（电力电子与电力传动专业论文）100kvar并联混合有源电力滤波器的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 针对闭环控制策略存在的稳定性问题，本文对混合系统进行了建模并进行 了系统稳定性的分析。同时为了解决常规电压控制策略下系统的过载问题，本 文介绍了一个专利技术，并进行了新控制方法下系统稳定性的分析。 最后对研制样机进行了实验。从实验波形能够看出该混合装置具有良好的 滤波效果和暂态特性，能够使直流母线电压维持恒定并且能够抑制系统的过 载。 关键词：并联混合有源电力滤波器，回归分析，邻近损耗，直流母线平衡， 稳定性 山东大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nt e c h n o l o g y ，t h e r ea r cm o r ea n dm o r en o n - l i n e a rl o a d su s e di np o w e rs y s t e m ，t h a tc a u s e st o om u c hh a r m o n i cp o l l u t i o n , a n dt h e p o w e rq u a l i t yb e c o m e sw o r s es h a r p l y i ti si m p e r a t i v et od e a lw i t hh a r m o n i c su n d e r t h es i t u a t i o n t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r 沁f ) a n dc o n v e n t i o n a lp a s s i v ep o w e rf i l t e r ( p p f ) b o t hh a v ed i s a d v a n t a g e s b u tt h ep a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( p h a p v ) c o m p o s e do ft h e mc a nh a v et h e i ra d v a n t a g e sa n de l i m i n a t et h e i rd i s a d v a n t a g e s a t t h es a m et i m ei tp o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp r i c eo fp p fa n dg o o d p e r f o r m a n c eo fa p f i tc a nm a k eh n r m o m cc o m p e n s a t i o ns y s t e mr e a c ht h eb e s t p e r f o r m a n c ea tal o w e rc o s t ，a p fi sb e i n ga p p l i e dm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e l yi n h o m em a r k e t s oi ti sp r a c t i c a lt od e v e l o pt h ep h a p ff o rd e a lw i t hh a r m o n i c sa n d r e a c ht h eb e s tp e r f o r m a n c ea tal o w e rc o s t i na l l u s i o nt ot h eh a r m o n i ci s s u ea n dt h ei d e ao fh a r m o n i cr e s t r a i n ta l o n gw i t h t h ed e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fp h a p f , t h i sp a p e rg i v e st h es y s t e md e s i g n s c h e m ea n df r a m eo ft h es w a t c hb a s e do nt h eb a s i cw o r kp r i n c i p l eo fp h a p fa n d v a r i o u sa c t u a lq u e s t i o n s a td e s i g nt h ep p f i nv i e wo fp r a c t i c a l i t y , ad e e ps t u d yw a sd e v e l o p e di nt h e s e t w of i e l d s ：t h ed i s t r i b u t i n gm l eo fi n d u s t r yl o a dh a r m o n i c 矗e q u 锄c yc o m p o s ea n d t h ep r o x i m i t ye f f e c tw h i c hh a v ee f f e c to nt h ew i n d i n g sa cl o s s a c c o r d i n gt ot h e s t u d y ，w eg o ta b a s e l i n eo fd e s i g nf o rt h ec a p a b i l i t yd i s t r i b u t i o no fp a s s i v en e t w o r k a n d r e d u c i n gt h ew i n d i n g sa c l o s s t h er e s u l to f f e r sad e s i g ng i s tf o rt h ec a p a b i l i t y d i s t r i b u t i o no fp a s s i v en e t w o r ka n dag u i d el i n eo nd e s i g nw h i c hf o rr e d u c et h e w i n d i n g sa cl o s su l t i m a t e l y i h 山东大学硕士学位论文 a td e s i g nt h ea p f e m p h a s i so nt h ec o n v e r t o r a n dt h e nt h ec o n t r o lc i r c u i t s ， i n c l u d i n gt h em a i nc o n t r o lc i r c u i ta n dl o 百cc i r c u i t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n tp o w e rb a l a n c e ，t h e s t u d yp l a c e dt h ee m p h a s i so na n a l y z i n ga n dd e s i g i n gt h ed cv o l t a g eb u sb a l a n c e a d j u s ts y s t e m a tf i r s t , b a s e do nt h ed cb u sb a l a n c ea a j u s ts y s t e mo ft h es w a t c h , m a t h e m a t i cc o n t r o lm o d e lw a ss e tu p ，w h i c hw a su s e dt oa n a l y z ec e n t r a lp a r a m e t e r s s e l e c tr a n g eo ft h es t e a d ys y s t e ma n df i xo nt h es e l e c to fp ia d j u s t o r t h e n , t h e d e s i g no fl o wp a s sf i l t e r i nh a r m o n i cc h e c kt a c h ew a sr e s e a r c h e d f i n a l l y ，a s e l e c t i o nf o rc a p a c i t a n c ec a p a b i l i t yo fd cb u sw a sd e c i d e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s o ft h ed cb u sb a l a n c em o d e lb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r y c o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a ls y s t e m i na l l u s i o nt ot h es t a b i l i t yp r o b l e mo fc o n v e n t i o n a lc l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g y , am a t h e m a t i cm o d e lw a ss e tl l pi nt h i ss t u d y , w h i c hw a su s e dt oa n a l y s et h es t a b i l i t y o fh y b r i ds y s t e m i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fo v e r l o a du n d e rt h ev o l t a g e c o n t r o ls t r a t e g y ，ap a t e n tt e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w i t ha a n a l y s i so f t h es t a b i l i t yo fs y s t e mu n d e rt h en e wm e t h o d f i n a l l y , e x p e r i m e n t so nt h em a n u f a c t u r eo fp h a p fw e r ed e v e l o p e d w eg o t f a v o r a b l ee f f e c t so nt h es i e v eh a r m o n i c sa n dt r a n s i e n ta c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t t h ed cb u sv o l t a g ec a nm a i n t a i ni n v a r i a b l e n e s sa n dt h ee x p e r i m e n tc a nr e s t r a i n o v e r l o a d k e yw o r d s ：p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , r e g r e s sa n a l y s i s ，p r o x i m i t yl o s s ， d cb u sb a l a n c e ，s t a b i l i t y n 乙 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。 z 0 0 7 ，j 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 论文作者签名：邈堡垒导师签名 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 目前电力系统中非线性负荷尤其是电力电子装置的使用日益增多，特别是 近二十年来，各种电力电子装置在电力系统、工业部门以及家庭中的应用迅速 普及，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严重。谐波电流和无 功电流大量注入电网，引起电网电压闪变、频率变化、三相不平衡和电网电压 波形的畸变。电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行【1 1 。如 何改善电能质量，对供电系统的谐波进行补偿，是摆在人们面前的一个重要而有现 实意义的课题。 1 1 课题背景 7 0 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，谐波所造成的危害也日趋严重。世 界各国都对谐波问题予以充分的关注。 1 1 1 谐波定义 国际上公认的谐波含义为1 2 1 【3 】：“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 5 2 ，1 9 8 2 ) 和国际大电网会 议( c i g r e ) e b j 文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1 的h 次分 量”。髓标准1 4 】【5 】中( 参见匝e e 标准5 1 9 一1 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”。 1 1 2 谐波产生 谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的。造成系统正弦波形畸 变、产生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。这些设备或负荷，向系统注入大量的谐波电流，使电力系统的电压波形畸 变，电能质量降低。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类 【6 】。 1 山东大学硕士学位论文 ( 1 )含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源 电力电子装簧的应用日益广泛，使得它成为最大的谐波源。在各种电力电 子装置中，整流装置的比例相当大。常见的整流电路都是采用晶闸管相控整流 或二极管整流，其中以三相桥式和单项桥式整流电路为最多。带阻感负载的整 流电路产生的谐波污染和功率因数滞后已被人们熟知。直流侧采用大电容滤波 的二极管整流电路也日益成为严重的谐波污染源，虽然其输入电流的基波分量 功率因数接近1 ，但其中的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使其总的 功率因数很低。除此之外，数量庞大的电视机、计算机和各种家用电器及办公 设备中大都含有开关电源，它们的普及也加大了谐波污染问题的严重性。 ( 2 ) 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源 这一类设备主要有旋转电机、变压器、电弧炉及交流电焊机等。在电力电 子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电 机。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。旋转电机分为发电机 和电动机，以发电机为例，其磁极磁场的非正弦分布导致感应电势包含一定的 谐波。工业用的电弧炉，虽然数量不多但是容量较大，它们产生的谐波成分十 分丰富，对电网的危害极大。 1 1 3 谐波危害m 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅 值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处 的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。谐波对公 用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 在电力危害方面 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振，使谐波电 流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻 器的损坏。 山东大学硕士学位论文 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及 用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设 备的使用寿命。 ( 2 ) 在信号干扰方面 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式会对邻近的通信系统产生干扰，轻 者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护、熔断器等。 因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，它是在纯正弦波情况下进行 校验的，因此谐波会使仪表产生测量误差。 谐波带来的危害越来越被人们所重视，对电网谐波进行抑制既是依法用电 的强制要求，也是电网安全经济运行的客观需要。 1 1 4 谐波标准帆 针对电网系统的谐波污染和电能质量的恶化，很多国家和国际组织都制定 了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。美国海军早在2 0 世纪7 0 年 代就发现谐波的影响并第一个制定谐波限制标准u sm m s t d 4 6 1 ，目前该标准 仍被美国军方广泛使用。 为了避免谐波的危害，保证较高的供电质量，各个国家和国际组织在这方 面制定了诸多标准用以限制各种用电设备的谐波排放量，在这些标准中，被广 泛接受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 2 标准。 电气和电子工程师学会于1 9 8 1 年制定了i e e e 6 0 5 1 9 标准，并于1 9 9 2 年进行 了修定。该标准是从电网的角度来对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行 限制。 国际电工委员会于1 9 8 2 年制定了i e c 6 0 5 5 5 2 标准，并于1 9 9 5 年进行了修 定，修定后的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 2 。该标准是从用电方的角度对负载产生的谐 波进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。 3 山东大学硕士学位论文 在我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批转的全国供用电 规则的规定，制定并发布t s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。 针对电能质量的恶化，我国已先后颁布了以下国标： 电能质量公用电网谐波( g b t1 4 1 5 4 9 9 3 ) 电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 代替( g b1 2 3 2 6 1 9 9 0 ) 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 电能质量电力系统频率允许偏差( g b 厂r1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 9 0 ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 。 供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则( g b1 7 6 2 6 7 1 9 9 8 ) 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值( g b1 7 6 2 5 7 1 9 9 8 ) 1 2 谐波抑制 目前，在电力系统中抑制或减小电力电子装置谐波污染问题主要从两个方 面进行：一是从产生谐波的谐波源装置本身入手【9 】，在这些装置设计时就考虑 减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，以减小电网的谐波注入量。如增加谐波 源整流装置的脉动相数、采用p w m 调制技术或软开关技术、采用有源功率因 数技术等都可以降低整流装置产生的谐波成分。对谐波源本身进行改造是一种 积极有效的谐波消除方法，但它仅仅是对自身性能的改进，无益于已有电网性 能的改善。因此，对已投入运行的系统进行谐波抑制，须采用另外一种途径， 即加装谐波抑制装置，如无源电力滤波器、有源电力滤波器以及混合型电力滤 波器。 1 2 1 无源电力滤波器嘲伽 电网中谐波的抑制传统上是采用无源电力滤波器f p p f - p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 来实现的。它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗 4 山东大学硕士学位论文 支路，从而减小流向电网的谐波电流。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功 功率，而且结构简单，成本较低，技术成熟，一直被广泛应用。这种方法的主 要缺点如下： ( 1 ) 滤波性能受系统参数的影响较大。系统的结构、工作状态和电源频率漂 移都会导致l c 滤波器的滤波特性改变，使其难以获得预期的滤波效果。 ( 2 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。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，有时由于高次谐波成分较 多，必须同时加入多个滤波器，使整个滤波装置的成本和体积增加。 ( 3 ) 不能对谐波实现动态补偿。尤其是对于谐波次数经常变化的负载滤波效 果不好 ( 4 ) 可能与电力系统发生串并联谐振。造成电压畸变而产生附加的谐波电流 流入l c 滤波器，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。 ( 5 ) 谐波电流增大时，【c 滤波器的负担随之加重，可能会引起滤波器的过 载，电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 ( 6 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调，功能相对来说比较少。 ( 7 ) 有效材料消耗多，体积比较大。 1 2 2 有源电力滤波器m m m 2 1 与p p f 相对应的是有源电力滤波器( a p f ：a c l i v ep o w e rf i l t e r ) 。这种滤波器能 对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响， 因而受到广泛的重视。 山东大学硕士学位论文 图1 - 1 有源电力滤波器原理图 图1 - 1 所示为最基本的a p f 系统构成的原理图。图中非线性负载为谐波 源。系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分 组成，其中后三部分共同构成a p f 的补偿电流发生电路。指令电流运算电路的 核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的 作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电 流。 a p f 的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流的 检测电路得出补偿电流的指令信号，信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿 电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流大小相等、相位相反， 相互抵消，最终得到期望的电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦 波，从而达到抑制谐波、补偿无功的目的。 与p p f j i 比，a p f 具有高度可控性和快速响应性，其具体优点如下： ( 1 ) 具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无 功功率和负序电流等，具有一机多能的特点。 c 2 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响，即使系统的结构或是运行状态发生了改 变，a p f 仍然会取得良好滤波性能。 ( 3 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 具有自适应功能，能够迅速对频率和幅值发生变化的谐波进行动态跟踪 补偿。 ( 5 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 ( 6 ) 既可对一个谐波源单独补偿，也可对多个谐波源和无功源集中补偿。 1 2 3 混合型电力滤波器 尽管a p f 具有p p f 所不具备的巨大技术优势，但是单一的a p f 其成本较高， 功率损耗较大，容易受到系统电压等级以及容量的限制，目前要想在电力系统 中完全取代p p f 还不太现实。将p p f 和a p f 结合在一起构成混合型电力滤波器，一 方面克服了单独使用p p f 和a p f 的不足，另一方面可以有效降低a p f 的成本和容 量。具有良好的性价比，代表着目前有源滤波技术的一种发展趋势。 1 3 混合有源电力滤波器的发展及现状 1 3 1 混合有源电力滤波器的发展 有源电力滤波器的思想最早出现于1 9 6 9 年。进入8 0 年代以来，随着新型 电力半导体器件的出现，p w m 控制技术的发展，以及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。几种混合有源滤波器的 方案也先后提了出来： ( 1 ) 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出用并联a p f 和并联p p f 相结合的混合型有 源滤波器方案呻1 。 图1 2a p f 与p p f 并联混合使用结构 山东大学硕士学位论文 图1 2 所示为a p f 与p p f 并联混合使用的结构。在这种方式中，p p f 包括多组 单调谐滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务；a p f 的作用是改善整 个系统的性能，因此其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。但是这 种方式中，电网与a p f 以及a p f 与p p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波 又流入p p f 及系统中，造成p p f 与电网阻抗发生谐振。 ( 2 ) 1 9 8 8 年，f z p e n 提出串联a p f j j i 并联p p f 结构的混合有源滤波器的结构 【1 4 1 。 图1 - 3 串联混合有源电力滤波器的结构 图1 3 所示为串联混合有源滤波器的结构。在这种结构中a p f 通过变压器串 联接入系统。谐波和无功功率主要由p p f 补偿，a p f 的作用是改善p p f 的滤波特 性，起到了谐波隔离器的作用，可以抑制电网阻抗对p p f 的影响以及电网与p p f 之间可能发生的谐振。这种结构的缺点是：只是可以降低系统对a p f 的容量要 求，并不能够降低系统电压等级对a p f 的限制，同时由于a p f 串联在系统中， 绝缘较困难、维修也不方便，且容易发生过载问题。 ( 3 ) 1 9 9 0 年，h f u j i t 等人提出将a p f 与p p f 相串联的并联混合有源滤波方案 【1 卯。 8 山东大学硕士学位论文 图1 4 a p f 与p p f 相串联再并联到电网侧的混合使用结构 图1 _ 4 所示为a p f 与p p f 相串联再以并联的方式接入到系统中的混合使用结 构。该方式中，谐波和无功主要由p p 璐h 偿，而a p f 的作用是改善p p f 的滤波特 性，克服p p f 易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式 中，a p f 不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小，节省了大量投资。在 a p f 维护时，p p f 仍能正常工作，不影响系统的基本运行。目前对混合有源滤波 器的研究主要集中在这种混合结构。因为在现阶段的技术条件下这种结构是最 为合理经济，最符合我国现状。混合有源滤波器样机也是基于这种结构研制 的。 ( 4 ) 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联a p f 和并联a p f 的综合 有源滤波系统f 。 图1 5 串并联混合型有源滤波器 图1 5 所示为串并联混合型有源滤波器的结构。相关文献称之为统一电能 质量调节器( u p q c ) 。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的 9 - 山东大学硕士学位论文 用户电力装置来解决电能质量的综合性问题。串联a p f 起到补偿电压谐波、消 除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的作 用；并联a p f 起到补偿电流谐波与不平衡、补偿负载无功、调节变流器直流母 线电压的作用。这种结构既可以用于三相系统，又可以用于单相系统，但是其 主要缺陷在于控制复杂和成本较高。 1 3 2 混合有源电力滤波器的现状 来自f r o s t s u l l i v a n 的最新分析报剖1 7 】显示，全球电力滤波器市场在2 0 0 5 年收入为4 1 6 7 亿美元，估计到2 0 1 2 年市场规模将达8 8 9 1 亿美元。 目前，全球电子市场对电源质量的要求越来越高，电源行业也正在改善产 品质量。同时，客户也更加了解了关键应用中低质量电源的有害结果，这些都 推动了全球电力滤波器市场的增长。微处理器使用增多，以及电子负荷获得电 能的过程都会导致大量的谐波畸变。消除谐波畸变和维持电源质量的需求，使 电力滤波器的应用范围不断扩大。同时，电力滤波器市场在立法方面得到了来 自政府和规章制定机构的大力支持。例如，电气和电子工程师协会( i e e e ) 的 5 1 9 1 9 9 2 和g5 4 强制规定，当采用公共耦合点测量时，功率发生器产生的谐 波必须在限制范围内。严格的标准和实施细则迫使各类机构必须采取必要的行 动，这成为推动电力滤波器市场发展的一个主要因素。 j 有源电力滤波器 谐波要求- - 9严格一 图1 - 6 a p f 和p p f 性价比对照 a p f 与p p f 的主要硬件造价与谐波要求的关系1 1 8 】如图1 - 6 所示。从图1 - 6 中可以看出，对p p f 来说，随着谐波标准要求的提高，滤波支路也相应的增 1 m 山东大学硕士学位论文 多，其硬件造价几乎呈指数规律增长。但是对a p f 来说，较高的谐波标准要求 也会对应着其控制系统精度和复杂程度的提高，硬件造价几乎不受影响，对于 电能质量要求越来越严格的今天，采用a p f 作为谐波消除装置的优点也越来越 突出。 a p f 作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达 国家己得到了高度重视和日益广泛的应用。与国外广泛应用a p f 相比，我国在 a p f 方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文纠1 9 1 ，1 9 9 3 年 才见到试验性的工业应用试验。虽然国内起步晚，但是取得的进步确实非常 快，在对国外研究成果进行消化吸收的基础上，国内的a p f 理论研究已经达到 或者接近国际先进水平。但是总的说来由于受各种条件限制，我国的a p f 的实 际应用水平不高，范围不大。 通过对国内外a p f 市场的调研，对a p f 尤其是混合电力滤波器的现状有了 进一步的了解。 ( 1 ) 国外厂家的情况 国外生产a p f 的厂家主要有芬兰诺基亚、法国旌耐德、日本三菱电机公 司、德国西门子、瑞士a b b 和美国西屋电器公司等，其技术比较成熟，而且被 广泛的应用。 ( 2 ) 国内厂家的情况( 包括几个代理厂家) 国内已经出现了生产a p f 产品的厂家，但是就目前的情况来看，还远远不 能够满足国内市场的需求，a p f 产品具有很广阔的市场和发展潜力。从i n t e r n e t 网络搜索到的销售a p f 产品的厂家主要有： 西安爱科电气有限责任公司，上海追日电气有限公司，山大华天科技股份 有限公司，台湾盈正豫顺，北京埃贝特电力自动化技术有限公司，深圳市龙源 电气有限公司，深圳市三和电力科技有限公司，劲达联通电子设备有限公司， 华研国电，北京世纪清电科技有限公司，亚太电效系统( 珠海) 有限公司，北京 1 1 山东大学硕士学位论文 禄智科技发展有限公司，邯郸恒山通用电气，泰开华电电力电子有限公司，南 京苏源电力负荷管理设备有限公司和温州现代集团有限公司等。 但进一步的调查表明，上述企业多数并未自行生产制造a p f ，而是在代理 国外产品或进行一些前期市场宣传。仅有少数企业与高校合作研制生产a p f 产 品。关于国内a p f 的产销状况的确切信息，尚需进一步的调研。 从各企业a p f 产品的宣传资料可以看出，目前国内厂家销售a p f 的主要种 类有：并联型a p f ，串联型a p f 和并联混合型a p f 。国内销售串联型a p f 的 厂家不多，以销售并联型a p f 为主，其中销售并联型a p f 的绝大多数厂家也在 销售并联混合型a p f 。由于a p f 装置的成本较高，容量有限，而将p p f 与a p f 进行串联然后再并联到电网上的混合型a p f 的有源部分容量得到显著提升，相 对成本低，在国内a p f 市场上的应用将越来越广泛，可广泛应用于大功率电 解、电弧炉、建筑配电系统、工厂配电系统等谐波和无功综合治理领域。 1 4 本文的主要内容 本课题源自山大华天科技公司承担的国家新产品计划项目 ( n o 2 0 0 6 g r c 6 0 0 4 0 ) 一基于d s p 的并联混合有源电力滤波器。文献 【2 1 】【2 2 】【2 3 】【2 4 】【2 5 】，都为产品的研制提供了重要的理论和实验方面的探索，也 为其实用化设计做了技术上的准备。尽管产品的研制已经有了理论和设计基 础，但在具体实用化设计时却要面临很多问题，对系统各个部分的实用化设计 都要提供切实可行的解决方案。本课题研究的主要内容如下： 在第2 章中介绍了所研制并联混合有源滤波器的系统设计方案与构成。先 对所研制混合有源滤波器的基本结构和工作原理作了介绍，然后根据工作原理 要求和各种实际问题提出了研制样机的总体结构以及组成系统的各个功能单 元，并对总体设计思想和各功能单元的作用和原理做了简单介绍。 在第3 章介绍了无源滤波器部分的分析与设计。根据大量实际工业现场谐 波测量结果，通过统计和回归分析，确定了实际工业负载谐波频谱的分布规 1 2 山东大学硕士学位论文 律，为混合有源滤波器中无源网络的容量分配提供了设计依据。然后对电容器 和电抗器的参数进行了设计。最后分析了邻近效应对无源电力滤波器中电抗器 损耗的影响，确定了降低邻近损耗的设计原则，最终完成了研制样机中无源滤 波器部分的设计。 在第4 章介绍了有源滤波器部分的分析与设计。先确定了逆变桥的拓朴，然 后根据混合有源滤波器的工作原理和补偿能力对其器件的参数进行设计。接下 来对变压器和滤波电感电容以及预充电电路和主回路缓冲功能单元进行了设计 ，最后介绍了电流互感器的选择以及驱动电路的设计。 在第5 章中介绍了控制部分的分析与设计。主要包括主控电路和逻辑控制 电路两大部分的设计。其中主控电路的设计包括谐波分离电路、跟踪控制电路 以及缓启动电路功能单元的设计。逻辑控制电路的设计包括电流电压采样互感 器参数的选取以及保护逻辑和控制逻辑功能单元的设计。 在第6 章中介绍了直流母线电压平衡调节系统的分析与设计。针对系统的 功率平衡问题，首先对研制样机的直流母线电压平衡调节系统进行了总体介 绍。然后建立其数学控制模型并进行仿真，根据系统的实际参数和性能要求， 确定了闭环控制中p i 调节器参数的选取。接下来从系统的滤波效果和直流母线 电压调节的角度出发，对谐波检测环节中的低通滤波器进行了优化，为采用的 瞬时无功理论方法中低通滤波器的设计提供了依据。最后研究了直流母线电压 的平衡调节模型。结合实际系统，找出瞬时无功理论方法中 f 的延时与直流 母线电压波动的关系，并分析了直流母线电压调节以及母线电容容量选取。最 终该母线电压调节系统能够维持补偿装置的功率平衡，并使整个系统获得良好 的性价比。 在第7 章中对系统的稳定性和过载问题进行了分析。针对研制样机的闭环 控制存在的稳定性问题，对整个混合系统进行建模，然后采用控制理论方法对 系统的稳定性进行分析，分析的结果为实际系统参数的选取提供了依据。同时 针对常规的电压源闭环控制策略不能够有效的抑制系统的过载问题，本文介绍 1 3 山东大学硕士学位论文 了山大华天公司的专利技术，该技术能够有效地抑制系统的过载，然后对新控 制方法也进行了系统稳定性的分析。 在第8 章中对研制样机进行了实验。从实验波形能够看出该混合装置具有 良好的滤波效果和暂态特性，并且能够对母线电压的控制进行调节和抑制系统 的过载。 在本文的最后对课题的工作情况进行了总结，就课题的后续工作进行了展 望。 第2 章并联混合有源电力滤波器的总体结构 由前一章可知，a p f 和p p f 串联后再并入电网的并联混合有源电力滤波器 ( p h a p f ) 具有良好的综合性能和发展应用前景。研制样机正是采用了这种混 合结构。 本章首先介绍了研制样机的基本结构、控制策略和工作原理，然后给出了 研制样机的总体结构，最后结合其工作原理和各种实际问题以及系统构成来介 绍各部分的设计考虑、主要功能和基本工作原理。 1 4 山东大学硕士学位论文 2 1 研制样机的基本结构和工作原理 2 1 1 研制样机的基本结构 线性负载 图2 - 1 研制样机的混合结构 图2 - 1 为研制样机的混合结构。它将a p f 和p p f 通过耦合变压器串联后与 非线性负载并联。该方式中，有两种观点。一种观点是谐波和无功主要由p p f 补偿，而a p f 的作用是改善p p f 的滤波特性，克服p p f 易受电网阻抗影响、易 与电网阻抗发生谐振等缺点；另一种观点是p p f 是a p f 的一个注入网络，用 p p f 代替一个简单的电感和电容器构成的网络，该p p f 对谐波电流呈现低阻 抗，容易注入，对基波阻抗较大，因此承担了绝大部分基波电压，可以大大降 低有源部分的容量。这两种观点实际上是一样的，并无本质区别。 2 1 2 研制样机的控制策略 为了使p h a p f 得到理想的补偿效果，必须对其进行适当的控制。 文献 2 5 1 给出了p h a p f 的控制策略，并进行了详细介绍。主要分为电压源 控制策略和电流源控制策略两种，在每一种控制策略下又都可分为闭环控制方 式和开环控制方式，因此可以得到电压源闭环控制策略、电压源开环控制策 略、电流源闭环控制策略、电流源开环控制策略四种基本控制策略。其中电流 源闭环和电压源开环控制策略本身的缺点较多，不易控制实现，应用优势有 限，而电流源开环和电压源闭环控制策略具有较好的实用价值。研制样机采用 的是电压源闭环控制策略。 1 5 山东大学硕士学位论文 2 1 3 研制样机的工作原理 电压源闭环控制策略检测的是电网谐波电流，。，有源部分作为电流控电压 源工作，也即a p f 的输出为u 。一灯n 。混合装置的单相等效电路门如图2 - 2 所 示。 ( a ) 单相等效电路( b ) 对，。的补偿等效电路( c ) 对u 。的补偿等效电路 图2 2 并联混合有源滤波器的单相等效电路 负载电流，工可以看作电流源，图2 - 2 中，z 0 为电网阻抗，z 。为无源网络 的等效阻抗。下面分别对有源部分接入前后两种情况进行分析： ( 1 ) 不接入有源部分，即k = 0 时，负载谐波电流屯由无源部分来滤除。 由图2 - 2 ( a ) 可以得出： k - 丁导k ( 2 1 ) 1 “。：；万1 “ 。2 1 由等式可知，此时补偿特性由z j i i , o z 。来决定。如果当z 一远大于电网阻抗 z 。时，i 。一屯。此时电网侧谐波电流没有得到抑制，同时如果在某特定频率 下，z 。+ z 。一0 ，那么无源部分将与电网发生谐振，此时谐波电流非但没有得 到抑制，反而有被放大的趋势。 ( 2 ) 接入有源部分，即k 0 时： u 。一k n ( 2 2 ) 此时对谐波等效电路进行分析，可得： 只考虑负载谐波电流，。的影响，设电网谐波电压一0 ，其等效电路 如图2 - 2 ( b 1 ，可得 1 6 山东大学硕士学位论文 小赤k ( 2 3 ) 由等式( 2 3 ) 分析可知，当k 远大于i z f 时，将趋近于0 ，则a p f 将迫 使谐波电流都流入到了无源网络，负载谐波得到了很好的抑制。此时系统的滤 波特性取决于k 的选择，同时由于k 的引入，避免了z 曲+ z m 一0 ，因此可以 抑制电网与无源网络之问的谐振。 只考虑电网谐波电压的影响，此时设负载谐波电流乙一0 ，其等效电路 如图2 - 2 ( c ) ，可以得到以下等式： - 瓦笼蕊 q 4 ， 由上式可知，对电网谐波电压【k 的抑制仍然取决于参数鬈，随着k 的增 大，对电网谐波电压产生的谐波电流的抑制作用也越强。 当匕，乩同时作用时的电网谐波电流l ，接入点谐波电压【厂。为： 。南小赤q ( 2 - 5 ) 吣丢专帆一蒜( 2 6 ) 当k 趋于无穷大时，混合有源滤波器可以达到理想的滤波性能： l - 0 ( 2 7 ) u n 一k ( 2 8 ) 砺一z 以+ ( 2 9 ) 此时，有源部分迫使负载产生的谐波电流几乎全部流入无源网络，提高了 无源网络的滤波效果。有源部分的输出补偿电压为其补偿能力之内的负载谐波 电流流过无源网络时产生的电压。对于电网电压中的畸变电压，有源部分产生 与其相同的谐波补偿电压，以抑制电网中的谐波电流。同时，有源部分还可以 起到阻尼系统串、并联谐振的作用。实际的系统中，由于稳定性的制约，k 不 能取值过大，因而滤波效果受到一定限制。 在所研制的混合有源滤波器中，有源部分并不直接对谐波电流进行补偿， 而是通过补偿电压的作用，提高了无源网络的滤波效果。它所产生的补偿电 山东大学硕士学位论文 压【，c 中不含基波电压，只含有谐波电压，因而降低了有源部分的输出容量，可 以用较小有源部分容量对大容量的谐波负载进行补偿，并适用于高压系统。 通过以上对研制样机工作原理的分析，可以看出电压源闭环控制策略能够 抑制负载谐波电流，能够抑制无源网络与电网的之间的谐振，且采用闭环方 式，可以实现滤波的自适应调节，同时由于闭环系统的原因，对于谐波检测的 精度要求不高，易于控制实现，而且有源部分容量上可以有较大的降低。但是 由于采用了闭环控制，使系统存在稳定性的问题，同时采用常规的电压源闭环 控制策略无法有效限制混合装置的补偿电流，使系统存在过载的问题。因此对 控制系统的设计要相应地采取一定的措施，使系统在稳定的前提下获得较好的 滤波效果，同时还要防止系统的过载。在第七章，本文将对系统的稳定性进行 分析，并介绍山大华天公司提出的解决系统过载的一种控制方法。 仅仅了解研制样机的工作原理，还不能够设计出实用的装置来，将其工作 原理应用到实用化设计中，还会面临很多实际问题。 接下来在给出研制样机的总体结构之后，再结合其工作原理和各种实际问 题以及系统构成来介绍各部分的设计考虑、主要功能和基本工作原理。 2 2 研制样机的总体结构 图2 - 3 为研制样机的总体结构。可以看出样机由很多功能单元组成，这些 功能单元主要集中在主电路、主控板以及逻辑控制板上。