（电气工程专业论文）电能质量控制技术的并联混合有源电力滤波器的研究.pdf

摘要 题名：电能质量控制技术的并联混合有源电力滤波器的研究 研究生：孙佐导师：王念春教授 学校：东南大学 本文在安徽省高校省级自然科学研究项目( n o k j 2 0 0 7 8 0 8 1 ) “新型电能质量监测 与混合有源电力滤波器技术基础理论研究”，以及池州市科技研发项目( n o 0 6 0 0 2 ) “池 州市电力系统电能质量存在问题分析及对策研究”的支持下，对并联混合型有源电力滤 波器进行了系统的理论分析与仿真研究。为其实用化推广奠定了基础。 有源电力滤波器是近年发展起来的治理谐波的一种有效的技术，也是用户电力技术的 一个研究热点。本文的主要目的是研究并联混合型有源电力滤波器的基础理论及其应用， 应用控制理论新技术，使其具有较高的性价比，为电能质量治理工作发挥更好的作用。 本文系统地剖析了传统并联混合型有源滤波器结构和原理，对其控制系统进行了深入 的总结研究。综合检测电网谐波电流控制方式和检测负载谐波电流控制方式，本文提出了 复合控制方式。在此基础上，对三种控制方式的滤波特性进行了分析。研究结果表明，复 合控制方式既具有前两种控制方式的优点，又能克服它们各自的缺点。 在对传统混合型有源滤波器分析的基础上，本文提出了一种新型的并联混合有源电力 滤波器，其有源部分不承受基波电压和不流过基波无功电流，进一步减小了有源滤波部分 的容量和逆变器直流侧电压，并兼具较大容量的无功静补偿能力。同时提出一种新的控制 方法和控制器结构，控制系统由五个控制环组成。在控制电路中，五个反馈信号，即负载 电流、电源电流、逆变器输出电流、电源电压和直流母线电压，计算逆变器的参考电压信 号。为了证明提出的有源滤波器的性能，利用p s c a d e m t d c 进行了仿真验证。仿真结果 表明该装置滤波和无功补偿效果较好，该拓j = b a p f 的容量是负载容量0 6 ，补偿后的功率因 数达t o l ，而且这种h a p f 的性能价格比较高，因而具有良好的工程推广应用价值。 最后，对目前典型的几种并联混合有源电力滤波器进行对比研究，通过理论分析和仿 真，研究表明，虽然它们都有良好的补偿谐波特性，但每种拓扑结构有各自的优缺点和使 用场合。 关键词：电能质量；并联混合型有源电力滤波器：谐波：无功补偿；基波串联谐振电路 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo fap a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ro nc o n t r o l t e c h n o l o g yo fp o w e rq u a l i t y g r a d u a t e ：s u nz u o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw a n g n i a n - c h u n u n i v e r s i t y ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y b yt h es u p p o r to fp r o v i n c en a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fa n h u ip r o v i n c eu n i v e r s i t i e s p r o j e c t ( n o k j 2 0 0 7 8 0 8 1 ) ”r e s e a r c ho nb a s i ct h e o r yo fan e wm o n i t o r i n gp o w e rq u a l i t ya n d h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n o l o g y ”，t h ed e v e l o p m e n tp r o j e c t ( n o 0 6 0 0 1 ) o f ”r e s e a r c ho n a n a l y s i so fp o w e rq u a l i t yp r o b l e ma n dc o u n t e r m e a s u r ei nc h i z h o up o w e rs y s t e m ”f u n d e db y c h i z h o u ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sd e e pr e s e a r c hi nb o t ht h e o r ya n di t ss i m u l a t e i o nf o rh y b r i d s h u n tp o w e rf i l t e ra n de s t a b l i s hab a s i sf o rw i d e l yp r a c t i c a lu s e a p fi sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yf o re l i m i n a t i n gh a r m o n i c s w h i c hi sa l s oar e s e a r c hh o ts p o t o f c u s t o me l e c t r i c a lt e c h n o l o g y t h ep u r p o s eo f t h i sd i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h eb a s i ct h e o r ya n d a p p l i c a t i o nf o rp a r a l l e lh y b r i dp o w e rf i t t e r sa n da p p l yn e wt e c h n o l o g yo f c o n t r o lt h e o r yt o i m p r o v ee l e c t r i c a lq u a l i t y 1 1 l ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dt h ep r i n c i p l eo f o l dp a r a l l e lh y b r i dp o w e rf i l t e r s s u m m a r i z e sa p fc o n t r o ls y s t e m i n t e g r a t i n gt h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g yo f d e t e c t i n gt h e l i n eh a r m o n i c sa n dt h eo n eo f d e t e c t i n gt h eh a r m o n i c so f t h el o a dc u r r e n t t h i sd i s s e r t a t i o n p r o p o s e sac o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g y o nt h eb a s i so f t h i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f i l t e r i n gh a r m o n i c o f t h et h r e ec o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea n a l y z e dh e r e f r o mt h er e s u l t s ，i ti ss h o w nt h a tt h ec o m p l e x c o n t r o ls t r a t e g yh a sa l it h ea d v a n t a g e so f t h et w of o r m e rs t r a t e g i e s ，a n ds i m u l t a n e o u s l y o v e r c o m ea l lt h ed i s a d v a n t a g e so f t h e m o nt h eb a s i so fa n a l y z i n go fo l dp a r a l l e lh y b r i dp o w e rf i l t e r , an o v e lp a r a l l e lh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e ri sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n 1 1 地a c t i v ep a r to ft h ep r o p o s e dp h a p fd o e sn o t b e a rf u n d a m e n t a lh a r m o n i cv o l t a g ea n df l o wf u n d a m e n t a lh a r m o n i cr e a c t i v ec u r r e n t ，a n dt h e c o n v e r t e rr a t i n ga n dt h ed cb u s v o l t a g ec a nb er e d u c e d ，a n ds u c has t r u c t u r em a k e st h ep r o p o s e d p h a p f p o s s e s s i n gh i g h e rs t a t i cc o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo f r e a c t i v ep o w e r n o v e lc o n t r o lm e t h o d a n dc o n t r o l l e rs t r u c t u r e sa r ea l s op u tf o r w a r d ，t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so ff i v ec o n t r o ll o o p s f i v ef e e d b a c ks i g n a l s ，n a m e l yt h el o a dc u r r e n t ，t h eu t i l i t yc u r r e n t ，t h eo u t p u tc u r r e n to fp o w e r c o n v e r t e r , u t i l i t yv o l t a g ea n dt h ed cb u sv o l t a g e a r eu s e di nt h ec o n t r o lc i r c u i to ft h ep r o p o s e d p h a p ft oc a l c u l a t et h er e f e f e n c ev o l t a g eo ft h ep o w e rc o n v e r t e r t od e m o n s t r a t et h e p e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e dp h a p f , p s c a d e m t d cs i m u l a t i o ni sg i v e n t h es i m u l a t i o na n d t e s tr e s u l t ss h o wt h a ti ti sg o o di np e r f o r m a n c e sa n di nh a r m o n i c se l i m i n a t i o n , r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，a n dt h ep o w e rr a t i n g so f t h ea p fa r e0 6 o f t h el o a d a n dt h ep o w e rf a c t o r l c a n b er e a c ha f t e rc o m p e n s a t i n g i na d d i t i o n , t h i sf a c i l i t yi si nf a v o ro fa p p l i c a t i o nd u et oi t sg o o d c o s tp e r f o r m a n c e a b s t r a d f i n a l l y ，b yt h ec o m p a r i n gs t u d yo f t h ep r e s e n tm o d e lf o u rk i n d so f h y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e rt o p o l o g i e s t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n , r e s e a r c hs h o w st h a tt h r e e t o p o l o g i e sh a v ei t so w na d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n d u s eo c c a s i o n sa l t h o u g ht h e ya l lh a v e f r e ec o m p e n s a t i o nh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c 。 k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( p h a p f ) ；h a r m o n i c s ；r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ；s e r i e sf u n d a m e n t a lr e s o n a n c ec i r c u i t i l l 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： 雄日 东南大学学位论文使用授权声明 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：础 导师签名：1 锰日期：彩。z 矿 第一章绪论 第一章绪论 本章首先说明本课题的研究背景及意义，对电能质量问题进行了综述：之后介绍了有源电力滤波器 及相关技术。最后介绍了本文的主要的研究内容 1 1 研究背景及其意义 电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用各方面的权益。优良的电能质量对保证电 网和广大用户的电气设备和各种用电器具的安全经济运行，保障国民经济各行各业的正常生产和产品质 量以及提高人民生活质量具有重要意义。提高电能质量有巨大的技术经济效益。 现代电力系统电能质量问题知识新颖，内容丰富且涉及面广。各种电能质量问题的分析与抑制措施 的研究对电能质量的认识与改善具有重要的理论与现实意义。其中，电能质量的谐波与无功的补偿等相 关问题的研究又在电能质量问题的研究中占有非常重要的位置。 人们对电能质量问题的关注由来己久，在电力系统发展的早期， 电力负荷的组成比较简单。因此 衡量电能质量的指标也比较简单。主要有频率偏移和电压偏移两种。但自2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力 电子技术的发展，大量非线性电力电子设备在现代工业中得到了广泛应用，这些设备的运行使得电网中 电压和电流波形畸变越来越严重。谐波水平不断上升。另外。冲击性，波动性负荷。例如电弧炉、大型 轧钢机、电力机车等，运行中不仅会产生大量的谐波，而且还会产生电压波动、闪变、三相不平衡等电 能质量问题f 1 1 ：另一方面，随着计算机、交换机、网络设备、数控设备等对电能质量敏感的用电设备的 大量应用，人们对电能质量的要求越来越高。为此，西方发达国家和我国分别制定了一系列电能质鼙标 准。同时，电能质量问题也受到了科研人员的关注，电能质量的改善与提高成为目前研究的热点。 1 2 电能质量问题综述 1 2 1 衡量电能质量的指标 理想的三福电力系统是电压幅值和频率恒定，电压和电流三相对称的系统。但是电力系统中的发电、 输电、配电以及大部分的用电设备都是非线性和不对称性的，致使电力系统不能运行在理想状态，从而 产生各种各样的供电和用电的质量问题，为此电力工作者提出了电能质量的概念口j ，许多国家和行业协 会提出了各种相关的电能质量标准，以限制电力系统对理想状态的偏离程度。另一方面，电能质量不同 于一般商品，不完全取决于电力生产部门，还与负载的用电特性有关，因此，要全面保障电能的质鼍， 既有电力部门的责任，也有电力用户应尽的义务。其次。对电能质量的要求也要从实际出发，要与现有 的技术手段所能达到的供电水平相适应。 ( 1 ) 电能质量国家标准 从8 0 年代初开始，国家技术监督局开始着手制订国家电能质量系列标准，至2 0 0 1 年底共颁布了电能 质量系列的6 项标准。分别是g b1 2 3 2 5 - 1 9 9 0 供电电压允许偏差i j j ，g b t1 4 5 4 9 1 9 9 5 公用电网谐 波1 4 ，g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 三相电压允许不平衡度嘲，g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 电力系统频率允许偏差 【6 j ，g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 电压允许波动和闪变1 7 j 以及g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 暂时过电压和瞬态过电压”1 等。 标准规定了交流电力系统中作用于电气设备稳态电压、频率、三相平衡度、波动与闪变、波形畸变以及 暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平，以及过电压保护方法 电能质量的国家标准侧重在电能质量的稳态特性上，对于时间和空间均处于动态变化的电能质量指 标，电能质量标准用概率统计结果进行衡量在明确监测点( 如配电系统公共连接点p c c ( p o i mo f c o m m o nc o u p l i n g ) ) 的基础上，取9 5 的概率值作为衡量标准。 ( 2 ) i e e e 分类方法 为了系统地分析和研究电能质量问题，能够对其测量结果进行分析和研究找出引起电能质量问题的 原因和采取针对性的解决办法。美国电子电气工程师协会( i e e e ) 按电力系统的电磁特性分类方法如表1 。 l 东南大学硕士学位论文 表ii e e e 电力系统电磁特性的分类 种类典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 纳秒级5 n s 上升 i m s 瞬 态 振荡 低频 5k h z0 3 5 0 m s o 4 p u 中频 5 5 0 0 l 【i i z2 0 1 z s 0 8 p u 高频o 5 5 删z5 p s o 4 p u 电压中断0 5 3 0 周波 o 1 p t i 短即时电压跌落 0 5 3 0 周波 0 1 o 9 p u 时电压升高0 5 3 0 周波i 1 i 8 p u 电电压中断3 0 周波3 s i m i n 0 8 0 9 p u 过电压 i m i n i 1 1 2 p u 电压不平衡稳态 0 5 2 直流偏移稳态o o 1 谐波 o 1 0 0 t h 稳态 o 2 0 9 6 波形畸变 问谐波 0 6 k h z 稳态 o 2 缺口 稳态( 0 5 周波) 噪音 宽带稳态 0 1 电压波动 2 5 h z 断续 o 1 7 工频变化 引起电网电压的波动，使供电质量严重下降：2 ) 产生附加的功率损耗，引起 电能计量的误差，造成旋转电机和变压器的过热和机械振动：3 ) 产生附加磁场，干扰各种通讯设备和数 字计算机系统。能与电话线感应藕合，干扰音频和视频信号，损坏电子元器件：4 ) 引起一些继电保护和 自动装置的误动作。甚至造成跳闸事故；5 ) 引起一些测控仪器的测量误差或控制误差：6 ) 引起公用电网中 局部的并联和串联谐振，使谐波放大，导致电器设备的损坏 2 无功功率及危害。在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。感应电动机、变压器和 传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要的无功功率在电力系统所提供 2 第一章绪论 的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也需要一些无功功率。一些电力电子装 置，特别是各种相控装置在工作时基波电流滞后于电网电压在工作时不但要吸收大量的无功功率，要 吸收大量的无功功率。工业用电弧炉且因其电弧不稳定，所吸收的无功功率波动也很大。所有这些负载 在正常工作时，都需要大量的无功功率。无功功率引起的对电网的影响是众所周知的，它主要表现在以 下几个方面”：1 ) 频繁的无功功率负载冲击会引起电网电压的波动，使供电质量严重降低：2 ) 增加电网 上所连设备的容量。由于无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增大，这样就要求用电设备的容 量相应增加：3 ) 增加设备和线路的损耗。 3 其它电能质量问题及其危害 除谐波和无功外，工业生产中其它电能质量问题对电网环境的冲击也非常大，给社会带来更大的经 济损失。例如：电压跌落、电压波动和闪变以及三相负序电流等。下面将对几种主要的电能质量问题及 其危害进行简要的讨论“”。 电压跌落是一种典型的瞬态电压偏差，如大容量电力负载的投入、大容量电容器的切除、大电机的 启动以及多个电动机同时启动等，都可能引起邻近负载的电压跌落。电压上升也是一种典型的瞬态电压 偏差，如单相接地故障会引起非故障相的电压升高，大负载的切除或电容器组的充电也会出现类似的问 题。短时供电中断也是一种典型的瞬态电压偏差，短时断电的主要原因是由于雷击、树木倾倒、刮风等 外因引起的电力系统瞬时性故障，也有可能是内部设备失效或控制装置误动作。基于计算机、微处理器 控制的各种精密仪器和设备的大量使用，对供电质量的敏感程度不断增加。 电压的波动和闶变主要由波动性负荷( 如电弧炉) 引起，其超标会危害与其连接在公共供电点的其他 用户的设备，如使照明灯闪烁、电机转速不均匀和计算机及电子设备工作不正常等。 三相电网中产生负序电流主要由三相电网负载不对称或者电网中某一相或两相出现故障所致，电网 的负序电流会产生很多问题，如增加电网损耗、引起以负序分量为起动条件的继电保护发生误动作、干 扰通讯系统以及引起电动机绕组过热，降低电动机的可靠性和运行寿命等。 i 2 3 现代电能质量控制概述 电能质量控制是一个复杂的系统工程“，它涉及到电力系统、电力电子、自动控制等多个方面。电 能质量控制方法很多，总体上可以分为2 大类：传统控制技术和柔性控制技术。传统控制技术主要针对电 能质量电压偏差进行控制，主要采用稳态电压调整的装置，如并联电容器、并联电抗器、变压器分接头 等。传统稳态电压调整装置对电能质量阀题反应速度慢、控制不精确、调节能力有限，过去一般采用手 动控制的方法，现在有一部分装置采用了自动投切的方法，其控制策略既有非常简单的开环控制，也有 采用模糊控制、智能控制等现代控制策略的。 柔性控制技术是基于电力电子技术，通过变流器与电力系统相连接的电能质量控制装置，对电能质 量单项或多项指标进行动态控制。针对电能质量的各种不同问题，国外己提出并开发了许多改善和提高 电能质量的装置“，主要有：有源电力滤波器( a p f - a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 和无源滤波器( t f - t u n e d f i l t e r ) 、 配电用静态同步补偿器( d s t a t c o m d i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ) 、配电用串联电容器 ( s c d i s t r i b u t i o ns e r i e sc 靴i t e o 、动态电压恢复器( d v r - d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 、功率因数校正电 容器( p f c c - p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc a p a c i t o r ) ，静态电子分接开关( s e t c - s t a t i ce l e c t r o n i ct a p c h a n g e r ) 、固态转移开关( s s t s - s o l i ds t a t et r a n s f e rs w i t c h ) 、固态断路器( s s c b - s o l i ds t a t ec i r c u i t b r e a k e r ) ，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 ) ，静止无功发生器( s v g - s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 、 晶闸管开关电容器( t s c - t h y r i s t o r s w i t c h e d c a p a c i t o r ) 、不问断电源( u p s - u n i n t e r r u p t i b l e p o w e r s u p p l y ) 、 统一电能质量控制器( t r p q c u n i t e dp o w e r q u a l i t y c o n t r o l l e r ) 等。这些装置主要是采用电力电子技术， 一些装置已相当成熟，其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波器使用很普遍，并联掣 有源电力滤波器最大容量达5 0 1 吖a ，用于抑制电弧炉引起的闪变。 目前国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，正在大力发展用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) ，这是 一种应用现代电力电子技术和控制技术为实现电能质量控制和为用户提供用户特定要求的电力供应的 技术 3 东南大学硕士学位论文 1 3 有源电力滤波器的研究现状 引起的电能质量问题的原因是多方位的，从大方向来看主要有供电系统自身的原因和用电设备的原 因两个方面。由于电力技术的不断发展，供电系统的稳定性、可靠性得到了较大的提高。同时，随着科 技的不断发展，各种各样的新型用电设备不断投入使用，这些新型用电设备在提高生产效率、改善生活 水平的同时也带来了电能质量问题，从而导致由用电设备引起的“电能污染”在电能质量问题中占的比 例逐渐加大。因此。学者们提出了就近补偿和矫正的原则，即在引起电能质量问题的用电设备旁进行电 能质量矫正，以防止电能污染在电网中的流动和传播。 由用电设备引起的电能质量问题主要集中在谐波污染、无功功率、三相不平衡这三个方面。特别是 由晶闸管整流电源、变频调速器、电弧炉、家用电器等非线性负荷引起的谐波、无功功率问题尤为严重。 针对上述电能质量问题，目前的治理手段主要有l c 无源滤波器和有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 两种。与l c 无源滤波器比较，a p f 具有明显的优越性能，具体表现在1 ： a 不仅能补偿各次谐波，还可同对补偿无功功率、挣制闲变、调节和平衡三相不平衡电压等： b 滤波特性不受系统阻抗和频率的影响，可消除与电网阻抗发生串并联谐振的危险，且对外电路 的谐振具有阻尼作用 c 具有自适应能力。能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿： d 不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的大小。 由于有源电力滤波器与无源滤波器相比，具有以上诸多优点，有源电力滤波技术得到了国内外学者 与专家的重视许多科技工作者正在进行有源电力滤波器的理论与实际应用研究。 a p f 的研究包含四个方面的内容：拓扑、谐波检测和p w m 信号的生成( 调制方法) 和控制策略，其中， 又以前两项为研究重点。下面分别介绍这四方面的研究现状。 l - 3 1 有源电力滤波器的分类和拓扑结构的发展 虽然早在7 0 年代就已提出有源电力滤波器的基本原理，但由于受到当时功率半导体器件水平以及控 制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验研究阶段。直到进入8 0 年代以来。随着新型电力半 导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的诣波电流瞬时检测方法的 提出使有源电力滤波器得到迅速完善和发展。自1 9 8 2 年世界第一台a p f ( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功而被止 式投入应用以来，经过2 0 多年的研究和探索，a p f 技术得到了长足的发展，越来越多的a p f 投入了运行， 不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善。其中在日本，已投入使用的a p f 从5 0 k v a 到6 0 州a 功率范 围越来越宽”1 。从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。 目前投入使用的 a p f 种类繁多，其分类方 法也多种多样”“”。图 卜1 从不同的角度对a p f 进行了分类。根据应用 场合的不同。a p f 可分为 有源直流滤波器和有源 交流滤波器两大类。前 者主要用来消除高压直 流系统中换流器直流侧 的电压，如高压直流输 电系统和大功率宣流电 源，这种研究做得较少， 应用更少：后者则应用 图1 1 有源电力滤波器的分类 f 嘻l 1t h es o r to f a p f 4 第一章绪论 于交流电力系统。是目前研究的主要对象。 ( 1 ) 并联型a p f 和串联型a p f 从与电网的连接方式看有源滤波器可分为并联型“”1 和串联型4 “，如图卜2 所示，其中，( a ) 为 并联型a p f ，( b ) 为串联型a p f ，这是两种最基本的拓扑。 并联型a p f 并联接入电网，相当于一 个受控电流源，它跟踪负载电流中的谐 波分量，产生与之相反的谐波电流，从 而抵消线路中的谐波电流。通过不同的 控制作用，可以对谐波、无功、不平衡 分量等进行补偿，因此功能很多，联接 也方便。但是由于电源电压直接加在逆 变桥上，对开关器件电压等级要求高： 负载谐波电流含量高时，这种有源滤波 装置的容量也必须很大，因为兼具大的 ( a ) 并联型( b ) 串联型 图1 - 2 并联型a p f 和串联型a p f f i g 1 - 2p a r a l l e la p fa n ds e r i e sa p f 补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适用于感性电流源性负载的谐波无功补偿：开关引起的谐 波电流将影响电路中的p f 或电容器的滤波特性，若利用l c 网络吸收这部分高次谐波，由于l c 网络受电网 参数的影响，p w m 逆变器输出的谐波频带又很宽，所以l c 网络难以设计。 串联型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，跟踪电源电压中的谐波分 量，产生与之相反的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。其主要用于消除带电容二级管整流电路 等电压源型谐波源负载对系统的影响，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。但与并联有源滤波 器相比，其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，体积变大，损耗大：此外串 联型a p f 投切和故障后的退出以及各种保护也较为复杂。目前，应用装置中并联型占了大多数。 ( 2 ) 无源和有源混合型a p f 由于受开关器件的限制，高频逆变器的容量难以做大，而且其造价随容量的增大而急剧增大而无 源滤波器具有结构简单、造价低廉、运行费用低等特点，人们便提出各种a p f 和无源滤波器相结合的混 合型a p f ，从而来减小整机中有源部分的容量，提高装置的经济性。迄今为止，人们已提出了种类繁多 的无源和有源混合型a p f 拓扑结构，由无源和有源滤波器构成的混合滤波器有两种基本联结方式：串联型 混合滤波器( s e r i e sh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , s h a p f ) 和并联型混合滤波器( p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r , p h a p f ) 。 1 9 8 8 年，p e n g f z 等人首先提出串联a p f 自h 并联p f 的结构1 ，如图1 - 3 所示。串联a p f 为一个电流控 制电压源，由p w m 控制产生与电网谐波电流成正比的谐波电压，u , = k j , h 。因此，串联a p f 相当于在电网 侧串入了一个对电网谐波电流呈较大阻抗( k ) 而对电网基波电流呈零阻抗( 不考虑a p e 的损耗) 的元件。若 k 远大于无源滤波器组的谐波阻抗，则负载谐波电 流的大部分都将流向无源滤波器组，小部分的残 余谐波电流流入电网：同时，a p f 承担了电网中的 谐波电压的大部分，阻止了电网谐波电压串入负 载侧，即串联a p f 起着一个谐波隔离器的作用。 这种结构的主要优点是a p f 的容量较小，装置 成本较低，同时，其“谐波隔离器”的作用对谐 图1 3 并联型a p f + 串联型a p f 波敏感的负载很有利 f i g 1 - 3p a r a l l e l a p f a d ds e r i e s a p f 这种结构的主要缺点有：( 1 ) 当负载电流中存 在无源滤波器不能滤除的谐波时( 无源滤波器对该次谐波的阻抗很大) ，由于a p f 强制这部分谐波流入p f ， 这将在负载输入端产生较高的谐波电压：( 2 ) 由于a p f 串联在电路中，安装、投切、维护困难：( 3 ) 耦合变 压器流过所有负载电流。 并联混合型有源滤波器又可进一步分成三个大类：一类是注入回路方式：一类是有源电力滤波器与 5 东南大学硕士学位论文 无源滤波器并联：另一类是有源电力滤波器与无源滤波器串联再与电网并联。 为了降低负载电网加到逆变桥的交流电压，可以选择用l c 串联或并联网络作为注入电路，注入同路 方式结构如图卜4 所示。 ( a ) l c 串联谐振型( b ) l c 并联谐振型 图1 _ 4 注入回路并联型a p f f i g 1 - 4p a r a l l e lh y b r i da p fo fi n j e c t i n gl o o p “并联a p f + 并联p f ”的结构如图卜5 所示，1 9 8 6 年日本有一台8 0 0 k v a 采用该拓扑的a p f 投入运行，是 最早提出并投入实际应用的混合型a p f 。其中的p f 包含5 次、7 次、1 1 次、1 3 次和高通，吸收负载大部分 的谐波电流：而a p f 用于滤除剩余的谐波电流，故a p f 的容量可以大大降低。 由于电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道，特 别是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波 又流入p f 及系统中”1 ，特别是在公共连接点( p c c ) 的电 网谐波电压较高即背景谐波大时尤甚，p f 有过载烧毁 的危险。所以较好的方法是a p f 和p f 按频率分段完成滤 图l - 5 并联型a p f + 并联型p f 混合型a p f f i g 1 - 5p a r a l l e la p f a d dp a r a l l e lp f 波功能，即由p f 滤除低次谐波。a p f 滤除商次谐波，或者反之。前者p f 由5 次、7 次无源滤波器组成，用 于滤除负载中占主要成分的低次谐波电流，并实现无功补偿：a p f 则采用高频逆变器，滤除剩余的高次谐 波电流，由于高次谐波电流的幅值通常较小，所以a p f 的容量得以大大降低。后者p f 为一组高通滤波器， 滤除负载高次谐波以及a p f ( 逆变器) 产生的开关次谐波，而a p f 只补偿5 次、7 次等低次谐波，这样逆变器 的开关频率可以较低，以便采用频率较低的大功率开关器件，降低成本、减少损耗。 这种并联混合型a p f 保留了所有并联型装置的优点：安装、投切、维护简单。其缺点是a p f 仍然承担 了全部的电网电压，开关器件耐压要求较高。 a p f 串联p f 再并联于电网( 负载) 的结构如 图卜6 所示。这种拓扑的主要优点一是装置属于 并联结构，安装、投切和维护方便：二是a p f 只承 担谐波电压，不用承担电网基波电压，a p f 的容 量得以降低，适合于高压系统：三是可以利用原 有的无源滤波装置，有利于降低成本。这种拓扑 已经有较多的应用”。其缺点是a p f 流过p f 的无 功电流( 基波) 和所有的负载谐波电流，两者通常 都数值较大，增加了a p f 的容量。 ( 3 ) 统一电能质量调节器( u p q c ) 圈1 - 6 a p f 和p f 串联后和电网并联混合型a p f f i 昏1 6p i i a p f o f 卵r i 档c o n n e c t e d a p f a n d p f 如图卜7 所示。串联有源滤波器通过变压器 接入主电路中，具有谐波隔离，电压调节以及电压闪变不平衡的补偿等作用，其变压器容量取决于电 压调节范围，容量很小。并联有源滤波器直接与主电路相连，起消除谐波和负序电流、补偿无功电流和 调节直流母线电压的作用。这种结构虽然功率开关较多，但开关应力较小，容量不大。两个有源滤波器 6 第一章绪论 都采用电压型逆变器结构。共用直流平波电容器， 损耗低，效率高：系统输入和输出波形畸变小：电压 调节动态响应时间短，范围宽，精度高：能适用于各 种用电负载，能抑制电网三相交流电压不均衡。这 种电路结构的控制方式改变后可以实现统一潮流控 制器和交流电网移相器的功能。对这种装置电路结 构和控制方法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脚】。 1 3 2 有源电力滤波器的检测方法综述 串联a p f并联a p f 图l - 7 统一电能质量调节器( u l , q c ) 有源滤波器控制的第一个环节是补偿指令的获取。计算补偿电流指令，首先必须根据补偿目的将谐 波和无功电流分量或者正序、负序及零序等分量进行实时准确的检测和分离。作为a p f 的重要组成部分， 谐波( 基波) 检测环节的性能直接关系到整个系统的补偿性能。目前，检测和分离谐波和无功分量的方法 大体可以分为以下几种。1 ： 1 ) 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法 3 0 l 。带通( 或带阻) 滤波器用于分离出被检测信号 中预定的某一单一频率分量，是用模拟的方法来实现频域分析的一种方法它是最早被采用的谐波电流 检测法。在这里一般是用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。该检测方法的特点是概念清晰，电路结构简单。但由于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，难于同时获得理想的幅频特性和相频特性：同时，当电网频率发生波动时， 不仅影响谐波检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源补偿器的容蹙 和运行损耗：另外，这种方法不能分离出无功电流。因而目前已较少采用。 2 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测方法。“该方法的基本原理是将负载电流f ( f ) 分解为两个正 交分量：一个是与电压波形完全一致的分量，l l p 有功g g t t i ( t ) = ( e u 2 ) “( f ) ，另一个分量作为广义无 功电流，e p i , ( 0 = i ( t ) - ( r ) 有功电流f ，( f ) = g “( f ) ，其中幅值g = p u2 ，p 为负载的有功功率、 u 为电网电压的有效值。该方法的主要缺点是，要计算出有功电流i 。( f ) ，必须对一个电网周期的电流、 电压进行积分运算，再加上其它运算电路所需的时间。因此该方法检测出的广义无功电流值至少有一个 周期以上的时间延时，故不适用于频繁变化负载的补偿。而且，这种方法仅仅区分有功电流和广义无功 电流，却无法将基波无功和谐波电流从基波电流中分离出来，因此这种方法只能适用于全补偿的场合， 对于需要将基波无功电流和谐波电流分别补偿的情况，该方法无法应用。 上述都是用模拟方法实现谐波检测的，模拟方法虽然具有速度快的优点，但其调节困难，元器件多 的缺点限制了它的应用。在全数字化控制( f u ld i g i t a lc o n t r 0 1 ) 应用中，人们普遍采用数字方法实现谐波 检测。采用f o u r i e r 变换进行谐波和无功分量检测的方法是比较常用的方法。对采样的电流信号，进行f f t 分析，可以得到电流中各次谐