（电气工程专业论文）并联型电力有源滤波器控制特性研究.pdf

i i l q l lllll ll l l li i ii ii i i i l 、i17 4 5 711 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e r e se ar c ho fs apfcon t r oichar ac t er is t ic s m e ca ndi da t e ：hu an gs hu y i s u p e r v i s o r ：pr o f c h e n gh a n x i a n g m a y2 010 f a c u i t yo fa u t o m a t i o n g u a n g d o n gu n i v er s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u 。g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子器件得到了越来越广泛的应用。 电力电子器件的广泛应用极大地提高了人们生活和生产水平，在某种程度上提高了 能源的利用效率，但也带来了一些新的问题，比较突出的是谐波“污染”问题。 本论文首先介绍了国内外学术界对电网谐波问题的研究现状，说明了治理谐波 问题的必要性和紧迫性。表明了电力有源滤波器将是治理电网谐波的重要措施，具 有良好的发展前景。接着介绍了电力有源滤波器的一种重要类型一并联型电力有源 滤波器( s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ，s a p f ) 的基本工作原理、常见的电流检测方法、电流 控制策略和控制原理。 本论文在进行s a p f 研制试验期间，遇到的主要问题是功率器件( i g b t 模块) 的烧毁。本文针对这个问题展开了深入讨论，分析导致功率器件烧毁的主要原因， 特别是对寄生电感所引起的感应电压对a p f 所造成的危害进行了较为深入的分析。 木论文通过长期的实践和理论研究后为i g b t 功率器件设计了过流、过压、过热的 保护电路，对功率器件进行全方面的保护，最终很好地解决了功率器件易烧毁的问 题。本文还从软件控制方面着手，重点研究数字低通滤波器所引起的冲击电流问题， 分析了数字低通滤波器固有的相位延迟是如何引起这个冲击电流的，并针对这一现 象提出相应的控制措施加以克服。本文也对丌关器件必须引入的死区时间所造成的 死区效应进行了较为详细的讨论，论证了死区时间对s a p f 的谐波补偿性能所带来 的负丽影响，接着介绍了死区时间的补偿方法，然而补偿死区时问的方法还不够简 便，仍需进一步研究、完善。本文最后介绍了所研制的s a p f 样机装置的实际试验 运行结果，展示了一些工作成果，证明了系统方案的有效性。 本论文的研究是建立在有一定前期工作的基础上，通过丌展后续的研究，对 s a p f 装置从硬件、软件各方面进行了改进，也取得了一定的突破，通过总结过去 的实际经验，本论文完成了更大容量( 超过3 0 0 k v a ) s a p f 样机的研制并成功地进行 了挂网试运行。随着对s a p f 研究的深入以及实际经验的不断积累，将加快s a p f 产品化的进程。 关键词：谐波；s a p f ；i g b t ；保护电路； 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a l lk i n d so fe l e c t r o n i c d e v i c e sa r em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d t os o m ee x t e n t ，e n e r g ye f f i c i e n c yh a sb e e n h e i g h t e n e da se l e c t r o n i cd e v i c e sa r ew i d e l yu s e d h o w e v e r , s o m en e wp r o b l e me m e r g e da t t h es a l t l et i m ea n dt h em o s ts a l i e n to n ei sh a r m o n i c “p o l l u t i o n ”t ot h ep o w e r g r i d t h ep r e s e n ts t a t u so fh a r m o n i cp r o b l e mt h a tr e s e a r c h e d b yd o m e s t i ca n df o r e ig n a c a d e m i ci si n t r o d u c e df i r s ti nt h i sp a p e r , a n di n d i c a t e dt h a th a r m o n i cs u p p r e s s i o ni sq u i t e n e c e s s a r ya n du r g e n t a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) w i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd e a l i n gw i t h h a r m o n i cw h i c ho w n sab r i g h tf u t u r e a n dt h e nt h ep r i n c i p l ea n ds o m ec u r r e n ts e n s ea n d c o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d so fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ( s a p f ) a r ei n t r o d u c e d t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fs a p fi sd i s c u s s e di nd e t a i la tt h es a m et i m e d u r i n gt h ep e r i o do fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gs a p f , t h em a j o rp r o b l e mw e e n c o u n t e r e dw a sp o w e rm o d u l e s ( i g b tm o d u l e s ) c o u l db eb u r n e de a s i l y t h i sp r o b l e m ， w h i c ha l s ou s u a l l ye x i s t si no t h e rk i n do fa p fd e v i c e s ，w a sd i s c u s s e di nd e t a i la n dt h em a i n c a u s a t i o n st h a tm a d ep o w e rm o d u l e sb u r n e dw e r ea n a l y z e da sw e l l b a s eo nl o n gt e r mo f r e s e a r c ha n dam a s so fe x p e r i m e n t ，w ed e s i g no v e r - c u r r e n t ，o v e r v o l t a g ea n dt h e r m a l p r o t e c t i o nc i r c u i t s i nt h i sw a y , p o w e rm o d u l e sa r ep r o t e c t e dc o m p r e h e n s i v e l ya n dt h e p r o b l e mt h a tp o w e rm o d u l e sc o u l db eb u r n e de a s i l yi ss o l v e dw e l l t h i sp a p e ra l s os t u d i e d o nd i g i t a ll o wp a s sf i l t e r ( l p f ) t of i n do u th o wt h ep h a s e - d e l a yo fl p fm a k e ss u r g ec u r r e n t s o m ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sa r er a i s e dt ot r e a tw i t ht h i ss u r g ec u r r e n ta n dt h e r ea r es o m e c o r r e l a t i v ew a v e f o r m so fe x p e r i m e n ta r eb r o u g h tf o r t h t h i sp a p e ra l s om a k e sp a r t i c u l a r d i s c u s s i o no nd e a dt i m ee f f e c t ，w h i c hr o o ti nd e a dt i m ea n di ti sn e c e s s a r yt om a n yp o w e r m o d u l e s t h ep a p e rd e m o n s t r a t e dt h a td e a dt i m em a ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fs a p f s o m e d e a dt i m ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sw e r ei n t r o d u c e di ns u c c e s s i o n h o w e v e r , t h e s em e t h o d s a r es t i l ln o tf a c i l i t ye n o u g h ，a n dt h e yn e e df u r t h e rs t u d y f i n a l l y , t h es a p fd e v i c et h a t r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db yt h i sp a p e ra n ds o m ef r u i t i o no nr e s e a r c ha r es h o w na n dp r o v e s t h a tt h em e a s u r e sa n ds c h e m ei n t r o d u c e da b o v ew o r kw e l l t h ew o r ko ft h i sp a p e ri sb a s e du p o ns o m ep r o p h a s ew o r k b yd e v e l o p i n ga m o u n to f f o l l o w i n gs t u d yw o r k ，w eg o ts o m ea c h i e v e m e n ta n di m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fs a p f b o t hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e a sm o r ev a l u a b l e e x p e r i e n c e i s l e a r n e d ，t h i sp a p e r n 芷誓 嚣 广东工业大学硕士学位论文 目录 j l l l l要i a b s t r a c t i i l i l录1 1 0 r c o n t e n t s v i 第一章绪论。1 1 1 对谐波问题的认谚 1 1 2 谐波的治理措施3 1 3 电力有源滤波器的发展历史及发展趋势5 1 4 本论文所做主要工作6 第二章并联型电力有源滤波器的相关理论知识8 2 1 电力有源滤波器的分类8 2 2s a p f 的基本原理1 1 2 3 几种实用的电流检测技术1 2 2 4 a p f 常用的补偿电流控制策略1 6 2 4 1 三角波比较法1 7 2 4 2 滞环比较法1 7 2 4 3 电压空间矢量( s v p w m ) 控制法1 8 2 5s a p f 控制原理简析1 9 2 6 吸收电路简介? 2 2 第三章lg b t 故障分析及保护电路的设计2 4 3 1i g b t 简介2 4 3 1 1i g b t 的结构2 4 3 1 2i g b t 的工作原理2 5 3 2i g b t 在s a p f 中的应用2 6 3 3i g b t 常见故障原因分析2 7 3 4i g b t 保护电路设计2 8 i v 3 4 2i g b t 过压保护电路3 0 3 4 3i g b t 过热保护3 8 第四章s a p f 过冲电流的抑制及死区补偿。4 l 4 1ii r 数字低通滤波器在s a p f 中的应用4 l 4 1 1s a p f 系统中ii r 滤波器的设计方法4 l 4 1 2 数字低通滤波器对s a p f 系统的影响。4 5 4 2s a w 中逆变器的死区效应及其补偿方法5 2 4 2 1s a p f 中逆变器的死区效应分析5 2 4 2 2 死区时问的补偿方法5 6 第五章s a p f 试验结果5 8 5 1 试验系统简介5 8 5 2 试验运行波形及分析6 0 5 2 1 空载启动试验6 0 5 3 2 带负载启动6 1 5 2 3s a p f 既补偿谐波又补偿无功功率6 2 5 3 直流侧整定电压值对补偿效果的影响6 3 结论与展望。6 5 ， 参考文献6 6 攻读学位期间发表的论文：6 9 独创性声明7 0 j g 【谢7l 一 一一 广东r - ：l k 大学硕士学位论文 - | i一一一iii i _ - _ | 皇- _ _ _ _ - _ _ | e | 目_ _ - c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a ( ：t 。i i c o n t e n t si nc h i n e s e i v c o n t e n t s 。v i c h a p t e rl ：i n t r o d u c t i o n 1 1 1a b o u th a r m o n i c 1 1 2h a r m o n i cs u p p r e s s i o n 3 1 3h i s t o r ya n dp r o s p e c to f a p f 5 1 4m a i nw o r ko ft h i sp a p e r 6 c h a p t e r ：! ：t h e o r i e sa b o u ts a p f 8 2 1c l a s s i f i c a t i o no f a p f 8 2 2p r i n c i p l eo fs a p f 11 ：! 3s e v e r a lc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d s 12 2 4a p fc o m m o n l yu s e dc o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d sf o ra p f 16 2 4 t r i a n g u l a rw v a e f o r m c o m p a r i s o nm e t h o d 1 7 2 4 2h y s t e r e s i sc o m p a r i s o nm e t h o d 17 2 4 3s v p w mm e t h o d 18 ：! 5c o n t r o lt h e o r yo fs a p fb r i e f a n a l y s i s 1 9 2 6b r i e fi n t r o d u c t i o no ns n u b b e rc i r c u i t s 2 2 c h a p t e r ：i ：i g b tf a i l u r ea n a l y s i sa n dp r o t e c t i o nc i r c u i t sd e s i g n 2 4 3 1b r i e f i n t r o d u c t i o no ni g b t 2 4 3 1 1s t r u c t u r eo fi g b t 2 4 3 1 2o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fl g b t 2 5 ：；2 f h ea p p l i c a t i o no fi g b tt os a p f 2 6 ： 3i g b tf a i l u r ea n a l y s i s 2 7 ：；4 p o r t e c t i o nc i r c u i t sd e s i g nf o ri g b t 2 8 3 4 1o v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o nc i r c u i tf o ri g b t 2 8 v i 3 4 2o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nc i r c u i tf o ri g b t 3 0 3 4 3t h e r m a lp r o t e c t i o nc i r c u i tf o ri g b t 3 8 c h a p t e r4 ：s u p p r e s s i o no fs u r g ec u r r e n tc a u s eb yl p f a n dd e a d - t i m ec o m p e n s a t i o n 4 1 4 1i i rd i g i t a lf i l t e ri na p p l i c a t i o no fs a p f 4 1 4 1 1d e s i g n i n gm e t h o df o ri i rf i l t e ra p p l i e di ns a p f 4 1 4 1 2t h ei m p a c to f d i g i t a lf i l t e ro ns a p fs y s t e m 4 5 4 2d e a d t i m ee f f e c t sa n dc o m p e n s a t i o nm e t h o d s 5 2 4 2 1d e a d t i m ee f f e c t sa n a l y s i s 5 2 4 2 2c o m p e n s a t i o nm e t h o d sf o rd e a d t i m e 5 6 c h a p t e r5 ：s a p ft e s tr e s u l t s ”5 8 5 ib r i e fi n t r o d u c t i o no f t e s ts y s t e m 5 8 5 2w a v e f o r m sg o tf r o mt e s ta n dr e s u l t sa n a l y s i s 6 0 5 2 1s a p fs t a r t e dw i t h o u tl o a d 6 0澎 5 3 2s a p fs t a r t e dw i t hl o a d 6 1 5 2 3s a p fc o m p e n s a t e sb o t hr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c 6 2 5 3d cv o l t a g ee f f e c to nc o m p e n s a t i o nr e s u l t 6 3 c o n c l u s i o na n dd i s c u s s i o n 6 5 r e f e r e n c e s 。6 6 ：罂： r e l e a s e dp a p e r sd u r i n gp o s t g r a d u a t i o n 6 9 a n n o u n c eo fo r i g i n a lc r e a t i o n 7 0 a c k n o w l e d g e m e n t ”7 1 v l i ： ， t 寸絮 1 1 对谐波问题的认识 第一章绪论 一、谐波的定义 “谐波”一词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率 的数倍频率振动。1 8 2 2 年，法国数学家傅立叶指出，任意一个函数都可以分解为无 穷多个不同频率的萨弦信号。电气学中将谐波定义为一个频率是实际系统频率( 即 电网额定频率) 整数倍的信号。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际电网会议的文 献中这样定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的h 次分量”。而电气和 电子工程师协会标准( i e e e 标准5 1 9 - 1 9 8 1 ) 是这样定义谐波的：谐波为一周期波的 j 下弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。综合上述两者，目前国际普遍定义谐波 为：一个周期电气量的j 下弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 二、谐波产生的原因 随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用于各个领 域。由于电力电子装置多数为非线性负载，而当f 弦波电压施加在这些非线性负载 上时，电流就可能改变为非正弦波。电力系统中的各种非线性元件足产，高次谐波 的主要原因。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类1 2 i ： ( i ) 含有半导体非线线性元件的电力电子装置。电力电子技术的发展促进了电力电 子装置的广泛应用，但它们也是最主要的谐波源，电力电子装置普遍采用非线性元 件如二极管、晶闸管等作为电能变换电路( 如整流电路、逆变电路等) 的元件，在一 定条件下使负荷电流波形产生畸变，产生高次谐波。 ( 2 ) 含有电弧和铁磁非线性材料的设备。这一类设备主要有旋转电机、变压器、电 弧炉、交流电焊机和电光灯等。 旋转电机，可分为发电机和电动机，由于在实际的电机中，磁极不平衡、绕组 不平衡以及铁：芭：饱和等原因，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应 电势不是理想的j f 弦波，而包含一定的谐波。 变压器，变压器的谐波电流主要是由励磁刚路中非线性的磁化曲线所引起的。 由于铁芯的非线性，造成励磁电流波形畸变并产生高次谐波。 广东工业大学硕士学位论文 电弧炉、交流电焊机、日光灯等。电弧炉利用其电极和炉料之问产生的电弧热 量冶炼金属，工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，因为电弧极不稳定， 不但消耗大量的无功功率，而且也会产生大量的谐波电流，且谐波频谱比较宽。 含有电弧的冶炼设备和电焊设备，除了产生谐波外还产生间谐波和造成电压闪 变，都使电力系统的电流和电压产生畸变。 三、谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，不仅会消耗系统的无功功率，而且对公用电网造 成污染，使得用电设备所处的环境恶化，随着电力电子装置的迅速普及，电网的谐 波污染问题同益严重，由谐波引起的各种故障和事故不断发生，谐波危害问题也引 起了人们的高度关注。谐波电流和谐波电压对电网和用户的影响及危害概括起来主 要有以一f ) l 个方面【3 】1 4 j 【5 】： ( 1 ) 增加旋转电机的损耗。谐波电流或谐波电压会在电机的定子绕组、转子回路以 及定子和转子铁心中引起附加损耗，降低效率，严重时使电机过热。另外，当谐波 频率接近电动机的固有振动频率时，会引起电机的强烈振动，产生噪声，缩短电机 的寿命。 ( 2 ) 增加输电线路的损耗，缩短输电线路的寿命。由于谐波频率一般比较高，且输 电线路导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使电缆允 许通过的电流减小。一方面降低了输电线路的传输能力，另一方面引起附加线路损 耗，影响电缆的使用寿命。 ( 3 ) 增加变压器的损耗。变压器在谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应， 这将引起变压器的铁损以及铜损的增加。容易引起变压器外壳、硅钢片和某些紧固 件的发热，并有可能引起变压器局部严重过热。此外，3 的倍数次零序电流会在三 角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于 带不对称负载的变压器，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和， 从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。 ( 4 ) 对用电设备的危害。谐波会使计算机、电视机的图像产生畸变，画面亮度发生 波动变化，并使设备内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于 采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管发生误动，或使控制回路误触发。 ( 5 ) 导致继电保护和自动装置的误动。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与 电器的设计特点有关。高次谐波会使热继电器误动作，电磁继电器滞动，感应式电 寿命。由于电容器的容抗与 频率成反比，因此在谐波电压的作用下其容抗比在基波电压作用下小得多，通过电 容器的谐波电流增大，从而使电容器损耗也增加，并产生发热。当电容器投入在电 压已经发生畸变的电网中时，还可能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩散现象。另 外，谐波电压的变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用， 从而缩短电容器的寿命。 ( 7 ) 引起电力测量产生误差。目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，测量 仪表都是在纯正弦波环境下进行校验的，如果电网中的电压或电流发生畸变，将会 影响测量仪表的准确性。 ( 8 ) 对通信系统造成干扰。电力系统中的静止变流器在换相期间会向电网电压注入 一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率非常高，甚至达到1 m t l z ，因而会引起 电磁干扰，对通信线路、通信设备产生很大的影响。取矗 1 2 谐波的治理措施 谐波治理的措施主要有三种：受端治理，从用电设备的角度出发，提高设备 的抗谐波干扰能力；主动治理，对谐波源进行改造，使其不产生或少生产谐波。 被动治理，即外加滤波装置阻止谐波注入到电网中6 1 17 1 。 菇 一、受端治理的主要措施 1 ) 选择合理的供电方式。 2 ) 对设备进行改进，提高设备抗谐波干扰能力。 3 ) 对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，提高谐波保护性能。 4 ) 防止电容器对谐波的放大。 二、 主动治理的主要措施： 1 ) 增加变流装置的相数或脉冲数，可有效减少谐波含量。 2 ) 采用p w m 技术。 3 ) 采用多重化技术。 4 ) 改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分 散或交替使用。 5 ) 设计或采用高功率因数变流器。 广东工业大学硕士学位论文 三、 被动治理的主要措施： ( 1 ) 采用山电力电容器和电抗器等构成的无源滤波器。 ( 2 ) 采用有源滤波器。 装设谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器。这种方法不但能够有效抑制 谐波而且可以实现无功功率补偿，结构也比较简单，成本低廉，被广泛应用，但存 在以下不足【8 】： 1 ) 只能滤除特定次谐波。单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只 能消除截止频率以上的谐波。 2 ) 对谐波次数经常变化时的滤波效果不好。当滤波器投运后，由于其只能消除特 定次谐波，因此如果谐波的次数和大小发生变化，便会影响滤波效果。 3 ) 滤波特性依懒于电网参数。无源滤波器对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗 的影响较大。 4 ) 滤波性能受本身参数影响较大。由于调谐偏移和残余电阻的存在，大大影响了 滤波效果。滤波器中电容器和电抗器等参数漂移将导致滤波特性改变，使滤波 性能不稳定。 5 ) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。无源滤波器可能与系统阻抗发生串联或并联 谐振，从而使装置无法运行，并放大谐波电流。 6 ) 电容器组无功率功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比，补偿效果不稳 定。 7 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 针对上述无源滤波器的缺点，1 9 7 6 年由l g y u g i 等人提出了用大功率晶体管 p w m 变换器构成电力有源滤波器，正式确立了电力有源滤波器( a p f ) 的概念，并 提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。与无源滤波器相比，电力有 源滤波器具有如下优点【9 1 ： 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响； 2 ) 可动态跟踪补偿多次谐波，用一台装置就能完成多次谐波的治理； 3 ) 能提供负载所需的无功功率，在治理谐波的同时进行无功补偿； 4 ) 理论上补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大； 5 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，不存在放大谐波的危险； 6 ) 可对多个谐波源进行集中治理； 第一章绪论 7 ) 由于装置本身具有输出限制功能，即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也 不会发生过载： 由于上述优点，电力有源滤波器技术已经成为当前对电网进行无功补偿和谐波 治理的重要发展趋势。将给电力工业和众多用户带来巨大的经济效益和社会效益。 1 3 电力有源滤波器的发展历史及发展趋势 1 9 6 9 年，b m b i n d 禾1 j e m a r s h 发表的论文中描述了向交流电网中注入三次谐波 电流，来抵消电网电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形。虽然没有明确提出 电力有源滤波器的概念，但其所描述的方法可以认为是电力有源滤波器基本思想的 萌芽；1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文完整地描述了电力有源滤波器基本 原理。当时采用线性放大方法产生补偿电流，系统损耗大，成本高，未能在工业中 应用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e s t r y c t t l a 提出采用大功率晶体管组成的p w m 变流器构 成电力有源滤波器，他们在论文中详细讨论了电力有源滤波器的实现方法和控制原 理，确立了电力有源滤波器基本概念，并建立了有源滤波器的拓扑结构。由于受当 时电力电子器件发展水平制约，对电力有源滤波技术的研究仅停斟在实验审内，并 无工业化应用产品。进入2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子技术和p w m 控制技术发展， 大功率可关断器件( g t o 、g t r 、i g b t ) 的不断涌现，以及对在非f 弦条件下无功 功率理论的深入研究，特别是同本学者赤木泰文( h i r o f u m ia k a g i ) 等人于19 8 3 年提 出的瞬时无功功率理论对电力有源滤波器的快速发展起到了很大的推动作用，使2 0 世纪7 0 年代提出的电力有源滤波器走出了实验室。l9 8 2 年第l 台采用g t o 作为开关 元件的电流源p w m 逆变器构成的电力有源滤波器( 8 0 0 k v a ) 在日本研制成功并投 入使用。l9 8 6 年日本的k o m a s u g i 和i m u r a 研制出一套用于三相整流器补偿的电流补偿 器，可补偿1 9 次以下的高次谐波。1 9 9 1 年南非的e n s l i n 和w y k 研制综合补偿系统。经 过2 0 多年的研究和探索，有源滤波技术取得了长足的发展，越来越多的a p f 投入运 行，在同本、美国、德国等工业发达国家已得到广泛应用。其中，在同本已投入使 用的a p f 容量遍及从5 0 k v a 到6 0 m v a 的功率范围，功能也从谐波补偿到抑制闪变和 电压调节越来越丰富。目前世界上a p f 主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西 屋电气公司、瑞士a b b 、德国西门子公司等l l o 】。 与国外广泛应用相比，由于我国对谐波的危害一直认识不足，所以相关的研究 起步较晚，采用的技术也比较落后。目前国内电力谐波的分析与控制相关产品技术 广东工业大学硕士学位论文 研究尚处在起步阶段。电力部门对电力谐波的控制只是提出了指导性的要求，随着 经济的发展，对供电质量将提出更高的要求和标准。在国内，直n 2 0 世纪8 0 年代未 期才丌始有相关方面的文章出现，起初论文所采用的谐波检测方法陈旧，补偿效果 不理想。进入2 0 世纪9 0 年代，国内一些高等院校、科研院所以及少数公司相继开展 相关的研究。但是大多数仍处于仿真和小容量样机研究阶段。目前以西安交通大学 和浙江大学为代表，他们已经形成了比较系统的研究体系和理论基础。在实际应用 方面，在工业上有少数样机投入运行，但电压等级低，容量小，而且滤波效果还不 尽人意，距离工业大规模应用尚有一定距离。 从近几年来的研究和应用中可以看出电力有源滤波器具有如下的发展趋势： 1 ) 通过采用p w m 调制和多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。 2 ) 为降低投资成本和提高补偿效率，将a p f 与无源滤波器组成混合型滤波系统， 既能有效克服无源滤波器的缺点，又能提高电力有源滤波器的补偿功率并可降 低对电力有源滤波器容量的要求。 3 ) 为使电力有源滤波器能适应不同的运行环境，采用一些先进的控制策略，以期 得到更好的控制效果。 4 ) 全数字化电路的研究与应用，为适应a p f 多功能复杂控制的需要，全数字化实 时控制技术或新型控制技术将成为发展趋势。 随着电力电子器件耐压水平的提高和人们对电能质量的同益重视，a p f 在工业 系统领域得到广泛应用。无论是在国内还是国外，a p f 目前主要应用于低压配电网。 至于在中高压配电网中的应用只有少数学者进行了初步的探讨，在我国这方面的研 究也正在进行中。 1 4 本论文所做主要工作 本文参与开平市某电气设备公司并联型电力有源滤波器( s a p f ，s h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e r ) 装置的研制工作，本论文的主要研究工作包括： ) ：展对s a p f 相关理论研究，运用s i m u l i n k 软件进行s a p f 系统的仿真，并进 行系统控制方法的研究，对s a p f 装置软件结构和重要参数进行优化，增强系统自 我保护功能，使系统运行更稳定，谐波治理效果更好。 通过开展理论分析研究和进行实际的装置运行测试，找出严重威胁系统安全运 行的过电压、过电流问题存在的根原，并针对这些问题设计相应的硬件保护电路， 第一章绪论 _ l l - _ i l _ _ 目目_ _ 日_ - _ 日_ _ _ l _ i _ _ _ _ - l i _ _ e - _ _ _ - 目日l _ l i l _ i _ - _ l _ 目_ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ 使系统能够更安全地运行，也大大地提高了s a p f 装置的补偿能力。 在软件方面主要对s a p f 系统控制程序进行一些改进，特别是对数字低通滤波 器所存在的相位延迟问题和开关器件的死区时间所引起的死区效应展开较为深入的 研究，并分别提出有效的措施解决上述问题。 参与更大容量s a p f 样机的组装、调试并成功进行挂网试运行。 广东工业大学硕士学位论丈 第二章并联型电力有源滤波器的相关理论知识 2 1 电力有源滤波器的分类 电力有源滤波器的主电路一般是由p w m 逆变器构成，实际结构按不同的划分标准 可分为多种结构类型j 。 按直流侧储能元件的不同可分为电压型电力有源滤波器( 储能元件为电容器) 和电 流型电力有源滤波器( 储能元件为电感) 。电压型电力有源滤波器相对于电流型电力有 源滤波器具有损耗小，效率高等优点而得到了更广泛研究和应用。图2 1 所示的是电 压型电力有源滤波器的主电路结构，电流型电力有源滤波器的主电路结构如图2 2 所 示 图2 i 电压型a p f 主电路结构 f i g 2 - 1p r i m a r yc i r c u i to fv o l t a g e s o u r c e da p f 7 一兰l 图2 - 2