（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器的仿真及软件设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：a st h eu s eo fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y , h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) c a ns u p p r e s sh a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t er e a c t i v e p o w e rd y n a m i c a l l y t h ec o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si si m m u n et ot h ev a r i a t i o no f e l e c t r i cn e t w o r k a p fi su s e dm o r ea n dm o r ew i d e l ya n dh a sag o o dp r o s p e c t 1 1 1 e g e n e r a ls i t u a t i o no fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y a n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n ti si n t r o d u c e d 1 1 1 es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fw o r ko ft h e a p fi ss t u d i e d p qm e t h o da n di p 一m e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yf o r t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o ni ss t u d i e d ，s i m u l a t e da n dc o m p a r e dw i t h m a t l a b f p 一m e t h o d i ss e l e c t e d s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r sc o n t r o ls t r a t e g i e s a r ed e s c r i b e di nd e t a i la n dt h et r i a n g u l a rw a v ee o m p a r a t o rm e t h o di ss e l e c t e dt oc o n t r o lt h e c o m p e n s a t o r yc u r r e n t d cv o l t a g ei sc o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb yt h ec l o s e dl o o pw a y t h es i m u l a t i o nm o d e lo fa p fi sb u i l tw i t hm a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i f f e r e n tv o l t a g ea n dl o a ds i t u a t i o n ss h o w e dt h a tt h ea p fc a nc o m p e n s a t eh a r m o n i c s a n dr e a c t i v ep o w e rd y n a m i c a l l y 1 1 l ed e t e c t i o nm e t h o da n dc o n t r o ls t r a t e g ys e l e c t e di s i ne f f e c t t 1 1 ed s p2 8 3 3 5i ss e l e c t e da st h ec o n t r o lc o r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m s o f t w a r eb a s e d o nt l l e f p 一 m e t h o da n dt h et r i a n g u l a rw a v ec o m p a r a t o rm e t h o di sp r o g r a m m e d ，a n di t s s o f t w a r ef l o wi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es o f t w a r e c o u l ds u p p r e s sh a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t er e a c t i v ee f f e c t i v e l y a d e s i g no fs e l e c t i n gd s pa st h ec o n t r o lc o r ea n dv a l i d a t et h em e t h o do fr e a c t i v e a n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yi nt h ed i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ；m a t l a b ；d s p c l a s s n o ： v n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：。李脐敬 导师签名：嗜l 氢宕 签字日期：如7 年7 月( 6 日签字日期：加r 巧年 月日 北京交通人学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特另t l d l ：l 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名：奉肝酬段 签字日期：- o o ? 年 月多日 7 0 致谢 时光飞逝，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心支 持我的亲人、老师、同学们表示由衷的谢意。 感谢我的父母，他们给了我良好的学习条件。这么多年的求学生活，他们一 直在精神和物质上支持我，给我最大的鼓励，能让他们欣慰是我最大的心愿。 感谢我的导师曾国宏副教授。曾老师深厚的理论知识，丰富的实践经验使我 收获颇多，曾老师极强的责任心和认真的人生态度一直是我学习做人的榜样。 感谢我的同学在生活中和学习上给予我的帮助，在此致谢。 感谢北京交通大学电气学院的全体老师，老师的教诲我会深记在心。 最后感谢我的大学，我在北交大度过了六年快乐的时光，在这里汲取了成长 所需的营养。祝愿北交大越来越好。 走上工作岗位后，我会努力工作，认真做人，为社会作出贡献。 引言 1 引言 本章讲述了有源滤波器的研究背景，说明了本课题研究的意义和国内外研究 现状，简要介绍了本论文的主要研究内容。 1 1谐波问题及研究现状 电力电子技术以快速可控的电能变换技术为主要对象，以方便，节约，安全， 为特点，大大提高了人类在生产和生活中的效率和舒适性，从而得到了日益广泛 的普及。但是作为电网的非线性和时变性负荷的电力电子装置( 如逆变器，整流 器等) 的大规模应用，其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网 中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失 真，早已替代传统的变压器和铁磁材料的非线性引起的谐波成为最主要的谐波源。 而随着各种电能质量敏感设备，计算机等信息设备，电视及音响等家用视听设备 和空调等家用电器的大量应用，对于电能质量的要求也日益提高。利用各种无源 和有源技术，从根本上解决上述问题已经是一个不得不面对的现实。i e c 6 1 0 0 0 和 国标电能质量公用电网谐波及低压电器及电子设备发出的谐波电流限值， 均对注入电网的谐波电流加以了明确的限制，把电网谐波电压控制在允许的范围 之内，从而保证电网以及电网中的电气设备免受谐波干扰。谐波标准的日趋严格 为推动包括有源和无源在内的滤波技术的应用和发展提供了强大的动力【l 】。 “谐波这一名词起源于声学，有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已 经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代电力系统的谐波问题就引起了人们 的注意。当时在德国，由于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，发表了有关变流器引起电力系 统谐波问题的大量论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结。7 0 年代以来， 由于大量的电力电子设备的应用，各种电力电子装置在电力系统，工业，交通及 家庭中的应用日益广泛，谐波造成的危害也日益严重。世界上都对谐波问题予以 充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议。不少国家和国际学术 组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定弘j 。 我国对谐波问题的研究起步于上世纪8 0 年代，在9 0 年代有了长足的发展， 与国外研究水平的差距正在不断缩小。吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 北京交通人学硕十学位论文 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代出版的代表性著作。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。近年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文非常多， 谐波问题已经成为研究热点【3 1 。 1 2 谐波与无功的基本概念 1 2 1 谐波的基本概念 在电气学中，谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际系统频率( 即电网 额定频率) 的整数倍。1 8 2 2 年，法国数学家傅里叶( j f o u r i e r ，1 7 6 8 1 8 3 0 ) 指出，一 个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，国际电工标 准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里 叶级数中大于1 的n 次分量”。国际电气电子工程师协会标准( i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 ) 定义谐波为：“谐波为一个周期波或量的f 弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍”。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：“谐波是一个周期电气量的正弦分量， 其频率为基波频率的整数倍 【4 】。 在电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，即 正弦波电压可表示为【5 】： “( f ) = 4 2 u s i n ( c o t + 秒) ( 1 一1 ) 式中 u 正弦波电压甜( f ) 的有效值； 缈甜( f ) 的角频率； 目“( f ) 的初始相位角。 当式( 1 1 ) 表示的正弦波电压加到无源线性元件电阻，电感和电容上时，所 产生的电流与电压的关系分别为比例，积分和微分关系，但其波形仍然是与电压 同频率的正弦波。若正弦波电压加到非线性负载上时，由此产生的电流为非正弦 波，该非j 下弦波电流在电网阻抗上产生非正弦波的电压降。对于周期为t = 2 万f _ o 的 非正弦波电压“( 刎) ，在满足荻里赫利条件时，可分解为如下形势的傅旱叶级数： u ( o t ) = 口o + 乏二( 口。c o s n 国t + 吮s i n n c o t ) ( 1 2 ) 式中 ”1 = 圭e ”铭( c o t ) d ( c o t ) a o ( c o t ) ( 1 1 - 3 一) 2 芒l 铭 lj 二以 1毋，r 口。= 二【u ( c o t ) c o s n c o t d ( c o t ) ( 1 - 4 ) 2 引言 阮= j 1 ，f u ( c o t ) s i i l 刀o t d ( a t ) ( 1 - 5 ) ( n = 1 ，2 ，3 ，) 如果取 a 。= c 。s i n 缈, ( 1 - 6 ) 吮= c 疗e o s ( 1 - 7 ) 则 巳= 口：+ 酲 ( i - 8 ) 纯= = t a n i t ) 9 ) 此时，式( 1 2 ) 可写成 u ( c o t ) = 口o + 巳s i n ( n c o t + 伊) ( 1 - 1 0 ) 在式( 1 2 ) 和式( 1 1 0 ) 中，频率为f = ( a j 2 万) 的分量称为基波，频率为矿 ( 刀为大于1 的整数) 的分量称为谐波，刀称为谐波次数。 通常，用谐波的含有率来表示谐波分量的比重。第n 次谐波电压的含有率 h r u 。定义为 舰砜= 鲁l o 。 ( 1 - 1 1 ) 式中u 。第”次谐波电压的有效值； u ，基波电压的有效值。 另外，还可用谐波总畸变率来表示谐波分量对波形的影响。 变率t h d , , 定义为 ，r t h d 。= 挚1 0 0 u i 上式中的u h 称为谐波电压含有量，定义为 几一 u n = 以 电压谐波的总畸 ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) 同理，可以定义第n 次谐波电流的含有率且褂。，谐波电流的含有量如和电流 谐波的总畸变率m b 为 h r i 。= 舞刈o o m h ， 1 2 2 无功的基本概念 3 ( 1 _ 1 5 ) ( 1 1 6 ) oo 一 一。脚如一厶唇玉厶 = ， 何 理 小 觋 北京交通大学硕士学位论文 人们对有功功率的理解非常容易【6 1 ，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举 的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在电网电压或电流中含有谐波 时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问题，这是一个关系到电 量计量、分析及控制的重要问题。如何使定义科学严谨，又能满足各种工程和管 理的需要，还有许多问题需要研究。传统的平均功率理论在系统存在谐波时是不 完全适用的，容易造成诸如电能计量偏差等问题。针对有源滤波器a p f 而提出的 瞬时无功功率理论，目前是解决谐波相关问题使用的最为广泛的功率理论。近年 来，这方面的工作主要集中在将传统功率理论与瞬时无功功率理论进行统一，这 是一条研究谐波问题的较好途径。 在正弦电路中，有功功率尸，无功功率qs n 视在功率s 可分别表示为【5 】： p = u i c o s ( p q = u i s i n ( p ( 1 1 7 ) s = u i = 尸2 + q 2 在非正弦电路中，可以得到类似的表达式： 尸= 虬厶c o s q q = u 厶s i n ( p 。 ( 1 - 1 8 ) - 一 s = 2 否研善e 在式中，刀为谐波次数。 在非正弦电路中，s 2 p 2 + q 2 ，引入畸变功率d 后，得到 s 2 ：p 2 + p 2 + d 2( 1 1 9 ) 在公用电网中，电压波形的畸变一般比较小，而电流波形的畸变比较大。设 电压波形为正弦波，电流波形为非正弦波，即电流为畸变电流，可以得到 p = u i ic o s r p l q = u i , s i n ( o l p 2 + q 2 = u 2 砰 ( 1 - 2 0 ) s 2 = p 2 + q 2 + d 2 = u 2 砰+ u 2 e d 2 = u 2 e 式中u 正弦波电压的有效值； 一基波电流的有效值； j 。第 次谐波电流的有效值； 仍一基波电流与电压的相位角差。 式中，尸为基波电流产生的有功功率，q 为基波电流产生的无功功率，d 为谐 4 引言 波电流产生的无功功率。此时，非正弦电路的功率因数可表示为： 五：一p ：垫竺堕：量c 0 s 仍：y c o s 仍 ( 1 2 1 ) su il 一 。 一 r 式中的y = 冬为畸变因数，是基波电流有效值与总电流有效值之比，包括基 波有功电流，基波无功电流及畸变电流之和。e o s q , 为基波位移因数，它表明了基 波电流相对于电压的相位移，也称为基波功率因数。可以看出。功率因数为畸变 因数与位移因数的乘积。 若把基波无功电流和畸变电流视为谐波电流，式( 1 2 1 ) 可写成 五= c o s q ，l = 4 1 + ( t h d ) 2 c o s 仍 ( 1 - 2 2 ) 式中，t h d 仍为总畸变率。从式( 1 - 2 2 ) 可以看出，抑制谐波可以达到减小t h d 和提高见的目的。 上述讲述的功率因数是对单相电路而言，对三相电路而言，除了畸变因数和位 移因数外，还应考虑三相不对称对功率因数的影响。由于三相不对称，使三相电 路的功率因数始终小于l 。 谐波抑制和无功补偿是两个相对独立却又紧密地联系的问题：首先，各类电 力电子装置目前已成为供电系统中主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗 大量的无功功率：再者，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置， 因此，这里把谐波抑制和无功补偿两个问题一起研究。 1 2 谐波及无功的危害及治理的意义 1 2 1 谐波的危害及治理的意义 1 谐波电流对电力系统和其它系统危害大致有以下几个方面【5 1 ： ( 1 ) 谐波对电网的污染 理想的电网所提供的电压应该是频率固定，电压幅值在允许的范围之内，谐 波对电网的污染使电网供电质量恶化，使同一电网上的用电设备受到严重影响， 设置危及用电设备的正常运行。 ( 2 ) 谐波引发各种电力电子设备出现故障 谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电，输配电和其他用 电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3 次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。另外，异常的，过 大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统 5 北京交通大学硕士学位论文 的安全。谐波对于旋转电机来说，除了增加损耗和引起发热外，还会产生机械振 动，噪声和谐波过电压，这对电动机的寿命造成严重的影响。谐波电流流入变压 器，会增加变压器的铜损和铁损，引起变压器发热。谐波还会使变压器的噪声变 大。谐波电流流经电力电缆，令电缆发生过热，长期的过热运行将导致电缆的绝 缘老化，甚至产生漏电和短路现象。 ( 3 ) 谐波引起谐振 为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置电容器和电 感器组成的滤波器。由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加，容抗减 少，有可能产生l c 谐振。谐振放大了谐波电流，是电容器或电感器烧毁。 ( 4 ) 谐波造成继电器误动作，并影响电力测量 电力系统中的谐波将会使某些继电器和漏电保护开关产生误动作。谐波对电 压表，电流表和功率表等计量仪表的测量结果带来直接影响。 ( 5 ) 谐波对i t 设备的危害 在计算机机房中，大量使用p c ，服务器，交换机等整流滤波型非线性负载， 它们向电网注入零序电流，使电网受到污染。反过来，电网的低功率因数会影响 i t 设备的正常运行。 ( 6 ) 谐波通信干扰通信系统 电力系统传输功率可达m w 级，而通信系统的功率小到m w 级，两者如此大的 功率级差，导致电力系统中相对小的不平衡音频谐波分量，一旦耦合到通信线路 上，可能在通信系统中产生很大的噪声。噪声将降低通话的清晰度，甚至引起信 号的丢失。 2 谐波治理的作用和意义【6 】： ( 1 ) 谐波研究的意义，首先在于谐波的危害十分严重； ( 2 ) 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子 技术是未来科学发展的重要支柱。有人预言，电力电子技术连同运动控制将和计 算机技术一起称为2 1 世纪最重要的两大技术 7 1 。然而，电力电子装置所产生的谐 波污染己成为阻碍电力电子发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必 须对谐波问题进行更为有效的研究； ( 3 ) 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染，维护绿色环境的角度 来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色 的主要标志之一【8 。 目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已 成为电工科学技术界必须解决的问题。 1 2 2 无功的危害及治理的意义 6 引言 1 无功功率对电力系统的影响主要表现在以下几个方面【l o 】： ( 1 ) 降低了发电机出力，使发电设备效率降低，发电成本提高； ( 2 ) 降低了输变电设施的供电能力； ( 3 ) 使电网损耗增加( 网络电能损失与功率因数平方成反比) ； ( 4 ) 增加了输电网络电压损失，造成用户端供电电压的不足； ( 5 ) 无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量，并对系统中的 用电设备产生不良影响。 2 无功补偿的作用和意义： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地 点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡 三相的有功及无功负载； 基于以上原因，电力系统的谐波及无功问题引起了世界各国的关注，治理变 得越来越重要，也越来越迫切。 1 3 谐波及无功治理的措施 谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一。 减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产 生；二是安装滤波装置。谐波抑制的措施主要包括一下几个方面 1 3 1 串联电抗器 串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用【l l 】，并且电路简单，制造成本低， 往往应用在整流器之前，例如：变频器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较 大，因此其抑制谐波的作用受到限制。 1 3 2 高功率因数变流器 如前面的介绍，电力电子装置是电力系统最严重，最突出的谐波源。在各种 电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。因此，抑制整流装置所产生的谐波 是谐波治理的重要措施。减少整流装置谐波输出，提高功率因数的方法概况起来 主要有以下几种。 7 北京交通大学硕十学位论文 1 多相整流技术 对大功率相控整流器，一般是采用增加整流相数的方法，如采用十二相及十 二相以上的多相整流电路。通过适当的控制，多相整流能大大减少输入输出电流 中的谐波。但由于相控整流固有的工作方式以及整流相的增加受到限制，因而采 用这种整流器的系统中不可避免的存在较大的谐波电流，必须考虑采用另外的滤 波措施加以解决。 2 脉宽调制整流技术 脉宽调制控制技术应用在整流电路中，可以保证输入电流非常接近正弦波， 且电流和电压同相位，从而实现功率因数近似为1 。因此，这种整流电路也称为单 位功率因数变流器。 3 有源功率因数校正器 二极管整流电路等电路中输入电流含有大量的谐波，对电力系统造成了严重 的谐波污染。为了使输入电流变为正弦，可采用有源功率因数校j 下技术，在整流 桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路。在用于a p f c 的功 率变换电路中，使用最多的是升压电路。 1 3 3 无源滤波器 早期使用的补偿装置是l c 无源滤波器【1 2 1 ，结构见图1 1 。其主要思想是根据 l c 的串并联谐振原理，为谐波分量提供一个低阻通路，同时提供一定的无功补偿。 l c 无源滤波器由于其构造简单，一直被广泛使用。在实际应用中，这些补偿装置 虽然对补偿无功和谐波均达到了一定的效果，但其只能补偿固定频率的谐波，而 且补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，容易与系统发生谐振，并且存在工 作点固定、体积大等缺点，难以满足大范围、动态补偿的要求。为解决传统无源 滤波器的局限性，人们做了很多的研究和探索，其中最有代表性的是有源电力滤 波技术的提出。 图1 - 1l c 无源滤波器 f i g1 - 1l c f i l t e r 引言 1 3 4 有源滤波器 电力有源滤波器的基本思想形成于上个世纪六七十年代，是一种用于动 态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，8 0 年代以来，由于新型电力半导 体器件的出，p w m 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测 法的提出，有源滤波器得以迅速发展。 有源滤波器具有以下一些特点】： ( 1 ) 实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率 进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度； ( 2 ) 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产 生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产； ( 3 ) 当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电 网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振； ( 4 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件 不大； ( 5 ) 用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流； ( 6 ) 当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且 能正常发挥作用，不需要与系统断开； ( 7 ) 装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。 基于以上这些特点，有源滤波器受到广泛重视，成为电力电子应用研究 极具生命力的发展方向。许多制造商都在制造有源滤波器。国内许多研究机 构和高等院校也在积极开展这方面的研究工作，并取得了许多研究成果。 1 3 有源电力滤波器的发展现状和研究趋势 1 3 1 有源滤波器的发展现状 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 f m a r s h 的论文中 【l 】。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。文中描述的方法被认为是有源电力滤波器的诞生。1 9 7 1 年， 日本的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 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种理想的谐波电流发生器，并讨 9 北京交通大学硕+ 学位论文 论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。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8 0 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 年日本的h a k a g i 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。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。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。 f 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，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。19 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器。 随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向改善整个电 力系统电能质量的方向发展。目前，在装置技术方面，国外的研究主要朝提高补 偿容量、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展； 在应用方面，主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策，解决最优配置、有源 滤波器的相互干扰及其对电网上装设的l c 滤波器的影响以及停电和瞬间保护等 问题。 国内对主要用于补偿谐波的有源电力滤波器的研究十分活跃，技术上已经相 当成熟，但仍处于试验阶段，且成本较高。有关有源电力滤波器的研究主要集中 在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理 论研究和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测 方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。 1 3 2 有源滤波器的发展动向 有源电力滤波器技术目前还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需进 一步研究解决，如提高装置容量解决控制系统延时，降低设备损耗，提高补偿效 果及性能，提高性价比等。基于解决这些问题的要求，a p f 技术近期的研究主要 集中在以下几个方面【1 3 】： ( 1 ) 如何建立更为完善的功率定义和理论以完善谐波检测算法，还要 进一步研究； ( 2 ) 随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的日趋完善及先进控制方法 的不断成熟，控制系统的简化和数字化的研究正在进行； 1 0 引言 ( 3 ) 补偿装置的多功能化： ( 4 ) 降低装置容量，提高补偿效率。 1 4 本论文的研究方向和主要工作 本论文以并联电压型有源电力滤波器为研究对象，系统分析并联电压型有源 电力滤波器的工作原理及分类、补偿特性、控制方式、谐波电流检测方法、补偿 电流控制方法、直流侧电压控制、主电路形式与参数等基本问题。 ( 1 ) 了解有源电力滤波器的发展现状，深入分析其拓扑结构和工作原理，导 出并联型三相三制有源电力滤波器的数学模型。 ( 2 ) 深入研究有源滤波器谐波与无功电流检测算法，尤其是基于瞬时无功功 率理论的p q 法与驴一幻法，利用m a t l a b 软件进行仿真，对两种检测算法进行 了对比分析。深入研究有源滤波器的电流控制策略及直流侧电压控制策略，对算 法进行对比。 ( 3 ) 基于勿一幻法的谐波检测算法和三角波比较控制策略，搭建基于 m a t l a b 的有源电力滤波器的整体仿真模型，在电源电压对称，电源电压畸变及 负载突变情况下验证上述算法的可行性。 ( 4 ) 完成有源滤波器控制系统程序的编写，并给出相关程序的流程图。控制 程序主要包括初始化程序，a d 转换程序，捕获中断程序，指令电流计算程序， 直流侧电压控制程序，以及p w m 脉冲输出程序等。 ( 5 ) 在硬件平台上调试程序，进行谐波及无功补偿实验，得到实验波形以验 证谐波检测及控制算法的可行性。 北京交通大学硕十学位论文 2 并联型有源滤波器的构成及原理 2 1有源电力滤波器的系统构成 1 按直流侧储能元件分类 有源电力滤波器的主电路形式通常采用单个p w m 逆变器结构，其按直流侧储 能元件为电容或电感分为电压型( 如图2 1 ) 和电流型( 如图2 2 ) 。对于某些需要 大容量有源电力滤波器的场合，若采用单个器件的容量不易满足要求，有关文献 提出可采用多重化的主电路形式。图中的电力电子开关器件为i g b t ，实用中可在 g t o 晶闸管、b j t 、i g b t 、电力m o s f e t 等器件中选择。 电压型a p f 与电流型a p f 主电路特点主要分为以下几个方面： ( 1 ) 电压型a p f 的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变， 可看作电压源；电流型a p f 的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保 持不变，可看作电流源； ( 2 ) 对于电压型a p f ，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制； 对于电流型a p f ，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制； ( 3 ) 电压型a p f 的交流侧输出电压为p w m 波，电流型p w m 逆变器的交 流侧输出电流为p w m 波。与电压型a p f 相比，电流型a p f 的一个优点是，不会 由于主电路开关器件的直通发生短路故障。但是，电流型a p f 直流侧大电感上始 终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少采用： ( 4 ) 与电流型a p f 相比，电压型a p f 效率高，初期投资少，可任意并联扩 容，易于单机小型化，成本低，适用于电网级谐波补偿。 图2 - i 三相电压型a p f f i g2 - 1t h r e ep h a s ev o l t a g et y p ea p f 1 2 并联型有源滤波器的构成及原理 图2 - 2 三相电流型a p f f i g2 - 2t h r e ep h a s ec u r r e n tt y p ea p f 2 按拓扑结构分类【1 0 j 【3 l 】 按拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联混合型。常见的电力有源滤波 器结构具体拓扑如图2 3 。 ( a ) ( c ) 1 3 北京交通大学硕士学位论文 ( e ) 图2 3 常见的电力有源滤波器的主电路结构 f i g u r e2 - 3m a i nc i r c u i ts t r u c t u r eo fc o m m o na c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 3 ( a ) 是单独使用的并联型有源滤波器，为电力有源滤波器基本的构成 方式。p w m 变流器并联在电网上，相当于一个受控电流源，产生与负载谐波电流 大小相同而方向相反的补偿电流，使得电源电流被补偿为正弦。此种构成的电源 基波电压全部加在变流器上，因而装置容量较大。这种电力有源滤波器具有连续 调节无功功率的功能，能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。 图2 3 ( b ) 是与l c 滤波器并联使用的并联型有源滤波器。图( b ) 中的l c 滤波器主要是用来与有源滤波器分担补偿低次的谐波，则可降低所需变流器的容 量，而较高次的谐波则由有源滤波器来补偿。这种方式的有源滤波器也可以对无 功功率进行调节。 图2 3 ( c ) 是与l c 滤波器串联使用的并联型有源滤波器。图( c ) 中的有源 滤波器主要不只是用来补偿谐波，而且还用来抑制l c 滤波器与电网阻抗之问的并 联谐振，即所谓的谐波放大现象，以改善l c 滤波器的谐波补偿效果。其变流器不 承受基波电压，因而变流器的装置容量大大减小。 图2 3 ( d ) 是单独使用的串联型有源滤波器。图2 3 ( e ) 是与l c 滤波器混合 使用的串联型有源滤波器。图2 3 ( d ) 和2 3 ( e ) 的有源滤波器均通过变压器串 联在电源和负载之间，相当于一个受控电压源。图2 3 ( d ) 方式可以消除电源电 压可能存在的畸变，维持负载端压为正弦。通过控制有源滤波器的补偿电压来改 变负载端的电压，从而使电源电流为正弦。图2 3 ( e ) 与图2 3 ( c ) 方式等效。 3 按电源相数分类 有源滤波器可分为单相、三相三线制、三相四线制等。 目前实际应用的装置中，9 0 以上是电压型( 指主电路形式) 。从与补 偿对象的连接方式来看，可分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是 并联型，这是一种最为基本的形式，可以作为研究其它方式的基础。 本论文主要研究的是现在使用较广，且比较基础的三相三线制并联电压 1 4 并联型有源滤波器的构成及原理 型有源电力滤波器( 简称并联型有源滤波器下文均同) 。 2 2有源电力滤波器的基本原理 并联型有源滤波器主要由两大部分组成，即谐波、无功电流检测电路和补偿 电流的产生电路等部分组成。其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路，驱 动电路和逆变主电路。作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为 逆变器工作，但不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流 侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。其中指令电流的运算核心是谐波及无 功电流检测算法，补偿电流产生电路的核心是电流控制策略。 有源电力滤波器的结构原理如图2 4 所示。图中的矿和z 分别为市电电网电 压和负载，有源电力滤波器由电流检测电路和p w m 一主电路组成。电流检测电路 的作用是检测负载电流中的谐波分量和无功电流分量，主电路为双向功率传输的 逆变电路，p w m 为逆变电路的控制电路，p w m 一主电路的作用是对负载电流中 的谐波分量和无功电流分量进行补偿。 图2 _ 4 有源电力滤波器的原理图 f i g u r e2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f a c t i v ep o w e rf i l t e r 北京交通大学硕士学位论文 市电电网输入电流t 由负载电流l 和补偿电流l 两部分组成，即 l = t l ( 2 1 ) 由于l 跟踪指令信号l + ，所以，i c = l + ，那么 l = t 一+ ( 2 2 ) 由于t 是检测电路从负载电流t 中检测出的谐波电流分量厶和无功分量l 之和，即 i c = 厶+ l ( 2 3 ) 由于t = i p + + l ，为基波有功分量。所以，l = t 一( + l ) = 。 由此可知，有源电力滤波器抑制了谐波分量，对无功电流进行了补偿。 1 6 3 谐波电流检测方法和补偿电流控制策略的研究 3 1有源滤波器谐波电流检测方法 3 1 1 谐波检测算法概述 谐波及无功电流检测技术是电力有源滤波器的一个关键技术，其好坏起决定 性作用。常用的检测方法主要有频域和时域两方面。 ( 1 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法 f r y z e 时域检测法避开对负荷电流进行傅立叶分解，而直接将电流分解成一个 与电压u 订平行的分i p ( f ) ( 有功电流分量) 和与电压垂直的分量i q ( t ) ( 无功电流分 量) 。其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全 一致的有功电流分量；另一个是负载电流与有功电流的差值，包括基波无功和谐 波，称为广义无功电流分量。此方法计算广义无功电流瞬时值至少有一个周期以 上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。并且此方法只能区分有功电流 和广义无功电流，不能将基波无功和谐波电流分离出来，所以只能用于全补偿场 合，无法实现基波无功和谐波电流的单独补偿。 ( 2 ) 基于频域分析的f 盯方法。该方法将检测信号送入采样。保持电路，在同 步或准同步脉冲的作用下，对模拟信号进行离散化，然后利用快速傅立叶变换( f f l ) 等进行数字处理，得到各种高次谐波分量的幅值和相位，将需要抵消的谐波分量 通过带通滤波器，再将该信号进行f f t 反变换，即可得到补偿信号。这种检测方 法的优点是采用信号的数字化处理，可以选择要消除的谐波次数。缺点是瞬时性 差，有较长时间的延迟，实时性不好。另外，也不适合高次谐波的检测。 ( 3 ) 自适应电流检测法 该方法基于自适应干扰对消原理，把电压作为参考输入，负载电流作为原始 输入，电压经自适应滤波器处理后，输出一个与负载电流基波有功分量幅值、相 位均相等的信号，将此信号从负载电流中扣除，得到高次谐波和无功电流分量的 总和。其自适应滤波器又可采用模拟方式和数字方式来实现，在电压波形畸变情 况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢，且不能滤除基波负序 电流，也不能用于三相不对称系统，同时无法检测出无功分量。 ( 4 ) 基于“瞬时无功理论 的谐波检测法。 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年有赤木泰文提出，此后该理论经过 1 7 北京交通大学硕士学位论文 不断研究逐渐完善，现包括p q 法和f 一f 。法。 ( 5 ) 其它检测算法。主要是指随着自动化技术和人工智能技术发展起来的各 种优化算法和预测算法，如小波变换、自适应预测技术等。这些智能算法的引入 使得计算精度高，响应好，但是，这些方法的现实，必须通过一系列复杂计算过 程，计算量大，目前难在有源电力滤波器工程中应用。 经过不断研究和实际经验，基于“瞬时无功理论”的谐波检测法p q 法，f 。一f 。 算法己成为主流算法。下面本文就对这两种方法进行理论分析，仿真验证和对比。 3 1 2 基于三相电路瞬时无功功率理论的算法 1 三相电路瞬时无功功率理论的概述【6 】【1 4 】【1 5 】 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文【m 】提出。赤木泰文最初 提出的理论也称p g 理论，是以瞬时