（电力系统及其自动化专业论文）复合型谐波治理装置的设计和应用.pdf

华北电力大学硕十学位论文 摘要 本文讨论了治理电网谐波的重要性，并在分析无源滤波器、有源率波 器和复合型率波器各自的优缺点的基础_上， 重点介绍了无源滤波器与有源滤 波器串联在系统中的混合滤波装置的原理和参数设计。 并以丰台区的精益飞跃铸 钢的一个谐波治理项日为基础， 实际研究开发的一台三相二线制综合型谐波治理 装置，由无源滤波器和有源滤i t 器串联构成，并对其讲行a ll 试和分析。 关键字:谐波，无源滤波器，有源率波器 ab s tract a b s t r a c t : t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e i m p o r t a n c e o f h a r m o n i c a b a t e m e n t . o n t h e b a s e o f a n a l y s i s o f r e s p e c t i v e c h a r a c t e r i s t i c s o f h a r m o n i c f i l t e r , a c t i v e p o w e r h a r m o n i c f i l t e r a n d c o m p o u n d h a r m o n i c f i l t e r , t h e p a p e r e x p l a i n s t y p i c a l l y t h e p r i n c i p l e s a n d d e s i g n p a r a m e t e r s o f c o m p o u n d t y p e h a r m o n i c a b a t i n g d e v i c e u s e d i n s y s t e m w i t h s e r i e s o f h a r m o n i c f i l t e r a n d a c t i v e p o w e r h a r m o n i c f i l t e r . c a s e a n a l y s i s o n a d e v e l o p e d t h r e e - p h a s e a n d t h r e e - w i r e c o m p o u n d h a r m o n i c f i l t e r u s e d i n t h e a b a t e m e n t p r o j e c t i n j i n g y i f e i y u e c a s t s t e e l p l a n t o f f e n g t a i d i s t r i c t i s in t r o d u c e d . t h e a s s e s s m e n t a n d a n a l y s i s o f t h e p o w e r h a r m o n i c f i l t e r i s e x p l a i n e d . s e r ie s c o m p o s i t i o n o f h a r m o n i c f i lt e r a n d a c t i v e z h a n g y u ( b e ij i n g e l e c t r i c p o w e r c o r p o r a t i o n) d i r e c t e d b y p r o f z h a n g j i a n _ h u a k e y w o r d s : h a r m o n i c , h a r mo n i c f i l t e , a c t i v e p o w e r h a r mo n i c f i l t e r 第z 页 共4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1背景及意义 世界各国均采用正弦方式供电，这不仅给电力系统的设计与制造带来极大 的方便，而且使系统及用电设备获得最佳的运行状态。 但是， 事实并非如此，电 力系统中的电 压、 电 流的波形不能保持完整的正弦波。 公用电网中的谐波电流和 谐波电压是对电网环境最严重的一种污染， 是影响电能质量的重要因素。电力系 统稳态方式 卜 的谐波，都来自 各种谐波源。所谓 “ a波源” ，通常是指各类特定 的用电设备， 即非线性用电设备， 或称非线性电力负荷。 它们是电力系统中某些 地区或网络出现严重谐波影响的主要原因。 电力系统中的主要谐波源可分为两类:含半导体非线形元件的谐波源; 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。电力电子装置是公用电网最主要的谐波 源， 随着电力电子装置的应用日益广泛，电网的谐波污染也日趋严重。国外的纤 验表明， 各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长 率。 这一事实决定了谐波监督和治理 _ 作的长期性和艰巨性。 发达国家的经验和 预测表明， 随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、 数量和用电量将 迅猛增加。 很明显， 随着我国改革开放和经济建设的发展， 我国电网己开始遭遇 并将迅速面临发达国家当前的局面， 即谐波源随着高新技术的发展而猛增， 电网 电压畸变率也将上升。 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、， 改 生振动 和噪声，并使绝缘老化， 使用寿命缩短， 甚至发生故障或烧毁设备。谐波可引起 电力系统并联谐振或串联谐振， 并使谐波含量放大， 造成电容器等设备的烧毁损 坏。 谐波还会引起继电保护和自 动装置的误动作， 使电能计量出现混乱。 对于电 力系统外部， 谐波对通信设备和电力设备会产生严重的干扰。 国际上公认p波污 染是电网的公害，必须采取措施加以限制。 为限制谐波源注入电网的谐波量，我国于1 9 8 4 年由原水利电力部制定颁布 了 电力系统谐波管理暂行规定( s d 1 2 6 - 8 4 ) 0 1 9 9 3年，国家技术监督局颁布 了国家标准g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网 谐波 。 这两个标准对公用供电 系 统谐波畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电流值做出了规定。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题， 基本思路有两条: 一条 是装设谐波补偿装置来补偿谐波， 这对各种谐波源都适用， 属于被动型谐波治理 方法; 另一条是对电力电子装置本身进行改造， 使其不产生谐波， 且功率因数可 控制为 1 ，这主要是针对电力电子装置谐波源，这属于主动型谐波治理方法。 第s 页 共4 8 e4 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1背景及意义 世界各国均采用正弦方式供电，这不仅给电力系统的设计与制造带来极大 的方便，而且使系统及用电设备获得最佳的运行状态。 但是， 事实并非如此，电 力系统中的电 压、 电 流的波形不能保持完整的正弦波。 公用电网中的谐波电流和 谐波电压是对电网环境最严重的一种污染， 是影响电能质量的重要因素。电力系 统稳态方式 卜 的谐波，都来自 各种谐波源。所谓 “ a波源” ，通常是指各类特定 的用电设备， 即非线性用电设备， 或称非线性电力负荷。 它们是电力系统中某些 地区或网络出现严重谐波影响的主要原因。 电力系统中的主要谐波源可分为两类:含半导体非线形元件的谐波源; 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。电力电子装置是公用电网最主要的谐波 源， 随着电力电子装置的应用日益广泛，电网的谐波污染也日趋严重。国外的纤 验表明， 各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长 率。 这一事实决定了谐波监督和治理 _ 作的长期性和艰巨性。 发达国家的经验和 预测表明， 随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、 数量和用电量将 迅猛增加。 很明显， 随着我国改革开放和经济建设的发展， 我国电网己开始遭遇 并将迅速面临发达国家当前的局面， 即谐波源随着高新技术的发展而猛增， 电网 电压畸变率也将上升。 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、， 改 生振动 和噪声，并使绝缘老化， 使用寿命缩短， 甚至发生故障或烧毁设备。谐波可引起 电力系统并联谐振或串联谐振， 并使谐波含量放大， 造成电容器等设备的烧毁损 坏。 谐波还会引起继电保护和自 动装置的误动作， 使电能计量出现混乱。 对于电 力系统外部， 谐波对通信设备和电力设备会产生严重的干扰。 国际上公认p波污 染是电网的公害，必须采取措施加以限制。 为限制谐波源注入电网的谐波量，我国于1 9 8 4 年由原水利电力部制定颁布 了 电力系统谐波管理暂行规定( s d 1 2 6 - 8 4 ) 0 1 9 9 3年，国家技术监督局颁布 了国家标准g b / t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网 谐波 。 这两个标准对公用供电 系 统谐波畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电流值做出了规定。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题， 基本思路有两条: 一条 是装设谐波补偿装置来补偿谐波， 这对各种谐波源都适用， 属于被动型谐波治理 方法; 另一条是对电力电子装置本身进行改造， 使其不产生谐波， 且功率因数可 控制为 1 ，这主要是针对电力电子装置谐波源，这属于主动型谐波治理方法。 第s 页 共4 8 e4 华北电力大学硕十学位论文 针对谐波污染严重的事实，国内外涌现出多种技术方案。 其中， 较为典型的 有三种:无源滤波器、有源滤波器和混合型滤波装置。 1 . 电 力 无 源 滤 波 器( p a s s i v e p o w e r i i t e r , p p f ) 无源滤波装置是指由电感电容等无源器件构成的滤波装置。无源滤波装 置 般山若干个无源滤波器并联构成，每个滤波器在一个或两个谐波频率附 近或者在某一个频带内呈现低阻抗，吸收相应的谐波电流，从而使电网中的 r波电流减少，达到抑制谐波的目的。 无源滤波器虽然具有低成本的优点，但其缺点也相当明显: ( 1 ) 动态性能差。当负载电流动态变化时，其对谐波电流的抑制效果会变 差; ( 2 ) 滤波装置易与电网的系统阻抗发生并联谐振或串联谐振，造成谐波放 大，进而造成滤波电容器和电抗器的烧毁; ( 3 ) 补偿性能受系统阻抗的影响大: ( 4 ) 由于电容器和电感的参数存在着误差，而且，在运行过程中将因环境 温度的变化、自 身发热和电容器绝缘老化而发生变化，都会造成滤波器的实 际频率与设计时的不一致，影响滤波效果; ( 5 ) 系统频率在运行中会存在一定的偏差， 这会造成谐波频率也产生偏差， 这样谐波频率将与滤波器的谐振频率不一致，这时滤波器呈现的阻抗将偏离 极小值，滤波器抑制效果变坏。 ( 6 ) 即使在理想状况下， 也只能对特定次谐波电流产生比较好的抑制效果: ( 7 ) 休积庞大，占用空间较多，消耗有效材料多。 2 .有源电 力滤波器 ( a c t i v e p o w e r f i i t e r , a p f ) 有源滤波装置是指山电力电子器件构成的谐波补偿设备。已主要山电压源 型或者电流源型逆变器构成，通过控制其输出电压电流波形，达到抑制或消 除谐波电流的日的。以并联型有源滤波器为例，它在电路结构 卜 与谐波负载 井联，如图 1 - 1 所示。通过控制输出的电流，与 谐波负载的谐波电流大小相 等，相位相反，这样电网中流过的仅仅是负载电流中的基波部分，起到抑制 谐波的作用。 个一 ! 电 源 寸 电源 哼源 滤 波 器 第6 页 共4 8 页 华北电力大学硕十学位论文 图卜t有源滤波器系统结构图 有源滤波器从结构上分为三种: 并 联型: 采 用将有源滤波器和系 统并联的方 乞 弋 ， a p f 等效为受 控电 流 源， 用 于产2 卜 补偿所需的谐波电流， 这种结构多用于感性电流源型负载， 技术上比较成 熟，己投入使用的a p f 多采用这种结构。其结构如图 1 - 2 所示。 电力系统负荷 灯 匕一 入广 洲一 i 图1 - 2并联型有源滤波器 串联型: 通过祸合变压器将a p f 串联在系统和负载之间，o f 以等效为一个电 压源。 这种结构的a p f 主要用于补偿电压源型谐波负载。 这种a p f由于电路中流 过的是负载电流， 所以损耗比较大， 而且投切及各种保护比较复杂， 所以应用较 少。其结构图见图 1 - 3 所示。 电力系统 厂 _ 三 图 1 - 3串联型有源滤波器 串并联型: 这种结构的有源滤波器将串联型和并联型a p f 结合在一起， 同时 具有两者的性能， 具有更大的应用范围。 这种结构的a p f 又叫做统一电能质量调 节器。缺点在于结构复杂，功率器件使用太多，成本高。其结构如图1 - 4 所示。 t乡j w 电力系统 图1 - 4串并联型有源滤波器 第7 页 共4 8 页 华北电力大学硕 l 1位论文 有源滤波装置具有滤波效果好、 滤波效果不受系统阻抗的影响并可以抑制系 统中的串联谐振和并联谐振等优点。 但其具有如下缺点， 制约了它的应用和推广: u ) 由于交 流电 源的基波电 压直接施加到逆变器上， 且补偿电 流基本由 逆变器 提供， 因此， 逆变器的容量必须很大。 而现今逆变器的容量很难作到很大， 这限 制了它在大功率场所的应用。 ( 2 ) 电力电子器件造价较高，系统价格十分昂贵。 ( 3 ) 由于有源滤波器的全新结构，不适于对原有无源滤波器进行改造。 :3 .混合烈电) j 滤波器 ( h y b r i d p o w e r f i l t e r ) 基本思路是利用 l c滤波器来分担有源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 有源滤波器的特点是补偿性能好。通过将有源滤波器和无源滤波器混合使用 达到减小有源滤波器容量、承受的电压、电流的目的，以较小的代价达到和 纯有源滤波器相近的效果。混合型有源滤波器从结构土分为以下三类: ( t ) 有源滤波器串联、无源滤波器并联在系统中，如图 1 - 5 所示。在这种 结构中，有源滤波器相当于受控电压源，流过的电流为负载申流。 任 )一 比一丫 j 电 力 系 统 z4 一 负 荷 土 丁 无 源滤波 器 公 八厂肛匕 小iji| 八 图1 - 5 串联a p f 和无源滤波器混合使川 ( 2 ) 有源滤波器和无源滤波器都并联在系统中，如图 1 - 6 所t。在这种结 构中有源滤波器相当于受控电流源，承受的电压为系统电压。 ( 乡= 一 电 力 系 统 。 6 图1 - 6并联a p f 和无源滤波器混合使用 ( 3 ) 无源滤波器与有源滤波器串联在系统中，如图1 - 7 所示。在这种结构 中，有源滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波和无功补偿效果，这种情况 下有源滤波器中流过的电流为无源滤波器支路的电流，承受的电压为谐波电 第 8 页 共4 8 页 华北电力人学硕十学位论文 流流过无源滤波器支路所产生的谐波电压。 介今 一 电 力系统 一一仁上 习 负 荷 无源滤波 器 门口 心 一 图1 一 7 a p f 串联在无源滤波器支路中 在 上 面提到的三种结构中，无源滤波器都承担主要的谐波和无功补偿任 务，从而减小了对有源滤波器的容量要求。但是前两种对有源滤波器在电流 或是电压方面有较高的要求，而第三种则对有源滤波器在两方面都没有过高 的要求，而月 _ 很方便的对已有的无源滤波器进行改造，是一种应用前景比较 好的结构。由于我们国家的财力有限，即使纯有源滤波器在技术上完全成熟 也不可能在电力系统中全面代替所有的无源滤波器，但又必须满足日 益增长 的对电能质量的要求。第气种混合电力滤波器的特点正好能够满足我们国家 的需要:在不对无源滤波器进行大的改造的前提下通过串 入小容量的有源滤 波器就可以以较小的代价达到纯有源滤波器的效果，能够为国家节省大量的 财力和物力，相对有源滤波器来说更加适合我国的国情。 混合电力滤波器装置中， 无源滤波器与有源滤波器串联在系统中的混合 滤波装置是其中较为实用的一种。 它的主电 路结构采用无源滤波器与有源滤波 器串联后与谐波负载并联的结构方式。其中，无源滤波器主要起到主要滤波的 功能，并补偿一定数量的稳态无功; 而有源滤波器起到提高和改善无源滤波器 j陛能的作用。在电压分配上，无源滤波器承受全部的基波电压以及谐波电流流 过无源滤波器所产生的谐波电压， 而有源滤波器承受的电压和无源滤波器承受 的谐波电压相等，这样，有源滤波器的容量就可以较小。这样，整个滤波装置 就可以适用于高压大功率场合。该滤波装置具有如下优点: 。 . 滤波系统的滤波效果受电力系统阻抗的影响小; b . 滤波系统的滤波性能好; c . 电力系统阻抗和无源滤波器之间不会产生串并联谐振; d . 同一交流系统中其它谐波负载产生的谐波电流不会流入无源滤波器: c . 混合电力滤波系统中并联型有源滤波器的容量要小得多，初始投资和运行费 用都比较低。 f . 该混合滤波器的一个其它滤波装置无法比拟的优点是:可以对原有的无源滤 波装置进行改造，从而降低投资成本。 第9 页 共 4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 1 . 2本文研究内容及目的 木项目 基于丰台区的精益 匕 跃铸钢的一个谐波治理项目。 项日内容为: 研究开发 的一台三相二线制综合型谐波治理装置，由无源滤波器和有源滤波器串联构成。 其中: 无源滤波器承担主要次数谐波的治理和稳态无功的补偿任务， 有源滤波器 承担剩余全部谐波的治理任务。 该装置的各部分能良好地协同 1 _ 作， 同时应符合 业运行的要求，并能投入实际工业使用。 设计任务是在二台2 5 0 k w 的中频炉装置处安装一个综合电力滤波器。 它的首 要仟务是装置所产生的谐波电流，并且提供厂用变的部分稳态的无功补偿容量， 同时可以适当地消除一些由其他变压器副边负载所流出的谐波电流。 主要内容如 卜 : .通过对瞬时无功功率理论的分析，对三相三线制下的无功和谐波电 流的检测方法进行了研究，研制了一种综合电力滤波装置，它由无 源滤波器和有源滤波器串联构成，分析了 滤波原理及系统的主电路 结构和控制方法。 .对系统的无源滤波器部分的原理，参数设计进行了分析研究，并针 对项目 具体的负载的特性，进行了滤波器参数的计算，同时进行了 效验和系统仿真。 .结合无源滤波器的参数，对系统的有源滤波器的设计方法进行了分 析研究。 .研制了综合电力滤波装置，并在负荷现场成功投入了工业运行，并 进行了现场的实验研究。 第 1 0 页 共4 召 页 华北电力大学硕步学位论文 第二章综合型电力滤波系统 由十单独使用并联型无源滤波器和有源滤波器存在的各自 缺点， 综合型电力 滤波系统具有更好的应用前景。 并联型无源滤波器是通过在谐波频率上呈现出比 电力系统低的阻抗来达到滤波日的的。 故此， 电力系统阻抗将对无源滤波器的滤 波效果起着很大的影响; 同时电力系统阻抗又很难精确的测量; 这些因素都给无 源滤波器的设计和确保其具有良 好的滤波性能带来了困难。 从中也可以看到， 如 果可以减小无源滤波器的谐波阻抗，就可以改善无源滤波器的滤波性能。当然， 这可以通过增大无源滤波器的容量来实现， 但显然这在经济上是不合算的， 有时 还会造成过补偿。 为此， 本章对运用一种综合型电力滤波系统来实现这日的进 行了 研究， 它不仅可以减小无源滤波器支路的谐波阻抗， 还可以使无源滤波器支 路的谐波阻抗为零，使无源滤波器的滤波效果得以改善。 i s 什i s hi l 汁1 l h lr 记1一 一一月 u s 什u s h 谐波负载 d本 i r .耳ff f i fh u c 一 1 图2 - 1新型综合电力滤波系统 2 . 1 综合型电力滤波系统的主体结构 图2 - 1 所示为本文研究的综合型电力滤波系统的主电 路结构。 它采用了有源 滤波器和无源滤波器串联的方式， 无论在与电力系统之间的电压隔离方面， 还是 在运行的安全性方面，都比有源滤波器串联在电网上的结构形式要好。 这里的无源滤波器和传统的并联型无源滤波器一样， 一 般由5 次、7 次等单 调谐l c滤波器和l c r组成的高通滤波器构成，采用三相y接的形式。有源滤 波器由小容量的电压源型p wm逆变器构成， 通过滤波电抗器和无源滤波器串联 连接。由于有源滤波器只产生很小的谐波补偿电压，电压容量很小， 其流过的电 第i i 页 共4 8 页 华北电力大学硕步学位论文 第二章综合型电力滤波系统 由十单独使用并联型无源滤波器和有源滤波器存在的各自 缺点， 综合型电力 滤波系统具有更好的应用前景。 并联型无源滤波器是通过在谐波频率上呈现出比 电力系统低的阻抗来达到滤波日的的。 故此， 电力系统阻抗将对无源滤波器的滤 波效果起着很大的影响; 同时电力系统阻抗又很难精确的测量; 这些因素都给无 源滤波器的设计和确保其具有良 好的滤波性能带来了困难。 从中也可以看到， 如 果可以减小无源滤波器的谐波阻抗，就可以改善无源滤波器的滤波性能。当然， 这可以通过增大无源滤波器的容量来实现， 但显然这在经济上是不合算的， 有时 还会造成过补偿。 为此， 本章对运用一种综合型电力滤波系统来实现这日的进 行了 研究， 它不仅可以减小无源滤波器支路的谐波阻抗， 还可以使无源滤波器支 路的谐波阻抗为零，使无源滤波器的滤波效果得以改善。 i s 什i s hi l 汁1 l h lr 记1一 一一月 u s 什u s h 谐波负载 d本 i r .耳ff f i fh u c 一 1 图2 - 1新型综合电力滤波系统 2 . 1 综合型电力滤波系统的主体结构 图2 - 1 所示为本文研究的综合型电力滤波系统的主电 路结构。 它采用了有源 滤波器和无源滤波器串联的方式， 无论在与电力系统之间的电压隔离方面， 还是 在运行的安全性方面，都比有源滤波器串联在电网上的结构形式要好。 这里的无源滤波器和传统的并联型无源滤波器一样， 一 般由5 次、7 次等单 调谐l c滤波器和l c r组成的高通滤波器构成，采用三相y接的形式。有源滤 波器由小容量的电压源型p wm逆变器构成， 通过滤波电抗器和无源滤波器串联 连接。由于有源滤波器只产生很小的谐波补偿电压，电压容量很小， 其流过的电 第i i 页 共4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 流为无源滤波器支路的基波无功电流和谐波电流; 由于有源滤波器基本上不输出 有功功率， 电压源型逆变器的直流电压可由一个直流电容器提供， 有源滤波器的 开关和导 通损耗，也可以由电网获得补偿，直 流电容器电压可以稳定地控制在设 定值上。 有源滤波器的容量相对于被补偿的谐波负载要小的多。 对于中小容量的 被补偿谐波负载， p wm逆变器可以选用mo s f e t作为开关器件， 采用较高的开 关频率;对十较大容量的被补偿负载， 丁 以选用 i g b t作为开关器件。图中的 l i? 是小容量的滤波电感， l s 是系统阻抗等效电感。由无源滤波器和有源滤器串 联构成的综合电力滤波系统和被补偿的谐波负载起并联连接在电网上。 可以 看到， 综合电力滤波系统的结构是非常简单的， 这使得对现有正在运行 的并联型无源滤波器进行技术改造也非常方便。 通过串接上有源滤波器并装设控 制电路， 就可以有效的提高无源滤波器的滤波效果。 既使有源滤波器由于某种原 因停止运行， 也不会影响到无源滤波器的正常滤波， 使得这种综合电力滤波系统 应用起来非常安全可靠。 几zf i s f + i h u 广u s h c f 上 _ l f 卿衍+ l l h 忙日分闯 ) u c ( a ) 单相等效电路 妈厂内 嘛 z s z f 凹 u c ( b ) 相对左 * 的等效电 路 ( c ) 相对u s 。 的等效电路 图2 - 2 综合电力滤波系统等效电路图 第 1 2页 共4 8 页 华北电力大学硕 上 学位论文 2 . 2 综 合 电 力 滤 波 系 统 的 滤 波 原 理 1 图2 - l 所示的综合电力滤波系统为二相对称系统; 假设有源滤波器为理想的 可控电压源，谐波负载为电流源;为简化分析， 现给出图2 - 1 系统的单相等效电 路图 ， 如图2 - 2 ( a ) 所示。 其中晰是电 源电 压中 的 基 波 部 分， u s* 是电 源电 压中 的 谐 波部 分; i st 为电 源电 流中 的 基 波 部 分， 1 s* 为 电 源电 流中的 谐 波部 分; 场为负 载 电 流中的基波部分， i , * 为负载电 流中的谐波部分; z f 是无源滤波器阻抗，c f 和 l f 分别为无源滤波器的等效电容和电感;乙 ( l , )是系统阻抗。 由 于有源滤波器不产生基波电 压， 不考虑基波， 按照叠加原理图2 - 2 ( a ) 可被 分解为图2 - 2 ( b ) 和图2 - 2 ( c ) 。 对于 谐波电 流源i l h ，如图2 - 2 ( b ) 所示，有源滤波器 被控制为谐波阻抗 z c ，它使得对各次谐波都有z f + z c = o ，这样所有的负载谐波 电流 i l h 都将流入无源滤波器支路，无源滤波器的滤波效果得以改善，此时有源 滤波器的电压等于所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的谐波电压，即 u c = z f i l h 。对于连接在同一交流系统中的其它谐波源引起的畸变电压 u s h ，如图 2 - 2 ( c ) 所示， 有源滤波器被控制为谐波电 压源，并有u c = u sh ，此时u s * 产生的谐 波电流 i s h 将为零，也就是说，同一交流系统中其它负载产生的谐波电 流将不会 流入无源滤波器支路， 也就不会引起无源滤波器意外的过负荷运行。 最后， 将有 源滤波器在两种情况下产生的电压叠加起来，得到有源滤波器总的补偿电压为 左- u c h + z f 人h - 当无源滤波器和电力系统之间的并联阻抗在某次谐波下接近无穷大时， 将会 发生并联谐振， 造成谐波放大。 此时既使负载电流中该次谐波电流不大， 也会在 电源和无源滤波器电路中流过很大的谐波电流， 产生严重的电源电压畸变。 有源 滤波器的投入使无源滤波器支路对各次谐波阻抗均为零， 不会满足并联谐振的条 件， 可以抑制并联谐振的发生。 当无源滤波器和电力系统之间的串联阻抗在某次 谐波下接近零时，只要它们之间存在该次频率的谐波电压，就会导致谐波放大， 发生串联谐振。 有源滤波器的投入使无源滤波器和电力系统串联阻抗间的谐波电 压为零，从而可以避免串联谐振的发生。 故此， 只要控制有源滤波器电 压u c 等于u h + z f i l h ， 就可以 使被补偿的 谐波 负载产生的谐波电流全部流入无源滤波器支路， 同时连接在同一交流系统中的其 它负载的谐波电流也不会流入无源滤波器支路， 并且可以有效的抑制串、 并联谐 振 由 于有源滤波器电压u c = u s h + z f i l h ， 比电网电 压要小的多， 这使得综合电力 滤波系统中有源滤波器的容量比并联型有源滤波器的容量要小的多， 更适合对大 第 1 3页 共 4 8页 华北电力大学硕十学位论文 容量的谐波负载进行补偿， 其初始投资和运行费用比并联型有源滤波器要低。 因 而同时具有无源滤波器成本低和有源滤波器滤波性能好的优点， 具有很强的实用 i t 和经济性。 2 . 3 综合电力滤波系统的控制方法 山于电源电压中的谐波部分u s * 和所有的负载谐波电流流过无源滤波器时产 生的谐波电压z f i l h 很难测得， 直接控制有源滤波器电压 u c ， 使其等于u s * 十 z f i l h 是非常困难的。但却可以采用其它的控制方法来实现这一控制目的。 不考虑基波部分，由图2 - 2 ( a ) 列写回路电 压方程可得: 一 dish +dt 公 丁(j* 一 !人)dt l .: di shf dt 一 dilh1dt ) 一0 ( 2 - 1 ) 整理可得: ( 二 “ ) d ishf d t 一 。 sh d i r 一t k i t +l二- - 二 上一u , d t ( 2 - 2 ) u s a 十l f 贵 j(llh 一 sh )tit ( 2 - 3 ) + 气一dt 、 d i , 十 l二1 一= e一 “/ d t ( 2 - 4 ) 仁:抓 设有 假则 、 1 二哈、 1， . ， 、 ，、二、 、二 卜 _. 、 、 ，. ， 、. 、 d i， _、 _._一 i ij jv.t u , - l i u c 人丁 一 e n y ，. f ti k 9 u c 趴a l 以达到拦制一阴目的。根据电想 dt 中的谐波电流 到 。 确 的 d lsa d t is * 的误差区间，就可以选取电压源型逆变器合适的电 压矢量，得 ，使 i s * 趋于零。此时将有: d i - 1 emu十l。 - - 止竺十l i d t d t c f 1 “ ( 2 - 5 ) 这样铸 自 然将被控制为以 * 十 z f i i h a 第 1 4 页 共4 8 页 华北电力大学硕十学位论文 容量的谐波负载进行补偿， 其初始投资和运行费用比并联型有源滤波器要低。 因 而同时具有无源滤波器成本低和有源滤波器滤波性能好的优点， 具有很强的实用 i t 和经济性。 2 . 3 综合电力滤波系统的控制方法 山于电源电压中的谐波部分u s * 和所有的负载谐波电流流过无源滤波器时产 生的谐波电压z f i l h 很难测得， 直接控制有源滤波器电压 u c ， 使其等于u s * 十 z f i l h 是非常困难的。但却可以采用其它的控制方法来实现这一控制目的。 不考虑基波部分，由图2 - 2 ( a ) 列写回路电 压方程可得: 一 dish +dt 公 丁(j* 一 !人)dt l .: di shf dt 一 dilh1dt ) 一0 ( 2 - 1 ) 整理可得: ( 二 “ ) d ishf d t 一 。 sh d i r 一t k i t +l二- - 二 上一u , d t ( 2 - 2 ) u s a 十l f 贵 j(llh 一 sh )tit ( 2 - 3 ) + 气一dt 、 d i , 十 l二1 一= e一 “/ d t ( 2 - 4 ) 仁:抓 设有 假则 、 1 二哈、 1， . ， 、 ，、二、 、二 卜 _. 、 、 ，. ， 、. 、 d i， _、 _._一 i ij jv.t u , - l i u c 人丁 一 e n y ，. f ti k 9 u c 趴a l 以达到拦制一阴目的。根据电想 dt 中的谐波电流 到 。 确 的 d lsa d t is * 的误差区间，就可以选取电压源型逆变器合适的电 压矢量，得 ，使 i s * 趋于零。此时将有: d i - 1 emu十l。 - - 止竺十l i d t d t c f 1 “ ( 2 - 5 ) 这样铸 自 然将被控制为以 * 十 z f i i h a 第 1 4 页 共4 8 页 华北电力大学硕十学位论文 巡又川 p w m41-1$ j u a e + pi s 们 以 coso l t z s h n i c h h i z s h _ 燕 if 1cz_ es tf + aal i ec - d ip _,+ -1p , 5. ld l p f lpf ， ! c a d 诉 币 目 赢 赢 u wsc tsb 1 tsal * s in ce t i c乃口 几几 图2 - 3 控制电路框图 2 . 3 . 1谐波电流检测电路 综合电力滤波系统的控制电路框图如图2 - 3 所示。 为得到电源电流中的谐波 电 流， 需 对 三 相电 源电 流ls a ts b i is 。 进行 检 测。 谐波电 流ts h n l tsh b l lsh c 采 用了 zp l4 的谐 波检测方法。 在电 源电 压存在畸 变的 情况下， 这一方法 将比p - 9 法更加精确 t2 l 。设三相电 源电压中的基波部分为: s t n wl s i n 、一 2 s in ( u )t + 2 ( 2 - 6 ) 其中u 为基频相电压幅值， 首先将三相电源电流 is a , 再变换到p 9 旋转坐标系 c o 为供电电压角频率。 。 由 三 相a b 。 坐 标系 变 换到 两 相叨 坐 标系， 然 后 变换式如一 卜 : 干j 翎劝犷 卜“士 1万行-2 ( 2 - 7 ) 12行-2 尸|防厂 厅1行 - 第 1 5 页 共4 8 h 华北电力大学硕士学位论文 !， ) 一 s in co t一 c o s co t p e j l - c o s 以 一、 川 。 ( 2 - 8 ) 其中。 i n c o t 和c o s co t 可以由电 源电 压经锁相环电 路( p l l ) 和正弦波发生电路得到。 采 用 低 通 滤 波 器 ( l p f ) 可以 得 到ip . iy 的ft 流 分 量几 、 凡 。 当 三 相电 源电 压 对 称 时 ， i n 对 应 于 基 波 有 功电 流， 乓 对 应于 基 波 无 功电 流， 由 i n i ig 经 反 变 换 可 得 到 三 相 基波电 源电 流isf a , i sjb . i f 阵 1 一 s in co t l 6f i l - c o s c u r 一c o s c o t 一 s i n at ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 可麒 飞|lllill:il，|一 厄-2护一2 11212 厅有 sfa确sfc 从 。 、 i , b 1 is c 中 减去i f . i jb l i sf , 可 得到 谐波电 流i , h n i s h h , is h , 。由is h 间，通过选取合适的 p wm 逆变器的电压矢量， 零。 在图 2 - 3的控制电路中还有另外两个控制环， 就可以 控制 i s h n i, h b , 的误差区 i s h :趋于 那就是直流电容器电压 u d , 和 有源滤波器输出电压u c a 控制环，用于消除谐波检测电路存在的误差，并将直流 电容器电压控制在一定的幅值上。下面分别予以6a明。 2 . 3 . 2 u ,. 控制电路 在理想情况下， 有源滤波器产生的电压中不应含有基波成份。山于实际情况 下有源滤波器存在开关和导通损耗， 必须提供给它一定的有功功率以补偿这部分 第 1 6页 共 4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 损耗， 使直流电容器电压稳定在一定的幅值上。 在有源滤波器串联在电网上的综 合电 力滤波系统中 5 ， 流过有源滤波器的 基波电流是随负载电流变化的， 对这部 分功率的补 偿需由 额外装设的 功率补偿装置 提供。 而在本 论文 研究的 综合电 力滤 波系统中， 由于在基频下无源滤波器表现为容性; 流过有源和无源滤波器串联支 路的基波电流为稳定的基波无功电流; 只要控制有源滤波器产生和该无功电流同 相位的基波电压，就可以获得有功功率补偿;该基波电压将产生基波有功电流， 使电源电流中的基波有功电流增大。 反之， 如果使电源电流的基波有功电流增加， 有源滤波器将必然产生与基波无功电流同相的基波电压， 使p wm逆变器的输入 有功功率增大。 图2 - 3中直流电容器电压 u * 控制环节就是按这一原理工 作的。当直流电容 器电 月 、 低于 设 定 值 时 ， p i 调 节 器 输出 值d 几 增 大， 控 制 系 统 将 会 使电 源电 流中 的 基波有功电流增大， 此时有源滤波器产生的与 基波无功电流同相的基波电压将增 大，以提高有源滤波器的有功输入， 使直流电容器电压上升。反之，当直流电容 器电 压山 于 某 种 原 因 高 于 设 定 值 时， p i 调 节 器的 输 出 值d 今 将 减 小 甚 至 为 负 ， 使 电源电源中的基波有功电流减小， 此时有源滤波器产生的基波电压将减小， 甚至 与基波无功电流反相，以减小有源滤波器的输入有功功率， 甚至使其为负， 控制 直流电容器电压下降。当系统达到稳定时，直流电容器电压将保持在设定值土， 有源滤波器维持 一 个很小的基波电压输出以保持一定的有功输入， 补偿p wm逆 变器的开关和导 通损耗。 2 . 4小结 本章研究了一种由小容量有源滤波器和无源滤波器串联构成的综合型电力 滤波系统。 阐述了该系统的滤波原理。 通过分析，该系统可以有效的提高无源滤 波器的滤波效果， 并能抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能发生的串、 并联 谐振。 由于综合型电力滤波系统中有源滤波器所需的容量非常小， 适合对大容量 的谐波负载进行补偿; 其初始投资和运行费用比并联型有源滤波器要低， 具有较 好的实用性和经济性。 文中对混合型电力滤波系统的电路结构进行了详细的论述， 并讨论了控制方 案。 控制电 路中u d , 控制环节的引入， 不仅可以 解决直流电容器电压的控制问题， 还可以有效的消除检测系统存在的误差，提高了实际工业应用的可靠性。 第 1 7 页 共4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 损耗， 使直流电容器电压稳定在一定的幅值上。 在有源滤波器串联在电网上的综 合电 力滤波系统中 5 ， 流过有源滤波器的 基波电流是随负载电流变化的， 对这部 分功率的补 偿需由 额外装设的 功率补偿装置 提供。 而在本 论文 研究的 综合电 力滤 波系统中， 由于在基频下无源滤波器表现为容性; 流过有源和无源滤波器串联支 路的基波电流为稳定的基波无功电流; 只要控制有源滤波器产生和该无功电流同 相位的基波电压，就可以获得有功功率补偿;该基波电压将产生基波有功电流， 使电源电流中的基波有功电流增大。 反之， 如果使电源电流的基波有功电流增加， 有源滤波器将必然产生与基波无功电流同相的基波电压， 使p wm逆变器的输入 有功功率增大。 图2 - 3中直流电容器电压 u * 控制环节就是按这一原理工 作的。当直流电容 器电 月 、 低于 设 定 值 时 ， p i 调 节 器 输出 值d 几 增 大， 控 制 系 统 将 会 使电 源电 流中 的 基波有功电流增大， 此时有源滤波器产生的与 基波无功电流同相的基波电压将增 大，以提高有源滤波器的有功输入， 使直流电容器电压上升。反之，当直流电容 器电 压山 于 某 种 原 因 高 于 设 定 值 时， p i 调 节 器的 输 出 值d 今 将 减 小 甚 至 为 负 ， 使 电源电源中的基波有功电流减小， 此时有源滤波器产生的基波电压将减小， 甚至 与基波无功电流反相，以减小有源滤波器的输入有功功率， 甚至使其为负， 控制 直流电容器电压下降。当系统达到稳定时，直流电容器电压将保持在设定值土， 有源滤波器维持 一 个很小的基波电压输出以保持一定的有功输入， 补偿p wm逆 变器的开关和导 通损耗。 2 . 4小结 本章研究了一种由小容量有源滤波器和无源滤波器串联构成的综合型电力 滤波系统。 阐述了该系统的滤波原理。 通过分析，该系统可以有效的提高无源滤 波器的滤波效果， 并能抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能发生的串、 并联 谐振。 由于综合型电力滤波系统中有源滤波器所需的容量非常小， 适合对大容量 的谐波负载进行补偿; 其初始投资和运行费用比并联型有源滤波器要低， 具有较 好的实用性和经济性。 文中对混合型电力滤波系统的电路结构进行了详细的论述， 并讨论了控制方 案。 控制电 路中u d , 控制环节的引入， 不仅可以 解决直流电容器电压的控制问题， 还可以有效的消除检测系统存在的误差，提高了实际工业应用的可靠性。 第 1 7 页 共4 8 页 华北电力大学硕士学位论文 第三章 无源滤波器的原理 在综合型电力滤波系统中，无源滤波器充当了一 个重要的角色，它直接影响 到整个滤波装置的滤波特性以及有源滤波器的容量的大小。 由于有源滤波器的功 率容量卞要由所有的负载谐波电流流过无源滤波器时产生的谐波电压峰值决定 的， 通过对无源滤波器进行优化设计1 1 以有效地减小有源滤波器的功率容量， 所 以综合电力滤波系统的设计首先从无源滤波器的优化设计入手。在电力系统中， 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流， 是抑制谐波“ 污染” 的一 种有效措施。“ 无源型”滤波装置即由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而 成的滤波装置， 是目 前用得比较多的滤波装置。 运行中它和谐波源并联， 除起滤 波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。 3 . 1 无源滤波器的结构与接线方式 滤波装置般由 一 组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。 单调 谐滤波 器利用r , l , c电 路串 联谐振原理构成( 见图3 - 1 ( a ) ) 。 在具体工 程中 可以灵活多样， 但是一般推荐采用图中所示的方式， 即将滤波电抗器和电阻器均 接于电容器的低压测，整个滤波