（电力系统及其自动化专业论文）采用复合控制方式的多重化有源电力滤波器.pdf

a b s t r a c t p o w e ri st h em a i ns o u r c ei nm o d e r ns o c i e t y , a n di ti sm a d eg o o du s ea sp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa r ew i l d l yu s e di np o w e rs y s t e m b u tt h eh a r m o n i cp o l l u t i o n p r o d u c e db yp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s i sh a r mt o s e c u r i t y , s t a b i l i t y a n d e c o n o m i c a lr u n n i n go fp o w e rs y s t e m n o w a d a y s ，“g r e e n e n e r g yi s a p p e a l e d i n t e n s i v e l y , d e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o no fh a r m o n i ci sas e r i o u sp r o b l e mw h i c hi s m u s tb er e s o l v e d t h e r e f o r e ，r e s e a r c ho na p fh a sm o m e n t o u st h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e a n dg r e a tp r a c t i c a lv a l u e i na c t u a l a p p l i c a t i o n ，s h u n t - a p fi su s e de x t e n s i v e l ya n dh a sb e e ns t u d i e d i n t e n s i v e l yi nt h i sp a p e r h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nb l o c k sa r et h e k e yl i n k so fa p f a sf o rh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n ，t h e 丽d c l yu s e da l g o r i t h mi p - i q b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yi sa d o p t e di nt h i sp a p e r , a l g o r i t h m d - qi sa l s om o d e l e da n dc o m p a r e dt oi t a sf o rc o m p e n s a t i v ec u r r e n tc o n t r o l l i n g ， a d v a n c e ds p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) b a s e do nh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l l e r , w h i c hh a sf a s tt r a n s i e n tr e s p o n s ea n dh i g hp r e c i s i o n ，i sa d o p t e d a b o v ea l l ，t h r e e c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s ：d e t e c t i n gl o a d - c u r r e n tc o n t r o l ，d e t e c t i n gs o u i c e - c u r r e n t c o n t r o la n dc o m p o u n dc o n t r o la r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d , a l s o ，t h e ya r em o d e l e da n d s i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h eo u t c o m es h o w sc o m p o u n dc o n t r o lc o m b i n e sv i r t u eo f f o r m e rt w om e t h o d s ，a n da c h i e v eb e r e rc o m p e n s a t i n ge f f e c t a sf o rt h ep r o b l e mo f s w i t c hf r e q u e n c y , m u l t i p l eu $ ei sc h o o s et os o l v et h ec o n t r a d i c t i o no fp o w e ra n d s w i s hf r e q u e n c y b l o c k so fa p fa r ed e s i g n e db ys i m u l i n ko fm a t l a bi nt h ep a p e r t h er e s u l t s i n d i c a t ec o m p e n s a t i n ge f f e c ti se x c e l l e n t k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r , h a r m o n i cd e t e c t i o n ，c o m p o u n dc o n t r o l ， s p a c ev e c t o r , m u l t i p l en s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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。 学位论文作者签名：掘卡叩 签字同期：加7 年参月，歹日 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 导师签名： y 璺秀堇 签字同期： 砷年歹月汐同 力1 1 日 私 哆 弛 月 ，莎 第一章绪论 第一章绪论帚一早三百下匕 交流电力系统自诞生起，在产生基波电量的同时就孪生了谐波问题。现在， 如何切实有效的抑制谐波已成为涉及电力电子技术、电力系统等多方面的重大课 题。本章将对谐波问题及其抑制技术作简要介绍。 1 1 课题研究的意义 “谐波一词起源于声学。有关谐波的数学分析在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， 由于使用静止贡弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。到了2 0 世纪5 0 年代 和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变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 子装置的在电力系统、工业、交通及家庭中的日益广泛应用，其所带来的谐波问 题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，谐波成为电网的一大公害。 电力电子装置所产生的谐波已经成为阻碍电力电子技术发展的一大障碍，它迫使 电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。因此系统谐波问 题逐渐得到人们的重视，谐波的检测和治理成为了一个迫切需要解决的问题。 现在，越来越多的学者致力于谐波问题的研刭1 2 1 。传统的谐波抑制手段主 要是运用无源电力滤波器，主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响， 只能补偿固定频率的谐波。除此之外，还有很多无功补偿装置，如静止无功补偿 器s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 用于补偿无功和滤除低次谐波，更先进的有静 止同步补偿器s t a t c o m ( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) p j 。由于现代生产过 程的日趋自动化与智能化，对电能质量的要求又被提到了更高的标准，那就是不 仅要控制电压和频率合格，而且要保证谐波含量合格。因此开发动态可调的装置 来解决电能质量问题便成为了研究的热点，其中最具代表意义的就是有源电力滤 波器即a p f ( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 【4 】，它可以对大小及频率变化的谐波以及变化 的无功进行补偿，由于有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，从国内外 发展趋势来看，利用有源电力滤波器对电力系统进行谐波和无功补偿无疑是一个 较好的选择。本文将对有源电力滤波器作较为深入的研究。 第一章绪论 1 2 谐波的危害 电网中的谐波主要是由各种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) 施加于非线性负载时，负荷吸收的电流与施加的 电压波形不同，畸变电流影响电流回路中的配电设施。 高次谐波对公用电网造成污染，也使得其它用电设备的应用环境恶化，并引 发一系列的故障和事故。高次谐波的主要危害有以下五种1 5 1 。 ( 1 ) 谐波会引起谐振和谐波电流的放大 为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器，为 了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器，此外，为了滤除谐波，会 装l c 滤波器。工频时，电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会发生谐振。但 对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串 联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，常常使电容器和电抗器烧毁。 日本的统计数据显示，电容器和与之串联的电抗器烧毁在谐波引起的事故中约占 7 5 。 ( 2 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗 ( 3 ) 影响电气设备正常工作 谐波对电机的主要影响是引起附加损耗，从而产生附加温升，当发电机 中谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈机 械振动并伴有强烈的噪声。 谐波电流流经变压器时，除引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、 外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热，谐波也使变压 器噪声增大。 谐波会引起电缆浸渍绝缘的局部放电、介质损耗和温升的增大。电缆的 分布电容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负荷下当电网电压上升而使谐波电 压也升高时，电缆很容易出故障。 谐波对通信线路的干扰主要是通过电容祸合、电磁感应和电气传导。话 音的频带范围是5 0 0 h z 3 k h z ，在这范围内的谐波都会影响通话质量。 谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，构成了电网线损的一部分， 对电网的经济运行很不利。 ( 4 ) 影响电子设备的正常工作 为减小损耗和电磁干扰，变流装置中的功率器件通常选择在电压或电流 的过零点动作，谐波的存在影响了过零点的准确检测，影响了正确的开关动作。 谐波对继电保护和电力测量的影响：谐波会改变保护继电器的性能，引起 2 第一章绪论 误动作或拒绝动作，引起事故。谐波会使电工测量仪表产生测量误差，影响计量 及测量的准确性。 由于谐波电压而引起的电压峰值点的变化影响了电视机及计算机画面大 小和明暗的变化。 谐波引起计算机死机或程序运行不正常，从而导致自控设备误动作。 ( 5 ) 谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会 有影响，使测量仪表计量不准确，降低了测量数据的准确性和可靠性。 鉴于谐波的诸多危害，以及谐波污染的日益严重，世界各国都对谐波问题非 常重视，不少国家制定了针对电力系统谐波和用电设备谐波的国家标准。为了保 证我国的电能质量，自1 9 9 0 年来，我国相继发布了多项电能质量国家标准，这些 标准的发布为提高我国的电能质量水平起到了很大的促进作用。 1 3 谐波抑制技术 消除谐波，应从产生谐波的装置出发，去研究解决的方法。电力电子装置和 其它谐波源的谐波污染问题的解决方法基本有两种：一是被动型滤波，即从谐波 源的外部入手，采用补偿手段来滤除电网中的谐波，也就是装设谐波补偿装置来 补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的，比如在电力系统中】i l c 滤波器，或在 装置的电网侧加有源滤波装置等；另一种则为主动型，就是对电力电子装置本身 进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，此法适用于作为主要谐波 源的电力电子装置 6 1 。 1 3 1 无源滤波器 无源滤波器是传统的抑制谐波的主要手段。这种法方法既可补偿谐波，又可 补偿无功功率，而且结构简单，如滤波器有故障时可分别退出故障滤波器，系统 和其他滤波器可照样运行，因此一直被广泛应用。并联无源滤波器的原理是对某 些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网 内。其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐 振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的 谐波，补偿效果也不甚理想，并且当谐波标准较严时，滤波器组数较多，占地面 积大，成本也较高。 l c 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际 应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 第一章绪论 l - 单调谐滤波器图1 1 a 所示为单调谐滤波器的电路原理图。 p i r 3 5 厶，彳 a )b ) 图1 1 单调谐滤波器原理及频率阻抗特性 a ) 电路原理图 b ) 频率阻抗特性 滤波器对刀次谐波的阻抗c o 。= n o ) s 为 z 加胡向“l 慨卜去j ( 1 - 1 ) 式中，下标伍表示第疗次单调谐滤波器。由上式画出滤波器阻抗随频率变化 的关系曲线，如图1 1 b 所示。单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成的， 谐振次数刀为 l 一2 应, , 4 - l - d ( 1 - 2 ) 由图1 1 b 可见，在谐振点处，单调谐滤波器阻抗最小，而且呈现纯电阻特性， 由于电阻r 南很小，因此该次谐波电流主要尺南分流。因此，简单地说，只要设 定好滤波器的谐振次数，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到削弱该次谐 波的目的。 2 高通滤波器高通滤波器h p f ( h i g hp a s sf i l t e r ) 也称为减幅滤波器，由 于电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的系统谐波阻抗大( 系统阻 抗一般是感性的) 。高通滤波器对所有的高次谐波阻抗均较小，可以将某频率 以上的谐波滤除，因此为了降低成本，滤除高次谐波时不采用单调谐滤波器，而 采用高通滤波器。图1 2 给出了四种形式的高通滤波器，即一阶、二阶、三阶和 c 型四种。 4 第一章绪论 a ) b )c ) d ) 图1 2 高通滤波器 a ) 一阶b ) - - 阶c ) 三阶d ) c 型 r 一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，一般不采用；二阶高通 滤波器的基波损耗较小，滤波性能好，结构简单，因此工程上应用最为广泛；三 阶高通滤波器比二阶的多了一个电容c 2 ，c 2 容量与c l 相比很小，它提高了滤波 器对基波频率的阻抗，所以基波损耗最小，但特性不如二阶高通滤波器，因此一 般也不予采用；c 型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间，c 2 与l 调谐在基 波频率上，使基波电流不通过电阻r ，因此可以大大降低基波损耗，其缺点是工 作时间长后，对基波频率失谐和元件参数飘逸比较敏感。 3 双调谐滤波器除上述单调谐滤波器和高通滤波器外，在一些工程中还用 到双调谐滤波器。双调谐滤波器电路原理如图1 3 a 所示。它有两个谐振频率， 能同时吸收这两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。图1 3 b 示出了双调谐滤波器的频率阻抗特性。 工- 焉 | z l s5 无i t , a )b ) 图1 3 双调谐滤波器电路及频率阻抗特性 a ) 电路原理图b ) 频率阻抗特性 双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感 l l 承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波 5 第一章绪论 阻抗，所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低得多。另外，并联电路中 的电容c 2 容量一般较小，基本上只通过谐波无功容量。由于双调谐滤波器投资 较少，近年来在国内外一些高压直流输电工程中有所应用，但它的主要问题是结 构复杂，调谐困难，故应用还较少。 l c 滤波器虽然技术比较成熟，但还存在一些难以克服的缺点，比如：滤波器 的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，电网阻抗与l c 可能产 生并联谐振使该次谐波分量放大电网阻抗与l c 可能产生串联谐振，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等等盯。 除此之外，还有很多谐波及无功补偿装置值9 1 ：传统的无功补偿常采用旋转 式同步调相机、固定或机械开关的电容器和电抗器；近年来开发出的静止无功补 偿器( s v c ) 是采用晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ) 补 偿无功功率。采用适当控制策略对p w m 变流器进行控制可以实现无功电流分量 的静止补偿。t s c + t c r 的静止补偿器是连续控制的，特别是没有暂态，谐波含 量低( 因为可控电感产生的无功相对于总的无功是比较少的) ，可以连续控制和 运行。无功调节具有调节简单、速度快的优点。但是其成本较高，为降低成本可 采用小容量t c r ，但是复杂的控制和电容的成本也很高；此外由于电抗器吸收 的无功功率与接入点的电压的平方成正比，当电压降低时，其无功控制能力大大 削弱。 自关断( 强迫关断) 变流器是无功补偿的有效手段，这种技术已用于多种先 进补偿装置，如统一潮流控制器( i j i ，f c ) 和动态电压补偿器( d v r ) 。静止无功 发生器s v g ( 即s t a r c o m ) 根据直流侧采用电容和电感两种不同的储能元件， 分为电压型和电流型两种。图1 4 所示为电压型补偿器，其控制方法有两种：第 一种，当逆变器脉宽恒定时，调节逆变器输出电压及系统电压之间的夹角万就可 以调节无功功率和逆变器直流侧电容电压u e ；第二种为同时调节夹角万和逆变 器脉宽，在可以保持以恒定的情况下，发出或吸收所需的无功功率。 图1 - 4s t a t c o m 与电力系统连接示意图 6 第一章绪论 以上介绍的主要是无源的电力滤波器，而抑制电力系统的谐波以及对其进行 无功补偿最切实有效的方法是加入有源电力滤波器，本文的主要内容是对有源电 力滤波器的研究，有源电力滤波器的基本原理以及其设计方法会在后面各章节作 具体介绍。 1 3 2p w m 技术 另外一种则为主动性滤波，即对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐 波，且功率因数可控制为l 主要有以下几种方式： 对于大容量变流器，主要方法是采用多重化技术，即按一定的规律将两个或 更多个相同结构的变流电路进行移相多重联结而得，如：1 2 脉波或2 4 脉波，以 消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的波形。 对于中等容量的单位功率因数整流器主要采用p w m ( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 技术。p w m 整流器全控型功率开关管取代了半控型功率开关管或 二极管，以p w m 斩控整流取代了相控整流或不控整流。从而在网侧得到与电压 波形相位相同但幅值不同的正弦波形，实现单位功率因数整流。实际上p w m 整 流器是一个交、直流侧可控的四象限运行的变流装置，能实现电能的双向传输和 网侧任意功率因数控制。 在小容量的整流器中，通常采用二极管加p w m 斩波的方式，即功率因数校 正电路p f c ( p o w e r f a c t o r c o r r c c t o r ) ，目前已在开关电源中得到广泛的应用。 1 4 本文的主要工作 在当今“绿色”能源的呼声日益高涨之时，如何切实有效的解决谐波问题已 显得十分必要，有源电力滤波器作为抑制电力系统谐波的有效装置迄今已经成为 研究的热点，有源电力滤波器种类及使用方式繁多，出于实际应用及经济性考虑， 本文选用了应用较广的并联型有源电力滤波器作为研究课题，谐波电流的检测环 节与补偿电流跟踪控制环节是有源电力滤波器的两个关键环节，它们直接决定有 源电力滤波器的补偿性能的好坏。因此本文对于这两个关键环节作了以下主要工 作： 1 对谐波检检测环节作了详细论述，首先对现如今常用的谐波电流检测方 法、无功功率理论以及p q ，i p i q 和d q 法的基本思想作了详细介绍，鉴于三种 方法的理论上准确性的分析，i p i q 和d q 法均可在三相不对称的情况下准确的检 测出电网中的谐波电流，因此本文选用了检测效果较好的i p - i q 和d q 法进行谐波 7 第一章绪论 电流检测的仿真与以及其实际检测准确性对比。 2 有源电力滤波器的控制方式主要有三种，分别为检测负载电流，检测电 源电流以及复合控制方式。本文对有源电力滤波器的三种控制方式进行理论分 析，分别对有源电力滤波器的检测负载电流，检测电源电流以及复合控制方式搭 建m a t l a b 模型，并作了仿真结果的对比，由于复合控制方式能够较好的综合 前两种控制方式的优点，本文选取了效果较好的复合控制方式。 3 电流跟踪控制环节的控制是实现有源电力滤波器的核心环节。跟踪型 p w m 控制方式很多，比如三角波调制和滞环比较，本文采用效果较好的基于滞 环的空间矢量p w m ( s v p w m ) 控制方法进行有源电力滤波器的电流跟踪控制 环节的设计。 4 出于实用及经济性的考虑，p w m 电路的开关频率不宜过高，为了解决器 件开关频率的问题，本文采用了二重化方案，运用两个p w m 主电路，在达到整 体开关频率的同时降低了单个p w m 的开关频率，分别在检测负载电流控制方式 和复合控制方式下运用了多重化技术并与未经二重化时进行了仿真结果比较，二 重化可以很好的降低器件的开关频率，并且同时达到很好的补偿效果。 8 第二章有源电力滤波器基础 第二章有源电力滤波器基础 2 1 有源电力滤波器的发展 1 9 6 9 年b m b i r d 和j em a r s h 的论文中，最先出现了有源电力滤波器的思 想，文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电 源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法 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t m a c h i d a 发表的论 文中，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 大的方法产生补偿电流，其损耗大、成本高，因而，有源电力滤波器除了少数的 实验室研究外，未能在工业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确 定了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变 流器是一种理想的补偿电流发生电路，但由于缺少大功率可关断器件，有源电力 滤波器的研究仍处于实验室阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，新型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展， 尤其是1 9 8 3 年日本的h a k a g i 等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论 ，以该 理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的 应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展，图2 1 是典型的并联型有源电力滤 波器系统组成图。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统框图 9 第二章有源电力滤波器基础 国外以日本为代表，有源电力滤波器已经步入大量实用化的阶段。随着容量 的逐步提高，其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。从1 9 9 3 年以来，日本己经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波器投入实 际使用，这些滤波器主要用于谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。随着有源 电力滤波器价格的下降，它的市场越来越大，早期有源电力滤波器的p w m 变流 器中的主开关功率器件都采用b j t 或g t o ，而现在电压型有源电力滤波器一般都 己经采用i g b t 模块，从而使有源电力滤波器的容量上升到5 0 k v a l o o o k 、傀 有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业 发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用 有源电力滤波器a p f 的功能比新型静止无功发生器更强大，它可对频率和大 小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连 续调节；受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振，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补偿。 2 2 有源电力滤波器的基本原理 以并联型有源电力滤波器为例，有源电力滤波器的工作原理如图2 2 所示【1 1 1 。 图中，负载即为产生谐波的谐波源，谐波电流检测模块和电流发生源是有源电力 滤波器的控制系统。 系 艺 图2 2 并联型有源电力滤波器工作原理图 有源电力滤波器检测出负载电流屯中的谐波电流，根据检测结果产生与 大小相等而方向相反的补偿电流乞从而使流入电网的电流只含有基波分量0 上述原理可用如下公式描述： = + l o 第二章有源电力滤波器基础 屯20 + i c = i h = i l + i 。= i 式中：f ，一负载电流的基波分量 接下来需要解决的关键问题是： ( a ) 如何能快速的从畸变的电流中取得谐波电流，从而得到补偿电流f c ，进 而得到相应的指令电流值c 。 ( b ) 变流装置如何依据指令值e 产生补偿电流。 对于上述两个问题本文将在三四两章作出详尽的介绍并提出解决办法。 2 - 3 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器发展至今，己派生出了多种类型1 2 】。有源电力滤波器可以按 照逆变器结构、主电路拓扑结构、相数、补偿系统容量和反应速度分类。逆变器 结构可以是电压源型逆变器v s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) 或是电流源型逆变器 c s i ( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ) ( 见图2 3 ) ：主电路的拓扑结构可分为并联型、串 联型和串并混合型；按照相数来分可分为单相、三相三线和三相四线三种结构； 按照补偿系统的容量和反应速度可分为小容量、中容量和大容量三种结构。对于 容量较大的场合，可采用多重化的主电路结构。 + a )b ) 图2 3 主电路不同的两种三相变流器 a ) 电压源型 b ) 电流源型 lk 由于电流源型逆变器c s i 储能电感损耗大，目前，应用的有源电力滤波器的 逆变器结构都是电压源型，并根据它与电网的接入方式，分为并联型和串联型， 而每一种是否与无源滤波器相结合又分为单独使用方式及混合使用方式。 第二章有源电力滤波器基础 2 3 1 单独使用的有源电力滤波器 1 单独使用的并联型有源电力滤波器如图2 4 所示，由于其主电路通过耦合 变压器与负载并联接入电网，故称为并联型。变流器和与其相连的电感、直流侧 贮能电容共同组成有源电力滤波器的主电路。与其并联的小容量一阶高通滤波器 用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。可用于补 偿：谐波、无功功率、三相不对称电流、供电点电压波动。但也存在一些缺点， 由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 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。 图2 4 单独使用的并联型有源电力滤波器 2 单独使用的串联型有源电力滤波器如图2 - 5 所示，这种方式的特点是有源 电力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。 图2 5 单独使用的串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。串联型有源电 力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正 弦波。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正 1 2 第二章有源电力滤波器基础 常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的推 出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。 2 3 2 混合使用的有源电力滤波器 在实际使用中，更多的是采用并联型有源电力滤波器与无源滤波器混合使用 方式。 1 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式 a ) b ) 图2 - 6 并联有源滤波器与无源滤波器混合使用方式 a ) 并联使用方式b ) 串联使用方式 这种方式正是为克服有源电力滤波器单独使用时要求容量大这一缺点而提 出的。其基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。l c 滤波器结构简单、易实现且成本低，有源电力滤波器补偿性能好，把两者结合使 用可使整个系统获得良好的性能。混合使用方式又分为两种：一种是有源电力滤 波器与l c 滤波器并联；另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器串联，如图2 - 6 所示。 2 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式 图2 7 是这种方式的原理图，在并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入有 源电力滤波器。有源电力滤波器此时看作为一个可变阻抗器，它对基波的阻抗为 0 ，而对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 滤波器。有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用，它可以抑制电网与l c 滤波 器之间可能发生的谐振，从而极大地改善l c 滤波器的性能。 第二章有源电力滤波器基础 a一 氆：线性 u ”一u 红找 由滴 吧得 r 、o 一 一 i 一 ； ， j 洛 i o ，h r 、，、1 匝一 1 l 1 、”i a p 卜il n v 图2 7 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用 除此之外，串连型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方案还有多种改 进方法在此不一一赘述。 3 并联a p f 和串联a p f 的混合型方式 1 9 9 4 年，a k a g ih 等人提出一种综合了串联a p f 和并联a p f 的混合型滤波 器，如图2 8 所示。串联a p f 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。 一 l 7 1 _ i l 并联型串迄塑 n f t m 图2 - 8 并联a p f 和串连a p f 的混合型有源电力滤波器框图 4 目前，还有一类混合型有源滤波器。它不是无源部分和有源部分相混和， 而是两个有源部分相混和。由一个高压、低开关频率的逆变器和一个低压、高开 关频率的逆变器组成。高压逆变器用来承受基波电压和吸收基波无功电流，低压 逆变器用来完成谐波补偿任务。由于此类滤波器不是本文研究范围，所以便不在 此作详细介绍。 1 4 第三章有源电力滤波器谐波电流检测 第三章有源电力滤波器谐波电流检测 谐波电流检测技术是有源电力滤波器技术的关键技术之一。谐波电流检测技 术的发展直接决定着有源电力滤波器技术的发展，提高谐波电流检测技术水平对 提高有源电力滤波器的性能具有十分重要的意义。 3 1 谐波及无功电流检测方法 谐波检测环节一般不需要分别解出各次谐波分量，而需检测出谐波电流或基 波无功电流或它们之和，在三相电流不对称时，应能检测出除基波正序有功分量 之外的有害电流之和。下面将对近些年来各种谐波电流的检测方法作一简单的介 绍。 ( 1 ) 基波电流减去法【1 3 】 这是最早采用的谐波电流检测方法，使用模拟滤波器来实现谐波电流检测。 即采用滤波器将基波电流滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量， 再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法的优点是电路结构简单，造价低， 输出阻抗低，品质因素易于控制。但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较多的 基波分量，大大增加了有源滤波器的容量和运行损耗。这种方法多用于补偿效果 要求不高的场合，它己不能适应现代电力系统的需要。 ( 2 ) 基于f f t 的频率分析法【1 4 】 采用离散f o u r i e r 变换( d f t ) 或快速f o u r i e r 变换( f f t ) 是谐波分析最基本最常 用的方法，它是将检测到的一个周期的畸变电流( 或电压) 进行傅里叶分解，得到 各次谐波的幅值和相位，将拟抵消的谐波分量通过傅里叶变换器得出所需的误差 信号，再将误差信号进行傅里叶反变换得到补偿信号。这种方法思路比较简明， 原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种 情况。缺点是这种方法需要一个周期的电流值进行计算，所以需要一定的时间采 样并且要进行两次变换，计算量大，检测的结果实际上是较长时间前的谐波电流， 实时性不好；而且该方法是建立在傅里叶分析的基础上，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。因此，该方法大多用于谐波的离线分析， 难以满足有源电力滤波器所要求的实时检测。 第三章有源电力滤波器谐波电流检测 ( 3 ) 基于瞬时无功功率理论的补偿电流检测法 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等人提出了瞬时无功功率理论，利用此理论，先 检测出三相电压与负载电流并变换到筇坐标系下，再计算出畸变电流的瞬时有 功功率和瞬时无功功率，滤去基波分量后得到高次谐波瞬时有功功率和瞬时无功 功率，然后从中取出补偿电流，最后将它们变换到a b c 坐标下即得到了所需补偿 的谐波电流( 第二节将对此理论作详细阐述) 。瞬时无功功率理论是目前a p f 中应 用最广泛的一种检测方法，其优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，系统 频率特性不变，即使高次谐波增加，系统也不会过载，且不受电网参数和负载变 化的影响。 以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检 测方法，主要有p q 法和i p i q 法。当电网电压波形发生畸变时，p - q 法的检测结 果有误差，而i p i q 法的检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果准确。基于 瞬时无功功率理论的补偿电流检测法的实时性好，能够快速跟踪负载电流变化， 广泛应用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测。 ( 4 ) 基于鉴相原理的瞬时检测法的原理框图如图3 1 所示 图3 - 1 基于鉴相原理的瞬时检测法 负载电压v a 经过锁相环p l l 后，产生与v a 同相位的正弦信号s i n 和余弦信 号c o s ，以此信号作为电压参考信号。畸变电流f ，( f ) 为 屯( f ) = 么( f ) + f 从( f ) = i p 0 ) + f ( f ) 其中，么( f ) 畸变电流的基波分量 也( f ) 畸变电流的谐波分量 i o ( f ) 畸变电流的基波有功分量 f ，( f ) 畸变电流的有害分量( 含基波无功和谐波分量) 检测运算过程如下 只= 2 c o s a j f i l ( f ) = 4 2 1 c o s 伊+ 4 2 1 c o s ( 2 c o t + 缈) + i 聃( t ) c o s t o r 昱= 2 s i n c a t i 工( f ) = - - 叫2 i s i n 缈+ 4 2 1s i n ( 2 c o t + c p ) + i 从( t ) s i n o 谢 1 6 第三章有源电力滤波器谐波电流检测 p l 、p 2 中均含有直流分量和交流分量，通过低通滤波器l p f ( l o wp a s sf i l t e r ) 后，得到直流分量分别为 一p i = r 2 1c o s 9 , 一p 2 = - 劢s i n o 将p 1 、p 2 分别乘以c o s 和s i n 并相加，则得到畸变电流f ( f ) 中的基波分量 屯( f ) = d 2 i e o s ( 纠+ 伊) 用总的畸变电流i l ( t ) 减去基波分量i t o ( f ) 就可以得到检测出的谐波电流 i t , ( f ) 。该方法简单有效，可以准确、快速地检测出基波电流或基波有功电流， 但检测精度受电网电压波形畸变影响。 ( 5 ) 基于神经网络的谐波电流检测法 b p 网络( b a c k p r o p a g a t i o nn n ) 是一种单向传播的多层前向网络n 副，其结构如 图3 2 所示。网络除输入输出节点外，还有一层或多层的隐层节点，同层节点中 没有任何耦合。输入信号从输入层节点依次传过各隐层节点，然后传到输出节点， 每一层节点的输出只影响下一层节点的输入。其节点单元特性( 传递函数) 通常为 s i g m o i d 型，输出层节点的单元特性可以为线性和s i g m o i d 型。 b p 网络可看作是一个从输入到输出的高度非线性映射，即f ：r ”一r ”， f ( x ) = y 。对于样本集合：输入毛( r ”) 和输出y i ( r ”) ，可以认为存在某一 映射g 使： ， g ( ) = y l j = 1 2 ，疗 h l 图3 - 2b p 网络结构 现要求求出一映射，使得在某种意义下( 通常是最小二乘意义下) ，f 是g 的最佳逼近。 对电力谐波的检测采用b p 网络的构想源于一种模拟并行滤波式谐波检测装 1 7 第三章有源电力滤波器谐波电流检测 置。这种装置的原理方框图如图3 3 所示。这种谐波测量装置具有实时检测电力 谐波的优点，但同时还具有很多缺点：需要大量的滤波器和检波器、结构复杂、 所需元件多、造价高，且没有自适应性。 - d 滤演器1h 范洼淳：i 瓣 翰久 入 - 4 滤波嚣21 | 泛：哇枣：i 放 - _ 人 瀑 - 4 逢政器31 1 湾洼器3i 图3 3 模拟并行滤波式谐波检测装置方框图 比较图3 2 和图3 3 可以看出这两种结构具有相似性。根据b p 网络可以实现任 意f ：r 4j 尺”的非线性映射的特性，可以考虑用b p 网络来代替图3 3 所示的模 拟并行式谐波检测装置中的带通滤波器和检波器。b p 网络的输入是待测量信号， 相当于图3 3 中输入放大器的输出信号，离线训练时它是信号在一个周期的采样 值，而在线训练时它是信号的一系列时延值：b p 网络的输出对应于图3 3 所示检 波器的输出信号，它们得出的是所要检测的各次谐波电流信号的幅值，而这些值 是有源电力滤波器的补偿电流发生电路所需要的指令电流信号的组成部分 ( 6 ) 基于小波变换理论的谐波电流检测法n 町 小波分析方法具有多尺度分析和时一频局部化特性，特别适用于边缘和峰值 突变信号的处理和特征抽取，适合作为谐波检测和分析。 a 基于小波变换的谐波测量 它是一种窗口大小固定但其形状可改变，时间窗和频率窗都可变的时频局部 化分析法。 设y ( f ) r ( 尺) ，r 僻) 表示实数平方可积的实数空间，即能量有限的信号空 间，其傅立叶变换 为y ( 妫，当 f ，( 国) 满足以下条件： 巳：雄堕锄 ，。时，选择三相v s r 空间电压矢量圪( 扣o ，7 ) ，使其 对应的上跚纠。可( - ，枷，) 具有与误差电流矢量世方向相反的最小分量，以确保 电流矢量，在跟踪指令电流矢量，。的同时，限制电流变化率，以抑制电流谐波。 规则2 ：i a i i 。时，原有圪( k - - 0 ，7 ) 不切换，从而在限制平均开关 频率的同时，增加了s v p w m 控制的稳定性。 k l b ) 图4 _ 7 区域选择 a ) 1 区内误差电流矢量变化率b ) 依据规则选择圪示意图 第四章并联型有源电力滤波器的设计 当参考电压矢量v 在1 区， 处于区时，如图4 - 7 ( b ) 所示，对应于三相 v s i 空间电压矢量以的误差电流矢量变化率如图4 7 ( a ) 所示。我们必须选择合 适的空间电压矢量圪来使对应的id a i d ti i 尽可能的小。显然合适的参考电压矢 量y 应该选择k 、和z o 。另外，选定的圪( k = - 0 ，7 ) 所对应的矢量l 拙坊 必须始终与矢量出方向相反。因此，k 最为合适。以此类推，可得出表4 - 2 。 表4 - 2 世、v 区域与圪选择 v + 区域区域 1巧吃圪匕、7匕、7k 2吃巧玛 、7匕、7 3 匕、7圪 巧 圪 圪、7 4 圪、7圪、7 圪 乃 珞蚝 5 匕、7圪、7 珞蚝 6巧巧 圪、7 蚝圪圪 4 矢量v 、a 区域检测及圪选择的逻辑运算 根据区域决定的合适电压矢量集取决于式( 4 1 9 ) 中参考电压矢量的位置， 故区域检测器被用来检测电压矢量的位置，根据三个比