抑制和无功补偿将会有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得 到广泛的应用。 1 3 本文的主要工作 论文以三相并联型有源电力滤波器为研究对象，在深入研究有源电力滤波器原理的 基础上，采用m a r l a b 建立有源电力滤波器的仿真模型，验证了所选用的检测方法和 控制策略的有效性，为实验系统的软硬件设计奠定了基础。最后采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片和三菱公司智能功率模块p m l 5 c z f l 2 0 设计了有源电力滤波器的系统结构， 并编写了软件。本文的主要工作如下： 1 、分析有源电力滤波器的基本工作原理，比较串联和并联型有源电力滤波器的工 作原理及特性。在此基础上以并联型有源电力滤波器为研究对象，系统分析研究并联型 有源电力滤波器的工作原理、补偿特性、控制方式、直流侧电容电压控制、主电路形式 等。 2 、在研究瞬时无功功率理论的基础上，提出采用d - q 算法作为谐波电流的检测方 5 西安科技大学硕士学位论文 法。对比分析三角波比较控制策略和滞环比较控制策略的优缺点，提出采用三角波比较 法来进行控制。 3 、建立有源电力滤波器的m a t l a b 的仿真模型，来验证所选用的谐波电流的检测 方法和控制策略对谐波及无功电流的补偿效果，为实验系统的软硬件设计奠定基础。 4 、设计了有源电力滤波器的系统结构。该系统以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为控 制核心，相应的外部电路包括霍尔电流和电压互感器、驱动信号隔离电路、锁相环同步 信号处理、电压电流信号的采集及调理、三角波调制的p w m 控制信号的产生、直流侧 电容电压控制以及控制信号的输入输出等。主电路以三菱i p m 模块p m l 5 c z f l 2 0 为核 心。系统采用模块化设计，硬件电路包括d s p 控制板、电压电流采样版、i p m 功率单 元。 4 、编写基于n 公司的c o d ec o m p o s e4 1 为平台的计算和控制程序。给出详细的程 序流程图，对软件的一些重要部分做具体的说明，包括指令电流运算，直流侧电压的控 制，p w m 脉冲输出三大部分。 6 2 有源电力滤波器分类及原理 2 有源电力滤波器分类及原理 有源电力滤波器发展至今，为适应用户对补偿性能的要求以及不断出现的应用场 合，其结构形式不断地得到改进。因此有必要对其进行分类，了解其不同结构形式的特 性。同时本章以并联有源电力滤波器为例对有源电力滤波器的工作原理做了必要的分 析。 2 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以按不同方式进行分类，各分类方式有相互包含、相互交叉的现 象【l 】o 1 根据电源性质分类 按电源性质可分为交流有源电力滤波器、直流有源电力滤波器。交流有源电力滤波 器应用较广泛，已应用于不同频率、不同相数、不同线制的交流输电及用电系统中。相 比而言，直流有源电力滤波器的应用则较少，其研究及应用正在不断开展中。直流有源 电力滤波器的典型应用一是在直流输电系统中滤除直流输出谐波，另外则是在高精度输 出直流电源上。 2 根据直流侧储能元件的分类 有源电力滤波器工作时为了与交流侧交换能量达到补偿谐波的效果，其直流侧必须 有储能元件。根据有源电力滤波器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可分为电感 储能型有源电力滤波器和电容储能型有源电力滤波器。电感储能型有源电力滤波器也被 称为电流源型有源电力滤波器( c u r r e n t - f e d t y p e a p f ) ，如图2 1 所示。电容储能型有源电 力滤波器也被称为电压源型有源电力滤波器( v o l t a g e - f e d - t y p ea p f ) ，如图2 2 所示。 电流源型有源电力滤波器作为非线性电流源补偿非线性负载产生的谐波电流，其结 构简单、性能稳定，但损耗较大不适用于大功率场合。由于无法级联且单台的容量不大 所以应用较少。电压源型有源电力滤波器，直流侧并联电容逆变桥损耗较小，由于是电 压源的形式，所以容易实现并联从而可降低单台a p f 的容量。电压源形式的a p f 技术 较成熟、完善目前使用较多。 图2 1 电流源型有源电力滤波器图2 2 电压源型有源电力滤波器 7 西安科技大学硕士学位论文 3 根据接入电网的方式不同分类 有源电力滤波器按其接入电网的方式不同，大致可分为并联型a p f ( s h u n t a p f ) 、串 联型a p f ( s e r i e sa p e ) 两大类及统一电能质量调节器三类，前两者又分别包括不同类型。 ( 1 ) 并联型有源电力滤波器 图2 - 3 所示为单独使用的并联型有源电力滤波器，交流侧并联接入电源点处的滤波 电感、逆变器、直流侧的电容共同构成了其功率主电路。由于a p f 的主电路与负载并联 接入电网故称为并联型，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一 种。这种方式主要可应用于： 谐波电流的补偿； 无功功率的补偿； 三相不对称电流的补偿； 以上的任意组合。 在这种方式中，只要采用适当的控制方式就可以达到多种补偿的目的。但由于交流 电源的基波电压直接施加到逆变器上，且输出补偿电流全部由逆变器提供所以该种结构 的逆变器的容量较大。 图2 4 所示为与l c 无源滤波器并联使用的并联a p f 。该种结构补偿电流由两部分 组成，较高次的谐波电流由有源, 点l p f 提供，较低次的谐波电流由l c 无源滤波器提供。 这样克服了并联有源a p f 单独使用时对其容量的较高要求，可有效降低并联有源a p f 的容量。由于无源l c 滤波器存在与电网阻抗发生谐振的可能，所以必须对有源滤波器 进行有效的控制，避免谐振的发生。 图2 3 并联型有源电力滤波器图2 4 并联型有源电力滤波器与l c 并联方式 图2 5 所示为并联型a p f 与l c 无源滤波器相串联的工作方式。该方式中谐波及无 功功率主要由l c 滤波器补偿，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。在这种工作方式 中有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。 8 2 有源电力滤波器分类及原理 有源滤波器 图2 5 并联型有源电力滤波器与l c 串联方式 图2 6l c 串联谐振注入电路方式 为了进一步降低有源滤波器的容量，又提出了利用谐振方式注入谐波电流的并联有 源电力滤波器。利用电感电容谐振方式注入谐波电流，使得有源电力滤波器只需承受很 小的基波电压，从而减少了容量。 并联型有源电力滤波器根据注入电路的谐振方式不同可分为l c 串联谐振式注入和 l c 并联谐振注入两种方式。图2 6 所示为l c 串联谐振注入电路方式原理图，其中c 2 与l 在电源电压的基波频率处发生串联谐振，基波电压绝大多数降落在电容c 1 上。这 样有源电力滤波器承受其余的较小部分的基波电压。图2 7 是采用l c 并联谐振注入电 路方式的系统构成原理图。在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频率处谐振的 l 1 c 1 回路，基波电压绝大多数降落在谐振电路上，有源电力滤波器承受较小部分的基 波电压。该方式还有一个好处是只有很小的基波电流流过l 1 、c 1 及l 2 。 ( 2 ) 串联型有源电力滤波器 串联使用的有源电力滤波器包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种。 单独使用的串联有源电力滤波器如图2 8 所示。有源电力滤波器作为电压源串联在电源 和负载之间。串联型有源电力滤波器与并联型电力有源电力滤波器使用目的不同。串联 型有源电力滤波器主要用于谐波电压的补偿，输出补偿电压，抵消负载产生的谐波电压， 使供电点电压波形成为正弦波。与l c 无源滤波器混合使用的串联有源电力滤波器结构 原理框图如图2 9 所示。 有源滤波器 有源滤波器 图2 7l c 并联谐振注入电路方式图2 8 串联型有源电力滤波器 9 西安科技大学硕士学位论文 皇暑宣宣i 墨j 暑暑暑皇宣审宣i 暑i 宣宣暑宣置宣暑；i 宣i 宣宣暑i i ；宣i 宣i 暑i- l l i i 宣i 暑i i 言i i i 昌i i 暑宣宣宣宣暑暑暑暑i 置薯盲置暑暑暑宣葺置暑i 暑宣置暑i i 宣暑 有源滤波器 图2 9 串联混合型有源电力滤波器图2 1 0 统一电能质量调节器 ( 3 ) 统一电能质量调节器 图2 1 0 所示为串并联相结合的有源电力滤波器( 即统一电能质量调节器) 的主电路 结构原理图。统一电能质量调节器兼有并联型有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的 补偿功能。图2 1 0 所示统一电能质量调节器主电路中并联型有源电力滤波器和串联型有 源电力滤波器共用直流侧电容，分别控制两有源滤波器可达到对谐波电流和谐波电压同 时补偿的功能。统一电能质量调节器功能较全面，但由于同时存在并联型有源电力滤波 器和串联有源电力滤波器，其控制较复杂。 2 2 并联有源电力滤波器的工作原理 2 2 1 并联有源电力滤波器的系统构成 并联型有源电力滤波器的系统构成框图如图2 1 1 所示。电源为三相交流电网电源， 非线性负载产生谐波并吸收无功功率。其中k 为电源电流，钇为负载电流，为补偿电 流。虚框部分是并联型有源电力滤波器，主要由两部分组成，即检测控制驱动单元和补 偿电流产生单元。其中检测控制驱动单元主要来完成负载电流的采样、指令电流的计算 以及p w m 波的输出，是整个有源电力滤波器的核心部分；补偿电流产生单元是一个三 相逆变桥，主要用于产生实际的补偿电流。 2 2 2 并联有源电力滤波器的工作原理分析【l 】 假设电源电压为 甜，( ，) = 2 玑s i nc o t ( 2 1 ) 式中，u 。一电源电压有效值 流过负载的非正弦电流可以用傅立叶级数展开表示为 i t ( t ) = , j 2 1 1s i n ( c o t + 0 1 ) + e , f 2 i s i n ( n o j t + 0 ) n = 2 1 0 2 有源电力滤波器分类及原理 = i l ( t ) + i h ( t )( 2 2 ) 式中，西一负载电流瞬时值 一基波电流有效值 厶一，1 次谐波电流有效值 ，i 一基波电流瞬时值 办一谐波电流瞬时值 只进行谐波补偿时，通过电流采样元件得到的负载电流经过计算得到谐波电流，将 其作为指令电流，通过控制电路控制逆变器向电网注入补偿电流站使得i c = i h ，便可以 补偿负载的高次谐波电流使得电源电流正弦化。 若在补偿谐波电流的同时进行无功补偿，可进一步将基波电流分解 ( f ) = ，( f ) + 钆( f ) ( 2 3 ) 式中，f l 口一基波有功电流瞬时值 f l 口一基波无功电流瞬时值 从而补偿电流为 = l + l q p ) + ( ，) ( 2 4 ) 图2 11 并联型有源电力滤波器系统构成 2 3 并联有源电力滤波器的特点 从有源电力滤波器的结构和工作原理可以将有源电力滤波器的特点总结如下【l l 】： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和幅值不断变化的非线性负载进行补偿，对补偿对象 的变化有较快的响应能力。 ( 2 ) 补偿功能较全面，可以补偿谐波电流、无功功率、谐波电压、平衡三相电流、抑 制电压闪烁等，既可单独使用也可综合使用。 ( 3 ) 有源电力滤波器的工作受电网参数的影响较小，不容易和电网发生谐振。 ( 4 ) 既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可以对多个谐波和无功源集中补 西安科技大学硕士学位论文 鹿9 1 7 譬o 2 4 本章小结 本章从接入电源性质、直流侧储能元件种类、接入电网方式等方面着手对有源电力 滤波器进行了分类，简要分析了各种有源电力滤波器的特点，并阐述了目前使用较广泛 的并联型有源电力滤波器的系统构成、工作原理及其特点。本文选取三相并联电压型有 源电力滤波器来进行研究。 1 2 3 有源电力滤波器谐波电流检测方法 3 有源电力滤波器谐波电流检测方法 3 1 谐波检测算法 在有源电力滤波器中，实时、准确地检测出补偿对象的电压、电流是非常重要的。 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器实现的提取基波分量法。该方法的原理是在 检测到的信号中，利用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量。通常采用带通滤波 器得出基波分量，但所采用的高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补 偿效果。此外，这种方法还存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较 敏感等缺点，因此目前已经较少采用。 谐波检测的第二种方法是基于频率分析的数字化方法。该方法将检测信号送入采样 一保持电路，在同步或准同步脉冲的作用下，对模拟信号进行离散化，然后利用快速傅 立叶变换( 删等进行数字处理，得到各种高次谐波分量的幅值和相位，将需要抵消的 谐波分量通过带通滤波器，再将该信号进行用叮反变换，即可得到补偿信号【7 j 。这种检 测方法采用信号的数字化处理，稳定性好，可以选择拟消除的谐波次数。缺点是需进行 两次用可变换，瞬时性差。若采用软件实现分析过程，则响应时间相对较长，使得检测 方法具有较长时间的延迟，实时性不好，不适于有源型抑制装置对高次谐波的检测。同 时，由于电网频率是不断波动的，被检测信号中除了含有基波和整数次谐波外，还可能 含有非整数次谐波，所以即使采用了跟踪锁相技术，也难以实现严格的同步采样，使 用叮产生泄漏误差，难以获得高精度的谐波测量结果。 第三种检测方法是自适应检测法。该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参 考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到 需要补偿的谐波与无功分量【8 】。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具 有较好的自适应能力。缺点是动态响应速度较慢。 第四种方法是基于“瞬时无功理论”的谐波电流检测法。该方法是目前电力有源滤 波器中应用最广的一种检测方法，根据统计在电力有源滤波器得到广泛应用的日本，采 用“瞬时无功功率理论一的系统己经占到总数的8 3 7 1 9 】。用这种方法检测谐波，除了 低通滤波器消除了的直流分量外，其它是瞬时值运算，所以响应速度很快。它还解决了 电源频率波动和负载波形的影响问题。特别适合于变化快，冲击大的无功功率补偿和高 次谐波的生成。该方法在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。检测谐 波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但 延时最多不超过一个电源周期。对于电网中最典型的谐波源三相桥整流器，其检测的 延时约为1 6 周期。 1 3 此j l - ，还有其它一系列谐波检测算法，如基于准同步采样的算法，局部余弦变换法， 人工神经网络算法等。鉴于前面所提到的瞬时无功功率算法的诸多优点，所以本文采用 该算法实现谐波检测。 3 2 三相瞬时无功功率理论 三相瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文于1 9 8 3 年首先提出来的，此后经不断 的研究逐渐得到了完善。三相电路瞬时无功功率理论以瞬时有功功率p 和瞬时无功功率 q 的定义为基础，其核心是采用c l a r k e 变换矩阵将三相电路的电压、电流瞬时值变换到 相互正交的二维坐标系上研究1 2 1 。 假设三相电压瞬时值为、，三相电流瞬时值为屯、站、站，分别变换到两相 正交的筇坐标系上，得两相瞬时电压u a 、u p 和两相瞬时电流缸、劾。变换式如式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 所示。 小z 豳 1 ， 睁：豳 2 ， = 戽兹捌 在图3 1 中的筇坐标系中【1 1 ，将、坳与如、扫分别合成为电压矢量厅和电流矢量7 ， p 秘曩 l 一 l = 暴 一一 荔鞋k 刁 一 o 图3 1 筇坐标系中的电压和电流矢量 1 4 3 有源电力滤波器谐波电流检测方法 矗i 宣暑暑宣宣 f 一, 1 1i 置宣宣盲叠置宣暑宣薯 ( 3 3 ) 式中，“、f 分别为矢量厅、7 的幅值；纯、纯分别为矢量历、7 的相角。三相瞬时有 功电流绉和瞬时无功电流岛分别为电流矢量7 在电压矢量历及其法线上的投影。根据图 3 1 有 舵沁0 8 娩一奠刮c 0 鲫 (34)i i = s i n ( 够, 一仍) = i s i n q r 一7 三相电路瞬时有功功率p 为材与i 的乘积；三相电路瞬时无功功率g 为u 与 厶的乘积。如式( 3 5 ) 所示： 写成矩阵形式 对式( 3 6 ) 求逆得 瞄二= 茹茹茹 孑 = 乏- ：乏 乏 = c ：w 乏 卧 丝 髓：u ； 一 丝 吆2 + 2 阡豳 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 当三相电流为非正弦且不对称时，式( 3 6 ) 和( 3 7 ) 中的p 、q 可分解为三种成分，即 p = f f + p + ( 3 8 )1 ( 3 8 ) l 吁v1 吁十g 当三相电压对称且无畸变时，式( 3 8 ) 中各成分的物理意义如下： ( 1 ) p 一、虿分别对应于三相系统的基波正序有功功率和基波正序无功功率； ( 2 ) 多、孽分别为瞬时有功、无功功率的高频成分，对应于三相系统的高次谐波成 分； ( 3 ) p 、毒分别为瞬时有功、无功功率的低频成分，对应于三相系统的负序成分。 传统的无功功率理论以线性系统为研究对象，其三相电压和电流对称且无畸变，可分别 表示为 1 5 纯 么 纯 副 亿 ， 一一 ”m = = 一矿了南南 西安科技大学硕士学位论文 得 压u s i n ( c o t ) = l f 2 us i n ( c o t 一2 x 3 ) f 2 us i n ( c o t + 2 x 3 ) 、r 2 is i n ( r o t ) = i 压i s i n ( c o t 一2 衫3 ) 一缈】 、t 2 i s i n ( c o t 一2 州3 ) + 伊】 ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 式中p 为线性负载的阻抗角。利用式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 分别对式( 3 9 ) 进行变换并代入式( 3 6 ) 睁叫矧 ( 3 1 1 ) 可见，当三相电压和电流均为正弦波时，p 、q 均为常数，且其值跟按传统理论计 算出的有功功率和无功功率完全相同。所以，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率 理论，比传统理论有更大的适用范围。 3 3 基于瞬时无功功率理论的d q 检测法 基于瞬时无功功率理论的检测法现己包括舢法、易岛法和d - q 法。p g 法应用最早， 适用于三相对称且无畸变的公用电网；易i q 法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对 电网电压畸变也有效；基于同步旋转p a r k 变换的d - q 法，简化了对称无畸变情况下的 电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。目前d - q 法在三 相a p f 的电流检测方法中占据了主导地位。 击g 检测法的原理如图3 2 所示【1 4 j ，先将瞬时三相电流屯、如、岛变换到正g 坐标上 为： 厅 扣、了 = | 三 = c 差 = 耄：考 c o s c 一争 “咖卜争 l 虿 c 。s ( 彩，+ 2 7 删叭争 l i ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) d 轴电流直流分量亏与负载基波有功功率相对应，q 轴电流直流分量亏与负载基波 1 6 掰 旧 孑 一 m l 压 3 有源电力滤波器谐波电流检测方法 相位移的无功功率相对应，d 轴电流交流分量艺和q 轴电流交流分量己分别与高次谐波 的有功功率和无功功率相对应，故幻和岛经低通滤波器l p f 后即得到与基波对应的有功 分量谚和无功分量妨。0 轴分量如与基波不对称功率相对应。 图3 2 d - q 检测法原理图 当用低通滤波器l p f 滤除所有交流谐波后，其直流成分通过d - q 反变换即可得到基 波电流协谚、匆，用芘、拓、屯减去协谚、匆，即可得到三相谐波电流锄、锄、 锄。当还要检测出无功电流时，只需断开图3 2 中f g 的通道即可。 3 4 本章小结 基于瞬时无功功率理论的小g 检测法是目前实时检测谐波和无功的主要方法，简化 了对称无畸变情况下的电流增量检测，并且适用于不对称有畸变情况下的电流增量检 测，因此本文选择基于瞬时无功功率理论的d - q 检测法来检测谐波电流。 1 7 西安科技大学硕士学位论文 4 有源电力滤波器的控制方法 检测出负载电流中的谐波分量后，有源电力滤波器中另外一个重要部分就是补偿电 流控制电路。补偿电流控制电路的作用是把希望输出的电流作为指令信号矿，把实际电 流厶作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定功率开关管的通断，使实际的电流跟 踪指令电流信号变化。目前，有源电力滤波器补偿电流控制方法有：三角载波线性控制 法、滞环比较控制法、无差拍控制法、电压矢量控制法等。其中，三角载波比较法和滞 环比较法是最常用的两种，至于差拍控制方式，由于需要的计算量较大，故在实际中应 用很少。空间矢量控制是基于磁链轨迹控制思想发展起来的，在电压利用率、电流谐波 和过调制等方面具有优势，主要用于交流电机控制。 4 1 脉宽调制( p w m ) 技术 采样控制理论有一个重要的原理冲量等效原理【1 4 】：大小、波形不同的窄脉冲变 量作用于惯性系时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。 脉冲越窄，其输出的差异就越小。上述原理也称为面积等效原理，它是p w m 控制技术 的重要理论基础。例如，图4 1 ( a ) ，( b ) ，( c ) 所示的三个窄脉冲形状不同，a 为矩形脉冲， b 为正弦半波脉冲，c 为三角形脉冲，但它们的面积( 即冲量) 相等。当它们分别作用 于同一惯性系统时，输出响应基本相同。而且脉冲越窄，输出差异就越小。 图4 2 为电压型单相全桥逆变电路【1 。7 1 ，其中全控型开关