（电工理论与新技术专业论文）有源电力滤波器滤波技术及其补偿特性的研究.pdf

有源电力滤波器滤波技术甩：其补偿特性的研究 预测的无时延控制。将中心点的空间距离作为一个拟合参数引入预测过程，提高 了预测精度和消噪能力。 然后，本文介绍了并联混合型有源电力滤波器的工作原理，有源电力滤波器 中低通滤波器参数的分频段优化设计方法，以及逆变器直流侧电容的优化设计方 法。提出了 种基于交互式多目标遗传算法的无源滤波器优化设讲方法，该方法 用遗传算法对无源滤波器的参数进行多目标优化，通过非精确偏好信息引导遗传 搜索，获得与决策者意愿吻合的解集，较好地实现了无源滤波器成本、电压电流 谐波和无功功率补偿的多目标优化设计。接着分析了有源电力滤波器常用的三种 控制方法及其它们各自的优、缺点。本文采用复合控制方法，不但可以有效地改 善整套滤波系统的抑制谐波效果，抑制无源滤波器和电网感抗之间发生串、并联 谐振，而且可以改善电网谐波电压对有源电力滤波器的不良影响，有助于降低有 源电力滤波器的容量。 最后，本文在分析几种卷见而重要谐波源特性的基础上，推导出了在谐波环 境下电动机、电容器、变压器和变流器等谐波源的阻抗计算公式、序阻抗和序导 纳矩阵，提出了电感性和电容性谐波源模型。接着，从理论和实验两个方面研究 了有源电力滤波器对上述谐波源的补偿特性，并联型有源电力滤波器适宜补偿电 感性谐波源、不适宜补偿电容性谐波源；串联型有源电力滤波器则相反，适合补 偿电容性谐波源，不适合补偿电感性谐波源。 关键词：有源电力谐波器； 加权一阶局域理论； 瞬时无功功率理论； 谐波：检测； 控制策略；优化设计；补偿 i l 博l 学位论文 a b s t r a c t t h ea c t i v ep o w e rf i l t e ri san e wp r o t y p ee l e c t r i c a ld e v i c eu s e df o r r e s t r a i n i n g d y n a m i ch a r m o n i ca n dt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n i ti st h ef o u n d a t i o na n d p r e m i s ef o rt h ee f f e c t i v ec o m p e n s a t i o nr e a l i z a t i o no ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e rt od e t e c t e x a c t l ya n dq u i c k l yt h eh a r m o n i ca n dt h er e a c t i v ep o w e r a n di ti sa ne f f e c t i v ew a yt o i n c r e a s et h ed e t e c t i o na c c u r a c yt h a t f i r s t l yt r a c et h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e r e x a c t l y ，a n dt h e nc o m p e n s a t et h e ma c c o r d i n gt ot h ef o r c a s t i n gv a l u e t oe f f e c t i v e l y d e c r e a s et h ec o s t t h i sp a p e rc a no p t i m z et h ed e s i g no ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n d i n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p e n s a t i n gt h eh a r m o n i c t h i sp a p e ri n t e n t t o i n v e s t i g a t et h en e wm e t h o d sf o rt h ed e t e c t i o na n dp r e m i s eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ， t h en e wm e t h o d sf o ro p t i m i z i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r s ，t h en e wm e t h o d sf o rm o d l i n g t h eh a r m o n i cs o u r c e ，a n dt h ec o m p e n s a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sf o rh a r m o n i co f a c t i v e p o w e rf i l t e r i ts e t st h ef o u d a t i o no nt h e o r ya n dt e c h n i c sf o rt h er e s e a r c ho fn e w t y p e l o w c o s ta n dh i g h * q u a l i t ya c t i v ep o w e rf i l t e r f i r s t ，t h i sp a p e rp r o p o s et w oa l g o r i t h m sb a s e do i lt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y ，t h epa n dqa l g o r i t h ma n dt h ei p a n d i q a l g o r i t h m ，a n di ta l s op r e s e n tt h e a p p l i c a t i o n so ft h e s ea l g o r i t h m su s e do nt h ed e t e c t i o no ft h er e a c t i v ea n dt h ea r b i t r a r y h a r m o n i ci nt h es i n g l e - p h a s ea n dt h r e e - p h a s ec i r c u i t s ，a n dp u tf o r w a r dah a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o df o ri m p r o v i n gs i n g l e p h a s ea n dt h r e e p h a s ec i r c u i t sb a s e do n t h ea l g o r i t h m sb yl e a v i n go u tt h em e t r i cc i r c u i tc a l c u l a t i o n j u s tb e c a u s eo ft h es i m p l e a r c h i t e c t u r e ，i td e c r e a s e st h es y s t e mc o s t ，p r o d u c e sn o to n l yh i g hd e t e c t i o na c c u r a c y a n da ne f f e c t i v er e s u l to fh a r m o n i cc o m p e n s a t i o nb u td e c r e a s e dt h ee v e r ym a i n s e n s i t i v e p a r a m e t e r s o ft h e s y s t e m t h i sp a p e r h a v e p r e s e n t e d a f o u r p h a s e t r a n s m i s s i o nh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d ，w h i c hd i v i d e sa ，b ，c ，df o u r - p h a s e c i r c u i ti n t oa ba n dc dg r o u pa n dc a l c u l a t e se a c hp h a s eh a r m o n i cc u r r e n tv a l u eb y i 口 a n d i q m e a n s c o m p a r i n gt ot h r e ep h a s ec i r c u i th a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ， d u r i n gu s i n go ft h i sw a yt h ep r o c e d u r eo ft h r e e p h a s et ot w op h a s e sa n dt w op h a s et o t h r e ep h a s et r a n s f o r m a t i o ni s n t n e e d e d c o m p a r i n gt os i n g l ep h a s ec i r c u i th a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，t h i sm e t h o dn e e d n tc o n s t r u c t i n gt h r e e p h a s ec i r c u i t b e c a u s eo ft h eu s eo ft h ei 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 ，t h i sm e t h o do fh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nf o rt h r e ep h a s eo rs i n g l ep h a s ec i r c u i tc a ne x p a n d st of o rd e t e c t i o no f h a r m o n i cc u r r e n to ff o u r p h a s ec i r c u i t i ti sw i t hs i m p l ei np r i n c i p l e ，h i g hd e t e c t i o n p r e c i s i o na n dg o o ds t a b i l i t y i tl a y s af o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no ff o u r 。p h a s e p o w e rt r a n s m i s s i o na n dt h ed e t e c t i o no fr e s t r a i n i n gh a r m o n i c n 1 有源电力滤波器滤波技术及其补偿特性的研究 s e c o n d ，s o m eo t h e ra l g o r i t h m s ，s u c ha sl m s ，t h eu n i t a r yl m sa n dt h es i m p l i f i e d l m s ，e t c ，a r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r ，w i t ht h ev a l u es c a l ea n dt h es t a b i l i t yo fl m s a n a l y z e d ，t o o ，a n da na d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t e dm e t h o di sa l s oi n t r o d u c e d b a s e do nt h et h e o r yo ff r e q u e n c ys h i f t t h e n ，a ni m p r o v e da d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t e dm e t h o di sp r o p o s e d ，w h i c hh a sas i m p l es t r u c t u r ea n de a s i lyr e a l i z e d w i t ht h e a p p r o p r i a t es e l e c t i o no ft h ep r o p o r t i o n a lp a r a m e t e rko fi n t e g r a t o r ，t h ed e t e c t i o n a c c u r a c ya n dt h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e dc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y t h i r d ，t h ed e l a ya n dt h e i ri n f l u e n c eo fe v e r yc o m p o n e n t so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a r ep r o p o u n d e d t h e n ，s o m et r a d i t i o n a lp r e d i c t i o nm e t h o d so nh a r m o n i cb a s e do nt h e t h e o r yo fn e u r a ln e t w o r ka r ea n a l y z e d a l lo ft h e mh a v eg r e a t e re r r o rb e c a u s et h e m o d e lo fd a t as e q u e n c em u s tb ee s t a b l i s h e df i r s t l y f o rt h i sr e a s o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t s ap r e d i c t i n gm e t h o db a s e do nw e i g h t e df i r s t o r d e rl o c a la r e at h e o r y ，s ot h a tw ec a n p r e d i c td i r e c t l yb a s e do n t h eo b j e c t i v ep r i n c i p l ec a l c u l a t e dd i r e c t l yb yt h ed a t a s e q u e n c e a n di n c r e a s et h e p r e d i c t i n ga c c u r a c y a n dc e r t i f i c a t i o n a v o i d i n g t h e s u b j e c t i v i t y ，t h i sm e t h o dp r e d i c t st h ed e v i a t i o no ft + 2m o m e n ta t t m o m e n t ，b y c h o o s i n gc o n t r o ls t r a t e g yo ft + lm o m e n ta n dm i n i m i z i n gt h ed e v i a t i o na tt + 2m o m e n t u s i n gt h ew e i g h t e dl e a s ts q u a r em e t h o d t h ep r e d i c t i o np r e c i s i o na n dt h ea b i l i t yo f n o i s ee l i m i n a t i o na r ei m p r o v e db yi n t r o d u c i n gs p a c ed i s t a n c eo fc e n t r a lp o i n ta sf i t p a r a m e t e ri n t op r e d i c t i n gp r o c e s s 。 a n dt h e n ，t h i sp a p e ri sp r e s e n t e dt h a tt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em i x t u r eo fs e r i a l a n dp a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r ，t h eo p t i m a ld e s i g nm e t h o d so ff r e q u e n c ys e g m e n t e d a n dt h ec a p a c i t o ro nt h es i d e o f d i r e c tc u r r e n to ft h ea d v e r s et r a n s f e r t h i sp a p e r p r e s e n t sa no p t i m a ld e s i g nm e t h o db a s e do ni n t e r a c t i o nm u l t i m o d a lg e n e t i ca l g o r i t h m t h i sm e t h o do b t a i n st h es e to fs o l u t i o nt h a ti sg o o df i tt h ep o l i c y m a k e r sd e m a n db y m e a n so fi n a c c u r a t e p r e f e r e n c ei n f o r m a t i o ng u i d i n gg e n e t i cs e a r c h ，r e a l i z e st h e m u l t i m o d a lo p t i m a ld e s i g no ft h ec o s to fp a s s i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m 、t h ev o l t a g ea n d c u r r e n th a r m o n i c s 、t h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h e nt h r e ec o m m o nc o n t r o l l i n g m e t h o d sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ei n d u c e d i nt h i sp a p e r ，t h em u l t i p l e c o n t r o l l i n gm e t h o di sa d a p t e d ，i tn o to n l yc a ni m p r o v et h ee f f e c to ft h eh a r m o n i cf i l t e r s y s t e ma n dr e s t r a i nt h ep a s s i v eh a r m o n i cf i l t e r i n ga n dt h er e s o n a n c eb e t w e e nt h es e r i a l a n dt h ep a r a l l e lc i r c u i t s ，b u ta l s oc a nd e c r e a s et h eb a di n f l u e n c eo fh a r m o n i co nt h e a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dc o n d u c et od e c l i n ei t sc a p a c i t y f i n a l l y , b a s e do ns o m ec o m m o na n di m p o r t a n th a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e r d e r i v e saf o r m u l af o rc a l c u l a t i o ni m p e d a n c e ，s e q u e n c ei m p e d a n c ea n ds e q u e n c e a d m i t t a n c em a t r i xo na c c o u n to ft h eh a r m o n i cs o u r c e s ，a n dp r e s e n t sac a p a c i t ya n d 望：兰竺堡兰 一 i n d u c t i o nm o d e lo fh a r m o n i cs o u r c e t h e nt h i sp a p e ra l s os t u d i e st h ec o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ro nt h eh a r m o n i cs o u r c e b e s i d e s ，i ti sp o i n t e d o u tt h a tt h ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e ri ss u i t a b l ef o r t h ei n d u c t a n c eh a r m o n i cs o u r c e s ， a n dn o tf o rt h ec a p a c i t a n c eh a r m o n i cs o u r c e s ，b u tt h es e r i a lo n ei so nt h ec o n t r a r ya n d n o ts u i t a b l ef o rt h ec o m p e n s a t i o no ft h ec a p a c i t yh a r m o n i cs o u r c e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；i 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 ；h a r m o n i c s ； d e t e c t i o n ；w e i g h t e df i r s t o r d e r l o c a la r e a t h e o r y ；c o n t r o ls t r a t e g y ； o p t i m a ld e s i g n ；c o m p e n s a t i o n v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人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。 作者签名砌扁 日期：2 0 0 5 年2 y 2 8 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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打“v ”) 作者签名：奢勿隋 日期：2 0 。5 年2 月2 8 日 导师签名：毒藁浅，话湘疋日期：2 0 0 5 年2 月2 8 日 博士学位论文 第1 章绪论 本章首先介绍国际国内电网谐波的研究现状和危害，接着介绍了当前常用抑 制谐波和补偿无功的措施，综述了当酶常用的谐波电流检测与预测方法、有源电 力滤波器的优化设计方法与控制策略，以及有源电力滤波器对谐波源的补偿特性； 最后介绍了本课题的选题意义、主要研究内容及主要创新点。 1 1 谐波的研究现状及危害 电能质量，特别是谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注 意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电流波形畸变。1 9 4 5 年j 。c ，r e a d 发表了有关变流器谐波的论文，是早期谐波研究比较有影响的论文到了2 0 世纪 5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，使得谐波污染加剧，人们对其 研究的力度加大，发表了一些有学术价值的研究电力系统谐波的论文 2 1 。近年来， 各种非线性负载特别是新型电力电子器件在电力系统、工业各部门和家用电器产 品中的同益广泛应用，使得谐波电流和无功电流大量流入电网。在日本，换流装嚣 在2 0 0 0 年的普及率和增长率为1 9 8 7 年的2 5 倍，谐波电流和电力系统容量的比例 上升到1 9 9 0 年的2 倍左右。在美国，电力电子装置1 9 9 9 年上升到1 9 9 2 年的4 5 倍左右，电力谐波上升到1 9 9 2 年的2 5 倍左右川。英国有学者认为，自6 0 年代 以来由于电力电子技术的发展，若不对谐波进行有效的控制，在8 0 年代末，英国 的供电电压畸变率可能高达1 0 。我国随着改革开放政策的实施，国民经济的高速 发展，直流输电和柔性交流输电技术的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶余和煤 炭等工业部门中大量应用电力电予设备，以及节能工作中电力电子技术的应用等， 因而谐波污染源的使用数量不断增加，电网电压畸变率不断上升，使得电力系统的 谐波问题日益严重。总之，现在世界各地的谐波污染问题呈逐渐 升趋势。 正是由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波 污染的日趋严重，谐波问题己在世界范围内得到了十分广泛的关注。1 9 8 2 年，国际 电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e t e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 第一次制定了通用 电器设备产生谐波的限制标准一i e c 一5 5 ，并且在以后的执行过程中不断地进行了修 订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达国家已被强制 执行14 1 。1 9 9 3 年，美国电气和电子工程师学会( i n s t i t u t eo f e l e c t r i ca n d e l e c t r o n 简 称i e e e ) 在以上标准的基础上进行了修改和补充，制定了i e e e - - 5 1 9 谐波限制标准 1 5 1 。另外，国际大电网会议( c o n f e r e n c eo fi n t e r n a t i n a lg r e a t n e s sr a t i a r ye l e t i c i t y 简 称为c i g r e ) 、国际供电会议( c o n e r e n c eo f i n t e r n a t i n a lr a t i a r ye l e t i c i t y 简称为 c i r e d ) 等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出 了限制电力系统谐波的相关标准。国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会 有源电力滤波器滤波技术及其补偿特性的研究 议，探讨和交流谐波治理的方法和经验。我国也将谐波的管理、监测和治理等摆 到了十分重要的位置，也先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制电力谐波的规 定和国家标准1 5 ”i 。吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波、夏道止等人1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波、王兆安等人1 9 9 8 年出版的谐 波抑制和无功功率补偿是我国近年来在谐波治理方面发表的具有较大影响的著 作。 近十多年来对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围， 渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电 力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。谐波问题逐渐被 认识和了解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评 估标准的制定，以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。但由于谐波 问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。谐波研究工作概括起来， 可咀划分为四个方面： ( 1 1 谐波功率理论研究； ( 2 1 谐波及其危害和影响分析，制定限制谐波的标准； f 3 1 谐波有关的测量问题； ( 4 1 谐波的补偿和抑制。 本文主要研究后两个方面的内容。 供用电系统中的谐波危害具体表现在以下几个方面【3 ，4 】： ( 1 ) 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率 和利用率。由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因 集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率和 电能损耗，使导体的发热加剧。 f 2 ) 影响继电保护和自动控制装置的工作可靠性。谐波对电力系统中以基波负 序量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，会引起发电机负序电流保护 装置误动作、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动作， 母线差动保护的负序电压闭锁元件误动作等，严重威胁电力系统的安全运行。 ( 3 ) 使测量和计量仪器的指示和计量不准确。由于电力计量装置都是按5 0 h z 标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电 能表的正常工作。在有谐波源的情况下，谐波源用户处的电能表记录了该用户吸 收的基波电能并扣除一小部分谐波电能，从而谐波源不仅污染了电网，而且还少 交了电费；而与此同时，在线性负荷用户处，电能表记录的是该用户吸收的基波 电能及部分的谐波电能，这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多 交电费。 ( 4 ) 干扰通信系统的工作。电力线路上流过的3 、5 、7 和1 1 次等幅值较大的奇 博士学位论文 次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压，干 扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端情况下，还会威胁 通信设备和人员的安全。另外高压直流换流站换相过程中产生的电磁噪声会干扰 电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置误动作。 ( 5 ) 对用电设备的影响。谐波会使电视机和计算机的图形畸变，画面亮度发生 波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于 带有启动用的镇流器和提高功率因数用电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一 定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。 对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。 日本电气学会1 9 9 7 年发表了一项有关谐波危害的报告【4 i ，该报告指出进入9 0 年代以后，每年由谐波引起的电网故障率比9 0 年代之前要高得多。在被调查的3 6 3 次事故中，引起设备烧毁的故障次数最多，有1 2 4 次，是总数的3 4 3 。其次是引 起设备工作异常的故障有8 9 次，是总数的2 4 。6 。我国的情况大体与此类似【2 1 。 1 2 治理谐波的方法 解决电力谐波污染问题，目前主要有两种途径。一种是对谐波源本身进行改造 1 9 ，使其不产生谐波也不消耗无功，在产品设计时就考虑减少和抑制谐波措施，这就 是所谓的“防病”方法。通常采用以下几种措施 2 s j ： 1 多相整流技术 对于大功率相控整流器，一般是采用增加整流相数，通过采用适当的控制方法， 可以大大减少相控整流器产生的谐波。但由于相控整流方式中增加整流相数会受 到许多限制，另外，也不可能无限地增加相数，因而采用多相整流技术不能从根 本上解决谐波问题。必须考虑另外的治理谐波措施加以解决。 2 脉宽调制整流技术 对于中等容量的变流器，可采用自关断器件构成的p w m 整流器。对于电流型 p w m 整流器，可直接控制整流桥中的电力电子半导体器件，使其输入电流为接近 正弦波且与电源电压同相的p w m 波形，从而得到接近于1 的功率因数。对于电压 型整流器，需要将整流器通过电感与电源相连，通过控制电感中的电流，使整流 器的输入成为与输入电压相同的正弦波。 3 功率因数校正器 近年来，随着彩电、个人计算机以及大量办公设备的广泛使用，每一个这样 的负载都是一个小功率的谐波源，大量小功率谐波源对电力系统也构成了严重的 谐波污染。而且这种谐波源由于分布很广而很难集中治理。目前一般采用在整流 二极管与滤波电容之间插入一个电流整形器或叫做功率因数校正器。 以上讨论的“防病”方法仅仅是对自身性能的改进，可以减少谐波源对电网的污 有源电力滤波器滤波技术及其补偿特性的研究 染。但由于电力系统的庞大和复杂，电力电子器件的开关工作状态，因而电力系 统本身存在较大的谐波污染。 因此，必须采用另钋一种途径，即加装谐波抑制装置”。l o ： 1 源电力滤波器 在电力系统中，采用无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为p p f ) 一 直是传统补偿谐波和无功的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、 运行费用低。但是无源滤波器对电网频率的变化是极其敏感的，电网频率稍微偏 离额定频率点，无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外，电网阻抗的变化、 滤波器元件的生产误差、老化或其它原因引起的参数偏离理想的设计值，也将导 致无源滤波器滤波性能的下降。并且，安装l c 无源滤波器很有可能在系统中形成 串并联谐振回路【2 1 ，导致电网谐波电流的传播和放大，造成电网电压波形的畸变。 为了避免在主要谐波频率处发生串、并联谐振，无源滤波器的调谐频率往往设计 成稍微偏离主要的谐波频率，而这又将影响无源滤波器的滤波性能。此外，由于 无源滤波器由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大。因此，无源电力滤 波器必将被效率高、动态补偿特性好的有源电力滤波器所取代。 2 有源电力滤波器 有源电力滤波嚣：( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a p f ) 是一种用于动态抑制谐波和 补偿无功功率的新型电力电子装置，其基本工作原理是从补偿对象即谐波源中检 测出需要补偿的分量，比如谐波电流或无功电流分量，由a p f 产生个与补偿分 量大小相等方向或极性相反的补偿分量，以使被补偿分量和a p f 产生的补偿分量 相互抵消，从而使电网电流只含基波分量，重新成为正弦电流i ”。w 。有关a p f 的 思想早在上个世纪六七十年代就已有学者提出m 、1 9 1 。b i r dbm 和m a r s hjf 等人在 1 9 6 9 年发表的论文中，描述了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，从而改善其波形的新方法，这实际上是a p f 思想的萌芽。1 9 7 1 年s a s a k i h 和m a c h i d at 的论文最先较为完整地描述了a p f 的基本工作原理。由于当时在 a p f 中采用线性放大器来产生补偿电流，因而损耗较大，成本较高，使a p f 没有能 够被实用化。1 9 7 6 年，在g y u g y il 等人提出了采用脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 控制变流器构成的a p f 后，才确立了a p f 较为完整的 概念和主电路的拓扑结构。丽实际上直到进入8 0 年代以后，由于新型电力半导体 开关器件的出现，p w m 控制技术的发展，以及a k a g ih 等学者基于瞬时无功功率 理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，a p f 才得以迅速发展 1 8 2 2 】。 a p f 可分为串联型a p f 和并联型a p f 。在串联型和并联型a p f 中，又可根据 有源电力滤波器与补偿对象的连接关系，分成单独使用的串联型a p f 、单独使用 的并联型a p f 和混合型a p f 等多种形式，其系统构成如图1 1 所示。单独使用的 串联型a p f 和并联型a p f 如图1 2 所示j 博士学位论文 图1 1a p f 的分类 a l 卜a r ( a ) 串联型a p f ( b ) 并联型a p f 图1 2 单独使用的a p f 串联型a p f 主要用于补偿电源电压畸变，保证负荷用电质量，提高系统稳定 性，适用于对电压型谐波源负载进行补偿。构成的系统具有有源滤波装置容量小、 运行效率高等优点。但却存在要求绝缘强度高、难以适应线路故障条件等缺点。 并联型a p f 主要用于补偿电网电流谐波、负载无功和提高电网功率因数，适用于 对电流型谐波源负载进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗变化的影响，是一种较 为理想的补偿装簧。目前投运的绝大部分是并联型a p f 。但是并联型a p f 由于有 源滤波装置容量相对较大，存在初期投资大和运行效率低的缺点。 它与无源电力滤波器相比，具有明显的优势1 2 螂1 ： ( 1 ) 跟踪补偿频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功，对补偿对象的变化 响应快； ( 2 ) 实现对谐波和无功功率同时补偿，且补偿无功功率的程度连续可调； ( 3 ) 补偿无功功率时理论上不需储能元件，补偿谐波时储能元件的容量也不 必太大； ( 4 ) 可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； ( 5 ) 补偿特性基本上不受电网阻抗的影响，不易与电网阻抗发生谐振： ( 6 ) 即使补偿对象电流过大，也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； 有源电力滤波器滤波技术及其补偿特性的研究 ( 7 ) 既可对一个谐波源单独补偿，也可对多个谐波源集中补偿。 国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，1 9 8 2 年第一台实用的有源电力滤 波器装置投入实际运行，现已步入实用化阶段。尽管如此，由于a p f 初期投入大， 补偿容量难以做大等原因，使得a p f 未能普及应用。因此，目前在理论和应用两 方面都存在许多问题需要进一步研究和解决。 由p p f 和小容量a p f 共同组成的混合型有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r ，简称h a p f ) ，它具有成本低和滤波效果好等诸多优点，越来越受到人们的 重视。它主要由无源滤波器抑制谐波和进行无功功率补偿，有源滤波器则只用来 改善无源滤波器的滤波效果。这是目前a p f 应用研究的一个重点。现有的混合式 补偿方式主要有以下几种【2 _ 8 】： ( 1 ) a p f 与p p f 直接并联使用 将a p f 与p p f 直接并联使用，图1 3 给出了串联型a p f 与p p f 混合使用的 结构图。无源滤波器补偿系统中大部分比较固定的低阶谐波分量，a p f 补偿变化 的高阶谐波分量。这样取长补短，合理分担补偿需求，可以使a p f 的容量大幅度 减小。但这种补偿方案中。由于并联的l c 滤波器的影响，负载的等效谐波阻抗将 变小。当不满足负载谐波阻抗远大于电网谐波阻抗的条件时，a p f 的补偿性能将 受电网阻抗变化的影响，而且a p f 的补偿电流还可能注入无源l c 电路中。 ( 2 ) a p f 与p p f 直接串联使用 将a p f 与p p f 直接串联使用，图1 4 给出了并联型a p f 与p p f 串联的结构图。 使l c 无源滤波器承受基波电压，而a p f 只承受谐波电压，也可以显著降低a p f 的容量。这种方法的缺点是，l c 无源滤波器的特性对a p f 工作特性的影响较大。 a p f 图1 4 a p f 与p p f 直接串联使用 将l c 电路作为逆变器的注入电路，利用电感和电容的谐振特性，使a p f 不 承受或只承受较小的基波电压，从而减小逆变器容量，降低成本。串联谐振注入 式补偿电路如图1 5 所示。通过选择c ，和l 的值使其对电网基波频率产生串联谐 振，系统电压由c 1 承担。这样，在理想情况下，a p f 仅承担谐波电压。并联谐振 注入式补偿电路图1 6 所示，同样通过选择厶和c 1 的值，使其对电网基波产成并联 谐振，从而使g 的电压即a p f 承受的电压不包含基波电压。从而达到减小a p f 容 博士学位论文 量要求的目的。 图1 5 串联谐振注入式补偿电路图1 , 6 并联谐振注入式补偿电路 ( 4 ) 通用电能质量调节器 通用电能质量调节：器( u n i v e r s a lp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ，缩写为u p q c ) 是一 种新型的综合电能质量控制装置，如图1 7 所示。它综合有两