（电力系统及其自动化专业论文）配电网有源电力滤波器（apf）的研究.pdf

中窝农监大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e rd i s c u s s e dh a r m o n i e sc u l t e n t sh a r m f u l n e s si np o w e rs y s t e ma n dt h en e c e s s a r yf o rh a r m o n i c s u p p r e s s i o n ，b a s e do n t h ea n a l y s i so f p r e s e n tc o n d i t i o n sa n dd e v e l o p m e n to f h a r m o n i cs u p p r e s s i o nb o t h a th o m ea n da b r o a d ，w ef o r e c a s t e dt h ew i d e l ya p p l i c a t i o n so f a p f ( a 髓i v ep o w e rf i l t e r ) f o rh a r m o n i c s u p p r e s s i o n w i t l lt h es t u d yo ft h ed e v e l o p m e n to fa p f , w ep r e s e n t e dt h ed e s i g ns c h e m eo fd i g i t a l c o n t r o lf o ra p fb yd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，i n c l u d et h es y s t e mb l o c kd i a g r a m ，s i m u l a t em o d e l ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l to f h a r m o n i c sd e t e c t i n ga n dc o m p e n s a t ec u r r e n tg e n e r a t i n g ， i nv i e wo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fh a r m o n i c ss u p p r e s s i o ni np o w e rs y s t e ma n dt h ef l e wt r e n d so f a c t i v ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e s ，a l s ow i t ht h ec o n s i d e r a t i o n so fc o s t ，c r e d i b i l i t ya n df i l t e rr e s u l t ，t h e h y b r i dc o m p e n s a t o rc o m p r i s e db yp a s s i v ef i l t e r sa n da p fi su s e d t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo f h y b r i d c o m p e n s a t o ra r es h o w e di nc h a p t e rt w o ，o nt h eb a s i so fa n a l y s e si t sm a t h e m a t i cm o d e l ，i tp r o v e dt h a t t h et o p o l o g yo ft h eh y b r i dc o m p e n s a t o ri se c o n o m i c ，r e a s o n a b l ea n da p p l i c a b l e t h er e s e a r c hw o r ko f b e l o wi sf o c u so nt h ed e s i g no fm a i nc i r c u i ta n dh a r m o n i cd e t e c t i n ga l g o r i t h mb a s e do nd qt r a n s r e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a tt h ed i g i t a ll o wp a s sf i l t e ri nt h eh a r m o n i cd e t e c t i n ga l g o r i t h ma f f e c ta p f s s p e e do f d 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 na c c u r a c y , t h ef r a m eo f t h ea l g o r i t h ma n dt h ec h o o s eo f t h e d i g i t a ll o wp a s sf i l t e ra r ed e c i d e db yt h em a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n ds y s t e ms i m u l a t i o n w ep r o v i d e dt h e f o r m u l a sf o rt h ec a l c u l a t i o no fm a i nc i r c u i t sp a r a m e t e r , a p f sc o n t r o lt a c t i c si sd e c i d e db yt h e m a t h e m a t i c a la n a l y s i sa m o n gl o a dc h r r e n td e t e c t i n gt a c t i c s ，s o u r c ee h r r e n td e t e c t i n gt a c t i c sa n d m u l t i c o n _ 【r 0 1t a c t i c s b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i so f t h ea p f , w ed i dt h es y s t e ms i m u l a t i o no f a p fb ym a t l a b t o o l s ，t h e d 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 na c c u r a c yo fa p fa r ev a l i d a t e di nt h ev a r i o u sp o w e rs y s t e mt h a t d e e p l ya f f e c tb yt h eh a r m o n i c sc u r r e n t t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na p p r o v e dt h et h e o r ya n a l y s i s s c r e d i b i l i t ya n dc o n f i r m e dt h ep a r a m e t e ro ft h em a i nc i r c u i t ，i ts u p p l yr e f e r e n c e st ot h ee x p e r i m e n t r e s e a r c hw o r kb e l o w a tl a s t ，w ed i dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho nh a r m o n i c sd e t e c t i n ga n dc o m p e n s a t ec u r r e n tg e n e r a t i n gb y f r e e s c a l e sd s p 5 6 f 8 0 7 t h er e s u l to f t h ee x p e r i m e n ta p p r o v e dt h ea c c u r a c yo f t h es i m u l a t i o n k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o n h 一 独创性声明 本人声明辑呈交的论文是我个人程导师指导下进行的研究工作及取锝的磅究成 果。尽我掰辩，除了文中祷剐蕊l 美称注羊鞋襄落静髋方舞，论文中不包含英德入邑经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一问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 磷兹说臻著表示了落蠢。 磺究生魏刮翔亨 磺究生签名：例孕树r 季 霹潺：如多年彭月? 罗瑟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规怒，即：学校裔权保留 送交论文豹复印斧露磁盘，竞诲论文羰查蘑蠢氆阕，可强采舔影印、缀印或秘臻等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 国l 露戆学位论文在瓣密惹应遵守魏蛰议) 磺究生繇剀翔字帆如舌年月踟 导掰签名； 枷翻卅 辩闼：气脚f 年j 胃；尹霹 中国农业大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 屯力系统中，正常的电压和电流波形应是工频下的正弦波。但是实际的波形总有不同程度的 非正弦畸变，波形畸变这一现象早在本世纪二十年代就已有报道，不过却在近二十年才被世界各 国电力系统的技术人员所重视，其原因很明显：各种换流器件的大量应用、电气机车行驶的范围 与地区越来越广、电弧炉的容量越来越大，以及含有开关电源的家用电器广泛普及等等，导致了 电力系统波形严重畸变。波形畸变产生高次谐波，而高次谐波对系统内各种电力设备、用户和通 信线路带来危害，谐波电流和无功电流大量注入电网，影响电能质量，输电效率和设备的安全运 行及正常使用。国民经济各部门乃至家庭都受到谐波的影响，谐波己成为电力系统中的公害。 本文主要研究三相有源电力滤波器在三相电网系统中进行谐波抑制的问题，针对单独使用有 源电力滤波器的成本高，采用了一种将无源电力滤波器和有源电力滤波器( a p f ) 混台使用的方 式来对谐波进行治理，为了进行更加深入的理论分析，在m a t l a b 的s i m u l i n k 仿真环境f 建 立了有源电力滤波器的系统仿真模型，并对设计的电路进行了系统仿真。仿真结果证明，有源电 力滤波器对谐波电流、三相不平衡负载和系统无功功率都起到了很好的补偿效果。同时，当负载 变化的时候，有源滤波器具有良好的动态补偿特性，设计了基丁数字信号处理器( d s p ) 的原理 实验模型，采剧f r e e s c a l e 公司的1 6 位d s p 完成了实时谐波测量，电流反馈控制等环节的实验， 原理实验验证了仿真的正确性，为有源电力滤波器的实用化打下了一定的基础。 本文首先介绍了混合型有源电力滤波器的结构和工作原理，然后分别说明了谐波检测方法、 电流反馈控制和主电路的设计，最后给山了系统仿真模型、仿真结果和基丁原理实验模型上的物 理实验数据。 1 1电力系统谐波及其危害 电力系统的谐波问题早在上个世纪2 0 年代就引起了人们的注意。到了五、六十年代，由于 高压直流输电技术的发展，有关变流器引起电力系统谐波的问题引起了人们的重视。7 0 年代以 来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在各个领域的应用越来越广泛，谐波造成 的危害也日益严重。 电力系统所产生的谐波有以下两类【j ： ( 1 )暂态谐波。暂态谐波的产生是由于在电力系统中使用的电气开关操作所引起，另外， 电力系统或者使用电力的生产设备发生故障，也将产生暂态谐波。 ( 2 ) 稳态谐波。稳态谐波是由电力系统中非线性负荷所产生。这些非线性负荷有： 1 ) 电流源浩波：大功率交流装置，如火型电解电源、大型电化电源、电力机车、轧钢 机械设备、中高频加热炉、电弧炼钢炉、频率变换器、通用变频器等。这些崩电负 荷设备的共同的特点是使用了大功率的电力半导体器件； 2 ) 电压源谐波：含有铁芯的大容量变压器、电动机、电焊机、铁芯电抗器、电压互感 器等； 3 ) 其它像电视机、电池充电器、荧光灯等装置也会产生谐波，虽然单个装置的功耗不 大，但由于使用面广，数量很多，因此，它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。 在各种形式的谐波源中，电流源谐波对电网的影响最大，电压源谐波对电网的影响极小。近 年来变频调速控制系统应用越来越广泛，其对屯力系统的谐波污染不容忽视。 谐波对公用电网及其它系统的危害主要有以下儿个方面： ( 1 ) 对发电机、电动机的影响 谐波会在电机的定子绕组、转子回路以及铁芯中产生附加损耗，这些附加损耗要比其本身的 直流电阻所引起的损耗大，电机会产生过热现象，并使电机效率降低。谐波电流还会增加电机的 噪声，产生脉冲转矩引起谐波振动。 ( 2 )对电力电容器的影响 电力电容器对谐波较为敏感，电容器的容抗与频率成反比，故在高次谐波电压作用r 的容抗 要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变作用远大丁使谐波电压波形畸 变的作用。在发生谐振的情况r ，很小的谐波屯压就可引起很大的谐波电流，注入并联电容器后 产生谐波损耗，在被放大的情况下，产生过电压导致局部放电，使电容器产生噪声、发热、击穿 和鼓肚等危害。 ( 3 )对变压器的影响 高频谐波注入变压器，将产生集肤效应和邻近效应，增加附加的铜耗和铁耗，使之发热，功 率损耗随着谐波成分增加，而且变压器的运行噪声与振动都将加大，若谐波电压过高，会击穿匝 间绕组。 ( 4 ) 对输电线路的影响 谐波电流在传输线路中产生附加损耗使网损增加，加速电缆绝缘老化，影响使用寿命。低次 谐波过大，易造成输电线路局部过热。对1 - 3 3 0k v 以l 供电系统，过高的谐波电流能显著延长 短路时潜供电流的熄灭，导致重合闸失败。谐波源和电力系统中的某些电感、电容元件构成串联 或并联同路，可能产生串联或并联谐振，其形成的谐振环流将大大超过谐波源注入的谐波电流， 造成严重危害。 为了避免谐波的危害，保持高水平的电能质量，不少国家和国际组织制定了限制用电设备谐 波的标准。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。i e e e 6 0 5 1 9 于 1 9 8 1 年制定，并于1 9 9 2 年进行了修订，该标准是从电网的角度来对公共连接点的电压和电流的 波形畸变进行限制。i e c 6 0 5 5 5 2 标准则是对负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网的谐波在 规定的范围内。i e c 6 0 5 5 5 2 标准丁1 9 8 2 年制定，在1 9 9 5 年修订，修订后的标准为i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 。 在我国，原水利电力部丁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。国家技术监督局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁 布了电能质量、谐波方面的国家标准g b l 2 3 2 5 9 0 ( 电能质量供电电乐允许偏差) 、g b l 2 3 2 6 ( 电 能质量电压允许波动和闪变) 和g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用电网谐波) ，该标准己于1 9 9 4 年3 月1 日起在我国全面开始实施。 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 谐波的抑制方法 目前，谐波抑制的方法可以分为两种。一种是在电力屯子装置完成自身任务的同时，对电力 电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，应用有源功率因数校止技术和各种p w m 整流技术降 低此类设备对无功功率的需求；另一种是设置谐波补偿装置，如各种无源、有源滤波装置设法 抑制由各种非线性负载所产生的谐波口j 。 对第一种方法，目前主要是增加整流相数、采用多重化技术、先进的控制技术( 如p w m 技 术、谐波消去优化法等) 、限制变流器的容量、加入滤波环节等来实现。尽管这些措施可以有效 地减少高次谐波，但由丁屯力电子装置的上作机理所决定，必然还会产生一些高次谐波。 对于第二种方法，目前国内外人量使用由电容、电抗和电阻元件构成的l c 无源滤波器。这 种滤波器与谐波源并联，起旁路谐波的作用，同时还可以兼顾无功补偿。由于l c 无源滤波器结 构简单、技术成熟、运行可靠性高、维护方便，因此得到了广泛的应用。但它也存在许多的不足 和缺陷：首先，它的补偿特性对电网阻抗和频率的变化十分敏感；并且会在某些情况r 和系统发 生谐振，导致谐波放大，引起事故：其次，滤波效果不够，且无源滤波器的设计人多针对特定频 率的谐波，只能滤除特定次的谐波，对丁非特征次的喈波有时还会放大。 进入8 0 年代厉，随着电力电子技术的发展，电力电子器什的导通容量、开关频率等性能大 大提高，p w m 控制技术日趋成熟，采用有源电力滤波器对谐波进行治理已经在丁业上投入实用， 应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展”j ，大多数有源电力 滤波器采用高速的单片机或d s p 运用数字信号处理的方法实时计算谐波和无功电流，非线性负载 所产生的电流送入a d ，转换后的信号送入d s p 进行处理，得出指令电流信号，通过i o 口或 p w m 口直接发出开关控制信号，形成谐波补偿电流，有源电力滤波器的使用解决了无源电力滤 波器和系统发生谐振、谐波抑制的效果受负载影响大等缺陷，成为抑制谐波电流，改善电能质量 的一大发展方向。 1 3 有源电力滤波器的发展及现状 1 3 1有源电力滤波器的发展历程 1 9 6 9 年，b m b i r d 和j em a r s h 发表的论文描述了向交流电网中注入3 次谐波电流来减少 电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的方法，但这种方法不能迫使电源电流成为正弦 波电流。尽管他没有描述一个完整的有源电力滤波器，但文中所描述的方法可以认为是有源电力 滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和一m a c h i d a 发表的论文首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。 但由于当时是采用线性放大的方法产生谐波补偿电流，损耗大，成本高，冈而仅在实验室中研究， 未能在工业系统中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e c s t r y e u l a 提出了采用p w m 变流器构成的有源电力滤波器。他们 在论文中还讨论了有源电力滤波器的实现方法和相应的控制原理。正是这篇论文确定了有源电力 滤波器的基本概念并建立了当今有源电力滤波器的基本拓扑结构。然而，由于2 0 世纪7 0 年代 1 中国农业入学硕士学位论文 第一章绪论 电力电子技术的发展水平和大功率可关断器件的限制，对有源电力滤波器除了实验室研究外，没 有任何进展。 8 0 年代后，随着电力电子技术和p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究开始活跃 并快速发展起来。1 9 8 3 年，h a k a g i 等人提出的“三相电路的瞬时无功功率理论”，极大地促进 了有源电力滤波器技术的快速发展，并使之走向工业实用化。此后不久，h a k a g i 等人又研制出 7 k v a 有源电力滤波器实验装置，用丁补偿2 0 k v a 三相全控整流器产生的谐波电流和无功功率获 得成功，其实验结果证实了有源电力滤波器的可行性和实用性【4j 。此后的数年里，日本出现了许 多大容量及实现各种补偿功能的有源电力滤波器工业应用装置。 同时，在8 0 年代中期，混台型有源电力滤波器也取得了很大进展，如：1 9 8 8 年，e z p e n g 的串联a p f 加并联无源滤波器( p f ) 的h a p f ：1 9 9 0 年，h f u j i t 等的a p f 与p f 相串联的h a p f ： 1 9 9 4 年，h a k a g i 等的串联a p f 和并联a p f 混合使用的h a p f 等等。9 0 年代后划，并联a p f 在 日本、美国等国开始应用，用s i t h 实现的2 0 0 k v a 谐波抑制装置于1 9 8 8 年启用；用i g b t 实现 的1 0 0 k v a 的a p f ，1 9 8 8 年用于对建筑物中的供电系统进行补偿。国外现在已经形成了 5 0 k v a 一1 m v a 的a p f 产品 5 】o 1 3 2 有源电力滤波器的发展现状 目前，国外有源电力滤波器的研究以日本为代表。由于其理论研究较早，有源电力滤波器已 经步入工业化麻用阶段。自1 9 8 2 年世界上第一台g t o 有源电力滤波器在日本问世以来，日本已 经有2 0 0 多台有源电力滤波器投入使用，最人的一台容量达2 0 m v a 。有源电力滤波器作为消除 电力公害，改善电能质量的有力工具，在美国、日本等发达国家已广泛用丁国民生产的各个部门。 随着容量的逐步提高，其应用范围向改善整个电力系统供电质量的方向发展，越来越多的应用反 过来对理论研究起到了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有论文发表。9 0 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。到目前为止，有源电力滤波器在 我国尚未得到工业领域的广泛应用【6 j 。这与我们国家当前由于大量电力电子装置的使_ = | j 而造成的 严重谐波污染是不相适应的，有源电力滤波器的研制和应用有着广泛的应用前景和市场潜力。 传统的有源电力滤波器是采用模拟控制方法，其缺点也是显而易见的，采用复杂的算法需要 人量的硬件乘法器，而通常选用的高性能四象限模拟乘法器造成电路复杂，成本高，为了改善有 源电力滤波器的控制性能和可靠性，随着单片机和d s p 技术的广。泛应用，有源电力滤波器开始向 着数字化的方向改进。 目前来说，有源电力滤波器的补偿电流检测方法主要有下面j l 种。 ( 1 ) 基波电流减去法。使用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中滤去，从而得到高次 谐波电流作为补偿对象，该方法虽然简单，但这样的有源电力滤波器功能单一，而且带阻滤波器 是理想的模型，t 程上不可能实现。这种方法多用于补偿要求不高的场合，它已经不能满足现代 电力系统的需要。 ( 2 ) 频率分析法。该方法的基础是傅立叶级数分析，将检测到的畸变电流( 或电压) 进 中国农业大学硕士学位论文 第一幸绪论 行傅立叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。由丁傅立叶变换需 要进行大量的运算，计算时间长 ”，当要求实时性高，消除的谐波次数也很高的时候，微处理器 难以满足要求。 ( 3 )瞬时空问矢量法。利用基于d q 变换的算法将检测出的三相电压与负载电流变换到d q 坐标系下，通过变换计算出瞬时实功率和瞬时虚功率，通过数字低通滤波器滤除基波分量后得到 高次谐波瞬时实功率和瞬时虚功率，再次经过变换最后将它们变换到a b e 坐标下即可。 ( 4 ) 基于时域f r y z e 理论的方法。f r y z e 在3 0 年代早期提出了在时域内对功率进行定义 的方法，这种方法是把电流按照电压波形分解成有功电流i p ( r ) 和无功电流西( ，) 两个分量，其中 如( f ) 的波形与“( f ) 完全一致，即p j ： f 。( f ) = g u ( t ) 其中： g _ 去，地( f ) 的有效值) 定义无功电流： i q ( t ) 2f ( f ) 一i p ( t ) 对这种方法进行数字离散化后，无功电流的求法如下： p = 专m n ， u 、。 后砌2 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) g 一去 “。6 i p ( n ) = g u ( n ) ( 1 - 7 ) ( ”) = f ( n ) 一i p ( ”) ( 1 - 8 ) 采用移动窗口法计算功率时，每次采样一个点后就把新的值放入数据缓冲区，把一个工频周期以 前的那个采样点的值从数据缓冲区中删除，这样时间延迟只有一个采样点。 在获得需要补偿的谐波电流指令信号斤，d s p 通过p w m 技术产生控制脉冲，通过功率器件 获得实际的谐波补偿电流，现阶段利用p w m 对a p f 的数字控制方法主要有下面几种。 ( i ) 三角波澜制( t r i a n g u l a r - w a v em e t h o d ) 。利用一个三角波和高次谐波比较从而得到不 同时刻逆变器的开关状态。这种方法的响应速度快，但开关频率不i 古| 定且频率较高，产生噪声和 造成较大的开关损耗和高频失真p j 。 ( 2 ) 滞环控制( h y s t e r e s i sm e t h o d ) 。这种方法是给定一个允许容差带( t o l e r a n c eb a n d ) ， 只要高次谐波的大小超过这个容差带，逆变器开关动作。但是，开关频率、损耗以及控制的精度 受容差带宽度的影响，容筹带宽度越小，控制的精度就越高，同时开关频率和开关损耗也就加人 e 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 了，一般说来，滞环控制可以获得较好的控制性能，它兼有响应速度快，开关频率不太高和简单 翁行酶特点h q 。 ( 3 ) 无麓拍控制( d e a d b e a tc o n t r 0 1 ) 。它实际上是一种预前控制，其基本思想是根据在第 k 个采样时刻新检溅的负载电流和补偿电流。诗葬第k + l 时刻静指令电流毽良及各萃串可能u 歼_ 笑获 态下补偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标函数( 一般为指令值和预测值的累计误差) ， 选择目标函数最小的开关状态作为k + i 时刻的开关依镞。尽管这葶孛方法作为逆交器p w m 的控蒂l 手段被提出来，但用于有源电力滤波器还是很少见【l “。 p w m 波形的发生主要有两种方式，一种避直接策角d s p 或单片视的片上p w m 模块，补偿 嗽流信号，反馈控制均幽d s p 处理；另外一种方式是基于f p g a 和c p l d 的灵活性强、可靠性 黼的优点，将主电路实际反馈的电流经过a i d 转换盾送入f p g a 或c p l d ，指令电流由d s p 或 尊片机送给f p g a 或c p l d ，f p g a 或c p l d 对二者避彳亍滞耶比较后送出p w m 信号。由y - f p g a 溅c p l d f i 作谯很高的频率f ，其采样频率可以达到儿茸k h z ，远超过普通数字器件的采样频率， 可以达到实时性的要求。 尽管有源电力滤波器技术的开发和应用有了很大的发展，但仍然存在几个有待解决的问题。 ( 1 ) 器终吝量的增大积开关频率豹提黼。为实现电滚豹快速控割，提毫有源电力滤波器 的补偿效果，功率器件的开关频率是关键，要求器件以高频率工作。此外，应用多重化技术也能 够提裹嚣件豹等效秀关叛率。执经济的角度考虑，斑健耀裹容量、大功率鳇器件，健这与裹频率 的要求相矛盾，因为大容量受列频率的限制。如何在这两者之间找到一个折衷，获得最佳的经济 簿 偿效莱是一个蓬褥磺究熬润蘧； ( 2 ) 降低装置的价格井使其多功能化。有源电力滤波器能消除高次谐波，还能够提高电 力系统稳定往，捧澍阗燹帮 髅无功奄流等+ 然嚣毒澈电力滤波器貔造价毫，与无源毫力滤波器 是不可比拟的，如何提高装置的性价比，降低有源电力滤波器的成本魁当前同样面临的一个问题； ( 3 ) 降低损耗，疆离系统可靠穗。这方瑟静主要工作龟摇：莱嗣合毽的开关频率，选择 适当的吸收同路，以提高装置的使用效率。采用过流、过压保护技术，故障诊断技术以使系统可 靠一 作等等圈。 。4 论文研究韵游容 论文主要锋对我国肖源电力滤波器的发震瑶状，对所采鬻l 的混仓整青源电力滤渡方案避行了 系统的研究。所研究的主要内寮包括以f 几个方面： ( 1 ) 奔缫有源电力滤波器的薹本工作舔理，列举当今主流的，l 静有源电力滤渡装置盼拓 扑结构，对混合慧! ! 有源电力滤波器的结构a n y 作原理避 行分析，并给出各种类型的砑源电力滤波 器电路等教模型： ( 2 ) 重点讨论有源电力滤波器的实时谐波检测方法和反馈电流控制方式，对谐波及凭功 电流补偿措令信号的计簿进行分析，并讨论数字低通滤波器对补偿精度的影响； ( 3 ) 论述混合型有源电力滤波器主电路的结构与参数设计和主电路控制方式对系统勘 惑性能的影响： - 6 ( 4 )建立在m a t l a b 环境下的有源电力滤波器系统仿真模型，对a p f 在不同谐波环境 下的滤波效果，数字低通滤波器对补偿精度的影响，电流反馈控制对系统稳定性的作用和主电路 补偿电流的发生等进行仿真分析。在仿真的基础上搭建了原理实验模型，采用f r e e s c a l e 公司的 1 6 位d s p 芯片作为硬什平台，对实时谐波电流测昂、电流反馈控制和补偿电流p w m 控制波形 的产生几个环任进行实验研究。 中国农业大学硕士学位论文第二章a p f 与p f 的混合型滤波器结构与工作原理 第二章a p f 与p f 的混合型滤波器结构与工作原理 2 1电力滤波器的分类 从电力滤波器的上作原理来分可以分为无源电力滤波器和有源电力滤波器，无源电力滤波器 主要作用是在作为无功补偿的电容器基础上加装电抗而成为滤波装置，既可以补偿无功功率也可 以滤除谐波，有源电力滤波器是在检测山来的系统总谐波电流含量的基础上产生一个和系统谐波 电流反向的补偿电流，将产生的补偿电流叠加剑系统电流上就可以滤除谐波分量，并可按照需要 控制功率冈数，最高可使功率冈数接近于1 ，下面分别介绍这两种电力滤波器的工作原理。 无源滤波器利用l c 电路的谐振特性，使其谐振频率与所需滤除的高次谐波频率相等，为谐 波电流提供一个通路，使其不流入电网从而滤除谐波，无源滤波器常用的两种接线方式如图2 1 所示。 = c f 。 j _ ( a )单调谐滤波器( b ) 图2 - 1 无源滤波器的接线方式 二阶减幅滤波器 无源滤波器由于结构简单，运行可靠，维护方便，价格便宜，因此得到了广泛的应用，无源 滤波器的基本结构见图2 2 所示。 ( a ) 单组投切的结构( b )分组投刨的结构 图2 - 2 无源滤波器的基本结构 图2 2 ( a ) 是单组的无源滤波器结构图，其中的两个反并联晶闸管只是起将无源滤波器并 入电网或从电网断开的作用。在l 稗实际中一般将滤波器分成几组，如图2 2 ( b ) 所示，每组都 可由晶闸管投切。这样，可以根据电网的无功需求进行投切，因此无源电力滤波器可以断续可调 的吸收容性无功功率。当无源电力滤波器用于三相电路时可以是接法，也可以是y 接法，每一 相都可以设计成如图2 - 2 ( b ) 所示的那样分组投切。对于电感与电容的配置则需要根据实际情况 来确定，对于三相电网而言要滤除的谐波主要是5 ，7 次，因此配置电感与电容时，可以把它配置 为5 次和7 次滤波器，这样无源电力滤波器既可以补偿无功，也可以滤除谐波，无源滤波器的主 要缺点是【13 】： 皇詈耋娑奎兰翌：；：兰些兰兰篓：耋盒：主：兰鎏立翟茎鲨誊誊望主：篮墨翌 ( 1 ) 滤波效果与负载肖关，即滤波特性受系统参数影响较大，且只能抑制周定的几次谐 波，滤波特性较差，当和系统发生谐振的时候会造成道电压线过电流的情况。 ( 2 ) 只能孙偿固定的无功功率，对变化的无功功率不能进行精确的补偿。 有源电力滤波器是一种可用于动态补偿 嚣波、无功的电力电子装置。它实时地捻测出需要补 偿的谐波电流等分量，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 w 按嚣袋控制功率因数，一般来说，鸯源电力滤波器具有以下特点”。6 j ： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变他的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对 於偿对象的变蚀有极抉的响应； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿的无功功率火小可以做到琏续调节： ( 3 ) 媸无功功率时不嚣要德能元纷，羚偿谤波对嚣露要懿姥裁元 丰容量 翅不大； ( 4 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网发生谐振； ( 5 ) 实鞋鼹踩瞧穗频率麴交纯，於偿谯能不受毫嬲频率交纯戆影璃； ( 6 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中进行补偿。 根据接入电网的方式不同，有源电力滤波器可以分为两大类：并联型有源电力滤波器和串联 鬻寄添奄力滤波器。著联犁有源邀力滤渡器与囊载弗赣接a 主瓣，它主要逶用予逵 ! 藏型受载瓣港 波、无功和负序电流的补偿。串联型有渊电力滤波器与负载串联接入电网，主要消除电压型谐波 源嚣系绫静影响。事联塑有源嚷力滤波箍中流过麓是_ j l 三常受载电流，损耗较大，并巍率联黧有源 电力滤波器的投切、故障后的遐出以及各种保护也比并联型裔源电力滤波器复杂，因此使用范围 受蓟撮大的限蒯。 根据主电路的贮能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型有源电力滤波器两 种。电压帮有源电力滤波器的主电路寓流翻接有大电容，正常工作时其电赋基本保持不变。电 流型有源电力滤波器的主电路崽流侧接有大电感，在j 二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，该电流将在电感的两陋上产生较大的损耗，因此目前较少使用。 对于本文的婿究对象，a p f 与p f 的捏合型电力滤波器从使用方法上可以分为瓶神，一种是 村源电力滤波器与l c 笼源滤波器并联，另外种是有源电力滤波器与l c 光源滤波器串醚( 1 7 】。 生“ 挂 图2 - 3a p f 串入电网侧与无源电力滤波黼混合德用 图2 - 3 是a p f 串入电网侧与无源电力滤波器混合使用，谐波和无功功率主要由无源电力滤波 嚣羚偿，蠢a p f 戆搏焉建改善光源电力滤波器戆滤液黪洼。鼍班搀a p f 番终是一个蜀变敷攘， 宦对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，从而迫使电流流入无源电 一9 中国农业犬学硕士学位论文第二章a p f 与p f 的混合烈滤波器结构与工作原理 力滤波器，换言之a p f 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，鞋及抑制电喇与无源电力滤波器乏间可蘸发生的蕾振，觚而极大地改善了无深电力滤波器的 性能。 强，热 图2 - 4a p f 与光源电力滤波器并联混台使用 图2 - 4 所示为a p f 与无源电力滤波器并联混合使用，在这种方式中l c 滤波器包括多嫩单调 谐滤波嚣，承接了绝大帮分 接谐波翻无功熬侄务，嚣有源魄力滤波器豹终蠲是改落整个系统豹 性能，因此其所需的彝量与单独使片j 方式相比可大幅度降低。从理论上讲，凡使用l c 无源滤波 嚣均存在与奄稠疆挠发生 营援鳇可麓，因此在窍源电力滤波器与l c 茺源滤波器莠联壤j l 麴方式 中需要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。 图2 - 5a p f 与无源电力滤波器串联的混合使用 图2 - 5 所示为a p f 串入无源电力滤波器中与无源电力滤波器混使用，该方式中谐波和无功 烹要出l c 无溪滤波器 偿，稀有溪奄力滤滚器钓佟掰是改善l c 无源滤波辑抟滤波特蝰，竞骚 l c 无渊滤波器易受1 也嘲阻抗影响、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，因诧装置容量，j 、。由于有源奄力滤波器与l c 无源滤波器一起穗 是与谐波源并联接入电网，故仍将其归八并联型。 围2 喵a p f 与无源电力滤波器串联的涅合使用 图2 - 6 与例2 5 的区别在予结构上，剧2 - 5 的a p f 是串入光源电力滤波器整体之中，而恻2 - 6 藉 ：璺窑些銮兰霉土兰竺鲨三篓三耋皇：主：塑鎏立翌鎏鎏兰筮翟三二篮璺罂 的a p f 则要串入无源电力滤波器的备组之中，这样，图2 5 只需一组a p f ，而图2 - 6 需要多组 a p f ，每维a p f 的容羹相对于闰2 - 5 的一蕴a p f 容鬣要小一些，德楚由于簿组a p f 都需要各自 的控制部分，使本方案姓得过“y f 繁琐，无谓的增加了成本。 为了减小有源电力滤波器的容量，降低滤波系统的整体成本，酹前应用中大量使用混合型电 力滤波器的结士句，结合l c 无源电力滤波器绌构简单、易于实现、成本低的优点和霹源电力滤波 器补偿性能好的优点，既可以克服单独使用时有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可以使 整个系统获季导良好的性能。 2 。2 黉源电力滤波器( a p f ) 的王作原理 有源电力滤波器是静可翩于动态祷偿谐波，无功的电力电子装置，其分类的方法很多。一 般可以从拓扑结构上分为并联型，串联型以及混合型簿。一般说来，并联型a p f 适合补偿赢流侧 电感滤波豹整流电路，即电漉型谐波源；串联型a p f 适合补偿直流铡电容滤波的整漉电路，即电 压型谐波源；混合型a p f 有源部分的功率相对较小，但总体积大。溅合型优点在于适合大容量的 补偿，缺点为需要定割。 有源电力滤波器的基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流，然后由补偿装鬣产生一个与 漩潼波电流丈小相等毽极性相爱| ； 孽 臻电漉( 并裴型) 或对鹰的谐波电压( 串联型) 麸两溥陵电 嘲中的谐波电流，使电网电流只含有基波分量，这种滤波器能对频率年i j 幅值都变化的谐波进行跟 踪蛰偿，显 镶特性不受龟网爨抗静影响，羁嚣受到了广泛蟾重视。溷2 - 8 是最基本弱著联型有 源电力滤波器原理框图。 豳2 - 8 并联型有源电力游波器原理框图 幽中的非线性负载为谐波源，它产生谐波电流并消耗无功功率，有源电力滤波器系统主簧由 两夫部分组成，鄂摇令电流运雾宅路和i 楼电流发生淮路。冀中补偿l 亳流运葬电路瓣孩心麓检测 出补偿对象中的谐波电流和无功分量，因此也可以称之为谐波和无功电流检测电路。检测出来的 补偿电流通过攒令电流发生电路得到烹电路的控制僖磅，产生实际静静偿l _ l 圭渡。主穰路由电流跟 踪控制电路、驱动电路和功率汗关器件三个部分组成。主电路目前均采用p w m 的控制方法。 当需要补偿负载新产生的谐波电流对，舂源电力滤波嚣检测出补偿对象受载电流f ，静l 簿渡分 避j 将其反极性后作为补偿电流的指令信号c ，由讣偿电流发生电路产生实际的补偿电流f 。， 产生的补偿电流输入电瞒后即与负载屯流中的谐波电流分虽丈，j 、相等、方向糖反、糟值稆蔺，困 两二者棚互抵消，使得电源电流0 中只含基波，不含谐波，遮样就达到了抑制谐波电流，提高电 1 i 中国农业大学硕士学位论文第二奄a p f 与p f 的涡台型滤波器结构与工作原理 能质量酶瓣静渊。土垂的蛰偿磊理可颤瓣下嚣静一疆公式来描述 = t + t ( 2 * 1 ) l 2 i m + i t = - - 1 h ( 2 2 ) ( 2 3 ) = f + i c = i u ( 2 _ 4 ) 式中i ，为囊戴电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波电流的同时补偿负载的无功电流，j l ! i 只需要在计算出来 的补偿电流指令信号中增加与负载电流无功分量反极性的成分即可。这样，经过补偿盾的系统电 流藏等予受鼗奄滚耱基波育葫分量。 原则上采说，有源电力滤波器可以在电网的任意点接入，根据在电网中需要谐波补偿的关键 点测量结果来说，有源电力滤波器有三种补偿方式：如图2 - 9 中a 点所示的特定负载的补偿，b 点所示的一缒负荷的补偿和c 点所示的集中补偿。 国2 - 9 荫源电力滤波器装设位置 2 3 有源电力滤波器( a p f ) 的电路等效模型 任何谐波补偿系统可简化为三条支路的谐波等效电路，分别称为：电嗣支路，负载支路和滤 波支路( 良f 栋s 、l 、f 袋示) 。霉线犍受载产生懿谐波邀渡霹鬣为谐波邀菠撂，囊受载瓣线注 部分可表示成复阻抗z l ，按线性叠加原理，当基波无功融被校正或不用校正时，z l 为正实数。 如图2 - 1 0 ，z s 、z f 即电网芹u 滤波支路的等效谐波阻抗。 固2 _ 0 麓纯豹滤波系统等效电路 有源电力滤波器主要是用来抑制非线性负载产生的谐波电流i l h 对电网支路的污染( 用电网 谐波电流i 。h 表征) 和电网的谐波电压v ；h 对负载的影响( 用负载侧谐波电压v l b 表征) 为目的， - 1 2 一 中国农业大学硕士学位论文 第二章a p f 与p f 的混合型滤波器结构与工作原理 即： 2 轰”壶协s ， = 麦 面z f z sl ( 2 _ s ) 对系统电流传递函数县( s ) 、负载等效阻抗z 。( j ) 、电压传递函数h 。( s ) 和网侧等效导纳k ( s ) 定义 为： 则 聃) = 篇h ：。( 2 - 7 ) 州= 踹h 即沼。， z 小) 2 踹h ：。协s ， 驰，2 器k 瑚沼 l , h = h i ( s ) l + e ( j ) ( 2 - 11 ) = 吼( s ) 一z ，( s ) ， ( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 1 ) 的第一项表示非线性负载产生的谐波电流对电网的传递，第二项表示由电网谐波电压 产生的谐波电流。而式( 2 - 1 2 ) 中的第一项表示电网谐波电压对负载的影响，第二项表示负载谐 波电流产生的谐波电压。按照滤除谐波的要求，理想情况是式( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 趋于零，即式( 2 - 7 ) 、 ( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 趋于零，从支路阻抗的观点，可采用的技术途径有： ( 1 ) 增大网侧等效谐波阻抗z 。； ( 2