（电力系统及其自动化专业论文）混合型有源电力滤波器的研究.pdf

鎏全型曼盘至鎏鎏鎏矍塑生釜 a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p e ) a r ew i d e l yu s e dt or e d u c eh a r m o n i c s ，c o m p e n s a t et h er e a c t i v e p o w e r , a n di m p r o v et h ep o w e rf a c t o rd u et oi t sa d v a n t a g e so fs u p e r i o rc o n t r o l l a b i l i t y , f a s t r e s p o n d i n g ，s m a l lb u l ka n dw e i g h t ，a n di t sa c h i e v e m e n t sa r em o r ea n dm o r e b u tt h ec o s to f a p fi se x p e n s i v e ，s ot h i sd i s a d v a n t a g er e s t r i c t st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n c o m b i n e da c t i v e p o w e rf i l t e ra n dr e a c t i v ep o w e rf i l t e rm a k eu ph y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hn o to n l y r e d u c et h ec o s tb u ta l s oh a v eg o o dh a r m o n i c sc o m p e n s a t i o ne f f e c t ，s oh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e rr e a c h e sap r a c t i c a lp u r p o s e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to f h a r m o n i c s 、i t sh a r mt op o w e rg r i da n dl i m i t a t i o no f h a r m o n i c sv o l t a g ea n dc u r r e n th a r m o n i c s ，a n di ta l s od e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t yo fe l i m i n a t e h a r m o n i c s ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e ss e v e r a lm e t h o d st oe l i m i n a t eh a r m o n i c sa n dr e s e a r c ho f b o t hh e r ea n da b r o a d t h ep a p e ra n a l y z e sr e s p e c t i v ep r i n c i p l e sa n dr e l a t i v em e r i t so fp a s s i v e f i l t e r , a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r t h e nt h ep a p e rd e t a i l e d l yi n t r o d u c e s t h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r 、t h ea d a p t i v eh a r m o n i cd e t e c t i n ga l g o r i t h ma n dt h e w a y o f h a r m o n i cc u r r e n t so f as i n g l e - p h a s e o nt h eb a s eo f f o r m e rp r e d i c t i n go f t h eh a r m o n i c c u r r e n t s ，t h ep a p e rp r o p o s e san o v e lp r e d i c t i n go ft h eh a r m o n i cc u r r e n t sw h i c hc a np r e d i c tt h e d e v i m i o no ft + 2m o m e n ta tt h em o m e n t a n ds i m u l a t e st h ee v e r yl 【i n do fh a r m o n i c sd e t e c t i o n m e t h o d sb ym a t l a b s i m u l i n k t h e nt h ep a p e ra n a l y z e sc o n t r o ls y s t e mo fh y b d da c t i v e p o w e rf i l t e r ，t h ew a y o fh a r m o n i cd e t e c t i n ga n dt h ep r i n c i p l eo fc o n t r o ls y s t e m ，d i g i t a ll o w p a s sf i l t e ra n dt h eg e n e r a t i o no fp w m o n t h eb a s eo fw h i c ht h ep a p e rd e s i g n san e w p a r a l l e l h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hi sc o n t r o l l e db yt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，a n dd e t a i l e d l yi n t r o d u c e s d r i v ec i r c u i to fp w m ，s a m p l i n gc i r c u i to fc u r r e n t ，v o l t a g ea d j u s t m e n ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t ， c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a yc i r c u i t i nt h ee n dt h ep a p e rs i m u l a t e sh a r d w a r e s y s t e m sa n dh a r m o n i c s d e t e c t i o nm e t h o d sb ym a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i o na n d p r i m a r i l ye x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h e m e t h o d k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；p r e d i c t i n g ；m a t l a b i l i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： q 船 日期而年丁月1j e t 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。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 冀滕导师签名：办f 忽次 硕士学位论文 1 1 谐波的概念 第1 章绪论 ”谐波”一词起源于声学。关于谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的 谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于 使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有 关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。到了5 0 年代和6 0 年代， 由于高压直流输电技术的发展，发表了有关交流器引起电力系统谐波问题的大量 论文。7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界 各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议， 不少国家和国际学术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。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到 与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电 量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f i ) 称为谐波次数。电网中有时 也存在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n h a r m o n i e s ) 或分数谐波。谐波实际上是 一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测 量、危害及抑制，其频率范围一般为2 n 4 0 。 在电力系统中，理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波。这样电能的质 量就可以用电压和频率来衡量。但是，实际的波形总有不同的非正弦波分解成一 系列正弦波。这样就可使研究畸变的波形转成研究一组正弦波形，而使问题得到 简化，进而可以解决。工频的正弦波为基波。通常比基波幅值小，频率为基频整 数倍的正弦波称为高次谐波，这就是谐波。i e e e 标准中给出的谐波定义为“一个 周期波或量的正弦分量，其频率为基波的整数倍。”这个定义明确了谐波的两个问 题：( 1 ) 谐波次数n 必须是正整数；( 2 ) 谐波要和暂态现象加以区别( 谐波的波 形保持不变，而暂态现象每周的波形都发生变化) 川。 谐波对电力系统是有害的，这也就给我们提出新的问题，衡量电能质量不仅 是电压和频率，还必须考虑谐波含量，不仅要控制电压和频率合格，而且要保证 谐波含量合格，这就要求我们要有抑制消除谐波的方法。这也就是本文所要作的 研究，用滤波器抑制和消除谐波，以保证电力系统的安全，保证电能的质量。 谐波畸变的度量方法是将一个畸变的周期电流或电压波形展开成傅立叶级 数，可以用式( 1 ，1 ) 和式( 1 2 ) 来表达。 一： 鎏2 型童堡皇垄堡些丝墼丝塞 i ( t ) = i hc o s ( h r o 。t + 氏) h = l u ( t ) = v hc o s ( h a j o t + o h ) 式中i n 第h 次谐波峰值电流； v h 一第h 次谐波峰值电压： h 一第h 次谐波电流相位： ph 一第h 次谐波电压相位： 一基波角频率，0 9 0 = 2 砥； f 0 一基本频率，f 0 = 5 0 h z 。 n 次谐波电压含有率以h r u 。( h a r m o n i cr a t i ou 。) 表示。 i - t r u r = 昔圳。 式中 u 。一第1 2 次谐波电流有效值( 方均根值) ； u l 一基波电流有效值。 n 次谐波电流含有率以h r i 。( h a r m o n i cr a t i oi 。) 表示。 h r i n = r i n 1 0 0 式中 i 。第n 次谐波电流有效值( 方均根值) ； 1 1 基波电压有效值。 谐波电压含量u h 和谐波电流含量i h 分别定义为： f 一 u 。= 1 f u ： ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) 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t h d 分别定义为： t h 。= 昔圳。 ， t r d ，= 鲁圳。 s ， 1 2 谐波的产生 在工业和生活用电负载中，阻感性负载占有很大比例。例如异步电动机、变 压器、荧光灯等，都是典型的阻感性负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功 率以及电抗器所消耗的无功功率占有很大的比例。含有电感的阻感性负载，必须 吸收无功功率才能工作，这是由其本性决定的。 2 厣 = k 硕士学位论文 电力电子装置和变压器等非线性装置，也消耗无功功率。特别是相控整流器、 相控交流功率调整电路和周波变流器等相控装置，在工作时基波电流滞后于电压， 要消耗大量的无功功率的，如二极管整流电路，虽然基波电流的相位和电压大致 相同，似乎不消耗基波无功功率，但它产生的大量谐波电流也要消耗一定的无功 功率。 电网中的谐波，主要是由各种电力电子装置( 包括家用电器、计算机等的电 源部分) ，变压器、荧光灯等产生的。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性 引起的。由于变压器铁心的磁化曲线是非线性的，所以产生正弦磁通的励磁电流 只能是非正弦。励磁电流波形发生扭曲，不再是1 4 周对称的波形，但仍是正、 负半周对称的波形，含有以3 次谐波为主的奇次谐波。 对于三相变压器，其励磁电流和铁心结构、变压器联结方式有关。如变压器 采用d y 联结，则可以为3 的整倍次谐波提供通路，使磁通和电动势都接近正弦， 3 的整倍次谐波只在d 回路中流通，不流入电网，流入电网的只是6 k l ( k 为正整 数) 次谐波。如变压器不采用d y 联结。则励磁电流中就没有3 的推倍次谐波电流， 这时由于磁化曲线的非线性，就会在磁通中产生3 的整倍次谐波，使磁通变为平 顶波。在三心柱变压器中，磁动势里3 的整倍次谐波是各相同相位的，因此这些 谐波磁通的路径必须是由空气及变压器外壳构成的回路，磁阻很大，使3 的整倍 次谐波的磁通仅为独立铁心时的1 0 左右，因此磁通和电动势仍然接近于正弦 波。 变压器磁通电流的谐波含量和铁心的饱和程度直接相关，即与所加的电压有 关。正常情况下，所加的是额定电压，铁心工作在线性范围内，谐波电流含量不 大。但在轻载时电压升高，铁心饱和，谐波电流含量就会大大增加。此外，在变 压器投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大 量谐波。 荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3 次谐波含量最高。当多个荧光灯接成三相四线负载时，中性线就会流过很大的3 次谐波电流。如果每个荧光灯还接有补偿无功功率的电容时，则3 次谐波还可能 引起谐振而使谐波放大，使电压波形也发生严重畸变。 3 0 多年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的 干扰源，尤其是整流装置，所占的比重作最大。常用的整流电路几乎都采用晶闸 管相控或二极管整流电路，其中以三相和单相桥式整流电路为最多。无论是带阻 感负载的整流电路，还是直流侧采用电容滤波的二极管整流电路，都是严重的谐 波污染源。不仅仅给电网造成严重污染，也使总的功率因数降低。此外，逆变器、 直流斩波器和间接d c d c 变换器的应用也较多。这些装置中的整流电路也存在 着严重的谐波和无功功率问题。在这类装置中，各种开关电源、u p s 和电压型变 混合型有源电力滤波器的研究 频器的用量也越来越多，对电网的污染也越来越大。特别是数量庞大的电视机、 个人电子计算机和各种家用电器及办公设备，其内部大都含有开关电源，它们的 普及所带来的谐波问题也是非常严重的。 很多文献指出，上述各种谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于 谐波源本身的特性，基本上与电网的参数无关。如大量广泛使用的直流侧为阻感 负载的整流电路，其谐波电流是由直流电流和各半导体开关的切换方式所决定的， 和交流电压几乎无关。但是电容滤波的二极管整流电路，就不是谐波电流源，因 其直流电压近似为恒定值，直流电压通过各半导体开关的切换加到交流侧，所以 应看成是谐波电压源。在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器中，都大 量地采用这种电容滤波的二极管整流电路，因此必须给予足够的重视。谐波电压 源和谐波电流源的分析方法、谐波治理方法都有很大不同，这也必须注意。 1 3 谐波的危害 理想的电网提供的电压，应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐 波电流和谐波电压的产生，对电网是一种污染，它将使用电设备所处的环境恶化， 也对周围的通信系统和电网以外的设备带来危害。近几十年来，各种电力电子装 置的迅速普及使得电网的谐波污染日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不 断发生，谐波危害的严重性已引起人们的高度关注。谐波对电网和其它系统的危 害大致有如下几个方面： ( 1 ) 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电 设备的效率，大量的3 次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗 外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大可能出现局部严重过 热。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。 ( 3 ) 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就 使( 1 ) 和( 2 ) 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装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失、使通信系统无法正常工作。 1 4 电网对谐波电压和谐波电流的限值 在实际的电力系统中，各种滤波器都不可能完全消除谐波，因此为了保证系 统的安全经济运行，保证电能质量，所以世界上很多国家都发布了限制电网谐波 的国家标准，或由权威机构制定的限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本 原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许范围内，使 在电网中的电气设备免受谐波的干扰而能正常工作。 各国制定的谐波标准是比较接近的。我国原水乖j 电力部于1 9 8 4 年根据原国家 经济委员会批转的全国供用电规则的规定，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系 统谐波管理暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年又发布了中华人民共和国国家 标准g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开 始实施瞄。 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变也不相同。电压等级越高， 谐波限制越严格。表1 1 给出了公用电网谐波电压限值。 表1 1 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 各次谐波电压含有率( ) 电网标称电压k v电压总谐波畸变率( ) 奇次 偶次 o 3 85 o 4 o2 0 6 4 o3 21 6 1 0 3 5 3 o2 41 2 6 6 1 1 02 01 6o 8 公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) ，不 应超过表1 2 中规定的允许值。 表1 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准 基准 谐波次数及谐波电流允许值a 电压 短路 容量 k v 234567891 0 1 l 1 21 31 41 5 m v a 0 3 81 0 7 8 6 23 9 6 2 2 64 41 92 1 1 62 8 1 32 41 l 1 2 61 0 04 33 42 13 41 42 41 l l l 8 51 67 11 36 16 8 1 0 1 0 02 6 2 01 3 2 08 5 1 5 6 4 6 8 5 19 34 3 7 93 7 4 1 3 52 5 0 1 5 1 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 72 2 2 5 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 02 32 6 1 1 0 7 5 01 29 6 6 04 o6 83 o2 44 _ 32 03 71 71 91 52 8 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，可以按下列式修正 混合型有源电力滤波器的研究 表1 2 中的谐波电流允许值。 i 。= i 坤 l ) k 2 式中s k l 一公共连接点的最小短路容量( m v a ) ； s t 2 一基准短路容量( m v a ) ； i h p 一表1 2 中第n 次谐波电流的允许值( a ) ； i 。一短路容量为s k l 时的第n 次谐波电流的允许值( a ) 。 1 5 国内外研究状况 ( 1 9 ) 1 9 1 7 年美国和德国的科学家分别发明了l c 无源滤波器，次年美国发明了第 一个多路复用系统。此后，国内外大量采用无源滤波装置进行谐波抑制、无功补 偿和提高功率因数。传统的谐波抑制和无功功率补偿法采用无源滤波器( r e a c t i v e p o w e r f i l t e r ，p f ) ，即用电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波器， 与需要补偿的非线性负载并联，抑制谐波并提供负载所需的无功功率。无源滤波 补偿的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等，但它是通过 系统为谐波提供一个并联低阻抗通道而起到滤波作用，其滤波特性由系统和滤波 器的阻抗比所决定，因而也存在一些如下缺点1 2 , 2 0 1 ： ( 1 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载； ( 2 ) 滤波特性受系统参数影响较大； ( 3 ) 能抑制固定的几次谐波，只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载， 不能进行精确补偿。而某些次谐波在一定的条件下可能会产生谐振，会使谐波放 大： ( 4 ) 滤波要求和无功补偿有时很难与调压要求相协调； ( 5 ) 有效材料消耗多，体积大。 针对无源滤波的上述缺点，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在 7 0 年代初，日本学者就提出了有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 的 概念。1 9 7 6 年，美国西屋电气公司的l g y u g i 提出了用大功率晶闸管组成的p w m 逆变器构成“有源电力滤波器( a p f ) ”来消除电网谐波。其基本原理和电路拓扑结构 已确定，但由于受到当时功率半导体器件水平及控制策略的限制，有源滤波器的 研制一直处于试验阶段。直到进入八十年代以来，随着新型电力半导体器件的不 断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检 测方法的提出，为有源滤波器的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了 广泛的应用。1 9 8 2 年，世界上第台a p f 在日本研制成功而被正式投入使用以 来经过2 0 多年的研究和探索，a p f 技术得到了长足的发展，越来越多的a p f 投 入了运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善。世界上有源电力滤波 6 器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国茵屋电气公司、德国西门子公司等。 其中在日本，已经投入使用的a p f 从5 0 k v a 到6 0 m v a 功率应用范围越来越宽， 从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。目前，有源滤波器已用 在提高电能质量、解决三相电力系统中终端电压、电压波动抑制、电压平衡改善 以及谐波消除和无功补偿等问题上。 在我国，有源滤波器的研究起步较晚，对有源电力滤波器的研究始于8 0 年代 末期，兴于9 0 年代中期。1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章，基本上仍处于实验 研究阶段【l 。从9 0 年代中期起，我国对a p f 的研究全面展开，包括谐波检测、 拓扑研究、系统建模、控制方法等都进行了深入的研究。中国a p f 的实际应用远 少于日美欧。我国实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学院共 同制成的，用于3 8 0 v 三相系统的5 0 k v a 有源电力滤波器。从2 0 0 3 年起，中国 的a p f 市场逐渐热了起来，出现了一些系列化的产品，例如，上海追日电气有限 公司生产的j c l b 系列的串联有源电力滤波装置、z r a f 系列的并联有源电力滤 波装置，上海宝钢安大电能质量有限公司( 教育部电能质量工程研究中心) 研发 生产的p q f a 低压有源滤波器，深圳市波宏电力滤波设备有限公司研发生产的 b h a c f - 2 0 - 4 0 系列低压有源电力滤波器，北京新电创拓科技有限公司、邯郸恒山 通用电气有限公司和上海现代电源设备有限公司等公司也都自主开发了一些有源 电力滤波器的产品。国内许多大专院校，如西安交通大学，华北电力大学，哈尔 滨工业大学，中南大学，湖南大学，清华大学，浙江大学等，对a p f 进行了广泛 的研究，有些和企业合作，开发了一些产品。它们对有源滤波器展开了深入的理 论和实验研究，有的已达到或接近国际先进水平，特别是西安交通大学在单相电 路的谐波检测、并联型、串联混合型有源滤波器方面都开展了较深入的研究，目 前有源电力滤波器研究工作的关键所在是进一步提高有源电力滤波器在生产实践 中的实际应用水平，促进科研成果向工业成型产品的快速转化f l 引。 1 6 论文的研究内容及构成 论文对基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 型d s p 芯片的混合有源电力滤波器实现进行了分析 和研究，设计了硬件原理图，论文主要工作如下： ( 1 ) 介绍了谐波的基本概念、产生、危害及国内外的研究状况 ( 2 ) 对无源滤波器、有源滤波器及混合型的有源滤波器的基本原理、分类及 优缺点进行了介绍及分析。 ( 3 ) 对传统的谐波检测方法中的瞬时无功功率检测方法、自适应检测方法及 单相谐波检测方法进行了详细的介绍及分析，并探讨了一种基于拉格朗日插值多 项式的预检测谐波电流检测方法，最后利用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真。 ( 4 ) 对混合有源滤波器进行了硬件设计，包括以下几个部分：系统的总体结 混合型有源电力滤波器的研究 构、主电路的容量和开关器件的选择、p w m 信号的产生及驱动电路、电流采样 电路、电压调整电路、按键输入及保护电路、通信电路、液晶显示电路。 ( 5 ) 根据上面设计的有源滤波器，利用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿真，得到 了较满意的效果。 本论文构成总共有五章：第一章简要介绍了课题的背景、目的和研究内容。 第二章对无源滤波器和有源滤波器进行了概述。第三章对谐波检测方法进行了详 细的介绍。第四章介绍了混合型有源滤波器的设计并重点介绍了该有源滤波器的 硬件原理图。第五章对本文提出的预检测谐波电流的谐波检测方法和硬件原理图 进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，提出本文的不足和拟改进的一些方法等。 第2 章无源滤波器和有源滤波器的概述 2 1 无源滤波器 2 1 1 无源滤波器的基本原理 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，电抗 器和电阻器经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功 补偿的需要。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。通过使用无源滤波器能有效地减少谐波，一般地，无源滤波器由电 容器和电抗器串联而成，并调谐在某个特定谐波频率。滤波器对其所调谐的谐波 来说是一个低阻抗的“陷阱”。理论上，滤波器在其调谐频率处阻抗为零，因此可 吸收掉要滤除的谐波。 2 1 2 无源滤波器的分类 2 1 2 1 串联调谐滤波器 串联调谐滤波器由电容器和电抗器串联而成，被调谐于较低的谐波频率处r 如 图2 1a ) 所示) 。 在调谐的谐波频率处，电容器和电抗器具有相等的电抗值，滤波器的阻抗是 纯电阻性的。滤波器阻抗对较低的谐波频率是容性的，而对较高的谐波频率是感 性的，这样的结果就使低于最低调谐频率时的阻抗特性变坏。滤波器对n 次谐波 的( 蛾= 致) 的阻抗可由式( 2 1 ) 得出。 z 。= r 。+ j ( n o j 。l 一二) ( 2 1 ) n o ) 5 式中，z 。、r 。分别表示第n 次单调谐波滤波器的阻抗和电阻。 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 可由式( 2 2 ) 得出。 n ：上( 2 一2 一) = ；一 l j 国。l c 在谐振点处，z 。= r 。，因为r 。很小，1 1 次谐波电流主要由r 。分流，很少流 入电网。而对于其它次数的谐波，z 。r n ，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。 混合型有源电力滤波器的研究 a ) 1 阶己阶3 阶 图2 1 无源滤波器的分类 c ) 2 1 2 2 双带通滤波器 双带通滤波器由一个主电容器、一个主电抗器和一个调谐装置串联组成，调 谐装置由一个调谐电容器和一个调谐电抗器并联而成( 如图2 1b ) 所示) 。这种滤 波器的阻抗在两个调谐频率处达到低值。 2 1 2 3 阻尼滤波器 阻尼滤波器可以是1 阶，2 阶和3 阶的( 如图2 1c ) 所示) ，1 阶滤波器需要 的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。2 阶滤波器的滤波性能最好， 但与三阶相比，其基波损耗较高。3 阶滤波器比2 阶的多一个电容，它提高了滤 波器对谐波频率的阻抗，从而大大减少基波损耗，这是3 阶滤波器的主要优点。 然而最常用的是2 阶的。一个2 阶阻尼滤波器由一个电容器与一个电抗器和一个 电阻器的并联组合串联而成，它在一个较宽的频率范围内呈现为低阻抗。其电路 原理图可得出其阻抗特性由式( 2 3 ) 可得出。 z 。= 丽1 + ( 百1 + 击) - l ( 2 _ 3 ) 当用来消除高次谐波( 1 7 次) 时，阻尼滤波器被称为高通滤波器，即在高频 率时呈现为低阻抗，而在低频率时呈现为高阻抗，因而低频分量不能通过。 2 1 。3 无源滤波器的缺点 目前我国电力系统中普遍采用由电抗器和电容器串联后组成的分路调谐l 滤 波器作为滤波器，虽然有结构简单，运行维护经验成熟，一次性投资和运行维护 费用低廉等优点；但这种“无源型”l c 滤波器抑制谐波的效果并不理想，且系 统l c 也经常变化，当系统阻抗参数运行条件的变化，会发生与系统并联或串联 谐振问题，造成电源侧某一频率上谐波电流倍增，严重影响滤波器性能，它一般 丁0，丁0： t圭i 硕士学位论文 只适用于静态补偿。其主要存在以下问题： ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的 漂移将导致滤波特性改变，使滤波器性能不稳定； ( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运 行工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难； ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振，使该次谐波分量放大，使电网供 电质量下降； ( 4 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 2 1 4 无源滤波器的设计 为实现对无源滤波器的优化设计，可以假设所有的负载谐波电流均流入无源 滤波器，由于三相对称，可按单相计算，计算电路如图2 2 所示，通过调整无源 滤波器参数，可使其产生的谐波电流最小，达到优化设计的目的。对该电路的计 算可以在频域内进行，也可以在时域内进行。所谓频域法就是先对负载谐波电流 i i h 进行时域到频域的变换，然后在各次频率上分别计算所产生的谐波电压；当然， 频率的个数是有限的，最后再进行电压的时域合成。该方法的欠缺在于计算中适 于在有限两个基波的接数倍频率上进行，如负载具有分布连续且经常变化的频谱 时，计算起来极不方便，另外由于进行d f t 变换时存在的栅栏效应，也会给计算 带来误差；为此这里采用时域的方法进行计算，通过数值积分直接得到谐波电压 的波形，数值积分采用四阶龙格库塔法就可以方便的实现。 无源滤波器参数设计需遵循以下规则： ( 1 ) 无源滤波器总容量一定； ( 2 ) 单调谐滤波器的品质因数一定： ( 3 ) 两个单调谐滤波器分别调谐在固定的频率，如5 次、7 次频率上。 在这三个约束下，可通过c 5 、c 7 、l h 、r h 四个参量确定无源滤波器，通过对 这些参量进行不同的取值，可以达到寻优的目的。如同时对暇个参量进行调整， 计算量是相当大的；通过分析可以发现，c 5 、c 7 主要确定无功补偿容量在5 次、 7 次和高通滤波器间的分配，它主要取决于5 次谐波、7 次谐波和高于5 次、7 次 的谐波含量之间的比例关系；而l h 、r h 决定高通滤波器的性能，主要取决于高于 5 次、7 次谐波的分布；二者之间的影响比较小，因此可以采用先对c 5 、c 7 进行 寻优，然后再固定c 5 、c 7 对l h 、r h 进行寻优的方法减少计算量。高通滤波器的性 能是由谐振频率n = 1 1 1 2 西l h c h 】和截止频率n o = 1 2 码c 。r h 】决定的，- ql h 、r h 的绝对数值无关，如在改变c 5 、c 7 寻优过程中固定l h 、r h 不变，随着c h 的改变 n 和n o 将是不固定的，这将给c 5 、c 7 的寻优带来麻烦。文献【4 】采用的方法是对 每种c 5 、c 7 、c h 的组合都对l h 、r h 进行寻优的方法来确定无源滤波器最优方案 的，因而计算量大：这里采用的是固定n 和n o 的方法，这样在c 5 、c 7 寻优过程 混合型有源电力滤波器的研究 中可保持高通滤波器的性能不变。在寻优过程中先固定n 和n o 值不变，得到c 5 、 c 7 的最佳分配，然后在此c 5 、c 7 值下对n 和n o 进行寻优，反过来在n 和n o 的最 佳值下再对c 5 、c 7 进行校算。实际计算证明，c 5 、c 7 的选取与n 和n o 选取间的 影响很小，经过很少次数的计算就可以确定无源滤波器的最优解1 1 。 图2 2 单相无源滤波器电路图 此外，还有很多无源滤波器的优化设计，如：最小容量优化设计，多目标优 化遗传算法，混合罚函数法，遗传算法等1 1 - 1 0 】。 2 2 有源滤波器 2 2 1 有源滤波器的基本原理 有源滤波器由两大部分组成：谐波和无功功率检测电路及产生补偿电流的逆 变器。前者的作用是先从补偿对象中检测出谐波和无功电流等分量，后者的作用 是根据检测出的谐波和无功电流等产生幅值相等、相位相反的谐波分量，再注入 电网，达到实时补偿谐波的目的。电压型并联式的基本原理结构如图2 3 所示。 有源滤波器以脉宽调制( p w m ) 高频逆变器作为主回路，其开关器件有g t o 、 i g b t 、g t r 等，器件的选择首先应满足工作频率和容量的要求，这一点现已基 本得以满足。有源滤波器工作时通过控制p w m 逆变器的开关状态，使输出的补 偿电流实时跟随参考电流而变化，以达到理想的补偿效果。 图2 3 有源滤波器的基本工作原理 硕士学位论文 2 2 2 有源滤波器的分类 目前投入使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样1 2 , 1 3 。具体的见图 2 4 所示。 图2 4 有源滤波器的分类 根据应用场合的不同，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大 类。前者主要是用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电压。后者则应用于交 流电力系统。 根据逆变器直流侧储能元件的不同，可以分为电压型有源滤波器( 储能元件为 电容) 和电流型有源滤波器( 储能元件为电感) 。 电压型和电流型逆变器的主电路图的一些基本特点： ( 1 ) 电压型和电流型逆变器的直流侧接有储能大电容，在正常工作时应保持 其电压基本不变，可以看作是电压源：电流型逆变器的直流侧接有储能大电感， 在正常工作时应保持其电流基本不变，可以看作是电流源。 ( 2 ) 电压型有源滤波器在工作时，需要对直流电容上的电压进行控制，维持 直流侧电压不变，需要对直流倒电压进行控制；对于电流型p w m 逆变器，为了 保持其直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制。 ( 3 ) 电压型p w m 逆变器的交流侧输出电压是p w m 波，需要接l c 滤波器， 即需要串入电感，电流型p w m 逆变器的交流侧输出电流是p w m 波，不需要接 l c 滤波器，即不需要串入电感。 ( 4 ) 电压型p w m 逆变器的优点是损耗较少、效率较高，在有源滤波器中应 用较多；电流型p w m 逆变器直流侧的储能大电感上，始终有电流流过，并在电 感电阻上产生较大的损耗，因此在有源滤波器中应用较少。不过，随着超导储能 混合型有源电力滤波器的研究 磁体的研究进展，有望取代大电感储能，使电流型p w m 逆变器在有源滤波器中 的应用增多。 ( 5 ) 电压型p w m 逆变器适合于应用在配系统的有源滤波器中，而电流型p w m 逆变器适合于应用在高压供电系统的有源滤波器中。这是因为电容储能元件的体 积和成本随着有源滤波器视在功率的增大而显著增加，而电感储能元件的体积和 成本在大功率范围内随着有源滤波器视在功率的增加变化不大。 除了电压型和电流型之外，有的学者还提出了采用直流侧混合储能的方式， 即直流侧采用一个电感和一个电容作储能元件，并用一个单相桥对其进行控制， 储能作用主要由电容承担，但却可以实现电流型p w m 逆变器的功能。这种方式 可以克服目前采用电感作储能元件的电流型p w m 逆变器的缺点，这种方式是一 种比较巧妙的想法，但实现起来有些困难。 综上所述，电压型逆变器的交流侧输出是p w m 电压波，其优点是投资小、 损耗少、效率高，可以任意并联扩容，易于实现单机小型化，也是大多数有源滤 波器常采用的一种电路形式，目前实用装置9 0 以上为电压型，技术相对成熟完 善。电流型有源滤波器作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其 结构简单、性能可靠，但其直流侧大电感上始终有电流流过，损耗较大，不适用 于大容量系统，因此目前应用较少。 从与电网的连接方式看，单独使用的有源电力滤波器又分为并联型和串联型 两种。由于并联型a p f 并联接入电网，相当于一个受控电流源，可消除负载引起 的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相对流。其适用于感性电流源型负载的谐波 无功补偿，优点是它只流过补偿电流和小部分基波有功电流，另外，并联型a p f 可以并联使用以提供大的电流。但由于a p f 是和被补偿的谐波负载并联在电网 上，必须承受电网基波电压，这使其容量很大。而构成a p f 主电路的p w m 逆变 器的容量和动态性能成反比，很难使a p f 在具有很大容量的同时还能具有良好的 动态特性和较低的开关损耗。而串联有源滤波器的逆变器结构主电路不需要电流 控制电路。a p f 通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。其 主要用于消除电容二极管整流电路等电压源型谐波负载对系统的影响以及系统侧 电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联有源滤波器的主要优点是能补偿电 网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并联型有源滤 波器相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使得变压器的额定参数上升、体积 变大、损耗较大，此外串联型a p f 投切、故障后的退出及各种保护也较为复杂， 目前应用装置中并联型占了大多数。 2 2 3 有源滤波器的优缺点 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置， 可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，能有效弥补无源滤波 器的不足，是一种很有前途的谐波抑制装置。近几年来，随着电力电子器件及技 术的发展，有源滤波技术也逐渐地走向成熟，并已得到广泛的应用，其技术研究 也越来越成熟。有源滤波比无源滤波具有如下优点： ( 1 ) 具有高度可控性和快速响应性； ( 2 ) 不仅能跟踪补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，有一机多能的 特点： ( 3 ) 能自动产生所需的无功功率，甚至是变化的无功功率： ( 4 ) 特性不受系统参数影响； ( 5 ) 可消除与系统阻抗发生谐振的危险，无谐波放大危险，体积小，重量较 轻。 ( 6 ) 具有自适应能力，可自动补偿变化的谐波： 由于上述优点，有源滤波技术已成为谐波抑制和无功补偿的重要方法，它将 给电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。尽管a p f 有着无源滤波器所不具备 的巨大技术优势，但是目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实， 这是因为与无源滤波器相比，a p f 的成本较高，这一缺点是限制a p f 推广使用的 关键。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，a p f 必然会得到广 泛的应用。 2 3 混合型有源滤波器 2 3 1 混合型有源滤波器的基本原理及分类 针对无源滤波器和有源滤波器的各自的优缺点，许多学者提出了由有源滤波 器和无源滤波器构成的许多种组合方案1 3 d7 1 。从目前来说相比之下，混合型有源 电力滤波器比单独使用的有源电力滤波