（高电压与绝缘技术专业论文）并联型有源电力滤波器的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 非线性负荷和各种换流设备的广泛应用，使得电力系统的谐波污染问题变得 十分严重。大功率晶闸管整流传动装置、直流侧含有滤波电容的二极管整流电路、 大型炼钢电弧炉和相空电抗型静止无功补偿装置运行时会产生谐波，大量的荧光 灯、彩电、个人电脑及办公设备等也是较为严重的谐波源。谐波的存在会对电力 系统本身以及通信系统等造成一系列的危害，因此，有效地消除电网中的这些有 害电流则成为一个亟待解决的问题。 有源电力滤波器是一种理想的谐波和无功电流发生器，它计算出负载电流所 含的谐波成份并产生与之相位相反的电流注入电网，使得电网电流只含有基波成 份，达到滤波的目的。由于有源电力滤波器采用全控型器件和实时控制策略，因 而能对变化的谐波与无功实施快速补偿。与无源滤波器相比，它还具有补偿特性 不受电网阻抗的影响、不产生寄生振荡等优点。随着电力电子器件、计算机、控 制技术的发展，有源滤波得到了迅速的发展和实际运用。本文对有源电力滤波器 的电路拓扑、工作原理及工作特性进行了深入的研究分析。 目前，有源电力滤波器谐波电流检测主要采用瞬时无功功率理论，但分析表 明，这些方法适用的条件是有限的，特别是在电压波形严重畸变的工况下，并不 能实现正确的无功与谐波电流补偿。因此，现有的补偿电流检测算法，在电压和 电流同时瞬变的类随机性负荷条件下，会产生较大误差。本为基于正交数学变换， 综合运用p - q 法和f p i q 法，提出了一种有效检测三相电路中基波正序瞬时有功电 流的方法，它可通用于任何工况的三相电路( 包括三相三线制、三相四线制、电 压与电流严重不对称或含有谐波等) ，仿真结果表明，可较好地解决电压不对称 正弦时强非线性负荷的瞬时无功与谐波电流补偿算法问题。 有源电力滤波器直流侧电容为电压型变流器提供一个稳定的且足够高的直 流电压以使全控型器件动作时能向交流侧提供足够的谐波能量，滤波器与电网连 接点之间要接入一电感以使电压型有源电力滤波器输出的电压脉冲信号转换成 电流信号送入电网。电容和电感的大小不仅直接影响到滤波器的滤波性能，也是 构成滤波器造价的主要部分。本文深入讨论了目前滤波器设计中所采用的电容、 电感计算方法，具体分析了各种选择策略的适用背景和优缺点。 山东大学硕士学位论文 由于有源电力滤波器中的谐波电流计算，无功功率计算，主电路电力电子器 件控制策略等的计算量大，对实时性的要求强，一般的通用c p u 和低速d s p 难 以胜任，因此需采用高速d s p 芯片进行控制及计算。综合各方面考虑，本文设 计的并联型有源电力滤波器装置采用了s o cd s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 ，这样系统 的抗干扰性能较好一些。为保证系统的可靠性，采用智能功率模块( i p m 模块) 来组成主电路系统。p m 模块的输出电流大，耐压高，驱动电流小，基本可以满 足要求。试验结果表明，将该装置接入到4 0 0 v 低压线路，可以有效地补偿非线 性负载的谐波电流成份，使电源电流接近为正弦波。 关键词：电力系统；无功电流；谐波电流；检测；有源电力滤波器 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e i n gu s e dw i d e l yi nt h ei n d u s t r i a ld o m a i na n dn o r m a ll i f e ，n o n l i n e a rl o a d sa n d c u r r e n tc o n v e r t o r sb r i n gs o m eb i gp r o b l e m si n t ot h ep o w e rs y s t e ma sw e l la s c o n v e n i e n c e t h y r i s t o rr e c t i f i e r s ，d i o d er e c t i f i e rc i r c u i t s 惭t l lc a p a c i t o ro nt h ed c s i d e ，a r cf u r n a c e sa n ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r sa r et h em a i nh a r m o n i cs o u r c e ，am a s s o ff l u o r e s c e n tl a m p s ，c o l o rt e l e v i s i o n sa n dp e r s o n a lc o m p u t e r sa l s oi n j e c th a r m o n i c s i n t ot h eg 硼h a r m o n i c sc a nc o n t a m i n a t et h ep o w e rs y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m ，c o n s e q u e n t l y , i ti si m p o r t a n tt or e m o v et h eh a r m o n i cc u r r e n t sf r o mp o w e r s y s t e m a c t i v ep o w e rf i l t e r f ) i sa ni d e a lh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sg e n e r a t o r c o m p a r e d 、析lp a s s i v ep o w e rf i l t e r , i tc a nr e m o v et h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c o m p o n e n tf r o mt h ep o w e rs y s t e mu n d e p e n d i n go np o w e rs y s t e mi m p e d a n c ea n d c a u s en or e s o n a n c e a p f sc i r c u i tt o p o l o g y , w o r kp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c sa r e a n a l y s e dt h o r o u g h l yi nt h i sp a p e r p r e s e n t l yi na c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n o l o g y , t 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 ( i r p ) t h e o r y b a s e dm e t h o d o l o g i e sf o rh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n t s d e t e c t i o na r ep r e d o m i n a n t l yu t i l i z e d ，i e t h ep - qa n d p - m e t h o d s h o w e v e r , d e t a i l e da n a l y s i ss h o w st h a tt h ea p p l i e dc o n d i t i o na n ds c o p eo ft h e s em e t h o d sa r e q u i t el i m i t e d t h ep r e v a i l i n gc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h r n sa v a i l a b l ef o rh a r m o n i c s a n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r en ol o n g e rs u i t a b l ef o rt h ei n t e n s i v e l yn o n - l i n e a r l o a d sl i k ea r cf u r n a c e sw i t hb o t ht h e v o l t a g e s a n dc u r r e n t s v a r y i n g q u a s i - s t o c h a s t i c a l l y b a s e do n o r t h o g o n a l m a t h e m a t i ct r a n s f o r m sa n dw i t l l c o m b i n a t i o no fb o t l lt h e p qa n dp - qm e t h o d s ，t h ep a p e rp r e s e n t sa ne f f e c t i v e a l g o r i t h mt oa c c u r a t e l ye x t r a c tt h ei n s t a n t a n e o u sp o s i t i v e s e q u e n c ea c t i v ec u r r e n t so f b a s e f r e q u e n c y , w i t h o u tu s i n gp l l t h em e t h o d o l o g yi si nag e n e r a l i z e d 啊l ea n d c a nb ea p p l i e dt ot h r e e - p h a s ec i r c u i t so fa n yp o s s i b l ew o r k i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n g t h r e e - p h a s e t h r e e - w i r e s y s t e m s ，t h r e e - p h a s e f o u r - w i r es y s t e m s ，a s y m m e t r i co r h a r m o n i cv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m s ，e t c ，a n dh e n c eg i v e saf e a s i b l es o l u t i o nt o 山东大学硕士学位论文 i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n t sd e t e c t i o nf o rq u a s i s t o c h a s t i c l o a d se s p e c i a l l yw i t hs u p p l yv o l t a g e si ns e v e r e l yd i s t o r t e dw a v e f o r m s t h ec a p a c i t o ro nt h ed cs i d eo fa p fc a np r o v i d ea s t e a d yv o l t a g et ot r a n s m i t h a r m o n i cp o w e ri n t oa cs i d e ，t h ei n d u c t o rb e t w e e na p fa n dp o w e rs y s t e mc a l l t r a n s f o r mt h ev o l t a g es i g n a lt oc u r r e n ts i g n a l t h r o u g ht h ed e s i g no fa p f , b o t ho f t h ev a l u eo fc a p a c i t o ra n di n d u c t o ra lev i t a lt ot h e e f f e c ta n dc o s to fa p et h e s e l e c t i o na l g o r i t h m so f c a p a c i t o ra n di n d u c t o ra tp r e s e n ta r ec o m p a r e di nc h a p t e r4 a d e s i g ns c h e m ef o ra c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nt m s 3 2 0 f 2 810i sp r e s e n t e di n c h a p t e r5 t h ed s p c o n t r o l st h ei n t e l l i g e n c ep o w e r m o d u l e ( i p m ) a n dt h ei n d u c t o r s t op r o d u c et h ec u r r e n tr e v e r s e di np h a s ew i t ht h ed e t e c t e dc u r r e n t , w h i c hi sp e n e t r a t e d i n t ot h ep o w e rs y s t e m t h em i x e dw a v eo ft h ep r o d u c e dc u r r e n ta n dt h el o a dc u r r e n t w i l lb es i n ew a v ew h i c hi si nt h es a m ep h a s ew i t ht h e 鲥dv o l t a g e t h e r e f o r e ，t h e h a r m f u li n f l u e n c eb r o u g h tb yt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t sw i l lb ee l i m i n a t e d k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r i c a ls y s t e m ，r e a c t i v ec u r r e n t s ，h a r m o n i cc u r r e n t s ，d e t e c t i o n , i v a c t i v ep o w e rf i l t e r 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：童盟堡日期：兰皇堡：厶 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：爰监导师签名： 山东大学硕士学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系 统中，电源以单一恒定频率( 5 0 i - i z 或6 0 h z ) 的正弦变化规律向电网供电。电网可近 似为一个线性时不变系统，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率 随时间按正弦规律变化的量。这些电压和电流彼此之间也仅存在幅值和相位的差 异。一般地说，一个实际电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技 术的发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增大，理想电力系统的近似程度 变差。直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生周期性畸变。从频域的观点， 在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分 量) ，而且出现了一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量( 高次谐波分量) ，这 一系列正弦分量统称为电力谐波。 国际上公认的谐波含义为i m 】：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频 率为基波频率的整数倍”。在国际电工标准( i e c 5 5 52 ，1 9 8 2 ) 和国际大电网会议 ( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的h 次分量”。 i e e e 标准中【习( 参见正e e 标准5 1 9 1 9 8 1 ) 定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分 量，其频率为基波频率的整数倍”。 谐波的存在影响到整个电力系统的电气环境，包括系统本身和广大用户。由 谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不必要的 损失。因此，近年来，电力谐波问题受到各国政府和科技界的广泛关注卜7 】。谐 波的危害主要表现在以下几个方面【8 】： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗，一方面增加了电力系统 的损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，另一方面使元件发热，恶化绝缘条 件，缩短设备的使用寿命； ( 2 ) 谐波使电网电压发生畸变，从而改变机电保护系统的动作特性，造成误 动或拒动，使电气测量仪表不能准确测量： ( 3 ) 谐波会对邻近的通信系统产生电磁干扰，引起通信系统的噪声，降低通 山东大学硕士学位论文 信质量，干扰严重时会引起信号的丢失，使通信系统无法正常工作，并使敏感的 电子设备和自动控制系统紊乱，而导致电力电子装置自身的控制系统不能正常工 作： ( 4 ) 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。 这使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 随着全世界工业化进程的不断加快，尤其是直流输电和柔性交流输电系统 ( f a c t s ) 的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶金、煤炭等工业部门中大量 应用电力电子设备，以及节能工作中电力电子技术的应用【9 1 2 1 等，这些都使得电 力系统的谐波问题日益严重，从而将谐波的管理、监测和治理等摆到了十分重要 的位置。 1 2 抑制谐波的方法 目前解决谐波问题的思路有两条1 3 】：主动型：对电力电子装置本身进行改 造，使其不产生谐波，且功率因数为l ，这只适用于作为主要谐波源的电力电子 装置；被动型：装设谐波补偿装置来补偿谐波，主要包括无源滤波和有源滤波两 类，这对各种谐波源都是适用的。 1 2 1 主动型的变流器谐波抑制方案 ( 1 ) 多重化技术 对于大容量变流器，将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接 近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，当然电路结构也越复杂。因 此这种方法一般只用于大容量的场合。多重化技术与p w m 技术相配合，可取得 更为理想的结果。对电流型变流器，将方波电流波形叠加，可以使输入电流是接 近正弦且与电源电压同相位的阶梯波，其多电平结构和控制方法有相移多重化、 顺序控制和非对称控制多重化等。对电压型变流器，必须用连接电感与交流电源 相连，大多采用相移多重化，将方波电压叠加，使得变流器在网侧产生的电压是 接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。 ( 2 ) 多脉整流及准多脉整流 利用变压器的不同连接的移相作用与一般整流电路结合，可以构成多脉整 2 山东大学硕士学位论文 流；将多脉整流与控制移相结合，可以构成准多脉整流。大功率电力电子装置( 几 百千瓦以上) 常采用1 2 脉或2 4 脉变流器以减小网侧谐波电流，理论上讲，脉数愈 多，对谐波的抑制效果愈好，但是脉数愈多，则整流变压器的连线愈复杂，体积 愈大，成本也愈高，因此脉数并非愈高愈好。 ( 3 ) 脉宽调n ( p w m ) 技术 对于几百k v a 以下中小功率的应用，可以利用功率因数校正技术，来提高网 侧功率因数和消除网侧的谐波电流。由于采用的是中高频p w m 调制技术，所以 不需要工频变压器，但装置成本要增加2 0 。 1 2 2 被动型的谐波抑制方案 1 无源滤波 传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用滤波电容器、滤波 电抗器、电阻等无源器件构成无源滤波器，也称为l c 滤波器。该无源滤波器与 需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需的无 功功率。l c 滤波器可分为单调谐滤波器、多调谐滤波器、高通滤波器【1 和1 5 1 。 ( i ) 单调谐滤波器 山东大学硕士学位论文 器中，而对于其他次谐波，滤波器通道的谐波阻抗较大。这种滤波器结构简单， 因此得到广泛使用。 ( i i ) 多调谐滤波器 多调谐滤波器有多个谐振频率，相当于多个并联的单调谐滤波器。现以双调 谐滤波器为例，分析其特性。其电路图和阻频特性如图1 2 所示。 l r 国( ，q ) 图1 2 双调谐滤波器电路图及其阻频特性 双调谐滤波器基波损耗较小，但结构比较复杂，调谐困难，在实际应用中较 少，在工程中还是多应用单调谐滤波器组。 ( i i i ) 高通滤波器 r l r 【砷 c o )【c )【 图1 3 高通滤波器电路图 高通滤波器包括一阶、二阶、三阶和c 型四种，其电路图如图1 3 所示。 其中，图( a ) 所示一阶滤波器基波损耗较大，在截止频率较低时所需电容值 也很大，故一般只用于滤除较高次谐波，而不适合于截止频率较低的情况，实际 工程中应用较少。图( b ) 所示二阶滤波器滤波性能好，但是其基波损耗仍比较大。 4 c r 工tjn-卜l上一 山东大学硕士学位论文 图( c ) 所示三阶滤波器同二阶相比增加了一个电容，这个电容容量较小，却提高 了滤波器对基波的阻抗，从而大大减小了基波损耗。图( d ) 所示c 型滤波器，其 滤波特性介于二阶和三阶之间，且其串连l c 谐振在基波频率上，故其基波损耗 最小。 无源滤波器具有成本较低、结构简单、运行可靠、维护方便等优点，但它也 存在如下缺点【1 6 17 】： ( 1 ) 只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使 谐波放大； ( 2 ) 只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿； ( 3 ) 其滤波特性受系统参数影响较大，且其滤波特性有时很难与调压要求相 协调； ( 4 ) 重量与体积较大等等 ： ： - 一、 _ - 2 有源滤波 针对无源滤波技术的上述缺点，学者们提出了“有源电力滤波器”( a c t i v e p o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 的概念。a p f 是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电 力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤 波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。 与无源滤波器相比，a p f 具有以下优点“ ( 1 ) 对功率开关器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果； ( 2 ) 当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响；。! 一：一：薯之秘 ( 3 ) 不会与电网发生串连并联谐振现象，且能有效地抑制系统与无源滤波 器之间的谐振； ( 4 ) 不存在过载现象，当负载谐波电流较大时，仍能继续运行。 有源电力滤波器的推广应用必将给电力工业带来巨大的经济效益和社会效 益。 山东大学硕士学位论文 1 3 有源电力滤波器的研究及发展现状 1 3 1 有源电力滤波器的发展历史 早在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的新方 法【l 引。尽管作者在该文中未提出有源电力滤波器这一概念，但其所描述的方法 是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a l l 9 1 发表的论文中，首次完整地描述了有源电 力滤波器的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗 大，成本高，因此仅在实验室中研究，未能在工业中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 2 0 1 等人提出了采用p w m 变流器构成的有源电力滤波器， 确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念、主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原 理上看，p w m 变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子 技术和大功率可关断器件的限制，对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8 0 年代以来，随着大功率可关断器件如大功率晶体管( g t r ) 、大功率门 极可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等快速 器件的发展，以及p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起 来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的重大突破是，1 9 8 3 年日 本学者赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论【2 1 】，以该理论为基础的 谐波和无功电流检测方法在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。投入实际运行的绝大多数有源电力滤波器都是以该理论 为基础，来检测负载侧的谐波和无功电流。 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国以及德国 等工业发达国家已得到了高度的注视和日益广泛的应用。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。自1 9 8 1 年以 来，仅在日本已有1 0 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由5 0 n 呱到6 0 m v a 哗j 。1 9 9 4 年，有源电力滤波技术成功由a b b 公司应用于电力系统直流输电中。a p f 功能也 越来越丰富，除补偿电流外，还具有补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪 6 山东大学硕士学位论文 变等功能。与国外已广泛应用a p f 相比，我国的有源滤波技术还处在实验室研究 和工业化实验阶段，工业应用上只有少数样机投入运行，这与我国目前谐波污染 日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进 行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 1 3 2 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器一般可分为两大类【2 3 2 4 1 ：直流有源电力滤波器、交流有源 电力滤波器。直流有源电力滤波器用来消除h v d c 系统中换流器直流侧的电压、 电流谐波；而交流有源电力滤波器则用于交流电力系统的谐波补偿。一般无特别 说明，有源电力滤波器均指交流有源电力滤波器。从不同的角度出发，有源电力 滤波器有多种不同的分类方法。 1 储能元件 ( a )( b ) 图1 4 ( a ) 电流型a p fc o ) 电压型a p f 根据有源电力滤波器主电路直流侧储能元件的不同，可以分为电流型a p f 和 电压型a p f 。图1 4 ( a ) 所示为电流型有源电力滤波器。电流型变流器的直流侧接 电感作为储能元件，等效于一个可控的电流源，以补偿非线性负载产生的谐波电 流。电压型有源电力滤波器采用一个大电容作为储能元件接在变流器的直流侧， 功能等效于一个电压源，其接线形式如图1 4 ( b ) 所示。连接电网和变流器的电感 起滤波作用，并把变流器输出的电压脉冲序列变为所需的补偿电流。电压型a p f 的优点是损耗较少，效率高，是国内外绝大多数a p f 采用的主电路结构。虽然电 压型a p f 在降低开关损耗、消除谐波方面占有一定优势，但电流型a p f 能够直接 7 山东大学硕士学位论文 输出谐波电流，不仅可以补偿正常的谐波，而且可以补偿分数次谐波和超高次谐 波，并且不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，因而在可靠性和保护 上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研究，一旦超导储能磁体实用化，必可 取代大电感，促使电流型a p f 的应用增多。 2 接入系统 根据有源电力滤波器所接入系统的不同，可以分为单相有源电力滤波器、三 相三线有源电力滤波器和三相四线有源电力滤波器。 单相有源电力滤波器使用电流型或电压型变流器减少谐波畸变。除了抑制电 流谐波，单相有源电力滤波器还可以用来消除电压波动、电压下跌、电压浪涌、 电压切痕，以及补偿无功。对应用于单相电网的有源电力滤波器的研究，更主要 的是因为对其控制进行讨论时比较简单，而且将结果应用于三相系统也毫无问 题。 三相三线有源电力滤波器应用于三相三线制电力系统，对由三相三线负载产 生的谐波进行补偿，是目前讨论最多的一种形式。但是在实际电网中，三相四线 制系统是非常普遍的。尤其是，在低压配电系统中，三相四线制供电方式是最主 要的供电方式，在工业现场和民用建筑中得到广泛应用。三相四线制系统区别于 三相三线制系统的关键在于存在零线。零线谐波电流一方面使得零线电流大大超 过了它的设计值，造成中线故障；另一方面使得变压器过热，造成绝缘破坏，同 时还会造成中线对地电势提升。三相四线制电网中的谐波和三相不平衡问题越来 越引起人们的重视，其所占的谐波比重也逐年增加，近几年，各国学者对适用于 三相四线制系统的有源电力滤波器也做出了很多有益的探索和研究。 3 接入电网方式 8 ( a ) 懋 山东大学硕士学位论文 【e ) 图1 5 a p f 接入电网方式 ( a ) 并联型a p f ( b ) 串联型a p f ( c ) 与l c 滤波器并联使用的并联型a p f ( d ) 与l c 滤波器串联使用的并联型a p f ( e ) 与l c 滤波器混合使用的串联型a p f 根据接入电网的方式分类，有源电力滤波器可分为并联型a p f 、串联型a p f 、 串并联型a p f 以及混合型a p f 。图1 5 ( a ) 所示并联型a p f 可以看成电流源，它 通过注入补偿电流来补偿电流型负载的谐波、无功和负序电流；图1 5 ( b ) 所示串 联型a p f 主要消除电压型谐波源对系统的影响。与并联型a p f 相比，由于串联型 a p f 中流过的是正常负载电流，因此损耗较大。此外，串联型a p f 的投切、故障 后的退出及各种保护也较并联型a p f 复杂，因此，它的使用范围受到很大的限制。 为了减小a p f 的容量、提高其性能、降低其成本，可将并联型或串联型有源电力 滤波器与无源l c 滤波器混合使用，组成混合型有源电力滤波器，如图1 5 ( c e ) 。 近几年，出现一种将并联型和串联型有源电力滤波器结合使用的新型有源电力滤 波器，它结合了串联型和并联型有源电力滤波器的特点，可对电源电压和负载谐 波综合补偿。因此，它又称为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y 9 山东大学硕士学位论文 c o n d i t i o n e r ，缩写u p q c ) ，在柔性交流输电( f a c t s ) 中得到了广泛应用。 4 主电路的形式 根据主电路的形式，有源电力滤波器可分为单个主电路有源电力滤波器和多 重化主电路有源电力滤波器。后者可以增大有源电力滤波器的容量，提高等效开 关频率，减小单个器件的开关损耗，改善补偿电流的跟随特性。 1 3 3 有源滤波器研究中的问题 虽然从长远看推广应用a p f 有很大的技术经济效益，但是目前以下几个问题 亟待解决【2 5 】： ( 1 ) 降低装置的价格 从用户的角度希望能将其价格降到可以与l c 滤波器相比拟的程度，并且尽 快收回成本。目前电力电子装置的价格已成为推广应用的关键。但是从长远的 角度考虑，一方面a p f 可以显著地改善供电质量，甚至可以提高系统的稳定性， 另一方面随着电力电子工业的发展，器件的性能价格比在不断地提高。因此a p f 经济的合理性将日益明显，在目前则可以采用l c 滤波器的并用来降低成本。 ( 2 ) 进一步增大装置的容量 大容量的a p f 随着需求的增加变得越来越重要，特别是作为闪变抑制用的滤 波器兼作功率因数补偿装置更是如此。由于电力系统大容量和高电压的特点， 目前应用中最大的g t o ( 6 0 0 0 v 4 0 0 0 a ) 不论从电压或功率上均远远满足不了要 求。为了解决此问题，g t o 串联技术的开发成为必要。日本推出的产品中有用 到1 2 支g t o 的串联实例。而又由于大功率的g t o - i - 作频率较低( 数百赫兹) ， 为了降低损耗，提高等效的开关频率，就必需采用多重化技术。这些技术的开 发是当前实现大容量化的关键。 ( 3 ) 控制系统的简化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流， 要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。基于瞬时无功功率 理论的各种检测计算电路，用传统的模拟电路实现时，其线路较为繁琐、结构 较为复杂、电路调试困难。随着高速数字信号处理器( d s p ) 的出现，采用数字化 方法来控制有源电力滤波器己成为有源电力滤波器的发展趋势之一。采用数字 1 0 山东大学硕士学位论文 化控制的有源电力滤波器具有运算速度快、编程方便、稳定性及可重复性好、 精度高、集成方便等优点。 ( 4 ) 多功能化 a p f 应不仅用作高次谐波补偿，同时还可以抑制闪变，稳定系统电压，补偿 无功功率等。一机多能显然从经济上最合理。 ( 5 ) 降低损耗 采用合理的开关频率，选择适当的吸收回路( 如能量反馈吸收回路) 以及较低 无吸收回路的g t o 等，以提高装置效率。 ( 6 ) 提高系统的可靠性，包括过压、过流等保护技术，故障诊断技术及电磁 兼容技术的研究和开发。 上述问题涉及电力电子技术，微机控制技术，非正弦条件下无功功率的理论 及其检测，现代控制理论以及数字仿真技术等诸多实践和理论问题，因此a p f 的 开发研究具有相当大的难度，特别是我国目前在a p f 及有关技术方面尚处于起步 阶段，困难就更大。 1 4 本文的主要研究内容 目前实际应用中主要采用并联型有源电力滤波器，本文也将以三相并联型 a p f 为对象开展研究工作。 1 ) 有源电力滤波器谐波电流检测算法的研究。三相电路瞬时无功功率理论 在谐波和无功电流检测方面得到了成功的应用。p q 法将三相电压和电流信号经 0 【p 变换为有功分量和无功分量，经低通滤波器滤除其高频分量，将剩余的直流 分量再反变换到三相坐标系下即为系统的基波成份。用负载电流减去基波电流便 得到需要补偿的谐波成份。在三相电压为对称正弦波时p - q 能准确的计算出谐波 电流，但当电压发生畸变时会造成较大的误差，拓毛法不直接使用三相电压信号， 而是根据系统电压频率构造出s i n c o t 、e o s c o t 信号代替三相电压的作用，进而解决 三相电压不对称的问题，其中关键所在是准确跟踪电网的频率确定s i n c o t 、c o s c o t 信号，一般情况下采用锁相环。而按照锁相环的工作原理，它只能准确跟踪单一 频率的平稳信号，对于含有谐波畸变的非正弦信号，存在着跟踪误差。 本文比较了各种方法的优缺点，并基于正交数学变换，综合运用p - q 法和i v q 山东大学硕士学位论文 法，提出并分析了一种有效检测三相电路中基波正序瞬时有功电流的方法，该方 法可较好地解决电压不对称正弦时强非线性负荷的瞬时无功与谐波电流补偿算 法问题。其核心是根据实际三相系统构造出一个理想的基波对称系统，使该三相 系统的有功功率等于原来非理想三相电路的基波正序有功功率。此时的三相基波 对称系统已满足p - q 法所需的假设条件，即可准确计算出电流的基波正序有功分 量，从负载电流中减去基波正序有功分量便可得到所需补偿的谐波与无功电流成 份。 采用同样的方法，本检测算法还可以推广至实现任意次谐波正序或负序有 功、无功电流的检测与分解。 2 ) 并联电压型有源电力滤波器直流侧以电容作为储能元件，其稳定电压要 高于交流侧相电压峰值才能将谐波能量传送到电网侧。当补偿谐波和基波无功电 流时，电网与逆变器直流侧虽不产生有功能量的交换( 即电容电压周期平均值保 持恒定) ，但是电容电压在一周期内仍会产生波动；若考虑实际补偿装置存在的 功率损耗，电容电压的周期值亦将发生变化。而补偿电流的计算过程中需以电容 电压为参考值，因此电容电压的波动必须限制在一定范围内来满足补偿精度的要 求。电容值越大，其上的电压波动越小，但电容值的增大又相应的增加了电容的 投资成本，因此有必要在满足设计要求的前提下使设备的性能和成本达到最优。 交流侧电感直接影响实际电流的跟踪速度。电感太小，有源电力滤波器输出 电流的变化速度太快，容易造成系统冲击振荡，工作不稳定；电感过大，滤波器 输出电流的变化速度变缓，电流响应慢，电流跟踪能力下降。因为电感上流过的 主要是谐波电流，如果电感取值过大，对高次谐波的阻抗就越大，这对谐波特别 是高次谐波的补偿和跟踪是不利的。而且电感的选择同样要考虑成本的问题。 目前已有多种直流侧电容和交流侧电感值的选择策略，本文深入讨论了目前 滤波器设计中所采用的电容、电感计算方法，具体分析了各种选择策略的适用背 景和优缺点。 3 ) 设计4 0 0 v 低压电网中并联型有源电力滤波器的试验样机，补偿非线性负 载中谐波和无功电流成份，使电源电流接近正弦。装置中采用霍尔元件采集系统 电压和负载电流信号，霍尔器件具有工作频带宽、精度高、动态性能好的优点， 可以真实地反映一次侧待测的电压、电流谐波状况。为了满足谐波电流及无功电 1 2 山东大学硕士学位论文 流补偿的实时性，本装置中采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 0 高速d s p 芯片来完成测量信号及指 令电流的a d 转换、谐波与无功电流的计算，全控型器件的开关控制信号的产生， 并采用了单独的m c u i 贝! j 量电容电压，使用高速串行口经光电隔离后送入d s p 中 进行处理。简化了电路设计并且提高了可靠性。 山东大学硕士学位论文 第二章a p f 控制策略的研究 图2 1 所示为并联型a p f 的基本结构。检测及控制系统从检测到的负载电流中 提取除基波以外的电流分量，包括谐波、无功、负序分量等，等幅值反极性的此 电流分量即为要补偿的电流，并将其作为参考电流信号。检测到的主电流输出信 号与参考电流进行比较后送出门极开关信号，经驱动电路隔离放大后驱动主电路 的开关器件动作，以控制主电路输出电流跟随参考电流变化。主电路注入系统的 电流与负载电流中的谐波无功等非基波有功电流分量相抵消，使系统电流达到正 弦，从而实现谐波抑制和无功补偿的目的。 系 图l 1 并联型a p f 示意图 对有源电力滤波器的控制，主要包括：谐波与无功电流的检测；补偿电流的 产生；直流侧电容电压稳定的控制。 2 1 谐波与无功电流的检测 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电 流分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被测电流相 减得到谐波分量。这种方法存在许多缺点，如设计难、误差大、对电网频率波动 和电路元件参数十分敏感等，因而已极少采用。随着计算机和微电子技术的发展， 开始出现了各种各样的谐波电流检测方法【2 7 】。 谐波信号的检测主要有以下几种： 1 基于f f t 的数字化分析法：该方法是建立在f o u r i e r 分析的基础上，因此 要求补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大的误差。通过f f t 将检测到的一 1 5 山东大学硕士学位论文 个周期谐波信号进行分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分 量通过带通滤波器或傅立叶变换器得到所需的误差信号，再将该误差信号进行 f f t 反变换即得到补偿信号。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，缺点是具有 较长的时间延迟，实时性较差。 2 小波变换检测谐波的方法：小波分析作为调和分析的重大发展，克服了 傅立叶分析在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域 同时具有局部性，小波变换能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解 成不同频率的信号，根据多分辨的思想，利用高尺度的变换值，实现了谐波的实 i 时检测。它通过对含有谐波的电流信号进行正交小波变换，分析电流信号的各个 尺度上的分解结果，实时地跟踪谐波的变化。小波变换有一个非常吸引人的特点， 就是变换本身对信号的奇异点非常敏感。这个特点可以用来跟踪那些出现非常突 然，消失也非常突然的谐波信号，这种信号正是谐波检测的难点。 3 同步检测法：这种方法多用于不平衡三相系统中谐波和无功电流的检 测，其基本思想是分别考虑各相情况，并把补偿分量分配到三相中，统一确定各 相补偿电流，即该方法不是从电流的分解出发，而是从功率平衡的角度来确定补 偿电流。对三相系统来说，同步检测法在补偿无功及谐波的同时，还具有平衡三 相电流的作用。但是由于该检测法是根据总平均功率确定补偿后的电流，再计算 出补偿指令电流，而在计算补偿后电流时，不仅需要知道三相电路的平均功率， 还需要知道各个相电压的幅值，因此检测过程中的延时较大。而且该方法仅适用 于三相电压均为正弦波的情况。若电压波形存在畸变，必将影响检测精度。此外， 该方法检测出的补偿电流包括无功电流、谐波电流和一些不平衡分量，无法将它 们分离出来，因而大大限制了它的应用范围。 4 自适应检测法：该方法基于自适应干涉抵消原理，将电压作为参考输入， 负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需 要补偿的谐波与无功分量。自适应检测系统的特点是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慢。在此基础上，有文献提出一种基 于神经元的自适应谐波电流检测法。 5 基于瞬时无功功率理论的检测法：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 1 6 山东大学硕