（电力系统及其自动化专业论文）并联有源电力滤波器sapf关键技术的应用研究.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p o w e re l e c t r o n i c d e v i c e sh a v eb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h e yg e n e r a t eh a r m o n i ca n d r e a c t i v ep o w e rw h i c hl e a d st ov a r i e t yo fh a z a r d so fp o w e r 鲥db yg r e a t e ra n dg r e a t e r a sa n e wk i n do f h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o ns y s t e m ，s h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e r ( s a p f ) i st h ef o c u so fr e s e a r c hi nt h ef i e l do fp o w e rq u a l i t y n o w , p r o d u c to fs a p fi s l o o k i n gf o r w a r dt oc o m eo u ti no u rc o u n t r y i ti sb o u n dt op r o m o t et h ei n d u s t r i a l i z a t i o n d e v e l o p m e n to fa p et h e r e f o r e ，a p p l i e dr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fs a p fh a s b e c o m eo n eo ft h em o s tc u t t i n g e d g ei s s u e so ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ho ns a p f t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dd e v e l o p i n gs i t u a t i o no fs a p fa r es y s t e m a t i ca n a l y z e di nt h i s p a p e rh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm o d u l eo fs a p fi sd e s i g n e dw i t ht h e o r ya n ds i m u l a t i n g t o o l s b a s eo na d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i n gp r i n c i p l e ，ag o o dd e t e c t i n ge f f e c tb yt h ei m p r o v i n g t h r e e - p h a s ea d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d ，w i t hs i m p l es t r u c t u r ea n de a s yh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n i nr e s p o n s et ot h ep r o b l e mw i t hs p e e da n da c c u r a c yo ft r a d i t i o n a lc u r r e n t t r a c k i n gc o n t r o lo fs a p fc a nn o tb eb e t t e rc o - o r d i n a t i o n ，t h es p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o di s t od r a wi n t o t h ev o l t a g ei n v e r t e rd e v i c ei sl o o k e da saw h o l e i no r d e rt os y n t h e t i ca n dt r a c k w i t hs p a c er o t a t i n gv e c t o ro fm o d u l a t i n gw a v ew i t hl i m i t e ds t a t i cv e c t o r si nt h es p a c eo f v e c t o rc o n t r o l ，s ot h a tt h es y n t h e t i cv e c t o rw i t hi n f o r m a t i o no f m o d u l a t i o nw a v e t h es p e e d o ft h et r a c k i n gi si n c r e a s e d ，a l s ow i t ht h ea c c u r a c yo fc o m p e n s a t i n gi n c r e a s e d t h ed c - s i d e v o l t a g ei se f f e c t i v e l ys t a b i l i z e dc o n t r o lb yu s e do fp 1c o n t r o lo fe n e r g yi n s t e a do f t r a d i t i o n a l p ic o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，t h ep ip a r a m e t e r sa r ed e s i g n e dt oa c h i e v eg o o dc o n t r 0 1 m e a n w h i l e ，s a p fa p p l i e dt ot h et h r e e - d i m e n s i o n a lp a r k i n gs y s t e mi st h ef i r s tt i m e t h e p r a c t i c a lp r o b l e m sw i t hu s i n gs a p fi ns p e c i f i c l o a da r ea n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c eo f m a i nc i r c u i t , p a r a m e t e r sd e s i g n e d ，a n ds oo n s a p fm o d e la n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lg a r a g e s y s t e mh a r m o n i cm o d e lo fa ne n t e r p r i s ea r et ob u i l du p ，i no r d e rt ot e s tt h es i m u l a t i o nr e s u l t s t ot h ec o m p e n s a t i n ge f f e c tw i t hu s i n gs a p f s i m u l a t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sl o a da n dp a r k i n g s y s t e m sr e s p e c t i v e l y , ag o o dc o m p e n s a t i n ge f f e c t w i t ht h es a p fd e s i g n e dt ot h ec u r r e n t h a r m o n i ci ss h o w e d i nt h i sp a p e r ，a p p l i e dr e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so fs a p fi sd o n e ，w h i c hh a sl a i da t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r o v i d e dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rt h ef u t u r ed e v e l o p i n gw i t ht h e d e v i c eo fs a p ft op r o m o t et h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fd o m e s t i ci n d u s t r i e s k 呵w o r d s ：s h u n ta c t i v ep o w e r d c - s i d ec o n t r o l ，t h r e e d i m e n s i o n a l f i l t e r , h a r m o n i cd e t e c t i o n ，h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ， g a r a g e 独创性声明 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和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 ，1 - 学位论文作者签名：j 荡叱签字日期： 脚年f ) 月谚日 弋 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：厉( 壶易导师签名：f 虱秘学位论文作者签名：悸i i 字易导师签名：f 司谚髟纠乃 q 签字日期2 扎衙，胡坷匐签字日期：棚年，j 月玎日 第一章绪论 第一章绪论 在电力己成为当今社会主要能源支柱的今天，全社会越来越依赖供电系统的可靠性 同时也对供电质量提出了越来越高的要求。如何改善和保证电能质量，时刻警惕电力系 统受到谐波污染，并采取有力措施，把谐波的危害降低到最低程度，对净化电网，保持 电压波形不受损害，安全、可靠、经济地发、供、用电具有十分重大的意义。并联型有 源电力滤波器作为一种新型的谐波、无功综合补偿系统，是电能质量领域一个研究的重 点，对实现“绿色电网”具有十分重要的意义。目前，国内正期盼并联有源电力滤波器 产品问世，它必将有力促进有源电力滤波器产业化的发展，因此对并联有源电力滤波器 ( s h u n t a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称s a p f ) 关键技术的应用研究己成为研究的重中之重。 1 1 课题来源和研究意义 1 1 1 课题来源 l 、谐波【卜1 0 j 成为电能质量【l 卜1 5 】的又一重大指标 以前当人们谈论电能质量时，往往只注意电力系统的电压和频率是否符合标准要 求，而谐波所引起的( 电压、电流) 波形畸变却在一个相当长的时期内未受到人们的重视。 其实早在1 0 0 多年前世界上第一台发电机诞生之日起系统中就有谐波的存在，只是其危 害并未被人们所察觉而已。近年来，随着电力电子技术的飞速发展和电力系统及负荷的 发展，各种新型用电设备越来越多地问世和使用。谐波引起的波形畸变对电能质量的影 响越来越大，尤其是工业发展所带来的用户中大量非线性负荷的出现，使得这种影响变 得日益突出，以至于到了非解决不可的地步了。一个理想的电力系统是以单一恒定频率 和规定幅值的稳定电压供电的，它的电压和电流应是纯粹的正弦波形。电压与频率的偏 离及如何控制它们的各种方法是传统电力系统分析的主题，而波形畸变问题一直被忽 视。随着工业的发展和科技的进步，电压幅值和频率己经不是衡量电压质量的唯一指标， 谐波也将成为衡量电能质量的另一个标准。与环境污染的危害一样，电力系统中各种因 素所造成的谐波畸变对电网的正常生产运行也构成了污染，恶化了电网安全环境，不采 取必要的治理措施势必危及到系统和用户的安全，并导致电能的浪费。 2 、实现现代全数字电子智能立体车库的电磁兼容i l 州性 随着国民经济的高速发展以及人民生活水平的提高，我国机动车数量急剧增加。据 国家统计局0 7 年2 月2 8 日公布的2 0 0 6 年统计公报显示，截至2 0 0 6 年底，全国私人轿 车保有量达到1 1 4 9 万辆，比上年增长3 3 5 2 。截至2 0 0 6 年9 月底，天津汽车保有量 第一章绪论 1 1 6 万，其中私家车8 7 万辆。目前天津市汽车保有量与停车位的比例为5 ：1 ，造成8 0 的私家车停车困难。从国际城市建设经验看，要保证交通不拥堵，不仅要满足1 0 0 的 基本车位，还要满足2 0 的公共停车位，因此天津需要建设的停车位为1 3 9 万个，同时 近几年天津私家车的数量已2 0 的速度在增加，按照停车位与汽车数之比为1 ：1 2 计算， 每年需要新增2 7 8 万个停车位。因此，建设大量的立体车库是解决停车难的唯一出路。 按照每个车位3 万元计算，全国每年立体车库的市场大约为l1 0 0 亿元人民币，天津市 每年立体车库的市场大约为8 0 亿元人民币。国家发改委已将立体车库列入当前国家 重点鼓励发展的产业、产品和技术目录。因此所研制的立体车库市场化前景非常广阔。 本课题直接来源于与天津天兴机械制造有限公司合作的“现代全数字电子智能立体 车库”项目，采用电磁兼容技术，使所研制的产品具有很强的抗干扰性能，并且只产生 极低的电磁辐射。该项技术不但可以进一步提高立体车库各种元件工作的可靠性、节省 大量的电能，而且符合国家对立体车库的环保要求。使得产品符合国家和国际相关电磁 兼容性标准，从而推动产品的出口，扩大产业化。经现场调查立体车库系统中存在着大 量的谐波，只有在改善好系统中的谐波状况的前提下，再采用些其他的电磁兼容治理措 施，才能实现项目合同中的具体指标要求。 当然最主要最困难的问题还是如何改善系统中的谐波状况问题。我们知道立体车库 系统中主要的谐波源是大电网已含谐波、各种整流设备、交直流换流设备、电子电压调 整设备、为节能和控制使用的各种电力电子设备，照明设备，电子开关等非线性负荷。 谐波对立体车库系统的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 输电线路和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率， 加速了线路的老化和设备的损坏。谐波使立体车库系统中的电力电缆发热，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。谐波含量过高增加电动机的附加损耗，降低效率， 严重时使电动机过热而烧毁。还有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，从而减少电动机的出力。而在立体车库中，电动 机是使用最多的系统。 ( 2 ) 干扰通信系统的工作。信号传输质量的好坏直接影响到整个控制系统的准确 性，稳定性和可靠性。立体车库中非线性负载特别是变频器的使用，产生大量的谐波， 严重干扰信号的输出，或使发出的信号产生严重畸变，同时在输出线上产生较强的电磁 辐射，还会干扰其它设备的正常运行以及信号的发射和接收，且对无线电的干扰十分严 重，干扰周围环境的其它通信系统。 ( 3 ) 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。我们知道畸变 波形在一个工频周期内的过零点数会增加或变得不规则，这样就会使继电保护误动以及 自动装置不能完成原设计要求的动作。 ( 4 ) 使测量和计量仪器的指示和计量不准确。立体车库中的测量和计量仪器是按 工频( 5 0 h z ) 的标准正弦波设计的，当电流中含谐波时，电磁干扰其正常工作，从而产 生误差，造成出错。 ( 5 ) 污染大电网，增加能耗。谐波引起公用电网局部并联谐振和串联谐振，从而 第一章绪论 使谐波放大，危害加强，甚至造成严重事故。同时电网还需要向产生谐波的非线性负载 提供额外的电能，增加能耗。 ( 6 ) 造成系统控制混乱。比如使控制器程序混乱，存取车顺序错误，甚至造成车 辆损坏，系统莫名失灵，发出尖锐的噪声等等。 ( 7 ) 变频器的电磁干扰，对其周围的电气通信设备会有比较大的影响。 用了大量的变频器，对周围电器的干扰十分严重。 有源滤波器 2 0 - 2 5 】应用于立体车库系统中，作为一种充满活力的成熟技术， 显的技术优点。 系统中使 具有很明 ( 1 ) 多效功能、谐波与无功综合补偿、节能降耗； 如果对于高次谐波、无功电流和负序电流综合考虑，则完全可以用一个表达式对其 进行描述，区别只在于参考跟踪电流参数的取值不同。由此，a p f 可以同时对谐波、无 功和负序电流进行补偿，在一定程度上平衡三相负荷电流、电压，抑制电压闪变，不仅 能改善系统的电能质量，还能达到节能增效的目的。 ( 2 ) 控制灵活，实时追踪负荷容量； a p f 完全不需要考虑各次谐波的具体成分，只要在其允许的补偿容量内，就可以做 到完美的补偿。 ( 3 ) 避免谐振； 无源滤波器的设计需要复杂的计算和验证，其重要原因是希望避免系统中的谐振现 象，而实际情况下，谐振是很难避免的，因为系统的参数、谐波的特性常常是变化的。 a p f 的工作原理决定其在系统中不会引起谐振，并且可以帮助消除谐振。 ( 4 ) 易实现电磁兼容； 高次谐波的滤除，使设备或系统在其电磁环境中能够正常工作且不对该环境中任何 事物构成不能承受的电磁骚扰，符合国家规定的电磁兼容限值标准。 ( 5 ) 体积小、重量轻； 由于无需高压大容量的储能元件( 如电容器和电抗器) ，且不需配备专门的滤波装置， 故a p f 具有体积小、重量轻的优点。 ( 6 ) 有源滤波器不受下列条件的限制： 要补偿的电流波形形状； 电流变化的动态特性，相位( 感性容性) ，方向( 发电机负荷) ； 相负荷( 对称不对称) ； 电源电压质量； 电网阻抗。 基于相对于无源滤波器和有源滤波器的价格比较，且对立体车库中复杂多变的谐波 状况( 变频器等设备的运行状况的不确定性) 考虑，对于大型的立体车库产品，考虑到 长远的利益，安装并联有源电力滤波器完全能满足实际工程的需求。而且对工程施工而 言，一套a p f 设备安装在车库系统的3 8 0 v 的进口母线上，安装十分方便。 第一章绪论 1 1 2 研究意义 随着国民经济和电力工业的飞速发展，用电负荷日趋复杂化和多样化，一些具有非 线性、冲击性、不平衡特征的负荷设备，如半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等 电力电子设备，都会不同程度地产生谐波污染，影响电网的电能质量。近年来全球范围 内因电能质量引起的电力系统及电力设备事故屡有发生，每年因电能质量不合格而引起 的国民经济损失极为严重。在电力已成为当今社会主要能源支柱的今天，全社会越来越 依赖供电系统的可靠性同时也对供电质量提出了越来越高的要求。如何改善和保证电能 质量，时刻警惕电力系统受到谐波污染，并采取有力措施，把谐波的危害降低到最低程 度，对净化电网，保持电压波形不受损害，安全、可靠、经济地发、供、用电具有十分 重大的意义。并联型有源电力滤波器作为一种新型的谐波、无功综合补偿系统，是电能 质量领域一个研究的重点，所以对s a p f 的各项关键实用技术的研究，对实现“绿色电 网”具有十分重要的意义。 立体车库作为我国的新兴产业，为解决城市停车难问题具有十分重要的地位和作 用。治理车库系统中严重的谐波污染环境，实现立体车库系统的电磁兼容，使所研制的 产品具有很强的抗干扰性能，并且只产生极低的电磁辐射，不但对提高立体车库各种元 件工作的可靠性、节省大量的电能，具有十分现实的意义，而且使得立体车库符合国家 的环保要求和有关规定，使得产品符合国家和国际相关电磁兼容性标准，推动产品的出 口，扩大产业化，具有十分重要的现实意义。同时，第一次把有源滤波器引入立体车库 产业，这本身就在a p f 的应用史上具有十分重要的意义，同时对推进了我国a p f 产业 化具有十分重要的现实意义。所以对有源电力滤波器的各项关键实用技术的深入研究， 对实现a p f 在我国工业应用的推广，具有十分重要的理论和现实意义。 1 2 有源电力滤波器国内外研究现状和进展 2 0 世纪7 0 年代初，提出了有源电力滤波器的概念，它的基本原理和电路结构就已 经确定，但由于当时的技术条件不具备而没有得到实施。8 0 年代后，新型电力电子器件 的出现、p w m 控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力 滤波器技术的发展。同时交流电网中用谐波抑制和无功补偿的有源电力滤波器技术也日 趋成熟。 自1 9 8 0 年起，已有大量文章与报告论述了有源电力滤波器技术的研究工作和有关 改善电能质量方面的问题。其中有源电力滤波器主要包括并联型、串联型和混合型。与 无源滤波器混合使用的并联型、串联型有源电力滤波器是其中的典型装置，并具有实际 应用意义。许多控制方法，如瞬时无功功率理论、同步d q 坐标系原理，同步检测方法 和带阻滤波器方法等都被用来发展二相有源电力滤波器装置。 1 9 8 2 年世界第一台a p f ( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功并被正式投入应用。之后，越来 越多的a p f 投入了运行。以a p f 在日本的应用为例，目前已投入运行的a p f 数目己达 到1 0 0 0 多台，从5 0 k v a 到6 0 m v a 功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制电压闪变和 第一章绪论 电压调压，其应用功能越来越丰富。例如：1 9 8 6 年，9 0 0 k v a 的并联a p f 安装在日本某 钢厂，与6 6 0 0 k v a 的无源滤波器一起用来补偿大功率变频器所产生的谐波。1 9 8 8 年，彭 方正等人提出了串联a p f 加并联l c 无源滤波器的串联混合滤波器结构，研制出了容量 为5 0 k v a 的串联混合有源补偿系统。1 9 9 0 年h f u j i t 等提出a p f 与p p f 相串联然后与 负载相并联的混合有源补偿系统。1 9 9 1 年2 0 m v a 的并联a p f 投入使用，与2 0 m v a 的 并联无源滤波器一起用来抑制电弧炉所造成的电压闪变。日本的许多电气公司已经开发 成功并投入生产a p f 的系列产品，表1 1 所示为日本部分a p f 系列产品。从实际投入 的设备来看，大多将并联型有源电力滤波器作为一种标准方式应用到实际系统中去，主 电路大多采用电压型的结构形式。串联型应用较少，且电流型主电路结构基本上没有实 际产品。此外，三相四线并联型有源电力滤波器也有较成功的应用。例如日本m e i d e n s h a 公司制造的采用三个单相全桥的3 0 0 k v a 三相四线并联有源电力滤波器被安装于一广播 站，用于电网三相及中性线电流的谐波治理。 ， 表1 1 日本部分a p f 系列商用产品 功率开关器件用途使用场合 lo k 2 m m i g b t 谐波补偿、无功或负整流器、交直 序、电流补偿交变频器等 5 n 【v a 5 0 【、，ag t o 电压闪变补偿电弧炉 4 0 小，a 6 0 m v ag t o 电压调节( 冲击性下高速电动机车 降、变化、不平衡) 混合型a p f 在实践中得到了很多成功的应用。如日本m e i d e n s h a 公司使用3 0 0 k v a 的并联a p f 和3 0 0 k v a 的并联p p f 组成的混合型有源滤波器成功地用于变频调速系统 的谐波补偿；东芝公司制造的3 个1 6 m v a 的a p f 与6 m v a 的p p f 混合使用的有源滤 波器，成功应用于电动机车的电压冲击和变化的补偿以及电压不平衡补偿。1 9 9 6 年， k a w a g u c h i 等人将一台串联混合有源电力滤波器( 包括5 m v a 串联有源滤波器和 2 5 m v a 的无源滤波器) 安装于日本y a m a n a s h i 磁悬浮列车试验线上用于谐波阻尼，结果 证明能够有效防止电网阻抗和并联无源滤波器之间的谐振现象。 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，清华大学、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。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 并联型有源电力滤波器的突出优势及其应用前景 在实际的谐波治理场合下确定最优的滤波方案主要取决于两大方面：非线性负载或 待治理场合的谐波特征和滤波系统的整体成本预算。例如以整流电路( - - 极管不控或晶 第一章绪论 闸管可控) 作为电网接口前端电路的工业设备而言，根据其滤波元件的不同放置位置可 以将其大致分为三类，如图1 1 所示。图1 1 ( a ) 所示的直流侧电容滤波不控整流电路， 其交流侧电流峰值大，总谐波畸变率高，但其位移功率因数( d i s p l a c e m e n tp o w e rf a c t o r ) 高，可以被看作为谐波电压源。图1 1 ( b ) 所示的直流侧电感滤波不控整流电路，其交流 侧电流呈准方波形状，总谐波畸变率较低，可以被看作为谐波电流源。图1 1 ( c ) 所示的 交流侧电感滤波整流电路，其交流侧电感能够降低电流的总谐波畸变率高，增大换流重 叠角，因此能够有效降低d i l d t 。而d i d t 是决定所采用的有源滤波器所需电流带宽的重 要指标，此外有源滤波器的容量直接取决于谐波电流( 压) 的峰值。因此，通常认为并联 型有源滤波器适合于补偿电流型谐波源，而串联型滤波器适合于补偿电压型谐波源。 j l - _ 1 -【t ( a ) 直流侧滤波电容 毗吁 叫 -【 t ( b ) 直流侧滤波电感 l - 1 】【 t _ _ _ _ _ _ _ j _ 一 ( c ) 交流侧滤波电感 町 _ 1e ， t ( d ) 综合情况 图1 - 1 具有不同特征的整流电路电网借口示意图 滤波系统的整体成本预算除了包括有源部分外，还包括无源器件，系统化的设计和 工程等多方面成本。例如无源滤波器的应用需要现场调研、针对性设计、现场安装和参 数整定等多个环节；混合式有源滤波器则需要隔离变压器，保护电路则需要相应的开关 设备等等。这些都说明在确定滤波方案时需要以系统的观点进行成本核算以便进行综合 比较，再结合滤波场合的特征选择出最优方案。 综合而言，对于容量在1 m v a 以下的负载，并联有源电力滤波器是最佳选择，因为 高带宽的功率电路成本在超过5 0 0 k v a 以上时增长幅度较大；混合式有源电力滤波器由 于较小的有源部件容量，成为i m v a 5 0 m v a 容量范围负载的补偿方案优选；对于 5 0 m v a 以上的大功率负载，无源滤波器则显得较为经济和实用。各滤波器方案及系统 设计成本和负载功率之间的关系曲线如图l - 2 所示。 第一章绪论 成 本 核 算 1 0 k v a1 0 0 k v a1 m v a1 0 m v a1 0 0 m v a 负载容量 图1 - 2 各滤波器方案成本和负载功率之间的关系曲线示意图 并联型有源电力滤波器作为中小容量场合的最佳选择，它具有以下一些突出的优势 和特点： 1 、并联有源滤波器具有丰富的功能。对独立用户而言，除了能够提供谐波、无功 和不平衡补偿外，还能够补偿电压闪变和阻止电网与负载之间的谐振。 2 、不需要附加保护隔离变压器或开关设备，连接使用最为方便，且不产生位移功 率因数等问题，对非线性负载无任何影响，保护容易； 3 、由于被控制为一个电流源，控制器设计相对简单； 4 、工作不受电网电压谐波和不对称因素的影响，也不受电网阻抗的影响； 5 、最适合于具有整流电路接口的设备进行系统集成以满足相关谐波标准，同时也 能够附加其它功能； 6 、能够作为标准配置直接安装使用，而不需要针对性的系统化设计，也能够提供 现有无源滤波装置的改造和升级方案； 7 、具有模块化并联扩容潜力，以提供大容量谐波补偿；各模块可以设定为全谐波 补偿或者是单次谐波补偿； 8 、并联有源滤波器能够被安装于配电系统中，还可以防止由于功率因数校正电容 或者无源滤波器和电网阻抗之间相互作用而导致的谐波扩散和谐振。 随着我国国民经济和生活的飞速发展，中大功率现代电力电子装置等非线性负载在 工业系统中的大量应用，以及中小功率电力电子装置在民用领域的普及应用，将使得对 电网的稳定安全性的要求会更高。为了保证我国电力工业的持续发展，电力生产应符合 稳定、电压波动小、高功率因数、低谐波和畸变的要求。同时，随着信息技术向纵深发 展，大量高新技术装备和信息设备在国民经济各部门的大量应用，例如计算机控制和微 电子制造，需要愈来愈高的电能质量。因此，优先解决谐波问题，提高电力系统质量己 经成为重要课题。 毫无疑问，基于基层开始，即谐波源就近解决方式将是谐波问题解决的关键。对于 独立用户而言，例如：工厂、大型公共建筑( 商场、宾馆、现代办公楼宇、小区等) 、电信、 金融、政府等重要部门，可以极其方便地使用并联有源电力滤波器进行自身的谐波治理， 既保证本单位的用电质量要求，也满足电力系统相关规定，这将成为未来可以预见的主 要方式之一。并联有源电力滤波器过去、现在和将来都将成为主流的应用，也将占据绝 第一章绪论 对比例优势的市场。此外，随着电力电子器件的价格走低和电力电子集成技术的提高， 可以预见有源电力滤波器的应用市场将不断形成和扩大。 1 4 并联有源电力滤波器的关键技术 1 4 1 目前s a p f 主要的关键技术 有源电力滤波器作为改善电能质量的一项新技术，在日本、德国、美国和法国等工 业发达国家得到高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上有源电力滤波器的主要研发 和生产厂家有日本东芝公司、三菱电机、美国西屋电气公司、德国西门子公司、法国梅 兰日兰公司等。 在我国，有源电力滤波器仍处于研究实验阶段。虽然在理论上取得了一定的进展， 并且相继有一些有源滤波器的工业试验样机和报道，但由于多方面条件限制，至今仍未 有有源电力滤波器的正式产品用于工业实际。与此同时，在实际中己经出现了一些用户 开始寻求相关的有源电力滤波器产品用于谐波抑制和无功补偿。西安交通大学凭借较好 的理论研究基础，近年来己经推出了一些实验型样机运用于现场。浙江大学研制了一台 5 0 k v a 混合型有源电力滤波器，并运行于现场进行试验。可以说：国内有源电力滤波器 市场正处于突破的前夜，首要解决的是可运行的实际产品。该有源电力滤波器产品要求 符合中国国情，特别是必须具有自主知识产权和核心技术，并且价格合理。由于本研究 主要是补偿谐波电流，因此主要研究对象是并联型有源电力滤波器( s a p f ) 。对于s a p f 来说，电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流，但是由于电流源形式的主电路损 耗较大，在交流侧需要加装更大的滤波电容滤除不需要的谐波电流，而且电流源结构不 利于多重化结构，因此限制了整个装置容量的发展。本文主要研究的是电压源型的并联 型有源电力滤波器。 推动并联型有源电力滤波器实用化的关键是降低其初始投资、降低损耗、提高设备 的电磁兼容性。有源电力滤波器的研究和实用化包含了多项关键技术【2 习： l 、合理的主电路设计； 针对应用场合和补偿目的选择一种拓扑结构，希望尽可能具有通用性。然后对于主 电路的相关参数进行设计，其中包括直流侧电容值设计、直流侧电容电压选取和交流侧 电感值设计等。这些参数对于设计一台高性价比的有源电力滤波器是至关重要的。关于 这些参数设计，国际上诸多学者提出了一些研究思路或方法，然而至今仍然没有得到公 认的统一，需要进一步加强研究，为有源滤波器的实用化奠定良好的理论指导。 2 、高精度、实时的谐波电流检测系统； 有源电力滤波器进行实时谐波补偿的前提是需要实时提取被补偿非线性负载电流 中的谐波。基于瞬时无功功率理论可以提出一些针对非线性负载的有意义的补偿策略， 实际应用中的谐波检测技术则需要解决诸如电网电压畸变和不对称等带来的检测误差 等实际问题；此外，如何解决具体实现中出现的一些实际问题，如时间延迟等将是实用 化中的一些关键。除了这些重要问题之外，补偿灵活性，如全补偿或是可选择性谐波补 第一章绪论 偿等一些应用技术将需能够满足潜在用户的需要。 3 、高性能的电流控制； 由于有源电力滤波器需要足够高的电流带宽，因此除了合理的一些电路参数设计 外，必须配备优越的电流控制器，使其具有良好的电流跟踪性能，将直接决定有源电力 滤波器的补偿性能。随着数字控制的普遍应用，一些先进的算法，如预测电流控制技术 等将成为有源电力滤波器研究和应用的热点。 4 、直流侧电压稳定性控制设计； 实际工程应用的有源电力滤波器必须具有较完好的电压控制性能，包括动稳态特 性、安全平稳的启动控制等。因此，需要提出直流侧电容电压及其均压控制方案，并进 行参数配置，设计合理有效的软启动方案等。 5 、辅助高通滤波器； 实际的有源电力滤波器由于高频开关器件的动作，使得其补偿电流中含有高频电流 分量，为了防止其流入电网及造成电磁干扰，需要设置开关纹波滤波器以滤除该分量。 但该滤波器有可能和电网阻抗或有源滤波器本身发生作用，造成谐振现象使得谐波放 大。 6 、针对特定负载的应用问题； 并联有源电力滤波器适合于电流型负载补偿，但当负载电流具有大的d i d t 时，将 使得补偿性能大打折扣；此外，对于容性负载的谐波补偿，由于其具备较高的峰值、谐 波畸变率( t h d ) 和d i d t ，将使得其补偿性能恶化。因此，需要研究并提出针对性方 法以使得并联有源电力滤波器能够满足这些特定负载谐波补偿的需求，以扩大并联有源 电力滤波器的生存和应用空间。 上述关键技术的攻克，研制出具有国内外领先水平的现代电力电子绿色节能新产 品，为电力系统各供电公司、各电力消耗大户和各大型企业等提供高可靠性能的自动化、 智能化节能型绿色产品，达到节能降耗、降低成本、保护环境的目的，以提高产品在国 内外市场上的竞争能力，使得能源资源配置更加优化，创造更多的财富。这完全符合国 家的环保政策和可持续发展的战略决策，利国利民，实为双赢之举措。 1 4 2s a p f 关键技术研究现状和趋势 电网谐波问题己经引起人们广泛重视，许多国家和地区制定了各自的谐波标准。我 国也分别于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年通过了电力系统谐波管理暂行规定及电能质量公 用电网谐波( g t 3 t - 1 4 5 4 9 3 ) ，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。在我国，虽 然目前电力电子装置应用不如发达国家普及，但也有因谐波问题而无法给多台电机安装 变频器和无法使用计算机网络的事例。近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子装 置的应用越来越广，它所产生的谐波和无功功率给电网带来的各种危害也越来越大。但 到目前为止，仅有德国西门子等少数几个欧美跨国企业可以生产实用性大功率有源电力 滤波器，国内现在刚刚起步。这与巨大的市场要求极为不平衡，许多电力企业，包括国 内的一些企业，也已看到这一商机，正积极进行研究，以期在未来的市场竞争中处于有 利地位。目前，国内正期盼并联有源电力滤波器产品问世，它必将有力促进有源电力滤 第一章绪论 波器产业化的发展，因此对并联有源电力滤波器( s a p f ) 关键技术的应用研究已成为 研究的重中之重。针对应用场合和补偿目的选择一种合适主电路拓扑结构，是并联型有 源电力滤波器实际应用研究的第一要务。目前并联型有源电力滤波器的主电路结构主要 是传统的四种，可根据实际负荷的接线方式以及补偿的要求的不同来选择。也有部分高 校在进行主电路拓扑结构的方面的探索，但是进展不是很快，我们相信随着时间的进行， 新的结构组合方式一定会到来的。 电力谐波测量是并联型有源电力滤波器关键技术的研究的一个重要组成部分，也是 研究分析谐波问题的主要依据和出发点。所谓谐波测量，就是使用测量仪器或装置，应 用某种测量方法确定出电网中各谐波成分的过程，它是进行谐波分析的基础。也就是说， 谐波测量不是只分离出谐波总量，而是要求分离出每一种具体的谐波成分，包括每一种 谐波的幅值、初相等，在此基础上就可以确定出各次谐波的所占比例、频谱、总的波形 畸变率等参数。所以，选择适当的测量方法精确地测出谐波的幅值和初相的测量直接影 响着谐波分析的准确性和可靠性。为达到减少误差和精确测量的目的，须制定测量精度， 以表示抗御噪声、杂波等非特征信号分量的能力且要求具有较快的动态跟踪能力，测量 时滞性小，鲁棒性好，选择一种方法在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波 是十分重要的。而且，这种方法要求实现代价小。带通滤波是早期模拟式谐波测量装置 的基本原理。傅立叶算法是目前谐波测量中最基本的方法，广泛应用于谐波测量仪器当 中；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出实时检测有源电力滤波器的谐波和无功电流 的方法，也可应用于无功补偿等谐波抑制领域；小波分析和人工神经网络是目前谐波测 量方法的热门问题，是正在研究的新方法、新理论，它可以提高谐波测量的实时性和精 度。 并联型有源滤波器跟踪补偿电流的控制属于逆变器p w m 电流控制范畴，主要有以 下方法。三角波调制法将调制后的电流实际值与参考值之间的偏差经p i 调节后与高频 的三角调制波进行实时比较，得到它们的交点作为逆变器开关动作的依据。该方法简单 易行，开关频率固定，响应速度快，对高开关频率的系统具有较好的控制特性，但高频 的三角波将使逆变器始终以高频状态工作，产生较大的开关损耗和高频失真，因此在大 功率应用中受到限制：滞环控制法以补偿电流参考值为基准设计一个滞环带，当实际补 偿电流欲离开滞环带时，逆变器开关动作，使实际电流始终保持在滞环带内，围绕其参 考值上下波动。很明显，系统的开关频率，响应速度和电流的跟踪精度均受带宽影响， 当带宽窄时，响应速度快，精确度较高，开关频率也较高。但造成过大的脉动电流和开 关噪声，使有源电力滤波器中针对功率器件高速开关的高频滤波环节的设计难度增加。 且该方法也不利于快速暂态控制；无差拍控制法是一种采用数字技术实现的预测控制方 案，以电流误差等于零为目标，根据第k 个时刻的补偿电流参考值和实际值，计算l 针l 时刻电流参考值及各种开关状态下的逆变器电流输出值。该方法能快速响应电流的突然 变化，特别适合快速暂态控制。但计算量很大，对系统参数依赖性较大，对于有源滤波 这样一个非线性多变量系统而言，应用无差拍控制法，目前仍不多见。空间矢量控制方 法把三相整流器件作为一个整体来考虑。在矢量控制空间中用有限的静止矢量去合成和 跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成矢量含调制波的信息。它具有电流畸变率小，直流 第一章绪论 电压利用率高，尤其非常适合数字化实现和适时控制。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。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，随着控制策略 的改进，a p f 的特性将不断提高，而相应的价格将不断下降，在各个领域的应用也将 越来越普及。 直流侧电容电压的稳定控制是并联型有源滤波器精确快速补偿的十分重要的环节。 因此，对直流侧电容电压进行控制，使其保持稳定对a p f 的补偿效果具有重要意义。 对直流侧电压进行控制的传统方法是为直流侧的电容再提供一个单独的直流电源，一般 是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流侧电容电压的目 的，但需要另设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗 等。现在已经不采用这一传统方法。实际上，a p f 直流侧电压变化的速度并不快，大约 为电流跟踪速度的十分之一，所以直流侧控制只需要通过对主电路进行适当的控制即可 实现，关键在于控制参数的设计。目前也出现了大量的新的理论应用于此，比如模糊控 制，自适应控制，单周控制等，但离实际应用还有很大的差距，还需深入研究。 辅助高通滤波器的设计目前主要是高通滤波器的设计。但是由于谐波电流的不确定 性，参数设置设计相对比较复杂，同时容易造成较差的滤波的效果。 并联型有源电力滤波器应用于具体工程负荷，需要根据负荷的类型，补偿要求的精 度进行参数的设计。目前这方面的应用比较广泛，随着经济及技术的发展，并联型有源 电力滤波器应用于新的对电能质量要求较高的领域越来越广。 总而言之，并联型有源电力滤波器关键技术正越来越走向实用化，智能化，产业化 发展。但目前面临着亟待解决的问题如下： l 、由于电流检测的延时与逆变输出电路工作的滞后等因素的影响，有源电力滤波 器很难对谐波电流、无功电流和负序电流做到实时补偿。在实际应用中，如何确定有源 电力滤波器延时特性对补偿效果的影响； 2 、从畸变电流检测上，面对目前检测存在的问题，如何从非线性负载电流中准确、 实时地分离出谐波电流、无功电流和负序电流，使有源电力滤波器的性能得到充分地发 挥； 3 、从电流控制方法上，如何更好