（电路与系统专业论文）混合型有源电力滤波器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

混台型柯源电j j 滤波措的模糊拧制 摘要 随着电力电子器件在工业中的广泛应用，其产生的谐波电流注入电网，影响电 气设备的正常工作。谐波的污染问题已经成为影响供电质量的重要问题。传统的无 源电力滤波器和有源电力滤波器各有其优缺点，有源滤波器与无源滤波器串联的并 联混合型有源滤波器更好地结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点，造价较 低、性能优良。这种结构能以较小的有源装置容量实现大容量的谐波补偿，并能将 电压耐压较低的半导体功率器件安全地用于高压系统的谐波补偿，在取得良好的谐 波补偿效果的同时，还可兼顾部分基波无功 偿，有着广泛的发展、应用前景。 本文针对谐波治理需要提出的新型混合型有源电力滤波器兼具较大容量的无 功静补偿能力和较小的逆变器容量，对其工作原理进行了分析，并建立了混合型有 源电力滤波器的拓扑结构模型方程和开关函数模型方程。 谐波检测是有源滤波器的一个关键环节，而其中的计算延时和许多谐波检测方 法中的低通滤波都会对有源滤波器控制和系统性能造成很大的影响。本文在- 岛 算法的基础之上，对其进行推广应用，并对其进行了仿真分析仿真结果证明了算 法的可行性和有效性。 本文对并联型混合有源滤波器控制策略进行了研究。在对并联混合型有源电力 滤波器的无源电力滤波器和有源电力滤波器的结构、原理和设计方法进行了较为充 分的分析讨论的基础上，提出了混合型有源电力滤波器的自适应模糊p i 控制和自 适应模糊免疫p i 控制，并进行了详细的分析及进行了仿真，仿真结果表明所提出 算法的有效性。 论文结合有源电力滤波器控制器在某变电站的应用实例，详细说明了系统拓扑 结构和控制器的设计，并给出了现场应用效果。 关键词：混合型有源电力滤波器：自适应模糊p i 控制；自适应模糊免疫p i 控制； a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c ei ni n d u s t r y , t h eh a r m o n i c c u r r e n tp r o d u c e db yt h a ti si n j e c t e di n t ot h e 鲥da n di n f l u e n c e st h en o r m a lw o r ko ft h e e l e c t r i ce q u i p m e n t t h ep r o b l e mo f h a r m o n i cp o l l u t i o nh a sb e c o m ea l li m p o r t a n ti s s u eo f t h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y t h et r a d i t i o n a lp a s s i v ep o w e rf i l t e r ( p p f ) o ra c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) h a si 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 s c o n s i s t e do fp p fa n da p f t h e s h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f lh a sc o m b i n e db o t ha d v a n t a g e sp e r f e c t l y , t h a t m a k e si th a sal o wp r i c ea n d9 0 0 dp e r f o r m a n c e t h i ss t r u c t u r ec a nr e a l i z et h eh a r m o n i c c o m p e n s a t i o no fh i g hc a p a c i t y i nal i t t l ea c t i v ed e v i c ec a p a c i t ya n dm a k et h e s e m i c o n d u c t o rp o w e rd e v i c eo fl o w e rv o l t a g ed u r a t i o nc a l lb eu s e dt oah i g hv o l t a g e s a f e l y i tc o m p e n s a t e sp a r to ff u n d a m e n t a lr e a c t i v ep o w e ra sw e l la so b t a i n i n gag o o d e f f e c to fh a r m o n i ce l i m i n a t i o n , t h a tm a k ei th a sa 嘶d ed e v e l o p m e n ta n dg o o dp r o s p e c t o f a p p l i c a t i o n a i m i n g a tr e q u e s to fh a r m o n i cc o n t r o l ，t h i sp a p e rh a sp r o p o s e dan e wh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r , i th a sal a r g er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na b i l i t yb u tal i t t l ei n v e r t e r c a p a c t i y , t h i sp a p e rh a sa n a l y z e di t sw o r kp r i n c i p l ea n db u i l d st h et o p o l o g ys t r u c t u r e m o d e le q u a t i o na n ds w i t c hf u n c t i o nm o d e le q u a t i o no f t h eh a p f t h eh a r m o n i cd e t e c t i o ni sak e yl i n k , t h ec a l c u l a t i o nd e l a ya n dl o wp a s sf i l t e ri n m a n y k i n d so fh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d sw i l lc a u s el a r g ei n f l u e n c ef o rt h ec o n t r o la n d s y s t e mp e r f o r m a n c eo ft h ea p e o n t h eb a s i so f 妒岛a r i t h m e t i c ，t h i sp a p e rh a sd o n e e x t e n s i o na p p l i c a t i o na n ds i m u l a t i o na sw e l la sa n a l y s i sf o ri t , t h es i m u l a t i o nr e s u l th a s p r o v e dt h ep r a c t i c a l i t ya n dv a l i d i t yo f t h ea r i t h m e t i c t h i sp a p e rh a sd o n er e s e a r c hf o rt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r o nt h eb a s i so fc o m p l e t ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o nf o rt h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dd e s i g n m e t h o do fh a p ei th a sa n a l y z e dt h ea d a p t i v ef u z z yp ic o n t r o l ，a d a p t i v ef u z z y i m m u n ep ic o n t r o li nd e t a i l ，t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sp r o v e dt h ep r a c t i c a l i t ya n d v a l i d i t yo f t h ea r i t h m e t i c a c c r o d i n gt ot h ea p p l i c a t i o ne x a m p l eo fh a p fi ns o m es u b s t a t i o n , t h i sp a p e r e x p l a i n st h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dc o n t r o l l e rd e s i g ni nd e t a i l ，i ta l s eg i v e st h er e s u l to f t h ef i e l da p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ；a d a p t i v ef u z z yp ic o n t r o l ；a d a p t i v ef u z z y i m m u n ep ic o n t r o l ； i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，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 由本人承担。 作者签名壕研 日期：泖年月纩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：二吧夕年，。月f ，日 日期：乒t 刃年月肛日 顾卜学位论文 第1 章绪论 本文主要研究并联混合型有源电力滤波器的拓扑结构，工作原理及控制方法 等相关问题。本章首先介绍了电网谐波及其危害、谐波的抑制技术，然后介绍了 并联混合型有源电力滤波器的发展历史和研究现状，指出了研究并联混合型有源 滤波器的现实意义。最后对本文的研究背景及主要的研究内容进行了简单介绍。 1 1 谐波的危害与谐波标准 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代，静止汞弧变流器的使用造成电网电压、电流 波形出现畸变，就引起了人们的注意。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5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流 输电技术的发展，推动了变流器谐波研究的进一步深入。这一时期发表了许多有 关变流器谐波的论文，e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了详细的总结【1 1 1 2 1 。7 0 年 代以来，随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子设备在电力系统、工业部 门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用，其产生的谐波以及造成的危害 日益严重，使世界各国对谐波问题都给予了十分的关心和重视。 1 1 1 谐波源 造成系统正弦波形畸变、产生谐波的设备和负荷称为谐波源。一切非线性的 设备和负荷都是谐波源。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负 荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量 转换为谐波能量，向系统倒送入大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变， 电能质量降低，损坏系统设备。威胁电力系统的安全运行，增加电力系统的功率 损耗等，给系统带来危害。 谐波是由与电网相连的各种非线性负载产生的。当前电力系统的谐波源，其 非线性特性主要有三大类： ( 1 ) 铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现 非线性。 ( 2 ) 电力电子开关型：主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以及双向晶 闸管可控开关设备等。 ( 3 ) 电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电 弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈现电 弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。 对于电力系统三相供电来说，有三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者， 混合甲f 1 源f u 力滤波嚣的模糊栉制 如电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器，而电气铁道是当前中压供 电系统中典型的三相不平衡谐波源。 近些年以来，电力系统的谐波问题同益严重，引起电力系统谐波的主要原因 如下1 2 j 【3 j ： ( 1 ) 电力电子设备及其新技术的大量采用，如换流器等大容量电力晶闸管设备 的非线性负荷大量增加，以及各种家用电器的普遍使用，从电网的各个供电点， 向电力系统注入大量的谐波。 ( 2 ) 为了节省原材料，铁芯设备的工作点更进入饱和区，从而引起谐波的增加。 ( 3 ) 电弧炉用户的增多及其容量的增大。 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，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。 由于系统施加于负荷的电压基本不变，谐波源负荷通过向电力系统取得一定 的电流作功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变。而谐波源固有的非线 性伏安特性决定了电流波形的崎变，使其产生的谐波电流与基波电流具有定 的比例，因此非线性负荷一般都为谐波电流源，向系统注入一定的谐波电流。 由于谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统的谐波阻抗，故谐波电流源在电力 系统中一般可按恒流源对待。 谐波源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降，便 形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波形电压产生崎变。 1 1 2 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单而固定的频率以及规定的电压幅 值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的 环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设 备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，但没有引起足够的重 视。近几十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严 重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高 度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致归纳为以下几个方面鸭 ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备 的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外， 还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波会使电容器、 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 使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 2 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表不准确。 ( 5 ) 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式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。 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 直至消除谐波己成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中 的重要研究课题。 1 1 3 谐波标准 为了避免谐波的危害，保持高的电能质量，不少国家和国际组织制定了限制 用电设备谐波的标准i m l li p 。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 2 标准。i e e e6 0 5 1 9 于1 9 8 1 年制订，并于1 9 9 2 年进行了修订，该标准是从 电网的角度来对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。i e c6 0 5 5 5 2 标准 则是对负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。i e c 6 0 5 5 5 2 标准于1 9 8 2 年制订，在1 9 9 5 年修订，修订后的标准为i e c6 1 0 0 0 - 3 2 。在 我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批转的全国供用电规则的 规定，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定国家技术监督局 于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准g b1 2 3 2 5 9 0 ( 电 能质量供电电压允许偏差) 、g b1 2 3 2 6 ( 电能质量电压允许波动和闪变) 和 g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网谐波，该标准已于1 9 9 4 年3 月1 日起在我 国全面开始实施。 1 2 谐波抑制 谐波电流已经对电力系统和供电系统产生了严重危害，必须采取有效的治理 措施。就目前的情况而言解决电力电子装置谐波问题的主要方法可以分为以下 两大类2 1 1 3 心： 一种是主动型谐波抑制方案：即对电力电子装置本身进行改进，使其不产生 谐波，或根据需要对其功率因数进行控制。主动型谐波抑制方案常用的方法包括 增加整流器的相数、使用脉宽调制法，采用多电平变流技术和加装功率因数预调 整器等，这种方法能从根源上解决谐波问题，滤波效果好。 主动型谐波抑制方案仅适用于电力电子设备类谐波源。其主要问题还在于成 本高、效率低，并可能影响设备的可靠性。同时，电力电子系统中高功率因数整 流器的高频率p w m 载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射干扰。 因此在设计主动型谐波抑制方案时，必须用e m i 滤波器将高次谐波信号从系统中 滤除，防止它们作为传导干扰进入电网还要利用屏蔽防止它们作为辐射干扰进 入自由空间。对空间产生电磁污染。 混合雩j 仃源i uj j 滤波器竹模糊拧制 另一种是被动型谐波抑制方案：印谐波负载本身不加改变，而是在电力系统 或谐波负载的交流侧加装无源滤波器( p f ，p a s s i v ef i l t e r ) 、有源电力滤波器( a p f ， a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 或者混合型有源电力滤波h 罄( h a p f h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 等装置，通过外加设备对电网实旌谐波补偿。本文所研究的有源电力滤波装置就 属于此类方法。 1 2 1 l c 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 在各种滤波方法中，无源滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。 电力系统中并联无源电力滤波器是最主要的谐波抑制方案之一，这些滤波器通常 是由电容、电感和电阻等无源元件构成的谐振电路。并联无源电力滤波器的原理 是对某些谐波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流 入电网1 2 1 1 3 1 1 5 1 。无源滤波器存在一些较难克服的缺点，但因其结构简单、设备投 资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今还是应用最多的方法。 无源电力滤波装置是由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装 置，运行中它与谐波源并联，除了起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。 滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器有时再加一组高通滤波器，由于它结构 简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。 图1 1 示出了5 种无源电力滤波器的原理电路图。图1 1 ( a ) 所示为单调谐滤波 器的基本电路，单调谐滤波器利用r 、l 、c 电路串联谐振原理构成。该滤波器的 优点是参数配置简单，如滤波器有故障时可分别退出故障滤波器，系统和其余滤 波器可照常运行。缺点是当谐波标准较严时。滤波器组数较多，占地面积大，成 本较高。在具体工程中接线方式灵活多样，但常采用图( a ) 的接法，即将滤波器 电抗器和电阻器均接于电容器的低压侧，整个滤波器采用星形接法。 图1 1 中( b ) 、( c ) 、( d ) 分别为一阶减幅型高通滤波器、二阶减幅型高通滤波器、 三阶减幅型赢通滤波器和c 型高通滤波器四种。一阶商通滤波器需要的电容太大， 基波功率损耗也太大，一般不采用。二阶高通滤波器的基波损耗较小，且阻抗特 性较好，结构简单，工程用得最多，但与三阶的相比，其基波损耗较高。三阶高 通滤波器比二阶的多一个电容o ，o 容量与a 相比很小，它提高了滤波器对基波 频率的阻抗，从而大大减少了基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点，但其 特性不如二阶减幅型的，用得也不多。c 型高通滤波器的性能介于二阶与三阶之间。 主要优点是由于。与调谐在基波频率上，故可大大减少基波损耗。其缺点是对 基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 4 j _ _ _ _ _ _ 一 上 手c ( a )c o )( c ) ( d ) i - - t c i 乏訇冠 上 ( e ) 盈i ，1 无潦滤渡器原理囝 二阶高通滤波器对n 次谐波的阻抗为 z ：j l + ! ! 竺塑 。4 y n 6 0 , c r + j n o l 其阻抗i z 。l 随频率变化的曲线如图1 2 所示。可见，二阶高通滤波器该曲线在 某一很宽的频带范围内呈现为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻通路，使得这 些谐波电流大部分流入高通滤波器。 z 。 一 围1 2 二阶高通滤波器阻抗须率响应 无源滤波方案成本低、技术成熟，还可补偿无功功率，但存在以下缺陷川i z j ： ( 1 ) 谐扳频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的漂移 将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； ( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行 工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难： ( 3 ) 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器 的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。 ( 4 ) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如 果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且需要根据高次谐波次 数的多少，需设置多个l c 滤波电路。 ( s ) l c 可能与系统阻抗发生串并联谐振。p f 可能与系统阻抗发生串联或并联谐 吾t f 旷 混合型f i 源f 毡力滤波器的模糊拧制 振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。 ( 6 ) 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波 电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 ( 7 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是 很困难的。 ( 8 ) 电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效 果并不理想。 ( 9 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 1 2 2 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最早出现于1 9 6 9 年b m b i r d 和j e m a r s h 的论文中。 文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电 流波形的新方法。1 9 7 1 年，日本h s a s a k i 和t m a c h i d a 完整描述了有源电力滤波 器的基本原理。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 等人提出了 采用脉冲宽度调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制的有源电力滤波器，确定了 主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的 谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器 基础【1 】【2 】。然而，在2 0 世纪7 0 年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器 除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入2 0 世纪s o 年代以来，新型 电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，尤其是1 9 8 3 年闩本的h a k a 舀等人 提出了三相电路瞬时无功功率理论，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法 在三相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【l 】【3 1 。 有源电力滤波器( a p f ) 根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型和串联 型两种，实际应用中多为并联型。这是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负 荷产生的谐波电流的滤波装置，其主电路由静态功率变流器( 逆变器) 构成，故具有 半导体的可控性和快速响应性。根据逆变器直流储能元件的不同，a p f 也分为直 流侧采用电容的电压型和直流侧采用电感的电流型【1 1 【3 酗1 1 7 1 。图i 3 为a p f 的补偿 原理。 系 图1 3 谐波电流的补偿 6 坷! l 。学位论史 为实现上述功能，a p f 应由高次谐波电流的检测、调节器和控制器、脉宽调 制( p w m ) 的逆变器和直流电源等主要环节组成，其原理结构如图1 4 所示。由于电 压型a p f 在输出功率容量较小时，其自身损耗较小，效率较高，国内外大多数a p f 采用了电压型结构。 电网电流 逆变器 圈i 4 有源电力露渡暑结构图 ( 1 ) 并联有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是最早期的有源滤波装置。1 9 8 6 年，a k a g i h 提出用并 联有源电力滤波器消除谐波的方法，示意图如图1 5 【1 1 1 2 1 1 3 j 1 6 】。这种装置相当于一个 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。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，因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适 合于电感型负荷的谐波补偿；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。 ( 2 ) 串联有源电力滤波器 图1 6 是单独使用串联有源电力滤波器的方案1 2 1 1 3 j 1 6 l 。串联有源电力滤波器在 此系统中相当于个受控电压源，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。这种结构的有源装置容量小，运行效 率高，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型a p f 一方面可用于改善系统 的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于对电压很敏感的负载： 另一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整流器，避免负载产生的谐 波电压影响电网电压波形。但是串联型a p f 存在绝缘强度高、难以适应线路故障 条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用 的变压器，其工程实用性受到限制。与并联型a p f 一样，负载谐波含量较大时串 联型a p f 装置容量也将很大，初期投资也很大。 7 混合掣仃源f uj j 滤波器的横糊拌制 单独使用的并联型和串联型a p f 由于有源装置容量相对较大，开关器件的等 级较高，存在初期投资大、运行效率低的缺点，而且二者对不同类型谐波源的补 偿特性不同，各有千秋。因此，在研究a p f 多功能化的同时，人们也致力于使有 源装置容量降低的混合补偿方案研究。 图1 5 单独使用的并联型 p f围1 6 单独使用的串联型a p f 1 3 混合型有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 以上有源电力滤波器( a p n 可以实时跟踪滤除幅值和频率都在变化的谐波，补 偿性能好。但是，由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上，且 滤波电流基本由变流器提供，故要求交流器具有较大的容量。为克服这一缺点， 可以将有源电力滤波装置与l c 滤波器混合使用，构成了混合型有源电力滤波装置 ( h a p f ) 。其基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的大部分滤波任务。 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、易实现且成本低， 而有源电力滤波器的优点是滤波性能好。两者结合同时使用，即可克服有源电力 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。 1 串联混合型有源电力滤波器( 串联a p f 与并联p f 混合型方案) 1 9 8 8 年，由p e n g e z 等人提出一种串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的 结构1 1 2 1 1 3 1 1 6 ，如图l 。7 所示。 图1 7 串联型 p f + 并联p f 的嗽p f 在这种结构中，有源电力滤波器通过变压器串联接入系统。有源滤波器表现 硕i 。学化论丈 为电流控制电压源，由逆变电路产生与谐波电流成正比的谐波电压。在基频点， 无源滤波器呈现高阻抗，串联有源电力滤波器呈现低阻抗，不消耗基波功率；而 在谐波频率点，无源滤波器呈现低阻抗，串联有源滤波器呈现为高阻抗，从而保 证线路电压和电流中只有很小的谐波残余。 这种混合型结构只是可以降低系统对有源滤波器的容量要求，并不能够降低 系统电压等级对有源滤波器的限制，在本质上仍然相当于有源滤波器单独工作。 此外，由于a p f 串联在电路中，耦合变压器流过所有频率的负载电流，这对耦合 变压器的容量设计造成了困难。 和负载串联的a p f 为一个电流控制电压源，由p w m 控制产生与线路中谐波 电流成正比的谐波电压。因此对谐波电流，串联a p f 可以等效为一个电阻，其阻 值即为放大倍数，当k 远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，线路电压和 电流中将只有很小的谐波残余，对工频a p f 呈极低阻抗，因此串联a p f 相当于一 个谐波隔离装置。串联a p f 强制将负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻止 了电源的谐波电压串入负载侧，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。这种方案结合了无源滤波器和有源滤波 器各自的优点，装置的补偿容量可以做得很大。由于大部分谐波由相对廉价的无 源滤波器滤除，装置成本相对较低。 这种结构的缺点是： ( 1 ) 在低次谐波及其他频率( 非无源滤波器调谐领率) 处，要使k 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 ) r h 于a p f 串联在电路中，绝缘较困难，维修也不方便； ( 3 ) 在正常工作时，耦合变压器流过所有负载电流； ( 4 ) 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这部分谐 波流入p f ，这将在负载入端产生谐波电压； 2 并联混合型有源滤波器 并联混合型有源滤波器，是指有源滤波器支路以并联的形式接入系统。而根 据有源滤波器与无源滤波器的连接形式又可以分为a p f 和p f 串联、a p f 和p f 并 联两种形式f l l 2 l i 6 。 ( 1 ) 并联型a p f 与并联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 相结合的混合型有源电力滤 波器方案，如图1 8 所示。在这种结构中，无源滤波器可以包括多组单调谐滤波器 及高通滤波器，对于三相桥整流电路这样的谐波源，无源滤波器典型的组成包括5 次、7 次及高通滤波器，有时还包括1 1 次甚至1 3 次滤波器。这样，无源滤波器负 担了主要的滤除工作，而有源电力滤波器只需补偿l c 无源滤波器未能补偿的谐 波。这种混合型结构性能要好于单独使用的无源滤波器，因为它可以对较宽范围 9 混合掣仃源i u ，j 滤波器的_ l ；l 糊拧制 的谐波进行补偿，同时防止了可能出现的谐波放大作用；而有源电力滤波器只需 提供很小的补偿电流对高次谐波进行补偿，因而容量不需很大。与单独使用的并 联型有源电力滤波器相比，两者有不少相似之处。 但这种装置在使用时，电网与a p f 及a p f 与p f 之问存在谐波通道，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。同时， a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压等级没 有降低。 图1 8 并联型 p f + 并联p f 的h p f ( 2 ) a p f 与p f 串联后与电网并联混合型方案 1 9 9 0 年f u j i t h 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，其 示意图如图1 9 。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。该方式中，谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的 作用是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响，易与 电网发生谐振等缺点。在这种方式中，有源电力滤波器不直接承受交流电源的基 波电压，因此装置容量小，开关器件耐压等级降低。该方案可以等效为p e n g e z 的方案，并且由于注入变压器联接在y 型联接的p f 的中性点上，方便保护和隔离， 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。而且， 由于要降低a p f 承受的基波电压及其流过的基波电流，a p f 比p f 的基波阻抗要 小得多，即p f 的基波阻抗较大，滤波器支路不可能产生较大的无功电流，所以该 方式不适合进行较大容量的无功补偿。另外，这种方案的结构较为复杂，需针对 特征谐波选取l c 网络的调谐频率，不适于非特征谐波源补偿。该方式的谐波阻尼 k 不能太大，否则会引起系统不稳定。 0 图1 口 p f 与p f 串联后并联接入电固的h a p f 3 注入型a p f 为了将单独使用的a p f 上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压， 从而显著降低有源装置的容量，可以选择用l c 串联或并联谐振网络作为注入电路 ”n 2 删( 分别如图1 1 0 和图1 1 1 ) 。在图1 1 0 的串联谐振注入型a p f 中，l c 网络在 基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波 频率的谐波分量，l c 网络阻抗较大，a p f 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路， 但是要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，而且支路 上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似，l c 网络在基波频率处发生 并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在l c 网络上，而对于高于基波频率的谐 波分量，l c 网络阻抗很小，并应该远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则a p f 产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的是，串联谐振注 入型a p f 可以补偿无功功率，既可以由支路上端的电容补偿，也可以由a p f 进行 动态补偿；而并联谐振注入型a p f 不能补偿无功功率，因为支路上端的并联谐振 电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路。 图1 1 0 串联谐振注入型 p f 混合弘f 源f u 力滤波嚣的梭丰胡栉相f 图1 1 1 并联诺振注入型a p f 4 并联a p f 与串联a p f 的混合型方案 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 和并联a p f 的混合型滤波器 h a p f 【3 j 1 6 】，其示意图如图1 1 2 所示。这种h a p f 也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 a d i t i o n e r ) 。u p q c 结合了两种a p f 的优点，其中串 联型a p f 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。并联型a p f 提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。该 方案在电网与公共连接点之间同时实现了电压和电流的净化。但是，由于要选择 特定的控制方法来限制串联和并联逆变器的功率等级，u p q c 只能补偿一定量的无 功，当负载变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点 处注入不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流，因此不能减少三相四线电网 中中性线的功率损失。当然，u p q c 系统的初期造价是比较高的。 围i 1 2 并联型a p f + 串联型 p f 的h p f 1 4 本文的研究背景及主要内容概述 本文的研究课题属于国家8 6 3 计划引导项目输配电谐波治理和无功补偿 新技术新装备研制及工程应用( 2 0 0 4 a a 0 0 1 0 3 2 ) ，同时也属于国家自然科学基金 ( 6 0 4 7 4 0 4 1 ) 支持项目，还得到了湖南省发展计划委员会重点项目基金和湖南省电力 公司重大科技项目基金的大力支持。研究的目的是应用混合注入式有源电力滤波 器对某变电站进行谐波治理和无功补偿综合治理。对某变电站的现场数据收集显 母! 卜学位论文 示，其谐波分量主要集中在2 次、5 次、7 次、1 1 次、1 3 次。 本文共分5 章，除第l 章绪论和第7 章总结以外，本文的内容实际上形成了 密切相关而又有一定独立性的三大部分。 各章的内容概述如下。 第l 章介绍了诣波的危害、谐波标准及谐波抑制策略，综述了有源滤波器发 展历史及现状，提出了有源滤波器存在的问题，最后介绍本课题的选题背景和主 要研究内容。 第2 章首先简单介绍了有源滤波器的基本原理和特点，然后介绍了有源滤波 器的拓扑机构、原理，特点及应用，提出了新型混合型有源滤波器结构。利用拓 扑结构方法及开关函数方法分别建立了有源滤波器数学模型，为以后章节讨论有 源滤波器输出电流和电压的关系，提出控制策略提供依据。 第3 章介绍了基于瞬时无功功率理论的算法。该算法及可用于三相三线 制系统，又可用于三相四线制系统。 第4 章研究了有源滤波器的控制策略。有源滤波器的控制策略决定了有源滤 波系统补偿效果的好坏。同时也会影响有源滤波器的容量要求，因此，有源滤波 器的优化控制策略的研究是必不可少的。本论文在混合有源滤波器数学模型的分 析的基础上，对电网的谐波电流的控制采用模糊p i 控制策略，替代以前的比例控 制或p i 控制，这种控制方案既可在某种稳态情况下，取得较满意的补偿效果，又 可在电网频率出现波动或负载工作情况发生了变化时，跟踪电网的变化，快速而 准确的补偿电网谐波，使有源滤波系统取得最佳的谐波抑制效果。 第5 章介绍了混合型有源电力滤波器在工程实践中的应用。 最后，总结了全文所得到的结论，并就进一步的研究工作进行了展望。 混合犁向源l 乜j j 滤波器的模糊拧制 第2 章混合型有源滤波器的工作原理与数学建模 混合型有源滤波器是通过向电网注入一定补偿电流来抵消负载所产生的谐波 电流的主动式滤波装置，其应用可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点 既可补偿非线性负载产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化 并且具有高可控性和快速响应性。本章首先介绍了混合型有源电力滤波器的基本 工作原理，提出了一种新型混合型有源电力滤波器，介绍了其结构及基本工作原 理，然后通过拓扑结构建模方法和开关函数建模方法对其进行了建模分析。 2 1 混合型有源滤波器的基本工作原理 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【l l p j 。图中e ，表示交 流电源，非线性负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功，i s 、红、i c 分别为电网电 流、非线性负载电流和有源滤波器补偿电流。有源滤波器系统由两大部分组成， 即电流检测电路和补偿电流发生电路，补偿电流发生电路又包括p w m 信号发生电 路、逆变器驱动电路和主电路三个部分构成。其中，电流检测电路的作用是检测 出补偿对象电流中的谐波分量。补偿电流发生电路的作用是根据检测的谐波电流 信号计算产生实际的补偿电流。p w m 信号发生电路主要是对补偿电流信号进行 p w m 信号调制。逆变器驱动电路是将所需的补偿电流功率放大，以驱动功率模块 g t o i g b t 。主电路目前大多采用p w m 变流器。 图2 1并联型有源滤波器系统构成原理 图2 1 所示有源滤波器的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流，经运算 电路计算得出补偿电流的控制量信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得到补 偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。当 需要滤去负载所产生的谐波电流时，有源滤波器检测出补偿对象负载电流豇的谐 硕i 学位论文 波分量“，将其反极性后作为补偿电流的控制量信号i c ，由补偿电流发生电路 产生补偿电流耙即与负载电流中的谐波分量“大小相等、方向相反，因而两者互 相抵消，使得电源电流i s 中只含基波