（电力电子与电力传动专业论文）单周控制技术研究及其在有源电力滤波器中的应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , t h eu s a g eo f e l e c t r o n i c se q u i p m e n ti si n c r e a s i n gr a p i d l y t h e s ee l e c t r o n i c se q u i p m e n t si m p o s e n o n l i n e a rl o a d st ot h ea cm a i nt h a td r a wr e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n ti na d d i t i o nt o a c t i v ec u r r e n t t h e r e f o r e ，s o l v i n gt h e s ep r o b l e m sh a sb e c o m ea r ti m p o r t a n tt a s ki n p o w e re l e c t r o n i cd i s c i p l i n e s a c i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) g e n e r a t e st h ec o m p e n s a t i n g c u r r e n tw h i c hi se q u a lt oh a r m o n i cc u r r e n ti na m p l i t u d ea n do p p o s i t ei np o l a r i t y , w h i c hi st h o u g h to fa san e we q u i p m e n to fc a n c e l l i n gh a r m o n i c ，a i ma tc a n c e l l i n g t h ec u r r e n th a r m o n i c sa n dr e a c t i v ec o m p o n e n t sg e n e r a t e db yt h el o a d s oa c t i v e p o w e rf i l t e rh a sb e e ns t u d i e dw i d e l ya n db e g i nt oi n d u s t r a l i s e o n e c y c l ec o n t r o lm e t h o di san o n l i n e a rc o n t r o lm e t h o d ，f i r s t l yp r o v i d e db y a m e r i c a nr e s e a r c h e r sk e y u em s m e d l e ya n ds l o b o d a nc u k ，w h i c hi sp e r f e c tf o r s w i t c h i n gc o n t r 0 1 c o m p a r e dt ot h eo t h e rp w m c o n t r o lm e t h o d s ，o n e - c y c l ec o n t r o l r e s p o n s e sf a s t ，i tc a nr e j e c tp o w e rp e r t u r b a t i o n sa n dt h ec o n t r o lc i r c u i ti ss i m p l ea n d r e l i a b l e t h e r e f o r e ，t h ea p p l i c a t i o no fo n e c y c l ec o n t r o lt e c h n i q u ei na c t i v ep o w e r f i l t e rs u p p l i e san e wm e t h o df o rt h ec o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf i l t e r t h ep r o b l e mo fo n e c y c l ec o n t r o lf o ra c t i v ep o w e rf i l t e ri sp r o p o s e db a s e do n t h ea n a l y s i so fe x i s t i n gm a i nc i r c u i tt o p o l o g y , h a r m f u lc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d sa n d c u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri n t h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o no f o n e - c ) ；c l ec o n t r o lt e c h n i q u ei na c t i v ep o w e rf i l t e ri sd i s c u s s e d a f t e r w a r d s ，s o m e c o n t r o lm o d e l sa r eb u i l tf o ra c t i v ep o w e rf i l t e r s a tt h es a m et i m e ，s o m es i m u l a t i o n s a r ed o n e t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t so ft h es i n g l e 、t h r e e p h a s et h r e e w i r e 、t h r e e p h a s e f o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e r sw i t ho n e c y c l ec o n t r o la r ef u l l yc o m p l i e di n t h i s p a p e r b a s e do nw h i c ht h eo n e c y c l ec o n t r o lr e l a t i o n s h i p sa n dm o d e l so fs h u n ta n d s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r si nd i f f e r e n tp h a s ea r ed i s c u s s e d e s p e c i a l l y , t h eo n e - c y c l e c o n t r o lm o d e l sa r ep r o p o s e df o rt h er e l a t e da c t i v ep o w e rf i l t e rr e s p e c t i v e l y s o m e s i m u l a t i o n sa r ed o n e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o o ft h ev a l i d i t yo f t h e o r ya n a l y s i s 。 i i a b s t r a c t i n t h i sp a p e r , o n e c y c l ec o n t r o lt e c h n i q u ei su s e dt ot h ec o n t r o lo ft h r e e p h a s e f o u r w i r es e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hf o u r - l e gf i r s tt i m e ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i s a n ds u m m a r yt h ep r e v i o u sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s t h ea n a l y s i sf o rt h ea v e r a g e m o d e lo ft h et h r e e p h a s ef o u r - w i r es e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e ri ns w i t c h i n gp e r i o di s p e r f o r m e da n dt h ec o n t r o le q u a t i o ni sd e r i v e d t h eo n e c y c l ec o n t r o lm o d e lo ft h e t h r e e p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e rw i t hf o u r - l e gi sb u i l t ，t h es i m u l a t i o ni s c a r r i e do u t t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv e i l f yt h a tt h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r es e r i e s a c t i v e p o w e r f i l t e rw i t h o n e - c y c l ec o n t r o l c a nd y n a m i c a l l ya n d e f f e c t u a l l y c o m p e n s a t et h eh a r m o n i c s ，r e a c t i v ec u r r e n ta n dz e r os e q u e n c ec u r r e n ta n dt h e yh a v e e x c e l l e n tc o m p e n s a t i n gc a p a b i l i t y k e yw o r d s ：h a r m o n i c ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；o n e c y c l ec o n t r o l ；c o n t r o lm o d e l ； m a l t ai ，bs i m u l a t i o n 1 1 1 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 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得直昌太堂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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：同志；强签字日期：沙。孑年i 工月2 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：j 虱( 怎、；减 导师签名：壤参泓。 签字日期：1 7 8 年l 明1 。日签字日期：u 。g 年f l 月2 。日 第1 章 第1 章绪论 1 1 电力谐波的产生及其危害 电力系统中的谐波问题早在二十世纪二三十年代就引起了人们的注意。当 时在德国，人们发现由于使用静止汞弧变流器造成了电压、电流波形的畸变l l j 。 到五、六十年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了大量关于变流器引起 电力系统谐波问题的论文i 。七十年代以来，随着电力电子技术的飞速发展各 种电力电子装置得到了广泛的应用。如冶金、化工、矿山等部门大量使用晶闸 管整流电源，工业生产中大量使用变频调速装置，电气化铁道中采用单相整流 供电的机车及高压直流输电中的换流站等。这些典型的非线性负荷将从电网吸 收或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变。通常称这些非线性负荷为谐波源。 其中，采用整流装置的电力电子装置成为目前最主要的谐波源。 近年来，各种电力电子装置的应用使得公共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，谐波危害的严重性引起人们高度的关 注。谐波对公共电网和其它系统的危害【2 】大致有以下几个方面： 1 ) 谐波使电网损耗增加 谐波使公用电网中的用电设备产生附加谐波损耗降低发电、输电及用电设 备的使用效率。在三相四线制系统中，大量的三次及其倍数次谐波电流流过中 线容易引起中线过热甚至会引起火灾。 2 1 谐波使电能利用率下降 谐波的存在使得电网中无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，这 些无功功率将在能量循环中产生无谓的损耗，从而使发电机、变压器及其它电 气设备容量和导线容量增加。 3 ) 谐波使电网的可靠性下降 谐波会引起公用电网中局部的串联谐振和并联谐振，使谐波电流放大几倍 至几十倍，这会使得电网损耗和用电设备的危害大大增加，甚至引起严重事故。 4 ) 谐波对电网上电气设备的干扰 谐波会影响各种电气设备的j 下常工作。谐波电流产生的脉动转矩会引起电 第l 章 机的机械振动和噪声，这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。 电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。 5 ) 谐波对通信的干扰 谐波会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，使通信系统无法萨常工作。 目前，国际已公认“谐波污染”为电网的公害。世界各国都对谐波问题予以 充分的关注。国际上多次召开有关谐波问题的学术会议，许多国家也相应制定 了限制谐波的标准和规定，并致力于提高电能质量1 3 1 1 4 j 。 研究谐波的意义，首先是因为谐波的危害十分严重：其次在于对电力电子 技术发展的影响；最后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【5 儿6 | 。由此可见，认识谐波，治理谐波，使电力系统中的谐波减小到规定的 容许限值以内，不仅是一项重要而迫切的工程任务，而且也关系到巨大的经济 利益。可以说，它是一项关系到能源合理利用的重要研究课题之一。 1 2 电力谐波的治理手段 由于谐波对电力系统有很大的危害性，人们很早就开始采取措施来抑制谐 波【7 1 1 8 。目前用于解决谐波污染问题的基本思路主要有两个方面：一是从电力电 子装置本身进行改造完善出发，开发新型变流器( 即单位功率因数变流器) 。控 制其功率因数趋近于1 ，使其尽量减少产生或不产生谐波，且不消耗无功功率。 这种方法被认为是一种主动的方法【9 【1 0 】【i i 】，主要有多重化技术、功率因数校正 器和p w m 整流器等，当然这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；二是 被动的方法，从整个电网出发对谐波源进行补偿或滤波，装设谐波补偿装置来 补偿谐波，这对各种谐波源都适用。从电路角度出发，后者是治理电力系统谐 波的一种常用的有效方法，也是目f j 一个十分重要的有广阔前景的研究方向。 采用滤波和补偿的思想治理谐波的具体措施如下： 1 ) 加装无源滤波器 针对谐波问题，传统方法是采用l c 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r , p p f ) 。 无源滤波器通常由电力电容器、电抗器和电阻器串并联组合而成，可以在系统 中为谐波提供一个低阻通路，以起到滤波作用。无源滤波器具有投资少，效率 高，结构简单，运行可靠及维护方便等优点，但这种方法有如下不足：它的补 2 第1 章 偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，l c 滤波器只能补偿固定频率的谐波， 影响补偿效果。 2 ) 采用有源电力滤波器 采用有源电力滤波器( a p f ) 进行补偿是目前研究较多的一种治理谐波的方 法。有源电力滤波技术是近2 0 多年发展起来的，新一代的谐波和无功功率治理 技术。有源电力滤波器不仅可以对电力系统谐波进行抑制，同时兼有无功补偿 的作用。工作时，有源电力滤波器输出一个与负载谐波和无功电流分量相对应 的补偿电流，作为非线性负载所需的谐波和无功电流，从而使电网只向负载提 供正弦基波有功电流。 与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有明显的优越性：可以同时抑制各 种频率的谐波，而不是某一种频率的谐波；可以在抑制谐波的同时进行无功补 偿；而且是动态补偿；不会产生谐波放大现象，更不会出现谐波谐振；滤波特 性不会受电网结构等因素影响而不稳定。所以目前的发展趋势是采用有源电力 滤波器来进行谐波治理。 1 3 有源电力滤波器的发展历史与研究现状 1 3 1 有源电力滤波器的发展历史 有源电力滤波器的发展最早可追溯到6 0 年代木。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，从而改善电源电流波形。这可以说是有源电力滤波器基本思 想的萌芽【1 2 】【1 3 】。1 9 7 1 年s a s a k i 和m a c h i d a 的论文首次完整地描述了电流有源电 力滤波器的基本原理，但当时采用线性放大器产生补偿电流，损耗大，成本高， 因而实现困难。1 9 7 6 年l g y u g y i 等人提出采用p w m 控制变流器构成有源电力 滤波器消除电网谐波，确立了有源电力滤波器的概念，并建立了有源电力滤波 器的主电路拓扑结构。但由于受到当时功率半导体器件水平的限制，a p f 的研 制一直处在实验研究阶段。8 0 年代以后，由于新型电力电子器件的出现、p w m 控制技术的发展以及日本学者h a k a g i 提出的瞬时无功功率理论，有源电力滤 波器技术的发展出现了突破【1 4 】1 1 5 j 。 第l 章 自1 9 8 0 年起，大量论文在国际刊物和国际学术会议上发表，这些论文从有 源电力滤波器的主电路结构、谐波电流检测、电流跟踪控制等各个方面进行研 究和改进，推动着有源电力滤波器理论上的不断完善和发展。其中有源电力滤 波器主要包括并联型、串联型和混合型。与无源滤波器混合使用的并联型、串 联型有源电力滤波器是其中的典型装置，并且具有实际应用意义。许多控制方 法，如瞬时无功功率理论、同步d - q 坐标系原理，同步检测方法和带阻滤波器 方法等都被用来发展三相有源电力滤波器装置。 1 3 2 有源电力滤波器的研究现状 近年来随着电力电子技术控制技术和数字信号处理技术的发展特别是 g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d s p 芯片的应用，有源电力滤波器 发展得非常的迅速。目前，有源电力滤波器在日美等工业发达国家己得到了高 度的重视和广泛的应用。一些装置已经相当成熟，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，并联型有源电力滤波器最大容量 达5 0 m v a ，采用的是g t o 、s c r 器件，用于抑制电弧引起的闪变。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、德国西门子 公司等。 我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到八十年代末才有这方面 的文章出现。九十年代后，国内已有多所高校和研究机构在进行这方面的研究， 但主要以理论研究和实验为主，有的己达到或接近国际先进水平。随着大功率 电力电子技术、控制技术的不断发展，a p f 的成本不断的降低，加上其卓越的 滤波性能，在我国必将有广阔的应用前景。 1 4 基于单周控制技术的有源电力滤波器的发展与现状 美国加卅i n - r - 大学k m s m e d l e y 在9 0 年代初提出的单周控制【1 6 】 1 7 】技术， 是一大信号、非线性控制技术，其控制思想是保证在每一个开关周期中开关量 与参考量的平均值或峰值严格相等或成比例。它具有结构简单、控制精度高、 响应速度快等优点。 随着单周控制技术研究的不断发展和应用范围的不断扩大，人们开始把单 周控制技术应用于有源电力滤波器的控制中。2 0 0 0 年2 月，单周控制技术有源 4 第1 章 电力滤波器被正式提出f 1 8 1 ，文中研究了单相电路中的并联型单周控制有源电力 滤波器，提出了基于单周控制的有源电力滤波器的基本控制思想与建模方法。 2 0 0 0 年8 月，单周控制技术被应用于三相三线制并联有源电力滤波器的控制中 【1 9 】【2 0 】。从此，开始了单周控制有源电力滤波器。 在国内，近两年也有一些关于有源电力滤波器单周控制方法的研究报道。 这些研究的主要内容涉及到单周控制单相有源滤波器直流分量的抑制方法和控 制方案【2 l 】【2 2 1 ，三相四线制有源滤波器的单周控制方法与控制模型，直流侧有源 滤波器的单周控制方法等【2 3 j 。 从单周控制理论被提出，到把它应用于有源电力滤波器控制中，经历了十 几个年头。研究工作还在不断的发展和深入。从现有的有源电力滤波器单周控 制问题的研究情况可以看到，单周控制有源电力滤波器的研究，主要集中在单 相有源电力滤波器和三相三线有源电力滤波器，而且基本为并联型滤波器。对 于单周控制串联型有源滤波器的研究几乎为空白。 1 5 本文研究的主要内容 本文针对目f j i 有源电力滤波器的研究现状，特别是近年来提出的单周控制 技术在有源电力滤波器中的应用，进行了全面深入的分析。在总结有源电力滤 波器的基本理论和关键技术的基础上，详细地分析了单周控制技术在单相、三 相有源电力滤波器中的应用，并首次提出将单周控制技术用于三线四线制串联 型有源电力滤波器中，进行了仿真研究。本文所做的主要工作如下： ( 1 ) 、研究了有源电力滤波器的基本原理，与传统的无源滤波器装置进行了 对比，充分说明有源电力滤波器在抑制谐波和无功补偿方面的优越性。介绍了 国内外有源电力滤波器的研究现状和应用情况。 ( 2 ) 、对有源电力滤波器的关键技术进行了详细的分析，分别对有源电力滤 波器畸变电流检测方法和补偿电流的控制方法进行了分析、比较和总结。对于 畸变电流的检测，详细介绍了瞬时无功理论的p 、q 法和勿、幻法，分析了各种 畸变电流检测方法的特点和不足之处。对各种补偿电流的控制方法也进行了比 较，并指出各自的特点和不足。 ( 3 ) 、介绍了单周控制技术的理论，并深入分析了单相、三相三线、三线四 线制有源电力滤波器的单周控制技术，分别对不同相数并联型和串联型的有源滤 第1 章 波器的单周控制问题进行了全面分析。通过理论分析分别导出了各自相关的有源 电力滤波器的单周控制数学关系，建立了单周控制模型，并对部分模型用 m a t l a b 软件进行了仿真分析。仿真结果验证了理论分析的正确性和可行性。 ( 4 ) 、本文对前人的科研成果进行了分析总结，并在此基础上首次把单周控 制技术应用到四桥臂三相四线制串联型有源电力滤波器中，通过分析了四桥臂三 相四线制有源电力滤波器平均等效电路，推导出其控制方程，建立了四桥臂三相 四线制串联型有源电力滤波器的单周控制模型，并对其进行了仿真。仿真结果表 明：单周控制三相四线制串联型有源电力滤波器能有效地实时补偿非线性负载产 生的谐波、无功电流和零线电流，具有较好的补偿效果。 6 第2 章有源电力滤波器的基本理论 第2 章有源电力滤波器的基本理论 2 1 有源电力滤波器的基本原理 图2 1 所示为最基本的电压型并联有源电力滤波器系统构成的原理框图。 图2 1 中，以表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。f 为负 载电流，己为补偿电流，如为补偿电流指令信号。 有源电力滤波器系统由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组 成，其中补偿电流发生电路又可以分为电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路 三个部分。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的谐波和无功电流分 量，因此也叫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检测 到的各个电压和电流，由控制算法计算得出补偿电流的指令信号。主电路用来 产生补偿电流，目前均采用p w m 变流器。 图2 1 并联型有源电力滤波器原理图 图2 1 中的a p f 中的四个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。因此，可称之为变流器。 图2 1 所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电流和电 压，经指令电流运算计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电 第2 章有源电力滤波器的基本理论 路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载所产生的谐波和无功电流之和大小相 等方向相反，最终得到期望的电源电流。 上述原理可用如下的一组公式描述： ，= f ，+ ，r ( 2 1 ) i t , = 0 + i t , ( 2 2 ) 之，= - - l l ， ( 2 3 ) t = t + t = l l (2)f 4 式中，蠡为电源电流；赴为负载电流；f c 为补偿电流；i l l 为负载电流的谐波 分量；、也为负载电流的基波分量。 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 载电流屯的谐波分量也，将其作为补偿电流的指令信号i t , ，由补偿电流发生电 路产生的补偿电流f c ，即与负载电流中的谐波分量i l 大小相等，也就是说，电 源只向负载提供基波电流，而谐波电流由有源电力滤波器的补偿电流发生电路 提供：从而使得电源电流0 中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电 流中谐波的目的。 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成分相抵消，电源电流等于负载电流 的基波有功分量。根据同样的原理，有源电力滤波器还可对不对称三相电路的 负序电流等进行补偿。 2 2 有源电力滤波器的分类 从有源电力滤波器基本概念的提出到现在，经过了大约三十年的发展，为 了适应不同的对象，产生了许多不同类型的有源电力滤波器。然而根据不同的 划分原则，有源电力滤波器可以分成不同的类别【2 4 儿2 5 j 。 有源电力滤波器可以按照主电路的拓扑结构、使用的变流器的类型和电源 数来分类。按拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联混合型；按变流器类 型分为电流型和电压型；按电源相数可分为：单相、三相三线、三相四线等。 2 2 1 按拓扑结构分类 第2 章有源电力滤波器的基本理论 按照有源电力滤波器的主电路与母线的连接方式可将其分串联型、并联型 和串并联混合型，而三者又可以再细分为不同的类型。图2 2 给出了有源电力 滤波器的分类示意图。其中，并联型中有单独使用、l c 滤波器混合使用及注入 电路方式，而实际应用中并联型有源电力滤波器占绝大多数。 有 源 电 力 滤 波 器 图2 2 有源电力滤波器的分类示意图 联 联 2 2 2 按使用变流器的类型 按所使用的变流器类型，有源电力滤波器可以分为电压型变流器和电流型 变流器两大类。电流型变流器有源电力滤波器在直流侧连接大电感，有较高的 可靠性，但损耗较大，在一般场合下使用较少。电压型变流器有源电力滤波器 在主电路直流侧接有一容量较大的电容，由于其轻便且特性较好，所以应用较 为广泛【2 6 】【2 7 1 。 2 2 3 按电源相数分类 根据使用场合的电源相数，有源电力滤波器可以按照单相、三相电源或负 载系统分类。有许多非线性负载，如家用设备，联接在单相电源系统中。一些 不带中线的三相负载由三相电源供电。还有许多单相非线性负载，如计算机、 9 一 一一 一 从 u c c 式 混戈 式 混e 方 器如 方 钲 器商 一 一一 一 僦 一嗽 伽 测拥 喇 拥 测拥 驯徽 一一 一能 厂iil 混 第2 章有源电力滤波器的基本理论 家用电灯等，分布在三相四线制系统中。 三相有源电力滤波器按结构可以分为三相三线制有源电力滤波器和三相四 线制有源电力滤波器。三相三线制有源电力滤波器是目前研究最多的一种类型， 大量的文献阐述了不同结构形式的三相有源电力滤波器，有串联型、并联型、 串并联型和有源、无源联混合型等，所采用的主电路变流器也有电流型和电压 型两种。 2 3 有源电力滤波器的主电路拓扑结构 2 3 1 并联型有源电力滤波器 如图2 3 所示为并联型有源电力滤波器。工作时，有源电力滤波器相当于 一个谐波电流发生器，它能自动跟踪负载的谐波电流，产生一个大小相等，方 向相反的谐波电流分量抵消负载的谐波电流，使电源电流保持为正弦基波。目 前该技术已经比较成熟【2 8 j 【2 9 】，工业上也投入运行的a p f 多采用此方案。 图2 3 并联型有源电力滤波器 2 。3 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器的主电路如图2 4 所示。它由变换器、变压器等部 分构成。通过变压器串联在电源和负载之间，可等效为受控电压源。工作时， 它有两个作用：一是可以调节电压，实现对于电压中谐波分量的补偿；二是可 以构成一个谐波高阻支路，抑制谐波电流。串联型有源电力滤波器可用于对谐 波电压的补偿，不适用于对谐波电流的补偿。目前单独使用串联型有源电力滤 波器的研究比较少【3 0 j 【3 l 】。大多集中在它与l c 无源滤波器所构成的串联混合型 有源电力滤波器上。 l o 第2 章有源电力滤波器的基本理论 图2 4 串联型有源电力滤波器 2 3 3 串并联混合型有源电力滤波器 1 9 9 4 年，a k a g ih 等人又提出了一种把串联有源电力滤波器和并联有源电 力滤波器结合起来的混合型有源电力滤波器f 3 2 】f 3 3 1 ，如图2 5 所示。 图2 5 串并联型有源电力滤波器 这种有源电力滤波器兼有串、并联电力滤波器的功能，其中串联部分用于 抑制负载端产生的谐波电压，并联部分主要用于补偿负载的谐波电流。可解决 赔垫系统发生的绝大多数的电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推 广的一种装置。 2 4 有源电力滤波器的补偿特性 电网的谐波污染日益严重，有源电力滤波器因其具有良好的谐波补偿效果 而逐渐引起人们的重视。产生谐波的谐波源根据注入电网时的谐波性质不同可 以分为电流型和电压型两种。不同类型的有源电力滤波器对同一谐波源的补偿 特性不同，所以根据负载( 谐波源) 性质的不同应该选择合适类型的有源电力 第2 章有源电力滤波器的基本理论 滤波器才能得到较好的补偿效果。 并联型有源电力滤波器工作时与负载并联，通过控制有源电力滤波器产生 一个与负载谐波电流大小相等方向相反的补偿电流注入电网，抵消由负载产生 的谐波电流，从而使电源电流接近正弦波。因此并联型有源电力滤波器本质上 属于受控电流源。所以，并联型有源电力滤波器适合补偿电流型谐波源。 串联型有源电力滤波器工作时与负载串联，通过控制有源电力滤波器产生 一个与负载谐波电压大小相等方向相反的补偿电压，抵消由负载产生的谐波电 压，从而使负载注入电网的谐波电流为零。因此串联型有源电力滤波器本质上 属于受控电压源。所以，串联型有源电力滤波器适合补偿电压型谐波源。 2 5 本章小结 本章首先介绍有源电力滤波器实现谐波和无功补偿的基本原理，并从拓扑 结构、变换器的使用种类、电源相数等方面着手对源电力滤波器进行了分类， 简要分析了各种有源电力滤波器的特点。介绍了有源电力滤波器的各种主电路 拓扑结构，并分析了它们的特点和应用场合。最后介绍了不同类型的有源电力 滤波器对不同类型谐波源的补偿特性。 1 2 第3 章有源电力滤波器的关键技术 第3 章有源电力滤波器的关键技术 3 1 有源电力滤波器畸变电流的检测 谐波检测的准确性和实时性，对于有源滤波器工作的有效性和补偿效果有 着重要的影响，从某种意义上说，甚至起着决定性的作用。因此，如何从电网 中的畸变波形中准确、快速地检测出谐波和无功分量，已成为有源滤波器研究 中的重要内容之一。而传统的谐波和无功分量的检测是建立在以平均值为基础 的功率定义，不容易达到实际的应用要求【3 4 】【3 5 】【3 6 1 。因而阻碍了有源电力滤波器 当日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出瞬时三相电路瞬时无功功率理论之后， 有源电力滤波器得到了迅速的发展，因而瞬时无功功率理论也就成为有源电力 穗波器的重要的理论基础，此后该理论经不断研究而逐渐完善【3 引。h a k a g i 所提出的理论勿i 称p q 理论，是以瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 的定义为基 础的。后来经过多年研究，逐渐形成了以瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 设三相电路中各相电流、电压的瞬时值分别为如、如、如和e a 、p 6 、e f ，且 满足铲f 6 + 良= 0 ，e a + + e e = 0 ，则可将其分别变换到两相正交的筇坐标系： 擀：豳 ， 黔z 目 n 2 ， 式中，g ，为不含零序分量时的p a r k 变换矩阵在0 = 0 时的值。 5 - c 3 ：2 、亏 1一!一1 22 o 笪一笪 22 ( 3 3 ) 第3 章有源电力滤波器的关键技术 0 e 8 t p p 图3 1 口一坐标系中的电压、电流矢量 在图3 1 中，矢量i 、一e p 和i 、i 分别可以合成为电压矢量；和电流矢量i ： e = + e p = h 么纯 ( 3 4 ) f = + 绉= i f 么够 ( 3 5 ) 式中：队f 分别为矢量e 、f 的模，纪、够分别为矢量p 、f 的幅角。 三相电路瞬时有功电流如和瞬时无功电流i q 分别为电流矢量f 在电压矢量e 及其法线上的投影。即： f 。= i c o s 9 ( 3 6 ) =isinl 够 (37)q ls i n 2 够u ，j 式中，矿= 纯一仍为电压矢量e 与电流矢量f 的相位差。在口一夕平面上， 三相电路瞬时有功电流易和瞬时无功电流岛如图3 1 所示。 三相电路瞬时有功功率p 为电压矢量e 的模与三相电路瞬时有功电流如的 乘积，三相电路瞬时无功功率g 为电压矢量e 的模与三相电路瞬时无功电流 的乘积。即： p = e i p ( 3 8 ) 1 4 第3 章有源电力滤波器的关键技术 q 2 e l q 将式( 3 6 ) 、式( 3 7 ) 代入式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 中， 和瞬时无功功率g 的矩阵表达形式如下： 乏 式中：矩阵c 岛定义为； ( 3 9 ) 得到三相电路瞬时有功功率p 勺e 。甜, 6 圈 i o ， = 臣 将式( 3 6 ) 、式( 3 7 ) 代入式( 3 8 ) 、式( 3 9 ) 中，得到三相电路瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 的矩阵表达形式如下： p = e o 乞- 4 - e b i b4 - e c i c( 3 1 1 ) g = 去 ( 一巳) 乞+ e 。一e a ) + ( 乞一) 之 ( 3 1 2 ) 从式( 3 1 2 ) n - 煳，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 反、相的瞬时有功电流如、枷分别为三相电路瞬时有功电流岛在a 、多轴 上的投影；a 、相的瞬时无功电流k 、锄分别为三相电路瞬时无功电流岛在仅、 轴上的投影，即： c p 一- - - 归s 纯2 詈2 南p 1 3 ) 铲i n 纯2 詈2 南p ( 3 1 4 ) 驴徊s 纯2 等。南g ( 3 1 5 ) 锄一扣s 纪2 孚2 两g ( 3 1 6 ) 由式( 3 1 3 ) 、式( 3 1 4 ) 、式( 3 1 5 ) 、式( 3 1 6 ) 可以得出口、相的瞬时有功电流 1 5 第3 章有源电力滤波器的关键技术 k 、锄和瞬时无功电流锄、锄具有以下性质： i 2 口卢+ f 2 芦p2i 2 p i 2 口q + f 2 助一ig i 口p 七i q = i 2 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) i 6 p + i8 = i 8 ( 3 2 0 弧相的瞬时无功功率、q p 分别为该相瞬时电压与瞬时无功电流的乘积， a 、相的瞬时有功功率胁、挪分别为该相瞬时电压与瞬时有功电流的乘积，即： 。2 耽2p 口o2 莓兹p ( 3 2 1 ) 即5 知锄2 考p ( 3 2 2 ) 2 赢g e 口e 8 叫幽q2 赢q 一e 口e 8 由式( 3 2 1 ) 、式( 3 2 2 ) 、式( 3 2 3 ) 、式( 3 2 4 ) o - j 以得至u ；a t 性质： p 口+ p 82p ? 。q ，i + q b = 0 f 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 三相电路各相的瞬时无功电流岛、岛是a 、声两相的瞬时无功电流锄、 锄通过a - , a 两相正交坐标变换为口b c 三相坐标得到的结果；三相电路各相的瞬 时有功电流岛、奶、岛是a 、夕两相的瞬时有功电流岛、锄通过a 够两相正交 坐标变换为口b c 三相坐标得到的结果，即： z 印 l b p t c p 如m l 2 励j 1 6 ( 2 2 7 ) 第3 章有源电力滤波器的关键技术 质： 咆 。i o q ( 2 2 8 ) 式中，q 户c 1 3 2 。 将式式( 3 1 3 ) 、式( 3 1 4 ) 、x - ( 3 1 5 ) 、式( 3 1 6 ) 代入式( 2 。2 7 ) 、式( 2 2 8 ) 中得： l a p 3 e , p 以 ( 3 2 9 ) t b p 2 3 万p ( 3 3 0 ) 锄= 3 e p 月 ( 3 3 1 ) l a q = ( e b e c ) q ( 3 3 2 ) l 。b q = ( e c e o ) q ( 3 3 3 ) 岛= ( e o 一吃) 三 ( 3 3 4 ) 式中 a = ( - e c ) 2 + ( 巳一巳) 2 + ( 乞一) 2 = 2 ( 口2 。+ p 2 。+ p 2 。- e a e 。- e b e 。- e c e , , ) - - 相电路各相瞬时有功电流k 、f 6 。，l e o 和无功电流i a a 、i 6 。、i c a 具有以下性 0 + 乞= 乞 i b p + i b q2i b 乞+ = t 0 + 锄+ 0 = 0 ( 3 3 5 ) ( 3 3 6 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 8 ) k + k + = 0 ( 3 3 9 ) a 、b 、c 各相的瞬时无功功率q 口、q b 、q 。分别为各相瞬时电压与瞬时无功电 流的乘积；a 、b 、c 各相的瞬时有功功率p a ，p b ，仇分别为各相瞬时电压与瞬时 有功电流的乘积，即： 岛2 e a i , , p 2 3 e 2 aj p( 3 4 0 ) 1 7 第3 章有源电力滤波器的关键技术 p b = e b t b p = 3 e 2 p ( 3 4 1 ) p c = e c i , l q , = 3 e 。号 ( 3 4 z ) 2 。j p q 。= 巳= e a ( e b 一巳) 号 ( 3 4 3 ) 吼= k = ( e c 一巳) 号 ( 3 4 4 ) q c = e c l 。c q = e c ( e a 一) 号 ( 3 4 5 ) a 、b 、c 各相的瞬时有功功率肋、肋、肪和瞬时无功功率q 口、q b 、q 。具有以 下性质，即： 以+ 磊+ p c = p ( 3 4 6 ) 吼+ 吼+ q 。= 0 ( 3 4 7 ) 传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值或向量的意义上定义的， 它只适用于电压、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 何过渡的情况。从以上所论述的内容可以看出，瞬时无功功率理论中的概念， 在形式上和传统理论非常相似，可以看出这是传统理论的推广和延伸。 3 1 2 基于瞬时无功理论的谐波和无功电流的检测法 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。目前有源电力滤波器中，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【3 9 】【4 0 1 。 采用基于瞬时无功功率理论的方法，在检测谐波电流时，因被检测对象中 谐波电流的组成和计算电路采用不同的滤波器，会有不同的延时，但最多延时 不超过一个电源周期。如对于电网中最典型的谐波源( 三相桥整流器) ，其检测 的延时约为1 6 周期。可见，该方法具有很好的实时性。 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法【4 2 】的原理是：把含有谐波的电流变 换到p q 坐标系，经变换后，基波无功、有功分量均变换为直流，可以用低通 滤波器分离出来。然后，用含有谐波和无功分量的被检测量减去基波有功分量， 即得到谐波和无功分量。 1 8 第3 章有源电力滤波器的关键技术 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法又可以分为两种：一种是通过分离 基波无功电流和基波有功电流实现，该方法又称为i p 、i q 法( 瞬