（电机与电器专业论文）基于有源电力滤波器谐波与无功补偿电流的控制算法研究.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ew i d e l yu s eo f p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t , t h ee l e c t r i c a lq u a l i t yi s m a d ef o rm u c hm o r eu s eo f h o w e v e r , w i t hm o r ea n dm o r en o n l i n e a r ，i m p a e t i v el o a d s p u tt ou s e ，t h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni np u b l i cs u p p l yn e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o l e s e v e r e l y ，s ot h es t u d i e sa n de x p l o i t a t i o n si na c t i v ep o w e rf i l e t e rh a v ev e r yi m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e , a n dh a sb e e nw i d e l yu s e da n dd e v e l o p e di nt h er e c e n ty e a r s c o m p a r i e dw i t hp a s s i v ef i l t e r s , a p fh a v em a n ya d v a n t a g e s ，g o o dd y n a m i c r e s p o n s ep e r f o r m a n c ea n da r en o te a s i l ya f f e c t e db ys y s t e mi m p e d a n c e a na c c u r a t e a n dr e a l t i m ed e t e c t i n g a p p r o a c hi s c r i t i c a lf o ra p ft oa c c u r a t e l yc o m p e n s a t e h a r m o n i cc u r r e n t s t h i s p a p e rm a i n l y d e a l 、抓t l lt m r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n g a p p r o a c h e s i nt h e w i d e l yu s e dd e t e c t i n ga p p r o a c h - 、o fh a r m o n i c c u r r e n t sf o ra p f ，审一岛 a p p r o a c hb a s e do nt h e o r yo fi n s t a j i t a l l e o u sr e a c t i v ep o w e ri su s e dm o s tw i d e l y t h e m e t h o dh a ss i m p l es t r u c t u r ea n dp e r f e c tr e a lt i m ed e t e c t i n ge f f e c th o w e v e r , t h e c u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d so f a c t i v ep o w e rf i l t e rh a v e s o m el i m i t a t i o n s t h r o u g h t h e o r e t i ca n a l y z i n g ，t h em o n 印o i ma n dd i s a d v a n t a g eo f s e v e r a lk i n d so f a p fi sc o m p a r e d a n dm a k e sd e t a i ls t u d yo nt h et w oc r i t i c a lt e c h n o l o g i e s ：h a r m o n i c a n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n td e t e c t i n ga p p r o a c h e s a n dp w mc o n t r o ls t r a t e g i e s ；b a s e do n t h i s ，t os o l v et h ed i s a d v a n t a g e sf o c u so nt h a tb i gd i s t o r t i o nc a u s e db yc o m p e n s a t i o n c i r c u i t sw h e nl o a dc u r r e n tv a r i e sp r o m p t l yi nal a r g es c o p ea n dd i s t i n c te r r o ro c c u r r e d w h e n 知一i qd e t e c t i n g 靴o a c hi su s e di nt h ec a s eo f u n b a l a n c e d3 - p h a s ev o l t a g e ，a d e v e l o p e dd e t e c t i n ga p p r o a c hi sp r o p o s e d d o u b l ec l o s e - l o o pc o n t r o lf o rd c l i n k v o l t a g ea r ea d d e di nt h em e t h o dt oa c h i e v eg o o dt r a c i n gb e h a v i o ro f c o m p e n s a t i n g c u r r e n t ap h a s eaf u n d a m e n t a lp o s i t i v es e q u e n c ev o l t a g es e l e c t e du n i tb a s e do nl p f s u b s t i t u t e sf o r t h eo r i g i n a l 岛p l lt oe n s u r ee x a c tv o l t a g eo f ap h a s ei ss e l e c t e d e v e l li nc a s co f i m b a l a n c et h r e ep h a s ev o l t a g e t ot e s t i f yt h ev a l i d i t yo f t h i sn e w m e t h o d ，t h ed e t a i l e dd y n a m i cs i m u l a t i o no n m a t l a b 6 5h a v eb e e nd o n e a n dt h er e s u l t so f t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nv e r i f i e dt l l a t t h em e t h o di sv a l i da n df e a s i b l e k e y w o r d s ：a a c t i v ep o w e rf i l t e r ；co m p e n s a t i n gc u r r e n t ；h a r m o n i c ；c l o s el o o p c o n t r o l ；s i m u l a t i o n 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，也不包含为获得鑫鲞盘茎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：浆缸签字日期：。6 年月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘鲎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：簇缸 签字日期：，。，6 年f 月j 3 日 导师签名曼唆延 签字日期：2 “年f 月，d 日 第一章绪论 第一章绪论 随着电力电子装置越加广泛的投入使用，电能得到了更加充分的应用，但是 伴随而来的是越来越多的非线性、冲击性负载的投入使用，电网中谐波污染日益 严重，谐波抑制与无功补偿是涉及了电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、 电工理论等多领域的重大课题，已成为世界各国的研究热点，引起了人们的广泛 关注；电力电子技术的发展。在针对此类谐波抑制和无功补偿装置的研究中，最 常用的方法是采用l c 无源调谐滤波器，这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿 无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用，但是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，另外它只能补 偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。目前，谐波和无功补偿的一个重要趋 势是采用有源电力滤波器a p f 。 与传统无源滤波器比较，有源滤波器具有动态响应特性好，滤波特性不受系 统阻抗的影响等优势。而a p f 所采用的谐波电流检测方法，直接决定了谐波的检 测精度和跟踪速度，是决定谐波补偿特性的关键。目前，在众多有源滤波器的谐 波及无功电流检测算法中，基于三相瞬时无功功率理论的应用最为广泛；应用此 理论的i 。一检测方法计算简单，具有较好实时性，适合电流快速检测的优点； 但同时也存在很多局限性，该方法在电压有畸变时对基波有功、无功电流的检测 存在误差。其次，负载电流有较大突变时补偿后电流波形会产生较大畸变，影响 补偿效果。 1 1 谐波及无功产生原因 无功电流和谐波含量逐渐增加是一个共同的明显趋势，这与用电负荷中大量 使用非线性负载和设备有着直接关系。一般而掣”，具有非线性电气特性的设备 均成了谐波源，在电力系统中，波形的畸变主要来源于两大因素。第一是接入电 网的电阻、电容、电感元件的非线性，即阻感负载，比如发电机，变压器、异步 电动机等设备。第二是大量使用的电力电子装置。利用变流器对电压、电流及能 量进行控制与变换可以提高电力装置的性能，但同时引入了波形的畸变。随着电 力电子技术在电力系统中的不断推广使用，产生的谐波和无功电流，使电能质量 第一章绪论 下降，影响用电设备的安全经济运行。 下面介绍几类常见的谐波源。 ( 1 ) 含半导体非线性元件的谐波源【2 】 含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备在电力系 统中广泛存在。随着硅整流技术的发展和不断完善，硅整流装置、晶闸管在各行 各业中得到日益广泛的应用，大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电视机电 源、电池充电器等，遍布于电力系统的各个电压等级，它们按一定规律开闭不同 电路，将谐波电流注入到系统中。 整流器：其交流电源的电流为“矩形波”，该矩形波为工频电流波形和奇数 倍频率的高次谐波电流的合成波形。由傅立叶级数求得矩形波中的高次谐波分量 l ，其值最大为基频电流厶的妇倍，而且随触发控制角口和换相重叠角，的增大， 谐波分量有减少的趋势，交流调压器产生的谐波次数与整流器类似。 ( 2 ) 含阻感负载的谐波源， 电弧炉：电弧炉1 3 1 是现代炼钢的重要手段，它在电弧起弧延时及非线性伏安 特性的综合作用下，会产生大量的高次谐波，其产生的原因有三：首先是电弧的 电阻值不恒定，并且在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，这造成电弧电 流的非正弦畸变；其次是交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作负极和正 极，因不同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称， 造成偶次谐波：其三即三相电弧不均衡，导致三次谐波。 变压器：广泛存在于各级网络中，其总容量远大于系统的最大负荷，其励磁 电流波形畸变最严重，变压器的励磁回路实质上就是具有铁心绕组的电路。在不 计磁滞及铁心未饱和时，它基本上是线性电路，铁心饱和后，它就是非线性的， 即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变，饱和愈深，电流波形畸变愈严重。 旋转电动机：交流电动机磁场的磁路是由定子磁轭、定子齿与空气隙等组成 的闭合回路。当铁心未饱和时，可认为磁通势是集中在两个空气隙。若气隙是均 匀的，则磁通势也是沿定、转子表面均匀分布而不是正弦分布，将它分解可得谐 波分量，在电压、电流中会有相应分量产生；另外，由于定子开槽，则气隙磁导 不是沿表面均匀不变，而是以槽距作周期变化的，也会有相应的齿( 槽) 谐波产生。 另外，放电荧光灯，特别是荧光管装置，是高度非线性的负荷，因此，它们产生 很大的奇次谐波电流。在三相四线制供电系统中，3 的倍数次谐波在中性线上基 本上是直接相加的，其中3 次谐波是最主要的部分。 无功问题的研究历史可追溯到1 8 8 8 年，已有文献指出，在正弦交流电路中， 负载引起的电压、电流间的相位移导致电能在电源与负载间的往复传输，这一现 象被认为是无功功率的表征。电网中的无功平衡对提高全网的经济效益和改善供 2 第一章绪论 电质量，增加系统稳定性至关重要m 。目前，电网中绝大部分符合需要消耗无 功，这就要求系统提供一定量的无功，以支撑供电点的电压。 若系统中出现无功不足或倒送现象，会引起电压波动，符合所需无功完全由 送电端经长距离提供是不经济的，一般在受电端附近安装无功补偿设备以平衡系 统无功。 谐波与无功是两个相对对立的问题，但两者之间有紧密联系。在正弦系统中， 谐波与无功各有固定的概念和定义。在畸变系统中，谐波同时影响了系统的无功 功率和功率系数。并且产生谐波的装置一般也要消耗基波无功，补偿谐波的装置 一般也是补偿基波无功的装置。因此谐波与无功不可分离。 1 2 谐波及无功的危害问题 从理论上来看，电网所提供的电压应该具有单一而固定频率以及规定的电压 幅值。然而谐波电流和电压的出现，对电力电网是一种污染，它使用电设备所处 的环境恶化，给周围的通信系统和电网以外的设备造成危害。目前，电网中的谐 波源主要是各种电力电子装置( 含家用电器、计算机、照明等电源部分) 、变压器 的励磁电流、发电机、电弧炉、荧光灯等。随着电力电子装置的普及应用，更使 得电力电网的谐波污染日趋严重。由谐波引起的各种故障和事故也时常发生，谐 波危害的严重性已经引起了人们高度重视。 高次谐波对电网和其它系统的危害大致可以从以下几个主要方面睁7 1 来看： ( 1 ) 在电力电网中的谐波电流会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路损 耗的一部分。一般而言，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但随着谐波频 率增高，导线的谐波电阻比其基波电阻增加得大，因此谐波引起的附加线路损耗 也增大。这降低了发电、输电及用电设备的效率。 ( 2 ) 对于采用电缆的输电系统，谐波除了产生附加损耗外，还可能使电压波形 出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，同时也会使介质损耗增加及温升增高，这 缩短了电缆的使用寿命。 ( 3 ) 就运行的电机而言，谐波除了引起附加损耗和过热外，还会产生机械振动、 噪声及过电压。当异步电机的定子绕组流入正序或负序谐波电流时，可形成正向 或反向同步转速旋转的磁场。正序分量谐波电流将产生正向转矩，它和基波正序 分量转矩相同，而负序分量谐波电流将产生相反方向的转矩。由于谐波分量一般 不大，因此产生的转矩也很小，而且正序和负序谐波电流产生的转矩一部分可相 互抵消，所以谐波电流产生的平均转矩可以忽略。但是，由它产生的脉动转矩却 会引起电机的机械振动和噪声。 第一章绪论 ( 4 ) 当谐波电流流入变压器时，其主要影响是增加了铜损耗和铁损耗。随着谐 振频率的增高，还会使变压器的噪声增大。 ( 5 ) 谐波还会引起电力电网系统局部发生串联谐振和并联谐振，从而使谐波 电流和谐波电压得以放大，这更加大了上述情形( 1 ) ( 4 ) 的危害，甚至会引起严重 事故，必须加以足够的重视。 ( 6 ) 谐波会对周围的通信系统产生干扰，引起通信系统的噪声，降低了通话 的清晰度，尤其是当干扰信号严重时，会引起信号的丢失。使通信系统无法正常 工作。 通常，电力电网传输的功率是以兆瓦计，而通信系统的功率仅以毫瓦计，相 差十分悬殊。因此电网中的不太大的不平衡音频谐波分量，若耦合到通信线路 上就可能造成很大的噪声。电网对通信系统干扰主要由三个因素决定：电力电 网中谐波电流和谐波电压的大小；电网线路和通信线路之间的耦合强度；通信线 路对谐波干扰的敏感程度。 ( 7 ) 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。测量仪表是在纯正弦波情况下进行较验的，如果供电的波形发生畸变，仪表 则容易产生误差。电度表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差 越大，而且为负误差，当频率约为1 0 0 0 h z 时，电度表将会停止转动。 1 3 有源电力滤波器国内外发展现况及前景 1 3 1 谐波问题的解决方法 目前可用于解决谐波问题的思路有两条：一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；即在设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波 抑制环节，以减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施可以大大减小 电网谐波，但考虑到现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式， 不可能完全依靠这种方法来消除谐波；另一条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 ，即研究对系统中的谐波进行有效滤波 和补偿的方法和措施，即可行的有源电力滤波器方案。 传统的抑制高次谐波的方法，是使用l c 无源电力滤波器，一般是根据谐振 原理来工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低，它在很宽的频率范 围内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补偿无功 功率，还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因，在应用中存 在以下难以克服的缺点1 8 - 1 0 】。 4 第一章绪论 ( 1 ) 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是 不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可 能性。 ( 2 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必 须同时加入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 ( 3 ) 随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过 负荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投入 运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预 期的滤波效果。 ( 6 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是 很困难的。 ( 7 ) l c 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而 使装置无法运行。 ( 8 ) 对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联 谐振而产生“谐波放大现象”，使电路无法正常工作； ( 9 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题，人们做了许多 研究和探讨，其中最有代表意义的是有源滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑 制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功 进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是 一种理想的补偿谐波装置，它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。 1 3 2 有源电力滤波器的工作原理 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 装置产生一个与该谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流( 并联型) 或对应的 谐波电压( 串联型) ，从而消除电网中的谐波电流，使电网电流只含有基波分量。 图1 - 1 为a p f 基本原理框图。 与传统的l c 滤波器相比，有源滤波器优点如下：( 1 ) 实现了动态补偿，可对 频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿。( 2 ) 滤 波器特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。( 3 ) 补偿无 功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。( 4 ) 可同时对谐波 和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节，既可对一个谐波和无功源 第一章绪论 单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，性价比合理。 图1 1a l ? f 基本原理图 1 3 3 有源滤波器的国内外发展现状及前景 2 0 世纪7 0 年代初，有源电力滤波器的基本原理和电路结构就已确定，但由于 受当时的技术条件限制而未能得以实施。8 0 年代后，新型电力电子器件的出现、 p w m 控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤 波器技术的发展。交流电网中用于对谐波、无功功率和中线电流进行补偿的有源 电力滤波器技术已经日趋成熟。在过去的2 5 年中，提出了大量的有关有源电力滤 波器的拓扑结构和控制方法。有源电力滤波器已在提高电能质量、消除三相电力 系统中的电压谐波、调节终端电压、抑制电压波动和改善电压平衡等技术中得到 应用。 电力电子装置的广泛应用，使电能质量问题变得更加突出。国内外已有大量 的有关电能质量问题的调查报告关注这方面的问题。在这些报告中，通过对谐波 和无功的测量、分析，来认识谐波和无功等电能质量问题对电网和用户的影响。 按照用电设备的使用场合，谐波源有单相、三相三线和三相四线等多种形式。单 相负载，如家用日光灯、微波炉、电视、计算机开关电源、空调、激光打印机和 复印机等等，均是非线性负载；在三相负载中，各种变频调速装置等都会引起电 能质量问题的发生。 自1 9 8 0 年起，已有大量论著论述了有源电力滤波器的研究工作，其中包括并 联型、串联型及混合型。与无源滤波器混合使用的串联型、并联型有源电力滤波 6 第一章绪论 器是其中的典型装置。许多控制方法，如瞬时无功功率理论，同步d q 坐标系 原理，同步检测方法和陷波滤波器方法等都被用来发展三相有源电力滤波器。 在三相四线制系统中，一些论著主要研究了由非线性不平衡负载，如计算机 电源、荧光灯等引起的中线电流过大的问题。对各种解决中线电流和不平衡负载 电流的方法也作了尝试，主要内容包括：消除或减少中线电流、谐波补偿、负载 平衡、无功功率补偿等。 关于有源电力滤波器技术近期的研究主要集中电力电子装置和非线性负载 的普遍使用，有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置， 它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点， 获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置，早在7 0 年代， 有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就己被确定，但由于受当时的技术 条件限制，未能使有源电力滤波器得以实施。 进入8 0 年代后，新型电力电子器件的出现、p w m 控制技术的发展以及瞬时 无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展；近年来，国外 已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步 提高，其应用领域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。 从目前研究现状和应用水平看出a p f 的发展趋势应为如下几方面：( 1 ) 增大器 件容量，提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补偿效果。此外，应用多 重化技术也能提高器件等效开关频率。实现对高次谐波有效补偿。( 2 ) 降低价格， 提高性价比；有源滤波器能消除高次谐波，提高系统稳压性、抑制闪变和补偿无 功等，一机多用符合当今电力系统发展需要。提高性价比是a p f 实用研究方向之 一。随着电力电子器件制造水平提高和发展，混合型系统成本优势逐渐消失，而 串一并联a p v f l | 于功能强大，将是一种有发展前途的有源滤波器。( 3 ) 降低损耗， 提高系统可靠性方面研究：包括采用合理的开关频率，选择适当的吸收回路，以 提高装置使用效率，采用过流、过压保护技术，故障诊断技术以使系统工作可靠 等都是有待进一步发展的方向。 我国在有源电力滤波器方面研究起步较晚，目前还主要以理论研究和实验为 主。今后加强引进发达国家技术，提高器件制造水平：发展适合我国电力系统标 准的控制技术，研制开发低损耗、低价格、大容量的a p f 是加快a p f 在生产实际 的应用，改善电能质量的有效途径。 7 第一章绪论 1 4 有源电力滤波器进行谐波及无功补偿所存在的问题 1 4 1 有源电力滤波器的缺点 从目前的情况看，有源电力滤波器的不足之处主要表现在： ( 1 ) 为了减小滤波器的体积和重量、改进设备性能，势必要提高有源电力滤 波器的主开关元件的工作频率。但是，这会受到可关断开关元件本身工作频率的 限制；同时，工作频率的提高。将使有源电力滤波器的开关损耗迅速增加。目前， 有源电力滤波器的损耗高达5 0 9 0 w k v a ，大大高于电容补偿器的2 4 5 w k v a 和同步调相机的1 2 3 0 w k v a 。较高的损耗，既增加了运行成本，也妨碍了设备 容量的进一步提高。 ( 2 ) 与无源滤波器相比，设备的初期( 制造) 投资大。 ( 3 ) 由于非线性电路的功率理论尚不完善，因而在无功和谐波电流的实时检 测上，还存在理论和方法上的困难：这种情况可能会影响有源电力滤波器的工作 效率和效果，甚至可能影响它的实用性。 ( 4 ) 由于有源电力滤波器通常以高频开关方式工作，会产生电磁干扰。 因此，降低有源电力滤波器的损耗和初期投资、完善非线性电路功率理论及 参考电流的实时检测方法、并提高设备的电磁兼容性，是有源电力滤波技术的发 展方向和急需解决的问题。 1 4 2 有源电力滤波器的发展方向 有源电力滤波器近期的发展动向在以下几个方面： ( 1 ) 谐波理论的进一步研究； ( 2 ) 进一步降低补偿装置的容量； ( 3 ) 控制系统的简化与数字化； ( 4 ) 补偿装置的多功能化； 其中( 1 ) 与系统的谐波理论有关；( 2 ) 、( 3 ) 的目的是进一步减小补偿装置的制 造成本和损耗，进一步提高装置的可靠性；( 4 ) 是指有源电力滤波器除能补偿谐 波外还具备其它的功能。 ( 1 ) 谐波理论的进一步研究 采用傅里叶级数对非正弦连续的时间周期函数进行变换是谐波分析最基本 和常用的方法。这种方法根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该电 流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算 量大、实时性不好，因此该方法大多用于谐波的离线分析，难以用于有源电力滤 第一章绪论 波器所要求的实时检测。该方法早期曾在有源电力滤波器中用过，8 0 年代瞬时无 功功率理论出现后已不再采用。 为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学者赤木泰文等入提出了瞬时无功功 率理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无 功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。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，对于谐波和无功补偿装置的研究和开 发起了极大的推动作用。但这一理论也存在一些缺点，一些量的物理概念比较模 糊，在解决一些传统概念和问题时遇到困难。所以如何建立更为完善的功率定义 和理论为大家所接受，还需做出更多努力。 三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统并取得了良 好的补偿效果，在国外有源电力滤波器已被广泛使用。有源电力滤波器的应用领 域已从原先的三相三线制系统逐步扩展到其它类型的电路如单相电路、三相四线 制电路以及直流输电等更为广泛的领域。 ( 2 ) 进一步降低装置容量 有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力滤 波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补 偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相 同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，而补偿电流的大小和装置的补偿目的 有关，即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿 谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相 反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的 大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补偿对象中 谐波组成及要求补偿无功的程度共同决定。 由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投 资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有源电力滤 波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有 源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。还有学者 提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源滤波器的容量， 但尚未进入实用阶段。 ( 3 ) 控制系统的简化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流，要 求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前完成这部分工作的 主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。实现时多为模拟电路，其线 路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者一直在寻找比较简单的方法来完成这部分 9 第一章绪论 工作。另外，随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的日趋完善，采用数字化方法 来实现这部分工作的研究也在积极地进行。 ( 4 ) 补偿装置的多功能化 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补 偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许 多学者的关心并取得了许多研究成果。 1 5 本论文主要研究内容和意义 本课题从基于d s p 控制的三相四线制并联型有源电力滤波器的结构出发，将 基于三相瞬时无功功率理论的f 。一i o 检测法应用在此系统中，并对系统进行了优 化设计，在确立了系统结构之后，利用m a t l a b6 5 对系统进行了仿真建模与分 析对比，验证了系统设计的正确性与实用性。 本论文主要研究内容如下； ( 1 ) 介绍有源电力滤波器的工作原理及其按不同标准的分类，通过比较总结 出各种方式的优缺点和适用性；深入分析了有源电力滤波器的控制策略和补偿电 流检测技术，最后提出了基于d s p 控制的三相四线制并联型有源电力滤波器系统 的设计。 ( 2 ) 对有源电力滤波器的主要参数如交流侧滤波电感值、直流侧电容电压及 其波动范围对补偿精度的影响进行了分析。并提出了基于d s p 的三相四线制并联 型有源电力滤波器的控制系统的设计。 ( 3 ) 在上述研究基础上，对基于d s p 的三相四线制并联型有源电力滤波器的控 制算法进行了研究。分析与改进了谐波与无功指令电流的计算，其中针对三相电 压不平衡时，原始i 。一f 。检测法无法提取a 相正序电压的情况进行了误差分析， 并提出了解决方法；讨论了直流侧电压控制与上下电容均压控制的功能。最后利 用m a t l a b6 5 s i m u l i n k5 o x 寸本文所提出的基于d s p 的并联型有源电力滤波 器系统进行了建模仿真，并对结果进行了分析和对比，总结出结论。 1 0 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 本章首先介绍有源电力滤波器的工作原理及其按不同标准的分类，再详细介 绍了有源电力滤波器的控制策略和补偿电流检测技术，最后提出了基于d s p 控 制的三相四线制并联型有源电力滤波器系统的设计。 2 1 有源电力滤波器工作原理及分类 a p f 根据系统结构不同有多种类型，按其接入电网的方式分类，包括串联型、 串联混合型、并联型和并联混合型等。而不同类型的a p f 对同一谐波源的补偿 特性也不相同。而在电网中，产生谐波的谐波源非线性负载又分为电流型和电 压型，它们注入电网时的谐波性质也不一样。a p f 的补偿特性与负载性质和所选 a p f 的类型密切相关。在不同负载性质条件下的不同类型的a p f 有不同的补偿特 性。 图2 - 1 有源电力滤波器的分类 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 2 1 1 按接入电网方式分类 2 1 1 1 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器主要用于补偿感性电流源型负载的谐波，即直流侧含 有大电感滤波的整流电路，其本身表现出电流源的特性，由于其与系统相并联， 故可等效为一受控电流源。由于a p f 用于三相占多数，故以三相三线制情况为 例，并联型有源电力滤波器原理框图如下图2 2 。设三相对称电源、对称负载， 有+ + = o 和e 。+ + 巳= 0 。 图2 - 2 并联型有潭电力滤波器原理框图 图中0 为电源电流，站为补偿电流，屯为负载电流，f ：= f 。+ t 。并联型有源 电力滤波器由两部分组成，即指令电流运算电路( 也称谐波检测电路) 和补偿电流 发生器。并联型有源电力滤波器的工作原理是：并联型a p f 在系统中，相当于一 个谐波电流发生器。检测的信号经控制电路进行参考电流运算，得出补偿电流的 参考信号。该参考信号经主电路放大，得出补偿电流如，站与负载电流中要补偿 的谐波及无功电流抵消，即得到所期望的与电网电压同相的基波正弦电流d 2 q 6 ， 从而抵消了线路中的谐波电流，将电源侧电流补偿为正弦波。 这种类型的a p f 是目前理论研究及技术开发最为成熟、国外已大量投入使 用的a p f 装置，这种a p f 中，补偿电流参考信号的准确、无时差检测和高频 逆变器的精确、快速控制是其核心部分。实时、精确地检测出负载电流中的谐波 和基波无功成份，并且实时、可靠地控制主电路中高频逆变器的主开关管工作， 是确保a p f 补偿效果和精度的关键。由于以实现实时快速数字信号处理为主要 目的d s p ，芯片的大量应用，使得谐波电流的检测、计算及控制的速度和精度得 1 2 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 到了保证，从而也促进了以它为核心的并联型a p f 的实际应用与推广。 2 1 1 2 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容性电压源型负载的谐波，即直流侧含 有大电容滤波的整流电路，其本身表现出电压源的特性，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。它主要用于消除带容性负载的二极管 整流电路等电压谐波源对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负 载的影响，串联型有源电力滤波器原理框图如下图2 - 3 。 电力系统负荷 图2 - 3 串联型有源电力滤波器原理框图 谐波电压补偿的一相等效电路，如图2 - 4 所示。其中，互为电源内部等效阻 抗；钉和e a b 分别为电源基波电压和谐波电压，蛳和吮 分别为负载的基波电压 和谐波电压，妨和分别为电源基波电流和谐波电流。补偿装置工作时，a p f 相 当于一个与负载串联且受谐波电流控制的受控电压源，它产生一个k 倍于谐波 电流的谐波电压。因此，a p f 对谐波来讲可等效为阻值为k 的电阻，而对基 波来讲，其阻值k 为零。由图2 4 及根据迭加原理，得 0 订j k 图2 _ i 谐波电压补偿的相等效电路 u i a r 篇二章并联有源电力滤波器系统结构厦工作原理 = 0 + ( 2 1 ) ，= 丁e f - u 4 ( 2 2 ) 2 嚣 从( 2 3 ) 式可知，当k 时，0 * 0 。故e h ( 2 - 1 ) 式得 i = i t 从上述讨论可知，通过控制a p f ，让k 值充分大，能使电源电流和电源 电压不含喈波成分，从而达到对谐波补偿的目的。 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。它的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，体积大，损耗大，此外，串联型a p f 投切、故障后退出及各种保护 也较为复杂。目前它被实际投入使用的比例很小。 2 1 1 3 混合型有源电力滤波器 有源电力滤波器( a p f ) 作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置更是广受关 注，并出现了众多的电路拓扑结构和控制方案，这其中，将传统的无源滤波器和 a p f 结合起来，互相取长补短，组成混合有源滤波器，也是当前a f f 研究领域 的一个重要方向。 按有源滤波器和谐波负载的电路关系，混合有源滤波器一般可分为串联型和 并联型，串联型混合有源滤波器不承受基波电压，但要通过基波负载电流，并在 负载侧产生由于负载谐波电流引起的谐波电压，这使得当负载发生短路时对a p f 自身保护的动作速度要求很高，同时负载侧的谐波电压在某些场合也可能不被用 户所接受串联混合型有源电力滤波器原理框图如下图2 - 5 。 圈2 - 5 串联混合型有潭电力滤波嚣 并跃型混合有源滤波器也不必承受基波电压，但要通过滤波器支路的基波电 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 流，这其中如果a p f 采用受控电流源形式，则a p f 输出电流跟踪困难，如果 a p f 采用受控电压源形式，则为使a p f 输出电压波形理想，其输出变压器变比 很大，导致a p f 直流侧电压过高，从而影响在高系统电压等级下的实用性。并 联型混合有源滤波器原理框图如下图2 - 6 。 图2 - 6 并联混合型有源电力滤波器 这种混合型滤波装置中，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一 定的基波无功补偿；而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。这样，以非 常小容量的有源滤波器，就可以弥补无源滤波器特性的一些固有缺陷；对于负载 侧的谐波电流，有源滤波器的控制目的是为了使串联支路总的阻抗对各次谐波都 为零( 基波除外) ，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器，达到提高无 源滤波器滤波效果的目的。此时，有源滤波器的输出电压用于孙偿谐波电流流过 无源滤波器所产生的压降。同时，这种混合方案也能有效抑制电力系统阻抗与无 源滤波器之间可能发生的串、并联谐振。 l 举 r n i ，一。一一一一一，一，。； 圈2 - 7 串一并联混合型有源电力滤波器 串一并联混合型有源电力滤波器原理框图如上图2 7 ，串联有源电力滤波器 将电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源滤波器，同时阻止电 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 源谐波电压流入负载端并联有源电力滤波器提供一个零阻抗的谐波支路，使得 负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。 2 1 2 按谐波源类型分类 含有整流电路的电力电子装置在电网中是典型的谐波源。由于整流电路直流 侧可以采用电容或电感滤波，而且滤波电容、电感的大小也不一样。因此，它们 注入电网的谐波特性也有差异，按谐波源类型分类可分为电流型a p f 和电压型 a p f 两种。电压型a p f 直流侧接有恒压大电容；电流型a p f 的直流侧接有恒流 大电感。电压型a p f 在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不 变，因而逆变器交流侧输出为p w m 电压波。而电流型a p f 在工作时需对直流 侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为p w m 电流波。 2 1 2 1 电流型a p f 直流侧电感滤波的整流电路，如果滤波电感上足够大，其直流侧电流保持恒 定，它注入电网的谐波电流只由直流侧电流的大小和各半导体器件的切换方式所 决定，几乎与交流电压无关，具有理想电流源的特性，因此，此类谐波源可以看 成是一个理想谐波电流源。当上不是足够大时，直流侧电流会有波动，这时，它 注入电网的谐波就不能看成是一个理想谐波电流源，但仍可将其等效成一个谐波 电流源，即一个理想谐波电流源奶与一个等效阻抗z 咖并联。工越小，z 印越小， 上越大，z 厶也越大。因此，直流侧电感滤波的整流电路属于电流型谐波源。电 流型a p f 原理框图如下图2 8 。 图2 - 8 电流型a i p l l 7 1 6 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 2 1 2 2 电压型a p f 与直流侧电感滤波对应，直流侧电容滤波的整流电路，因其直流侧电压为恒 值，并通过各半导体开关器件的切换加到交流侧，因此，此类谐波源产生的谐 波电压由负载本身的特性决定，基本上与电网参数无关，有类似电压源的性质， 可用一个理想谐波电压源【k 与一个等效阻抗z l , 串联来等效。滤波电容c 越大， 等效阻抗z l 就越小，谐波源特性就越接近理想谐波电压源。当c 足够大时，则 可以看成是理想谐波电压源。因此，直流侧电容滤波的整流电路，本质上属于电 压型谐波源。电压型a p f 原理框图如下图2 9 。 图2 - 9 电压型a p f 电压型a p f l l 7 - 1 s 的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数a p f 采用的主电路结构。虽然电压型a p f 在降低开关损耗、消除载波谐波方面占有 一定优势，但电流型a p f 能够直接输出谐波电流，不仅可以补偿正常的谐波， 而且可以补偿分数次谐波和超高次谐波，并且不会由于主电路开关器件的直通而 发生短路故障，因而在可靠性和保护上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研 究，一旦超导储能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型a p f 的应用增 多。 2 2 有源电力滤波器的控制策略 a p f 工作性能决定于主电路构成元件及其控制系统，a p f 的主电路一般由 p w m 逆变器组成，p w m 控制原理是控制功率器件的通断，把直流电压或电流 变成一系列的电压或电流脉冲，使a p f 中的静止变流器产生所需的谐波补偿电 压或电流当a p f 主电路确定后，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键。 1 7 第二章并联有源电力滤波器系统结构及工作原理 现已有多种不同的a p