（电力系统及其自动化专业论文）模块化有源滤波器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 - _ - _ 一i i i - a b s t r a c t 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 s ，s w i t c h i n gp o w e r d e v i c e ss u c ha s t h y r i s t o r sb e c o m ew i d e l yu s e di nh i g h - p o w e ri n d u s t r i a lo c c a s i o n s a p p l i c a t i o n t h e s en o r i 1 i n e a rl o a d sh a v eb e c o m et h ep o w e rs y s t e m sm a i nh a r m o n i cs o u r c e s a n ds e r i o u s l yr e d u c et h eq u a l i t yo fp o w e rg r i d b e c a u s eo fi t sg o o dc h a r a c t e r i s t i c s o ft h ed y n a m i cr e s p o n s ea n dc o m p e n s a t i o n ，i nt h el o n gr u n ，h i g h c a p a c i t ya c t i v e p o w e rf i l t e r w i l lb e c o m et h em a i ne q u i p m e n tf o th a r m o n i cs u p p r e s s m na n d t e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni nt h er e a l i z a t i o no ft r u l y ”g r e e np o w e rg r i d ” f i r s to fa l l ，b yt h ec o m p a r s i o na n dd i s c u s s i o n o ft h eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o db 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 ya n dt h eh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e do ns y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ， t h ep a p e ra n a l y z e st h e i rb a s i cd e t e c t i o np r i n c i p l e s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n o fo c c a s i o n s t h r o u g ht h eo r e t i c a la n a l y s i s ，t h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d w h i c hi sb a s e do ns y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o nh a sg o o d g e n e r a l p u r p o s e a n dh i g ha c c u r a c y i tc a l la l s o c a l c u l a t et h ec o m p e n s a t i o n c u 玎e n t ，sc o m m a n dv a l u eu n d e rt h ea s y m m e t r i ca n dd i s t o r t i o n a lp o w e rs u p p l y v o l t a g ec o n d i t i o na c c u r a t e l y n e x t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s d e s i g no f a c t i v ep o w e r f i l t e ra n dd e s i g n st h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s f o rt h ea p fw h o s ec a p a c i t yi s 50 0 k v a b e c a u s ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o di sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ee f f e c to f a c t i v e p o w e rf i l t e rc o m p e n s a t i o n ，ad e t a i l e da n a l y s i s a n dc o m p a r a s i o no ft h eb a s i c p r i n c i p l e s a r es t u d i e df o ri n s t a n t a n e o u sc o m p a r i s o nm e t h o d ，t r i a n g u l a r - c a r e e r l i n e a rc o n t r o l ，d u a l 1 0 0 pv o l t a g es p a c ev e c t o r sc o n t r o lm e t h o d b ye s t a b l i s h i n g t h es i m u l a t i o np l a t f o r m so ft h r e ec o n t r o lm e t h o d s ，t h ep a p e rs h o w st h a tb e c a u s eo f i t sh i g hd cv o l t a g eu t i l i z a t i o nw h i c hi m p r o v e s t h et r a c k i n gp e r f o r m a n c eo f c o m p e n s a t i o nc u r r e n t ，t h ed u a l 1 0 0 pv o l t a g es p a c ev e c t o r sc o n t r o lm e t h o dc a ng e t ab e r e re f f e c to fc o m p e n s a t i o nt h a nt h ei n s t a n t a n e o u sv a l u e c u r r e n tc o n t r o l m e t h o da n dl i n e a rt r i a n g u l a rc a r r i e rc o n t r o lu n d e rt h ef i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c y f i n a l l y ，a i m i n ga tt h ec o n t r a d i c t i o n sw h i c ha r eb e t w e e n t h es w i t c h i n gd e v i c e7 s c a p a c i t ya n dt h es w i t c h i n gf r e q u e n c y i nl a r g e c a p a c i t ya c t i v ep o w e rf i l t e r , t w o 西南交通大学硕士研究生学位论文第l ii 页 a s p e c t sw h i c ha r eb o t ht h et h r e e p h a s em a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fas i n g l em o d u l e s i m p r o v m e n ta n dh o wt oc o m b i n em u l t i m o d u l ea r es t u d i e di nt h ep a p e r i nt h e i m p r o v e ds t r u c t u r eo ft h r e e p h a s em a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ，n o to n l yt h ec a p a c i t yo f s w i t c h i n gd e v i c ec a nb er e d u c e d ，b u ta l s ou n i p o l a rm u l t i p l i c a t i o nf r e q u e n c yp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nc a nb es e l e c t e di nt h ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o nm o d ew h i c hc a l l d o u b l et h e e q u i v a l e n ts w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dg e tt h eb e t t e re f f e c to ft h e c o m p e n s a t i o n e a c ha c t i v ep o w e rf i l t e ro fs t r u c t u r eo fm u l t i p l em o d u l e si s n o to n l ya r e l a t i v ei n d e p e n d e n c e ，b u ta l s oau n i f i e dc o o r d i n a t i o nw h i c hc a l lb ed o n ei nt h ec o n t r o l m e t h o dt o i m p r o v e t h ed e v i c e se q u i v a l e n t s w i t c h i n gf r e q u e n c ya n do b t a i nab e t t e r 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 s k e yw o r d s ： a c t i v ep o w e rf i l t e r ；m o d u l a r i z e d ；l a r g e - c a p a c i t y ；v o l t a g es p a c e v e c t o r sc o n t r o l 西南交通大学四南父逋大字 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、使用学位论文的规定，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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密邑使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：袁亏奖 指导老师签名： 日期：加护7 多、2 弓 日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 将双闭环s v p 删i 控制用于有源滤波器的电流控制； 2 提出一种改进的三相主电路拓扑结构。 中 及 、“ 一，p 7 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电力系统谐波问题及治理 1 1 1 谐波的基本概念 在供用电系统中，通常人们总是希望交流电压和电流为工频正弦波形。 以正弦波电压为例，可以表示为： 甜( f ) = , f 2 u s i n ( a + o r ) ( 1 1 ) 式中u 为电压有效值；口为初相角；( 1 3 为角频率，彩= 2 x f = 2 x t ；f 为 频率；，为周期。 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【1 1 。当然，菲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 1 r l g o 的非正弦电压甜( 倒) ，一般满足狄里赫 利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数： u ( c o t ) = 口。+ ( 口。c o sn ( o t + b 。s i nn o j t ) ( 1 - 2 ) 式中= 承删c 刎= 珈础刚训c 刎 吒= 去j “( 耐) s i n 玎伽d ( 耐) ( n _ 1 2 ，3 ) 或将( 2 2 ) 变换为： “( 刎= + c 。s i n ( n a , t + c o ) n = l 式中，c 。、纸与口。、饥的关系为： 巳= 厢，织= 嗍( 吃) ； q ，= c ，s i n9 0 ，b n = c nc o s r p ； ( 1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在式( 1 - 2 ) 与式( 1 - 3 ) 的傅里叶级数中，频率为l t t 的分量称为基波， 频率为大于1 整数倍于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，只需把式中“( 甜) 转成i ( 倒) 即可。 n 次谐波电压含有率以h r u ( h a r m o n i cr a t i oq ) 表示： h r u o = u u n l 1 。 ( 1 - 4 式中玑一第1 1 次谐波电压有效值； 以一基波电压有效值； n 次谐波电流含有率以h r i 表示： h r i = 枷。 5 ， 式中l 一第1 1 次谐波电流有效值； l 一基波电流有效值； 谐波电压含量u m 和谐波电流含量，分别定义为： u m ih ( 1 6 ) ( 1 7 ) 电压谐波总畸变率t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变率 乃坦分别定义为： r ， t h d = t j h u u o ( 1 8 ) u 1 ， t h d , = hx 1 0 0 ( 1 9 ) l 以上介绍了谐波的有关基本定义和概念。可以看出，谐波是一个周期电 气量中频率大于1 整数倍于基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波 频率，因此有人把谐波称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语己经包含了 频率高于基波频率的意思，因此再加上“高次两字是多余的。故通常称谐 波中频率较高者为高次谐波，频率较低者为低次谐波【2 1 。 辱廖辱辱 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 谐波的产生及危害 公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧 炉和荧光灯等；在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压 器的励磁电流，其次是发电机、电弧炉。在电力电子装置大量应用之后，它 成为最主要谐波源【3 儿4 | 。 变压器励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电 压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内， 谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁心工作在饱和区，谐波电流含 量就会大大增加。另外，变压器在投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化 及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。发电机在实际中磁极磁场并非 完全按照正弦规律分布，因此感应电动势就不是理想的正弦波，输出电压中 也就包含一定的谐波，这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的 结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看成谐波电压源。电弧炉的谐 波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。电弧长度的不稳定性和 随机性，使得其谐波频率分布范围主要在o 1 2 8 h z 。电弧炉工作在熔炼期间 谐波电流很大，当工作在精炼期间时，谐波电流较小。电弧炉谐波电流随时 间的变化很大。由电弧炉引起的平均谐波电流，一般来说2 次、3 次和5 次谐 波最为严重。 近3 0 多年来，电力电子装置的应用曰益广泛，也使得电力电子装置成为 最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。整流电 路所产生的谐波污染已为人们所熟悉。另外，采用相控方式的交流电力调整 电路及周波变流器等电力电子装置也会在输人端产生大量的谐波电流。逆变 器、直流斩波器和间接d c d c 变换器等电力电子装备所需的直流电源主要来 自整流电路，因而谐波和无功问题也很严重。各种功率较小但数量庞大的家 用电器、办公设备，其内部大都含有开关电源，它们的日益普及所带来的谐 波污染问题也是非常严重的。 在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电力系统造成污染，影响到整 个电力系统的电气环境，包括系统本身和广大用户，而且其污染影响的范围 和距离很远，可能比一个工厂对大气环境的污染距离还要远，范围还要大。 谐波污染对电力系统的危害主要有以下几个【5 6 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输 电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火 灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电器设备的正常工作。如谐波使电容器、电缆等设备 过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；对旋转电机( 发电机和电动机) 产 生附加功率损耗和发热，并可能引起振动；负荷电流中的谐波在变压器中造 成的损耗产生附加损耗，降低了其负荷能力。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 就使( 1 ) 和( 2 ) 中的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动作或拒 动，并使电器仪表测量不准确。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变 压器合匝涌流中的谐波分量，由于其幅值大、谐波含量也很大，更容易引起 继电保护的误动作。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通讯质量； 重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。 对于大功率的工业装置所产生的谐波对电网的上述危害将更大，尤其在 一些负载变化剧烈、电网扰动较大的场合【7 1 。 1 i 3 谐波的治理 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条： 一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，称之为被动型，这对各种谐波源都是 适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率 因数可控制为1 ，称之为主动型，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子 装置【8 】【9 1 。本文涉及到的是被动型谐波抑制，即装设电力滤波器来补偿谐波。 电力滤波器通常分为无源滤波器和有源滤波器。 无源滤波器是利用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装 置对该次谐波形成低阻通路，而达到滤波的目的。在结构上它是由电力电容 器c 、电抗器和电阻r 经适当组合而成，运行中与谐波源并联。无源滤波 器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但由 于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点 1o 】： ( 1 ) 抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠 增加滤波器的办法解决； ( 2 ) 当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备； ( 3 ) 滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波 效果变差； ( 4 ) 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法 运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行； ( 5 ) 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联谐振，电网中的某 次谐波电压可能在无源网络中产生很大的谐波电流； 为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表 意义的就是有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - - a p f ) 技术的提出【1 1 】。经过 3 0 多年的发展，有源电力滤波器技术目前己经取得了很大的迸步，现在有源 电力滤波器基本上可以弥补无源滤波器的不足，并获得比无源滤波器更好的 补偿特性。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点【1 2 】： ( 1 ) 对功率器件工作频率以内的各次谐波都有较好的滤波效果： ( 2 ) 当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响； ( 3 ) 不会与电网发生串并联谐振现象，且能有效地抑制系统与无源滤波 器之间的谐振； ( 4 ) 只滤除要滤除对象的谐波电流，不存在过载现象，当负载谐波电流 较大时，仍能继续运行。 所以从长远来看，尤其是对于大功率场合，大容量有源滤波器将成为谐 波抑制和无功补偿的主要设备，实现真正的“绿色电网”。 1 2 有源滤波器的研究现状及分类与原理 1 2 1 有源滤波器国内外研究现状 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 国等工业发达国家己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。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 到6 0 m v a 1 3 】 4 1 。我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直n - 十世纪 八十年代末才有论文发表【1 5 】【1 们。九十年代以来一些高等院校和科研机构开始 进行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 在理论上取得了一些进展，但由于多方面条件的限制，有源电力滤波器未能 在我国工业领域得到广泛应用，我国实际应用并经过鉴定的有北京电力科学 研究院和冶金科学研究院共同研制成的，用于3 8 0 v 三相系统的5 0 k v a 电力有 源滤波器；西安交通大学研制的1 2 0 k v a 并联型有源电力滤波器的试验样机等。 目前，国内外为实现大容量滤波装置主要采用以下技术来实现：，( 1 ) 采 用a p f 与无源l c 滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减少a p f 的容量 【1 7 】- 【1 9 】；( 2 ) 采用多个器件串并技术；( 3 ) 采用多台小容量有源电力滤波器的 并联运行来实现大容量 2 0 】【2 l 】；( 4 ) 采用多重化技术提高器件等效开关从而实 现大容量有源滤波器的实现( 2 2 】 2 5 】。 随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发展，电能质量 问题会越来越引起人们的关注，因此大容量有源电力滤波器有着良好的发展 前景和潜在的技术经济效益。从上面( 3 ) 、( 4 ) 可以看出实现大容量电力有 源滤波器都是基于模块化的思想，因此基于模块化思想实现大容量有源电力 滤波器将是一个重要的发展方向之。 1 2 2 有源滤波器的分类 有源滤波器的分类【2 6 】【2 7 1 ，按照不同的划分标准，有源滤波器有多种分类 方法，分别介绍如下： ( 1 ) 根据储能元件不同 根据p w m 逆变器主电路的储能元件不同，可分为电压型有源滤波器和电 流型有源滤波器两种。电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容， 正常工作时其电压基本保持不变。电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接 有大电感，在工作时其电流基本保持不变。但由于电流型主电路的直流侧始 终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使 用。 ( 2 ) 根据接入电网的方式分类 根据接入电网的方式分类，有源滤波器可分为并联型a p f 、串联型a p f 、 串并混合型a p f 。图l l 给出了有源滤波器的分类示意图。并联型a p f 可 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 以看成电流源，它通过注入补偿电流来补偿电流型负载的谐波、无功和负序 电流。并联型a p f 又分为单独使用并联型有源滤波器和并联混合型。串联型 a p f 主要消除电压型谐波源对系统的影响，串联型a p f 可以看成是电压源。 串联型a p f 又分为单独使用串联型有源滤波器和串联混合型。近几年，出现 图1 - 1有源滤波器分类不意图 一种将并联型和串联型有源滤波器结合使用的新型有源滤波器，它结合了串 联型和并联型有源滤波器的特点，可对电源电压和负载谐波综合补偿。 ( 3 ) 根据主电路的形式分类 根据主电路的形式，有源滤波器可分为单个主电路有源滤波器和多重化 主电路有源滤波器。后者可以增大有源滤波器的容量，提高等效开关频率， 减小单个器件的开关损耗，改善补偿电流的跟随特性。 ( 4 ) 根据接入系统的相数分类 根据接入系统的相数不同，有源滤波器可分为单相有源滤波器和三相有 源滤波器，其中后者又可分为三相三线制有源滤波器和三相四线制有源滤波 器。 1 2 3 有源滤波器的工作原理 下面分别介绍并联型有源滤波器和串联型有源滤波器的工作原理 2 8 】。【3 0 】。 并联型有源滤波器的工作原理图如图1 2 所示，图中乙为电源等效阻抗，三 为逆变器交流侧的电感，c 为逆变器直流侧滤波电容。 并联型有源滤波器的工作原理就是通过谐波电流检测电路检测出非线性 负载的负载电流红中的谐波电流如，并将其反向后作为逆变器的电流指令t ， 这样通过逆变器的电流控制电路使逆变器产生一个和电流如大小相等、方向 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 相反的电流疋，从而使得电源侧的电流只含有基波电流而不含有谐波电流， 从而达到了抑制乓中谐波电流的目的。 串联型有源滤波器的工作原理图如图1 3 所示，图中乙为电源等效阻抗， c 图1 - 2并联型有源滤波器的工作原理图 c 图1 3串联型有源滤波器的工作原理图 l 为逆变器交流侧的电感，c 为逆变器直流侧滤波电容。串联联型有源滤波 器的工作原理就是通过谐波电压检测电路检测非线性负载的电压或电流，从 而经过指令运算电路得出非线性负载的负载电压巩中的谐波电压巩j i ，并将 其作为逆变器的电流指令u 乞，这样通过逆变器的电压控制电路使逆变器产生 一个和电压观厅大小相等、方向相反的电压坼，从而使得电源侧的电流0 只 含有基波电流而不含有谐波电流，从而达到了抑制中谐波电流的目的。 上述串联型有源滤波器的原理可以作以下公式描述 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 u c - - - 魄 则 u 寸u f u h 即”巩中只含有基波电压，于是电源电流1 1 次谐波分量为 = ( 以一【龙厂) 乙 而电源电压没有畸变，故= 0 ，即电源电流0 中不含有谐波成分， 谐波补偿的目的。 ( 1 10 ) ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) 从而达到 由以上并、串有源滤波器的工作原理可知，并联型有源可以看成是一个 可控电流源，所以并联型有源滤波器非常适合补偿电流型谐波源：串联型有 源滤波器可以看成是一个可控电压源，所以串联型有源滤波器非常适合补偿 电压型谐波源。在实际中，以电流型谐波源居多，同时由工作原理可知并联 型有源滤波器既能对谐波进行补偿又能对无功进行补偿，而串联型有源滤波 器只能对谐波进行补偿，对于串联型有源滤波器工作时流过很高的负载电流， 使得变压器的额定参数上升，体积大，损耗大，此外，串联型a p f 投切、故 障后退出及各种保护也较为复杂，故目前串联型a p f 被实际投入使用的比例 很小，并联型a p f 实际使用居多。 本文将针对并联型有源电力滤波器进行研究，其电流型负载采用典型的 三相可控桥式整流器，其负载特点是含有6 k l ( 七= 1 ，2 ，3 ) 次谐波，其中 5 、7 次谐波含量最大。 1 3 论文主要工作 本论文是在阅读大量相关文献研究和资料分析的基础上进行的，将开展 如下方面的研究工作： ( 1 ) 针对基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法( p ，q 法) 和基于 同步旋转坐标变换的谐波电流检测方法( 由检测法) 进行讨论，分析了它们 的基本检测原理、特点及适用场合； ( 2 ) 分析了基于同步旋转坐标法的三相锁相环原理，并进行了仿真研究， 并分析了直流侧电压控制方法； ( 3 ) 对有源滤波器的主电路参数( 包括直流侧电容电压的大小、交流侧 电感l 、直流侧电容c 和纹波电路) 设计进行了研究，并针对容量为5 0 0 k v a 的a p f 进行相关参数设计； 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 ( 4 ) 电流控制方法直接关系到有源滤波器的补偿效果，本文针对瞬时值 比较电流控制法、三角载波线性控制法、双闭环空间电压矢量控制法三种控 制方法，详细地分析了基本原理，并进行了对比分析，最后建立相关仿真平 台进行了验证； ( 5 ) 针对实现大容量有源滤波器时开关容量与开关频率的矛盾，本文对 三相有源滤波器的单模块主电路拓扑结构进行了改进，并分析了改进后的主 电路结构优点，最后通过仿真平台进行了验证分析； ( 6 ) 对两种多模块组合结构( 采用多台a p f 并联运行和采用多重化组合 结构) 进行了对比分析，并建立相关的仿真平台进行了验证分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 第2 章非线性负载谐波电流的检测 检测法和基于小波变化的谐波电流检测法等【3 1 】。然而，这些在工程上应用不 太成熟。相对而言，基于瞬时无功功率功率理论的p q 法和基于同步坐标旋转 2 1 基- t - 瞬时无功功率理论的谐波电流检测 该理论也称为p q 理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系 逐步研究完善，己成为谐波和无功电流实时检测应用最为广泛的方法 3 2 】 3 3 】。 2 1 1 三相电路瞬时无功功率理论 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、和、如、站。 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) 可以得到仅、两相瞬时电压p 印，和a 、两相瞬时 m ：目 协， 融：豳 2 ， 式中睁鄙压- 1 怠勘- 1 2 如图3 1 所示的a 侈平面上，矢量岛、印和如、审分别可以合成为旋转电 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 压矢量e 和电流矢量f p = + 印= p 却p ( 2 - 3 ) i = i a + 劫= i z g ； ( 2 4 ) 式中e 、f 分别为矢量e 、f 的模；钆、妒f 分别为矢量p 、f 的幅角； 图3 - 1 反印坐标系下的电压、电流矢量 三相电路瞬时有功电流易和瞬时无功电流- 分别为矢量f 在矢量p 及其 法线上的投影。即 ip=cos矽(2-5) q = i s i n f o ( 2 - 6 ) 式中缈= o e - q ) ，；仅节平面上的p 、i g 如图3 - 1 所示。 三相电路瞬时无功功率为电压矢量p 的模和三相电路瞬时无功电流屯的 乘积，三相电路瞬时有功功率为电压矢量p 的模和三相电路瞬时有功电流易 的乘积；即 p = 西 ( 2 - 7 ) q = p 西 ( 2 8 ) 将式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 及妒= ( p e - 驴，代入式( 2 7 ) 、式( 2 - 8 ) 中，并写成矩阵 的形式得出 式中= 巴 一气j i l f 哆, o j l = 芝 。l =1，j 1 ，j ， 口 p 9 。， 嘲 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 把式( 2 一1 ) 、式( 2 - 2 ) 代入上式，可得出p 、g 对于三相电压、 p = 巳e + + 巳 g = 击一饯地一e o ) i 。+ ( 巳一啦 电流的表达式 ( 2 1 0 ) ( 2 11 ) 从式( 2 1 0 ) 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 设三相电压、电流均为对称的正弦信号，即 乞= 皿s i n = 锄s i n ( 耐一争 巴= 锄s i n ( 耐+ 挈) j 屯= 皿s i n ( c o t 一咖 = 函s i n ( r a 中争 = 皿s i n ( 纠一缈+ 2 3 7 r ) 将上式( 2 1 2 a ) ( 2 1 3 c ) 代入式( 2 1 ) 、式( 2 - 2 ) 中，得 黔料, f 3 e ，匕s i n r_o翻t 乏=c：z摹2墨-。iscin。(sa。础ir-一tp缈)， ； = 耄- 勺e 口j l - g j = 3 巨厶 詈：； p = 3 巨，1c o s f o ( 2 1 2 a ) ( 2 1 2 b ) ( 2 1 2 c ) ( 2 1 3 a ) ( 2 1 3 b ) ( 2 一1 3 c ) ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 由上式可知，当三相电压和电流均为对称正弦信号时，瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 均为常数，且与三相系统传统的有功功率和无功功率相同。 传统的有功功率、无功功率等都是在平均值基础上或相量的意义上定义 的，它们只适合于电压、电流均为正弦的情况。而瞬时无功功率理论中的概 念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适合于非正弦 波和任何过渡过程的情况，瞬时无功功率理论中的概念，在形式上与传统理 论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。 2 1 2 p q 检测法 p q 谐波电流检测法是以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p 、q 为 出发点的谐波电流检测法，也称之为p 、q 运算方式。该检测方法的框图如图 2 2 所示，图中上标1 表示矩阵的逆。 图2 - 2 p q 谐波电流榆测法原理图 根据定义计算出p 、q ，再经低通滤波器( l o w - p a s sf i l t e r , 可以简写为l p f l 得p ，q 的直流分量万、一q 。当电网电压无畸变且对称时，万为基波有功电流 与电压作用所产生，虿为基波无功电流与电压作用所产生。由万、虿即可计算 出被检测电流芘、如、屯的基波分量f 价f 6 厂、o ，即按下式计算。 厂彳1 阱圈 l _ c r j 再将被检测电流乙、办、屯与基波分量如卜如厂、o 相减得到谐波分量 电流乇、l 。b h 、己。由于未对零序电流的检测，p 、q 运算方式谐波电流的检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 只能用在三相三线制系统中。 2 1 3 电源电压畸变不对称对p q 检测法的影响 下面分析当电网电压畸不对称时对p g 谐波电流检测法的影响 2 】f 3 4 1 。为 了分析明了，假设三相电流对称，被检测电流为： 乞= 皿s i n ( 刀耐+ 纪) ( 2 2 0 a ) = 主妇舯”( 耐一冬) + 纯) 】( 2 - 2 0 b ) 之= 主压厶 s i l l 胛( 倒+ 孥) + 织) ( 2 - 2 0 c ) 式中n = 3 k + 1 ，其中k 为整数( 括o 时，只取+ 号，即只取n = 1 ) 。 国一电源角频率； l 、纯一各次谐波电流的有效值和初相角。 ( 1 ) 当电网电压波形没有畸变时 设三相对称电压： 吃= 4 2 e , s i n 甜 ( 2 - 2 1 a ) ：弛s i n ( 耐一_ 2 ) ( 2 21 b ) 乞：恤s i n ( c o t + _ 2 ) ( 2 2 1 c ) 式中e 广一电网电压基波亦即电网电压的有效值。 将上式代入式( 2 1 ) 中得 计也匕： 沼2 2 ， 将式( 2 2 0 ) 代入式( 2 2 ) 中得 盼压 ls i n ( n o x + f p ) h = 1 le o s ( n r a + 妒) ( 2 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 式中n = 3 k + 1 取，n = 3 k 1 取+ ； 按p 、q 运算方式，将式( 2 2 2 ) 和式( 2 2 3 ) 代入式( 2 9 ) 中得 = 3 巨 - 一c o s at”ii声sinc o t 一 i lz rl c o s ( 1 + n r g ) + g , n - - 1 t - i 。s i n ( 1 一玎) 耐一织 p 、q 按下式表示 p = 万+ p “ q = 一q 士q 。 式中p 一、一q 为直流分量，分别对应于三相电流基波分量， 它们对应于三相电流的谐波分量。 p 、q 经低通滤波器( l p f ) 滤波得 昏露黧； 此时，e 2 = 3 砰与上式一起代入下式得 j 蓦j 2 羽= 吉 羽 皿s i n ( 删+ 仍) 弘s i n ( o i 一_ 2 7 + 仍) j 皿s i n ( c a + _ 2 7 + 仍) j ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) p 、牙为交流分量， ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 ) 当电网电压有畸变时 理想的电网电压波形应为正弦波，但是实际的电网电压波形由于不同的 原因会有一定畸变。当电网电压波形有畸变时，它们可能是对称的，也可能 是不对称的。在此，假设畸变的电网电压对称，即 e 1 = q 2 e s i n ( n o x + t 9 ) n = 1 ( 2 2 9 a ) 耐 吲 暑 一 。，。，l = ，j p g 。，l 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 巳= 主皿s i n 胛( o i 一- 劢q - ) + 或 乞：z ”4 ：e s i n 您( 嬲+ _ 2 , 7 ) + 皖 式中厶、岛一各次电压有效值和初相角，且a o = o 。 将e 式代入( 2 1 ) 得 m ：压 l 勺- | 乞s i n ( n a + a ) n = l ec o s ( 玎删+ 砩) 月= l 式中n = 3 k + l 取，n = 3 k 1 取+ ： 按p 、q 运算方式，将式( 2 3 0 ) 和式( 2 2 3 ) 代入式( 2 9 ) 中得 咖互 ( 2 2 9 b ) ( 2 2 9 c ) e e 0 1 c o s ( s 一纯) + 乞lc o s ( 门聊) 耐+ ( 皖纯) 】 h = 1 n = 1 ，h l ，n h ) = 1 干乞ls i n ( s 一纯) + 乞ls i l l ( ，2 一朋) 耐+ ( 皖一识) ( 2 3 0 ) ( 2 - 31 ) 式中 为区分不同次数谐波的电压和电流，引入了 n ，其取值方法与，2 相同； p 、q 的直流分量为： 昏 由、印算出p 2 - - 3 e 与上式一起代入下式得 n = l 肿嚼堋畴巴 与式( 2 2 8 ) 相比，可得l a y ,匆、谚的误差为 如 ( 2 3 3 ) ) j 、 织 一 一 最 0 k 叫 量 锹 小 工 即 晦 。擎。争 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 孑p 嗨- 专 了p 心h 专 + c ： 哳告一生孚，+ 呖呼一等警， 呖c 事一警c 吾一半 ( 2 3 4 ) 式中 表示误差，下标中的厂h 分别表示基波分量和谐波分量。 对比式( 2 3 4 ) 和式( 2 2 8 ) ，可知产生误差的原因有： ( 1 ) 式( 2 3 4 ) 中的、即含有谐波，使计算出的屯卜f 矿、o 中也含有谐波。 ( 2 ) 式( 2 - 2 8 ) 中的歹、虿只有基波电压、电流相作用的成分，而式( 2 3 4 ) 中万、虿多了由各次谐波电压、电流相作用的成分。 ( 3 ) 式( 2 - 3 4 ) 中的p 2 ( = 3 霹) 式( 2 2 8 ) q h 的e 2 ( = 3 霹) 大。 n = l 由上述分析结果可知，当电网电压波形发生畸变，p 、q 运算方式的检测 结果有误差。 耄 = g ： 圣i + g ： 薹 2 乏 + 乏i e p , 驯州墓铷鞠 仅存在不对称问题。设三 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 由于正序和负序分量皆为对称分量，上式对应基波电流分量计算出的皆 为直流分量。这样，按照图2 2 的检测原理，最终的协谚、匆中将含有由 于负序电压引起的电流分