（电力系统及其自动化专业论文）电力有源滤波器保护电路及多重化控制的研究.pdf

广东t 业大学硕十学位论文 有源滤波器的安全稳定运行，实现其工业化奠定了基础；对多重化瞬时值电流跟 踪控制的控制策略研究，将具有非常重要的理论指导和现实意义，为电力有源滤 波器的先进控制理论研究积累了丰富经验。 关键词：有源滤波器；谐波补偿；双闭环控制；保护电路；多重化控制； a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no fp o w e re l e c t r i c t e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e r ei si n c e s s a n tn e wb r e a k t h r o u g hi nt h ef i e l do fa p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) r e s e a r c h h o wt od e v e l o pak i n do fr e l i a b l ea n dp r a c t i c a l i t ya p f w i t hh i g h - p e r f o r m a n c ea n dl o w - c o s ti st h ec o m m o nt a r g e to f m o s tr e s e a r c h e r s b a s e d o nt h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho f10 0 k v aa p fw i t h c o n t r o ls t r a t e g yo f v o l t a g ea n d c u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o p ”，a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m si nt h ee x p e r i m e n t ，s e r i a l p r o t e c t i v ec i r c u i ta n dm e t h o d sa r er e s e a r c h e di nt h ep r o c e s so fa p fa p p l i c a t i o n t h e s e r e s e a r c h si n s u r et h es a f ea n ds t a b l er u no fa p f , a n de s t a b l i s ht h eb a s ef o r i n d u s t r i a l i z a t i o no fa pf a tt h es a m et i m e ，b yt h ew a yo fi m p r o v i n gc o m p e n s a t o r y e f f e c ta n de x p a n d i n gt h ec o m p e n s a t o r yb a n d w i d t ha n de n h a n c i n gr u d e c h a r a c t e ra n d a c h i e v i n gd y n a m i cr e a lt i m ec o m p e n s a t i o no fh a r m o n i o u sw a v ec u r r e n t ，t h es t r u c t u r e a n dc o n t r o ls t r a t e g yo f a p fm a i nc i r c u i ta r ei m p r o v e d ，t h ec o n t r o lm e t h o do f m u l t i p l e c o n t r o lw i t hi n s t a n t a n e o u sv a l u ec u r r e n tf o l l o w i n gi sp u tf o r w a r d f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n dp r o c r e a n tr e a s o na n dh a r mo fh a r m o n i o u sw a v ea r e a n a l y s e d t h ei n t e r n a la n do v e r s e a sd e v e l o p m e n t a la c t u a l i t ya b o u ta p fi s e x p o u n d e d t h ee x i s t e n tp r o b l e ma n dd e v e l o p m e n t a lt r e n do fa p fa r ei n t r o d u c e d t h ep r i n c i p l ea n dc h e c ko fh a r m o n i o u sw a v ea n dc o n t r o lm e t h o do fs a p fw i t h “c o n t r o ls t r a t e g yo fv o k a g ea n dc u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o p ”a r ei n t r o d u c e d a n d t h e n ，s i m u l a t i o nm o d e lo fs a p fi sa n a l y s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e ra r ec o m p a r e d t h ea c t u a lc o m p e n s a t i o ne f f e c to fs e r i a ls i t u a t i o ni sa n l y s e d b a s e do nt e s t i n gm a c h i n e b a s e do na b o v er e s e a r c h , t h i s p a p e r i n t r o d u c e st h ev o l t a g ea n dc u r r e n t g r a d u a l c h a n g ec o n t r o lp r o t e c tm e t h o do f a p fs t a r t - u pp r o c e s s ，t h ep r e v e n t i v ep r o t e c t o f o v e rc u r r e n t ，o v e rv o l t a g e ，d u d t ，d i d t ，o v e rh e a ta r ep r e s e n t e di nn o r m a lp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h ef e a s i b i l i t ya n di m p a c to ft h ep r o t e c tm e t h o d sa r ed e m o n s t r a t e d u n d e ras e r i e so fs i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t a t i o n s ，t h e yi n s u r es a f e t y & s t a b i l i z a t i o n i i i 广东工业大学硕士学位论文 r u no f a p fa n ds e t t l et h eb a s ef o ri n d u s t r i a l i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，b yt h ew a yo fs o l v i n gs o m ep r o b l e m si ne x p e r i m e n ta n d i m p r o v i n gc o m p e n s a t o r yp e r f o r m a n c ea n de n h a n c es y s t e md y n a m i ct r a c kc h a r a c t e r a n de x p a n d i n gt h ec o m p e n s a t o r yb a n d w i d t ha n de n h a n c i n gr u d e - c h a r a c t e r , b a s e do n c o n t r o ls t r a t e g yo fv o l t a g ea n dc u r r e n td o u b l ec l o s e dl o o p ，s a p fm u l t i p l ec o n t r o l s t r a t e g yi sp u tf o r w a r d t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o da n dm o d e lo fa p fm u l t i p l ec o n t r o l a r ee x p o u n d e d ，t h em u l t i p l es i m u l a t i o nm o d e lo fa p fi sb u i l d e d b e s i d e s ，t h e e x c e l l e n c eo ft h i sc o n t r o lm e t h o di sa n a l y s e dp a s sal o to fs i m u l a t i o n t h er e s e a r c ho fs e r i a lp r o t e c t i v ec k c u i t & m e t h o di np r o c e s so f a p f a p p l i c a t i o n i n s u r es a f e & s t a b i l er u no f a p fa n ds e t t l et h eb a s ef o ra c h i e v i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n t h e r e s e a c ha b o u tc o n t r o lm e t h o do fm u l t i p l ec o n t r o lw i t hi n s t a n t a n e o u sv a l u ec u r r e n t f o l l o w i n gw i l lh a v ev e r yi m p o r t a n tm e a n i n go f t h e o r ya n dp r a c t i c e ，m a n ye x p e r i e n c e s a r ea c c u m u l a t e df o rr e s e a c ho f a p fa d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y k e yw o rds ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ；d o u b l ec l o s e dl o o p ； p r o t e c t i v ec i r c u i t ；m u l t i p l ec o n t r o l 广东工业大学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 6 指刷币粹劂咖 论文作者签字：习新莨 2 0 0 9 年6 月1 日 第一章绪论 第一章绪论 目前电力系统中非线性负荷，尤其是电力电子装置的使用日益增多，特别是 近二十年来，各种电力电子装置在电力系统、工业部门以及家庭中的应用迅速普 及，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严重。谐波电流和无功电 流大量注入电网，引起电网电压闪变、频率变化、三相不平衡和电网电压波形的 畸变。电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全与经济运行。因此，如何 改善电能质量，对供电系统的谐波进行补偿，是摆在人们面前的个重要而有现 实意义的课题。本章从谐波研究的背景出发，首先介绍了谐波的概念，谐波产生 的原因及其危害，随后介绍有源电力滤波技术在国内外的研究现状、存在的问题 及其发展趋势。最后介绍了本文的主要工作及内容安排。 1 1 课题背景 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的关注，治理谐波污染刻不容缓，本课题就是利用有 源电力滤波器，对谐波进行综合治理的研究。 1 1 1 谐波的概念 目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系 统中，电源以单一恒定频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的正弦变化规律向电网供电，系统 中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。这 些电压和电流彼此之间也仅存在幅值和相位的差异，都是具有相同频率的正弦 量。利用复指数或复平面上的旋转矢量，来表示这些同频率的正弦量，构成了传 统电力系统分析和设计方法的基础。在此基础上，人们经过多年努力，对电力系 统在各种理想工作状态下的特性已经有了深入和全面的了解。一般来说，一个实 际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着科学技术的发展，电力 广东t 业大学硕士学位论文 系统中的非线性负载的比重不断增加，理想电力系统的近似程度变差，直接表现 是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点来看，在这些电流和电 压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且出现 一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量( 称为高次谐波分量) ，这一系列正 弦分量统称为电力谐波。在i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中谐波定义为：“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”。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中则定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数 中大于1 的h 次分量”。 在实际工程中，有些非线性负荷会产生非工频频率整数倍的周期性电流。根 据傅立叶级数分解出的非基波整数信频率的分量称为分数谐波 ( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 或间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) ，把频率低于工频基波频率 的分量称为次谐波n 司1 ( s u b h a r m o n i c s ) 。 1 1 2 谐波产生的原因 电力系统谐波并不是一个新问题，早在1 9 2 0 1 9 3 0 年间，德国就已提出了静 态整流器产生的波形畸变问题，到5 0 6 0 年代由于高压直流输电技术的发展，对 换流器谐波问题的研究有大量的文章发表 1 1 1 2 1 。近年来更是由于大容量电力整流、 换流等设备以及电子设备在各工业部门和电力系统及其自动控制中的广泛应用， 使得谐波危害日趋严重，世界各国都对谐波问题十分重视。 电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载 产生的。当正弦基波电压( 当电源阻抗为零阻抗时) 施加于非线性负荷时，负荷 吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。在 实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变的电 压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。 电网谐波主要来自于3 个方面：一是电源质量不高产生谐波，如发电机，发 电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致， 还有其它一些原因，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。二是输配电 系统产生谐波，主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线 的非线性，使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇数次谐波。 第一章绪论 最后是用电设备产生的谐波，它产生的谐波最多【3 _ 1 2 】。大致可以把用电设备 的谐波源分为两大类：( 1 ) 含半导体非线性元件的谐波源：( 2 ) 含电弧和铁磁非线 性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交流调压装置、变流设备、直流拖动设 备整流器、p w m 变频器、相控调制变频器以及现代工业设施为节能和控制用的 电力电子设备等，后者诸如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯、铁磁谐振设备等。 家用电器设备分属上述两类谐波源，虽然其容量小，但数量惊人，因此也是不可 忽视的谐波源。所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生 高次谐波巧。 1 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是工频基波电压。谐波电流和谐波电压的 出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信 系统和公用电网以外的设备带来危害。归纳起来其主要危害有【- ，j s 】： 1 、容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生串并联谐振，造 成过电压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至烧坏。据统计，由于谐波问题引起 的电容故障占电容器总故障率的7 1 8 3 。 2 、使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，产生脉动 转矩或噪音，如果与机械设备的共振点相近，则会产生机械共振，损坏电机。 3 、谐波电流使输电电缆损耗增大，输电能力降低。对容性电缆线路，谐波 使绝缘加速老化、泄漏电流增大、使用寿命缩短，严重的甚至放电击穿损坏，对 三相四线制供电线路，谐波特别是3 次谐波，使中线电流过大而损坏。 4 、测量设备如电压表、电流表、电度表等受谐波的影响造成测量误差，严 重时读数误差可达到2 0 。 5 、使一些保护设备产生误动作，如保护继电器、保险丝等。由于谐波的影 响降低或升高了保护点，该保护时却不动作，不该保护时却保护动作。 6 、对电子设备的影响主要有： ( 1 ) 很多需要过零检测并且以基波频率为基准的设备，因谐波的影响造成过 零误操作。 ( 2 ) 半导体器件常常在电压的过零点动作，以减小电磁干扰和闪变电流，谐 广东工业大学硕七学位论文 波影响了其正确的开关动作。 ( 3 ) 电压的突变造成很大的d v d t ，也影响了一些电子设备，造成设备损坏或 误动作，如很高的d v d t 会使晶闸管导通。 ( 4 ) 非整数和超低频谐波使一些视听设备受到影响，造成较差的效果。 ( 5 ) 电压峰值点的变化影响了电视及计算机画面大小和明暗的变化。 ( 6 ) 使计算机自动控制设备易受干扰而造成程序运行不正常。 7 、谐波造成照明设备寿命减小，如果由于谐波的影响使电压升高5 ，则照 明设备的寿命将减少4 7 。 8 、对通讯线路产生谐波电压的静电干扰和谐波电流的电磁干扰，由于人对 1 k h z 的声音最敏感，因此1 k h z 左右的高次谐波对电话通讯设备的影响比基波 大得多。 9 、谐波电流流过变压器线圈，增大附加损耗，使线圈发热、绝缘老化加速、 寿命减少。并发出噪音。 1 0 、使大功率电机和发电机的励磁系统受干扰而影响其正常工作。 鉴于谐波带来的上述危害，它越来越被人们所重视，西方发达国家很早就制 定了对电力系统谐波污染的限制条件。随着经济发展和电网建设的进步，我国也 制定了一些相关的标准“1 。 1 1 4 谐波标准 针对电网系统的谐波污染和电能质量的恶化，很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。美国海军早在上世纪7 0 年代 就发现谐波的影响并第一个制定谐波限制标准u sm i l s t d 一4 6 1 ，目前该标准仍 被美国军方广泛使用。 为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，各个国家和国际组织在这方面 制定了诸多标准用以限制各种用电设备的谐波排放量，在这些标准中，被广泛接 受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 2 标准。 电气和电子工程师学会于1 9 8 1 年制定了i e e e 6 0 5 1 9 标准，并于1 9 9 2 年进 行了修订。该标准是从电网的角度，对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行 了限制。 4 第一章绪论 国际电工委员会于1 9 8 2 年制定了i e c 6 0 5 5 5 2 标准，并于1 9 9 5 年进行了修 订，修订后的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 2 。该标准是从用电方的角度对负载产生的谐波 进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围之内。 在我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批准的全国供用电 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。针对电 能质量的恶化，我国已先后颁布了以下国标：电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 1 5 4 9 9 3 ) 、电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 代替( g b 1 2 3 2 6 1 9 9 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、电能质 量电力系统频率允许偏差( g b 厂r1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量供电电压允许偏差 ( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b 厂r1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 、供 电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则( g b1 7 6 2 6 7 1 9 9 8 ) 、低 压电气及电子设备发出的谐波电流限值( g b1 7 6 2 5 7 1 9 9 8 ) 。 国标和规定的贯彻执行，无疑给电网的净化起着积极的推动作用，而如何净 化电网的谐波污染则是我们目前需要解决的大问题。探讨各种谐波消除方法，尽 可能的降低进而消除电网的谐波污染，已经成为电力电子技术、电力系统、电气 自动化、电工理论等领域中的重要研究课题。 1 1 5 谐波的抑制方法 对电网谐波进行抑制既是依法用电的强制要求，也是电网安全经济运行的客 观需要。目前，在电力系统中抑制或减小电力电子装置谐波污染问题主要从两个 方面进行： ( 1 ) 主动治理：即从谐波源本身出发，对其进行改造，降低谐波源产生的谐 波和消耗的无功功率，如有源功率因数校正技术和各种p w m 整流技术。 ( 2 ) 被动治理：即设置谐波补偿装置，外加各种无源、有源滤波装置，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。 这两种方法有各自的优点和适用范围，近年来都得到了较快的发展。 主动治理措施主要有以下几种： ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定移相 角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术但 广东1 = 业大学硕十学位论文 是这会使得装置更加复杂。 ( 2 ) 采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方 波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本 较高。 ( 3 ) 采用脉宽调制( p w m ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术。采用p w m 技术， 使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，但只适用于自关 断器件构成的变流器。 ( 4 ) 设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等， 可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为1 。 被动治理措施主要有以下几种： ( 1 ) 采用无源滤波器( p f ，p a s s i v ef i l t e r ) 。在谐波源附近或公用电网节点装设 单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行 维护简单。 ( 2 ) 采用有源电力滤波器( a p f , a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在谐波源附近或公用电 网节点装设并联型或串联型a p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联 型a p f 还可以进行无功功率补偿。 ( 3 ) 采用混合型有源电力滤波器( h a p f ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。h a p f 兼具p f 成本低廉和a p f 性能优越的优点，属于a p f 的分支和发展。 在被动治理谐波的措施中，无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非 正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。有源 滤波器则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从 而改善系统的电流波形。 在电力系统中装设p f 一直是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。p f 因其 结构简单，既可补偿无功，又可抑制谐波而一直被广泛应用。但p f 也存在如下 缺点： ( 1 ) 滤波性能受系统参数的影响较大。系统的结构、工作状态和电源频率漂 移都会导致l c 滤波器的滤波特性改变，使其难以获得预期的滤波效果。 ( 2 ) 只能抑制按照设计要求规定的谐波成分。单调谐滤波器只能消除特定次 数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波，有时由于高次谐波成分较 多，必须同时加入多个滤波器，使整个滤波装置的成本和体积增加。 6 第一章绪论 ( 3 ) 不能对谐波实现动态补偿。尤其是对于谐波次数经常变化的负载滤波效 果不好。 ( 4 ) 可能与电力系统发生串并联谐振。造成电压畸变而产生附加的谐波电流 流入l c 滤波器，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。 ( 5 ) 谐波电流增大时，l c 滤波器的负担随之加重，可能会引起滤波器的过载， 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。 ( 6 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调，功能相对来说比较少。 ( 7 ) 有效材料消耗多，体积比较大。 目前的趋势是采用电力电子装置对谐波进行抑制，即使用a p f 技术进行谐 波抑制。a p f 是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，已经能够对频率 和幅值都变化的谐波和无功电流进行补偿，可以弥补p f 的缺点，获得比p f 更 好的补偿特性7 引，是一种理想的补偿谐波的装置。 1 2 有源电力滤波器的发展现状 有源滤波的思想最早是在1 9 7 1 年由h s a s a k i 和t m a c h i d a 提出的，当时是 采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大、成本高，因而仅在实验室研究，未 能在工业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出用四象限p w m 变流器构成有源 电力滤波器，正式确立了有源滤波的概念，并提出了相应的主电路基本拓扑结构 和控制方法。其基本原理是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向 相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的。 但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，加 上限于当时控制策略和控制芯片的水平，因而有源滤波器仍局限于实验研究，7 0 年代后半期没有得到大的进展。直到进入8 0 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，使a p f 得到迅速完善和发展。从1 9 8 2 年世界第一台a p f ( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功而被正式投入应用以来，越来越多的a p f 投入了运 行，不论从实现功能上还是从运行功率上都有明显改善。 国外a p f 的研究以日本为代表，已步入大量实用化的阶段。美国的罗宾康 ( 现已被s i m e n s 收购) 、欧洲的a b b 和德国的s i m e n s 等大公司均有成熟的 7 广东工业大学硕十学位论文 产品。我国在电力有源滤波器方面的研究起步较晚，目前很多大学及科研机构正 积极进行这方面的相关研究，部分单位已经研制出样机并投入试运行。但由于用 电机制以及成本等因素，在我国广泛应用a p f 还需要一段时间。 1 2 1 有源电力滤波器的分类及拓扑结构 目前投入使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样，可以从主电路结 构、接入电网方式和供电系统形式等几个方面对a p f 进行分类。 1 按主电路结构分类 根据主电路贮能元件的不同一1 1 s 】，a p f 可分为电流型和电压型两种，其电路 结构如图1 1 所示。电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在正常 工作时，其电流基本保持不变，但由于电流型主电路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，不适用于大容量系统，目前较少使用。 不过随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多的电流型a p f 投入使用 【1 0 1 1 l l 】o 电压型a p f 的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持 不变。电压型a p f 损耗小、效率高、初期投资小，可任意并联扩容，易于单机 小型化，经济性好，适用于电网级谐波补偿【s s l 。目前使用装置9 0 以上为电压型， 技术相对成熟、完善。 图1 1a p f 的主电路结构 f i g 1 1m a i n c i r c u i ts t r u c t u r eo f a p f 第一章绪论 有 源 乜 。 1 滤 波 器 l j 联型a p f ， ：联型a p f 注入电i i 式 串一并联混合型( u p q c ) 图1 2a p f 的系统分类 f i g 1 - 2s y s t e mc l a s s i f i c a t i o no f a p f 2 按接入电网方式分类 从接入电网的连接方式看，a p f 可分为并联型、串联型和串并联混合型三 大类，其具体种类划分如上图l 一2 所示。 并联型a p f 如图1 - 3 ( a ) 所示，是有源电力滤波装置中最基本的构成方式。并 联型a p f 与系统并联等效为一个受控电流源，向系统注入与谐波电流大小相等， 方向相反的电流，从而达到滤波的目的，主要适用于电流源型感性负载的谐波补 偿。并联型a p f 通过耦合变压器或直接并入系统，不会对系统运行造成影响， 具有投切方便、灵活以及保护简单的优点；另外，并联型a p f 还可以并联使用 以提供大的电流，可以应用于多种容量的场合，目前工业上已投入运行的a p f 多采用此方案。 9 一一一一一一 一一一一一 广东- r = 业大学硕十学位论文 ( a ) j ：联型a p f ( b ，并联型a p f 。j p f - 并联键j i( c ) 并联型a p f j p f 串联使j 羽 ( d ) 串联游振：i 生入式( e ) ， ：联i 挎振注入式 图1 3 并联型a p f 的基本拓扑结构 f i g 1 3b a s i ct o p o l o g yc o n f i g u r a t i o n so f s h u n ta p f 并联型a p f 又可以分为单独使用方式、与无源滤波器混合使用方式和注入 电路方式三种。其中，并联型a p f 与无源滤波器混合使用方式又分为并联方式 和串联方式两种，如图1 - 3 ( b ) 、图1 - 3 ( c ) 所示；注入电路方式也分为串联谐振注 入式和并联谐振注入式两种，如图1 - 3 ( d ) 、图1 - 3 ( e ) 所示。 串联型a p f 如图1 - 4 ( a ) 所示，经耦合变压器串入系统，它可等效为一个受控 电压源，主要是消除电压源型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的 影响。与并联有源滤波器相比，其主要缺点是流过很大的负载电流，使得变压器 的额定参数上升，体积变大；此外串联型a p f 的投切和故障后的退出以及保护 也较为复杂。它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，可以为负载提供一个好的系统电压。目前，串联型a p f 的 应用较少。串联型a p f 又可以分为单独使用方式、与无源滤波器混合使用方式 l o 第一章绪论 两种。其中，串联型a p f 与无源滤波器混合使用方式如图1 - 4 ( b ) 所示。 ( a ) 串联型a p f ( b ) 串联挝a p fb 无源滤波器j l ：联使 f j 图1 4 串联型a p f 的基本拓扑结构 f i g 1 - 4b a s i ct o p o l o g yc o n f i g u r a t i o n so f e s t a b l i s ha p f 串并联混合型a p f 如图1 5 所示，又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 rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 。它综合了串联型a p f 和并联型a p f 两种结 构，充分发挥了两者各自的优点，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能 质量的综合性问题。并联型a p f 直接并入系， 统，起到补偿谐波电流、无功电流、三相不平衡以及直流母线电压调节作用；串 联型a p f 通过耦合变压器串入系统，起到补偿谐波电压、消除系统不平衡、调 节电压波动与电压闪变等作用。u p q c 同时拥有并联型a p f 和串联型a p f 两者 的优点，被认为是最理想的a p f 的结构，但其主要缺点在于成本较高和控制复 杂。对u p q c 电路结构和控制方法的研 i 图1 5串并联混合型a p f ( u p q c ) 的基本拓扑结构 f i g 1 5b a s i ct o p o l o g yc o n f i g u r a t i o n so fu n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r 究是目前电力电子技术领域的一个研究热点和发展方向。 3 按供电系统方式分类 根据供电系统方式的不同，可将a p f 分为单相a p f 和三相a p f ，其中后者 广东工业大学硕士学位论文 又可分为三相三线制a p f 和三相四线制a p f 。用于单相系统的a p f 称为单相 a p f ，用于解决单相系统的相关谐波问题；用于三相三线系统的a p f 称为三相 三线制a p f ，用于解决三相三线系统的相关谐波问题；用于三相四线系统的a p f 称为三相四线制a p f ，用于解决三相四线系统的相关谐波问题。这种划分的目的 主要是为了讨论方便，与滤波器的内在特点关系不大。 1 2 2 有源电力滤波器的谐波检测方法 对于a p f 而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、 准确性、灵活性以及可靠性直接决定a p f 的补偿性能。为了能快速检测谐波电 流，人们已经提出了许多方法，文献【1 2 卜 1 8 】对各种谐波检测方法做了详细的描 述，下面对目前常用的谐波电流检测方法进行简单综述： ( 1 ) 基于频域运算的方法。这是最早应用于指令电流运算的一类方法。其基 本思想是用频域滤波的方法( 使用带通或阻通滤波器) ，首先分离负载电流中的 基波分量和谐波分量，然后再使用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波 有功分量和基波无功分量。由于需要采用锐截止的高阶带通滤波器，所以附加相 移较大。另外，其滤波器特性对电网频率波动和电路元件参数也较敏感。所以该 方法已较少采用，而转向以快速傅立叶变换为基础的全数字频域滤波方法，并且 能自动跟踪电网频率的波动而自适应提取基波分量。但该方法仍存在较大时延、 实时性较差、补偿效果不好等问题。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法。其原理是将负载电流分解为与电压 波形一致的分量，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。该方法的缺 点为由于f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上的，所以要求得瞬时有功电流 需要对一个周期的电流、电压进行积分运算，再加上其它运算电路，要有几个周 期延时。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际上是几个周期前的电流值， 故该方法很少被采用。 ( 3 ) 同步测定法。最初，该方法被用于改善单相电路的传输电流波形和功 率因数，它是一种使补偿后的线路传输电流和电源电压波形相同、相位相等的补 偿电流检测方法。和其它电流检测方法相比，该方法具有信号检测抗干扰能力强、 波形跟踪快等优点。后来该方法又被推广应用到三相电路中，用于补偿三相不对 1 2 第一章绪论 称系统中的谐波和无功。根据补偿分量在三相中的不同分配方法，它又可分为等 功率法、等电流法和等电阻法，即分别使补偿后的单相功率、电流或电阻相等。 ( 4 ) 基于鉴相原理的瞬时电流检测法。所谓鉴相，就是利用乘法器和低通 滤波器提取两个输入信号的相位差的信息。利用此原理，经过被检测信号和参考 信号的相关运算，可以提取出被测信号中的基波分量，然后与原信号相减，即可 得到要检测的谐波电流。该方法可以基于各相独立检测，从而可以解决三相不对 称谐波电流的检测问题。这是该方法的独特之处。 ( 5 ) 小波变换法。小波变换作为一种新兴的理论，时域特性具有良好的局 部性，而且由于其高频段采取逐渐精细的时频步长，可以聚焦到分析对象的任意 细节，但由于连续小波变换的快速算法和重构难以实现，另外，小波函数的窗口 能量不能集中，从而造成混叠现象，其频率中心和半径并不满足二进条件，致使 随着尺度的伸缩出现分频不到位的问题，加重了混叠现象。因此，该方法的具体 效果如何还有待深入研究和探讨。 ( 6 ) 自适应闭环检测法。基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法， 把电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，经自适应滤波器处理后，输出一 个与电压波形相同的有功分量信号，将此信号从负载电流中扣除，得到高次谐波 和无功电流之和。由于该方法把基波电流作为噪声源，谐波电流作为信号源，构 成一个闭环连续调节系统，故该方法具有良好的自适应能力。 ( 7 ) 基于神经网络的谐波检测方法。目前人工神经网络已成功用于谐波检 测。神经元是组成神经网络的基本单元，它有一定的映射能力及自适应和自学习 等功能，故单个神经元可视为最简单的神经网络。已有文献通过研究单个神经元 的映射关系和学习算法，提出了基于单个神经元的谐波检测方法，并用模拟电路 做成实验装置，实验结果表明该方法是可行的。 ( 8 ) 基于单位功率因数的谐波和无功检测方法。该方法利用复合负载的概 念，经过少量的计算提取出负载电流中的谐波和无功电流之和。该方法不需坐标 变换，可省去繁琐的计算，且适用于单相电路和三相不对称、有畸变的电路。该 方法的不足之处在于它只能得到谐波电流和无功电流的总和，而不能单独得到谐 波电流分量。 ( 9 ) 基于瞬时无功功率理论的方法。基于无功功率理论的运算法是目前三 相电力有源滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。最早是由日本学者 广东工业大学硕士学位论文 h a k a g i 于1 9 8 4 年提出，仅适用于对称三相电路，后经不断改进，现已包括p - q 法、i p i q 法以及d - q 法等，p - q 法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网； i p - i q 法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转 p a r k 变换的d - q 法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对 称、有畸变的电网。 1 2 3 有源电力滤波器的电流控制方法 对于补偿谐波电流而言，a p f 是作为一个受控电流源工作的，因此如何控制 逆变器产生与指令电流相同的补偿电流是决定a p f 补偿性能的一个重要方面。 a p f 的电流控制应该满足下面的基本要求：( 1 ) 在很宽的频带内，没有幅值和相 角误差( 理想跟踪) ；( 2 ) 很好的动态性能；( 3 ) 有限的或恒定的开关频率以保护功 率开关器件；( 4 ) 较高的直流母线电压利用率。 目前，a p f 常用的电流控制方法有滞环电流控制、三角波调制控制、模糊控 制、空问矢量调制控制、无差拍控制、滑模变结构控制、单周控制、预测控制等， 文献【1 3 3 3 中做了详细的介绍，下面对它们进行简要的归纳介绍。 ( 1 ) 空间矢量控制。空间矢量调制( s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ，s v m ) 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 组合的作用时问，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。 基于d s p 的积分空间矢量脉宽调制( i n t e g r a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， i p w m ) 控制方法由于引入了积分开关，变流器的开关频率主要由开关积分矢量 的误差允许范围决定，从而使得i p w m 可以从调节采样频率、开关积分矢量误 差允许范围以及目标区域位置和宽度几方面优化控制策略。该方法简单易行，无 需计时器，且输出电压频谱连续。 s v p w m 法对直流电压的利用率达到最高，与常规的s p w m 法相比，它的极限 输出电压可以提高1 5 4 7 。