（电力系统及其自动化专业论文）新型有源电力滤波器的仿真研究.pdf

a b s t r a c t t h ep o w e rg r i dh a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e mi sg e t t i n gs e v e r ed u et ot h eu s i n go f n o n l i n e a rl o a di nm o d e mp o w e rs y s t e m t h e s ec h a n g e sh a v eb r o u g h tg r e a th a r mt o s e c u r ea n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no fp o w e rn e t w o r k h o wt or e a l i z et h et r e a t m e n to f 面dh a r m o n i cp o l l u t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to fc u s t o m e re l e c t r i cp o w e rq u a l i t y h a v ea l r e a d yb e c o m eo n eo ft h et o p i c so ft h ei m p o r t a n c er e s e a r c ho fm o d e m e l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，t o s o l v et h ee l e c t r i cp o w e re l e c t r o n i ce q m p m e ma n dt h eo t h e r h a r m o n i cw a v eo ft h eh a r m o n i cw a v es o u r c ep o l l u t i o np r o m e me q u i pf i l t e r i n g c o m p e n s a t i o nd e v i c e i sm o s t l yi n s t a l l e d h o w e v e r , t h ea d o p t i o no fa c t i v ef i l t e r t e c h n i q u ea k i n do fr e a s o n a b l e ，v a l i dm e a n st os o l v em o d e me l e c t r i cp o w e rq u a l i t y p r o b l e m t h es i n g l e - p h a s ea c t i v e p o w e rf i l t e r i sd e s i g n e di nt h et e x tb a s e do n i n s t a n t a n e o u sa c t i v ea n dr e a c t i v ee n e r g yt r a n s f e rs y s t e m i tt a k e sr e g u l a t i n gi n p u t a c t i v ee n e r g ya sat a r g e t ，d i r e c t l yc a r r i e so nc o n t r o lt ot h ei n p u te l e c t r i cc u r r e n t ， a v o i d st h et e d i o u sp r o c e s so ft r a d i t i o n a le x a m i n a t i o na c t i v ea n dr e a c t i v ec u r r e n t c o m p o n e n t t h ew h o l es y s t e ma d o p t sd o u b l ed o s e dl o o pc o n t r o la n dh a sg o o d h a r m o n i cc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e a i m i n ga tt h r e e - p h a s et h r e e w i r ea n dt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，ak i n do f c o n t r o la p p r o a c h e sf o rt h e a c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do ni m p r o v e dg e n e r a l i z e d i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rm e t h o di sd e s i g n e di nt h et e x t , t h em e t h o di sm o r e s i m p l et h a nf o r m e r , a n dh a v et h ea b i l i t yo ff i l t e r i n go u tf u n d a m e n t a lc u r r e n tr e a c t i v e c o m p o n e n tw h i c hf o r m e ri n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e rt h e o r y c a nn o ts o l v e e s p e c i a l l yt h r e e p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e rh a r d w a r eh a ss i m p l es t r u c t u r e w i t ho r a yt h r e eg r o u ps w i t c hd e v i c e a c c o r d i n gt ot h ed i s a d v a n t a g e so ft h el o wu t i l i z a t i o nr a t eo fd cv o l t a g ea n d i i a b s t r a c t 量量量曼i ni i i i i ) l 一 f 曼! 兰量量量篁曼 k 曲h a r m o n i cc o n t e n ti nt r i a n g u l a rc a r r i e rl i n e a rc o n t r o lm e t h o d , t h r e e p h a s ea c t i v e p o w e rf i l t e rs p a c ev e c t o rc o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e db a s e do nm e t h o do ff u r t h e r i m p r o v i n gg e n e r a l i z e di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r i na d d i t i o n ，v a r i o u sa c t i v ep o w e rf i l t e r sa led e s i g n e di nt h et e x tw h i c hc a n r e g u l a t ea r b i t r a r i l yo np o w e rf a c t o r , a c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hs v gf u n c t i o ni s r e a l i z e d f i n a l l y , g o o ds i m u l a t i o nr e s u l t si l l u s t r a t et h a tv a r i o u sa c t i v ep o w e rf i l t e r sa r e d e s i g n e di nt h et e x tc a nc o m p e n s a t eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e ro ft h es y s t e m ， h a v eg o o dd y n a m i cp e r f o r m a n c e m o r e o v e r , t h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ef i l t e r sc a l l s u p p r e s sz e r ol i n ec u r r e n t ，a n ds o l v es y m m e t r i cp r o b l e mo fs y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；p o w e re q u i l i b r i u m ；i m p r o v e dg e n e r a l i z e d i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ；s p a c ev e c t o r n l 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：王亟【玄 ： 日期：2 盟芏年三月江日论文作者签名：幺掣i i 磊一一：日期：二塑盟年月4 日 f 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：翌盈y 客 日期： 塑篁年立月避日 一、木， f 一、 口i 导师签名： 岛莲么 日期：年月二日 ：中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文全 文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：凶颀士口博士 作者签名：二2 蕉牛 指导教师签名： 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： a 遣丸 一一 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 随着电力电子技术的飞速发展，工作在非线性条件下的各种功率器件得到 广泛应用，这些电力电子装置在节约能源、提高生产效率和改善人们生活质量 等方面起着重要作用，然而由于电力电子装置的非线性和多样性特点，大量的 谐波和无功电流注入电网，造成系统效率变低，功率因数变差，对其它设备和 装景产生扰动，严重威胁电网的电能质量和用户设备的安全运行。 电力系统的波形畸变并不是一个新问题，2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代，在德 国就提出了静态整流器产生的波形畸变问题。1 9 4 5 年，jcr e a d 发表的汞弧变 流器谐波的论文是早期谐波研究的经典论文，其结论至今仍被工程界采用。 过去，国内外大量采用无源滤波装置来进行谐波和无功补偿，提高功率因 数。传统的l c 无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻适当组合而成，具有 结构简单、设备投资少、运行可靠性高和维护方便等优点。但也存在不足和缺 陷，如无源滤波器的谐波补偿频带窄，只能消除特定的几次谐波，而对某些次 谐波会起到放大作用；当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生 串、并联谐振现象；装置笨重，体积大，损耗大等等。 随着电力电子技术和功率集成电路技术以及相关谐波理论的发展，上世纪 七十年代提出了应用电力电子装置进行谐波和无功补偿的方法，这就是有源电 力滤波器i i j 。其基本原理负载电流的基波部分由系统侧提供，谐波部分由直流 侧提供，从而提高接入点附近的功率因数，达到净化电网的目的。本文利用冲 量相等原则，通过计算得到需要补偿的谐波分量后，对所需的补偿电流进行 p w m 调制来控制开关的通断，从而在逆变电路的输出端得到一组等幅不等宽的 矩形脉冲波形，在出口处滤去杂波后即得实际补偿电流。 东北电力人学硕士学位论义 与无源滤波器相比，有源滤波器具有明显的优越性。它能对变化的各次谐 波和无功同时进行跟踪补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响较小，控 制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。 1 2 有源滤波技术的历史发展与现状 二十世纪七十年代初有源电力滤波器的基本原理和电路拓扑结构就已经基 本确定，但当时由于受到功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力 滤波器的研制一直处于试验研究阶段。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瞬时无功功率理论的谐 波电流瞬时检测方法的提出，使有源电力滤波器得到迅速发展1 2 j 。 自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使用 以来【3 】，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 投入运行，不论是从实现功能还是运行功率上都有明显改善。其中在日本， 已投入使用的a p f 功率范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越宽，从谐波补偿到抑制 闪变和电压调节，应用范围越来越丰富。目前，有源电力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调节、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。 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波器 已经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本己经开始大量使用有源电力滤波器 来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。 与国外相比，我国的有源滤波技术还处在研究阶段，工业中只有少数几台 投入运行。随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题的日益严重， 对电力有源滤波器的研究与应用要提高到一个新的认识高度。伴随着我国电能 质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具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。 第1 章绪论 1 3 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。图1 - l 从不同角 度对a p f 进行了分类m 】。根据应用场合的不同，a p f 可分为有源直流滤波器 和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的 电压的波动，后者则应用于交流电力系统。 图1 - 1 有源电力滤波器的分类 根据逆变电流储能元件的不同，有源滤波器可分为电流型和电压型两种。 电压型滤波装置效率高，初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，经 济，实用于电网谐波补偿。目前实用装置9 0 以上为电压型，技术相对成熟、 完善。电流型滤波装置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，但损耗较大，不适用大容量系统。 从与电网的连接方式看，有源滤波器可分为并联型、串联型和串并联混合 型，以及统一电能质量调节器。图1 2 ( a ) 所示为并联型a p f ，它是最基本的方 式。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电流。优点是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更大的电流。但由于a p f 是和被补偿的谐波负载并联在电网上，须承受电网基波电压，这使其容量很大。 。，警坚皇窒苎耋誓彗呈墼耋蝥耋。，。，。，。，。， 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具有良好的动态特性和较低的开关频率。 “)( f ) 图l - 2 有源电力滤波器的各种拓扑结构 串联型a p f 如图1 2 ( b ) 所示，它的逆变器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，相当于个受控电压源。其主要用于消除 带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐 波和电压波动对敏感负载的影响。串联型a p f 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。但与并联有源滤波器相比， 主要缺点是流过很高的负载电流，使变压器的额定参数上升，体积变大，损耗 第1 章绪论 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。 虽然a p f 能实现大容量和低功耗以及多功能，但由于受开关器件的限制， 容量的增大往往有限，而且造价随之增大。而无源滤波器具有结构简单、造价 低廉等特点，人们便提出各种a p f 和无源滤波器相结合的混合型a p f 来减小 a p f 的容量，提高装置的经济性。无源滤波器和串联型有源滤波器也可混合使 用，如图1 - 2 ( c ) 所示。图1 - 2 ( d ) 和( e ) 所示分别为并联a p f 和无源滤波器混合并 联以及混合串联的使用情况。 另外，为了充分发挥并联有源滤波器和串联有源滤波器各自的优点，可以 将二者组合起来使用，这就是统一电能质量调节器的基本结构 8 , 9 1 ，如图1 - 2 ( 0 。 串联有源滤波器通过变压器接入主电路中，具有谐波隔离、电压调节以及电压 闪变、不平衡补偿等作用，其变压器容量取决于电压调节范围，容量很小。并 联有源滤波器直接与主电路相连，起谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直 流母线电压调节作用。这种结构虽然功率开关器件较多，但开关应力小，容量 不大。两个有源滤波器都采用电压型逆变结构，共用直流平波电容器，损耗低， 效率高；系统输入和输出波形畸变小；电压调节动态响应时间短，范围广，精 度高；能适用于各种负载，能抑制系统中三相电压不平衡。这种电路结构的控 制方式改变后可以实现统一潮流控制器和交流电网移相器的功能。对这种装置 电路结构和控制方法研究是目前电力电子技术领域的一个研究热点和发展方 向。 1 4 有源滤波器的检测技术 有源滤波器控制的第一个环节是补偿指令的获取，这一环节将直接影响到 有源滤波器的性能。谐波电流的正确检测，要求正确选择检测点，精确地、无 延时地获得高次谐波的各种信息，以便于控制补偿电流的产生。必须根据有源 滤波器不同的补偿目的，来选择相应的高次谐波分量检测方法和补偿电流的控 东北电力大学硕士学位论文 制方案。谐波和无功分量分离的方法大致可以分为以下几种： ( 1 ) 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法。带通( 或带阻) 滤波 器用于分离出被检测信号中预定的某一频率分量，是用模拟的方法来实现频域 分析的一种方法，也是最早被采用的谐波电流检测法。该检测方法的优点在于 电路结构简单、造价低廉、输出阻抗低、品质因数易于控制。但是该方法也有 许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大， 难以获得理想的幅频和相频特性；当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度， 而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源电力滤波器的 补偿容量和运行损耗。此外，这种方法只能区分负载电流中不同的频率分量， 无法将基波有功和无功电流相分离，因而目前已较少采用。近年来有文献介绍 利用小波变换提取基波分量实现谐波电流的检测，其具体效果如何还需深入研 究和讨论 1 0 , 1 1 】。 ( 2 ) 基于f r y z e 时域分析的有功分量检测法。该方法的基本原理是将负载 电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全一致的电流分量，称为 有功电流分量；另一个分量为负载电流与有功电流的差值，包含基波无功和谐 波，称为广义无功分量。该方法的主要缺点是必须计算负载的有功功率和负载 电流的乘积以及电网电压信号的平方进行积分运算，再加上其它运算电路所需 要的计算时间，用该方法计算中广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时 问延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。而且，这种方法仅仅区分有功电流 和广义无功电流，却无法将基波无功和谐波电流从基波电流中分离出来，因此 这种方法只能适用于全补偿的场合，对于需要将无功电流和谐波电流分别补偿 的情况，该方法无法应用【l2 】。 上述都是用模拟方法实现谐波检测的，模拟方法虽然具有速度快的优点， 但其调节困难，元器件多的缺点限制了它的应用。在全数字化控制应用中，人 们普遍采用数字方法实现谐波检测。采用f o u r i e r 变换进行谐波和无功分量检测 的方法是比较常用的方法。对采样的电流信号，进行f f t 分析，可以得到电流 中各次谐波。随着数字信号处理芯片运算速度的极大提高，用f o u r i e r 分析检测 谐波所引起的延时也越来越小，实时性有了很大提高。 第1 章绪论 ( 3 ) 基于频域分析的快速傅立叶( f f t ) 检测法。该方法是建立在f o u r i e r 分析的基础上的，因此要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大误差。 通过f f t 将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相 位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变换器得到所需的误差 信号，再将该误差信号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。其优点是可以选 择消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还可以通过电网电压基波分量与 负载电流基波分量的相位关系计算出负载电流的基波有功和基波无功电流；而 且受环境因素影响也较小。但是该方法需要进行f f t 变换及其反变换，计算量 非常大，因而有较大时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时，将 引入较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响很大l l 引。 ( 4 ) 基于采样保持原理的谐波电流检测法。jwd i x o n 等人提出了一种应 用采样保持电路来实现谐波、无功电流和不平衡负载的检测计算方法。此方 案将负载电流经一带通滤波器得到相电流基波瞬时值，其经过整流输入采样保 持电路，采样保持电路与相电压峰值同步。采样保持电路获得的直流信号正比 于电流有功分量幅值。用同样的方法得到另外两相的直流信号。根据负载的有 功功率，对三相直流信号进行平均，平均后的直流信号与三个对称的正弦参考 波形相乘，可以获得各相对称基波有功电流，然后与实际电流相减就得到了所 需的补偿电流值。此方法得到的检测电路既可用于谐波抑制，功率因数补偿， 又能平衡系统三相功率。它没有复杂的坐标变换和乘除法运算，可以避免负载 电流瞬变引起的电源电压波动和瞬变现象。但对电路元器件精度要求较高，调 整较为困难，且电压波形发生畸变时，无法实现有效补偿【1 4 , 1 5 j 。 ( 5 ) 基于a k a g i 三相瞬时无功功率理论的检测方法。这一检测方法在有源 电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是目前a p f 中应用最广的一 种检测方法。基于日本学者ha k a g i 提出的瞬时无功功率理论的三相无功电流 和谐波电流检测主要有f 。、乞运算方式和p g 运算方式。p 口方法参与运算的量为 三相瞬时相电压和瞬时线电流，而f 。、屯参与运算的不是三相瞬时相电压本身， 而是与它们同步的三相对称单位正弦量和余弦量，在硬件电路实现上，w 方法 需要1 0 个乘法器和2 个除法器，而f 。、方法只需8 个乘法器和相应同步三相 东北电力人学硕士学位论文 正弦余弦发生电路。当电源电压对称无畸变，负载电流对称时，两种方法都能 准确检测出基波电流有功分量、无功分量和谐波电流分量。当电源电压和负载 电流均畸变对称时，i o 、乞运算方式仍能准确检测出谐波电流，而阳运算方式 就存在误差l 。2 0 】。 当三相电压或三相电流不对称时，直接应用阳法或i 。、法都存在检测误 差，不能实现非有功电流的完全补偿。采用模拟电路实现的基于瞬时无功功率 理论的谐波电流检测方法用到了太多的乘法器，计算量相对较大，调整困难， 参数依赖性很大，难于保证设计的计算精度。而且，该方法一般只适用于三相 平衡正弦电路系统。 ( 6 ) 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测方法。该方法利用信号处 理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从 负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，而得到所有谐波和无功电流之和。 按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统，故其运行与元件参数几乎 无关，对器件特性依赖性也不大。当电网电压发生波形畸变以及频率波动时， 检测系统仍能正常工作，具有良好的自适应能力，但动态响应速度较慢。由于 人工神经元网络具有自学习和电流自适应能力，因此人们将智能控制理论应用 到无功和谐波电流检测上。文献 2 2 1 将人工神经网络理论和信号处理中的自适应 噪声对消技术相结合，提出了一种基于单个神经元的自适应谐波电流检测方法。 但这些方法大都停留在仿真研究中，还没有应用到实际系统中【2 1 , 2 2 。 1 5 有源滤波器的控制技术 有源电力滤波器要动态补偿负载中的谐波和无功电流，其电流波形可能复 杂、变化速度快且有很大的随机性。因此当有源电力滤波器的主电路及控制对 象确定后，其补偿电流的控制方法将成为决定其性能和效率的关键性环节。现 在比较常用的有三角载波线性控制法、滞环比较电流控制法、无差拍控制法、 特定消谐p w m 控制法、空问矢量调制法。日本电气学会的调查结果表明，三 第1 章绪论 角波脉宽调制方法和滞环比较电流控制方法在实际应用中大体各占了一半。这 两种方法各有优缺点，在实际应用中可以根据系统要求进行选择。 ( 1 ) 三角载波线性控制法( t r i a n g l ew a v e l i n e a rc o n t r 0 1 ) 。该方法将电流 实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，所得到的矩形脉冲作为逆 变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。该方法的 优点是动态响应好，开关频率固定，实现电路简单，缺点是输出波形中含有与 三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 ( 2 ) 滞环比较电流控制法( h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ，h c c ) 。该方法是 目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个 以给定电流为中心的死区或滞环，通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来 控制逆变器的开关动作f 2 3 j 。 滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度，增强了抑制环内扰 动的能力，控制精度较高，还可通过防止逆变器过流而保护功率开关器件。传 统滞环控制也有开关频率变化范围大、负载换路时被控制量常常不能得到有效 控制等缺点。 ( 3 ) 无差拍控制法( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 。该方法是一种在滞环电流控制技 术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考 值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出 值，选择使电流误差最小的开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流 误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化，特别适合 快速暂态控制。缺点是计算量大，造成延迟，而且对系统参数依赖性较大，影 响整个系统的稳定性。近年来不断有新的改进方法出现【2 4 乃1 。 ， ( 4 ) 特定消谐( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n ，s h e ) p w m 控制法。1 9 7 3 年美国密苏里大学的h a s m u k hsp a r e l 和r i c h a r dgh o f l 提出了特定消谐p w m 技术，它的基本原理是在周期性输出波形的特定角度上设置合适的缺口，而且 输出波形满足半周期奇对称，四分之一周期偶对称，通过逆变器的斩控作用， 将固定幅值的电压或电流转换成基波含量极高、消除有限低次特定谐波的等效 正弦波。在四分之一周期的波形上，每设置一个缺口，就可以消除一种谐波。 在相同的t h d 下，特定消谐p w m 具有开关频率低且固定，开关延时小且开关 损耗低，高次谐波相对于基波的含量不变和次级滤波器易于实现的优点。特定 消谐p w m 可以分为单极性和双极性两种。文献【2 6 】利用能量守恒原理实现了特 定消谐p w m 开关角的优化，在不提高开关角数目的情况下，将剩余高次谐波 后推，提高了脉冲优化的效率【2 6 0 7 2 引。 ( 5 ) 空间矢量调制法( s p a c e v e c t o r m o d u l a t i o n ，s v m ) 。该方法是将三相 整流器件作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组 合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等： 其基本思想是在矢量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，使合成的空间矢量含有调制波的信息 2 9 , 3 0 。 采用空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可有效降低开关频率和减小交 流侧线电流的总谐波畸变率；但受一般微控制器运算能力所限，该控制方法经 常要在实现速度与合成脉宽调制( p w m ) 波形质量之间进行折衷，应用d s p 可使该控制系统向高可靠、高性能的全数字化方向发展。 1 6 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括： 1 单相有源电力滤波器的设计与实现。基于瞬时无功功率理论的三相有源 电力滤波器结构简单，运算速度快，控制精度高，但不能直接应用于单相电路。 用构造法实现的基于瞬时无功理论的单相有源电力滤波器，控制算法复杂，不 易实现单周控制。本文设计的单相有源电力滤波器从瞬时有功能量和瞬时无功 能量在系统中传递的角度出发，以调节电网输入的有功和无功能量为目标，直 接对输入的电流进行控制，避开了传统的检测有功和无功电流分量的繁琐过程， 而且更易于实现。整个控制环节结构简单，成本低，运算速度快。同时整个系 统采用双闭环控制，具有较好的谐波补偿性能。 2 三相三线制有源电力滤波器的设计与实现。虽然基于瞬时无功功率理论 第1 章绪论 的谐波电流检测方法在有源电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用， 但是控制算法中用到了太多的乘法和除法运算，计算速度慢，实时性差。由于 算法的局限性，基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法不能准确检测出三 相电压或三相电流不对称时的谐波电流。另外，传统的基于瞬时无功功率理论 的谐波电流检测方法并不能滤除基波电流无功分量，因此存在相位延迟，基波 电流幅值也髓之增大。针对上述缺点，本文设计了一种基于改进广义瞬时无功 功率理论的有源电力滤波器的控制方法。该方法算法简单、运算速度快；不用 单独考虑正序、负序分量的计算；只有a 相电压过零检测，受电压畸变影响比 一般的有源电力滤波器要小：基本上不受负荷变化和三相不对称的影响；基本 上可以避免一般有源电力滤波器的相位延迟问题；而且也适用于不对称有畸变 的电网。 3 三相四线制有源电力滤波器的设计与实现。传统的基于瞬时无功功率理 论的控制方法不能直接应用于三相四线制有源电力滤波器，本文在上述三相三 线制有源电力滤波器的基础上，设计了一种可以直接应用广义瞬时无功功率理 论的三相四线制有源电力滤波器的控制方法。利用该方法实现的三相四线制有 源电力滤波器不用单独考虑正序、负序和零序分量的计算，算法简单，易于实 现：只有a 相电压过零检测，受电压畸变影响小；乘法运算少，运算速度快， 动态响应性好：能有效的抑制零线电流；只有三组开关器件，开关损耗小；基 本上可以避免一般有源电力滤波器的相位延迟问题；而且也适用于不对称有畸 变的电网。 4 功率因数可调的有源电力滤波器的设计与实现。针对不同的用户对功率 因数有不同的要求，本文在上述有源电力滤波器的基础上，设计了一种功率因 数可调的控制方案，包括单相、三相三线制和三相四线制有源电力滤波器。控 制算法简单、实用、可靠性高，能方便、快速地输出感性和容性无功电流，从 而实现了一种具有s v g ( 静止无功发生器) 功能的有源电力滤波器。 5 基于改进广义瞬时无功功率理论和空间矢量技术的三相有源电力滤波器 的设计与实现。针对三角载波线性控制虽然具有数学模型简单、控制线性度好 和容易实现的优点外，但也存在直流电压利用率低等缺点。本文在上述三相有 东北电力大学硕上学位论文 源电力滤波器的基础上进一步设计了采用空间矢量控制技术的有源电力滤波 器。基于改进广义瞬时无功功率理论和空删矢量技术的三相有源电力滤波器能 进一步降低滤波器阶数和减少输出谐波含量。 第2 章单相有源电力滤波器的仿真研究 第2 章单相有源电力滤波器的仿真研究 针对瞬时无功功率理论在单相电路谐波和无功电流的实时检测方面应用比 较困难，本文设计了一种基于功率平衡原理的单相并联型有源电力滤波器的控 制方法。该方法从瞬时有功能量和瞬时无功能量在系统中传递的角度出发，以 调节电网输入的有功和无功能量为目标，直接对输入电流进行控制，避开了传 统的检测有功和无功电流分量的繁琐过程，从而有利于降低有源滤波器的控制 成本。同时，整个系统采用双闭环控制，具有较好的谐波补偿性能。另外，该 方法同样适用于三相四线制有源电力滤波器。 2 1 系统结构 图2 - 1 单相并联有源电力滤波器系统结构图 并联型有源滤波器主要用来补偿电力电子等各种非线性负载的电流谐波， 基于功率平衡原理单相并联型有源电力滤波器系统结构如图2 - 1 所示，整个电 路由电压型p w m 逆变器以及与它相连的直流侧电容和两个滤波电感构成。从 图中可以看出，由于采用的是并联结构，负载输入电压和有源电力滤波器输入 电压都是电网电压，因此，它们是独立运行的，没有相互影响。 东北电力大学硕士学位论文 2 2 有功功率平衡原理 传统有源电力滤波器的控制是从无功和谐波的检测角度出发，得到谐波和 无功的指令信号后，通过有源电力滤波器产生相应的谐波和无功电流，同时为 了维持直流侧电压的稳定，在控制中增加了直流侧电压的控制，计算比较复杂。 本文从有功调节的角度出发，仅通过对有源滤波器直流侧电压的调节就可以获 得系统需要的总的有功功率，同时能保证直流侧电压的稳定，使控制简化。 当负载一定时，负载电阻所需的有功功率近似为 r 1 - 2 毋= 弩= 常量 ( 2 1 ) in 。 一一 吗 假设电网电压无畸变 虬= 、2 u s i n r a t ( 2 2 ) 式中u 为电网电压的有效值。 流入有源滤波器的电流为 乞= 2 厶s i i l ( 删+ 纯) ( 2 3 ) 式中l 当刀= 1 时为基波分量的有效值；刀 1 时为各次谐波分量的有效值，而 对于有源滤波器支路，输入的瞬时功率为 p c = 乙= lcos仍(2-4) 从式( 2 4 ) 可以看出，在电网电压无畸变的条件下，有源滤波器支路输入 的瞬时功率也是瞬时有功功率，无功是在储能元件电感、电容和电源之间进行 交换。从能量平衡的角度来看，有功功率可以看成是从电源侧直接传递给了负 载和有源滤波器直流侧。流入有源滤波器的有功能量除了补充有源滤波器的开 关等损耗外，还使电容上的电压发生变化。从上面的分析可以看出，电网输出 的有功功率为负载消耗的有功功率和有源滤波器输入的有功功率之和，即 第2 章单相有源电力滤波器的仿真研究 只= 男+ ( 2 5 ) 在有源滤波器中，电感不是传统的交换无功意义上的电感，只要开关频率 足够高，它们就可以足够小；忽略其上的电压降和有源滤波器上开关元件的能 量损耗，有 tt = lc o s 仍= 只- e , = c 兰 ( 2 - 6 ) “l 从式( 2 6 ) 可以看出，电容上电压的变化，直接反映了输入有功功率的变 化，而输入有功功率的变化，反映了输入有功电流的变化。负载消耗的有功功 率可以认为是基本不变的，所以通过有源滤波器直流侧电压反馈进行调节，使 阮保持恒定的同时，也就得到了整个系统所需的有功功率。 2 3 控制方案 图2 2 为有源电力滤波的工作原理框图。电压控制环中，u 眦为直流回路 电压瞬时测量值，u 为直流回路电压给定值，两者的差为电压控制量，即有 功电流幅值给定。该电压控制量经过与该相通过锁相环得到的输入参考电压配 相乘后，得到了该相的输入电流给定信号。在电流控制环中，给定信号与该相 实际电流f 。相比较后得到最终的体现有输出电压调节和输入电流调节的指令电 流信号己，经过p w m 调制后得到4 路触发信号，经过光电隔离和放大后驱动 相应的开关器件工作。有源电力滤波器直流侧电压为5 0 0 v ，电压不能太低，否 则控制效果和经济性较差，电感同时起储能和滤波作用。 图2 2 单相有源电力滤波器工作原理图 孵 g i g 4 一般情况下，可以假定电网电压为无畸变的正弦量，谐波和无功补偿的目 东北电力大学硕上学位论文 的就是使电网输入电流为与电压同频、同相位的正弦波。将电网输入电流分解 为基波有功分量0 和谐波分量： = 一0 ( 2 7 ) 如图2 - 3 所示，有源滤波器可以看成是个电流控制电流源，对非基波有 功分量进行反向放大，其中q ( 占) 是非有功分量的检测环节，则有 。 ( 2 8 ) 【= 一= k 一磁一 由式( 2 - 8 ) 得 2 壶 ( 2 - 9 ) 其中“为负载电流的谐波分量。从式( 2 9 ) 可以看出，如果k 值足够大( 在 保证稳定的前提下) ，则输入电流的谐波就足够小，从而使输入电网电流只含有 功电流i 这种控制方式构成了闭环，适当调节k 值就可以得到较好的补偿效 果，功率因数可近似为1 。 2 4 仿真分析 图2 3 单相有源电力滤波器控制原理国 有源电力滤波系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行理论 分析是比较困难的。仿真实验工作可以验证控制系统结构的正确性和算法的准 确性，加深对其控制规律的认识和理解，而且对实验装置参数的选择具有一定 的参考作用。因此，在设计宴际装置之前有必要对控制算法的有效性以及整个 第2 章单相有源电力滤波器的仿真研究 系统的性能进行动态仿真。 系统仿真的目的及其在系统研究中的重要性在于优化设计，预测系统的性 能和参数，使所设计的系统达到最优指标节省实验开支验证控制系统结构的正 确性。为了更好的分析检测系统的动静态性能，本文利用m a t l a b 提供的电力 系统模块工具箱s i m p o w e r s y s t e m s ，以常见的二极管整流电路为负载，在 s i m u l i n k 下对并联有源电力滤波器的谐波和无功电流检测模块及补偿模块建模 并进行了仿真分析。电源电压为2 2 0 v 5 0 h z 市电，直流侧电压设定值为5 0 0 v ， p w m 逆变器开关频率设定值为5 k h z ，电容3 3 0 0 1 a f ，电感5 m h 。 图2 4 单相有源电力滤波器接入后到稳态及负载变化电流波形 图2 4 为单相二极管不可控整流桥负载补偿前后电流波形，由图中可以清 楚的看出采用本文设计的单相有源电力滤波器把一个尖峰负载电流补偿成了一 个比较理想的正弦波电流，而且基本上没有相位延迟。另外，由图中可以看出 本文设计的有源电力滤波器也能很好的适应负载突变的冲击。 东北电力大学硕士学位论文 _ 4 0 图2 5单相不可控整流桥补偿前电流波形频谱分析 向嘎h m e m 翻( 5 0 1 - , i z ) = 4 0 0 1 t i h i d = 1 4 1 e a , - i - i 一i 一： 口2488 01 21 4 8 1 82 0 h m m , o n 耙o r d e r 图2 - , 6 单相不可控整流桥补偿后电流波形频谱分析 图2 - 5 、图2 - 6 为单相二极管不可控整流桥负载补偿前后电流波形补偿前后 的频谱分析，t h d ( 电流谐波总畸变率) 由补偿前的7 0 3 9 调整到了补偿后的 1 8 一荔耄暑霆苞a星 2 1 矗 o 聿 o o d 一焉鬻算董j笛艿伪嚣鬟 第2 章单相有源电力滤波器的仿真研究 1 4 1 ，这说明该有源电力滤波器能很好的抑制系统中的谐波污染问题。除去开 关器件等的功率损耗，基波幅值由补偿前的5 + 1 3 8 a 调整到了补偿后的4 7 7 2 a ， 这说明该有源电力滤波器能更有效地补偿系统中无功流动。 2 5本章小结 本章设计了一种基于功率平衡原理的单相有源电力滤波器。从有功和无功 能量平衡的角度，通过对直流侧电压反馈进行调节，来获得整个系统所需的输 入有功分量方法。这种方法无需复杂的谐波检测，只需一路电流信号和一路电 压信号，从而使整个控制系统得以简化。整体电路结构简单，电感、电容参数 小，开关器件开关频率低，开关损耗小，有良好的经济性和实用性。仿真结果 证明其有很好的动静态补偿性能，能更有效地补偿系统谐波和无功电流。 东北电力大学硕士学位论文 第3 章三相三线制有源电力滤波器的仿真研究 谐波检测方