（电机与电器专业论文）用于谐波及无功综合补偿的有源电力滤波器研究.pdf

采用了同步旋转坐标系对谐波电压提前一个采样周期进行预测。 3 本文提出的有源电力滤波器控制算法非常简单，用具有高速运算性能和 强大控制功能的数字信号处理器( d s p ) 实现十分容易。 4 对三相电路和单相电路根据实际运行可能出现的情况进行了大量的仿真 研究，仿真结果也验证了本文提出的有源电力滤波器的控制算法是有效可行的。 有关谐波源的研究是谐波问题的基础，而谐波的补偿和抑制是谐波问题研 究的核一1 1 , 问题，因此本文的研究工作对于电力系统谐波的分析治理具有重要的 理论和现实意义。 关键词：谐波有源电力滤波器谐波及无功功率补偿公共连接点同步旋 转坐标系 s t u d y o nt h ea c t i v ep o w e rf i l t e rf o rs y n t h e t i c c o m p e n s a t i o n o fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r m a j o r ：e l e c t r i cm a c h i n ea n de l e c t r i c a le q u i p m e n t g r a d u a t e ：h a oj i a n gt a oa d v i s o r ：l i un i a n d u et ot h ee v e ri n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e g r o w i n gu s eo fn o n - l i n e a rl o a d s ，t h ep r o b l e mo ft m r m o n i cd i s t o r t i o nb e c o m e se v e r m o r ei m p o r t a n t h a r m o n i c sh a sp r o v o k e dt h a tv o k a g ea n dc u r r e n tw a v e f o m a si nt h e e l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m sa r en o ts i n u s o i d a l s ot h ei m p o r t a n c eo fh a r m o n i c a n a l y s i sa n dm i t i g a t i o nh a sb e e nw e l lr e c o g n i z e db yp o w e rs y s t e mp l a r m i n ga n d e l e c t r i ce n g i n e e r s a tt h em o l i l e n t ，m o s ta p p l i e ds y s t e m so f h a r m o n i cc o n t r o lu s et h et e c h n o l o g yo f p a s s i v ef i l t e r , b u tp a s s i v ef i l t e rh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s f o re x a m p l e ，i ti se a s i l y a f f e c t e db ys y s t e mp a r a m e t e r s a n di tc a no n l yr e m o v es o m eh a r m o n i c sw i 也g i v e n f r e q u e n c i e s t h e r e f o r e ，t h e s ey e a r sm u c hr e s e a r c ht u r n st ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) f o ri t sp r i o rf i m e t i o no fc o m p e n s a t i n gh a r m o n i c sd y n a m i c a l l y b u ti no u r c o u n t r y ，i td o e s n tr e a c ht h ea p p l i e ds t a g ef o rt h em o m e n t ， t h ea i mo ft h i sp a p e ri st od e s i g na l la p p l i e ds y s t e mo fa p fb a s e do nan e w c o n t r o la l g o r i t h mt oc o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r t h ec o n t e n to f t h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m ea p fs y s t e mt y p e s 、t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n d f i m d a m e n t a lo p e r a t i o n ， 2 t h er e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nc i r c u i ti nt h ea p fs y s t e mh a sb e e na n a l y z e d w i t ht h ed e t e c t i o no fh a m m n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t si nc h a p t e r3 i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi su s e db ya p ft od e t e c th a r m o n i cm a dr e a c t i v ec u r r e n t sr e s u l t s i ne r r o r so ft h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t t h i sp a p e rp r o p o s e san e wc o n t r o la l g o r i t h m f o rs h u n ta p ft oc o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rr e q u i r e db yn o n l i n e a r l o a d s ，w h i c hc a r la l s oi s o l a t et h ec o n t r i b u t i o n st ow a v e f o m d i s t o r t i o nf r o mc u s t o m e r s i d ea n dt h es u p p l ys i d e t h ea p p r o a c hw i l lb eu s e f u li na r r i v i n ga te q u i t a b l ew a y so f s e r i n gc u s t o m e rc o m p l a i n t s ，s h a r i n gt h ec o s to fw a v e f o r md i s t o r t i o nt h r o u g hr a t e s t r u c t u r e ，p e n a l t i e s ，e t c t h es o u r c ec u r r e n ta f t e rc o m p e n s a t i o nc a nh a v et h es a m e w a v e f o r ma st h a to ft h e s u p p l yv o l t a g e ，t h e r e b ya t t r i b u t i n gt h er e s p o n s i b i l i t y o f u t i l i t ya n dc u s t o m e ra tt h ep o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ( p p c ) d u et os i m i l a rs h a p eo f t h es o u r c ev o l t a g ea n dc u r r e n t s ，r e a c t i v ep o w e ri sc o m p e n s a t e dc o m p l e t e l y i no r d e r t or e d u c et h ed e l a yt i m ee f f e c to fd f ta n dq u i c k e nt h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e d e v i d e n t l y , t h eh a r m o n i cv o l t a g e i s p r e d i c t e d a s a m p l i n gp e r i o d a h e a di nt h e s y n c h r o n o u s l yr o t a t i n gr e f e r e n c ef r a m e 3 t h ec o n t r o la l g o r i t h mi s s i m p l ea n de a s yt ob er e a l i z e dw i t he x c e l l e n t o p e r a t i o ns p e e da n ds t r o n gc o n t r o la b m t yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 巾s p ) c h i p 4 v a r i o u ss i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dw i t l lf l l r e e - p h a s ea n ds i n g l e p h a s e s y s t e m s t h ev a l i d i t yo f t h ec o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o nr e s t f l t s n l es t u d yo fh a r m o n i cs o u r c ei st h eb a s i cp r o b l e mi nt h ea r e ao fh a r m o n i c a n a l y s i s m o r e o v e lh a r m o n i cc o m p e n s a t i o na n dm i t i g a t i o ni st h ec e n t r a lp r o b l e m a n dt h em a i np u r p o s eo f t h i sr e s e a r c ha r e a t h es t u d i e sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e ra r eo f g r e a ti m p o r t a n c et ot h et h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fp o w e rs y s t e mh a r m o n i c m i t i g a t i o n k e y w o r d s ：h a r m o n i c s ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；t h ep o i n t o fc o n u n o nc o u p l i n g ( p c c ) ；s y n c h r o n o u s l yr o t a t i n g r e f e f e n c ef r a l t l e 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究目的和意义 现代电力电子技术的快速发展以及非线性设备在电力系统中的广泛应用， 使注入电力系统中的高次谐波同益增多，造成系统电压和电流正弦波形发生畸 变，电能质量降低。现代社会已进入一个高速发展的信息化社会，在我国，i t 产业近几年发展相当迅猛，各种科技含量较高的数字化设备已逐渐得到普及， 这些精密的数字化设备相对于传统的机电设备来说，对于供电系统的干扰更为 敏感，因而对电能质量提出了更高的要求，而谐波问题在电能质量范畴正日益 突现出来，越来越受到人们的关注。因此，必须采取有效措施抑制电力系统中 的谐波，才能保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电设备的可靠工作。 有关电力系统谐波的问题最早引起人们注意的是在2 0 世纪2 0 年代，当时 在德国由于使用静止汞弧变流器而造成电压和电流波形畸变，5 0 年代高压直流 输电技术的发展，谐波问题再次受到人们的关注，7 0 年代以来，电力电子技术 的飞速发展，使谐波问题日益突出，谐波已成为阻碍电力电子技术发展的重大 障碍，谐波问题引起了世界各国的极大关注，成为电工界和学术界的研究热点。 国内外从事电力电子技术、电力系统等电工领域的专家学者对谐波问题进行了 大量研究【l 。国际大电网会议( c i g r e ) 和国际电工委员会( i e c ) 都成立了 专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波标准，很多国家对谐波也制定了相 应的国家标准【_ 。l 。表1 1 和表1 2 是我国国家技术监督局1 9 9 3 年颁发的中华 人民共和国谐波国家标准g b 厂r1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，该标准从 1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。治理谐波对电网的污染就像保护环境一样，把电 网的谐波水平限制在谐波国家标准的允许范围内，提高供电质量，维护电网安 全运行，以获得良好的社会经济效益。 国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍”，通常我们所讲的谐波都称为高次谐波，除谐波外，间谐 波也是一个不能忽略的问题，按照i e c 有关文件定义：间谐波是频率为非整数 倍基波频率的分量。谐波和间谐波都广泛的存在电力系统中，它们造成的危害 可分为两类：第一类是对电力设备的影响，第二类是对计算机、继电保护、控 制系统、仪器仪表、以及视听设施等的影响。具体可以分为以下几类13 l ： 四j i i 大学硕上学位论文 表卜1公用电网谐波电压( 相电压) 限值 f 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率【) ( k v ) ( ) 奇次偶次 0 3 8504 02 0 6 4 0 3216 1 0 3 5 3o2412 6 6 1 1 0 2 o16o 8 表卜2注入公共连接点的谐波电流允许值 标准电压基准短路容量谐波次数及谐波电流允许值( a ) ( k v )( m v a ) 234567891 01 11 2 1 3 0 3 81 07 86 23 96 22 64 41 92 l1 62 81 3 2 4 61 0 04 33 42 l3 41 4 2 4 1 11 l 8 51 67 11 3 1 01 0 02 62 01 32 085 1 5 6 46 8 5 ，19 34 37 9 3 52 5 01 51 2771 25 18 83 84 13 15 62 6 4 7 6 65 0 01 6138 11 35 49 3414 - 33 3592 7 5 0 1 l o7 5 01 29 66 09 64 。o6 83 o 3 22 4 4 3 2 o3 7 标准电压基准短路容量谐波次数及谐波电流允许值( a ) ( k v )( m v a ) 1 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 4 2 5 0 3 81 01 11 29 71 88 61 67 8 8 97 1 1 4 6 51 2 61 0 06l6 85 _ 31 04 79 04 34 9 3 9 7 43 6 6 8 1 01 0 0374 13 26o2 8 5 4 2 62 9 2 34 52 14 1 3 52 5 0252 51 93617321 51 81 42 7 1 | 32 5 6 65 0 0232 62o3 81 _ 83 4161 91 52 81 4 2 6 1 1 07 5 01 71 91 52813 2 5 1 214 1 1 2 1 1 ol9 四川大学硕1 一学位论文 ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低电力设备的利 用效率。 ( 2 ) 谐波可能使电力系统中存在的电容器发生局部的并联或者串联谐 振，例如用于改善功率因数的电容器，谐振使谐波电流放大几倍甚 至几十倍，不仅对系统，而且对电抗器和电容器本身都具有极大的 破坏作用，据统计，因谐波而损坏的电气设备中，电容器约占4 0 ， 电抗器约占3 0 。 ( 3 ) 谐波影响电气设备的正常工作。对电机主要影响是引起附加损耗， 产生机械振动、噪声和谐波过电压。谐波使变压器局部发热，降低 输出功率，还引起噪声和振动。谐波使电容器、电缆等设备绝缘老 化，过热、产生局部放电、缩短使用寿命，发生故障甚至烧毁。 ( 4 ) 谐波会使继电保护和自动装置误动作。，造成大面积停电。尤其是电 气化铁道负荷的1 1 0 k v 供电系统中的保护和自动装置。例如：1 9 8 5 年丰沙大电气化铁道的谐波和负序引起大同二电厂2 0 0 m w 发电机 的负序电流过负荷保护跳闸；又如山西省2 2 0 k v 怀仁枢纽变电所和 山西省的漳长及河南省的许驻2 2 0 k v 线路，由于电气化铁道谐波和 负序使差高频保护误动作跳闸。都造成了大面积停电事故。 ( 5 ) 谐波使电气测量仪表测量不准确，如电能表、功率表，仪用互感器 等；谐波干扰邻近的通信系统，引起电话噪音、降低通话质量、有 时出现过电压。 ( 6 )间谐波会引起灯光闪烁，使人的视觉受到严重干扰。使波形发生过 零点偏移，正负半波幅值发生变化，降低负荷的功率因数等。 因此，谐波的影响及危害不容忽视，对谐波的治理具有十分重要的理论和 现实意义，治理谐波不仅对净化电网环境、提高电能质量具有十分重要的意义， 还对电力电子技术自身的发展具有巨大的推动作用。目前实际应用中对谐波的 抑制多数采用无源滤波装置，简称l c 滤波器，但l c 滤波器因其自身的缺陷， 很难满足系统动态变化的要求，有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 因其动 态实时的补偿谐波而成为抑制谐波最有发展前景的谐波补偿装置。本文就此对 有源电力滤波器进行了详细的分析研究。 四j t l 大学硕七学位论文 1 2 国内外研究的现状 1 2 1 谐波的抑制手段 谐波的补偿和抑制是谐波研究的核心问题。目前抑制谐波的手段主要有以 下三种： ( 1 ) 无源滤波装置【1 4 1 1 1 5 】。无源滤波装置是由电容器、电抗器和电阻器经 过适当组合而成的。该装置除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要，其结构 简单、成本低，是当前补偿谐波最主要的手段，也是实际应用中最为普及的。 但运行结果表明，该装置存在许多的缺陷，主要有：滤波效果不理想、只能补 偿固定频率的谐波、除补偿的某些固定频率外，很可能对其它频率的谐波有放 大作用、补偿特性很容易受到电网阻抗和运行状态的影响、在某些条件下可能 和系统发生谐振，引发事故。 ( 2 ) 从源头入手、改善谐波源的特性。主要有两种方法，一是在大容量 变流器中采用多重化技术，提高整流装置的相数。二是采用高功率因数变流器。 ( 3 ) 有源滤波技术，也就是本文所研究的有源电力滤波器( a p f ) 。它是 一种用于动态补偿谐波和无功电流的新型电力电子装置。我国在这方面的研究 起步较晚，目前a p f 在国内还没有得到实用，多数处于理论研究阶段。 1 22a p f 的研究现状 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i m 】。随着电力电子技术以及p w m 控制技术的不断发展，a p f 的研究已成为 各国学者热衷的研究课题。1 9 8 8 年，p e n g f z 等提出了一种并联无源滤波器加 串联有源滤波器的混合电力滤波器【1 ”，该滤波器的特点是利用无源滤波器滤除 5 、7 次等低次谐波电流，而a p f 仅起负载电流和电网电压高次谐波的隔离作用。 1 9 9 1 年，f v j i t a h 等人提出一种有源滤波器与无源滤波器串联的混合电力滤波器 ，这种滤波器中无源滤波器主要用来进行谐波补偿，而a p f 起改善无源滤波 特性的作用，这样就可以减小a p f 的容量。近年来，人工智能技术的发展，如 小波分析、人工神经网络、模糊控制技术等等，有学者已把这些技术应用于a p f 中【1 9 - 2 ”。数字信号处理器( d s p ) 的高速运算功能，大大增加了a p f 的动态响 应速度，使a p f 的各种复杂的控制算法得以实现【2 2 】1 【”j 。电力电子器件，特别 四川大学硕士学位论文 是全控型器件，如门极可关断晶闸管( g t o ) ，绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 的进展，将其应用于a p f 的主电路拓扑，不仅增加了a p f 的容量，而且提高 了逆变器的开关响应速度，推动了a p f 不断向前发展【2 4 3 “。 对于a p f 的研究，补偿分量即谐波和无功电流的检测至关重要。当前最具 有影响力的就是日本人a k a g ih 提出的瞬时无功功率理论，该理论在a p f 中得 到了极为广泛的应用。此外，离散傅立叶变换和卡尔曼滤波通常也是检测谐波 的主要手段 3 2 “l 。 我国学者对于a p f 的研究起步较晚，多数是集中在谐波电流的检测以及基 于瞬时无功功率理论的a p f 的硬件电路研究领域 3 6 - 4 4 】，现已取得不错的成绩。文 献 4 5 1 提出了一种新型的三相a p f ，其主电路拓扑结构和普通的a p f 有所不同， 它是由串联在电网进线中的三个电感和一个并联的电压源型逆变器组成，其思 路可以为a p f 的研究提供一个新的参考方向。 。 9 0 年代后期，并联型a p f 在目本、美国等国开始应用，用i g b t 实现的 1 0 0 k v a 的a p f ，1 9 8 8 年已用于对建筑物中供电系统谐波进行补偿；用g t o 实 现的a p f ，在1 9 9 0 年已用于电弧炉的谐波抑制。日本在1 9 9 1 年已制成的a p f ， 最大容量是2 0 0 0 k v a ，电压等级为4 0 0 v ，经变压器后可以用在6 6 k v 上。我国 实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学研究院共同制成的、 用于3 8 0 v 三相系统的5 0 k v a 的a p f 4 。由于a p f 研究涉及到现代电力电子技 术、微机控制技术、现代控制理论、数字仿真技术等诸多实践和理论问题，因 此a p f 的开发实用具有相当大的难度。但是，a p f 的潜在技术经济效益和发展 前景促使我们必须加强这方面的研究工作。现在国内各高校如清华、西安交大、 浙江大学等都对a p f 投入了大量的研究，并已取得可喜的成果。 1 3 研究内容和主要工作 基于“瞬时无功功率理论”和离散傅立叶变换( d f t ) 是目前检测谐波主要使 用的两种方法。瞬时无功功率理论相对来说在有源电力滤波器的应用中比较多 见，但是还存在以下不足： ( 1 )有源电力滤波器直流侧电压的稳定与否是影响a p f 能否正常工作的 关键，为了稳定直流侧电容上的电压，需要使补偿电流中含有基波有功电流分 四川i 大学硕士学位论文 量，使得交流侧和直流倒交换能量，而这个调节直流侧电压稳定的信号将使谐 波检测结果中产生误差。 ( 2 ) 为了能够提取电网中的基波正序电压分量，在谐波检测中需要用到锁 相环( p l l ) ，如果三相电压基波不平衡，将导致锁相环锁相不准确。目前的锁相 电路多是模拟电路构成，其本身就有可能产生相移；再加上电网频率的偏移和 电压波动，也会使锁相环输出产生误差。 ( 3 ) 瞬时无功功率理论检测谐波要经过两次矩阵变换，运算量大，并且该 理论构成的a p f 控制电路复杂，硬件成本高，实现起来比较困难，也不太适合 于单相电路。 ( 4 ) 利用瞬时无功功率理论提取基波电流时，低通滤波器( l p f ) 由于延迟 效应，都会造成基频分量的幅值和相位产生误差。 虽然利用瞬时无功功率理论的a p f 应用比较多，但是据载我国利用该理论 制成的a p f 在实际应用中常发生谐波补偿失败的问题。 本文设计的a p f 采用一种很简单的控制算法来提取补偿分量，利用离散傅 立叶变换( d f t ) 来计算电源电压各谐波分量，而不用考虑易于变化的负载畸变电 流谐波。因系统中电压相对于电流较为稳定，并对谐波电压提前一个周期采样， 所以该算法具有一定的动态实时性。本文所做的主要工作有： ( 1 ) 提出公共连接点( p c c ) 处的谐波电流分离识别方法，建立数学模型。 利用( d f t ) 来计算电源电压的各次谐波分量，实际上只需要计算5 、7 、1 1 次谐 波电压就差不多可以满足补偿谐波和无功电流的要求，同时还计算电源电压和 负载基波电流的幅值和相位角。完成a p f 中的关键部分即指令电流信号的提取。 ( 2 ) 用同步旋转坐标系解决d f t 造成的延迟效应，对谐波电压的检测提前 一个采样周期预测，提高了a p f 的动态响应速度。 ( 3 ) 逆变部分，根据检测得到的谐波和无功电流指令信号，采用滞环电流 比较方式，脉宽调制技术，使逆变器输出的信号与电网中需要补偿的谐波和无 功电流信号大小相等，方向相反，从而可以补偿电网中畸变的电流，结果使电 源电流波形能够跟随电压波形保持一致。 ( 4 )采用基于d s p ( 数字信号处理器) 平台的硬件控制系统，实现了本文 的算法。 ( 5 ) 用m a t l a b 电力系统仿真工具箱完成了本文提出的控制算法，仿真结 四j i i 大学硕士学位论文 果验证了该算法用于a p f 的有效性。 用本文的控制算法设计的a p f ，具有以下优点： 1 该算法能够使电源电流跟随电源电压波形保持一致，成比例变化，因 此可以根据这个特征判定供电方和用户在公共联接点的责任。给供电部门和用 户在p c c 处明确责任提供了很有价值的参考。 2 用本文的算法只考虑供电电压的影响，而供电电压在通常情况下相对 于电流来说比较稳定，同时还采用了对谐波电压提前一个采样周期进行预测的 方法，所以依据该算法设计的a p f 也可以体现出补偿谐波电流的动态实时性和 准确性。 3 该算法相对于瞬时无功功率来说非常简单，大大减少了计算所需的时 间。由于补偿后能使电源电流和电压波形一致变化，所以可以断定无功电流得 到了完全补偿，而瞬时无功功率理论制成的a p f 并没有完全补偿无功电流。 4 尤其是在理想电压的条件下，运用该算法的补偿效果十分明显，不用 计算电压各次谐波分量。实际上，供电电压的问题，是供电部门自己的问题， 现也有单独对电压的波动，不平衡，闪变等进行补偿的装置，即动态电压恢复 器( d v r ) ，一旦供电方能够解决了供电电压的问题，运用该方法就可以解决用 户产生的谐波和无功电流问题，佼谐波源用户产生的谐波不能注入电网，对电 网造成污染，影响其它用户。 四川i 大学硕l 学位论文 2 有源电力滤波器的系统结构和工作原理 2 1 引言 无源滤波器因其结构简单、运行可靠、维护方便等特点，目前在电力系统 中得到了广泛应用。但是随着电力系统结构越来越复杂，非线性设备的应用日 益增多，只能够补偿某些特定次谐波的无源滤波器的缺陷逐渐暴露出来。能够 动态补偿谐波的a p f 已成为电力电子甚至电力系统领域的研究热点之一。电力 电子技术的快速发展，对a p f 的研究和实用化提供了可行性。1 9 8 3 年日本学者 赤木泰文等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”是对a p f 的一个重大突破， 直到现在该理论仍然被认为是a p f 的最主要的理论基础。依据该理论制成的a p f 在实际中已经得到应用。 a p f 根据与负载接入电网连接方式的不同，可以分为并联型a p f 和串联型 a p f ，为了尽快发挥a p f 的功效，提高其性能，减少其容量，由此又延伸出串联 混合型a p f 和并联混合型a p f 。本节将简单介绍这几种a p f 的系统结构和工作 特点，然后再重点分析并联型a p f 的基本原理和系统结构，因为本文设计的a p f 也是并联型的，而且并联型a p f 是工业实际中应用最多的一种，也是最基本的 一种。 2 2a p f 的基本原理和系统结构 2 2 1 几种典型的a p f 系统结构简介 a p f 的每一种类型结构都有其特点，下面是对四种典型的a p f 的系统构成 和主要特点作个简单的介绍。 1 并联型a p f 图2 1并联型有源电力滤波器 旧川人学颤一卜学位论文 图2 1 中负载为产生谐波的谐波源，与a p f 并联的是一阶或者二阶高通滤 波器，用于滤除a p f 所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。由于这种a p f 的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。多数情况下，并联型a p f 主要 用来补偿可以看作电流源的谐波源，如直流侧为阻感负载的整流电路，此时， a p f 向电网注入的是补偿电流，以抵消谐波源产生的谐波，使电源电流为正弦 波，所以并联型a p f 表现出电流源的特性。 2 串联型a p f 一1 困 图22 串联型有源电力滤波器 这种a p f 的特点是作为电压源串联在电源和谐波源之间。它主要用来补偿 可以看成是电压源的谐波源，如电容滤波整流电路等。串联型a p f 与并联型的 有所不同，它向电网输出的是补偿的电压，以抵消由负载产生的谐波电压，使 供电点的电压成为正弦波。 3 并联混合型a p f 图23 并联混合型有源电力滤波器 搴 厂一l 翠还 这种混合型a p f 不承受交流电源的基波电压，只提供很小的补偿电流，因 此该装置容量小。它只需补偿l c 滤波器未能补偿的谐波，改善l c 滤波器的补 偿特性，可阻说起拾遗补缺的作用。此外，它还克服了l c 滤波器易受电网阻抗 的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。 4 串联混合型a p f 一、卜j 厂c 5c瓜7 。，蒋“p f 这种方式是在并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入a p f 。a p f 在这里相 当于一个受控的电压源，产生与流过它的谐波电流成k 倍的谐波电压，因此可 以把它看成是一个可变的电阻，对基波来说，其阻抗为零，而对谐波来说相当 于阻值为k 的电阻，所以当谐波源产生的谐波电流试图流向电网时，它因其较 高的阻抗可以迫使谐波电流流入l c 滤波器。另外，一方面它可以抑制l c 滤波 器与电网阻抗之间发生的并联谐振，另一方面，除了可以隔离负载产生的高次 谐波电流的影响外，还可以抑制电源电压中的谐波成分产生的谐波电流流向l c 滤波器。 2 2 2 并联型a p f 的基本原理 并联型a p f 是各种类型的a p f 中最基本的、也是最常用的一种装置，本文 设计的a p f 是单独使用的并联型a p f ，当然为了提高其容量，在实际应用中可 以根据具体情况和l c 滤波器串联或者并联混合使用。以下是并联型a p f 的系统 结线图。 叫川大学坝i 学位论文 a p f 图25 并联型有源电力滤波器系统结构 上图为并联型a p f 的系统构成原理图，从图中可以看出，它主要有两部分 组成，一部分是指令电流运算电路，另一部分是补偿电流发生电路( 电流跟踪 控制电路、驱动电路、主电路) 。为了能与交流侧交换能量，以达到补偿目的， 逆变器的直流侧还必须有储能元件，该元件可以是直流电容，也可以是直流电 感。如果逆变部分直流侧为电容则称为为电压型，为电感则称之为电流型。本 文使用的是电压型的变流器。图中的高通滤波器( h p f ) 是用来补偿逆变器开 关频率附近的谐波电流。 并联型a p f 的基本原理是首先通过电压互感器和电流互感器从电网中检测 出补偿对象的电压和电流，然后把检测结果送入指令电流运算电路，指令电流 运算电路根据一定的控制算法，从电网中提取出需要补偿的谐波和无功电流信 号，该信号经过补偿电流发生电路放大，得到补偿电流，补偿电流与负载中的 谐波及无功电流分量大小相等，方向相反，将此补偿电流送入电网，就可以抵 消负载电流中存在的谐波和无功电流。最终得到期望的电源电流。下面用图形 加以说明： f q 川大学硕| 学位论文 图2 6 有源电力滤波器的补偿原理 ( a ) 负载电流中的谐波分量：( b ) 补偿电流；( c ) 负载电流：( d ) 补偿后的电流 如上图所示，图( a ) 中的i 表示负载电流中的谐波分量；图( b ) 中f c 表 示补偿电流的指令信号，它与i 。大小相等，方向相反；图( c ) 中f 。为负荷电流， 这里假设为方波电流；图( d ) 中f 。表示补偿后电源侧的电流。上述波形补偿原 理可以用以下数学公式描述： f l 2 屯+ j ， ( 2 1 ) i 。一i l + i c = i + f l r + i 。 ( 2 2 ) i 。2 一i ( 2 - 3 ) i 2 i “ ( 2 - 4 ) 其中i “负载基波电流 如果需要补偿负载的无功功率，可以在提取负载畸变电流时把基波无功电流算 在内，然后在补偿的电流中增加与基波无功电流极性相反的分量即可。 以下是并联型a p f 的结构示意图： 逆变器 图2 7 有源电力滤波器的原理结构图 四川i 大学硕士学位论文 2 3 脉宽调制( p u is ew id t hm o d u ia t i o r l 简称p w m ) 技术 在a p f 中，p w m 变流器是关键的组成部分，根据直流侧储能元件的不同， p w m 变流器可分为电压型和电流型两种，以下分别是这两种变流器单独使用的 主电路形式： a b c a b c 图2 8 三相电压型p l t n l 变流器 图29 三相电流型p w m 变流器 其中v 1 v 6 为各组开关器件的代号，所画器件为i g b t 管，实用中根据需要可 选择g t o 等器件，a 、b 、c 三相接入电网。 近年来，电力电子器件如门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力晶体管( g t r - ) 、 绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 等器件的快速发展及其开关频率的不断提高， 使其在逆变电路中得到了广泛的应用。因此在a p f 中要产生一个跟随负荷电流 变化的补偿分量，用p w m 控制技术已经得到实现。 四川i 大学硕：i 一学位论文 在采样控制理论中有个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具 有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果是指环节的输 出响应。如果把输出波形用傅立叶变换分析，则低频段非常接近，仅在高频段 略有差异。f f f j 女n ，有三种形状的脉冲波形，矩形脉冲；三角波脉冲； 正弦波脉冲。当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，它们的输出响应基 本相同，这就是面积等效原理【4 7 j 。 如何得到a p f 中逆变电路控制部分所需要的p w m 波形昵? 根据面积等效原 理，p w m 波形可以等效为正弦波形，即正弦波形可以用幅值相等、宽度按正弦 规律变化的p w m 波形来等效，当要改变f 弦波的幅值时，只要按照同一比例系 数改变各脉冲的宽度即可。当然p w m 波也可以等效为其它我们所需要的波形。 所以a p f 中补偿电流的波形就可以用p w m 波形来等效。 p w m 调制就是把我们希望得到的波形作为调制信号，把接受调制的信号作 为载波，通过信号波的调制就可以得到所期望的p w m 波形。p w m 调制在a p f 的 应用中，就是把从电网提取的谐波及无功电流作为调制信号，然后用载波对其 进行调制，得到我们想要的波形。通常采用等腰三角形或锯齿波作为载波，因 为等腰三角形上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何 个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中的开关器件的通 断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。依据p w m 控制原理， 在a p f 逆变电路的交流侧输出部分中增加一组高通滤波器，以及在交流侧再串 联适当的电感，就可以输出我们期望的补偿电流波形，从而可以和电网中的谐 波及无功电流抵消，此即a p f 的谐波电流补偿原理。 除了三角载波法得到p l v m 波形外，还有特定谐波消去法、预测控制法和自 适应p w m 控制法( 即滞环比较控制法) 等。三角载波p w m 法具有方法简单， 可预先确定主回路器件的开关频率，调整方便，动态响应好，电流跟随能力强 等优点，但这种方法在用于数字电路时，确定开关转换时刻需要进行大量的计 算，所以在实际工程中，该方法用于p w m 数字控制电路的很少，多数用文献 【4 7 中的规则采样法实现p w m 控制。本文是基于计算机的仿真，采用的是滞环 比较控制法来跟踪变流器输出的电流。为了说明p w m 技术的基本原理，这里 以等腰三角波作为载波信号，正弦波作为调制信号，正弦波也是我们希望得到 的变流器输出的波形。 网j i j 人学硕士学位论文 j 。r 翩静撤 巡彤”一 i l i l i | i i i j i i i i ： 广1 r r r nl 。 u l川”7 图28 信号波和载波的p w m 控制波形 图中把正弦波形“，作为调制信号波，等腰三角形“。作为载波，“。为储能元件电 容c 两端的电压幅值。当载波的瞬时值低于调制信号波时，p w m 逆变器输出高 电平，否则输出低电平。分别用此高电平或者低电平去控制p w m 逆变器电力电 子期间的导通和关断。这种调制信号波是正弦波的p w m 波形称之为正弦脉宽调 制( s p w m ) 。同样，如果调制的信号波形是从电网提取的谐波和无功电流，也可 以用此三角波对其进行p w m 调制，得到a p f 中p w m 逆变器的控制信号。 ( a ) ( b ) 图2 9p w m 调制输出波彩 ( a ) 补偿电流波形；( b ) 逆变电源输出电流波形 四川i 大学硕十学位论文 图2 9 中( b ) 为a p f 最终向电网输出的波形。根据检测的谐波和无功电流信号 由控制电路给出它们的目标值，在逆变器的交流侧用脉宽调制的方法向系统输 出补偿的谐波和无功电流。l r k # l - ，在p w m 逆变器的交流侧还串接有电感、并 联有高通滤波器。如上图所示，将补偿电流每个周期分成n 个等间隔的t ，在 a f 每个定值间隔t 内逆变器向外输出电流的瞬时值f 。= 詈u 。，其中脉冲幅值 为直流侧电容两端电压，f ，的瞬时值由脉冲宽度出所决定，最后经过滤除波形 脉动的滤波器，便可向系统输出谐波和无功电流的目标值，从而抵消系统中的谐 波和无功电流，得到我们期望的正弦波电流。 2 4 小结 有源电力滤波器因其动态补偿电网谐波的特性而成为抑制谐波最有发展前 景的手段之一，许多领域的学者都在对其进行不断的研究。本章首先介绍了四 种比较常用、也是较受关注的a p f 的系统结构以及它们的主要特点，即串联型 a p f 、并联型a p f 、串联混合型a p f 、并联混合型a p f 。这四种a p f 应根据其特 点在不同的场合加以应用。然后又介绍了最基本的并联型a p e 的基本原理，最 后对a p f 中比较关键的部分即p w m 逆变器的工作原理进行了简单的阐述。 四川大学硕士学位论文 3 谐波和无功电流的检测 3 1 引言 近年来，非线性设备在各个领域的广泛使用，使谐波源目益增多。谐波源 负荷对供电系统电能质量的影响以及其他非谐波源用户的影响也逐渐受到人们 的关注。因此研究谐波的问题就显得更加重要。 有关谐波问题的分析思想来源于傅立叶变换，谐波使正弦的电流或电压变 为畸变的非正弦电流或电压。数学上傅立叶变换可以将一个非正弦周期函数在 满足狄里赫利条件下分解为三角级数，基于这个理论，电力系统中畸变的电压 或电流都可以进行傅立叶分析。在谐波和无功电流的检测中，可以用傅立叶分 析和计算各次谐波的幅值和相位，检测精度也比较高。为了能够适应a p f 动态 补偿谐波的功能，日本学者赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，该 理论利用坐标变换来计算电压和电流的瞬时值，从而可以确定瞬时有功和无功 功率，突破了传统以平均值为基础的功率概念。后来该理论又经过改进，可以 更准确的检测谐波和无功电流。但是，瞬时无功功率理论也有某些局限性，比 如计算量大、制成的a p f 硬件成本高等等。为此，提出了另一种新的思想用于 谐波和无功电流的检测，称之为“公共连接点( p c c ) 处的谐波电流识别法”。 这种方法只需要考虑p c c 处供电电压的各次谐波分量，而不用考虑易于变化的 负荷产生的谐波电流，使电源电