（控制理论与控制工程专业论文）并联型有源电力滤波器的研究(2).pdf

并联型有源电力滤波器的研究 摘要 随着电力电子技术的发展，非线性器件在电力系统中得到越来越广泛的应 用，由此也给系统的运行带来了一系列的问题，其中最为严重的就是谐波污染。 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和无功补偿的新型电力电子装置，它 能对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。 本文全面地论述了有源电力滤波器的基本原理及其结构，然后对检测方法、 控制决策、主电路设计等进行了深入研究。在此基础上建立了并联型有源电力 滤波器的m a t l a b 仿真模型，并进行了仿真研究，重点讨论了低通滤波器和滞 环比较器对仿真结果的影响。仿真结果表明基于瞬时无功功率理论设计的有源 滤波器装置能够有效检测出谐波分量，并可以滤除谐波分量，完成抑制谐波的 作用。 关键词：谐波有源电力滤波器瞬时无功功率理论仿真 t h er e s e a r c ho ns h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s n o n l i n e a rl o a d sa r ew i d e l y u s e di nt h ep o w e rs y s t e m w h i c hb r i n g sa b o u tas e r i o u so fp r o b l e m so ns y s t e m o p e r a t i o n t h em o s ti m p o r t a n ti sh a r m o n i c sp o l l u t i o n a c t i v ep o w e rf i l t e r i sa ne l e c t r o n i cp o w e re q u i p m e n tw h i c hc a nc o m p e n a s a t ev a r i e dh 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 t h eu s eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sav a l i d w a yt or e s t r a i nh a r m o n ic sa n dc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ra tp r e s e n t t h ep a p e rd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n d i t sc o n f i g u r eo v e r a l i ，t h e nd i s u c u s s e sh a r m o n i c sd e t e c t i n gm e t h o d s 、 c o n t r o l l i n gm e t h o d s 、d e s i g n in gt h em a i nc i r c u i ta n do t h e rr e s p e c t si n d e t a i l o n t h eb a s eo ft h e s e ，t h em a t l a bm o d e l so fs h u n ta c t i v ep o w e r f i i t e ra r ee s t a h l i s h e da n dr e s e a r c hi sd o e s e d i nt h er e s e a r c h ，w h a ti s i m p o r t a n t l y d i s c u s s e di st h ejn f l u e n c eo ft h e l o w p a s sf i i t e ra n d c o m p a r a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oc o n f i r mt h e e f f e c t i v e n e s so ft h es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r k e y w o r d ：h a r m o n i ci 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 y a c t i v ep o w e rs y s t e ms i m u l a t i o n 插图清单 图2 - 1 并联型有源电力滤波器系统构成6 图2 2 有源电力滤波器的系统构成分类8 图2 3 单独使用的并联型有源电力滤波器一8 图2 4 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之一9 图2 - 5 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之二1 0 图2 6 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式一1 0 图2 7l c 串联谐振型注入电路方式1 1 图2 8l c 并联谐振型注入电路方式一1 1 图2 - 9 与旋转电机并用方式11 图2 1 0 单独使用的串联型有源电力滤波器1 2 图2 1 1 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式1 2 图2 1 2 典型的并联型有源电力滤波器系统1 3 图2 一l3 补偿电流发生电路模型13 图2 1 4 检测负载电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路1 4 图21 5 检测负载电流控制方式的数学模型一1 5 图2 1 6 单相等效电路传递函数的幅频特性1 5 图2 1 7 检测电源电流控制方式的原理图1 6 图2 1 8 检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路 1 7 图2 一1 9 检测电源电流控制方式的数学模型一1 7 图2 2 0 复合控制方式的原理图1 8 图2 2 1 复合控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路一1 8 图2 2 2 复合控制方式的数学模型一1 8 图3 1口一口坐标系中的电压、电流矢量2 2 图3 - 2p 、q 运算方式的原理图 图3 - 3i ，、i 。运算方式的原理图 图3 4 指令电流运算电路原理图 图35 锁相环的基本组成 图3 - 6c d 4 0 4 6 内部原理框图 图41 补偿电流发生电路的构成 图4 2 采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图 图4 3 定时控制的瞬时值比较方式原理图 图4 4 三角波比较方式原理图 图4 5 检测f 。和艺极性的电路原理图 图4 6 电流跟踪控制电路逻辑部分原理图 图5 一l 三相电压型p w m 变流器 图5 2 三相电流型p w m 变流器 2 4 2 5 2 7 2 9 2 9 3 1 3 2 一3 3 3 3 3 4 3 4 3 6 一3 6 图5 - 3 单相电压型p w m 变流器 图5 4 单相电流型p w m 变流器 图5 5 串联电抗器多重化方式一 图5 6 采用平衡电抗器的多重化方式 图5 7 采用变压器的多重化方式一 图5 8 直流电压p i 调节控制指令电流运算电路 图5 - 9 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路一 图6 1 并联型有源电力滤波器的仿真模型 图62 指令电流运算电路的仿真模型 3 7 3 7 3 8 3 8 3 9 4 3 一“ 4 8 4 9 图6 - 3 广义3 2 变换仿真模型4 9 图6 4 广义2 3 变换的仿真模型5 0 图6 - 5 补偿电流发生电路的仿真模型5 0 图66 低通滤波器截止频率为1 0 h z ，滞环比较器环宽为0 2 a 的仿真结果 ，5 ：! 图6 7 低通滤波器截止频率为8 0 h z ，滞环比较器环宽为0 2 a 的仿真结果 5 ： 图6 - 8 低通滤波器截止频率为2 0 h z ，滞环比较器环宽为0 2 a 的仿真结果 5 z l 图6 - 9 低通滤波器阶数为4 阶，截止频率为2 0 h z ，滞环比较器环宽为0 2 a 的仿真结果5 5 图6 一1 0 低通滤波器截止频率为2 0 h z ，滞环比较器环宽为0 8 a 的仿真结果 ! ；6 表格清单 表2 - 1 对各种控制方式所得实验波形的频谱分析结果 表3 - 1 图3 4 所示部件主要参数的标准值 表4 - 1a 相开关通断逻辑表 表5 - 1 主电路工作模式与开关系数 1 9 2 7 3 4 4 0 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丁：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 合肥工业大学 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 并表示谢意。 学位论文作者签名：支ii ；白占旁 i i 签字日期：z , 毋6 m 瑚j 只 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墅王、业太堂有关保留、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。本人授权金壁王些态堂可以将学位论 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、汇编学位论文。 ( 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：支j l i 刍山苛 签字r 期：力弼年r 月ij 日 学位论文作者毕业后去向： 导师签名 签字日期：d 一6 年f 月 工作单位：珲始捺聿= 和绉乇1 通讯地址：i 和i 殷角b 彩咿皿房军骗喜啦 电话： 邮编：j - i i 1 3 , l 格彦 萨 致谢 本人在从事课题研究和论文的撰写过程当中，得到了陈梅导师和李鑫老师 精心指导，无论是论文的整体布局还是具体的章节，他们都给了我建设性的意 见。研究生阶段的生活和学习中，他们给了我亲切的关怀和无微不至的照顾， 不仅使我学到了丰富的专业知识，还让我懂得了许多做人的道理。在此我向陈 梅导师和李鑫老师表示最诚挚的敬意和深深的感谢。 感谢王俊才、程继晔、林巍、蒋凯、陈杨杨以及实验室的其他同学这几年 给予我的帮助，以及所有曾经帮助过我、关心过我的老师和同学们，在这里对 你们表示感谢。 最后我还要特别感谒 我的家人多年来对我的关心、支持与鼓励。 作者：刘海峰 2 0 0 6 年3 月 1 1 电能质量概述 第一章绪论 电能是人类社会应用最广泛的能源之一，其应用程度是一个国家发展水平 的主要标志之。随着科学技术和国民经济的发展，人们对电能质量的要求越 来越高。电网的稳定，电能质量的高低，已经成为影响国民经济发展的重要因 素之一。 1 1 1 电能质量问题的提出 随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展，电网中冲击性、非线 性负载的不断增加，使得电网出现电压波动、频率偏差、谐波污染、功率因素 降低、三相不平衡等问题。这些问题的出现，严重影响电力系统的正常运行。 电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生 活质量。在这样的背景下，如何衡量电能质量的好坏，就成为人们关注的话题。 所以就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 人们对电能质量关注已久，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，主要是电压偏移和频率偏移两种。 但自2 0 世纪8 0 年代以来，由于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的波 形畸变越来越严重，同时还会产生大量的谐波。另外，冲击性、波动性负荷， 如电弧炉、电力机车、大型轧钢机等，运行中不仅会产生大量的谐波，而且还 会产生闪变、电压波动、三相不平衡等电能质量问题。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设备的大量运用，人们对电 能质量的要求也越来越高，因此我国和西方国家根据各国国情都制定了一系列 的电能质量标准。同时，电能质量也受到科研人员的关注，电能质量的改善和 提高已经成为专家学者研究的热点问题。 1 1 2 衡量电能质量的指标 理想的三相交流电的电压和电流呈正弦波，三相的幅值相等，在相位上相 差1 2 0 。，并且每相的电压和电流相位一致。然而在电能传输过程中，由于受 到各种用电负荷的影响，所以到达用户的电能可能会偏离正弦波而发生畸变， 也就是产生了电能质量问题。具体来说，电能质量主要用以下五个指标来衡量： 1 ) 电压偏差 电压偏差是电力系统供电实测电压对额定电压的偏差。电压偏差包括过电 压、欠电压、持续电压三种情况。电压偏差率可由下式计算： 电压偏差率= 兰! ! ! ! ；警1 。 ( 1 1 ) 可能引起电力系统电压偏差的原因有：大负荷与无功补偿电容器的投切， 系统阻抗较大，电压调节不完善等。 2 ) 频率偏差 电力系统频率偏差是指电力系统的实际值与标称值( 5 0 h z ) 之差。频率偏 差定义如下： a f = f z( 卜2 ) 式中厂一实际频率，额定频率( 5 0 h z ) 。 可能导致频率偏移的原因有：大容量负荷，发电机的投切，控制设备不完 善等。 3 ) 谐波 谐波是具有电力系统整数倍频率的电压和电流。谐波污染水平可以用单一 频率的谐波幅值和相位来衡量，也可以用谐波的畸变率( t h d ) 来描述。谐波 的畸变率是评价电力系统中谐波含量的主要指标，它定义为： 、z h , , 2 t h d = 生 1 0 0 ( 卜3 ) 式( 1 - - 3 ) 中，为各次谐波的有效值，e 为基波的有效值。当h 分别 代表电压u 和电流i 时，可分别求出电压和电流的谐波畸变率。 谐波频率大于1 k h z 为高次谐波，小于1 k h z 为低次谐波。本文的研究对象 主要为低次谐波。 谐波污染的主要原因是非线性负荷的使用。 4 ) 三相电压不平衡 正常的电力系统，三相电压应该幅值相等、相位相差1 2 0 。不满足以上 两个条件的三相电压即被视为三相电压不平衡。 对于三相不平衡的电压，利用对称分量法把三相量分解为三相对称的正 序、负序、零序分量，并以负序分量与正序分量之比为三相电压不对称度6 。u 铲鲁圳。 m a ， 式中u 。、u ：分别为电压正序、负序分量。 造成三相不平衡的原因可能有：大容量单相负荷分布的严重不对称，系统 故障等原因。 5 ) 电压波动和闪变 2 电压波动是指工频电压包络线的一系列波动或周期性变换。电网电压的波 动可以看成是由! - e 弦波工频电压作为载波信号，被一个频率在几分之一赫兹到 二十几赫兹低频信号进行处理的结果。通常以相邻两个电压波形峰值u 。和 u 。之差相对于额定电压u ，的值，即电压波动值a u 为： u里! 些二竺些。l o o u ， ( 1 5 ) 电弧炉和t f l i n 机等大功率设备的运行会引起电网电压的波动。 电压闪变是指人眼睛对由电压波动引起的视觉感受。影响闪变的因素可能 有：供电电压的波动，照明装置，人的视觉等。 1 2 谐波抑制概述 1 2 1 谐波的产生及其危害 谐波是一个周期电气量中频率为大于1 整数倍基波频率的f 弦波分量。公 用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置( 含家用电器、计算机等的电源部 分) 、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前， 最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置大 量应用之后，它成为最主要谐波源。 理想的公用电网所提供的电压应该是单一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。谐波对 公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、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产生火 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，这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 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计 量不准确。 ( 5 ) 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，使通信系统无法正常工作。 1 2 2 谐波治理的现状与发展 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，一般有两种解决方 案：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的：另一种 是对电力电子设备本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因素可控制为1 ， 这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。本论文的研究内容属于第一种方 法。 装设谐波补偿装置的传统方法是装设无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e r f i i t e r 一- p p f ) 。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单， 一直被广泛使用。p p f 有单调谐、双调谐和高通等几种主要结构。利用l c 电 路在谐波频率下形成低阻抗支路，使谐波电流不再流入电网，达到了滤除谐波 电流的目的。这种方法的主要优点是投资少、效率高、结构简单、维护方便而 且可以耐受高电压，容量可以很大并且可以在滤除谐波的同时适当补偿无功功 率。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，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，它只能补偿 固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍然是补 偿谐波的最主要手段。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r a p f ) 。有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补 偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生个与该谐波电流大小相等而极性 相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值 都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛 的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。 1 3 有源电力滤波器的发展和现状 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念。但在7 0 年代，由于受半导体功率器件研制水平的限制，a p f 的研究没有取得重大突破。 进入8 0 年代以后，大功率开关器件的迅速发展和非正弦条件下无功功率补偿 理论的深入研究为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使之开始进入 工业应用阶段。有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，它不仅能补偿 各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，而且补偿无功功率的大小可做到连续 调节，有一机多能的特点，其滤波特性不受系统阻抗和电网频率的影响，同时 还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。当补偿对象过大时，a p f 不会发生过载，能正常发挥补偿作用。这些优点使得从8 0 年代至今a p f 一直 是电力电子技术领域的研究热点。 a p f 经过二十多年的发展，其技术已经曰益成熟。目前，有源电力滤波技 术己在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到了广泛应用。国内对于a p f 的研究尚处在起步阶段，一些高校和科研单位正积极进行这方面的相关研究。 由于用电机制以及成本等因素，在我国广泛应用a p f 还需要一段时间。从近年 来的研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展趋势： 1 ) 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实 现对高次谐波的有效补偿。 2 ) 从经济上考虑，可以采用a p f 与p p f 组成的混合型滤波系统，以减少 a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。 3 ) 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系 统低成本的优势将逐渐消失，而并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是很 有发展前途的有源滤波装置。 4 ) 随着电力电力器件耐压水平的提高和对电能质量的日益重视，a p f 也 将在工业系统中高压领域得到广泛应用。 1 4 论文主要工作及研究内容 第二章全面地论述有源电力滤波器的基本原理及其结构，然后在后面章节 逐个对各个组成部分进行了研究。对并联型有源电力滤波器的三种控制方式 检测负载电流控制方式、检测电源电流控制方式及复合控制方式进行了综 合分析。 第三章分析了现有的几种谐波检测的方法，重点研究了瞬时无功功率理 论。基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波和无功电流检测方法是有源电力滤 波器的理论基础。本文在深入研究瞬时无功功率理论的基础上，系统地介绍了 各种量的定义及两种检测方法瞬时有功功率一无功功率检测法( 扒q 法) 和瞬时有功电流一无功电流检测法( f 。、i 。法) 。进行了指令电流运算电路的 设计。 第四章对电流跟踪控制电路的原理进行了分析，对比了瞬时值比较方式和 三角波比较方式的优缺点，并对电流跟踪控制电路进行了设计。 第五章对主电路的工作原理及主电路的形式迸行了研究，并对直流侧电压 的控制进行了研究，并重点对主电路参数进行了设计。 第六章建立起m a t l a b 仿真模型并对其进行了仿真研究。在仿真研究中， 重点讨论了低通滤波器和滞环比较器对仿真效果的影响。 第二章有源电力滤波器的原理及其结构 2 1 有源电力滤波器的基本原理 图2 1 是最基本的有源电力滤波系统构成的原理图。图中，负载为谐波源， 它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波系统由两大部分组成，即指令电流运算 电路和补偿电流产生电路( 由电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路三个部分 构成) 。其中，指令电流运算的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等 电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流产生电路的 作用是根据指令电流运算电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前 均采用p _ l v m 变流器。 图2 - 1 并联型有源电力滤波器系统构成 有源电力滤波器的基本原理是：通过检测补偿对象的电流，经指令电流运 算电路得出补偿电路计算得出补偿对象的指令信号，该信号经补偿电流发生电 路的放大，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抵 消，最终得到期望的电源电流。 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i ，的谐波分量f 将其反极性后作为补偿电流的指令信号i ：，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f ，。大小相等、 方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流f 。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。上述原理可用如下的一组公式描述： i ，= i ，+ f c ( 2 - 1 a ) 吒= + z l c2 - - i l h i ，= + i 。= i l r 6 ( 2 1 b ) ( 2 一l c ) ( 2 一l d ) 式中：f ，负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，也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。 有源电力滤波器的优势总结如下： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功 功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到 连续调节； ( 3 ) 补偿无功功率时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不 大； ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正 常发挥补偿作用； ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； ( 7 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中 补偿。 2 2 有源电力滤波器的分类 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的 发展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减少其容量， 提出了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等。为适应不 同的补偿对象，提出了串联型有源电力滤波器等。 根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统构成分为两大类，即并联 型和串联型。两者又分别包括不同的类型，详细分类如图2 2 所示。 2 2 1 并联型有源电力滤波器 ( 1 ) 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图2 - 3 所示。图中， 负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件( 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。本论文的原理图中，三相有源电力滤波器以单线图画出，且控制电路部分 不画。 霸瓣电力自g 波嚣 弦糕塑1卜癣鹱麓 擎独整栩毋菇 4 i l c 滤波器溉龠憾璃寄菇 图2 - 2 有源电力滤波器的系统构成分类 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称并联型。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。这种方式中，由于 电源的基波电压直接加到变流器上，使得变流器的容量较大。但是这种方式可 以对无功功率进行补偿，且补偿的程度是连续可调的。 a p f 图2 - 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式正是为克服单独使用的并联型有源电力滤波器要求容量较大这 一缺点而提出的。其基本思想是利用i 。c 滤波器来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 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， 黑一 差一 一一 一 i 一 丁tl土一 既可克服有源电力滤波器；量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的 性能。 并联型有源电力滤波器与i 。c 滤波器混合使用的方式又可以分为两者：一 种是有源电力滤波器与l c 滤波器并联；另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器 串联。 如图2 4 所示的是有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式的一种。有源电 力滤波器与l c 滤波器并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，l c 谐波 器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器。这罩，高通滤波器，一方面用 于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另方面它可滤除补偿 对象中次数较高的谐波，从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关频率的 要求有所降低。这种方式中，由于l c 滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务， 故对降低有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用。但因对有源电力滤波器 主电路中器件的开关频率要求不高，故实现大容量相对容易点。这种方式可以 与单变流器一样，可以对无功进行补偿，且补偿的程度连续可调。 图2 4 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之一 图2 5 所示为有源电力滤波器与l c 滤波器并联的另一种方式。在这种方 式中，l c 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝大部分补偿 谐波和无功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性能，其所需的 容量与单独使用方式相比可大幅度降低。 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此 在有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用的方式中，需对有源电力滤波器进行 有效的控制，以抑制可能发生的谐振。 如图2 6 所示的是有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式的原理图。这种 方式中谐波和无功主要由l c 无源滤波器补偿，面有源电力滤波器的作用是改 善l c 滤波器的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发 生谐振等缺点。这种方式中，有源电力滤波器不承受基波电压，因此装置容量 较小。由于有源电力滤波器与1 。c 滤波器一起仍是与谐波源并联接入电网，故 仍将其归入并联型。这种方式又称为并联混合型有源电力滤波器。 图2 - 5 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之二 图2 - 6 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式 ( 3 ) 注入电路方式 这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式，有源电力滤波器的 容量取决于它承受的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电感和电容构成 注入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小 部分的基波电压，从而极大地减小有源电力滤波器的容量。 根据电感电容电路谐振特性的不同，注入电路方式又分为l c 串联谐振注 入电路方式和l c 并联谐振注入电路方式两种。图2 7 所示为l c 串联谐振注入 电路方式的系统构成原理图，其中c ，一三在电源电压的基波频率处发生串联谐 振，基波电压绝大部分降落在电容c 上。这样，有源电力滤波器只需承受其 余的很小部分基波电压。电容c 1 还可起到无功补偿的作用。图2 - 8 是采用l c 并联谐振注入电路方式的系统构成原理图。在有源电力滤波器和电网之间串入 在基波频率处谐振的厶一c 回路，基波电压绝大部分加在该谐振电路上，有源 电力滤波器与l 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 1 0 是只有很小的基波电流流过l 。一c 及三：。 图2 7l c 串联谐振型注入电路方式 图2 - 8l c 并联谐振垂4 注入电路方式 ( 4 ) 与旋转电机并用的方式 与旋转电机并用的方式的原理如图2 9 所示。 图2 - 9 与旋转电机并用方式 图2 - 9 采用了与绕线转子异步电动机构造相同的旋转电机，通过控制转子 侧所接的逆变器来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流，这种方 式的特点也是可以减小逆变器的容量。 2 2 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和l c 滤波器混合使用两种。 1 ) 单独使用的串联型有源电力滤波器 图2 1 0 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。 这种方式的特点是有源电力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。 图2 - 1 0 单独使用的串联型有源电力滤波器 多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波 源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注 入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下， 并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看 作电压源的谐波源。电容滤波型整流电路是这种谐波源的典型例子，这种整流 电路从交流侧可被看作电压源。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出 补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压。这样，电网阻抗上承受的电压中不含 谐波，因而电源电流也就成为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关系。 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 图2 1 1 与l c 滤波器混合使用方式的原理图。 图2 - 1 1 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式 这种方式是在并联的负载与电源之间串入有源电力滤波器。其特点与图 2 - 6 所示的方式类似，谐波基本由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用 是改善l c 滤波器的滤波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对 基波的阻抗为0 ，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波 电流流入l c 滤波器。也就是说，有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。 这样还可以抑制电网阻抗对l c 滤波器的影响，以及抑制电网与l c 滤波器之 间可能发生的谐振，从而极大地改善l c 滤波器的性能。 2 3 有源电力滤波器的结构 图2 1 2 为典型的并联型有源电力滤波器系统。图中，负载为谐波源，本 文采用电力系统中一种典型的谐波源三相桥式全控整流器，整流器的直流 侧为阻感负载。z 为整流变压器。变压器l 的设置主要是为调节( 通常为降低) 有源电力滤波器交流侧电压之用。该系统基本原理已经介绍过了，下面分别就 各个部分进行讨论。 图2 1 2 典型的并联型有源电力滤波器系统 2 3 1 指令电流运算电路 指定电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电 流的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流。指令运算电路的核 心是谐波和无功电流的检测方法。这部分内容将在第三章做详细地介绍。 2 3 2 补偿电流发生电路 补偿电流发生电路的作用是，根据来自指令运算电路的补偿电流指令信号 ，产生补偿电流f 。注入电网，以达到有源电力滤波器抑制谐波和无功的目的。 补偿电流发生电路的构成如图2 1 3 所示。 图2 一1 3 补偿电流发生电路模型 从图2 1 3 可看出，补偿电流发生电路模型共有三部分电路构成：电流跟踪 控制电路，驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电 流的补偿信号i ：和实际补偿电流i ，之间的相互关系，产生对电力电子器件的通 断进行控制的逻辑信号。 电流跟踪控制电路通常采用电流跟踪型p w m 控制方式。电流跟踪控制电路 方面的内容将在第四章做详细地介绍。b 区动电路将上述逻辑信号变换为主电路 电力电子器件的驱动信号，控制器件的通断，有信号转换和放大功率的作用。 主电路的作用是根据电流跟踪控制电路和驱动电路产生的逻辑信号，产生跟随 补偿电流指令信号c 变化的实际补偿电流f r 。主电路的内容将在第五章做详细 地介绍。 2 4 并联型有源电力滤波器的控制方式的比较和选择 为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控 制。以下对并联型有源电力滤波器的三种控制方式进行分析和比较。 2 4 1 检测负载电流控制方式 在2 1 节中介绍有源电力滤波器的基本原理时所讨论的就是这种控制方 式，原理图如图2 1 所示。其指令电流运算电路的输入信号来自需要补偿的产 生谐波的负载，所以称其为检测负载控制方式。这是最基本的一种控制方式， 在这种控制方式中，补偿电流能较好地跟踪指令电流。但是，在主电路电力电 子器件高频通断的过程中，会产生其工作频率附近一些次数很高的谐波。因此 为了滤除这些谐波，一般情况下，都要在有源电力滤波器系统中设置由电感、 电容、电阻组成的高通滤波器( h p f ) 。 图2 1 4 为加入高通滤波器后并联型有源电力滤波器的单相等效电路。 z s 乓 图2 1 4 检测负载电流控肯4 方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路 图2 - 1 4 中，z 。= r 。+ s l 。为电源的内阻抗，z 。为高通滤波器的阻抗。 负载电流f 。和有源电力滤波器电流f 。之和k 可以看作电流源。 由图2 1 4 可得： i d ( s ) = i l ( s ) 一f 。( j ) 1 4 ( 2 2 ) f 。p ) = g 。( s ) 屯( s ) ( 2 3 ) f 。( j ) = g 。( s ) g i ( s ) 屯( s ) ( 2 4 ) 其中i 。为电源电流，i 。为负载电流。g 。( s ) 是补偿电流发生电路的传递函 数，g 。( s ) 为电源电流与屯之间的传递函数。 由式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 可以得到使用负载电流检测方式的并 联型有源电力滤波器的数学模型，以控制系统框图形式给出，如图2 1 5 所示。 图21 5 检测负载电流控制方式的数学模型 从图2 1 5 可以看出，在检测负载电流控制方式中，系统实际上是一种开 环控制，传递函数g ：( 5 ) 对系统的谐波补偿特性和系统稳定性影响很大。 由图2 1 4 所示，以i 。为输入，i 。为输出的传递函数g 。( s ) 为： g z ( s ) 。一1 ，r s r q 2 币+ 审 口：旦十里+ 生 吼2 i 十i + i 三s 上 三s ”去- = 去 2 毒 g 。( s ) 的幅频特性如图2 - 1 6 所示。可以看出，频率很高的高次谐波可以 很好地被滤除，但是在角频率处却发生了谐振，这将使得负载电流中频率 在c o 。附近的谐波被放大后流入电网，从而使电源电流中包含这些谐波成分， 有源电力滤波器补偿特性变差。这是该控制方式的主要缺点。 图2 1 6 单相等效电路传递函数的幅频特性 g ，( s ) 是指令电流运算电路的传递函数。对于输入电流的基波分量，其值 一 为零；而对于输入电流的谐波分量，其放大倍数为一1 。 并联型有源电力滤波器中的补偿电流发生电路的主电路是电压型p w m 变流器，为非线性电路，从理论上很难得到它的准确数学描述。可以采用仿真 方法通过补偿电流发生电路的频率相应特性来近似确定其传递函数。可以把它 看作一个时间常数很小的一阶惯性环节。其传递函数为： 嘭。卜艺 石 其中，k f = l ，l f = 0 0 7 m s 。 2 4 2 检测电源电流控制方式 有源电力滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源电流成为难弦波。基 于此，可考虑检测电源电流厶，而不检测负载电流t ，用指令电流运算电路 求出，。中的谐波，反极性后作为指令电流对补偿电流发生器进行控制。 检测电源电流控制方式的原理如图2 一1 7 所示。由于检测的是电源电流， 从而构成了闭环控制系统。从理论上讲比开环系统有更好的补偿效果。 簿幕 图2 1 7 检测电源电流控制方式的原理图 检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图 2 1 8 所示。 由图2 1 8 可以得到如下关系： ( s ) = g “( s ) g ，( s ) g ( s ) i 。( s ) ( 2 7 ) 根据式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 7 ) 可以得到检测电源电流控制方式的 并联型有源电力滤波器的数学模型，如图2 1 9 所示。 图2 - 1 9 中的g ，( s ) 、g 。o ) 、g 。( s ) 的含义与如图2 - 1 5 相同。- 而g ( s ) 是为 改善补偿特性而加入的校正环节。这里g ( s ) 采用的是一阶惯性一微分环节， 其传递函数为g ( s ) = k t 4 0 + t s ) 。它具有真正的相角特性，将它串联接入系 统中，将使系统增加正的相位移，提高系统的相角裕量，从而提高系统的稳定 性。该环节参数的选取对于系统稳定性和谐波抑制特性具有重要作用。 图2 1 8 检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路 图2 1 9 检测电源电流控制方式的数学模型 采用这种控制方式时对系统的电源电流构成闭环控制。将影响系统稳定性 的传递函数g ，( j ) 包括在闭环内，这样经过校正环节a ( s ) 的校正，一方面提高 了系统的稳定性，另一方面抑制了谐振。一般说来，为了获得较好的谐波补偿 效果，g ( s ) 应有较大的放大倍数，以增大系统的开环增益，但是放大倍数过 大会使闭环系统不稳定。所以检测电源电流控制方式的谐波补偿效果虽然要好 于检测负载电流控制方式，但依然不能令人满意。 2 4 3 复合控制方式 把检测负载电流控制方式和检测电源电流控制方式结合起来，同时检测负 载电流和电源电流，就可以得到复合控制方式。其原理图如图2 2 0 所示。 复合控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图2 2 1 所示。 在这种控制方式中，同时检测负载电流和电源电流。其中根据负载电流产 生的指令信号对谐波补偿起主要作用，而电源电流和校f 环节g ( 5 ) 的作用主 要是抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振。因为电源电流闭环并不承担补偿 谐波电流的主要任务，所以g ( s ) 放大倍数不必很大，这样可以使系统有较好 的稳定性。可以看出，复合控制方式综合了前两种控制方式的优点，是一种较 为理想的控制方式。 由图2 2 1 可得：f 。( j ) = g 。( s ) g ( s ) ( f 。+ i 。( j ) g ( 5 ) ) ( 2 _ 8 ) 根据式( 2 2 ) 、式( 2 - 3 )