（电力系统及其自动化专业论文）混合型有源滤波器关键技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e m e n to fd i f f e r e n tk i n d so fn o n l i n e a r l o a d s e s p e c i a l l yt h ew i d e l ya p p l i e dp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，t h eh a r m o n i cp h e n o m e n o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e d e t e r i o r a t i v e ，a tt h es a m et i m e ，c u s t o m e r sd e m a n dm o r eo np o w e rq u a l i t y , s oh a r m o n i ci so n eo ft h ek e y p r o b l e m st os o l v ef o rt h ep o w e rs y s t e m p a s s i v ef i l t e r sh a v et r a d i t i o n a l l yb e e nu s e dt oa b s o r bh a r m o n i c s g e n e r a t e db yl o a d s ，h o w e v e r t h e yh a v es e v e r a ld r a w b a c k s t h e ya r eh i g h l ys u s c e p t i b l et ou n d e s i r a b l e s e r i e sa n dp a r a l l e lr e s o n a n c e sw i t ht h es u p p l ya n dl o a d t h es u p p l yi m p e d a n c es t r o n g l yi n f l u e n c e st h e 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 so fp a s s i v ef i l t e r s ，a n dt h ee f f e c to fp a s s i v ef i l t e r sa r ea l s op o o ri ft h el c p a r a m e t e r sv a r i e s i nt h eo t h e rh a n d ，t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a ns u r m o u n tt h e s ed e f i c i e n c i e s b u ti tc a n n o t b ea p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t sb i gc a p a c i t ya n dh i g hp r i c e t h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rc o m p o s e do f t h ep p fa n da p f , a st h en o v e lm e t h o df o rh a r m o n i ct r e a t m e n t ，c a nh a v et h e i ra d v a n t a g e sa n de l i m i n a t e t h e i rd i s a d v a n t a g e s i tc a nn o to n l yi m p r o v ep o w e rf il t e r s c o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ea n dd a m pt h e h a r m o n i cr e s o n a n c ei np o w e rs y s t e m s ，b u ta l s od e c r e a s et h ea c t i v ef i l t e r sc a p a c i t y a sa r e s u l t h y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r so f f e raw i d ef o r e g r o u n da n dc o s t e f f e c t i v et o p o l o g yf o rh a r m o n i cc o m p e n s a t i o n t h es e v e r a lc u r r e n tk i n d so fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r s t o p o l o g ys t r u c t u r e sa n do p e r a t i n gp r i n c i p l e s h a v eb e e na n a l y s i s e da n ds t u d i e df i r s t l yi nt h i sp a p e ra f t e rc o m p a r i n gt h ev o l t a g er a t i n ga n dc a p a c i t yo f t h ea p fi nd i f f e r e n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r s ，t h es h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( s h a p f ) i ss e l e c t e dt o b es t u d i e di nt h i sp a p e r a n dt h em a t h e m a t i cm o d e li sd e r i v e df r o ms i n g l ep h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i tt o p r e p a r ef o rt h ef o l l o w - u pa n a l y s i s a st h et r a d i t i o n a lh a r m o n i ct r e a t m e n te q u i p m e n ta n do n ep a r to ft h e s h a p f , t h ep a s s i v ef i l t e r so p e r a t i n gp r i n c i p l eh a sb e e ns u m m a r i z e da n dt h ep a r a m e t e r sd e s i g no ft h e s i n g l et u n e df i l t e ra n dh i g h p a s sf i l t e rh a v eb e e na n a l y s i s e d s e c o n d l 5d if f e r e n th a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rt h eh y b r i da c t i v ef il t e rh a v e b e e ns t u d i e da n dc o m p a r e d a f t e ra n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o dp qa n d p i q ) b a s e do ni 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 y , a ni m p r o v e dh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o db a s e do np h a s e d e m o d u l a t i o nt h e o r yi sp r o p o s e d ，f o rt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o na n o t h e rm e t h o db a s e do n u n i t yp o w e rt h e o r yi sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt o o t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e rd e s i g no ft h el o w - p a s sf il e r i nt h eh a r m o n i cd e t e c t i o np a r th a v eb e e ns t u d i e d s e v e r a lc u r r e n tc o n t r o l l i n gm e t h o d si sa n a l y s i s e di nt h i s p a p e rs u c ha sh y s t e r e s i sc o m p a r i s o nc o n t r o la n dt r i a n g l ew a v ec o m p a r i s o n ，a st h ek e ym e t h o dt ob e a p p l i e di nt h es h a p f , t h eh y s t e r e s i sc o m p a r i s o nb a s e do nv o l t a g es 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 ni s p r o p o s e d ，a n di t sa d v a n t a g ei sp r o v e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fs h a p fh a db e e n c o m p l e t e da n dt h eo p e r a t i n gm e t h o dh a sb e e na n a l y z e di nt h ee n do ft h ep a p e r t h em a i nc i r c u i to fap f h a sb e e ni n t r o d u c e dw i t he m p h a s i so nt h ec o n t r o ls y s t e mi n v o l v e dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e c i r c u i tb a s e do nt h ep l a t f o r mo ft h et m s 3 2 0 f 2 812 f i n a l l y , f o rt e s t i n gt h es h a p fe q u i p m e n tw i t ht h e c a p a c i t yo f10 0 k v a r , a ne x p e r i m e n th a sb e e no p e r a t e do nt h eb a s eo ft h r e e p h a s es y s t e mw i t hh a r m o n i c l o a d k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；p a s s i v ep o w e rf i l t e r ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；d s p 东南大学学位论文独创性声明 本人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1 ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南人学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图。b 馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被杏阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：弛师签 刎 j i 期： 第一章前言 第一章前言 随着现代社会工业技术的发展，电力技术水平的提高，电气化设备已经渗入到人们生活的各个 领域，与之产生的一方面是电力负荷的不断增加，一些非线性和冲击性负荷如电力电子设备、电弧 炉、电气化铁路的存在影响了电网的电能质量，它们产生的谐波和无功功率问题对电力系统的污染 日益严重；另一方面，这些负荷的应用与增加又提高了用户对电能质量的要求，而谐波问题的存在 给供电企业和用户造成了直接的经济损失，因此找到一种经济且效果好的谐波治理方案是近几年来 用户电力技术研究的一个热点问题。 1 1 研究背景 1 1 1 电力系统谐波问题的危害性及其限制标准 “谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率 振动。电气学中谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际系统频率( 即电网额定频率) 的整数倍。 在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会议( c m r e ) 的文献中定义n 儿：“谐波分量为周期量的傅 里叶级数中大于1 的h 次分量”。i e e e 标准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”。按照非线性元件的类型，电力系统的谐波源可以分为两大类：即 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源和含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源。在电力电子 装置广泛应用以前，电力系统的谐波主要来源于电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等非线性负荷， 随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负荷，特别是以开关方式工作的静止变 流器，从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有广泛的应用，这些装置 往电网中注入了不同频率和不同幅值的谐波，危害了电力系统其他设备的正常运行。 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电压和谐波 电流的出现，对公用电网是一种污染，它使供电系统的其它负荷的用电环境恶化，而且也对周围的 通信系统和公用电网以外的设备带来危害，谐波的危害主要表现在以下几个方面例： 1 )容易使电网和补偿电容器之间发生并联谐振和串联谐振。 2 )增加发电、输电、供电和用电设备的附加损耗。 3 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。 4 )影响测量和计量仪器的准确性。 5 ) 干扰通信系统的工作。 回影响用电设备的正常工作。 刀谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。 谐波问题已经越来越被人们所重视，如何经济而有效地抑制谐波给电力系统和其它用电设备带 来的危害成为电网安全运行的一个重要研究方向。 针对电网系统的谐波污染和电能质量的恶化，许多国家和国际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。国际相关组织例如i e e e ，i e c 都制定了相关的谐波限制标准，我国 也根据国情制定了相应的国家标准。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e6 0 5 1 9 标准1 4 j 和i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准【5 1 。i e e e6 0 5 1 9 于1 9 8 1 年制订，并于1 9 9 2 年进行了修订，该标准是从电网的角度来 对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。i e c 6 0 5 5 5 2 标准则是对负载产生的谐波进行限 制，使负载注入电网的谐波在规定的范围。i e c 6 0 5 5 5 2 标准于1 9 8 2 年制订，在1 9 9 5 修订，修订后 的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 - 2 。国家技术监督局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量谐波方面的国家 东南大学硕j ? 学位论文 标准g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网谐波6 1 。该标准已于1 9 9 4 年3 月1 日起在我国全面开始 实施。 1 1 2 谐波治理现状 目前，谐波问题主要从三个方面进行治理： 受端治理：即从受剑谐波影响的设备或者系统出发。提高它们抗谐波干扰的能力，可以采 用合理的供电方式、提高设备的抗谐波干扰能力等改善设备的谐波保护能力： 主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或者降低产生的谐波，在做这些装 置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，如增加整流装置的脉动相数、采用 p w m 调制技术或者软开关技术、采用有源功率冈数技术等，以减小注入电网的谐波含量。 图1 1 就是一个主动治理的例子，它是利用增加整流相数( 1 2 相) 的方法，来减少输入输出 电流中的谐波。 触发脉冲 图i 11 2 脉冲触发整流器 在1 2 脉冲触发整流桥中，两个6 脉冲整流桥分别产生的谐波电压的反相分量将抵消，只有同相 分量在线路中产生增波电流。冈此，直流侧产生的谐波电压主要是1 2 n 次，由于这些特征谐波电压 和理想直流电压都是每个6 脉冲换流器相应电压的两倍，因此总特征谐波电压与直流电压的比值与 单个6 脉冲换流器相同。 被动治理：即外加滤波装置，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波 流入负载端。 其中，受端治理和主动治理都是对装置白身性能的改造，对已经投入电力系统的装置没有任何 作用，因此，若想对已经投入运行的设备进行谐波治理，必须采川被动治理。 目前，被动治理谐波的措施主要有以- 卜几种： 1 )采用无源滤波器：无源滤波器是利用谐振原理，在谐波源附近或者公用电网节点装设由电 容、电感和电阻组成的单调谐滤波器，它可以吸收谐振点处频率的谐波，同时还可以进行 无功功率补偿。由于结构简单，安装方便，是目前最常用的谐波治理装置。 2 )采用有源滤波器：在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型a p f ，实时地检测跟 踪电网谐波的变换，同时根据指令信号控制逆变器，产生和谐波幅值相同，相位相反的补 偿电流，可以有效地起到补偿或者隔离谐波的作用。 3 )采用混合型有源滤波器：混合型有源滤波器是由有源滤波器和无源滤波器经过某种结合方 式共同组成的滤波装置，通过无源滤波器滤除电网的主要谐波，其余谐波通过有源滤波器 第一章前言 进行补偿。 其中，采用无源滤波器时，单调谐滤波器只能对特定频率的谐波进行治理，属于静止补偿装置， 不能根据谐波和无功的变化而变化，因此易产生过补偿或者欠补偿的问题【_ 7 1 。无源滤波器的滤波特 性依赖于电网参数，当电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况改变时，无源滤波器的滤波 效果受系统阻抗的影响较大。而且由于直接和电网串并联，无源滤波器可能会与系统阻抗发生串并 联谐振，使该次谐波放大，影响供电质量。 单独使用有源滤波器，分为并联型和串联型，有源滤波器由指令电流运算电路和补偿电流发生 电路，其中补偿电流发生电路又包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分。有源滤波器 安装在谐波源或者电网节点附近，通过合适的控制电路，检测出被测点处的谐波电流，然后利用指 令电流信号产生的触发脉冲，控制逆变桥的通断。 一一 j 、 i ， 、 v a p f 图1 2 并联型有源滤波器结构框图 单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图1 2 所示，图中，负载为产生谐波的谐 波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件( 图中为电容) 共同组成有源电力滤波器的主电 路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流 开关频率附近的谐波。与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体优点 为： 具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以补偿无功和负序电流等 滤波性能不受系统阻抗的影响，即使系统的结构或者运行状态发生了改变，有源滤波器仍 然会取得良好滤波性能 具有自适应功能，能够迅速对频率和幅值发生变化的谐波进行动态跟踪补偿 但是单独使用有源滤波器时由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到逆变器上，且 补偿电流基本由逆变器提供，故要求变流器具有较大的容量，这是这种方法的主要缺点。 混合有源滤波器将有源滤波器和无源滤波器的优点结合到一起，一方面克服了单独使用无源滤 波器时补偿谐波次数固定，易产生过补偿或者欠补偿的问题，另一方面又降低了有源滤波器的容量， 克服了其易受电网电压等级限制的特点，是目前谐波治理的一个重要手段。 一3 一 东南人学硕i ：学位论文 1 2 混合型有源滤波器的发展现状 1 2 i 混合型有源滤波器的发展 有源滤波器的思想最早出现于1 9 6 9 年。1 9 7 1 年，h s a s a k i 等首次完整地描述了混合有源电力 滤波器的基本原理。但由于当时是采用线性放火的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，冈而仅 在实验室研究，未能在t 业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提山了用大功率晶体管p w m 逆变器 构成的有源滤波器，并止式确立了有源滤波器的概念，但由于当时电力电子技术水平的限制，有源 滤波器的研究仍局限于实验研究。有源滤波器进入实用阶段，采用有源滤波器对电力谐波进行动态 治理的阶段始于2 0 世纪8 0 年代。由于当时的p w m 控制技术的发展以及电力电子器件价格的下跌， 混合有源滤波器得到了迅速发展。从那时起，先后出现的儿种主要的混合有源滤波器的结构如表1 1 所示【8 l ： 表1 1 混合有源滤波器的发展巾出现的几种主要结构 年份结构结构图描述 1 9 8 7并联a p f 与并联p p f j e 中尤源滤波器包括多组单调 结合 毛乎 谐滤波器，承扭主要的滤波作 用，有源滤波器滤除剩余的谐 波 有源滤波器通过变胝器接入到 系统中，起到谐波隔离的作用， 1 9 8 8 串联a p f 加并联p p f 考占团 主要的滤波工作仍由p p f 承担 1 9 9 0a p f jp p f 串联后并 a d i ： 联接入电嘲 a p f 与p p f 通过耦合变压器串 联后并联接入电网，谐波和无 功主要由p p f 补偿，而a p f 的 目气 作用是改善系统功能 1 9 9 4 统一电能质量调节器 串联型a p f 并联型a p f 通过 ( u p o c ) 电容相连，综合治理电力系统 的电能质量问题。串联型k , p f 起到补偿电压谐波、并联型补 偿电流谐波。 第一章前言 1 2 2 混合型有源滤波器的现状 现有的混合有源滤波器的拓扑结构如图1 3 所示，主要分为两大类，一类是与无源滤波器混合， 其目的是降低成本，充分发挥a p f 和p p f 的作用；另一类是和与其它变流器混合，目的是完善h a p f 的功能，一般一个主要负责补偿无功功率，而另一个则主要负责治理谐波【9 j ： 图1 3 混合型有源滤波器拓扑结构类型 混合型有源滤波器由于性价比比较高，实现方便，正日益成为高压大容量系统有效进行谐波抑 制的首选方案。由于电力电子器件价格的下降，以及用户对电能质量要求的日益提高，混合型有源 电力滤波器的优点也越来越突出。在国外，如日本、美国、德国和法国等工业发达的国家，混合型 有源滤波器得到了广泛的应用，生产混合型有源滤波器的厂家如西门子、a b b 及施耐德等也主要在 这些国家【l o l ，他们生产混合有源滤波器的技术已经比较成熟；与国外相比，国内混合有源滤波器的 研究起步较晚，生产的厂家也很少，大部分是以代理国外的产品为主，研究主要集中部分高校，还 远远满足不了国内市场的要求，因此，混合有源滤波器的发展具有很大的发展空间。 1 3 本文研究的主要内容 论文主要研究的是基于d s p 控制平台的并联型混合有源电力滤波器，论文做的主要工作包括以 下几点： 分析了混合有源滤波器的原理及拓扑结构，最终选取并联型的混合有源滤波器作为研究的 主要对象，并在此基础上建立了混合型有源滤波器的基本数学模型 研究了无源滤波器的设计原则及设计方法。为混合有源滤波器中无源滤波器的实现及参数 的计算提供了依据 研究了谐波电流检测算法，在分析了经典的瞬时无功功率理论以后，提出了基于单位功率 因数的谐波和无功电流检测算法，并且分析了基于鉴相理论的谐波电流检测算法，通过仿 真论证了这两种算法在不对称电路中中其响应速度方面优予瞬时无功功率理论。由于论文 是基于三相三线制的混合有源滤波器，最终选用的谐波检测算法是基于瞬时无功功率的 i p i q 算法，在分析了谐波电流检测电路的基本结构后，提出了低通滤波器的设计是优化谐 5 - 东南大学硕l j 学位论文 波电流检测算法的关键点之一，分析了不同的数字滤波器的结构，设计了在检测电路里所 用的低通滤波器的基本参数 分析了并联型混合有源滤波器的基本控制策略，仿真验证了在不同的检测点对有源滤波器 功能的影响，在电流跟踪控制方面，分别论述了滞环比较、三角波比较的传统方法，重点 论述了基于电压空间矢蕈的滞环电流比较的控制方法，仿真验证了其有效性和可实施性。 为了使有源滤波器的性能提高，论文还分析了有源滤波器直流侧电压的稳定控制，采用p i 调节技术能很好的实现这一目的 在论述了有源滤波器设计的要点，如主电路容量和直流侧电容电压的确定，开关器件的选 择的基础上，介绍了整个并联型混合有源滤波器系统的具体实现，重点论述了基于 d s p 厂r m s 3 2 0 f 2 8 1 2 平台上的控制系统的实现，包括其硬件部分和软件部分，并且在控制 板上对软件算法进行了调试。为了测试研制的l o o k v a r 并联型混合有源滤波装置性能，在 电网中接入了三相渚波负载，搭建了实验系统，并且对具体实验的结果进行了分析。 第二章混合型有源滤波器拓扑结构的选取 第二章混合型有源滤波器拓扑结构的选取 混合有源滤波器发展至今，已经出现了不同的拓扑结构，这一点在上一章中已经做了简要的介 绍。不同的电路拓扑结构，具有不同的系统性能和特点，在治理谐波时究竟应该选取何种电路拓扑 结构，应该根据实际情况，如谐波源的特点、安装的条件以及投资的费用等做不同的选择，下面就 几种主要的混合型有源滤波器的拓扑结构进行分析，并且选取一种作为本文研究的主要对象。 2 1 混合型有源滤波器拓扑结构分析 混合型有源滤波器m y b i r da c i t i v ep o w e rf i l t e r ，h a p f ) 按照与有源滤波器连接的对象不同，可以 分为与无源滤波器混合的h a p f 和与其他变流器混合的h a p f 。 2 1 1a p f 与p p f 混合的h a p f ( 1 ) 并联型a p f + 并联型p p f a 、有源滤波器起主要滤波作用的并联方式 如图2 1 是有源电力滤波器与无源滤波器并联方式的一种，有源电力滤波器与无源滤波器并联 接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，无源滤波器主要补偿较高次的谐波，是高通滤波器，一 方面用于滤除补偿对象中的较高次数的谐波，另一方面用于消除补偿电流中由于主电路中开关通断 所产生的谐波 a p f 图2 1 并联型有源电力滤波器与l c 并联方式之一 在这种方式中，由于无源滤波器只承担了很少部分的补偿任务，对降低有源电力滤波器的容量 起不到明显的作用【l 。 b 、无源滤波器起主要滤波作用的并联方式 图2 。2 是有源电力滤波器与无源滤波器并联方式的另一种，无源滤波器包括多组单调谐波滤波 器和高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务。有源滤波器的任务是改善整个系统的性 能，其所需的容量与单独使用的方式相比可大幅度降低。 东南人学硕1 j 学位论文 a p f 图2 2 并联犁有源电力滤波器与p p f 并联方式之二二 但是在这种结构中，电网与a p f 之间以及a p f 与p p f 之间仍然存在谐波通道，特别是a p f 与 p p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波电流义流同p p f 系统中，造成p p f 与电网阻抗发生 谐振。同时，a p f 容量虽然降低了，但是由于a p f 直接并联在系统中，仍然承受着全部的基波电压， 仍然收到系统电压等级的限制，开关器件的耐压等级要求较高i l 引。 ( 2 ) a p f 与p p f 串联后并联接入电网 在该方式中，谐波和无功功率主要是由无源滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善无源 滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点，在这种 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，开关器件耐压等级降低。 a p f 图2 3 有源滤波器与无源滤波器串联后并联接入电网方式 此方式在实际应用中，可以在原有的无源滤波器治理措施的基础上，安装有源滤波器即可，而 且有源滤波器维护时，无源滤波器仍可以继续运行，结构简单，维护方便，且容量小，投资少，目 前人部分的混合有源滤波器的实用研究都是基丁这种结构。但是此种方式对电网中的谐波电压非常 第二章混合型有源滤波器拓扑结构的选取 敏感，而且由于要降低a p f 所承受的基波电压及其流过的基波电流，a p f 比p p f 的基波阻抗要小 得多，即p p f 的基波阻抗较大，滤波器支路不可能产生较大的无功电流，所以该方式不适合进行较 大容量的无功补偿【l 引。 ( 3 ) 串联型a - p f + 并联p p f 在此种方式中，谐波和无功仍主要由p p f 补偿，串联a p f 相当于电流控制电压源，发生与电网 谐波电流成正比的谐波电压。对于谐波电流而言，当串联a p f 的等效谐波电阻值远远大于电网阻抗 和无源滤波器的阻抗时，谐波电流将被迫负载的谐波电流流入无源滤波器，同时，也避免电源侧的 谐波电流流入负载侧。对于基波电流而言，串联a p f 相当于一个阻抗很小的等效电阻，几乎不消耗 基波功率。其电路结构图如图2 4 图2 4 串联型a p f + 并联p p f 方式 在这种结构中，当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这部分的谐波 电流流入p p f ，这将在负载端产生谐波电压；由于有源滤波器串联在电路中，耦合变压器流过所有 频率的负载电流，这对耦合变压器的容量设计早成了困难，同时由于a p f 串联在电路中，绝缘较困 难，维护也不方便【1 4 1 。 ( 谐振注入型 谐振注入型混合有源滤波器的原理是利用电感和电容的谐振，使a p f 不承受或只承受较小的基 频电压，达到减少逆变器的容量和体积、减低成本的目的，图6 给出了两种不同形式的谐波注入式 混合电路。 图2 5 ( a ) 串联谐振注入型混合有源滤波器 一9 东南人学硕1 j 学位论文 图2 5 ( b ) 并联谐振注入型混合有源滤波器 其中，a 图是串联谐振型注入电路方式，无源网络在基波频率处发生串联谐振，使a p f 不承受 基波电压，而对于高次谐波，无源网络呈现高阻抗，有源滤波器产生的补偿电流将绝大部分流入主 电路。b 图是并联谐振型注入电路方式，和串联谐振方式的原理相同，并联谐振中的无源网络在基 波频率处发生并联谐振，阻抗很大，因此a p f 在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载 的连接处，需合理配置注入电路中的电感、电容的参数。但是要同时获得较好的喈波补偿和较小的 a p f 容鼍比较凼难川。 2 1 2a p f 与其它变流器混合的h a p f ( 1 ) 并联型a p f + 串联型a p f 串联型a p f 与并联型a p f 通过电容相连，综合治理电力系统的电能质量问题。串联型a p f 补 偿电压谐波，阻j 卜电源端的睹波电压注入负载端和负载凿波电流流入电网，并联型a p f 提供一个零 阻抗的谐波支路，补偿电网的电流谐波。这种h a p f 也称为统一电能质量调节器u p q c ( 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 ) ，其电路结构图如图2 6 所示 图2 6u p q c 电路结构图 这种方案在电网和公共节点之间同时实现了电压和电流的净化，但是由于控制系统要控制两个 a p f ，控制算法相当复杂，且成本造价很高，结构复杂。 ( 2 ) 其它几种类型的h a p f 与其它变流器混合的h a p f 还包括多重化逆变器+ p w m 逆变器、低频p w m 逆变器+ 高频p w m 逆变器、注入型a p f + i k 氏频p w m 逆变器等，图2 7 是这几种h a p f 的结构图， i j 第二章混合型有源滤波器拓扑结构的选取 图2 7 ( 0 多重化逆变器+ p w m 逆变器 图2 7 ( ”高频p w m 逆变器+ 低频p w m 逆变器 图2 7 ( 0 注入型a p f + 低频p w m 逆变器 这几种混合方式，都是利用混合各部分的特点及功能，让其在混合h a p f 中发挥不同的作用。 一般是利用高频的逆变器补偿负载中的谐波电流，而低频逆变器补偿无功，同时分压，使高频逆变 器不承受基波电压，容量减小。但是这类装置的结构都比较复杂，造价很高，实际应用中很少。 2 1 3 混合型有源滤波器拓扑结构比较 上面分析的混合型有源滤波器各种结构经过比较，其各自的优点和缺点如表2 1 所示f 1 l 东南大学硕十学位论文 表2 1 混合型有源滤波器拓扑结构比较 拓扑结构类型优点缺点 a p f 改善j ，整个系统的性能，能实 a p f 仍承受皋波i 乜胝，开关器件的 时跟踪电嗍谐波的变化，p p f 补偿 并联型a p f + 并联型p p f电k 等级要求较高，且a p f 与p p f 大部分渚波，a p f 的容量减小，成 之问仍存矾：潴波通道 本降低 a p f 通过耦合变压器和p p f 后在与 对电网的谐波电压非常敏感，不适 a p f 与p p f 串联后并联接入电网电网相连，不承受基波电k ，容量 仑进行较人容量的无功补偿 小，1 i 受电网电压等级的限制 a p f 串联到系统中，避免j ，p p f ja p f 串联在电路中。流过所有的 串联型a p f + 并联型p p f屯嘲发生谐振，减小r 其对电网阻负载电流，易产生谐波电胜，维护 抗的依赖性困难 a p f 不承受皋波电压，容量减小，谐波补偿效果和有源装置容量不 谐振注入型 电压等级降低，能很好协调 能够根据各自的特点进行潴波的 a p f 与其它变流器混合治理和无功功率的补偿，能够治理结构复杂，造价高，控制困难 多种f 乜网电能质量问题 从上表中可以看出，混合型有源滤波器的各种拓扑结构可以根据其特点戍用剑不同的场合，考 虑工程造价和我国电网的实际问题，目前国内大多数研究的是a p f 和p p f 串联后并联接入电网这种 结构，因此，本文研究的混合型有源滤波器的关键技术人部分也是基于这种电路拓扑结构。 2 2 并联型混合有源滤波器原理 2 2 1 并联型混合型有源滤波器的结构 本文所讨论的是三相三线制的并联型混合有源滤波器是有源滤波器，即a p f 和p p f 串联后并联 接入电网的结构，是a p f 通过耦合变压器与无源滤波器相连，并联接入电网，其结构示意图如图 2 8 所示，有源滤波器部分利用输出滤波器是滤除逆变电器产生的补偿电流的高频毛刺。隔离变乐器 有两个作用，一个是为了有源滤波器和无源滤波器的电气隔离，另一方面，可以通过调辐离变压 器的变比来实现有源滤波器和无源滤波器的电压和电流匹配1 1 6 】。 z s 负载( 谐波源) u s 。、气 、弋j 奉 、d o ，上， 一 无源滤波器 耦合变压 图2 8 并联掣混合有源滤波器结构示意图 无源滤波器是由几组单调谐滤波器组成，单调谐滤波器的谐振频率由电网蜡波成分决定，一般 第二章混合型有源滤波器拓扑结构的选取 取谐波含量较为突出的几次谐波。无源滤波器在混合型有源滤波器中起到主要的滤波作用，对于谐 振频率处的谐波，无源滤波器的阻抗很低，为电网谐波提供通道。有源滤波器采用电压型逆变器， 根据补偿电路的指令电流输出可调的电流来补偿电网的谐波。 对于谐波电流，有源滤波器和无源滤波器相互依赖、相互协调米补偿电网的谐波电流。一方面， 无源滤波器为有源滤波器输出的补偿电流提供通道，有源滤波器的滤波效果一定程度上依赖于无源 滤波器的阻抗特性；另一方面，有源滤波器的接入，抑制了无源滤波器与电网的谐振现象，并且， 通过有源滤波器的调节，可以避免无源滤波器产生的过补偿或者欠补偿现象。而对于基波电流，由 于无源滤波器对于基波呈现高阻抗状态，使得基波很少流入有源滤波器，这就降低了有源滤波器的 容量和耐压等级【l 儿。 2 2 2 并联型混合有源滤波器的数学模型 图2 9 所示的是并联型混合有源滤波器的等效图，其中，把负载等效为谐波电流源五，把电压 型有源滤波器等效为电压源硌。其中，互为电网的阻抗，孙为无源滤波器的阻抗，工d 和c 口分别为 输出滤波器的电感和电容。假设耦合变压器为理想变压器，其电压变比为l ：n 。图2 1 0 是将u f 和输 出滤波器折算到网侧的单相等效电路图 图2 9 并联型混合有源滤波器单相等效电路图 l 血 一z s ln i 图2 1 0 并联型混合有源滤波器网侧等效图 根据基尔霍夫定理，得到以下方程： u s4u l ii h zs i 曲一i 工+ i f u l4 i u f + i z l o + i f zp f 刀厅一 if l l ic o + i l o 辱。堕“。辱 消去变量巩，k ，五，如，简化方程得 1 3 u g h ( 2 1 ) 东南人学硕 ：学位论文 k 1 兰生+ ( k 2 + z ，+ z t , f ) i ，一( k 2 + z p f ) i l u ，：0 ( 2 2 ) 翼z c o p 3 ， 本章分析了现有的混合型有源滤波器的基本拓扑结构，包括有源滤波器与无源滤波相结合的结 构和有源滤波器与其它变流器相结合的结构，在此基础上分析了各自的优点和缺点，并最终选取有 源滤波器通过耦合变压器和无源滤波器串联后并联入网的并联型混合有源滤波器作为研究的主要对 象，并在建立了其单相等效电路的基础上推导了混合型有源滤波器的基本数学模型，为后续的分析 做准备。 第三章混合型有源滤波器中无源滤波器的设计 第三章混合型有源滤波器中无源滤波器的设计 混合有源滤波器中的无源滤波器一般是由若干组单调谐滤波器配上高通滤波器组成，是补偿谐 波和无功的主要部分，因此如何合理的设计无源滤波器的参数，使其更好的发挥作用，并且避免与 电网的阻抗发生谐振，是混合型有源滤波器研究的关键技术之一。 3 1 无源滤波器的工作原理 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 是由电容、电阻和电感串联或者并联组成，由于其结构简单、 成本低廉、运行可靠性较高等优点，至今仍然是谐波治理的主要措旌。无源滤波器通过滤波电容器、 滤波电抗器和电阻取适当的参数，组成对谐波的低阻抗通道，从而达到与谐波源并联时，通过分流 来吸收谐波源产生的谐波电流，并且兼顾无功补偿。无源滤波器从滤波特性上可以分为调谐滤波器 和高通滤波器，调谐滤波器从结构上分，又可以分为单调谐滤波器和双调谐滤波器。在实际应用中， 由于双调谐滤波器结构比较复杂，调谐困难，应用较少，常用的是用几组单调谐滤波器和一组高通 滤波器组成的滤波装置1 1 5 1 。 3 1 1 单调谐滤波器的工作原理 单调谐滤波器的原理图如图3 1 ( a ) 所示，它是由电容、电感和电阻串联而成，利用谐振原理通 过选择合适的电感、电容参数使滤波器在谐振频率处呈现很小的谐波阻抗来消除某一次谐波。其滤 波器阻抗l 的频率特性如图3 1 ( b ) 所示 鸡 c 士 f z 加i r 0 12 w n w , 图3 1 ( a ) 单调谐滤波器电路原理图( b ) 单调谐滤波器阻抗频率特性 单调谐滤波器对n 次谐波的阻抗为 z 加础加+ y ( n w , “赤) ( 3 - 1 ) 式中，下标加表示第n 次单调谐滤波器，为基波角频率。滤波器的谐振频率为厂o = 2 万二4 l y ( ， 东南人学硕1 ：学位论文 谐振次数为，z = 二i _ 一。在谐振频率处，谐波的阻抗最小，i 砀i = r ，这样该次谐波就通过该支路 w 。、l 乙 分流吸收，很少流入电网。而对于其他次数的谐波，当电流频率小于调谐频率时，滤波器旱容性； 若电流频率大于调谐频率，则滤波器警感性。当偏离谐振频率后，l 砀i 的频率特性上升很快。滤波器 的调谐敏锐度是由其品质冈数q 决定的，o 可由下式计算得剑1 1 9 1 ： q ：型r ：志：军 p 2 ，。 ，z w 。c r尺 、。 则滤波器对于n 次谐波的阻