（电气工程专业论文）三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与应用研究.pdf

捧l j 学袋论文 探讨了三相四开关并联型a p f 的产品设计与实现方法。给出了三相四开关并 联型a p f 的系统构成方式，对功率开关器件的选型、缓冲电路的参数设计、直流 侧储能电容的设计、输出滤波电抗器的设计、控制系统硬件设计与软件设计等关 键技术进行了深入的研究，给如了关键参数的设计依据与关键器件的选型办法。 对三相四开关并联型a p f 的功能与性能进行了有效的实验验证。首先分析了 a p f 实验平台的搭建方法与对应的关键设备。然后分别进行了直流母线电压稳定 实验、稳态与动态补偿实验、控制算法对补偿效果的影响实验等，通过对实验数 据的分析，验证了三相四开关并联型a p f 产品在不同参数和工况下的良好运行效 果。 本文最后对三相四开关并联型a p f 产品的工程应用案例进幸亍了详细的介绍与 分析。通过对现场公共连接点处最大谐波电流允许注入值的分析，证明了其谐波 治理的必要性。a p f 投运后的现场电压电流谐波畸变率有了显著降低，工程应用 结采证明了该经济型的三褶西开荚并联型a p f 设计的可行性和有效性。 关键词：谐波；有源电力滤波器；三相四开关；电流检测；电流控制；空间矢量 脉宽调制；公共连接点 i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，a l lk i n d so fl a r g ep o w e r c a p a c i t ys w i t c h i n gc o m p o n e n t sa r ew i d e l yu s e d o nt h eo n eh a n d ，t h e ym a d ep o w e r e n e r g yt r a n s f o r m a t i o na n da p p l i c a t i o nc o n v e n i e n t l y ，o nt h eo t h e rh a n d ，t h e yl e a dt o t h es e r i o u sr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n tp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t e m t h e f u n c t i o n so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) t oc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c c u r r e n ti sr e c o g n i z e di nc o m m o n ，a n di th a sb e e nak e yp r o j e c ti np o w e re l e c t r o n i c s a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yt os t u d yt h ea c t i v ep o w e rf i l t e r s b u ta p f h a sn o tr e a c h e dt h e m a t u r es t a g ei nt h ed o m e s t i ca p p l i c a t i o n s ，a n dt h e r ea r em a n yp r o b l e m sn e e dt ob e s t u d i e da n di m p r o v e d ，s u c ha sh o wt og e tam o r ee c o n o m i ca p fs o l u t i o nt oa d a p tt o t h el o w v o l t a g ep o w e rg r i d ，h o wt oe n s u r et h ee f f e c t i v eo p e r a t i o no fa p fi n a a b n o r m a lc o n d i t i o n 。h o wt or e a l i z et h ep r o d u c to fa p ff a s t e r ，h o wt od e a lw i t ht h e e n g i n e e r i n gp r o b l e m si nt h ea p p l i c a t i o no fa p f ，e t c b a s e do nt h eb a c k g r o u n da b o v e ，t h i sp a p e ra n a l y s et h et y p i c a lt o p o l o g yc l e a r l y ， a n dan e wc a t e g o r i e sm e t h o di sp r e s e n t e di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n do ft h ed e t a i l m a r k e t c o n s i d e ro ft h ep r o d u c t f o r m i n ga n de c o n o m i cb e n e f i t s ，af o u r - s w i t c ht h r e e p h a s es h u n ta p f i sp r e s e n t e dt of i tf o rt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lw i t h m e d i u ma n ds m a l lc a p a c i t yi nl o w - v o l t a g e t h ed e t e c t i n g ，c o n t r o l ，p r o d u c t i o n r e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e dd e e p l y , t h er e s u l to ft h e s er e s e a r c h p r o v e dt h ea v a i l a b i l i t yo ft h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e an e wi d e aa n da p p r o a c hi n t h ee c o n o m i cs t u d i e sa n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n si sr e p r e s e n t e di nt h es t u d y t h e r e a r eg r e a ti m p o r t a n c ei nt h e o r ya n dp r a c t i c et ot h ed e v e l o p m e n to fa p f t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em e t h o dt oo b t a i nt h ed i r e c t i o nc u r r e n to fa p f ，a n da d i r e c t i o nc u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nt h ed cb u sv o l t a g ei sp r e s e n t e d t h i s m e t h o du s et h ep o s i t i v es e q u e n c ef u n d a m e n t a lc u r r e n ta st h ed i r e c t i o nc u r r e n tf o ra p f t h er e s p o n s et i m ea n da d a p t a b i l i t yi si m p r o v eb yt h ea p p l yo ff u z z y - p ic o n t r o l l e r 。t h e c o r r e c t i o nl o o pf o ra m p l i t u d eo fp o s i t i v es e q u e n c ef u n d a m e n t a lc u r r e n ti ss t u d i e d ，a n d p h a s ea n g l ed e t e c t i o no ff 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 e i s d e s i g n e d t h e d e s i g n e dm e n t i o n e da b o v ed e t e r m i n e st h a ta p f c a nw o r ks a f e l ya n de f f e c t i v e l yw i t h u n b a l a n c ev o l t a g e sa n ds h o r tt i m ef a u l t i n go fp o w e rg r i d ad cb i a sv o l t a g e c o m p e n s a t o rb a s e dp r o p o r t i o n a lc o n t r o la lg o r i t h mi sr e s e a r c h e d ，w h i c he n s u r e s t h a t m i d p o i n to fd cv o l t a g ei sb a l a n c e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h e i v f e a s i b l ea n de f f e c t i v eo ft h ed i r e c t i o nc u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d t h es p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) t e c h n i q u eo fo u t p u tc u r r e n t m o d u l a t i o ni s s t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h es v p w ma l g o r i t h mb a s e do n s i x s w i t c ht h r e e p h a s es h u n ta p fi se l a b o r a t e d t h e nt h ea l g o r i t h mi se x t e n d e dt ot h e f o u r s w i t c ht h r e e p h a s es y s t e m an e ws v p w ma l g o r i t h mi sp r o p o s e db a s e do n f o u r s w i t c ht h r e e p h a s es h u n ta p fc u r r e n tm o d u l a t i o n t h es i x s w i t c ht h r e e p h a s e s v p w mm o d u l a t i o na l g o r i t h mc a nn o tb ea p p l i e di nt h ef o u r - s w i t c ht h r e e p h a s e s y s t e md i r e c t l y t h es v p w ma l g o r i t h mf i tf o rf o u r s w i t c ht h r e ep h a s em o d u l a t i o ni s a c q u i r e dt h r o u g ht h eo b t a i no ft h ee q u i v a l e n tz e r ov e c t o r 。s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t r e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b l ea n de f f e c t i v eo ft h ea l g o r i t h m t h ep r o d u c td e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d so fa p f i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h ew a yo fs y s t e mc o n s t i t u t e so ff o u r s w i t c ht h r e e p h a s ea p fi sg i v e n t h ek e y t e c h n o l o g yi n c l u d i n gt h ec h o o s e o fp o w e rs w i t c h i n gc o m p o n e n t ，t h ep a r a m e t e r s d e s i g no ft h eb u f f e rc i r c u i t ，t h ed e s ig no ft h ed cc a p a c i t o r ，t h eo u t p u tf i l t e r ，t h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e ma r er e s e a r c h e dd e e p l y t h ed e s i g n p r i n c i p l eo ft h ek e yp a r a m e t e r sa n dt h es e l e c t i o nm e t h o do f t h ek e yc o m p o n e n t sa r e p r e s e n t e d ， t h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo ff o u r s w i t c ht h r e e p h a s ea p fa r ev e r i f i e d e f f e c t i v e l yt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d y f i r s to fa l l ，t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n d k e ye q u i p m e n t sa r ei n t r o d u c e d 。t h e n ，t h ee x p e r i m e n to fd cb u sv o l t a g es t a b i l i t y ， s t e a d y ，s t a t ea n dd y n a m i c - s t a t ec o m p e n s a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t c o n t r o la l g o r i t h mt ot h ec o m p e n s a t ea r ep e r f o r m e d t h ep e r f e c tc o m p e n s a t i o ne f f e c t o ff o u r s w i t c ht h r e e p h a s es h u n ta p fi nd i f f e r e n tp a r a m e t e ra n de n v i r o n m e n ti s v e r i f i e d a tt h ee n d o ft h ep a p e r ，t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nc a s eo ff o u r s w i t c h t h r e e p h a s ea p fi si n t r o d u c e da n da n a l y z e di nd e t a i l t h ea n a l y s i sa b o u tt h el a r g e s t v a l u eo fh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t e di n t ot h ep o i n to fc o m m o nc o u p l i n gp r o v e dt h e n e c e s s a r yo fh a r m o n i cc o n t r 0 1 t h e t h do ft h ev o l t a g eh a r m o n i ca n dc u r r e n t h a r m o n i cr e d u c e do b v i o u s l ya f t e ra p fp u ti n t oo p e r a t i o n t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t s p r o v e dt h ec o r r e c t n e s s ，t h ef e a s i b i l i t ya n dt h e e f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g na b o u t f o u r - s w i t c ht h r e e p h a s es h u n ta p f k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；f o u r s w i t c ht h r e e - p h a s e ；c u r r e n t d e t e c t i n g ；c u r r e n tc o n t r o l ；s v p w m ；p o i n t o fc o m m o nc o u p l i n g v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取褥的研究成果。除了文中特别加以标注弓| 用的凌容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承攫。 燃以陛嘲秽7 年觚酲 学位论文版权使用授权书 本学位论文俸者完全了解学校有关保愁、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密瓯 ， ( 请在以上相应方框内抒”) 作者签名：磊 导撕签名： 日期：。了年月f 网 基期；麓听年；胃岁麓 博士学位论文 第1 章绪论 随着社会的发展和科技的进步，人们对电能的容量与质量的要求越来越高。 作为世界上应用最为广泛的能源，电能的应用程度是一个国家发展水平和综合国 力的重要标志之一。提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平 提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高 国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。 另一方面，随着现代工业的发展，电力系统中以电力电子装置为代表的非线 性负载日益增多，诸如配电网中的整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路、 中频炉等。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使网络中的电压、 电流波形发生畸变，或引起电压波动、闪变和三相不平衡。另一方面，随着现代 工业技术的不断发展和计算机技术的广泛应用，用电设备对电能质量更加敏感。 低劣的供电质量将导致低劣的产品质量，特别是在重要工业生产过程中，供电的 突然中断将会带来巨大的经济损失。据相关资料显示，仅在欧洲每年因电能质量 和电气环境污染引起的经济损失就高达1 5 0 0 亿美元，而我国的电能质量水平仍然 低于发达国家，其经济损失更是不可估量。电能质量直接关系到国民经济的总体 效益，如何提高和保证电能质量，已成为迫切需要解决的重要课题之一。电能质 量的优劣已经成为电力系统运行与管理水平高低的重要标志，控制和改善电能质 量也是保证电力系统自身可持续发展的必要条件。电能质量问题已不仅仅是电力 系统中电压和频率等的基本技术问题，它已被提升为关系到整个电力系统及设备 的安全、稳定、经济、可靠运行，关系电气环境工程保护，关系整个国民经济的 总体效益和发展战略问题。因此，开展电能质量控制技术的研究及相关电能质量 调节装置的开发具有重要的现实意义和战略意义，成为近年来电气工程领域研究 的热点之一。 n g h i n g o r a n i 于l9 8 6 年提出了灵活交流输电系统( f a c t s ) 的概念。f a c t s 技术发展的两个重要特点，一是不断采用新器件，二是装置多样化，应用范围更 广。一方面继续向高压大容量方向发展，另一方面，向中低压配电网的应用发展， 宗旨是提高用户侧的电能质量，称之为用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 。用户电力 技术的概念最早于l9 8 8 年由n g h i n g o r a n i 博士提出，这是一种应用现代电力电 子技术、计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并实现对电能质 量控制的技术。我国一些学者称为d f a c t s ，认为是f a c t s 技术在配电系统应 用的延伸，并做了大量的研究。用户电力技术是一种将电力电子技术、微处理机 技术、控制技术等高新技术运用于中、低压配电和用电系统中，以减小谐波畸变， 三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与应用研究 消除电压波动和闪变、各相电压的不对称和供电的短时中断，从而提高供电可靠 性和电能质量的新型综合技术。 用户电力技术的提出为电力公司在系统侧和用户侧以最经济的方法解决电能 质量问题提供了一种新途径，常用的装置有有源电力滤波器( a p f ) 、不间断电源 ( u p s ) 、配电网静止同步补偿器( d s w 汀c o m ) 、动态电压恢复器( d v r ) 等。 但目前基于上述技术的研究多集中在功能与性能的实现，而对装置产品化与工程 应用的研究分析较少，同时对装置经济性的考虑也比较缺乏。 本文基于现有a p f 产品的研究现状提出一种经济型的三相四开关并联型a p f 方 案，并对其应用于电压控制和负荷补偿时的理论和多项关键技术进行深入研究， 解决了三相四开关并联型a p f 补偿电流检测与控制技术、i g b t 的驱动与保护、 产品工程应用技术等一系列技术难题。四开关技术的应用降低了设备的综合成本， 提高了设备的性价比。因此开展本课题的研究对缩短我国与先进国家的电能质量 控制技术及装备的水平差距、提升我国在配电网电能质量控制领域的国际地位、 实现a p f 产品的工业应用、提高供电企业和电力用户的社会效益和经济效益具有 重要现实意义。 1 1 谐波的起因 电力系统稳态方式下的谐波，都来自各种谐波源。所谓谐波源则主要来自于 三个方面：发电源质量不高产生的谐波、输配电系统产生的谐波、用电设备产生 的谐波。 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 一致和其他一些原因，多少会产生一些谐波，但一般来说很少。这种谐波电动势 的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可 以看作谐波电压源。 输配电系统中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，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱 和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线 性越远，谐波电流也就越大，其中3 次谐波电流可达额定电流的0 5 。 用电设备产生的谐波，则占据了电网中谐波的主要部分，尤其是各种大容量 电力和用电变流设备以及其它非线性负载的存在。引起电力系统谐波的主要负载 谐波源有u j ： ( 1 ) 传统非线性设备，包括电力变压器、旋转电动机以及电弧炉等。 ( 2 ) 现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广 泛使用的电子控制装置和开关电源、晶闸管控制设备等。 2 博士学位论文 其中晶闸管控制设备包括整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器、高 压直流输电设备等。随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断加大， 这部分所产生的谐波的比重也越来越大，目前己成为电力系统的主要谐波污染源。 1 2 谐波治理的意义 谐波对电力系统电磁环境的污染日趋严重，并且会危及系统本身和广大电力 用户，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了 不必要的损失，因此近三十年来电力谐波的危害和影响己引起世界各国政府和科 技界的广泛关注。归纳起来，谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个 方面【9 】： ( 1 ) 谐波使公用电网中的设备产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电 设备的效率。在三相四线制电网系统中，零线会由于流过大量的3 次及其倍数次 谐波电流造成零线过热，甚至引发火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发 热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并引起电气测量仪 表的计量误差。 ( 4 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 5 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 这就使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 6 ) 对其它设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响： 导致功率开关器件控制装置误动作； 导致功率开关器件故障而损坏； 使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏； 对计算机产生干扰； 影响互感器的测量精度： 使熔断器在没有超过整定值时就熔断： 影响功率处理器的正常运行； 影响电视机的画面质量； 影响电子显微镜的清晰度； 影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。 谐波带来的危害越来越被人们所重视，探讨各种消除谐波的方法，如何减少 直至消除谐波已成为电力系统、电力电子技术、电气自动化、理论电工等领域中 三相四开关并联型自源电力滤波器的理论与应用研究 的重要研究课题。 发达国家的经验表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、 数量和用电量将会迅猛增加。很明显，随着我国改革开发和经济建设的发展，我 国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即随着高新技术的发 展，谐波污染源的使用数量猛增，电网电压畸变率也将上升。另一方面，各类家 用电器层出不穷，精密仪器设备发展迅猛，信息时代已经到来，越来越多的电气 用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。这样一来，越 来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。 综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波 已成为电能质量另一个重要指标。为了避免谐波的危害，不少国家和国际组织制 订了限制用电设备谐波的标准，如被广泛接受的i e e e51 9 标准和i e c5 5 5 2 标准。 可见，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电 设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还 电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水 平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论 和现实意义。 1 3 谐波的抑制方法 由于谐波对电网和用电设备造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题十 分关心和重视，不少国家已制定了电力系统和用电设备谐波和波形畸变的国家标 准或电力部门的规定，对公用供电系统电压畸变允许值和谐波源注入供电点的谐 波电流值作出了规定。传统的谐波抑制方法主要有以下三种： ( 1 ) 受端治理，从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰 能力； ( 2 ) 主动治理，从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产 生的谐波； ( 3 ) 被动治理，外加滤波器，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。 受端治理的措施主要有以下几种： ( 1 ) 选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压 的电网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，这必须在 电网规划和设计阶段考虑。 ( 2 ) 避免电容器对谐波的放大。通过给电容器组增加阻尼电抗器，或将电 容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有 效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。 4 博七学位论文 ( 3 ) 提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正 常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。 ( 4 ) 改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能 够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常 工作。 主动治理谐波的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，但是装置更加复杂。 ( 2 ) 改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则 应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把 谐波电流加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点处的某些 谐波。缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发 生器的功率消耗常常高达整流器直流功率的1 0 。 ( 5 ) 采用p w m 技术。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， 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。 ( 6 ) 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l 。 被动治理谐波的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，运行维护也简单。 ( 2 ) 采用有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在谐波源附近和公用电网 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，并联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高。 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器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。h a p f 的种类很多，大致可分为与p f 的混合和与其它变流器的混合两类。 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 三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与应用研究 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【2 0 2 1 1 。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：滤波补偿特性依赖于电网和负载参数；l c 参数的漂移会导致滤波特 性的改变；具有负的电压调整效应；重量大、体积大；容易与系统发生谐振等。 目前的趋势是采用电力电子装置对谐波进行抑制1 2 2 2 ”，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，它能对频率 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，是一种理想的补偿谐波装置。考虑到在今天的电力电子器件的制造 水平下，独立的有源电力滤波器也面临着成本较高、不能无限制扩大容量的问题， 将无源滤波器和有源电力滤波器结合起来，取两者之长，避免它们的短处，也是 当前大功率谐波抑制的一个有效途径。 1 4 有源电力滤波器的发展现状 早在1 9 7 1 年，h s a s a k i 等就首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理 i l 训，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 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 等人提出了用大功率 晶体管p w m 逆变器构成的有源电力滤波器，并正式确立了有源滤波的概念，提 出了有源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，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高， 全控型电力电子器件的功率偏小、频率偏低，因而有源电力滤波器仍局限于实验 研究。 1 9 8 3 年，日本长冈科技大学的a k a g ih 等人基于p q 分解理论，提出了三相 电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依 据。与此同时，大功率晶体管( g t r ) 、大功率可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应 晶闸管( s i t h ) 、静电感应晶体管( s i h ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、场控晶闸 管( m c t ) 及绝缘栅型双极性晶体管( i g b t ) 等新型快速大容量功率开关器件相 继问世：p w m 调制技术、微机控制技术、以及数字信号处理技术都取得到了长 足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发展，使有源电力滤波器真 正进入了工业实用阶段。 作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发 达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高 ( 典型值达2 5 次) ，单机装置的容量也逐步提高( a p f 的最大容量可达5 0 m v a ) ， 其应用领域正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。 6 博士学位论文 我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术 界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和工业发达国家相比仍 有一定的差距。调制载波的频率仍不够高，谐波跟踪、补偿效果仍不够理想，成 本控制仍不够合理；总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，取得了 一定的成果，与世界先进水平的差距正在逐步缩小，但是仍有许多基础理论与技 术有待于深入的探索与研究。 1 4 1 有源电力滤波器的结构形式 从接入电网的连接方式看，a p f 结构形式可分为并联型【4 3 4 6 1 、串联型【4 7 4 9 j 和多变流器混合使用型【5 0 5 2 1 三大类，其具体种类划分如图1 1 所示。 并联型a p f 如图1 2 ( 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。 图1 1a p f 结构形式分类 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f 5 3 5 4 1 和 注入电路方式【5 5 5 6 1 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 2 ( b ) 、图1 2 ( 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 2 ( d ) 、图1 2 ( e ) 所示。 7 三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与戍用研究 ( a ) 并联型a p f( b ) 并联型a p f 与p f 并联使用 ( c ) 并联型a p f 与p f 串联使用( d ) 串联谐振注入式( e ) 并联谐振注入式 图1 2 并联型a p f 的基本结构形式 串联型a p f 如图1 3 ( 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5 7 5 8 1 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 3 ( b ) 所示。 ( 由串联型a p f串联型a p f - e 源滤波器并联使用 图1 3 串联型a p f 的基本结构形式 多变流器混合使用型a p f 中，以串并联混合使用型a p f 较为常用如图1 4 8 博士学位论文 所示，其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究是目前电力电子技术领域的一个研究热点和 发展方向。 图1 4 串- 并联混合型a p f ( u p q c ) 的基本结构形式 1 4 2 有源电力滤波器的指令电流检测方法 畸变电流检测是有源电力滤波器控制的一个重要环节，它直接影响到滤波器 的工作性能，如果不能准确、实时地检测到畸变电流，a p f 的动态控制则无从谈 起。根据补偿目标及控制方式的不同，需要的检测量及测量方法也不同。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f r y z e 传统功率定义的谐波电流检测法 基于f r y z e 传统功率定义检测方法的原理是将负荷电流分解为与电压波形一 致的分量【6 ，将其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电流) 。它的缺点是：因 为f r y z e 功率定义是建立在平均功率的基础上，传统计算平均功率的方法是通过 一个周期数据的积分得到，这样会给瞬时无功电流的检测带来至少一个周期的延 时，这对于实时性要求高的场合就不能够满足要求，不适于负载变化频繁的场合。 而且只能同时检测出谐波及无功电流，不能只检测谐波电流或只检测无功电流， 有很大的局限性。 2 采用带通或带阻滤波器检测高次谐波电流 采用带通或带阻模拟滤波器实现电流检测的实现原理是：滤波器用于分离出 被检测信号中某一要求的频率分量，是用模拟的方法来实现频域分析的一种方法。 9 三相四开关并联型有源电力滤波器的理论与应用研究 一般用中心频率为5 0 h z 的带通或带阻滤波器把被测电流中的5 0 h z 基波分量分离 出来，从而得到谐波电流分量，图1 5 为采用带通滤波器实现电流检测的原理图。 该方法的原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波。但这种检 测方法有很多缺陷：( 1 ) 检测误差大，电网频率变化时尤其明显；( 2 ) 对电路元件 参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差；( 3 ) 无法分离出基波电流中的有 功与无功分量1 6 6 。 图1