（电气工程专业论文）基于dsp的电力系统有源滤波器的研究.pdf

江苏大学工程硕士 a b s t r a c t w i t ht h ef a r - r a n g i n ga p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c sr e c t i f y i n ga n dc o n v e n i n g t e c h n o l o g ya n dh i g hp o w e rt h y r i s t o rd e v i c ei nv a r i o u sk i n d so f e l e c t r i ce q u i p m e m s ，t h e p r o b l e mo f h a r m o n i c sb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s t h eh a r m o n i c sp o l l u t i o na f f e c t s t h es a f eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e ma n dt h en o r m a ls u p p l yo f p o w e ri nt h ei n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r e i tb e c o m e sap r e s s i n gt a s kt os u p p r e s s i o nh a r m o n i c so fp o w e rn e t w o r ka n d t or e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r , w h i c hc a nc o m p e n s a t es i m u l t a n e o u s l yt h eh a r m o n i c sa n d r e a c t i v ep o w e ro fn o n - l i n e a rl o a d s ，i sag o o dt oe l i m i n a t et h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni n p o w e rs y s t e m t h i sp a p e rd i s c u s s e ds e v e r a lm e t h o d sf o rl i m i t i n gt h eh a r m o n i c s ，a n d m a i n l yi n t r o d u c e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r am e t h o do f i n s p e c t i n g t h eh a r m o n i c sb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e ri sp r e s e n t e d a h y s t e r e s i so rc a r r i e rb a s e dp w mc u r r e n tc o n t r o li se m p l o y e dt og e n e r a t et h eg a t i n g s i g n a l st ot h ed e v i c e so fa p eb a s e do nt h i sp r o t o t y p e ，u s i n gm a t l a b ，w h i c hi sa s i m u l a t e dt o o lf o rp o w e rs y s t e m ，i st op r o v ei t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e p r e s e n t e dt oc o n f o r mt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea p ee x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e d o n t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 d s pi sb u i l t t h es c h e m eo fs y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s s t u d i e d k e y w o r d ：h a r m o n i c s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，s i m u l a t i o n ， m a t l a b ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 学位论文版权使用授权书 本攀使论文佟豢完全了磐攀校有关徐黧、霞翅学位论文麓趣寇， 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 舨，允诲论文被查阕霹售阕。本人授权泛苏大学可以将本学位论文 的全部内容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 曩描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文耩予 不保密团。 学馘义作者签名：黝系爵师繇伊 签字嚣麓劳年6 燕 疆签字目聚硝6 学整论文馋者毕监爱去囱： 工作单使： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本入郑重声绢：所呈交酶学位论文，是本人强导师的指导下，独立 进行萋曩究工作瘊取鸯黪成暴。除文中汪经注明弓l 耀戆内容羰努，零 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出煎要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本入完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文佟者签名： 日期：年月 e t 江苏大学工程硕士 第l 章绪论 1 1 有源电力滤波系统研究的目的和意义 = 十世纪二十年代和三十年代，当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造 成了电压，电流波形的畸变，电力系统的谐波问题从而开始引起人们的注意。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文，到了 五六十年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐 波问题的大量论文，七十年代以来，世界各国都对谐波问题予以充分的关注。 在现代工业企业和运输部门中，非线性电力负荷在大量增加。随着电力电子 技术的飞速发展，晶闸管整流和换流技术得到广泛的应用。例如：冶金，化工、 矿山部门大量使用晶闸管整流电源；工业中大量使用变频调速装置；电气化铁道 中采用交流单相整流供电的机车；高压大容量直流输电中的换流站：家用电器( 电 视机、电冰箱、洗衣机、电子节能灯) 等等此外，工业中广泛使用的电弧和接 触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等也均属非线性电力负荷。电力变压器容量 在不断发展，已成为电力网中的一个重要非线性负荷。 电力网的谐波主要由各种大容量电力和交流设备及其他非线性负荷等产生。 非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压波形的畸变( 即电网中谐波含 量急剧增加) ，因此通称为谐波源。谐波的危害是非常严重的，网谐波对各种电力 设施、用电设备，对继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系 统等均有不利的影响，并危及广大用户的正常用电和生产，殃及附近的用电设备 由于谐波的作用引起的经济损失主要是恶化了电能质量指标，降低了电网的可靠 性，增加了电网损失，缩短了电气设备的寿命，在有些情况下还使产品的质量降 低。数量减少。而电力电子设备消耗的大量无功功率也给电网带来额外的负担， 增加了输电线路的损耗，并严重地影响到供电质量，尤其是供电电压的质量。 谐波及其抑制技术的研究是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、 理论电工等领域的重大课题由于其涉及内容广泛，理论意义和实际的经济效益 都非常重大，因此在世界范围内正在掀起一股研究热潮。2 0 世纪7 0 年代以来， 随着电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业，交通及家庭中 江苏大学工程硕士 的应用日益广泛，谐波污染状况及危害程度呈急剧上升趋势由于电力电子装置 所产生的谐波污染问题是阻碍电力电子技术发展的重大障碍，无法回避，这使得 研究人员不得不投入到谐波问题的研究工作中。近几年来由于谐波问题已引起了 多起民用建筑的火灾事故，电力系统中由于谐波所引起的事故( 如引起谐振，造 成电容器烧毁等) 也越来越多。因此，正像对待大气和水资源环境的污染问题 样，如果不对电网环境的谐波污染问题及早进行必要的科研投入，必将在事态比 较严重的时候处于十分被动的地位。更何况抑制谐波本身具有十分明显的节能降 耗效益，而且电力电子装置谐波问题的解决也必将极大地促进电力电子这种高效 使用能源的技术在所有涉及电能的场合全面推广和普及。这对于提高我国产业竞 争力，实现低消耗可持续发展的战略具有非常积极的意义。谐波研究的意义更可 以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说， 其“绿色”的标志主要就是“无谐波”。目j ； ，国际上公认谐波“污染”是电网的 一个比较严重的公害，因此解决此问题是刻不容缓的。 为了克服传统无源滤波补偿系统存在的诸多不足，解决电力电子等非线性负 载所带来的日益严重的谐波问题，随着电力电子技术的不断发展，目前的趋势是 采用电力电子装置进行谐波补偿，因此，国内外学者提出许多有源电力滤波器 ( a p f ) 方案，并逐步得到应用。 1 2 有源电力滤波系统的发展历史与现状 1 2 i 有源电力滤波系统的国外发展历史及研究现状 有源电力滤波器( a p f ) 的发展最早可以追溯n - - 十世纪六十年代末1 9 6 9 年b m b i r d 和j e m a r s h 发表的论文中1 1 1 。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，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽 然没有出现“有源电力滤波器”一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思 想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文 2 1 ，首次完整地描述了有源电力 滤波器的基本原理。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，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用起来。 2 江苏欠学工程硕士 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人【3 】提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成的有源电 力滤波器，并正式确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念，确立了有源电力滤波 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，有源电力滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在 谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络，因此可 以分为并联有源滤波器和串联有源滤波器。其基本结构是一个d c a c 逆变器 与一个谐波注入电路，按照p w m 逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型 有源滤波器及电流型有源滤波器。但是由于当时电力电子技术的发展水平还不 高，全控型器件功率小、频率低，有源电力滤波器仍然局限于实验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一国外有源 电力滤波器的研究以日本为代表，已进入大量实用化阶段。由于日本社会的电气 化进程早，一直受电网谐波问题的困扰，有源电力滤波器的研究在e t 本受到了相 当的重视，因此从七十年代有源滤波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的 人力物力进行了深入的研究，现在有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家 越来越多 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论”【4 巧l ，以该理 论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极 大地促进了有源电力滤波器的发展，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了 实验室。此后这一理论不断完善，在此基础上有源电力滤波器的研究十年间有了 长足的进展。 a k a g i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源电力滤波器消除谐波 6 1 。有源电力滤波器 在这种装置中相当予一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生 与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为正弦波，通 过不同的控制，还可以对谐波、无功、不平衡等分量补偿，因此功能多，联结也 方便，但该方法也存在诸多缺点。 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相 结合的混合型有源电力滤波器方案【8 1 。在这种电路中，有源电力滤波器仍起谐波 补偿的作用，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这 江苏大学工程硕士 种有源电力滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐 波通道 e z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结 构 9 1 ，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低 阻抗。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的 谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。 1 9 9 0 年，日本的h f u s t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的 综合有源滤波方案【1 0 1 ，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流 中谐波分量成比例的电压，实际上该方案可以等效为f z p e n g 的方案，由于注入 变压器联结在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适 合于高压系统应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电 力滤波器的综合有源滤波系统】。其目的是在电网与公麸连接点之间提供一个电 压和电流净化装置，消除用户对电网的谐波污染，同时保证用户得到正弦供电电 压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。 该方案从拓扑上实现了两种方法的综合。 1 9 9 8 年，国外学者又提出一种新型a p f ，称之为统一电能质量调节器 ( u p q c ) ，目前还处于试验阶段。这种a p f 兼有串、并联a p f 的功能，可解决 配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推广的 一种装置。 近几年来，国外学者已经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同 时抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。另外还针对 不同的谐波源，研究最优配置有源电力滤波器和无源滤波器的结合方式，取得了 一定的成效。 有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业 发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产 厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国四门子公司等。 4 江苏大学工程硕士 1 2 2 有源电力滤波系统的国内研究状况 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐 波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作夏道止等1 9 9 4 年出版的高压 直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等人 和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内 有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验，国内的研 究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在逐渐增加，主要 集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，以理论研究和实验为主， 这些研究有的已达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人。对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定 的研究，以瞬时功率理论为基础提出了f 。一f 。谐波检测算法，同时还对基于d s p 芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究。清华大学 的朱东起等和浙江大学的钱照明等都做了一些很有意义的研究。近年来，我国学 者提出了基于优化特定消谐p w m 技术的广义有源滤波器，通过改变逆变器输出 波形的频谱分析，使其接近于正弦波，从而达到消谐的目的。从原理上看，广义 有源滤波器是一种新型非跟踪型有源滤波器，其控制系统比较简单，是一种构思 较新颖的有源滤波器 目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距， 这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工 作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具 有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 江苏天学工程硕士 1 3 本课粼的主要研究内容 电力系统负荷是动态的，交化韵，瑟维持电阏逡行环境的稳定性，就需要j c 于 在邀褥谐波撵截麴弱避，夏霪浆绞进程甏确功零於经，麸嚣箍蘩奄力系统憝臻率辫 数，遮嚣鼯羝设鍪容囊、减少臻率撰耗豹瑟戆，势艇稳定毫惩麴魄蓬，挺寒爨嚷 矮量。 本文主鼗研究内容： ( 1 ) 凝攘鑫蠹乡 磷巍繇轶饔动态，努褥誊嚣龟力滤渡系统憩控残冬基零藏邂； ( 2 ) 分析谐波和无功电流的实时梭测方法； ( 3 ) 以电压型变流器的并联型有源电力滤波器为研究对象，采用 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7d s p 秘建了鸯源电力滤波系统鞭磐乎螽 ( 4 ) 采阁m a t l a b 仿真软件对谐波和无功电流的实时梭测进行仿真研汽； ( 5 ) 采麓m a t l a b 傣冀软箨辩势联登努源毫力滤波系统透杼仿粪礤究 6 江苏大学工程硕士 第2 章有源电力滤波系统的构成与基本原理 2 1 有源电力滤波器的基本原理 随着电力电子装置的日益广泛应用，电网的谐波污染问题越来越严重。此外， 电力电子装置较低的功率因数也对电网的运行产生不利的影响。电力谐波治理与 无功补偿已成为广泛受到关注的课题。传统的无源l c 滤波器和一些无功补偿装 置，由于受自身能力的限制，已不能满足现代电力系统发展的需要。许多研究人 员已把注意力集中到对电网阻抗和谐波频率有较好适应能力，且不会产生谐波放 大和过载的有源电力滤波器( a p f ) 的研究上。 有源电力滤波器( a p f ) 是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力 电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法仅能对确定频率进行滤波和补偿，有源 电力滤波器的应用可以克服这些缺点。它具有对补偿对象的瞬态响应快，受电源 阻抗影响不大，不易和电源阻抗发生谐振等优点。另外，有源电力滤波器补偿无 功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。因此，有源电力 滤波器引起了许多专家学者的关注和研究，并在日、美等国家已大量地投入工业 应用。 图2 1 所示为最基本的有源电 力滤波器系统构成的原理图。图中 v s 表示交流电源，负载为非线性的 谐波源，它产生谐波并消耗无功功 率。有源电力滤波器系统由两大部 分组成，即指令电流运算电路和补 偿电流发生电路( 由电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路三个部分 l ， 图2 - i 有源电力滤波器( a p f ) 系统构成 构成) 。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功电 流等分量，因此也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是 根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电 路目前均采用p w m 变流器。在产生补偿电流时。主要作为逆变器工作 7 江苏大学工程硕士 图2 1 所示的有源电力滤波器( a p f ) 的基本工作原理是，实时检测补偿对象 的电压和电流，经指令电流的运算电路计算得出补偿电流( 谐波和无功电流) 的 指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电 流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反，相互抵消，最终得到期望的 电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达到抑制谐波、补偿无 功的目的。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出 补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号e ， 由补偿电流发生电路产生的补偿电流丘即与负载电流中的谐波分量f 。大小相等、 方向相反，因而两者互相抵消，使电源电流f 。中只含基波电流分量，不含谐波电 流分量。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可用一组公式描述： l ，2k + 1 f = i t + t ff：一f从(2-1) i i = i l + i c = i v 式中，矗，负载电流中的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要 在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这 样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功功率成份相抵消，电源电流等于负载电 流的基波有功分量。 2 2 有源电力滤波器的特点及其分类 目前电力系统中进行补偿的电力电子装置可以分为两大类：一类是以补偿无 功功率为主，其典型装置为静止无功补偿器( s v c ) ；另一类是以补偿谐波为主， 其典型装置为有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。有源电力滤波器的思想早 在七十年代就出现了，而直到八十年代以来，由于新型电力半导体器件的出现， p w m 逆变技术的发展，以及基于瞬时功率理论的谐波电流的瞬时检测方法的提 出，有源电力滤波器才得以迅速发展与l c 无源滤波器相比，由于有源电力滤 波器具有明显的优越性能，其能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补 江苏失擘工程硕士 偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到相当的重视，尤其在日本已得到广泛的应 用但是采用单一的由有源电力滤波器构成的滤波系统对大容量谐波负载进行补 偿仍有不足，这是因为构成有源电力滤波器主电路的p w m 逆变器的容量和动态 性能成反比，很难使有源滤波器在具有大补偿容量的同时还具有良好的动态补偿 特性和低的开关损耗。另外，有源电力滤波器的初始投资和运行维护费用比无源 滤波器要高，从而影响到实际应用和推广由有源电力滤波器和无源滤波器构成 的混合有源电力滤波系统同时具有无源滤波器造价低和有源电力滤波器性能好 的优点，可使电力滤波补偿系统的性价比达到最优，具有良好的发展前景。 有源电力滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效 导纳无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络，因此从与补偿对象的连接 方式来看，有源电力滤波系统可分为并联型和串联型。二者又分别可以分为多种 类型。图2 2 给出了有源电力滤波器的详细分类情况。 有源电力滤波器 并联型 单变流罢方式 与l c 滤波器并用方式 与l c 魔波器并联 与l c 滤波器串联 串联型 单交流器方式 与l c 滤波器并用方式 注入电路方式 与旋转电机并用方式 l c 串联谐振方式 l c 并联谐振方式 图2 2 有源电力滤波器的系统构成分类 目前实际应用中大多采用有源滤波器和无源滤波器混合使用的方法，主要目 的是减少初期投资，提高工作效率。 9 江苏大学工程硕士 2 3 并联型有源电力滤波器 2 3 1 单独使用的并联型有源电力滤波器 1 9 8 6 年，a k a g i h 提出了用并联有源电力滤波器消除谐波的方法，原理如图 2 - 5 所示。图中负载为产生谐波的谐波源，逆变器和与其相连的电感、直流侵l j 储自e 元件( 图中为电容) 共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联 的小容量高通滤波器用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近 的谐波。由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。又 由于其补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其他方式相区别，称之为单 独使用方式。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。 这种装置逆变器并联在电网上， 相当于一个谐波电流发生器。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，把电源电流补偿为正弦。这 种滤波器具有比较好的滤波性能，近 年来受到普遍重视。但足，由于电网 基波电压全部加在逆变器上，因此装 有源电力嚣被器 圈2 - 5 单独使用的弗联型有源屯力滤波器 置容量较大，对大容量谐波负载的补偿存在困难，初始投资成本和运行费用也 比较高，这是单独使用方式并联型有源电力滤波器的最主要缺陷。另外，在这种 方式下，滤波器作为电流源工作，适合于具有电流源性质的谐波源，如带有阻感 负载的整流电路。对于像电容滤波型整流电路这样的具有电压源性质的谐波源， 它的补偿效果就不甚理想。 2 3 2 与l c 滤波器混合使用的并联型有源电力滤波器 为使有源滤波器适用于大容量负载的补偿，可以将有源滤波与无源滤波相结 合进行补偿这种方式比单独使用方式的有源电力滤波器加上一个l c 滤波器， 江苏大学工程硕士 利用l c 滤波器分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于l c 滤波器与有源电 力滤波器相比，其优点在于结构简单，易于实现且成本低，而有源电力滤波器的 优点是补偿性能好。两者结合同时使用，既可克服有源电力滤波器容量大，成本 高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 一、并联有源滤波器( a p f ) 与并联无源滤波器( p f ) 混合型方案 1 9 8 7 年t a k e d a m 等人提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合有源电力滤 波方梨j l 】，图2 - 6 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联接入电网方式的原理图。 有源电力滤波器与l c 滤波器 共同承担补偿谐波的任务，在 这种电路中，a p f 仍起谐波补 偿的目的，p f 分担大部分谐波， 因此a p f 容量很小。但电源与 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 间谐波通道，可能使a p f 注入 图2 - 6a p f 与l c 滤波器并联方式原理图 的谐波又流入p f 及系统中联接的滤波电容中。 二，a p f 与p f 串联后与电网并联混合型方案 由于1 9 9 0 年，h f u j i t 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型 方案。图2 7 是这种方式的原理图无源滤波器一般由五次、七次单调谐和高通 滤波器构成，有源滤波器由电压源型逆变器构成，经变压器耦合与无源滤波器串 联后并接在电网上。由于a p f 与l c 滤波器一起仍然是与谐 波源并联接入电网，所以仍属 并联型方式其中a p f 为电流 控制电压源，产生与线路中谐 波电流分量成比例的电压。实 际上由于注入变压器联接在y 型联接的p f 的中性点上，方便图2 7 a p f 与p f 串联后与电网并联混合型方案 江苏大学工程硕士 保护和隔离，因此更适合于高电压系统应用，但是该电路对电网中的谐波电压非 常敏感。 这种方式中，谐波和无功功率主要由l c 滤波器进行补偿，而有源电力滤 波器用于抑制l c 滤波器与电网阻抗之间的并联谐振( 亦即谐波放大现象) ，改 善l c 滤波器的谐波补偿效果。由于有源电力滤波器不承受基波电压，因而装置 容量大大减小。 2 3 3 注入电路方式的并联型有源电力滤波器 有源滤波器的容量取决于其承受的电压和流过的电流。注入电路方式是用电 容电感构成注入回路，利用电容电感电路的谐振特性，使得有源电力滤波器承受 很小部分的基波电压，从而极大地减小有源电力滤波器的容量 图2 - 8 为l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图，其中c 2 l 支路在电源 电压的基波频率处发生串联谐 振因此，对基波来讲，c 2 l 支路的阻抗远远小于电容c l 的 阻抗，因而基波电压几乎全部 加在c l 上，与c 2 - l 并联的有 源电力滤波器承受很小部分的 基波电压；对谐波来讲，c i 的 阻抗远远小于c 2 - l 支路的阻抗， 图2 8l c 串联谐振注入电路方式原理图 因而有源电力滤波器注入的谐波电流几乎全部通过c l 注入电网，对负载的谐波 进行补偿。 图2 9 是l ( 2 并联谐振注入电路方式的系统原理图。其原理同串联谐振型类 似，在有源滤波器和电网之问 串入在基波频率处发生谐振的 厶一c 回路，基波电压绝大部 分加在该谐振电路上，有源电 江苏大擘工程硕士 力滤波器与厶一样只承受其余很小部分的基波电压该方式还有一个好处是有很 小的基波 电流流过厶一c 及厶 图2 - 9l c 并联谐振注入电路方式原理图 2 4 串联型有源电力滤波器 2 4 1 单独使用的串联有源电力滤波器( s a p f ) 图2 - 1 0 是单独使用的串联有源电力滤波器的原理图。图中可看到，有源电力 滤波器是串联在电源和谐波源之间的。这种方式的有源电力滤波器在此系统中相 当于一个电压控制电压源，即表现为 电压源特性，主要用于补偿可看作电 压源的谐波源。这种谐波源的一个典 型例子是电容滤波型整流电路。针对 这种谐波源，串联型有源电力滤波器 输出补偿电压，它跟踪电源电压中的 谐波分量，产生与之相反的谐波电 ! 有源电力滤波器 l 一一一一一一 图2 1 0 单独使用的串联有源电力滤波器 压，可以消除电源电压的畸变，使负载端交流侧电压为正弦波。 串联型有源电力滤波器通过控制补偿电压来改变负载端的电压，使电源电流 为正弦，对具有电压源性质的谐波源有很好的补偿效果。串联型有源电力滤波器 还可以起到谐波隔离作用。另外，这种类型的有源电力滤波器容量也较小，约为 负载容量的四分之一。单独使用的串联型有源电力滤波器研究的人很少，国内外 有关文件资料也很少。 2 。4 2 串联a p f 与并联p f 混合型方案 江苏大学工程硕士 1 9 8 8 年p e n g e z 等人提出串联有源电力滤波器加并联l c 滤波器的结构，原 理图如图2 1 1 所示。这种方式是 在并联的负载和l c 滤波器与电 源之间串入有源滤波器，结合了 无源滤波器和有源滤波器各自的 优点，a p f 对谐波呈现高阻抗， 而对工频呈极低阻抗。因此a p f 相当于一个电源和负载之问的谐 波隔离装置。串联a f f 强制将负图2 1 1 串联a p f 与并联p f 混合型方窠 载的谐波电流流入无源滤波器，而不会流入电网，同时也阻止了电源的谐波电压 串入负载侧，不会加到负载和p f 上，无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道， 对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。 这种串联混合有源滤波器以其卓越的滤波性能、较小的a p f 容量( 典型值为 负载的5 ) 得到了广泛的关注。然而，由于负载变化、电网谐波影响、保护困难 等因素极大地限制了它的应用。到目前为止，仅在美国有一例实际用于电力系统 的报道。事实上，如何将之应用于非线性装置和电力系统的谐波抑制，还有许多 基础设计问题需彻底研究。 这种结构的缺点是： ( 1 ) 这种滤波原理相当于比例控制，不能将电源电流中的谐波完全消除。在低 次谐波及其他频率处，要使k 值远远大于无源滤波器等效阻抗是很困难的，因此 对电网中的闪变分量，用该方法不能实现隔绝； ( 2 ) 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a f f 强制将这部 分谐波流入p f ，达将在负载入端产生谐波电压； ( 3 ) 由于a p f 串联在电路中，绝缘较困难，维修也不方便； ( 4 ) 注入变压器流过所有负载电流，而其特性直接影响系统的补偿性能。 2 5 并联与串联有源电力滤波器混合型方案 1 9 9 4 年，a k a g i h 等人提出一种综合了串联a p f ( a p f l ) 和并联a p f ( a p f 2 ) i 均 混合型滤波器，其示意图如图2 一1 2 。这种方式也称为统一电能质量调节器。a p f l 江苏大学工程硕士 将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网它 对基波表现为零阻抗，而对谐波表现为高阻抗；a p f 2 提供一个零阻抗的谐波支 路，它对基波表现为很大的阻抗，对谐波表现为低阻抗，把负载中的谐波电流吸 收掉，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。该方案从拓扑 上实现了两种方法的综合。 负载 匿 图2 1 2串联与并联有源电力滤波器混合使用的统一电能质量调节器 这种串联与并联有源滤波器混合使用的统一电能质量调节器，能对电网与公 共接点之问同时实现电压和电流的净化，消除用户对电网的谐波污染，同时保证 用户得到正弦供电电压但是也应注意到，在具有良好性能的同时，统一电能质 量调节器的造价成本和装置容量都是很高的，目前应用还不广泛。 江苏大学工程硕士 第3 章谐波和无功电流的实时检测方法研究 3 1 三相电路瞬时无功功率理论 从前面对有源电力滤波器的原理的研究中发现，有源电力滤波器的工作性能 很大程度上取决于对电网中谐波和无功电流的实时、高精度检测。这种检测一般 不需要分解出各次谐波分量，而只需检测出除基波有功电流之外总的畸变电流， 从而最终对谐波或无功实现快速补偿。谐波及无功电流检测信号作为补偿电流发 生电路的指令信号，其准确与否将影响到整个混合有源电力滤波系统的滤波特性。 传统的检测方法是将电网电流进行傅立叶分解，将各次谐波合成得出谐波电流信 号。这种方法响应慢。目前，国内外学者提出的大部分谐波检测方法都基于瞬时 无功功率理论，这些检测方法能够较好地检测谐波电流和无功电流。 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由日本学者赤木泰文提出，赤木最 初提出的理论称为p q 理论，足以瞬时实功率p 和瞬时虚功率g 的定义为基础， 其主要不足是未对有关的电流量进行定义。此后，该理论经不断研究逐渐完善。 1 9 9 2 年西安交通大学王兆安教授基于该理论提出了以瞬时有功电流，和瞬时无功 电流为基础的理论体系。 设三相电路的各相电压瞬时值为p 。，e b ，e 。，各相电流瞬时值为厶，f 6 ，厶，分别将 它们变换到两相正交口一坐标上，两相瞬时电压为e ae p ，两相瞬时电流为蠡，珈， 即有 计后 ：到i i 1 | - g 窆雠 p ， 州李瓣c z 豳 p 。 在图3 - 1 所示的口一平面上，矢量e a ，印和如，妇分别可合成为电压矢量和 6 兰茎垄兰三垒翌主 电流矢量i ，即 p ；气4 - ( 3 - 3 ) f = 乞4 - 厶( 3 - 4 ) 那么，三相电路瞬时 有功电流l 和瞬时无功电 流分别为矢量f 在矢量p 及其法线上的投影。而三 相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率口为电压图3 1 口一坐标系中的电压、电流矢量 矢量p 的模与三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流的乘积，即 p = l e l ( 3 - 5 ) q = l e l i r ( 3 6 ) q = e p i 。一e 。bq 图3 - 1 中瞬时有功电流及瞬时无功电流在口一声坐标轴上的投影即为口、 卢相的瞬时有功电流、及瞬时无功电流0 、。某一相的瞬时有功电流和 而三相电路各相瞬时无功电流0 、k 、是口、两相的瞬时无功电流、 通过两相变换到三相所得的结果同理，各相瞬时有功电流也可这样得到，即 * ，陶 p 9 ， 江苏大学工程硕士 * 翻 ( 3 1 0 ) 式中c ，= c 二 传统理论中的有功功率、无功功率等都足在平均值基础或相量的意义上定义 的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概 念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和 任何过渡过程的情况。可见。瞬时无功功率理论就是将传统三相电路功率理论中的 正弦信号有效值、初相角、有功功率和无功功率突破时问平均值概念而引申为瞬 时量，是对传统功率理论的自然扩展，瞬时无功功率理论包客了传统的无功功率 理论，比传统理论有更大的适用范围。 3 2 应用高通滤波器对谐波和无功电流实时检测 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了 成功的应用。目前基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。 最早的谐波检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器把负载电流中 的基波成分滤掉后就得到谐波分量，作为补偿电流指令值；也可采用带通滤波器， 得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量，作为补偿电流指令值。这种 方法缺点很多。如难以设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感 等，因而已极少采用。 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅立叶分析的方法来检测谐波和 无功电流。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得出所 需的谐波和无功电流。该方法不足之处足由于需要一定时间的电流值，且需要两 次变换，计算量大，花费时间长，因而实时性较差。 也可根据f r y z e 的传统功率定义来构造检测方法，但这种方法积分一个周期 才能得出检测结果，也存在实时性不好的缺点。 近年来又出现自适应电流检测方法、三相不平衡系统电流的同步测定法及基 于d q o 广义瞬时无功功率定义的谐波电流检测法等等，但它们都还处于发展、研 究和推广中。 江苏大学工程硕士 经过理论和实践证明，瞬时功率理论是最适合有源电力滤波器对谐波进行实 时检测的方法，并且已经在许多有源电力滤波系统中得到成功的应用。这种方法 又分为p g 法和扫矗法，而法是在p q 法的基础上经过引申而来。 目前的文献资料基本上采用低通滤波器滤波，得出基波电流分量，然后与被 检测电流相减，最终得出谐波电流分量。由此启发，本文考虑另一种思路。研究 得出，若直接使用高通滤波器，则滤波后直接得到谐波电流分量，而不再需要与 被检测电流相减，从而检测装置得到简化。 根据式( 3 7 ) 和( 3 - 8 ) ，瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 写成矩阵为 z 羔 朝 c s 一 如果e a , e 。，e 。与如，b ，f c 均为标准正弦波时，p 、q 的值为标量且与平均有功功 率p 和平均无功功率q 相同，而当e o , e ，e 。为三相对称正弦波，但是如果电流 玉，拓，f c 发生畸变时，则基波分量所对应的瞬时有功功率p ，及瞬时无功功率q ，为 标量，而高次谐波所对应的瞬时有功功率p 。及瞬时无功功率吼为交变量，这时可 通过一个高通滤波器( h p f ) ，从p ，q 中分离出p 。，吼，经过反变换，最终可得到 谐波电流分量乙，这种检测方法称为p q 法，其使用条件是三相电压气，岛，e 。 不能有畸变，否则这种方法的检测结果将存在误差，不能准确地检测出各次谐波。 而法能很好地解决该问题，f ，法的最大优点是在电网电压发生畸变时能准 确地测出高次谐波电流，且在s i n a ，t 与巳有相位误差时也能保证结果准确可靠，并 可测出基波中的负序电流。它的基本原理是用与p 。同相位的正弦和余弦信号代替 ，则瞬时有功电流j ，和瞬时无功电流为 i ， s i n 。t o 耐t ：捌阱嘲 基于上面分析，可得到一种应用高通滤波器实时检测高次谐波电流的方法， 相应的检测电路原理框图如图3 - 2 所示。显然。图3 - 2 中的i p ，i q 同时含有直流和 交流分量，直接用高通滤波器( h p f ) 把它们的交流分量分离出来，经过式( 3 一1 2 ) 1 9 江苏大学工程硕士 究过程中发现，当被检测电流j 。，f 。不是三相对称正弦电流时，由于零序电流分 除料邓n 囝 仔 乏 = c 二 乏 = c 朋- i c 。c 。匿 = c 。医 c 。一z t ， 肾捌电局：豳 = 吾睦 1 2 l i 2 ( 3 - 1 5 ) 因为c 3 ：c ：，为单位阵，而c ：，c ，：q ：c 2 ，它不为单位阵，式( 3 一1 5 ) 化为 删豳 p 式中，f o 为零序电流，f o = ；( + + f ) 实际上，如果当电路中不加滤波器进行滤波时，变换前后电流应保持不变， 为此，电路中必须使e ，e 补偿零序电流f o 以达到此目的 1j k，匕 1ooooooojl 一 一 0 l 。 + + + “u k 口 l p + + + 0 k l一3l一313 一 一 一 0 0 0 江苏大学工程硕士 f 口 l b h l c h 图3 2 高次谐波电流检测电路 图3 - 2 所示运算方法既可用模拟电路实现，也可用数字电路实现。当用模拟 电路实现时，需要8 个乘法器。随着数字处理器( d s p ) 芯片的广泛应用，本文将 这一算法采用美国德州仪器( 1 1 ) 公司的t m s 3 2 0 c 3 2 d s p 芯片用软件实现。 下面对电网谐波电流进行计算分析。 首先假设三相对称，电网电压波形没有畸变，但被检测电流有畸变，用傅立 叶级数展开为 = 弘s i n ( n 耐+ 以) 乇：妻西。s i n 【n ( 耐一警) + 巩】( 3 - 1 7 ) f f = 妻皿s i n 印( c o t + 警) + 见】 式中i 以= 3 k l ，其中k 为整数( k = o 时，只取+ 号，即只取n = 1 ) ；c o 是电源角频 率；i 和以分别为各次电流的有效值和初相角 将式( 3 一1 7 ) 代入式( 3 - 2 ) ，得 式中，n = 3 k +