（电力系统及其自动化专业论文）基于单位功率因数的有源电力滤波器的研究.pdf

东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a st h et e c h n i q u eo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v e l o p s ，t h el o a dw i t h n o n l i n e a r , i m p a c t i v e ，u n b a l a n c e dc h a r a c t e r i s t i c sh a v eb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di np o w e r n e t w o r k t h e yg e n e r a t el o t so fh a r m o n i c s t h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni np u b l i cs u p p l y n e t w o r kb e c o m e sm o r ea n dm o r es e v e r e l y , a n di n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fe l e c t r i c e n e r g ys u p p l ya n dt h es a f e t yo fu s et oc o n s u l ：n e r s ，s oi ti si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t t o h a r n e s st h eh a r m o n i cp o l l u t i o n f i r s t l y , t ot h ep r o b l e m st h a tc a u s e db yh a r m o n i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e p i c t st h e r e a s o no fh a r m o n i c sb r i n g i n ga n dt h eh a r m ，t h e ni n t r o d u c e st h em e t h o d so fh a r m o n i c r e s t r a i n i n g a c t i v ep o w e rf i l t e r i so n eo ft h em o s te f f e c t i v em e t h o d st od e p r e s s h a r m o n i c s t h i sf i l t e rc a nt r a c ki nt h eh a r m o n i cw h o s ef r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea r e b o t hv a r i a n tt oc o m p e n s a t e ，a n di t sc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e ri sn o ti n f l u e n c e db y p o w e r l i n ei m p e d a n c e ，s oi ti st a k e np r e m i u mw i d e l y s e c o n d l y , t h et h e o r y , t h ec l a s sa n dt h e b a s i cc o m p o s i n go ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra r ed e s c r i b e di nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so fv a r i o u sh 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 sa n dt h e d r a w b a c ko fi 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 ec o n c e p to fp o w e rf a c t o ri s i n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o ls y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c u r r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u eb a s e do nu n i t yp o w e rf a c t o ri sd e s c r i b e d t h et r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i co ft h ed e t e c t i o nm e t h o di s a n a l y s e da n dt h ed e t a i l e dm e t h o do f s h o r t e n i n gt h ed e t e c t i o nd e l a yi sp r o v i d e d t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h eb a s i co p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ea c t i v ep o w e r f i l t e r ，p r o v i d e st h ef o u n d a t i o no fd e s i g nf o rf i l t e ri nt h e o r y ，d i s c u s s e st h em u t u a l r e l a t i o no ff o u n d a t i o nf o r m a l ，c a p a b i l i t y , d i r e c tc u r r e n tv o l t a g ea n dm a i nc i r c u i t i n d u c t a n c ew h i l eu s i n gh y s t e r e t i cl o o pc u r r e mc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h er e a l - t i m ea n d d y n a m i cs i m u l a t i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nu n i t yp o w e r f a c t o ri si m p l e m e n t e d i ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a bs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h e i l p r o p o s e dm e t h o di sf e a s i b l ea n dt h i st h e o r yi sc o r r e c t k e y w o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i c d e t e c t i o n ；u n i t yp o w e rf a c t o r ； s i m u l a t i o n 1 1 1 - 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损 害，进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 冉 论文作者签名：盔鳖盔 日期： 上。l 年生一月生一日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人 离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单 位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：童监焘 日期：盘6 年月日 导师签名：! 盈尘! 釜 日期：2 姓6 年! 生- 月! 一日 第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现代社会中，电能是一种使用最为广泛的能源，其使用程度是一个国家发 展水平的标志之一。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电力用户提供，并由供、用双方共同保 证质量的特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑 也讲求质量【lj 。 随着科学技术的进步，特别是电力电子技术的发展，电网中冲击性、非线 性负载不断增加，使得电网出现谐波污染、电压波动、功率因数降低、三相不 平衡等问题。这些问题的出现，严重影响了电力系统的安全、稳定运行。同 时，人类社会已经进入以计算机技术为基础的信息型社会，高速计算机、网络 通信设备、数字存储器等电子设备在人们的生产、生活中得到了广泛的应用， 这些精密设备对电能的供应提出了更高的要求。在这样的背景下，如何衡量电 能的好坏，成为人们关注的问题，为此提出电能质量( p o w e r q u a l i t y ) 这一概念。 所谓电能质量，是指将电能看作一种商品，从而对它的各种技术指标做出 规定，以判断其是否合格。因此电能质量所要解决的问题就是即使系统处于非 稳态，也仍能保证可靠、恒定的优质电力供应【2 1 。 负载谐波电流严重影响用户对电能的使用，并威胁电力系统的安全运行，有 源电力滤波器是解决电力谐波问题的有力手段。而应用较为广泛的并联型有源 电力滤波器在谐波电流检测方法中存在很多不足，针对这一现象，本文将功率 因数的概念引入有源电力滤波器的控制中，提出一种基于单位功率因数 u p f ( u n i t yp o w e rf a c t o r ) 的电流检测法。 东北电力大学硕士学位论文 1 2 谐波的概念、危害及抑制方法 国际上，公认的谐波含义为：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 3 1 。但在实际应用过程中，人们将谐间波( 电力系统中 观察到的频率大于基波频率但又不是基波频率的整数倍的正弦分量) 以及频率 低于基波频率的正弦分量的问题包含在谐波问题的研究范围之内。近年来，电 力谐波概念的应用范围进一步扩展，它的使用己经超出了上述稳态分析的界 限，泛指电力系统中电压和电流非正弦性的各种问题。“谐波现象”一词已经成 为非正弦现象的代名词。 产生谐波电流的非线性负载的种类是多种多样的，谐波电流的特点也是多 种多样的【4 罐l 。在公用电网中，产生谐波电流的谐波源，按容量可分为两大类：一 类容量较大，单个负载对公用电网的影响较大，它们对电网的影响也具有各自 的特征，称为特征谐波源；另一类容量较小，单个负载对公用电网的影响基本 可以忽略，但是很多这类负载连接于同一电网时，也会对电网产生较大的影 响，因为是由许多互不相关的负载谐波电流的叠加效应对公用电网产生影响， 其特征显示出很大的随机性，称为随机谐波源。 谐波对公用电网及其它系统的危害主要表现为【9 。1 3 1 ： 1 _ 皆波会引起谐振和谐波电流的放大。为了补偿负载的无功功率，提高功 率因数，常在负载处装有并联电容器，为了提高系统的电压水平，常在变电所 安装并联电容器，此外，为了滤除谐波，会装l c 滤波器。工频时，电容器的容 抗比系统的感抗大得多，不会发生谐振。 2 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗。 3 _ 皆波能直接造成用户电气设备故障。谐波能引起发电机组和电动机局部 发热，使设备损坏，还会加重机械振动，使设备无法运行。当电网中3 次、5 次 或7 次谐波电压含有率达到1 0 2 0 时，电动机将在短期内损坏。 4 谐波电流流经变压器时，除引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、 外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热，谐波也使变 压器噪声增大。 第1 章绪论 5 谐波对电力电子设备的影响更为严重。电力电子设备一般对电网电压的 要求比较严格，这些设备容易受到谐波的干扰和影响。尤其相控设备在恶劣的 电网电压下，无法运行甚至发生错误触发造成事故。 6 谐波电流在电网中流动会产生有功功率损失，构成了电网线损的一部 分。对电网的经济运行很不利。 谐波问题广泛存在于电力系统中，并且有着多种多样的特点和形式，以及 同电能使用一样悠久的历史。谐波的存在对电力电网和电能用户都有着巨大的 危害，因此必须对谐波问题进行研究和治理。1 8 9 3 年，由于谐波引发电动机绝 缘和过热问题，人们开始研究这一问题 1 4 】。从2 0 世纪7 0 年代后期，各种功率 换流器开始普遍使用，这些非线性状态的电力电子装置的大量应用，使得电力 谐波问题变得日益尖锐。随着谐波问题的日益严重，国际电工委员会( i e c ) 、 国际大电网会议( c i g r e ) 、国际供电会议( c i r e d ) 和国际电气电子工程师 协会( i e e e ) 相继提出各自的建议谐波标准i l 副。1 9 8 4 年，水利电力部颁布了 ( s d l 2 6 - - - 1 9 8 4 ) 电力系统谐波管理暂行规定，推动了我国谐波研究工作 的进展。1 9 9 3 年7 月，国家技术监督局正式颁布了( g b t 1 4 5 4 9 - - 1 9 9 3 ) 电 能质量一公用电网谐波，并于1 9 9 4 年3 月正式实施，使我国谐波管理工作逐 渐科学化、规范化和法制化【3 j 。 消除谐波，应从产生谐波的装置即电力电子装置出发，去研究解决的方 法。消除谐波主要有两种途径：主动型，从装置本身出发，设计不产生谐波的 变流器；被动型，外加电力滤波器，比如在电力系统中加上l c 滤波器，或在 装置的电网侧加有源滤波装置等 1 6 - 1 7 】。至于采用哪种途径，应根据经济效益来 决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。 主动型的变流器谐波抑制方案。主要是通过增加整流相数、采用多重化技 术、采用先进的控制技术( 如p w m 技术、谐波消去优化法等) 、限制变流器 的容量、加入滤波环节等方法来实现。它代表了电力电子技术的发展方向，而 被动型的谐波抑制则是本文研究的重点，即安装电力滤波器。滤波器可分为无 源滤波器和有源滤波器。 无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑制手段。无源电力滤波装置 是指传统的l c 调谐滤波器。它由与负载并联的单个或多个l c 谐振支路组成。利 东北电力大学硕士学位论文 用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻 通路，而达到滤波的目的。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点。但存 在以下难以克服的缺陷【l 引，如滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤 除特定次谐波；滤波特性依赖于电网参数，当系统阻抗和频率波动时，滤波效 果变差；当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备；体 积大、损耗大。 为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意 义的为有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器 进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。 有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 1 9 - 2 1 ，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，是一种理想的谐波补偿装置。其基本原理是从补偿对象中实时检测出谐波 电流，利用可控电力电子器件产生一个与该谐波电流大小相等相位相反的补偿 电流，注入电网，从而使电网电流只含基波分量，达到实时补偿谐波电流的目 的。与传统l c 滤波器相比，有源滤波器够对变化的谐波进行迅速的动态跟踪 补偿，并且补偿特性不受电网阻抗的影响，它不仅可以动态补偿电力系统中的 谐波和无功，而且还可以调整供电系统负载侧的端电压。目前有源滤波器已经 可以用于从整体上改善电力系统的供电质量，这也是电力有源滤波器发展的一 个新趋势。 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点【1 叫： 1 对功率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。 3 不会与电网发生串并联谐振现象，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。 但有源电力滤波器也存在价格昂贵、运行成本高和难以构造大容量补偿装 置等缺点。 电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。仅 在日本就有1 0 0 0 多台a p f 投入运行，其容量越来越宽，从5 0 k v a 到6 0 m v a 不 第1 章绪论 等。功能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电 压、抑制电压闪变等功能。我国在a p f 研究与应用方面起步较晚，目前国内已研 制出5 0 k v a 的a p f ，有较高的技术指标，但在实际工程应用领域尚有待进一步提 高。 1 3 谐波检测及控制技术研究现状 为使有源电力滤波器对电能质量具有良好的实时控制效果，检测是最为关 键的环节，只有准确无误地检测出电源中的畸变电流和电压，才有可能得到理 想的补偿效果。在电能质量的研究领域中，现有几种常用的电能质量检测方 法，但是大多是针对电力系统的谐波检测的，下面是对几种电力系统谐波检测 方法进行的分析与比较。 1 分离基波法t 2 2 】。这是最早的谐波电力测量方法，是采用模拟滤波器来实 现，即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量。或者采用带通滤波器 得出基波分量，再与被测量电流相减，得到谐波分量。该检测方法的优点在于 电路结构简单、造价低廉、输出阻抗低、品质因数易于控制。但是该方法也有 许多缺点，如误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，现已极少 采用。 2 时域测量法【2 3 】。时域测量法是将被测信号进行傅立叶变换，分解出电压 和电流中的各次谐波分量。其基本过程是将被测信号( 电压或电流) 进行采 样，经过a d 转换将模拟量变为数字量，然后送入计算机进行快速傅立叶变 换，求出各次谐波的幅值与相位系数。该测量方法的优点是测量精度高，可同 时测量多个回路，能自动定时测量，缺点是需一定时间的采样，且需两次变 换，计算量大，使得该测量方法具有长时间的延迟，实时性不好，因此大多用 于谐波的离线分析。 3 频域测量法 2 4 2 6 1 。该方法实质上与分离基波法的基本出发点相同，只是 用数值计算的方法取代了原有的模拟提取方法。因此，该方法更加灵活，而且 受环境因素的影响也较小。但是该方法需要进行f f t 变换及其反变换，计算量 东北电力大学硕士学位论文 非常大，因而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时， 将引入较大的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响很大。 4 基于干扰原理的自适应检测法1 1 6 1 。该方法基于自适应干扰原理，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。该自适应检测法的特点是在电压 波形畸变的情况下，也具有较好的自适应能力，缺点是响应速度慢。 5 基于a n n 的谐波电流检测法【2 2 l 。在基于自适应检测的基础上提出了一种 基于神经元的自适应谐波电流检测方法。该方法是用一个多层前馈神经网络代 替模拟并行式谐波测量装置中的带通滤波器，使各次谐波电流进行仿真，得出 它的有效性。但是该方法还有一些需要改善的地方，目前尚未应用于工程实 际。 6 瞬时空间矢量法 1 7 - 1 8 】。为了能解决谐波的在线实时测量和补偿，1 9 8 3 年 日本学者赤木泰文提出了基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法，它是目前 有源滤波器中应用最广泛的一种测量谐波电流方法，由于不断的改进和完善， 现已有如下几种方法：p q 法、f 。一i 。法和d q 法。其中p q 法适用于电网 电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i 。一i 。法不仅对电网电压畸变有 效，而且也适合电压不对称的检测：给予同步旋转坐标的d q 法，不仅适用于 电网电压不对称、有畸变时能精确检测，同时简化了电网电压对称且无畸变 时，各电流增量的检测。但是，这种方法使用了众多的模拟乘法器，计算量相 对较大，调整困难，参数依赖性很大，难于保证设计的计算精度。 7 ，j 、波变换检测、法【2 2 】。小波变换是近几年来掀起的一个国际前沿领域，它 是在傅立叶变换的基础上发展起来的新的信号处理方法。它利用正交小波三2 伍) 空间线性张成的标准正交小波基和小波函数时域局部性的特点，将谐波时变幅 值投影n 4 , 波函数和尺度函数张成的自空间上，从而把时变幅值的估计问题转 化为常系数估计，利用最小二乘法即可实现时变谐波检测。小波变化克服傅立 叶变换在频域完全局部化，而在时域完全无局部化的缺点，即它在时域和频域 同时具有局部化，因此通过小波变换对谐波信号进行分析时可获得对应的时间 信息，实现谐波检测的在线跟踪。这种方法只是在仿真上证明了它的可行性， 在这方面还需要进一步研究和探讨。 第1 章绪论 鉴于电流检测环节中存在的上述问题，本文将功率因数的概念引入有源电力 滤波器的控制中，全面论述了基于单位功率因数的谐波和无功电流检测技术， 以及在并联型有源电力滤波器中的应用。 1 4 有源电力滤波器的研究意义及发展趋势 在电能质量的研究领域中，谐波电流的检测与补偿是其中的一个重点。而 有源电力滤波器被公认为是综合治理“电网污染”，提高电能质量最有效的手 段，国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置 的容量逐步提高，功能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可补偿基波无 功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能，其应用领域从补偿用户自身的谐波 向改善整个电力系统供电质量发展。而国内的应用报道比较少，而且容量也比 较小。因此，为实现有源电力滤波器的国产化，对谐波电流检测技术和控制策 略的研究有重大的现实意义。 现阶段有源电力滤波器的发展趋势为： 1 由确定性的慢时变的谐波测量转变为随机条件下的快速动、暂态谐波跟 踪，也是电力系统安全稳定运行深入发展的需要。 2 谐波测量算法向复杂化、智能化发展；求解方法从直观的函数解析，进 入复杂的数值分析和信号处理领域；谐波测量与谐波分析如何相互配合。针对 非稳态波形畸变，寻求新的数学方法，是人们关注的方向。 3 硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时 控制奠定了基础，如研究多通道谐波分析仪和电能质量检测仪。 4 谐波测量与实时分析、控制目标相结合，使测量与控制集成化、一体 化。 5 建立更为完善的功率定义和理论，将新理论应用于谐波检测，提出新的 谐波电流检测方法，使谐波检测在精度和实时性方面取得突破。 东北电力大学硕士学位论文 i i iiii i 1 5 本文的主要研究内容 本文研究的主要内容有： 1 介绍了电力系统谐波的基本概念和危害，表明谐波是电能质量中最突出 的问题。针对这一问题，应用有源电力滤波器对谐波进行检测和补偿，是非常 有效的方式。 2 阐述了有源电力滤波器的基本工作原理，介绍了有源滤波器的分类和补偿 特性。 3 在现有理论和研究成果的基础上通过理论分析，将功率因数的概念引入 有源电力滤波器的控制中，论述了基于单位功率因数的谐波和无功电流检测 法。 4 给出了并联型有源电力滤波器控制的方法，根据主电路参数设计的理论 依据，讨论了采用滞环比较法控制时主电路形式、容量计算、开关器件的选 取、直流侧电容及出线电感的取值和相互关系，并设计了与电网连接的高通滤 波器。 5 为验证所提方法的正确性和可行性，建立了有源电力滤波器的数学模 型，并以这种检测方法为基础，使用m a u a b 仿真软件，进行了有源电力滤波器 的实时动态仿真，取得了较为理想的结果，仿真结果为实际试验提供了参考和 依据。 - 8 一 第2 章有源电力滤波器的基本问题 第2 章有源电力滤波器的基本问题 以交流电源为基础的电力电子装置的广泛应用，使电能质量问题变得意义 重大。到目前为止国内外已经有大量的关于电能质量问题的调查报告。在这些 报告中通过对谐波和无功的测量、分析，来认识谐波和无功问题对电网和用户 的影响。而有源电力滤波器已用于解决三相电力系统中提高电能质量、消除电 压电流谐波、调节终端电压、抑制电压波动和改善电压平衡等问题【”1 。 2 1 有源电力滤波器基本原理 有源电力滤波器系统构成的原理图如图2 - 1 所示“。 a p f i 一。一一一- 一一一一一一一一l 图2 1 系统构成原理图 图中，吒表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。整个有 源电力滤波器可认为由两大部分组成：即指令电流运算电路和补偿电流发生电 路。指令电流运算电路的核心任务是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电 流分量，因此，有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路由 电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成，其作用是先根据指令电流 运算电路得出补偿电流的指令信号，再通过电流跟踪控制电路、驱动电路来控 东北电力大学硕士学位论文 制主电路产生实际的补偿电流，以达到补偿谐波和无功的目的。高频滤波器用 以消除有源电力滤波器所产生的开关频率附近的高次谐波电流，同时也兼顾滤 除负载电流中的高次谐波。 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时主要作为逆变器工作：在 电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，作为整流器使用。也就是说， 它既可工作在逆变器状态又可工作在整流器状态，所以主电路又可称为变流 器。 有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经 指令电流运算单元计算出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大 产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需用补偿的谐波及无功等电流抵消，最 终得到期望的电源电流。 在图2 1 中的体现是，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤 波器检测出补偿对象负载电流f ：中的谐波分量f 后，将其反极性作为补偿电流 的指令信号c ，再由补偿电流发生电路产生补偿电流，其中补偿电流t 与负载 电流中谐波分量f ，。大小相等，方向相反，因而两者相互抵消，使得电源中电流 中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。 如要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，只要在 补偿电流信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可，这样补偿 电流与负载电流中谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功 分量。同理，有源电力滤波器还可对不对称三相电路中的负序电流进行补偿。 2 2 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器发展至今，已派生出多种类型，如图2 - 2 所示。按照不同 的划分标准，有源电力滤波器有多种分类的方法，分别介绍如下【邛j 。 1 根据注入电网的方式不同，可以分为两类：并联型有源电力滤波器和串 联型有源电力滤波器。 并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网，它主要适用于电流型负载的 谐波、无功和负序电流的补偿。串联型有源电力滤波器与负载串联接入电网， 它主要消除电压型谐波源对电力系统的影响。串联型有源电力滤波器中流过的 第2 章有源电力滤波器的基本问题 是正常负载电流，损耗较大：并且串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退 出及各种保护也比并联型有源电力滤波器复杂，因此适用范围受到很大的限 制。 2 根据主电路储能元件的不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电流型 有源电力滤波器两种。 电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其电压基 本保持不变。电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，工作时其电 流基本保持不变。但由于电流型主电路的直流侧始终有电流流过，该电流将在 电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。 3 根据主电路所使用的p w m 变流器数量，可以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。后者可以提高有源电力滤波器的容 量，降低单个器件的工作频率。 4 根据接入系统的不同，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤 波器。后者又可分为三相三线制有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波 器。 图2 - 2 有源电力滤波器分类示意图 东北电力大学硕士学位论文 2 3 谐波源与有源电力滤波器补偿特性 2 3 1 谐波源类型 电网中存在不同类型的谐波源，它们以不同的方式向电网注入谐波。整流 器就是一种常见的谐波源。根据它的电路结构，其直流侧可以采用电感或电容 滤波。因此，它们注入电网的谐波特性也有差异，并且还会受到滤波电感或电 容的影响。 如果整流器直流侧采用电感三滤波，并且三足够大时，那么直流侧电流基 本保持恒定，整流器注入电网的谐波电流主要由直流侧电流的大小和各半导体 器件的切换方式决定，与交流侧参数关系不大，具有理想电流源的特性，因 此，基本上可以看成是一个理想谐波电流源。当电感三不是足够大时，直流侧 电流会有波动，这时，它注入电网的谐波就不能看成是一个理想谐波电流源， 但仍可以将其等效成一个谐波电流源，即一个理想谐波电流源与一个等效阻抗 并联，如图2 - 3 a ) 所示。三越小，z 。越小，越大，z 。越大。因此，直流侧电 感滤波的整流器可以看成电流型谐波源。 如果整流器直流侧采用电容器c 滤波，并且电容器足够大，那么与直流侧 三滤波的整流器相对应，其直流侧电压基本为恒定值，并通过各半导体开关器 件的切换加到交流侧，因此，此类谐波源产生的谐波电压主要是由直流侧本身 的特性决定，基本上与交流侧参数无关，有类似电压源的性质，可以用一个理 想谐波电压源与一个等效阻抗z 。串联来等效，如图2 - 3 b ) 所示。c 越大，等效 阻抗乙越小，谐波源的特性就越接近于理想谐波电压源。当c 足够大时，则可 以看成是理想谐波电压源。因此，直流侧电容滤波的整流器可以看成电压型谐 波源。 第z 章有源电力滤波器的基本问题 n - - - - - + a ) 电流型b ) 电压型 图2 _ 3 谐波源模型 2 3 2 有源电力滤波器的补偿特性 2 3 2 1 并联型a p f 补偿特性 并联型a p f 对谐波源进行补偿时，其系统单相等效电路如图2 - 4 所示。图 中，u f 和“曲分别是电源电压“。的基波和谐波分量，z ，是电源阻抗，“，为电源 端电压，而0 和i 柚分别为电源电流i 。的基波和谐波分量。并联型a p f 输出的补 偿电流用t 表示。工作时，通过控制a p f 产生一个与负载谐波电流大小相等方 向相反的谐波电流i 。注入电网，抵消负载产生的谐波电流，使f 。接近正弦波。 因此，并联型a p f 实质上属于受控电流源，它以电流源方式进行谐波补偿。 并联型a p f 补偿电流型谐波源时，行次谐波电流为： 疗 ：j 盟+ io h i 。 k = 二生丐一 ( 2 1 ) 1 + 兰竺 z b 东北电力大学硕士学位论文 a ) 补偿电流型谐波源b ) 补偿电压型谐波源 图2 - 4 并联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路图 当”曲= 0 ，即电网电压无畸变时，只要f 。= 乙，则，i 妯= 0 。这说明，不 论负载是否为理想谐波电流源，并联型a p f 均能补偿。所以，并联型a p f 适合 补偿直流侧电感滤波的整流器一电流型谐波源。 并联型a p f 补偿电压型谐波源时，当摊曲= 0 时，对于n 次谐波只要使用并 联型a p f 产生的补偿电流为： ， j 。= 一兰i 堕 ( 2 2 ) 就能使i 曲= 0 。如果按式( 2 - 1 ) 形成其补偿指令参考电流，并联型 a p f 就能补偿电压型谐波源。但是，补偿效果受乙的影响，而磊的大小又e h 电 容c 决定。对z 。较大的电压型谐波源，并联型a p f 有一定的补偿效果。由于一 般实际直流侧电容滤波的整流器，虽然不能等效成理想谐波电压源，仍然可以 看成z 。很小的谐波电压源。因此，补偿此类负载时，并联型a p f 需要产生很大 的f 。特别是当c 足够大时，负载看成是理想谐波电压源，z 接近于零，需要 产生无穷大补偿电流，这是达不到的。因此，并联型a p f 不适合补偿直流侧为 电容滤波的整流器一电压型谐波源。 第2 章有源电力滤波器的基本问题 2 3 2 2 串联型a p f 补偿特性 串联型a p f 的系统结构与并联型a p f 对偶，其系统单相等效电路如图2 - 5 所示。其中，“，和甜，。分别是负载电压“，的基波和谐波分量，而甜。表示并联型 a p f 输出的补偿电压。工作时，通过控制a p f 产生1 个与负载谐波电压大小相 等、方向相反的谐波电压甜。，抵消“从而使负载注入电网的谐波电流为零， f 。变成正弦电流，而u ，变为正弦电压。因此，串联型a p f 本质上属于受控电压 源，它以电压源的方式进行谐波补偿。 a ) 补偿电流型谐波源b ) 毒 偿电压型谐波源 图2 5 串联型a p f 补偿不同类型谐波源时的等效电路图 米用旱状型a p f 对电流型谐坡源进行滤波时，当u 曲= 0 ，即电网电压无畸 变时，对于n 次谐波，有： 。乏毒乙一丢瓦d 。 协， 对采用串联型a p f 对电压型谐波源进行谐波补偿时，对九次电源谐波电流 有： 。警 协4 ， 东北电力大学硕士学位论文 如果“。= 0 ，无论z 。的大小如何，只要甜。= 一“拍，则0 = 0 。因此，不论 负载是否是理想谐波电压源，串联型a p f 均能对其进行补偿。所以，串联型 a p f 适合补偿直流侧为电容滤波的整流器一电压型谐波源。 总之，在选择有源电力滤波器的结构类型时，要根据谐波源的类型来选择 相应的有源滤波器。如果不了解谐波源的类型，即不知道是电压型谐波源还是 电流型谐波源，盲目选择有源滤波器，不能取得令人满意的补偿效果。在必要 时，可采取串并联的使用的方式来进行谐波补偿。 本文主要以并联电压型三相有源电力滤波器为研究对象。 2 4 小结 本章介绍了有源电力滤波器的基本工作原理，简单说明了它的分类，以及 补偿特性。对于电流检测电路和电流跟踪电路及其主电路控制的具体问题，本 章几乎未涉及，将在下面章节进行详细的研究。 第3 章单位功率因数控制在电流检测中的应用 第3 章单位功率因数控制在电流检测中的应用 3 1 引言 对电网谐波进行检测和对谐波补偿进行控制，是关系到有源电力滤波器性 能的两个关键环节，直接影响补偿精度和补偿速度。因此，准确、实时的检测 出电网中瞬态变化的畸变电流是有源电力滤波器进行精确补偿的关键啪1 。 谐波电流检测信号作为补偿电流发生电路的指令，其实时性和准确性将影 响有源电力滤波器的补偿特性，因此研究谐波的瞬时检测技术有很重要的意 义。目前文献报道已运行的有源电力滤波器中所使用的几种谐波电流检测方法， 除了各自存在难以克服的缺点外，共同存在的问题是，对元件参数和系统的工 作状况变化依赖性都比较大，且都易受电网电压畸变的影响。对单相电路的谐 波和无功电流的检测还存在实时性差的缺点。 针对以上理论的不足，本章首先对目前有源电力滤波器中最常用的畸变电 流检测方法基于“瞬时无功功率理论”谐波电流检测法进行了分析。在此基 础上，本文将功率因数的概念引入有源电力滤波器中，提出一种基于单位功率 因数u p f ( u n i t yp o w e rf a c t o r ) 的谐波和无功电流检测方法。 3 2 基于“瞬时无功功率理论”谐波电流检测法 以“瞬时无功功率理论”为基础，得出了用于有源电力滤波器的高次谐波 和无功电流的实时检测方法1 3 0 】。该方法用一个锁相环和一个正、余弦发生电 路得到与电源电压e 。同相位的正弦信号s i n c o t 和对应的余弦信号c o s 脚t ，这两 个信号与三相电流的瞬时值i 。、i 。、i 。一起计算出i 。、i 。，经l p f 滤波得出 i p 、i ，的直流分量0 、乙。这里，、是由i 矿、i v 、i 矿产生的，因此由 一i p 、乏即可计算出基波分量0 、0 、0 ，进而计算出谐波分量乙、和 i 。该方法的原理如图3 - 1 所示。 东北电力大学硕士学位论文 其中 图3 - 1i ，- 口法原理 争顾 j 压- 1 - 肌1 2 c ：，= 岛 c 御= 。一s 。i n 。e a 耐t - - 一c 。o 洫s 饼e a t 3 3 基于单位功率因数的谐波电流检测法 3 3 1 基于单位功率因数的原理 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 该控制策略的目的是使非线性负载和滤波器的并联等效为一电阻性负载 3 q 。假设电网电压无畸变，傅立叶展开为： 掰，= u s i n c o t( 3 4 ) 如加上滤波器后负载侧的输入阻抗呈电阻性，则补偿后的网侧电流可表示 为： t = k u 。= k u s i n e a t( 3 - 5 ) 第3 章单位功率因数控制在电流检测中的应用 式中，j 为复合负载( 非线性负载和滤波器的组合) 电导。 电网电流是与电网电压同频同相的正弦波，且没有谐波成分，功率因数为 1 ，即单位功率因数u p f ( u n i t yp o w e rf a c t o r ) 。 3 3 2 基于单位功率因数的谐波和无功电流检测法 假设电网电压为理想正弦电压而且三相平衡，可表示为： 以，( f ) = _ s i n 耐一3 2 石- “- 一z ) i = 1 , 2 , 3 补偿后的网侧电流是正弦且和电网电压同相，可表示为： 。( t ) = i , s i n l c o t 一等) i = 1 , 2 , 3 ( 3 7 ) 式中，为补偿后的网侧电流的幅值，。可以从整个系统的有功功率流动 中获得。检测电容电压，滤除纹波，得到电容平均电压，将电压设定值减去电 容电压，差值送入p i 控制器，p i 控制器的输出就是网侧电流的幅值，。检测任 一相的相电压，经移相和加法处理后得到与对应相电压同相的三相单位正弦信 号，与p i 控制器的输出相乘，得到理想的参考电流信号。系统控制结构如图3 2 所示。 图3 - 2 系统控制结构图 如果，假设补偿前电网电流的傅立叶展开为： 东北电力大学硕士学位论文 i 。= ，。如g 鲥+ ) = k u ，+ f 。o ) 月= l 其中i q ( ，) 不产生有功功率，即满足： 吉i 伽= o t = o 将式( 3 - 8 ) 代入式( 3 9 ) 得到： 专，o x 矗= 专，o ，一妇，爵= ； ，兰”，廊一七。p t ：出 = 。 又因为： 享_ 舶 j ：坚 k 西 丁。三5 ( 3 - 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 1 ) “，f 。= p s i n 耐1 ls i n ( m o t + ( , o , 。) l - 以s i n 0 甜+ ) ( 3 - 1 2 ) n = l n = o “：= p s i n 耐) 2 = - 譬( 1 - c o s 2 0 ) t ) ( 3 1 3 ) 从式( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) 可以看出，u s i s 和甜：在一个周期内的积分分别为其 直流分量与积分周期的乘积，即： 电流的有功分量为： 七：1 1 1壶lsisdt：垄t 圭，p “； i p o ) = k u ；( f ) ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 1 第3 章单位功率因数控制在电流检测中的应用 广义的谐波电流( 无功电流与谐波电流之和) 为： o ) = ( ，) 一( ，) = t o ) 一肋，o ) ( 3 - 1 6 ) 广义谐波电流检测的控制框图如图3 3 所示。 图3 3 基于u p f 的广义谐波电流检测控制框图 3 3 3 基于单位功率因数检测法的动态特性研究 当今，随着高性能微处理器的发展，各种检测算法中数学运算占用的时间 已微乎其微。这样，无论用模拟电路还是微处理器实现检测运算，其中计算延 时与低通滤波器的固有延时相比可以忽略，故检测的动态响应速度主要取决于 低通滤波器的固有延时。因此，低通滤波器的设计非常关键。 1 滤波器类型的选择 常用的滤波器有b u t t e r w o r t h 、c h e b y s h e v 、b e s s e l 、e l l i p t i c 等几种。对相同 阶数和截止频率的这几种低通滤波器的研究发现，从检测精度看，e l l i p t i c 滤波 器和c h e b y s h e v 滤波器最好，b u t t e r w o r t h 滤波器次之，b e s s e l 滤波器最差。从 动态响应速度看，依次是b e s s e l 滤波器、b u t t e r w o r t h 滤波器、c h e b y s h e v 滤波 器、e l l i p t i c 滤波器。当截止频率选择得不太高时，由于b u t t e r w o r t h 低通滤波器 的频率特性在零点处最好，其检测精度已经能满足要求，因此，综合考虑，采 用b u t t e r w o r t h 低通滤波器比较合适。 东北电力大学硕士学位论文 2 滤波器截止频率的选择 从提高检测精度出发，希望滤波器的截止频率选择得越低越好，但是这样 会引起延时增大，使动态响应过程变慢。低通滤波器的任务是滤除瞬时功率中 的交流分量，这些交流分量的频率一般比较高，如在六脉冲晶闸管相控变流电 源中，理想情况下，最低频率的交流分量是6 次谐波，因此，截止频率选择过 低，意义并不大。此外，截止频率过低时，若用数字滤波器实现，会使滤波器 参数相差倍数过大，从而使计算