（电力系统及其自动化专业论文）混合型有源电力滤波器的应用研究.pdf

a b s t r a c t p a s s i v ef i l t e r sh a v ew 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 sg e n e r a t e db yl a r g ei n d u s t r i a l l o a d s ，d u et ot h e i rs i m p l es t r u c t u r ea n dl o wp r i c e 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 y s u s c e p t i b l et ou n d e s i r a b l es 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 e s t r o n g l yi n f l u e n c e st h ec 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 e to fp a s s i v ef i l t e r sa r e a l s op o o ri ft h el cp 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 i t i v ep o w e rf i l t e rc a l ln o ta p p l yw i d e l y b e c a u s eo fi t sh 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 r , a sas o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m ，c a ni m p r o v ep o w e r f i l t e r sc 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 eh a r m o n i cr e s o n a n c ei ni n d u s t r i a lp o w e rs y s t e m s a sa r e s u l t ，h y b r i da 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 c c o m p e n s a t i o nd u et os m a l lr a t i n go f t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r s e c o n d l y ，s e v e r a lk i n d sa c t i v ep o w e rf i l t e r st o p o l o g ys t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eh a v eb e e n a n a l y s i s e da n ds t u d i e d , c o m p a r i n gt h em e r i t sa n ds h o r t c o m i n g so fp a s s i v ef i l t e r , a c t i v ep o w e rf i l t e ra n d h y b r i d a c t i v e p o w e rf i l t e r a m o n gt h ea c t i v ep o w e rf i l t e rt o p o l o g i e s ，s h u n th y b r i da c t i v ep o w e r f l i t e r ( s h a p f ) i ss e l e c t e dt ob eu s e da f i e rc o m p a r e dw i t ht h eo t h e r si ni r a i t sa n da p p l i c a t i o no c c a s i o n s t h e n ，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 di sp r o p o s e di nt h i sp a p e rt om i n i s ht h er e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i c si nt h ep o w e r 鲥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 da n dt h eb e s to n ei s s e l e c t e d a n dt h e n ，t h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r sp a r a m e t e r sa r cg i v e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，a n dt h e s y s t e m sf u n c t i o nt oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c si sp r o v e dd e p e n d i n go nt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i s i nt h ee n d , t h eo v e r a l lf u n c t i o no ft h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ri ss i m u l a t e d t h ea n a l y s i sr e s u l t s p r o v et h es u p e r i o r i t yo f t h eh y b r i ds t r u c t u r ea n dh a r m o n i cd e t e c t i n gm e t h o d i nt h i sb a s i s t h em a i nd e v i c e s a r ed e s i g n e db a s e do nm i c r o p r o c e s s o rd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ) a n da r m ( l p c 2 2 1 4 ) f o rt h en e x t a p p l i c a t i o ns m d y , t h ed e s i g nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f h a r d w a r ea n ds o f i m a r ei sp r o p o s e d k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；p a s s i v ep o w e rf i l t e r , h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ； n 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工作及取得的研究成 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大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。 签名：懈日期：卓列夕 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书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，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：锹嘲名：到 日期： u7 、k 叼 第一章绪论 第一章绪论 电能是目前人类社会实用最广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平的主要标志之一。随 着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。电网的稳定，电能质量的高低，己成 为影响国民经济发展的重要因素。因此，研究并改善电能质量对现代人类社会具有重要意义。 1 1 电能质量问题 1 1 1 电能质量问题的产生 随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展，电网中冲击性、非线性负载不断增加，使 得电网出现谐波污染、电压波动、功率因数降低、三相不平衡等问题。这些问题的出现，严重影响 了电力系统的安全、稳定运行。同时，人类社会已经进入以计算机技术为基础的信息型社会，高速 计算机、网络通信设备、数字存储器等电子设备在人们的生产、生活中得到了广泛的应用，这些精 密设备对电能的供应提出了更高的要求。在这样的背景下，如何衡量电能的好坏已经成为人们关注 的问题，为此提出电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 这一概念。 所谓电能质量，是指将电能看作一种商品，从而对它的各种技术指标做出规定，以判断其是否 合格，电能质量与一般产品质量不同，有如下特点：( 1 ) 不完全取决于电力生产部门，甚至有的质量 指标( 例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度) 往往是由用户干扰所决定；( 2 ) 对于不同的供( 或 用) 电点在不同的供( 或用) 电时刻，电能质量指标往往是不同的。也就是说，电能质量在空间上和时 间上均处于动态变化之中；( 3 ) 电能质量不仅仅反映“电”的质量，而且和用电设备的性能密切相关， 也就是说，电能质量标准的制定应从国民经济总体效益出发，使电力系统实际可靠性和电气设备的 标准得到合理的兼顾。 电能是目前最广泛使用的能源，电能质量问题关系到电网和用电设备的安全，对人民的日常生 活和生产工作的正常进行均具有重要意义。人们对电能质量问题的关注由来己久，在电力系统发展 的早期，电力负荷的组成比较简单，因此衡量电能质量的指标也比较简单，主要有频率偏移和电压 偏移两种。但自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的发展，大量非线性电力电子设备在现代 工业中得到了广泛应用，这些设备的运行使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不 断上升。另外，冲击性、波动性负荷，例如电弧炉、大型轧钢机、电力机车等运行中不仅会产生大 量的谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电能质量问题；另一方面，随着计算机、 交换机、网络设备、数控设备等对电能质量敏感的用电设备的大量应用，人们对电能质量的要求越 来越高，为此，西方发达国家和我国分别制定了一系列电能质量标准，同时，电能质量问题也受到 了科研人员的关注，电能质量的改善与提高成为目前研究的热点。 1 1 2 衡量电能质量的指标 理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒定量，电压和电流的 波形为正弦波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的实际差距来衡量，主要有五个指标： 电压偏差、频率偏差、谐波含量、电压波动和闪变、三相电压不平衡【l 】。 ( 1 ) 、电压偏差为电网电压相对于额定电压的偏离程度，【，：u o x 1 0 0 u 式中u - 电压偏降；u - 实际电压；u n 一额定电压。 ， f， ( 2 ) 、频率偏差为电网频率对于额定频率的偏离程度，a f = j 一7 形x 1 0 0 ，jn l 东南大学硕士学位论文 式中f - 频率偏差；f - 实际频率：f n 额定频率，5 0 赫兹。 ( 3 ) 、谐波含量为电网电压、电流波形的畸变程度。由于畸变波形可以分解成基波和高次谐波， 因此可以用谐波含量的大小来表征波形的畸变程度。谐波含量包括各次谐波的含量和总畸变量。 ( 4 ) 、电压波动和闪变为电网电压的变动程度和因此引起的灯光对人眼的视觉影响。 ，r ， 电压波动u = “一。m 吖r 1 0 0 ，式中u 。、u m - 工频电压调幅波的相邻两个极值电压 u 月 ( 均方根值) ，为了使电压波动与电压偏差( 电压的慢变化) 相区别，规定电压变化率大于每秒o 2 时为电压波动，否则视为电压偏差。电压波动而引起人眼对灯闪的感觉称闪变。闪变不仅与电压波 动的大小有关，而且与波动的频率以及人的视感等因素有关。用下式表示： a u o = ( 罗口r 2 a v , 2 ) “2 ，式中奸电压调幅波中频率为f 的正弦分量的视感度加权系数，它用来 反映人眼对电压调幅波中各种频率成分的敏感程度；a v f 电压调幅波中频率为f 的正弦分量的幅值。 t l， ( 5 ) 、三相电压不平街是三相电压不平衡度的度量，e = 。彳，x 1 0 0 ， u 1 式中u 2 三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值； u r 三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值。 电能质量术语。描述电能质量问题的常用术语有电压骤降( s a g ) 、电压骤升( s w e l l ) 、电压瞬 变( t r a n s i e n t ) 、谐波( h a r m o n i c ) 、供电中断( i n t e r r u p t i o n ) 、转换缺口( n o t c h e s ) 、电压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n ) 或闪变( f l i c k e r ) 、三相不平衡( v o l t a g eu n b a l a n c e ) 、过电压( o v e r v o l t a g e ) 和欠电压 ( u n d e r v o l t a g e ) 等。 电压骤降：电压或电流有效值降至额定值的1 0 - 9 0 ，持续时间为o 5 个周期至一分钟。电压 骤降通常是由于系统单相对地短路等系统故障或大型电机启动等负荷突然增加导致。 电压骤升：电压有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型值为额定值的1 1 0 1 8 0 ，持续时间为 0 5 个周期到1 分钟。电压骤升通常也与系统故障有关，如单相对地短路时，其它两相电压会上升， 另外大功率负荷切除等故障也会导致电压骤升。 供电中断：在一相或多相线路中完全失去电压( 低于额定值的1 0 ) 一段时间，持续时间0 5 个周期至3 s 为瞬时中断，持续时间为3 s 到6 0 s 为暂时中断，持续时间大于6 0 s 为持续中断。供电 中断通常是由系统故障或误操作导致。 电压瞬变：指两个连接的稳态之间的电压值发生变化，其持续时间很短。电压瞬变可以是任意 极性的单方向脉冲或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。电压瞬变可能是由于闪电产生的，也 可能是由于投切电容器等操作产生的。 谐波：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。畸变的电压波形可以分解为基波和谐波 之和。谐波主要是由于电力用户中的非线性负荷产生的。 电压波动( 闪变) ：电压波动是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化。其电压幅制的 变化通常为额定值的9 0 1 1 0 。这种电压波动通常称为电压闪变。电压闪变主要是有波动性负荷 产生的。最常见的波动性负荷是电弧炉。 电压不平衡：电压中的负序分量与正序分量的比值大于允许不平衡度的规定，称为三相电压不 平衡。电压不平衡主要是由于三相负载不平衡和电力系统三相元件不对称所致。 过电压：电压为额定值的1 1 0 - 1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。 欠电压：电压为额定值的8 0 - 9 0 ，持续时间大于1 分钟。 电压缺口：持续时间小于o 5 个周期的周期性的电压扰动。电压缺口主要是电力电子装置由一 相换至另一相时参与换相的电路瞬时通断造成的，与电压缺口有关的频率含量很高，采用谐波分析 仪测量可能是很困难的。 2 第一章绪论 1 1 3 电能质量问题的危害 电能质量低下的危害有以下一些表现 2 1 ，共同特点是破坏了电网和用电设备的安全、优质、经 济运行。 1 谐波由谐波源( 非线性设备和负荷) 注入系统，会损坏系统设备( 如电容器、电缆、电动机、电 压互感器等) ，威胁系统的安全运行( 如继电保护及自动装置误动) ，干扰通信。谐波导致的涡流会增 加系统的功率损耗( 如线损) ，使测量仪表的误差( 如电能表) 增大。 2 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、变压器及其他电气设备 容量和导线容量增加。同时，无功功率的增加，使总电流增大、因而使设备及线路的损耗增加。 3 三相不平衡会使发电机工作不正常，增加变压器的附加损耗造成其局部过热，继电保护及自 动装置误动，变流器产生非特征谐波，增加中性线电流产生电嗓声干扰，增加输电线损耗，干扰通 信等。 4 电压偏差超标会使用电设备的损耗增加、寿命缩短、工作不正常，会破坏电力系统同步运行 的稳定性、电压的稳定性以及电网的经济运行。 5 电压的波动和闪变主要由波动性负荷( 如电弧炉) 引起，其超标会危害与其连接在公共供电点 的其他用户的设备，如使照明灯闪烁、电机转速不均匀和计算机及电子设备工作不正常等。 6 电力系统稳定运行时，全系统有相同的频率。在允许的频率偏差范围内，主要是引起设备的 效率问题；当偏差超过范围，则会危及设备的安全严重时甚至造成系统瓦解崩溃。 1 2 改善电能质量的方法【1 , 2 1 改善电能质量是一个不断得到重视的重大课题，传统的改善电能质量的装置有变压器分接头， 有载调压变压器，加装并联电容器，同步调相器，静止补偿器等，但这些方法并不能完全解决上述 的电能质量问题。电能质量补偿装置的研究发展主要分为两个阶段： 第一阶段是无源补偿装置的研制阶段，使用l c 滤波器来抑制谐波，改善电能质量。无源滤波 器，即使用电力电容器c 、电抗器l 和电阻器r 适当组合而成的滤波装置，它与谐波源并联运行。 利用r l c 电路串联谐振的特点，在谐振频率上r l c 电路的阻抗与电力系统阻抗相比很小，而在非 谐振频率时其阻抗很大，将串联谐振电路的谐振频率调整到某一特征谐波频率，则可以滤去谐波源 的对应高次谐波。用若干个不同谐振频率的谐振电路便可以分别滤去谐波源输出的相应特征次谐波。 无源滤波器的优点是结构简单，易于实现，但这种装置存在很多不足之处，如：滤波效果受电 力系统阻抗的影响，在负载或电网的动态调节过程中可能诱发谐振，造成事故；对于不确定谐波和 随机谐波源的抑制效果差；对于多次谐波分量合成的谐波源，需要采用多路单调谐l c 电路，受到 体积、价格、性能多方面的限制；无源滤波器不仅抑制谐波，还吸收基波无功功率，因而在无源滤 波器的参数整定中，滤波和无功补偿有时难以协调；过负荷能力差；电力系统频率变动时，无源滤 波器将会失调，达不到预期效果等。无源滤波器已经远远不能满足用户对电能质量的要求。 第二阶段是有源补偿装置的研制阶段，随着电力电子技术的发展，大功率电力电子器件的涌现， 将电力电子装置用于电力系统电网控制已经逐渐成为可能。用户电力电子技术和灵活交流输电技术 是两个相互关联又有一定区别的概念，都是用电力电子装置来改善电网性能。灵活交流输电技术主 要用于输电网，研究使用电力电子技术改进交流输电运行性能和交流输电网的可控性；用户电力技 术主要应用电力电子装置来改善配电网的性能，以提供给电力用户高可靠性和高质量的电能。用户 电力技术虽然出现的较晚，但发展速度很快，各种新型的电力电子设备不断涌现，如电力线调节器、 不间断电源、涌流抑制器等。 其中，应用电力电子技术抑制谐波、改善电能质量的装置称之为电力有源滤波器。有源滤波器 的最大特点是能迅速的动态跟踪随机的谐波电流，可以改变无源滤波器的工作局限性，使单极点多 装置并存、静态、单调谐的谐波治理发展为单节点单装置、动态的谐波综合治理。有源滤波器工作 3 东南大学硕士学位论文 时的优点有：有源滤波器对于系统来说，是一个谐波电流源，其接入对系统阻抗不会产生影响；系 统结构发生变化时，装置不产生谐振的危险，其补偿高次谐波的性能仍然不变；当系统谐波电流增 大时，本装置不会过负荷；补偿方式灵活，可根据不同的需要实现不同的补偿目的。目前，电力有 源滤波器正成为综合治理电网污染，提高电网稳定性和改善电能质量的关键技术。 1 2 1 无源滤波器 l c 滤波器也称无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，与谐 波源并联，除滤波作用外，还兼顾补偿无功。l c 滤波器又可分为单调谐滤波器、高通滤波器及双 调谐滤波器等几种，实际应用中常采用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 1 单调谐滤波器。图1 - l a 所示为单调谐滤波器的电路原理图。滤波器对n 次谐波的阻抗为： 乙2 + j ( n c o , l 一c ) “- 1 ) 式中，下标矗表示第n 次单调谐波滤波器：魄为基波频率。由上式画出滤波器阻抗随频率变化 的关系曲线，如图2 _ l b 所示。 单调谐滤波器是利用串联l c 谐振原理构成的，谐振次数n 为： 九2 瓜 l - 2 ) 在谐振点处，z 自= r f n ，因r m 很小，n 次谐波电流主要由r m 分流，很少流入电网。而对于其他 次数的谐波，z m r f a ，滤波器分流很少。因此，简单地说，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，从而起到滤除该次谐波的目的。 l l z f n 乏l t 牛c 口r r ( n s ) a ) b ) 图1 1 单调谐无源滤波器 a ) 电路原理图b ) 阻抗频率特性 2 高通滤波器。高通滤波器也称减幅滤波器，它有一阶、二阶、三阶和c 型四种。一阶高通滤 波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。二阶高通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得多一个电容，它提高了滤波器对基波频率 的阻抗，从而大大减少基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。c 型高通滤波器的性能介于二 阶的和三阶的之间，其缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器，图1 - 2 a 画出了它的电路原理图。从电 路原理图可得出其阻抗特性为： z n 2 c + + c ) 。 ( 1 4 第一章绪论 a 1 z n r r b ) 图i - 2 二阶高通滤波器 a ) 电路原理图b ) 阻抗频率特性 i z n l 随频率变化的曲线如图1 - 2 b 所示，该曲线在某一很宽的频率范围内呈现低阻抗，形成对次 数较高谐波的阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通滤波器。 无源滤波器集中补偿的三种方式： 1 集中补偿。电容器组集中装设在企业或地方总降压变电所的6 1 0 k v 母线上，用来提 高整个变电所的功率因数，使该变电所的供电范围内无功功率基本平衡，可以减少高 压线路的无功损耗，而且能搞提高本变电所的供电电压质量。 2 分组补偿。将电容器组分别装设在功率因数较低的车间或村镇终端变、配电所高压或 低压母线上。这种方式具有与集中补偿相同的优点，但是无功补偿容量和范围相对较 小些，效果比较明显，因而采用的比较普遍， 3 就地补偿。即是单独补偿或个别补偿，将电容器( 组) 装设在异步电动机或电感性用 电设备附近，既能提高用电设备供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量。 1 2 2 单独使用的有源电力滤波器 有源电力滤波器是一种可用于动态抑制电力系统谐波和补偿无功的电力电子装置。它实时地检 测出电网中的无功、谐波电流等分量，产生补偿电流与其相抵消，使得流入电网的电流可按需要成 为正弦波，并可按需要控制功率因数，补偿后最高效果甚至可以达到单位功率因数。 有源电力滤波器的特点有： 1 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补 偿对象的变化有极快的响应； 2 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节； 3 补偿无功功率时理论上不需储能元件；补偿谐波时所需储能元件容量也不大； 4 即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过负载。并能正常发挥补偿作用； 5 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网发生谐振； 6 可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； 7 既可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进行补偿。 5 东南大学硕士学位论文 l 一，一一一一一一j 图1 3 有源滤波器基本原理图 图1 3 即为有源滤波器基本原理图，非线性负载为谐波源，产生并消耗无功，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申路。其中指令电流运算电路的核心是 检测出被补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。 补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流， 它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。主电路采用p w m 变流器。有源电力滤波 器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令指令运算电路计算得出补偿电流的指令 信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无 功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，而且要补偿负载的无功，则只要在补偿电流的指 令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波 及无功成分相抵消，电网电流等于负载电流的基波有功分量。 1 并联有源电力滤波器 图l - 4 并联有源电力滤波器 这种装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电 流，从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补 偿，因此功能很多，连接也方便。但是由于电网电压直接加在逆变桥上，对开关器件电压等级要求 高；因此，负载谐波电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很大。 2 串联有源电力滤波器 6 第一章绪论 图1 - 5 串联有源电力滤波器 串联有源电力滤波器系统相当于一个受控电压源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反 的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。 单独使用有源电力滤波器的局限性。评价电力电子器件品质因素的标准是功率频率，主要有： 开关速度、器件容量、驱动功率、通态压降和芯片利用率等。独立使用的有源电力滤波器为了使其 充分快速的跟踪补偿电网的谐波和无功往往要求很高的开关频率，而开关频率提高就导致器件容量 下降；另外，要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性，往往需要有源电力滤波器具 有较大的装置容量。但由于受到目前电力电子器件功率、价格及其串并联等技术的限制，这势必使 装置初始投资变大，并且大容量的有源电力滤波器还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约有源 电力滤波器动态补偿特性等问题。为解决这一矛盾，各种性能不同的混合型有源电力滤波器相继受 到重视。 1 2 3 混合型有源电力滤波器 为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿可以将有源滤波与无源滤波相结合进行补偿。 有源电力滤波器与无源滤波器混合使用的方式可分为如下几种。1 ： 1 有源电力滤波器串入电网侧与无源滤波器并联接入电网的混合使用。如图： 图l - 6 有源电力滤波器串入电网侧与无源滤波器并联接入电网的混合使用 谐波和无功功率主要由无源电力滤波补偿，有源电力滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波特 7 东南大学硕士学位论文 性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗接近为零，对谐波却呈现高阻抗，阻 止谐波电流流入电网，从而迫使谐波电流流入无源电力滤波器。换言之，有源电力滤波器起到了谐 波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻抗对无源电力滤波器的影响，以及抑制电网与无源电力滤波 器之间可能发生的谐振，从而极大地改善无源电力滤波器的性能。 利用该结构的补偿系统可具有如下功能和优势： 1 ) 改善无源电力滤波器的谐波补偿性能，降低电网侧谐波含量，达到很好的补偿效果。 2 ) 抑制无源电力滤波器与电网的谐振，抑制电网阻抗对无源电力滤波器的影响。 3 ) 有源电力滤波器容量小，只需很小的容量即可达到较为理想的补偿效果。 利用该方案的补偿系统的缺点主要有： 1 ) 有源电力滤波器本身不能补偿无功功率，补偿无功只能由无源电力滤波器来完成，因而整个 补偿系统对无功功率的补偿是不连续的。 2 ) 为将有源电力滤波器串入电网之中，必须对电网进行改接，会在一定程度上影响电网的可靠 性，不易为用户所接受。 2 有源电力滤波器与无源电力滤波器各自分别并联接入电网的混合使用。如下图： 图1 7 有源电力滤波器与无源电力滤波器各自分别并联接入电网的混合使用 在这种方式中，l c 滤波器可以包括多组单调谐滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和补偿无功 的任务，而有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性能，因此其所需的容量与单独使用方式相比 可大幅度降低。 从理论上讲，凡使用l c 无源滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有源电力滤波 器与l c 无源滤波器并联使用的方式中，需对有源电力滤波器进行有效的控制，以抑制可能发生的 谐振。 利用该结构的补偿系统可具有如下功能和优势： 1 ) 补偿谐波。对电网的谐波进行补偿，可以得到较为理想的补偿效果： 2 ) ：j q j 帝t 谐振。由于有源电力滤波器的加入，能够抑制无源电力滤波器与电网的谐振； 3 ) 补偿无功功率。并联型有源电力滤波器能够补偿无功功率，使得系统能够对无功功率进行连 续补偿。 利用该方案的补偿系统的缺点主要有： 1 ) 对谐波的补偿性能要求越高，则需要的有源电力滤波器容量就越大，而为补偿无功功率，就 对有源电力滤波器的容量提出了更高的要求，限于我国当前的技术水平，有源电力滤波器的容量还 较难达到要求； 2 ) 由于有源电力滤波器的容量大，使得整个系统的成本是所讨论的各种混合方案中最高的； 8 第一章绪论 3 ) 电网与无源滤波器之间存在谐波通道，当背景谐波较大时容易使p p f 过载； 4 ) 有源电力滤波器与无源滤波器之间也存在谐波通道，可能导致流入无源滤波器的谐波电流又 注入有源电力滤波器这将增大有源电力滤波器的容量。 所以，这种并联混合电力滤波器主要适用于有源电力滤波与无源滤波器分段抑制谐波的场合， 如有源电力滤波抑制高频段，无源滤波器抑制低频段，反之亦然。 3 有源电力滤波器与无源电力滤波器串联后统一并联接入电网的混合使用方式，如下图： 图l - 8 有源电力滤波器与无源电力滤波器串联后统一并联接入电网的混合使用 这种方式方式中，谐波和无功主要由l c 无源滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 无源滤波器的滤波特性，使其串联阻抗接近为零，克服l c 无源滤波器易受电网阻抗影响、易与电 网阻抗发生谐振等缺点。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；而且有源电力滤波器串联在无源滤波器下面有利于保护和降低绝缘等级，为了进一步降低有源 电力滤波器的电压等级，还可以用耦合变压器将无源滤波器和有源电力滤波器连接起来。另外，为 了防止对电网造成新的污染，必须采用低通输出滤波器彻底滤除逆变器的开关频率分量。由于有源 电力滤波器与l c 无源滤波器一起仍是与谐波源并联接入电网，故总体结构上仍然属于并联型。 此种混合型方案是本文分析研究的重点。 4 并联有源滤波器与串联有源滤波器的混合使用，如下图： 图1 - 9 并联有源滤波器与串联有源滤波器的混合使用 串联有源电力滤波器将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电 网。并联a p f 提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。该方案在电网与公共连接 点之间同时实现了电压和电流的净化。 1 3 分析研究并联混合型有源滤波器的意义口，3 ，4 】 长期以来无源电力滤波器一直被用来吸收非线性负载下的谐波电流。它的优势在于低成本和高 效率。然而，它受制于电网和负载之间的谐振。另外，线路变化、支路增加、负载增加等引起的电 力系统阻抗值的变化和无源滤波器件的偏差，都会影响到它的补偿效果。而且设计一套好的无源滤 波系统需要大量的前期测试和调查，一个不够灵活动态多变的电力系统使得无源滤波器的设计更为 9 东南大学硕士学位论文 困难。 随着技术的不断发展，有源电力滤波器已经在电力系统中备受关注。无论是串联拓扑还是并联 拓扑，都已有过相当多的研究。通常地，并联型滤波器更适合于对电流谐波的补偿和功率因数校正， 而串联型滤波器针对电压畸变有更好的补偿特性。或是说，并联型有源电力滤波器工作于受控电流 源模式，因而补偿电流谐波，串联型有源电力滤波器则多工作于受控电压源模式，用来补偿电压谐 波。考虑到在电力系统中，更多见的是电流谐波源型负载带来的电能质量恶化，并联型有源电力滤 波器一直是有源电力滤波器领域里研究的重点。 但是如果单独使用并联有源滤波器，交流电源的基波电压直接( 或经过变压器) 施加到变流器上， 且补偿电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。因此，单独使用的并联型有源滤波 器可以为小容量非线性负载的场合提供有效的解决方案，但是在大功率场合就适合中国国情了。 并联混合型电力有源滤波器，即是采用将l c 无源滤波器与有源电力滤波器串联使用，可以很 好的解决上述问题。谐波和无功功率可以主要由l c 滤波器补偿，而有源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等缺点。有源滤 波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。可见，并联混合型电力有源滤波器一方面极大 地改善了无源滤波器的补偿效果，另一方面，使得有源滤波器能以相对较低的容量应用于大功率场 合，确保了系统的性能和成本。而且，并联混合型电力有源滤波器的使用灵活方便，对于己经安装 并正在使用的无源滤波器，可以通过在其终端串接入有源滤波器的方法，方便地转换成混合型拓扑， 迅速改善补偿效果。 1 4 本文的研究内容 1 对目前几种有源电力滤波器的拓扑结构和工作原理做了研究分析，比较了无源滤波器、单 纯有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器各自应用的优缺点，然后确认了一种l c 无源滤波器与 有源滤波器整体串联后再与电网并联的混合结构做为本文的研究对象。 2 对谐波检测方法和控制策略做了对比研究。分析研究了p q 检测法和i p i q 检测法各自优缺点。 妒i q 检测法在电网三相电压畸变且不对称的情况下，无法精确检测出系统的基波无功电流，从而无 法正常补偿系统无功，本文研究了一种新型改进i p i q 检测方法，可以有效检测出系统的基波无功电 流和谐波电流。同时，分析研究了滞环电流控制方式和三角波比较控制方式的原理和特点。 3 采取理论分析，给出了混合型有源滤波器各个部分的参数设计原理，并以此设计了实验参 数用于验证系统补偿谐波和无功的有效性。 4 对混合型有源滤波器各部分及其整体性能进行了仿真分析，验证了本文采用的整体结构和改 进型电流检测方法的优越性；并在此基础上设计了基于微处理器d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 ) 和微控制 器a r m ( l p c 2 2 1 4 ) 的混合滤波器的核心装置，给出了系统的硬件和软件设计流程，为系统的下一 步研究和应用打下了基础。 l o 第二章混合型有源电力滤波器的工作原理 第二章混合型有源电力滤波器的工作原理 混合型有源电力滤波器的控制大多采用检测电源谐波电流控制方式。采用该控制方式，虽然能 同时补偿由负载谐波电流和电网电压畸变产的电源电流畸变；但是，它的补偿效果与系统稳定性之 间存在矛盾。为了克服该控制方式的缺点，改善并联混和型有源电力滤波器的谐波补偿效果，分析 了一种检测负载谐波电流控制方式。在检测网侧谐波电流和负载谐波电流制方式的基础上，进一步 研究了复合控制方式的工作原理，它既具有上述两种控制方式的优点，又能克服它们各自的不足。 2 1 系统的构成与工作原型5 - 9 】 并联混合型有源电力滤波器系统的拓扑结构如下图所示，有源电力滤波器通过耦合变压器与无 源滤波器串联，然后并入电网。其中无源滤波器的作用是改善系统功率因数和滤除负载电流的主要 谐波成份( 比如5 次、7 次、1 1 次、1 3 次等谐波) ；而有源电力滤波器的主要作用是改善无源滤波 器的滤波性能，消除电网阻抗及无源滤波器参数变化对无源滤波器滤波特性的影响，并可抑制电网 与无源滤波器之间可能发生的系统谐振等等。 图2 1 并联混合有源电力滤波器 2 1 1 检测电网谐波电流时工作原理 在三相对称的情况下，为分析其工作原理，可以分析其单相等效电路如图2 - 2 所示，在检测电 网谐波电流控制方法中，检测的是电网电流，通过将有源电力滤波器控制成一个电流控制电压源， 等效于在网侧串联一个谐波电阻，以迫使谐波电流流入滤波回路。 l l 东南大学硕士学位论文 a )b ) c ) 图2 2 检测电网电流控制方式的等效电路图 a ) 单相等效电路图b ) 对l h 的等效电路c ) 对u s h 的等效电路 图2 - 2 所示为系统的等效电路图，假设有源滤波器是一个理想的受控电压源u c ，u 。- k 。i m ， l h 为电网侧电流的谐波分量，谐波源可以看作一个电流源i 。，图中五为电源阻抗，z f 为无源滤波器的 阻抗，z s h 为电源谐波阻抗，z m 为无源滤波器的谐波阻抗，i m 为谐波源中的谐波电流，i 血为流过有 源滤波器的谐波电流。 不接有源滤波器，即k = 0 时，负载谐波电流i m 由无源滤波器补偿，其偿特性取决于z m 和z 5 由图2 - 2 a 有： 7 厶：兰! l 厶( 2 1 ) z , h + 历 z m 和z m 分别为电源和无源滤波器的谐波阻抗，如果电源阻抗很小，即l z l h i 卸， 或无源滤波 器没有调谐到负载所产生的谐波频率，就达不到所要求的滤波特性。 尤其是当z , h 与z m 在特定频率处发生并联谐振时，即i z i h + z ml 0 ，将出现谐波放大现象，流入 电源的谐波电流比负载谐波电流还要大。 接入有源滤波器，并将其控制为一个电压源： uc=xixim(2-2) 此时有源滤波器将迫使负载中的谐波电流流入无源滤波器，使得电源电流中不含谐波。由上式 还看出，有源电力滤波器不承受基波电压，这使得有源滤波器的容量很小。 只考虑对i m 的补偿特性时，假设电源电压u 。为正弦。电源电流的谐波分量k 、连接点处谐波 电压u m 有源滤波器的输出电压u c 根据电压电流定律由以下三式给出： 厶： 垒 厶 z 小+ z 卿+ 艮 踟：幽一z 幽：一圣鱼厶 厶+ 历+ 船 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 沈：触：丝厶( 2 - 5 ) 乙+ 历+ 总 式( 2 3 ) 说明，对于l h 而言，图2 - 2 a 和图2 - 2 b 是等效的，因而将等效电路图化作图2 - 2 b 的形式， 由图看出，这相当于给z 5 h 串接了一个电阻k ) 。如果k 5 i z m | 则由负载产生的谐波电流将流入 无源滤波器。如果k ， i z s h i ，则滤波特性由k 决定。除此外，k 的存在还使得原本可能导致谐振的 条件i + z m 即不起作用，从而起到阻尼z m 和z m 并联谐振的作用。 下面分析混合系统对电源电压谐波的滤波特性。假设不接负载，即i m o ，此时有源滤波器相 第二章混合型有源电力滤波器的工作原理 当于纯电阻，如图2 2 所示。由该等效电路得出： 厶： 坠 z , h + 历+ 墨 ：垒鱼洳 z | h + 孙+ 阮：丝l ( 2 - 6 ) ( 2 ，7 ) ( 2 8 ) 如果k s l z , h + z m i ，则u j h 将加在有源滤波器上。这就防止了由电源产生的谐波电流流入无源 滤波器。但是u m 出现在端电压u 1 h 中。 综合上述分析，可得： 厶： 垒 厶+坠(2-9) 乙+ 历+ 茁乙+ 劾+ 茁 渤：一 圣堕 厶+ 垒鱼洳 z 曲+ z m + 凡z 曲+ z f i l + 配 u c ： 堑垒 厶+ 丝 u s h z , h - f 2 矗+ i gz , h + 历+ 心 当k 为无穷大时，混合系统可达到理想的滤波特性如下所示： l s h = 0 u r h = u , h u = u , h + z m i h ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 由上面的分析，可以总结出检测电网谐波电流的控制方法主要有以下一些特点： 1 ) 其控制结果相当于在网侧等效串入一谐波电阻，此电阻越大，滤波效果就越好，当其为无穷 大时，可以滤除所有谐波； 2 ) 这种控制方法不仅能抑制由负载产生的谐波电流，而且能抑制由于电网畸变所产生的谐波电 流； 3 ) 这种控制方法可以有效的抑制可能发生的串并联谐振，串入的等效谐波电阻越大，效果越好； 4 ) 控制有源电力滤波器工作时，因其不承受基波电压，所以有源电力滤波器的容量较小，一般 为负载容量的2 5 ： 5 ) 在实际系统中，l ( s 不可能无穷大，因此其不可能滤除所有谐波； 6 ) 因为其检测电网谐波电流，所以是一个闭环系统，存在稳定性问题，b 不可能取的很大。这 也是影响其滤波效果的一个因素； 7 ) 有源电力滤波器的容量，由无源滤波器的频偏、所要达到的滤