（电气工程专业论文）有源滤波器直流侧电压稳定控制的研究.pdf

i i i ii i ii i i ii i iii i ilu l y 17 6 0 8 4 2 i 通s e a r c ho nd cv o l t a g e st a b i l i t yc o n t r o lo fa c t i v e p o w e rf i l t e r ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n g p e i j u n s u p e r v i s e db y p r o f z h e n gj i a n y o n g s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g s o u t h e a s t u n i v e r s i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：雌期：幽 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名日期：幽竺：孓p 摘要 摘要 电能是现代工业，农业，商业等企业必须的能源，而且现代化的企业也对电能质量 提出了更高的要求。但是随着电力电子技术的发展，电力电子器件使用的增多，大量的 谐波被注入到电网中，影响电能质量。随着节能的要求以及用户需要，采用合适的方式 抑制谐波成为市场必然要求，而有源滤波器作为一种有效抑制谐波的装置也成为人们关 心的焦点，将其推向实用化、市场化的要求也成为当今抑制谐波的一个重要问题，受到 越来越多的关注。本文针对有源滤波器实用化过程中的关键技术直流侧电压稳定问 题进行了相关研究。 首先本文对有源滤波器进行了概述，阐述了其构成，分类，工作原理。针对本文所 提样机采用的检测方法以及控制方法进行了介绍。对于本文重点关心的直流侧电压稳定 问题进行阐述。在分析了直流侧电压稳定控制的补偿原理下确定了采用最传统的p i 控 制方法。因为直流侧电压采用p i 控制时要依赖精确的控制模型，因此本文通过分析直 流侧电压波动原因，以及有源滤波器交直流侧能量的交换，提出采用瞬时能量平衡的方 法对有源滤波器进行建模，所建模型进行了稳定性判断以及详细的参数确定，得到p i 参数的范围。这种方法可以大大减小有源滤波器非线性对建模的影响。最后通过仿真实 验验证p i 取值的合理性。 其次，本文针对有源滤波器启动升压和有源滤波器中逆变器的死区效应对直流侧电 压的影响进行了分析研究。对启动方式进行了总结，提出了采用限流电阻加限值p i 的 升压方式。通过逆变器电流的分析，分析了死区过大或者过小时会出现的问题，并给出 了采用检验电流变化趋势的方式获得合适死区时间的方法。最后通过仿真以及实验确定 本文所提方法的合理性。 最后，对样机直流侧部分的设计进行研究，提出一些对直流侧稳定有力的措施，并 进行样机的补偿实验。 【关键词】有源滤波器，直流侧电压控制，建模，启动升压，死区效应 a b s t r a c t a bs t r a c t p o w e ri st h ei m p o r t a n ts o u r c e so fe n e r g yf o rm o d e mi n d u s t r y ，a q r i c u l t u r e ，b u s i n e s sa n ds o o n a n dt h em o d e me n t e r p r i s ea l s op u tah i g h e rr e q u i m e n t sf o rp o w e rq u a l i t y b u ta l o n gw i t h t h e d 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 i q u e ，t h em o r ee l e c t r o n i cd e v i c eb eu s e d s oa l a r g en u m b e ro fh a r m o n i c si si n j e c t e di n t op o w e rs y s t e m ，p o l l u t i n gt h ep o w e r a st h ee n g e r s a v i n gn e e d sa n dc u s t o mr e q u i r e m e n t ，i ti sn e c e s s i t yt os u p p r e s st h eh a r m o n i cu s i n gg o o d d e v i c e o n eo ft h en e wm e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mi st h eu s eo ft r a d i t i o n a ls h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) t h ei m p o r t a n tp r o b l e mo fs u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i ci sr e q u i r e m e n to f p r a c t i c a la n dm a r k e t i z a t i o nf o ra p f ，w h i c hi sm o r ea n d m o r ei n t e r e s t e db yp e o p l e t h ep a p e r r e s e a r c ht h ek e yt e c h n i q u eo f a p fi nu s i n g 一- 一d cv o l t a g es t a b i l i z a t i o n f i r s tt h ep a p e rp r o v i d e sa no v e r v i e wo ft h ea c t i v ef i l t e r , d e s c r i b e di t sc o m p o s i t i o n ， c l a s s i f i c a t i o n ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，a n dp u te m p h a s i su p o nh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nl i n ka n d c o n t r o ll i n kw h i c ha r eu s e di np r o t o t y p e t h ep a p e rf o c u s e so nd cv o l t a g es t a b i l i z a t i o n ， a n a l y s i sc o n t r o lc o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fd cv o l t a g es t a b i l i t y , a tl a s td e t e r m i n e su s i n g t h e m o s tt r a d i t i o n a lp ic o n t r o lm e t h o dt oc o m p e n s a t ef o rd cv o l t a g e b u tp ic o n t r o ld e p e n d so n p r e c i s ec o n t r o lm o d e l s ot h ep a p e ra n a l y s e st h eu n d u l a t er e a s o no fd cv o l t a g e ，b u i l dm o d e l o fa p fu s i n gt r a n s i e n te n e r g yb a l a n c ea p p r o a c hw h i c hc a l lg r e a t l yr e d u c et h ei m p a c to f n o n 1 i n e ro f 氏p p i nt h i sp a p e qt h em o d e li st ob ed e t e r m i n et h es t a b i l i t ya n dt h ed e t a i l e d p a r a m e t e r s ，w h i c hm a k es u r et h es c o p eo fp ip a r a m e t e r s f i n a l l y , s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s v e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so fp iv a l u e s s e c o n d l y , t w oi n f l u e n c ed cv o l t a g es t a b i l i t yo fa p f , w h i c h a r et h es t a r t u po fa p fa n d d cv o l t a g es t a b i l i t ya tw o r k a r es t u d yi nt h ep a p e r t h eq u e s t i o no fa p fs t a r t u pi sa n a l y z e d a n dai m p r o v e ds t a r t - u pw a yu s i n gc u r r e n t l i m i t i n gr e s i s t a n c ea n dp ic l i p p i n gi sp r o p o s e di n t h ep a p e r t h ep a p e rr e p r e s e n t st h ei n f l u e n c eo fd e a d t i m ef o rd cv o l t a g es t a b i l i t yf r o m i g b t d e a d t i m ed e s i g n a n das o l u t i o no fd e a d t i m ed e s i g nb yj u d g i n gt h ei g b t b r i d g e - a r m i sp r o p o s e d l a s t ，t h er e s u l t sb yu s i n gp s c a d e m t d cs o f t - w a r ea n de x p e r i m e n t ss h o wt h e v a l i d i t yo ft h em e t h o d f i n a l l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e s i g no fd cp a r to fp r o t o t y p e s o m eo ft h ed c s t a b l ea n d e f f e c t i v em e a s u r e sa r ep u tu p l a s t ，t h ec o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t sc a r r i e do u t k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r , d cv o l t a g ec o n t r o l ，m o d e l i n g ，s t a r tb o o s t , d e a d - t i m ee f f e c t i i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i i 目录v 第一章绪论l 1 1 谐波问题与抑制技术l 1 1 1 谐波问题与危害1 1 1 2 谐波抑制技术2 1 2 有源滤波器的实用性关键技术4 1 3 论文的主要工作5 第二章有源滤波器的基本原理与控制7 2 1 有源滤波器的分类7 2 2 有源滤波器的构成、工作原理及拓扑结构8 2 2 1 有源滤波器的构成8 2 2 2 有源滤波器的工作原理8 2 2 3 有源滤波器的拓扑结构9 2 3 有源滤波器的检测与控制策略1 0 2 3 1 有源滤波器的检测算法1 0 2 3 2 有源滤波器的控制1 2 2 4 有源滤波器的直流电压控制方法1 5 2 5 本章小结1 7 第三章有源滤波器直流侧电压稳定控制1 9 3 1 直流侧电压补偿原理19 3 1 1 瞬时无功功率理论1 9 3 1 2 有源滤波器能量交换分析及直流侧电压补偿原理2 l 3 2 数学模型建立方式2 2 3 3 有源滤波器稳定控制模型建立2 3 3 4 模型的p i 控制2 5 3 4 1p i 闭环模型2 5 3 4 2 结合样机确定参数2 7 3 5 仿真验证3 0 3 6 本章小结3 2 第四章影响直流侧电压稳定的其他因素分析3 3 4 1 有源滤波器的启动升压3 3 4 1 1 启动过程中的问题3 3 4 1 2 软启动方法3 3 v 3 1 ； 3 7 ： 7 ： 8 ：；9 z 1 1 4 3 4 3 4 3 4 5 4 6 4 7 4 8 ! ；1 ：；：! ! ；：； ! ；! ； 5 7 5 7 5 7 ! ；9 6 l 6 1 ； 第一章绪论 第一章绪论 电能是现代人类社会生活、工作中必不可少的重要能源之一，电能质量的好坏直接 影响生活生产工作的效率，当电能质量严重下降甚至导致工业生产、社会生活难以进行! 随着社会的进步、经济的发展，尤其以i t 产业的迅猛发展使人类更加依赖各种数字化 的设备，而数字化的设备对电能质量要求更高。然而，随着科技的进步，各种产生非线 性、冲击性和不平衡性用电特性的电力电子器件或电力电子设备如整流器、晶闸管投切 装置、变频装置、电弧炉以及电气化铁路等应运而生。电力电子装置的产生改善着我们 的生活，但是也带来了越来越明显的负面效应。如向电网中注入大量的谐波，导致电网 功率因数降低、电网电压波形畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题。因 此，改善电能质量已成为当今现代化社会的必然要求1 1 1 谐波问题与抑制技术 1 1 1 谐波问题与危害 电能质量的概念，目前，国内外对其确切的定义至今尚未形成统一的共识，对供电 部门和电力用户来说也有所不同。如i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将“电能质量”定义为“供 电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性”。i e e es t d 将“电能质 量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相 协调的方式驱动、保护电子装置”。由于电能质量好坏最终是由用户决定的，所以对电 能质量的定义应从用户的角度出发。从用户角度看问题，电能质量问题是指一切会引起 用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流及频率异常的扰动。如何描述电力系 统与负荷双方的相互作用和影响，并且给出相应的技术定义仍是人们不断探索的问题。 但是全面保证电能质量，既是电力部门的责任，也是电力用户的义务。 理想的三相交流供电系统的三相交流电压是平衡的，其幅值和频率都是恒定量，电 压和电流的波形为正弦无畸变波形。电能质量通常用电网的实际状况与理想系统的差距 来衡量。主要有五个指标：( 1 ) 电压偏差，( 2 ) 频率偏差，( 3 ) 谐波含量，( 4 ) 电压波 动和闪变，( 5 ) 三相电压不平衡【lj 。 谐波是电能质量的一个主要指标，也是现在电网中需要改善治理的一个主要问题。 电力系统的谐波很早就引起了人们的注意，在2 0 世纪2 0 年代的德国，由于使用静止汞 弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的关于变流器谐波的论 文是最早对谐波问题进行研究的论文。到了五六十年代，随着高压直流输电技术的发展， 各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的论文。7 0 年代以来，随着电力电 子装置在军事、工业、生活及高新技术领域获得了越来越广泛的应用，并带来了一系列 东南大学硕士学位论文 的经济效益：装置体积的减小，能量转换效率的提高，可靠性增加等等。但同时也带来 了一系列的问题：如谐波、电磁辐射等【2 4 1 。 谐波的危害主要分为两种情况【5 】： 1 热损耗与过流过压 第一章绪论 上世纪6 0 年代末就有了a p f 的影子。1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中，描 述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，可看作是a p f 基本思想的萌芽；7 0 年代初，日本学者第一次完整的描述了a p f 的基本原理，即利用 可控的功率半导体器件向电网注入与原来谐波电流复制相等、相位相反的电流，使电源 的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1 9 7 6 年美国西屋电气公司l g y u g y i 等人提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成a p f 消除电网谐波，并且确定了 a p f 的主电路的基本拓扑结构和相应的控制方法。由于受到当时功率半导体器件水平的 限制，a p f 的研制一直处在试验研究阶段。进入8 0 年代以后，随着电力电子技术的飞 速发展，大功率可关断器件( 如g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步，以及对非正弦条 件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是1 9 8 3 年赤木泰文等人提出的“三相电路瞬 时无功理论”，为a p f 的实用化提供了必要的条件。1 9 8 6 年，h a k a g i 提出用并联有源 电力滤波器消除谐波。它的基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流，由并联有源电 力滤波器装置产生与谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流，从而使电网中只含有基 波电流。这使得有源滤波器的理论更加丰富，大大加快了有源滤波器的实用化进程。目 前国外的a p f 已经进入实用阶段。比如日本已有5 0 0 多台有源滤波器应用于工业领域。 与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具有以下特点【5 】： 1 ) 具有自适应性，实现了动态补偿，可对频率和幅度都变化的谐波进行补偿，对 补偿对象的变化有极快的响应。且其补偿频带宽； 2 ) 可以同时对电能质量的五个指标的谐波、电压波动与闪变、不平衡电压问题以 及无功功率( 包括动态无功功率) 进行补偿处理，且可以做到连续调节； 3 ) 补偿特性不受电网阻抗的影响，不会与电网阻抗产生并联或串联谐振，且对外 电路的谐振具有阻尼作用，且可以跟踪电网频率的变化，不受电网频率变化的 影响； 4 ) 当补偿谐波时，需要的储能元件容量不大；即使补偿对象电流过大，有源电力 滤波器也不存在过载问题，并且能够正常发挥补偿作用。当谐波电流超过补偿 容量时，也可以控制装置的输出容量，使装置在额定的定容量下正常工作。 尽管a p f 具有着无源滤波器器所不具备的巨大技术优势，但是目前要想在电力系 统中完全取代无源滤波器还不太现实。因为，a p f 的成本较高这一点就限制了a p f 的 推广；其次，a p f 的技术性强，目前国内的研究只在理论上取得了一定的进展，对于产 品方面也只有几家依托与大学的合作公司如西安赛博、北京禄智科技发展有限公司等有 产品生产。而且产品的稳定性能差，有待进一步提高。但是随着电力电子工业的发展， 电子器件价格进一步下降，新技术的不断提高，有源滤波器必然会被广泛应用。 虽然有源电力滤波器具有很多的优点，单独使用有源电力滤波器在小容量非线性负 载的场合下提高电能质量是非常有效的方案，但是在大容量场合就不是那么可行了。因 为在大容量场合下必然要加大有源电力滤波器的容量，这会大大增加技术强度和装置的 成本，已经维护运行费用。考虑至i j a p f 与p p f 各自在滤波性能上的优势与不足，不少研 究学者提出了将a p f 与p p f 结合起来使用，由此构成的混合型电力滤波器( h p f ) 可以 集两者之长，补两者之短，既克服了a p f 容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得 良好的动态滤波性能睁引。 谐波主要由无源滤波器补偿，有源滤波器主要负责改善无源滤波器的滤波特性，克 东南大学硕士学位论文 服无源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。因此混合式电力有 源滤波器在大容量场合具有更高的性价比。 虽然各类谐波抑制的技术都在发展和改进，但是当前谐波抑制中还存在以下几个问 题： 1 ) 大部分采用技术落后的补偿装置 由于有源滤波器的产业化还不成熟，电力电子装置价格较贵，尤其是在发展中国家 大部分采用无源滤波器，但是由于无源滤波器的参数设计受电网和负载影响较大，设计 较难，若设计不当，更是造成谐波电流放大等问题。 2 ) 同类型的硬件装置的功能独立，协调性差 受器件工艺、装置主结构、装置的控制原理以及微处理发展水平等各方面限制，抑 制谐波装置功能单一，各装置之间缺少整体协调和互操作性，导致功能交叉，资源浪费， 投资增加，也给设计，维护和调试增加的工作量。 3 ) 有源滤波器的关键技术还不能成熟的运用于现场 对于最大实用性的有源滤波器，其主电路参数的选择，控制方式的选择，运行时直 流侧电压的控制等关键技术之间的协调选择存在问题。其中最重要的直流侧电压稳定控 制问题更是不好处理。有待进一步的研究与实验。 目前广泛应用的抑制技术主要有上面介绍的无源滤波器，有源滤波器，混合式电力 有源滤波三类。其中无源滤波器的理论和应用已经非常成熟，已经得到广泛应用。对于 混合式电力有源器其核心控制就是对有源滤波器的控制，因此对于有源滤波器的研究及 其重要，而对于有源滤波器的实用性技术的研究更是迫在眉睫。 1 2 有源滤波器的实用性关键技术 目前国内研究的理论已经有很大的进步，但是就算是运用于实验的样机也仅有几个 公司才能生产，更不用说产业化了。因此，在有源滤波器理论知识已经比较丰富的情况 下，怎么样加快推进其实用化引起了此研究领域人员的广泛关注，可运行的产品是目前 我国有源滤波器首要解决的问题。要突破我国的谐波抑制的市场，必须具有自主知识产 权和核心技术前提下，还必须推出价格合理的产品。 推进有源滤波器的实用化，需要解决很多实际问题诸如1 9 儿1 0 j ：降低投资，降低损耗， 减小装置的重量及安装空间，增加设备的灵活性，提高设备的寿命以及电磁兼容性。除 此之外有源滤波器的研究和产业化过程中还有几个关键技术： 1 拓扑结构选择与设计 首先，有源滤波器的理论经过多年的发展，主电路拓扑结构也形成多种多样，针对 不同的场合，不同的要求，选择合理的主电路拓扑结构非常关键，其拓扑结构的选择， 决定了有源滤波器装置的安装形式，运行成本。其次，主电路参数如耦合电感参数的选 择，直流侧电容参数的选择，直流侧电压值的选择，电力电子器件参数的选择等都影响 装置的成本。因此，针对我国的情况，如何合理的对主电路进行设计至关重要。 2 谐波检测，控制系统 实时的对补偿对象的谐波进行准确的检测是有源滤波器能够有效实时补偿的基础， 4 第一章绪论 现在对于有源滤波器谐波检测的理论很多，如小波变换法、采用模拟带通( 或带阻) 滤 波器检测、基于f r y z e 时域分析的有功分离法、基于频域分析的f f t 法、自适应检测法、 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法等。其中瞬时无功功率理论应用最广，实际应用中 要解决时延等一些关键问题。针对于不同的用户需要怎么选择一个合适的，灵活的谐波 检测方法非常关键。 检测之后，有源滤波器能否稳定的跟踪补偿，是补偿效果是否好的重要组成部分， 因此除了主电路设计，优秀的检测之后，具有优良的跟踪也是关键的实用化技术之一。 目前常用的电流跟踪控制的方法有：周期采样控制，三角载波控制，滞环控制等方法。 随着数字式控制的发展将有更先进的算法被运用。 3 直流侧电压的控制 为使有源滤波器正常工作，达到所要求的补偿效果，必须控制直流侧电容电压维持 足够高并且稳定，以保证有源电力滤波器在没有输出补偿电流时各桥臂二极管的反向偏 置，并能在进行动态补偿的任何瞬间根据控制要求输出所需的补偿电流。但由于补偿电 流的时变性和逆变器的自身损耗，如不采取适当的控制措施，直流侧电容电压将产生衰 减或有很大的波动，这都会使逆变器不能正常运行或补偿效果不理想。 为了解决这一问题，传统的方法是为有源滤波器的直流侧电容在提供一个单独的直 流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。这种方法虽然能够达到控制直流侧 电容电压的目的，但需要另设一套电路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统 的成本损耗。 瞬时无功功率理论的提出以后，直流侧电容电压的控制只需要通过对住电路进行适 当的控制即可实现。目前已经有这方面的研究了，其中p i 的控制方式开始被广泛应用， 但是在实际应用中p i 有如下缺点：依赖精确的数学模型，鲁棒性差，容易引起电压的 超调和电流的冲击，导致系统电压的过压或者过流保护。而且p i 控制参数选择困难。 目前精确的p i 控制的稳态数学模型的建立及其稳定性的分析研究较少，因此如何 实现精确的数学模型，保证p i 的参数的精确选择，保证直流侧稳定是一个非常关键的 问题。 4 辅助的输出滤波器参数选择 在有源滤波器实际使用过程中，其电力电子器件的开关频率高，而有源滤波器的补 偿频带不足以完成补偿，这就必然要设计适当的高通输出滤波器。该滤波器的参数要配 合电网阻抗与负载阻抗，以防发生谐振。 1 3 论文的主要工作 本文以并联有源滤波器的实际产品应用为目的，针对并联有源滤波器样机研制过程 中的关键实用化技术直流侧电压稳定的控制进行深入研究。针对实验过程中出现的 直流侧电压稳定问题提出合理的解决方案，为有源滤波器直流侧电压的稳定控制提供有 价值参考。本文的主要工作包括： 1 有源滤波器结构、原理、控制 1 ) 对有源滤波器的分类、构成、补偿原理、控制策略进行简单分析。 东南大学硕士学位论文 2 1 主要对直流侧电压有关的部分、直流侧电压的控制原理及其方法进行详细分析。 确定本文建模使用的方法。 2 有源滤波器直流侧控制分析 主要从p i 控制方面考虑，分析直流侧控制的建模。 1 ) 针对样机中使用的有源滤波器的拓扑结构，分析其直流侧与交流侧能量的变化关 系，对有源滤波器进行建模。分析直流侧电压的波动与交流侧的关系。 2 ) 建立直流侧电压稳态模型，通过控制原理的手段，如劳斯判据分析p i 控制下的 模型的稳定性。 3 ) 对所建模型的参数进行确定，得到p i 参数的选择范围。 4 ) 根据p i 参数的范围进行相关的仿真实验，确定较好的p i 参数。 3 直流侧电压稳定的其他影响因素改善与控制 影响直流侧电压稳定除了p i 控制方面，还有其他因素，本文主要从以下几方面考 虑： 1 ) 从i g b t 死区方面考虑直流侧电压的不稳定因素，并提出解决的方式。此部分主 要包括：i g b t 的死区效应，不稳定的原因分析，解决的相关方法。 2 ) 启动过程，影响直流侧电压波动的因素。分析启动过程及其常用的启动方法，提 出适合本文所提样机使用的启动建压方法。 3 ) 通过仿真，实验验证启动过程，以及死区效应，验证文中所提方法的有效性。 4 有源滤波器的样机直流侧部分设计 对样机直流侧部分设计进行研究，提出相关的直流侧稳定措施。并进行相关的验证 实验和整机实验。 6 第二章有源滤波器的基本原理与控制 第二章有源滤波器的基本原理与控制 我国电力工业二十多年来的持续发展，近几年，城网和农网的建设和改造已经取得 了很大的成果，电能质量、供电可靠性也相应的提高。与此同时，我国电力电子器件市 场的繁荣，非线性电力负荷在大量增加，对供电质量造成了严重的污染。有源滤波器以 其高度的可控与快速的响应的特性作为改善供电质量的一项关键技术得到了广泛的重 视。因此本章首先介绍有源滤波器的拓扑结构以及分类，然后介绍其工作原理。针对于 所制作的实验样机使用的检测与控制策略进行分析。最后针对于本文主要关心的直流侧 电压稳定控制问题，对其控制方式进行分析。 2 1 有源滤波器的分类 有源滤波器种类繁多，根据应用场合不同，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交 流滤波器两类，前者主要运用于高压直流系统中变流器直流侧的电压、电流谐波抑制； 后者应用于交流电力系统中各电压等级的有源滤波。目前研究主要集中于有源交流滤波 器，即我们通常说的a p f 。按照变流器类型分有电压型( v s i ，储能元件为电容器) 和 电流型( c s i ，储能元件为电感器) ，主电路有两种类型的变流器，分别为电压型p w m 逆变电路和电流型p w m 逆变电路。按照相数分有单相、三相三线和三相四线。按照拓 扑结构可以分为串联型、并联型和串并联混合型。 对于一般的交流有源滤波器，按其工作原理不同，可以分为谐波电流跟踪型和非谐 波电流跟踪型。谐波电流跟踪型又可以分为谐波对消法、可变阻抗法和复合法。而非谐 波电流跟踪型又被称为广义有源电力滤波器主要采用特定消谐p w m 技术。 如果根据有源滤波器补偿对象不同，可以分为针对谐波负载型、针对电网型( 又称 有源线路调节器) 和综合型三大类。即三者分别直接补偿负载谐波，通过电网节点补偿 电网上谐波，综合补偿。 串联型a p f 通过一个耦合变压器连接到电网中。串联型a p f 相当于受控电压源， 以电压源的方式补偿电网中的电压畸变，因此串联型a p f 适合补偿电压型谐波源。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。 与并联型a p f 相比其缺点是负载电流很高，是变压器的额定参数上升，损耗增加，因 此目前单独使用串联型a p f 的并不多，大多将其作为混合式有源电力滤波器的一部分 进行研究。 并联型a p f 相当于一个受控电流源，它适用于感性电流源型负载的谐波和无功补 偿。它的优点是只流过补偿电流和小部分基波电流；不需要附加保护隔离变压器或开关 设备，连接使用最为方便，保护容易；具有模块化并联扩容潜力；能够作为标准配置直 接安装使用等。因此对于独立的用户如：现在的工厂、大型公共建筑( 商场，宾馆，办 公楼，教学实验楼，机房等) 等等，可以及其方便地使用并联有源滤波器进行自身的谐 波治理。考虑到滤波系统的整体预算包括无源器件、系统化设计、参数整定和工程等多 7 东南大学硕士学位论文 方面成本，对于中小容量的负载，并联有源滤波器是最佳选择。并联有源滤波器是过 去、现在和将来市场的主流。本文主要介绍并联有源滤波器的直流侧电压稳定控制问题。 2 2 有源滤波器的构成、工作原理及拓扑结构 2 2 1 有源滤波器的构成 有源滤波器系统主要由两大部分组成：有源滤波器的主电路和控制系统。其中主电 路主要由变流器与连接电抗或变压器构成；控制系统又包括指令电流运算电路、电流跟 踪控制电路和驱动电路三部分 2 1 ，如图2 1 所示。 图2 - 1 有源滤波器的构成 控制部分中指令电流运算电路核心是检测出补偿对象的谐波。主要通过对要补偿的 电流进行相关的采样，将采样结果传输给微处理( d s p 、a r m 、单片机等) ，利用一定 的检测算法，经过计算得到相关的参考逆变电流。补偿电流控制电路根据参考逆变电流， 运用控制算法得到主电路逆变器的开关动作的状态表。驱动电路是按照补偿控制电路得 到的开关动作的状态表对主电路逆变器进行相应的驱动。 主电路的逆变器按照驱动电路相应的开通关断，主电路的连接电抗将直流侧电容上 的电压转变为电流耦合到电网上。对于逆变器的结构问题我们在有源滤波器的拓扑结构 中进行详细介绍。 2 2 2 有源滤波器的工作原理 源滤波器( a p f ) 是有效地抑制电网谐波的一种重要装置1 2 叭，其基本工作原理是 偿对象的电流和电压，经指令电流和电压的运算电路得电流和电压的补偿信号， 信号经补偿器由补偿电流和电压发生电路获得。补偿电流和电压通过与电网连 负载中的谐波、无功等电流和电压相抵消，最终获得期望的标准正弦电源电流和 本文主要对并联有源滤波器的工作原理进行介绍。 图2 1 所示，并联型有源滤波器的基本工作原理是：装置通过检测补偿对象的电 流，由指令电流运算电路计算出补偿装置要产生的指令电流。然后通过补偿电流 8 第二章有源滤波器的基本原理与控制 控制电路、驱动电路和主电路产生实际的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐 波和无功电流相抵消，最终达到抑制谐波，补偿无功功率，消除电压波动和闪变的效果。 假设负载产生的电流为t ，供电系统提供的电流为f s ，而并联型谐波与闪变抑制装 置产生的电流为，根据基尔霍夫电流定律有： 表= t 一茹 ( 2 1 ) 设电网电压为无畸变对称三相电压，负载电流存在畸变，负载电流豇中分别含有谐 波电流分量也，基波无功电流分量如，基波有功电流分量西，即 t = 么+ k + ( 2 2 ) 如果控制庐如+ 如，即并联型谐波与闪变抑制装置同时补偿谐波电流和无功电流，则 豇= 西，即只有负载的基波有功电流注入电网，这样负载产生的谐波电流不会流入电网， 当负载消耗无功功率波动时，也不会引起电压波动和闪变。 2 2 3 有源滤波器的拓扑结构 三相系统并联有源滤波器的主电路可以分为两类，即三相三线制主电路结构和三相 四线制主电路结构。如图2 2 所示为三相三线制有源滤波器装置主电路结构。三相三线 制的变流器由于在变频等领域有广泛的应用，因此有许多工业模块可以使用，如西门康 公司等生产的i g b t 模块就是两个管子的结构，要构成3 桥臂只要3 块此类的i g b t 模 块结构即可。而现在集成度更好的如三菱公司的i p m 直接采用三相三线制，买来就可以 直接使用。这种结构较为普遍，造价低，连线方便，器件可以充分利用。本文样机的拓 扑结构为三相三线制。 图2 - 2 三相三线制谐波与闪变抑制装置主电路结构 9 东南大学硕士学位论文 2 第二章有源滤波器的基本原理与控制 + o 飒删+ ) + s 岖删+ o ) 】 毛= 压封。咖( 剃+ 一警) + i n _ s i n ( n e a t + 绯+ 警) + i o s i n ( r 撕o t + ) ， 毛= 拒艺n = l - l k s mn o x + + 警) + i n _ s i n ( r 蚴t + 一警) + s 嘶倒+ ) 它包括正序、负序、零序电流，下标0 、+ 、一分别表示零序、正序、负序分量 其中三相电流中所包含的零序分量均相等，即有： 将它们变换至口、两相： 阱 压 2 、j r o 2 吲+ 讣信隧绷 打y j _ _ _ ， 拧= 1 压y j 一 n = l 班 + 层 一 2i 一彤i 2j 【l + s i n ( n e a t + 丸+ ) + l s i n ( n c o t + 【- l + s i n ( n o t + 丸+ ) + l s i n ( m o t + 【l + s i n ( n c o t + 丸+ ) + l s i n ( n c o t + 一厶+ s i n ( n o t + 丸+ ) + l s i n ( n r o t + ( 2 4 ) ( 2 5 ) 可见，经过坐标变换的乞、移中不再含有零序分量。再将乞、通过旋转变换为绉、 乏 = c 乏 = l s c i n 。s c o 彩t ，- 一o s ，o n s 缈o ，, j li。妇,o r- ：压i l c o s ( ( n 一1 ) c o t + 丸+ ) + 厶c o s ( ( n + 1 ) c o t + 丸) 】 1 1 ( 2 6 ) j +似 吼 o 。科 压 曲 缈 + t nn1s 曲 i 。脚 压 = 3 、，0 + 咕 + 0，l = 0 i | 0 = 0 1，_1 o钆o + + + o k o。l彤 一 一 彤 一 一 1j 丸 丸 。科 万 。蒯 万 1，j 丸 吮 刀 丸 +r缈 、j l+聆 “ soc 1 、，+丸 +f 国 d - 聍 l义 oc +ll 脚 +l rl 。脚 一 东南大学硕士学位论文 从上式可看出，由于t 、中不含有零序电流分量，因此通过它运算得出的有功和 无功电流分量oi q 中也不含零序电流分量，而只含正序和负序电流分量，将i p 、岛经过 低通滤波器( l p f ) 滤波即得到直流分量，具体大小如下： 附毫矧 他7 ， 可见，ki q 的直流分量是由oi 6 、t 的基波正序分量产生的，与零序分量无关， 将它们反变换即可以得到基波正序电流分量： 孤+ s i n ( c o t + q l + ) 皿+ s i n ( c o t + ( p l + 一1 2 0 。) 皿+ s i n ( 研+ - + - 1 2 0 。) ( 2 8 ) 从上面的推导可以看出，三相电流在进行3 2 坐标变换后己不含零序分量，再经过 旋转变换得到的有功和无功电流分量如、i q 中当然也不会含零序分量。因此，零序分量 不出现在直流分量中，直流分量中只含基波正序分量，反变换得到的也只是基波正序电 流分量，将此基波正序分量与负载电流如、永如相减，即得含有基波零序、负序和谐波 等电流分量的总和。检测谐波分量和无功电流分量之和时，只需断开图2 4 中计算i 口的 通道即可。如果只需检测无功电流，则只要对l 进行反变换即可。理想的电网电压