（电力系统及其自动化专业论文）电能质量调节器相关技术研究及apf模拟装置实现.pdf

ii abstract power quality problem obtains more and more attention in recent forty years. reactive power, harmonic and unbalance is always the focal point which people pays attention. this dissertation works to study the power quality problem, including following contents: this dissertation presents a dynamic voltage restorer (dvr) based on asymmetry cascade multilevel inverter(acmi) and its control strategy. the asymmetry cascade multilevel inverter is used in this dvr, so the capacity of the dvr can be made very large. the control strategy is based on a combination of pre- sag phase compensation and post- sag phase compensation. once a sag event occurs, the phase will therefore slowly shift from the pre- sag phase to the post- sag phase, so the voltage as seen by the load will be smooth without any sudden jump. this gives the benefit of the load which is sensitive to the voltage phase. the effect of the dvr is close to the pre- sag phase compensation, but the consumption of energy is close to the post- sag phase compensation. the practicability and validity of the structure and control strategy are confirmed by matlab simulation. this dissertation establishes the universal electric model and investigates the structure and principle of several typical series hybrid active power filters (shapf). in addition, this paper analyzes the characteristic of several basic control strategies. the effects of control strategies under different conditions are investigated. the conclusion can help us to make the best choice under complex operating modes. this dissertation works to design and realize apf experimental prototype, the mainly work include as following: 1. gives the main circuit scheme of the prototype. 2. designs the control system based on industrial control computer, motor control board and data collection board. 3. develops the software for the control system, providing opening data and program interfaces. 4. v alidates the parameter and the control method of the device by matlab simulation. keywords: power quality，apf，dvr，matlab simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 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，即： 学校有权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。 本人授权华中科技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。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 1 绪论 本章阐述了课题的来源和意义，在对电力系统无功、谐波和三相不平衡产生的原 因、危害及改善方法研究现状综述的基础上，指出了该领域研究工作存在和急需解决 的问题，并对全文的章节安排作了简要说明。 1.1 课题来源 本文的研究工作主要包括“电能质量调节器相关技术研究”和“并联型有源电力 滤波器物理模拟装置的设计与实现”两大部分。其中第二部分的研究工作得到了福建 省电力试验研究院委托项目“电能质量标准检定平台及电力电子模拟试验装置研发 有源滤波器动态物理模拟装置的研制”的资助。 1.2 问题的提出 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一 种由电力部门向用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。随着电力电子 技术的发展及其在工业领域应用范围的扩大和工业电弧炉、电力机车、轧钢机、大型 半导体变流装置等冲击性、非线性负荷的日益增加，电网无功功率变化剧烈，造成系 统电压波动和不平衡，同时也向系统注入了大量的谐波，严重威胁着电力系统的安全 运行。而另一方面，随着信息产业和其它高新技术产业、金融股市等的飞速发展以及 传统产业、现代商业采用计算机管理和先进自动控制手段，如变频调速设备、机器人、 自动化生产线、精密数控机床、高精度测量仪器、可编程控制器、计算机信息管理系 统等的日益广泛应用，电力系统中对供电可靠性和电能质量敏感的负荷所占比重越来 越大。这些设备和计算机系统对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何电能质量问题 都可能会造成产品质量的下降或管理秩序的紊乱，造成重大的经济损失和不良的社会 影响。 美国电力科学研究院(epri)的调查报告显示，因电能质量问题给美国每年造成的 商业损失达4000亿美元13。 国内曾发生过向电气铁道供电的25mw汽轮发电机和向电 弧炉供电的10mw汽轮发电机转子部件嵌面过热受损的事故。 1993年2月河南信阳及驻 2 马店地区还发生过由谐波引起的220kv线路相差高频保护跳闸，造成大面积停电的严 重事故4。 如何提高电能质量是目前电力工业者急需解决的重要课题之一。电能质量所关心 的是实际系统电压和电流波形与理想波形的偏差，即为电压质量和电流质量的问题。 电能质量问题涉及的内容十分丰富，它包括频率偏移、电压偏移、电磁暂态、波形失 真、三相不平衡以及电压波动和闪变等。由于电能从生产到消耗是一个整体，发输供 用始终处于动态平衡中，因此，发、输、供、用各个环节都会对电能质量产生影响。 相对而言，电压偏差和频率偏差主要决定于电网的结构、系统无功补偿设备和调压、 调频手段以及电网调度的合理性；而电力谐波、电压波动和闪变、三相不平衡主要由 各种非线性负荷、冲击性负荷和不平衡负荷引起的。本文主要对无功、电力谐波、电 压波动和三相不平衡问题的补偿技术和相关理论做了进一步的研究。 1.3 电力系统无功、谐波和三相不平衡的产生及影响 电力系统中的无功、谐波和三相不平衡是既相互独立，又相互关联的三个问题。 负荷在产生谐波的同时伴随着吸收一定量的无功，系统的三相不平衡大多也是由非线 性负载引起的；通常无功补偿装置同时也具有一定的谐波和不平衡抑制的作用，而谐 波补偿装置一般也具有无功补偿的能力。由此可见，无功、谐波和三相不平衡在许多 情况下是相互交叉的。 1.3.1 电力系统无功的产生及影响 电力系统的无功消耗主要来自两个方面：一是输电系统自身吸收的无功，另一方 面是负荷消耗的无功。输电设备（如输电线路、变压器等）在输送电能时要吸收一定 的无功功率，在高压输电网络中，为提高线路的输送容量和系统的稳定性往往会对这 部分无功进行补偿，如在重要节点进行并联补偿。负荷吸收的无功功率主要是指感性 负载和大量的非线性负荷消耗的无功， 如工业生产中常用的异步电机、 各种变流装置、 工业电弧炉等，这些负载中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收大量的无 功功率，常常会引起电压的波动和闪变。 足够的无功电源保证电力系统电能质量、降低网损以及安全运行所必需的。在电 3 力系统中，无功不足将会引起系统电压下降，严重时还会导致设备损坏，甚至系统解 列。在配电网中负荷吸收的无功功率对电网的影响主要表现在以下几个方面：1、降 低了现有输电设备的输电能力，使现有的电力资源得不到充分的利用；2、增加了输 电损耗，降低了系统的经济效益；3、增大了线路及变压器的电压降落，引起电压波 动和闪变。 1.3.2 电力系统谐波的产生及影响 谐波是由谐波源产生的，在电力系统中，通常将造成系统正弦波形畸变、产生高 次谐波的设备和负荷称为谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。除了特殊情 况外，波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流设备，以及 其他非线性负荷造成。 当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时， 负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施，诸 如变压器、导线、开关设备等。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产 生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有负荷产生影响。 当前，电力系统中的主要谐波源按其非线性特性分主要有三类： （1）铁磁饱和型谐波源，包括变压器、铁芯电抗器等含有铁芯的电力设备； （2）电弧型谐波源，包括电弧炉、交流电焊机等； （3）电子开关型谐波源，包括各种整流设备、交直流换流设备、变流器、直流 拖动设备整流器、pwm 变频器、相控调制变频器以及现代工业设施为节能和控制用 的电力电子设备等。 谐波不仅降低了电能的生产、传输和利用的效率，而且给供用电设备的正常运行 带来严重的危害514： （1 ）增加了系统输送电能的损耗。谐波会在输电线路和变压器上引起附加损耗， 使网损增大，同时为了提高输电的可靠性，还会为此增加设备的预留裕度，从降低了 系统的输送能力和经济效益； （2 ）造成输电设备的损坏。谐波引起旋转电机的振动和噪声，长时间的振动容 易使金属产生疲劳，降低机械强度，从而引起机械损坏； 4 （3 ）造成继电保护误动和自动装置失灵，并使电气测量仪表计量不正确； （4 ）使机械加工工业和精密制造业的加工度达不到要求，造成产品质量不合格， 带来资源浪费，也影响生产的连续性，给企业和社会造成损失； （5 ）谐波可能引起局部的并联或串联谐振，形成局部过电压，造成负荷绝缘损 坏或过流，还会使一些电气设备无法正常工作，给人们的日常工作和生活带来不便； （6 ）谐波会对邻近的通信系统造成明显的干扰，影响通信质量。 1.3.3 电力系统三相不平衡的产生及影响 电力系统的三相不平衡可以分为两类。一类是事故性的，事故性的三相不平衡是 由于三相系统中某一相或两相出现故障所致。这种三相不平衡工况是系统运行所不允 许的，一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常。另 一类是正常性的三相不平衡，正常性的三相不平衡则是由于系统三相元件或负荷不平 衡所致，根据元件或负荷的线性与否，它又可以分为线性不平衡1517和非线性不平衡 1819两类。在电能质量中所讨论的三相不平衡主要是针对正常性三相不平衡的。 三相电压或电流的不平衡会对电力系统中的发输配电设备及用电设备造成一系 列的危害。对输配电设备的影响主要包括：1、在发电机内引起附加损耗，造成转子 温度升高，并使其容量利用率下降。此外，由于负序气隙旋转磁场与正序气隙旋转磁 场相互作用产生 100hz交变电磁转矩将引起转子和定子铁芯振动， 严重情况下还可能 引起超同步谐振2024，影响发电机的正常工作；2、在输电线上产生附加损耗，并可 能引起某相线路过负荷；3、使变压器附加损耗增加，并使负荷较大的一相绕组过热 导致其寿命缩短；4、导致以负序分量为启动信号的多种保护设备发生误动作，并可 能降低这类保护设备对电网故障的反应灵敏度2526。 电压的不平衡对用电设备的影响为：1、引起感应或同步电机附加损耗增加，电 动机的最大转矩和过载能力降低，还会引起感应电动机的振动27；2、引起一些类似 单相整流器的设备（如计算机、家电等）的跳闸、逻辑功能错乱、控制失灵等，对于 生产过程控制器，在其跳闸前可能会发出错误的控制信号，引起设备误动；3、引起 交流（变频）调速电机的直流侧电压脉动或偏低，最大转矩或转速降低，设备过流等； 5 4、影响三相整流器的正常触发，并会造成电枢电压和励磁电压的减少幅度不同，从 而影响电机的正常工作。 因此，研究无功、谐波和三相不平衡的治理技术有其重要的意义。 1.4 减少电力系统无功、谐波和三相不平衡及其影响的措施 早在 20 世纪 30 年代，电力系统无功、谐波和三相不平衡问题就已经引起人们的 注意， 当时在德国由于使用汞弧静止变流器而造成电压电流的严重畸变。 1945 年 j. c. read 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。 随后由于高压直 流输电等技术的发展，很多学者发表了有关变流器引起无功、谐波和三相不平衡问题 的大量论文。20 世纪 70 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装 置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，无功、谐波和三相不平衡所造 成的危害也日趋严重。 在电力系统出现无功、谐波和三相不平衡问题之后，人们就试图通过各种办法来 解决这些问题。综合起来，这些解决办法主要分为两类：一是通过一定的措施，减小 供电点负荷无功、谐波和三相不平衡的产生，如采用脉宽调制整流技术可以减小整流 谐波，将扰动负载分散到不同的供电点，可以减小集中连接造成的扰动超标问题；另 一种是补偿的方法。由于前一种办法不是总能实现和有效的，此时，通常采用补偿装 置来减小负荷扰动。补偿装置又可以分为两类：一类是静态补偿装置，另一类是动态 补偿装置。 1.4.1 静态补偿技术 静态补偿是根据电路理论，在扰动负荷节点串、并入无源导纳网络（一般采用固 定连接或人工投切的方式） ，从而尽可能地减小扰动负荷产生的无功、谐波和三相不 平衡问题。 静态补偿的方法具有投资少，效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点， 故目前静态补偿方法在我国得到广泛应用，但静态补偿方法存在以下缺点： （1）一般只适合于在静态条件下工作，对于工业电弧炉、电焊机等非线性动态 负荷来说，它往往难以达到理想的补偿效果； 6 （2 ）该方法的补偿效果与系统的运行参数有关，特别是对电网阻抗和频率的变 化十分敏感，而对于一个复杂电力系统，这两个参数是难以精确预知的，故静态补偿 方法难以达到较好的补偿效果； （3 ）静态补偿装置可能会与系统发生谐振，引起更加严重的谐波和不平衡问题。 1.4.2 动态补偿技术的发展历程及其现状 动态无功补偿装置，最早的代表是同步调相机，目前仍有应用，但从总体上说这 种补偿手段显得陈旧，能耗大，维护复杂。静止无功补偿装置(svc)是近年来广泛使 用的一种动态无功补偿装置，其中典型的构成是固定电容器加晶闸管控制电抗器(fc tcr)或晶闸管投切电容器(tsc)，fctcr 依靠调节 tcr 中晶闸管的触发延迟角 来实现连续调节装置的输出无功，tsc 采用分级投切来实现无功的分级补偿，二者响 应快且具有较好的性价比。第一台 svc 装置是英国 gec 公司 1967 年制造的，70 年 代以来，世界各大电器公司都推出了各具特点的产品。 自 80 年代以来，国内外竞相研制采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，通 常称为静止无功发生器(svg)，它是基于瞬时无功功率概念和补偿原理，采用全控型 开关器件（如 gto） ，组成自换相变流器，辅之以小容量储能元件所构成的瞬时无功 功率补偿装置。这类装置目前在电力系统中已得到应用，如 1987 年美国西屋公司研 制成 1mva 采用 gto 的 svg 实验装置，并成功地进行了现场试验。1991 年和 1994 年日本和美国分别研制成功了一套80mva 和一套100mva 的采用gto 的svg装置， 并且最终成功的投入了商业运行。国内的清华大学和河南省电力工业局也合作研制了 20mvar 的 svg。 在解决谐波和三相不平衡方面，1971年h. sasaki和t. machida提出了有源滤波器 28，通过控制滤波器注入的补偿电流，使系统向负荷提供的电流为正弦波，这被公认 为并联型有源滤波器的雏形，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，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。1976年，l. gyugyi和e. c. strycula建立了采用pwm逆变器构成的有源滤波器的基本概念29，并提出了串联型 有源滤波器的基本拓扑和控制方法。从原理上看，pwm 变流器是一种理想的补偿电 7 流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频 率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验室研究。进入80年代，随着电力电子技术以 及 pwm 控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技 术在电力系统中应用领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是1983年日本的 h. akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”3031，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。目前三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基 础之一。同时，大功率全控器件的不断发展和成熟、pwm 调制技术的不断进步和大 规模集成电路的飞速发展，使得有源电力滤波器从理论和实验研究进入到了广泛实用 的阶段。1988年，加拿大concordia大学的t. m. luis和p. d. ziogas提出了一种三相固态 功率因数补偿及谐波抑制器，它也是一种并联型有源滤波器，该滤波器将无功补偿、 谐波抑制和消除三相不平衡有机地结合起来，实现了一种装置多种功能，提高了有源 滤波器与无源滤波器的竞争能力。 有源滤波器可以对快速变化的谐波和无功进行实时补偿；可以阻尼谐波振荡；滤 波特性与系统的阻抗无关；不会导致谐振现象，无谐波放大的危险；重量与体积较小。 早期的有源滤波器主要应用在低电压、小功率的场合，大容量的有源滤波器由于主回 路结构复杂，制作工艺要求很高，价格昂贵，难以推广。如何使有源滤波器满足高电 压、大容量、低成本的要求是摆在众多科研工作者面前的一个问题。 1988 年 f. z. peng 等提出了并联无源滤波器加串联有源滤波器的混合电力滤波器32， 有源部分补偿容量 只有并联型的 5左右，这既克服了无源滤波器受系统参数影响的缺点，又使有源滤 波器的容量大大降低，因而具有很好的经济效益。 1991 年 h. fujita 等提出一种有源滤 波器与无源滤波器串联的混合电力滤波器拓扑33， 这种结构的滤波器中无源滤波器主 要进行谐波补偿，还可以提供一定的基波无功功率，有源滤波器主要起改善无源滤波 器特性的作用，此后很多文献对上述拓扑结构进行了大量技术研究和实验研究3439。 为降低有源滤波器的成本，先后又有人提出并联电流型有源滤波器与无源滤波器并用 的混合型方案，可使有源滤波器的容量大大降低。为了满足既能补偿负荷畸变电流， 又能克服系统电压畸变对负荷影响的要求，还有人提出在并联有源滤波器之前加一个 8 串联有源滤波器，串联有源滤波器与并联有源滤波器共用直流电容的背靠背式有源滤 波器。 我国在有源滤波方面也做了一些探索性的研究4056，主要是消化吸收国外的技 术，同时也提出了一些新的谐波检测理论。1991 年，北方交通大学研制出 3kva 的无 功及谐波动态补偿装置。1992 年，华北电力学院在原来三相固态功率因数补偿及谐波 抑制的基础上，提出应用于配电系统抑制非线性负荷谐波的一种新型的无功、谐波和 负序综合补偿的广义有源电力滤波器(generalized active power filter, gapf)； 1995 年， 哈尔滨工业大学在特定消谐 pwm 技术的基础上，提出了能量守恒优化 pwm 技术， 进一步提高了 gapf 的性能。此外，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、重庆 大学、浙江大学、华南理工大学等高校和研究机构，也对有源电力滤波技术进行了深 入的理论和试验研究，有些工业现场也安装了有源电力滤波器，如贵州天生桥到广州 北郊的 500kv 高压直流输电线路就投入了直流有源滤波器来抑制直流侧谐波的影 响。 综上所述，目前人们在无功、谐波和三相不平衡补偿方面已经做了大量的研究工 作，但纵观目前的研究现状，依然存在以下问题： （1）动态补偿装置虽然响应速度快，补偿效果好，但在如何实现装置的低成本、 大容量化方面，目前仍没有很好的方法。 （2 ）对于电能质量调节器的结构和实时检测算法研究较多，但在如何根据系统 实际情况选择合适的电能质量调机器拓扑结构和控制策略方面的研究较少。 （3 ）国内对有源电力滤波的理论研究较多，但在有源电力滤波装置的实用化方 面尚有一些技术问题需进一步解决。 1.5 本文所做的工作 电力系统中无功、谐波和三相不平衡问题严重影响了系统的安全经济运行和负荷 的正常工作，为解决这些问题，科研工作者已经做了大量的研究工作，并取得了系列 的研究成果，但目前仍有很多问题有待进一步的研究。本文在现有工作的基础上对电 能质量调节器的相关技术进行了研究，重点研究了串联型电能质量调节器的结构和控 9 制策略，并设计了一台并联型有源电力滤波试验设备。全文各章节安排如下： 第二章研究了串联型电能质量调节器的结构及其控制方法；提出了基于不对称级 联型多电平逆变器的动态电压恢复器结构及新的控制策略；建立了串联混合有源滤波 器的统一电路模型，并对各种控制策略进行了分析。 第三章介绍了并联型有源电力滤波器物理模拟装置的结构、运行参数、主电路构 成、控制系统实现及软件编程方案，为并联型有源电力滤波器的研制提供经验。 第四章介绍了并联型有源电力滤波器物理模拟装置的 matlab 仿真模型及仿真 实验结果。 第五章对全文进行了总结，并提出了以后的工作方向。 10 2 串联型电能质量调节器研究 本章分析了串联型电能质量调节器的结构及常用的检测控制方法；提出了基于不 对称级联型多电平逆变器的动态电压恢复器结构及新型控制策略；建立了串联混合有 源滤波器的统一电路模型，并在此基础上对各种控制策略进行了比较分析。 2.1 引言 随着现代科学技术的发展，越来越多的工业生产过程和流水线(如半导体制造、计 算机集成制造、造纸业等)依赖于对电能质量十分敏感的以微处理器芯片为核心的设 备，即使几个周期的供电中断或电压骤降都将影响这些设备正常工作。因此高质量电 力供应已成为现代社会生产、生活正常进行的基本条件。然而，由于大量非线性、冲 击性负荷的增加，电网发生故障造成的电压骤升、骤降、不平衡、闪变、波动、谐波 以及瞬时供电中断等电能质量问题会造成产品质量下降甚至导致生产过程中断，造成 巨大的经济损失。 目前，在对电能质量问题的研究中，电压骤降和瞬时供电中断已被认为是影响许 多用电设备正常、安全运行的最严重的动态电能质量问题。统计表明，大型电力用户， 幅度超过20%的骤降年发生率在1020次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次 电压骤降造成的经济损失达数十万至数百万美元之多。可见，减少或减缓电压波动是 提高供电质量的重要内容。传统的方法不能有效地解决动态电能质量问题，随着电力 电子技术和大功率开关器件的发展，在提高配电网电能质量和供电可靠性方面出现了 一种新方法， 即用户电力技术(custom power， cp)5758。 用户电力技术由n. g. hingorani 提出，其核心内容是电力电子设备在配电系统中的应用。 动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，dvr)5965是cp家族中的重要成员，它 可以补偿电压的骤降、骤升、不平衡、闪变、波动、谐波等，良好的动态性能和容量 上的相对优势使其成为治理动态电压问题最经济、最有效的手段之一。其工作原理是 在敏感负荷和负荷母线之间串入一个输出电压可调的设备，用以减小负荷母线的电压 变化对负荷的影响。根据所采用的装置结构或电压恢复要求，利用动态电压恢复器可 使加在敏感负荷上的电压幅值恢复到给定值或将电压的幅值和相位都恢复到给定值。 11 这类设备的优点是它的输出电压仅为负荷母线的一部分，因此所需装置的容量相对较 小。国外对该类装置研究开展得较早，已经形成了产品。第1台工业应用的dvr是 westinghouse公司为美国电科院研制的，于 1996年8月研制成功，并安装在duke电力公 司的12.47 kv系统上6667，装置容量为2 mva，用以保护一毛毯厂免受电压降落、升 高和不平衡的影响。随后一些大容量的dvr相继被用于保护食品厂、造纸厂、半导体 厂、纺织厂及公用事业部门等敏感负荷（最大容量达到50mva） 。 将动态电压恢复器和并联无源滤波装置结合使用，就可以实现通常所说的串联混 合有源滤波器（也称串联有源滤波器）的功能。通过合理设置和控制，串联混合有源 滤波器既可以用于补偿电压的扰动，还可以补偿负荷电流的谐波和不平衡6872。该补 偿设备特别适用于既对供电电压变化敏感，又会对系统产生扰动的负荷。 2.2 串联型电能质量调节器的结构及控制 在本文中，将动态电压恢复器(dvr)和串联混合有源滤波器(shapf)统称为串联 型电能质量调节器。 2.2.1 动态电压恢复器的结构及控制 非线性和冲击性负载的增长导致了诸如电压跌落、闪变、电流谐波、不平衡等许 多电能质量问题，从而严重的影响了电力系统的稳定和敏感性用户的安全。为此，人 们提出并试验了许多方案，其中 dvr 就是针对电压问题提出的一种串联型电能质量 调节器，它相当于一个串联在系统中动态受控的电压源，采用适当的控制方法可使该 电压的输出抵消电力系统扰动对负荷造成的不良影响。dvr 的典型结构及与系统单 线连接图如图 2.1 所示。 敏感 负荷 line 直流 储能 单元 逆变器 单元 lf cf 滤波器 变压器 图 2.1 dvr 基本结构及与系统单线连接图 12 在dvr的补偿过程中，需要实时确定电压补偿量与dvr补偿能力之间的关系。因 此瞬时电压的幅值和相位跳变时刻的确定对dvr实时补偿具有非常重要的意义。以电 压骤降补偿为例，关键是要及时检测出骤降的起始时刻、幅值和可能随之出现的相角 变化。 动态电压扰动识别方法按照扰动特征量提取方法的不同分以下几种7374： （1）有效值法(均方根值法) （2）基于瞬时无功功率理论的dq0检测方法 （3）用于单相电路的瞬时电压 dq0 变换方法 （4）改进的“abc- dq”变换方法 检测方法应根据不同的应用场合来合理选择。峰值电压法适用于要求快速性而对 精度要求不高的场合；平均值法相对较简单，适用于实时性要求较低的场合；基于坐 标变换的方法更加灵活，精度更高，并且能更方便地用于补偿电压的产生，因此得到 了最广泛的应用。 在结合了其它数学方法的改进之后， 基于坐标变换的方法在实时性、 稳定性、准确性和鲁棒性等方面都有了更大的提高。但对于电压中存在谐波的情况， 滤波器的设计或者其它信号提取方式的选择就成了影响检测性能的关键。 例如文献75 提出了采用数学形态学滤波器来替代传统的巴特沃斯滤波器，实验结果表明它具有很 好的动态特性。 理想的dvr是当电源侧电压发生骤降后，以骤降前的用户侧电压为参考电压，输 出补偿电压，使用户侧的电压和骤降前保持一致。dvr在输出补偿电压的同时与系统 有一定的有功交换，这就要求dvr必须有能量储备。储能单元是dvr装置的重要组成 部分，同时也是比较昂贵和需要维护的。为了降低dvr与系统的有功交换，减少储能 单元的容量，保证dvr有效地抑制电压波动，需要对dvr的补偿电压进行优化控制， 使dvr在一定补偿容量的前提下获得最大的补偿范围。显然，dvr输出的补偿电压受 电压骤降程度、持续时间、负载特性、功率因数以及dvr本身容量等因素的影响。目 前常见的电压补偿控制策略主要有以下三种。 （1）跌落前电压补偿：也叫完全补偿，是指补偿后的电压完全恢复到电压变化 前的值，该补偿控制方法补偿电压为期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之差。 13 （2）同相位电压补偿：同相位电压补偿的补偿电压与瞬时电压同相位，只能进 行幅值补偿。 （3）最小能量补偿：该补偿方法通过使补偿器提供的有功功率最小化来实现电 网提供功率最大化，使电网的功率因数增加，补偿器的功率因数减小，因而这类方法 也称为相位超前法。 此外，很多国内外的文献都对上述三种补偿控制方法进行了改进，有代表性的如 逐步相位超前法、改进的逐步相位超前法和电压优化补偿方法。总体目标都是在尽可 能利用设备储能容量的同时，补偿更大范围的电压波动，同时根据负荷要求尽量减小 电压波动的幅度和可能出现的相位突变。 2.2.2 串联混合有源滤波器的结构及控制 dvr 和并联无源滤波装置结合使用，就可以实现串联混合有源滤波器(shapf series hybrid active power filter，也称串联有源滤波器)的功能，由于该装置具有运行 效率高、单位容量成本低的特点而逐渐受到人们的重视。shapf 能充分发挥无源滤 波装置耐高压、易于实现大容量化以及 apf 滤波效果好的特点，具有良好的实用性和 经济性。通过合理的控制，shapf 既可以用于补偿电源电压的扰动，还可以补偿负 荷电流的谐波。串联混合有源滤波器的基本结构及与系统单线连接图如图 2.2 所示。 图 2.3 给出了 shapf 的单相等效电路，其中 c u是有源装置输出的补偿电压， f z 是无源滤波器组等效阻抗，谐波源等效为电流源。无源滤波器起主要的滤波作用，而 有源装置(apf)输出的补偿电压 c u实际上是一个受控电压源。因此有源装置对基波来 说补偿电压为零，而对谐波来讲则相当于串入谐波电阻，也即等效于增加系统的谐波 阻抗，迫使谐波电流流入无源滤波器提供的低阻通路，使电源电流接近正弦。 敏感 负荷 小容量 pwm 变换器 vsi lf cf vdc vs zs vl vt vis il ta l3 c3 l5 c5 is if ic 图 2.2 串联混合有源滤波器基本结构及与系统单线连接图 14 usf ush ls is uc il if zf ilf ilh 图 2.3 串联混合有源滤波器单相等效电路 谐波电流的检测和输出波形调制是有源电力滤波器控制中最重要的两个方面。谐 波电流检测主要有以下几种方法： （1）基波电流减去法：该方法使用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中滤去， 从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但带阻滤波器是理想模型， 工程实现时往往不能达到理想的性能。 （2）频率分析法：该方法的基础是傅立叶级数分析，将检测到的畸变电流（或 电压）进行傅立叶变换，分解为高次谐波的代数和形式，再将其合成为总的补偿电流。 由于傅立叶变换需要大量的运算，当要求消除的谐波次数很高时，微机的实时计算有 困难。 （3）瞬时空间矢量法：利用瞬时无功功率理论，检测出三相电压与负载电流， 计算出瞬时实功率和瞬时虚功率，滤去基波分量后得到高次谐波瞬时实功率和瞬时虚 功率，从而算出补偿电流。该方法的优点是能快速跟踪补偿电流，进行实时补偿，系 统频率特性不变，即使需要检测的谐波次数增加，也不会增加检测的难度，且不受电 网参数和负载变化的影响。 （4）基于现代控制理论的检测方法：最早应用的有基于 p- i 控制器的方法，因 p- i 控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等 现代控制方法，它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需的电网电流 的基波有功分量幅值，从而求出所需的补偿电流的指令值。 （5 ）自适应检测法：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理, 从负载电 流中消去基波有功分量， 从而得到需补偿的电流值。 该方法的优点是对电网电压畸变、 频偏及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢。 15 （6 ）基于神经网络检测法：该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起 来而形成的一种新型智能检测方法。人工神经网络自学功能强，不但避免了对于给定 补偿电流的复杂计算，且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制 非线性负载的apf系统。具有以下优点: 可以通过模拟电路实现，简单而方便； 对负载变化具有自适应性； 克服了采用电子滤波的时延现象； 可以同时检测谐波、 无功、基波负序和零序电流。 有源电力滤波器的输出波形调制方法有以下几种： （1）三角载波线性控制。这是一种最简单的线性控制方法，利用一个三角波和 高次谐波比较从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的响应速度较快，但开关 频率较高、产生噪音和造成较大的开关损耗及高频失真。 （2）滞环电流控制。滞环电流控制hcc(hysteresis current control)是目前应用最 广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心 的死区或滞环，通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。 滞环电流控制基于电流暂态的控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的特点，而且对 负载的适应能力强，输出电压中不含特定频率的谐波分量。但开关频率、损耗以及控 制的精度受滞环宽度的影响，滞环宽度越小，控制的精度就越高，同时开关频率和开 关损耗也加大了。 （3）空间矢量控制。空间矢量控制svc(space vector control)是建立在交流异步 电机磁场理论基础上的一种控制策略，开始时其使用范围仅仅局限于电机应用场合， 但现在它已发展成一种能够普遍应用的pwm技术。它是将三相整流器件作为一个整 体来考虑，通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间，使一个控制 周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等；其基本思想是在矢量空间中用有限 的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量含有调制波的信 息。此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，而对零矢量的合理控 制可以明显地降低逆变器的开关损耗。 （4）无差拍控制。无差拍控制dbc(dead- beat control)实际上是一种预前控制， 其基本思想是根据在第k个采样时刻所检测的负载电流和补偿电流， 计算第k+1时刻 16 的指令电流值及各种可能开关状态下补偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标函 数（一般为指令值和预测值的累计误差），选择目标函数最小的开关状态作为k+1时 刻的开关依据。其优点是动态响应很快，易于计算机执行；缺点是对系统参数依赖性 较大、鲁棒性较差、瞬态响应的超调量大、计算的实时性强、对硬件要求高。 （5）单周控制。单周控制occ(one- cycle control)是一种非线性控制法，最早由 美国学者k. m. smedley和s. cuk提出。其基本思想是：控制开关占空比，在每个周期 内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态 误差。它具有反应快、控制精度高、控制电路简单、特别是具有控制性能对系统参数 变化不敏感等优点。基于上述优点，单周控制在有源滤波器中得到了大量的应用。 （6） 滑模控制。 滑模控制smc(sliding mode control)是一种设计与分析紧密结合、 具有对模型不确定和对外界扰动不变化及鲁棒性强等特点的控制方法，其原理是利用 控制的不连续性，依靠其高频转换强制闭环系统到达并保持在所设计的滑动面上，在 一定条件下滑动模对干扰与系统参数的变化具有不变性。然而滑模控制的不连续开关 特性容易引起系统的颤动，这种颤动可能将系统中存在的高频成分激励起来，甚至使 系统不稳定。 （7） 重复控制。 重复控制rc(repetitive control)是基于内模原理的一种控制思想， 内模原理的本质是把系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控 制系统。该原理指出：若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影 响的能力（即稳态时误差趋于零），并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，则在 反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号（含指令信号和扰动信号）动力学 特性的数学模型。重复控制要求扰动信号是时间的周期函数，但系统的实际运行是周 期波动的，直接应用重复控制的效果并不理想。 （8）预测控制。预测控制pc(predicted control)作为一种新型的计算机控制算法， 它的算法种类多，表现形式多种多样，但都具有三大本质特征：预测模型、滚动优化 和反馈校正。其基本原理是：在当前时刻，基于过程的动态模型预测未来一定时域每 个采样周期的过程输出，这些输出作为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数，按 照基于反馈校正的某个优化目标函数计算当前及未来一定时域的控制量大小。为了防 17 止控制量剧烈变化及超调，一般在优化目标函数中都考虑使未来输出以一定轨迹最优 地去跟踪期望设定值，计算出当前控制量后输出给过程实施控制，至下一时刻，根据 新测量数据重新按上述步骤计算控制量，所以预测控制是不断滚动地局部优化，而非 全局优化。 （9）模糊控制。模糊控制fc(fuzzy control)是以模糊数学、模糊语言形式的知识 表示和模糊逻辑的规则推理作为理论基础，主要包括模糊化，模糊推理与模糊判决三 部分。其最大的特点是将专家经验和知识表示成语言控制规则，然后用这些规则去控 制系统。模糊控制只需要获得丰富的人工控制经验，应用模糊理论和计算机技术就可 以对没有准确数学模型或者数学模型极其复杂，一般控制理论不能进行有效控制的系 统加以控制，且系统具有较强的鲁棒性，尤其适合于非线性、时变、滞后系统的控制。 （10）迭代自学习控制。迭代自学习控制ilc(iterative learning control)的基本思 想是基于多次重复训练（运行），只要能保证训练过程的系统不变性，控制作用的确 定可以在模型不确定的情况下获得有规律的原则，使系统的实际输出逼近期望输出。 在迭代学习控制系统中，控制作用的学习是通过对以往控制经验（控制作用与误差的 加权和）的记忆实现的，算法的收敛性依赖于加权因子的确定。这种学习系统的核心 是系统不变性的假设以及基于记忆单元的间断的重复训练过程，它的学习控制规律极 为简单，可实现训练间隙的离线计算，因而不但有较好的实时性，而且对干扰和系统 模型的变化具有一定的鲁棒性。 （11） 无源性控制。 无源性控制pbc(passivity based control)是基于能量这个桥梁， 将控制理论与先验知识和物理描述结合在一起。从以高阶微分方程和一些代数方程描 述的数学模型出发，控制的设计被简化为定义一系列表示所需动态的内部状态方程。 主要包括两个步骤：一是“能量成形”，通过改变系统的能量函数，使新的能量函数 在设计的平衡点上具有全局最小解；二是非线性阻尼注入，改变系统的耗散函数，保 证系统的全局渐进稳定，这样系统能在满足“无源性”的条件下达到要求的性能。这 种方法从系统能量角度出发，使控制器的设计得到一定程度的简化，并且提高了系统 的鲁棒性。 （12）人工神经网络控制。人工神经网络ann(artificial neural network)将大量简 18 单的神经元连接在一起，能够逼近任何线性和非线性模型的非线性映射，可实现并行 实时和冗余计算。人工神经网络控制可以应用于检测负载电流中的谐波和无功成分， 作为电流控制环的给定，也可以控制变换器的开关状态实现对给定电流的跟踪。采用 人工神经网络逼近的方法能够充分考虑到系统的未知动态，提高控制精度，也使控制 方法简化。主要有两种控制方式：一是利用直流侧电压的pi控制输出的乘积获得系统 补偿电流的给定值，然后通过另一个多输入多输出系统的神经网络获得系统的开关模 式；二是省略了直流电压的pi控制，直接将直流侧电压考虑为电流控制环节神经网络 的一个输入，获得系统的开关模式。由于人工神经网络具有本质的非线性、并行处理 能力、强鲁棒性以及自组织自学习的能力，因而将其应用于apf控制中有很大的发展 空间。 除了以上的控制方法外，还有一些研究将自抗扰控制、遗传算法等先进控制算法 应用到apf控制中。但目前国内对于apf的研究还处于理论和仿真研究，尤其是先进 的算法在apf中还没有实际的应用实例。有关apf的控制策略正随着dsp技术和智能 控制理论的发展不断涌现，随着控制策略的改进，apf的特性也将不断提高，而相应 的价格也必将下降，在各个领域的应用也将越来越普及