（电机与电器专业论文）基于dsp的有源无源混合滤波器研究.pdf

a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fh a r m o n i c sa n dt h eh a r mo fh a r m o n i c s ，a n d d e m o n s t r a t e st h en e c e s s i t yo fh a r n e s s i n gh a m o n i c s ，a n db r i e f l yi n t r o d u c es e v e r a lm e t h o d so f h a r n e s s i n gh a m o n i c s w i t ht h i su n d e r s t a n d i n g t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fp a s s i v ep o w e rf i l t e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e ra n da n a l y z e st h ep r i n c i p l ea n d s t r u c t u r eo fa p f p fh y b r i df i l t e re q u i p m e n t an o v e ld e s i g no fa p f p fh y b r i df i l t e r e q u i p m e n tb a s e d o nt w od s p si sp r o p o s e d t h ep r i n c i p l ea n dm a i n - s t r u c t u r e o ft h ea p f p fh y b r i df i l t e re q u i p m e n ti s d i s c u s s e d ，f o c u s i n go nt h ec o r r e l a t e dp r o b l e m so fr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c c o m p e n s a t i o n i nc o r r e s p o n d i n gt ot h ea s y m m e t r i c a la n dd i s t o r t e ds o u r c ev o l t a g e ，a n e wc o m p e n s t a t i o ns t r a t e g yb a s e do na - b - cr e f e r e n c ef r a m ei sp r o p o s e dt h r o u g t ht h e c o m p a r i n gw i t hs e v e r a ln o r m a lc o m p e n s a t i o nm e t h o d so f h a r m o n i c s t h et o p o l o g yo ft h e3 - p h a s e3 - w i r ev o l t a g e t y p ea c t i v ep o w e rf i l t e ri sa n a l y z e d ，a n d an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi s d e v e l o p e d ，w h i c hc a nr e a l i z ec o r r e l a t i o nc o n t r o la n d m i n i m i z et h ec o m p o s i t ee r r o ro fs o u r c ec u r r e n ta tt h es r i t i et i m e af u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p si sb u i l tw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n d t m s 3 2 0 v c 3 3 s o m ep a r t so fm a i nc i r c u i t sa n dc o n t r o lc i r c u i t sh a v eb e e nd e s i g n e d t h em a i nc i r c u i te m u l a t i o n sh a v eb e e nd o n ew i t hs i m u l a t e ，a n dt h ee x p e r i m e n t s y s t e mi sc o n s t r u c t i n gt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ：h a r m o n i ct o r r e n t ：a p f - p fh y b r i df i l t e re q u i p l m e n t ： an e we o m p e n s t a i o ns t r a t e g y ；d s p i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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后果由本人承担。 作者签名：砀 眺廨胡细 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，同意学校保 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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：勿7 辟占月胗日 日期：昭年朔扣日 确栏 1 1 课题背景 第1 章绪论 随着电力电子技术的发展，由大功率电力电子器件构成的各种电能变换装 罱日益广泛地应用于现代社会生活当中。此外，工业用电弧炉、家用电器和电气 化铁路等用电设备也在不断增加。非线性和冲击性是这些负荷所共有的用电特 性，由此产生的谐波和无功功率对电力系统造成的污染问题日益严重。 1 2 无功和谐波的定义和产生原因 在国际普遍公认的定义中谐波被描述为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。由于谐波频率是基波频率的整数倍，因此也常常称为 高次谐波。电网中的实际电流由于有各种谐波源的存在一般并不是标准的与电网 同步的正弦电流，而是相位有改变且包含有多种谐波成分，其傅立叶级数展开式 为： t ( f ) = 厶+ 互ls i n ( 胛f + ) = i o + + ( f ) n = 2 = 厶+ 现s 咄研+ 仍) + ms i n ( n o j t + q ) ( 1 1 ) = i b + l t c o s q 、s i n c o t + l l s i n q , c o s t + i ，c o s 仍s i n n ( o t + in s i n q c o s n o t = 厶+ o ) + ( r ) + t ( f ) + 。( f ) = i o + i p ( t ) + 屯o ) + t ( f ) 上式中，厶为直流分量，在交流电网中其值为零，( f ) 为基波分量，其包含 与电网电压同相位的有功分量f 。( f ) 和与电网电压同频率但不同相位的无功分量 屯( f ) 两部分，( f ) 为谐波成分。以上各种电流分量流过电网回路的阻抗便产生了 基波有功功率、无功功率和谐波功率。无功功率并不做功，它只是能量在负载与 电网之间交换，引起线路损耗和电网电压的波动，降低供电质量。 1 3 无功的危害 无功功率对电力系统的影响主要表现在以下几个方面”1 ： ( 】) 降低了发电机出力，使发电设备效率降低，发电成本提高 苎兰呈! ! 墼皇堡：圭堡堡竺堡些兰竺! ! ( 2 ) 降低了输变电设施的供电能力； ( 3 ) 使电网损耗增加( 网络电能损失与功率因数平方成反比) ； ( 4 ) 增加了输电网络电压损失，造成用户端供电电压的不足： ( 5 ) 无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量，并对系统中的 用电设备产生不良影响。 1 4 谐波的危害 谐波对电力系统电磁环境的污染日趋严重并且会危及系统本身和广大电力 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，因此近二十年来电力谐波的危害和影响己引起世界各国政府和科 技界的广泛关注。归纳起来，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 ： ( 1 ) 产生附加损耗，增加设备的温升。一般来说，谐波电流与基波电流相比 较小，但谐波频率较高，导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻大的多，因此谐 波引起的附加损耗也比较大。在带铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损 耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其 是局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速； ( 2 ) 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为在 较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升提 高； ( 3 ) 引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉 动转矩使电机发生机械振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发 而引起共振时，会损坏电机设备，甚至危及人身的安全： ( 4 ) 无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿电容 器与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会对某 次的谐波电流起到放大的作用，加剧了谐波的危害。当它们构成的局部谐振回路 的频率与系统中存在的某次谐波频率相同或相近时，就会造成危险的过电流和过 电压； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保护 和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工业频率和正弦波形丽设计 的，谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰、工作特性受到改变，严重时会 造成误动作或拒动作。对计算机的干扰严重时使其无法正常工作； ( 6 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照1 二 频f 弦波形而设计的，当有谐波时将产生误差； ( 7 ) 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。谐波的干扰会引起通信 顾l j 学位论义 系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波 共同作用下引起电话响铃，甚至发生危及设备和人身安全的事故。谐波对电网的 危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及 各种用电设备的正常运行。谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损 耗，它是电网线路损耗的一部分。另外，谐波源在一些频率上吸收有功功率，另 一些频率上发出有功功率，而这些谐波有功功率通常都是从电网吸收的基波有功 功率转化而来的，谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波装置本身是有害而 无益的，谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其它用电设备带来危害并 增加功率损耗。 当然，谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备的其它各种条件的不同而 不同，但危害是客观存在的，应予于足够的重视和有效的管理，将危害限制在尽 可能小的范围内。 1 5 谐波的一些基本概念及谐波分析的方法 在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压 可表示为： “o ) = 4 2 u s i n ( c o t + ) 式中e ，为电压有效值，庐为初相角，t o 为角频率。 t o = 2 7 r f = 2 霄躬r 其中厂为频率，为周期。 正弦电压加在线性无源元件电阻、电容和电感上，其电流和电压分别为比 例、微分和积分关系，仍为同频率的正弦波。施加而非正弦电压旌加在线性电路 上时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2 州的非正弦电压“( 耐) ，一般满足 狄里赫利条件，可分解为如式( 1 2 ) 的傅里叶级数。3 ： “( f ) = + ( a e o s n c o t + b s i n h o o t ) ( 1 2 ) 式( 1 2 ) 中 = 去r ”u ( w t ) d ( w t ) ( 1 3 ) 铲去ru ( c o t ) c 蝴d o t d ( t o t ) ( 1 4 ) 钆= r ”“( 硼s i n n c o r d ( t o t ) ( 1 5 ) ”= 1 、2 、3 在式( 1 2 ) 中的傅里叶级数中，频率为1 r 的分量称为基波，频率为大于l 整 皋f - i ) s p 的冉源无源混台滤波器研究 数倍苯波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。同样， 非正弦电流的情况也可以这样分析： 谐波次数胛必须是大于l 的诈整数。”为非整数时的正弦波分量不能被称为 谐波。式( 1 2 ) 中是用傅里叶级数进行谐波分析时最基本的一般公式。在进行谐 波分析时，常常会遇到一些特殊波形，这些波形的谐波分析公式可简化。 ( 1 ) u ( c o t ) 为奇函数时，其波形以坐标原点为对称，满足试“( 一c o t ) = 一u ( c o t ) 。 这时，式( 1 2 ) 中只含有正弦项，赢流分量和余弦系数吼均为零。巩的计算可 简化为： 良2 昙r “( c o t ) s i 们删( 耐) ( 1 6 ) n = 1 、2 、3 ( 2 ) u ( c o t ) 为偶函数时，其波形蛆纵坐标为对称，满足u ( - c o t ) = u ( c o t ) 。这时， 式( 1 2 ) 中只含有直流分量和余弦项，正弦系数瓦为零。嘞和a 。计算可简化为： = 去r “( t o t ) d ( 耐) ( 1 7 ) q = 昙r 咖帅o s n r a t d ( c o t ) ( 1 8 ) h = 1 , 3 、5 在进行谐波分析时，通常纵坐标是可以人为选取的，只有选取合适的纵坐 标，才有可能使波形所描述的函数成为奇函数或偶函数。 ( 3 ) u ( x + c o t ) = 一u ( c o t ) ，即把波形的正半波向右平移半个周期后，和负半波 是以横轴为对称的。常把具有这种波形的函数称为对称函数。这时，式( 1 2 ) 中 只含有基波分量和奇次谐波分量，蚧k 的计算可简化为： 2 昙r “( 0 9 t ) c o s ”脚耐( 国f ) ( 1 g ) 瓦= 兰7 r “( 埘f ) s i n h c o r d ( c o t ) ( 1 1 0 ) ”= 1 , 3 、5 ( 4 ) u ( ：r + o j t ) = 一u ( c o t ) ，且在f 半周期内，前后州2 的波形以x 2 轴线为对称。 常把这种波形称为1 4 周期对称波形。通过选择不同的起始点，这种波形所描述 函数既可成为奇函数，也可成为偶函数，因此用式( 1 2 ) 进行谐波分析时，其中 h 含基波和奇次谐波中的正弦项，且b o 的计算可简化为： 既= 姜r ”“( 聊r ) s i n n 脚轧f ( f ) ( 1 l1 ) = 1 、3 、s 在三相电路中的谐波分析，可以对各相的电压、电流分别进行上述谐波分 析，但三相电路也有一些特殊的规律。在对称三相电路中，各相电压、电流依次 相差基波的2 n 3 。以相电压为例，三相电压可表示为： “。= “( 驯) u b = “( 耐一2 3 ) ( 1 1 2 ) “。= u ( w t + 2 州3 ) 设a 相电压所含的n 次谐波为： = 4 2 乩s i n ( m o t + 蛾) ( 1 1 3 ) 则b ，c 相电压所含h 次谐波就分别为： u b n = 旭s i n n ( r o t 一2 州3 ) + 唬) = 面。s i n n r o t 一2 n 州3 + 丸) “。= x 2 u , s i n n ( c o t 一2 ，r 3 ) + 丸) = 面。s i n n r o t 一2 n 衫3 + 线) 对上面各式分析，可以得到以下结论： ( 1 ) n = 3 k ( k = 1 , 2 、3 ) ，即n 为3 ，6 ， 均相同，为零序谐波。 ( 2 ) 竹= 3 k + l ( k = 1 2 、3 ) ，即n 为4 ， ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 9 等时，三相电压的谐波大小和相位 7 ，l o 等时，b 相电压比a 相电压滞 后2 7 r 3 ，c 相电压k l a 相电压超前2 丌3 ，这些次数的谐波均为正序谐波。对称三 相电路的基波也是正序的。 ( 3 ) n = 3 i 一1 似= 1 、2 、3 ) ，即疗为2 ，5 ，8 等时，b 相电压比a 相电压超前 2 z 3 ， c 相电压比a 相电压滞后2 石3 ，这些次数的谐波均为负序谐波。 同样，三相电流也有相同的结论。对于各相电压来说，无论是三相三线电 路还是三相四线电路，相电压中都可以包含零序谐波，而线电压中都不包含零序 谐波。对于各相电流来说，在三相三线电路中，没有零序电流通道，因而电流中 没有3 ，6 ，9 等零序电流；而在三相四线电路中，这些零序电流可以从中性线中 流过。 采用傅里叶级数对非正弦连续时间周期函数进行分析是谐波分析的最基本 方法。实际上，经常把连续时间信号的一个周期t 等分成n 个点，在等分点进行采 样而得到一系列离散时间信号，然后采用傅里叶变换( d f t ) 或快速傅里叶变换 ( f f t ) 的方法进行谐波分析。 1 6 谐波抑制的概述 1 6 1 产生谐波的主要谐波源 在电能质量多种指标中，受干扰性负荷影响，谐波是最为普遍的。电力系统 稳态方式下的谐波，都来自各种谐波源。所谓谐波源，最主要的是各类非线性用 电设备，在近十年来，随着改革开放和经济技术的发展，高新技术、尤其是信息 兰耋呈：! 墼鱼堡：当塑堡坌鎏些兰些! ! 技术的飞速增长，我国电力负荷出现了以下一些新的特征： ( 1 ) 用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压变频等 电力电子装置、电弧炉、电力机车和家用电器等负荷的迅速发展，是最严重的谐 波源。由于其非线性、冲击性及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变， 或者引起电压波动和闪变以及三相不平衡，这些对供电质量造成严重的干扰亦即 “污染”问题，使供电不可靠因素增大，给供电企业和用户都造成直接经济损失； ( 2 ) 高新技术应用的多种设备，例如电子计算机、敏感电子器件、功调器、 激光切割设备、配电卫星传送器、核磁共振设备、节能灯等，它们大多是是基于 计算机系统的自动化控制设备和电子装置，本身既是谐波源，又对系统中的干扰 和异常非常敏感； ( 3 ) 家用电器，如日光灯、电视机、调速风扇、空调、冰箱等增长迅猛； ( 4 ) 在开放、鼓励竞争的电力市场运行机制下，用户也可以作为独立体来参 加价格控制，这必然对电力质量提出越来越高的要求。各种非线性用电设备容量 的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长率，我国电网也开始遭遇发达国家 的电能质量问题，这意味着谐波源也将随之增长，电网电压畸变率也将上升。 1 6 2 谐波治理的研究和发展 近十多年来对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范 围，渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域， 对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。谐波问题逐 渐被认识和了解，对其产生的原因、计算方法的分析、危害与影响的机理、测量 与评估标准的制定以及研究综合治理的措施等方面的探索也在不断深入，但由于 谐波研究问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。概况起来可以划 分为四个方面： ( 1 ) 谐波功率理论研究； ( 2 ) 谐波分析及谐波危害和影响分析； ( 3 ) 谐波的补偿和抑制； ( 4 ) 与谐波有关的测量问题及限制谐波的标准。 这四个方面是按照谐波研究本身的内在规律分类的，它们相互关联相互促 进而发展。其中谐波的抑制和补偿也即谐波治理技术是谐波研究的核心和关键问 题。综上可见，谐波问题的研究己成为一门新兴的跨学科的领域和急待加强的重 点研究方向。对电网的谐波污染、无功冲击、电压波动等电压质量问题进行综合 治理，改善电能质量，是近年来兴起的用户电力技术概念的重要内容，它无疑对 电网的安全经济运行、保障工业产品质量和科学实验的正常运行，大大降低能耗 等具有重要的意义。减小谐波影响应优先对谐波源本身或在其附近采取适当的技 术措施，具体的主要措施如表1 1 所列。实际措施的选择要根据谐波水平， 坝1 。学位论文 措施的效果，经济性和技术成熟程度等综合比较后确定。 为了把电网中的谐波和无功控制在允许的范围内，许多国家或权威机构相继 制定并颁布了限制电力系统无功和谐波的法规和准则。制定这些标准和规定的基 本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围 内，使接在电网中的电气设备免受谐波干扰而能正常工作。国际上比较著名的有 1 9 8 1 年i e e e $ i j 订颁布的i e e e 5 1 9 和i e c 5 5 5 - 2 标准。 我国最早的无功和谐波的法规是1 9 8 4 年的s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂 行规定。1 9 9 3 年，我国国家技术监督局参照国际标准颁发了代号为g b 1 4 5 9 4 - 9 3 电能质量一公用电网谐波国家标准。标准中对谐波强制执行和谐波电流的合 成方法做了明确的规定，将3 8 0 v 低压电网的电压总谐波畸变率定为不大于5 ，且 规定奇偶次谐波电压含有率应分别低于4 和2 ，同时电网电压等级越高，谐波限 制越严格。在家用电器和办公设备等用电器方面，我国国家标准g b1 7 6 2 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值以及2 0 0 2 年5 月1 日起实施的c c c 中 国强制认证制度( 即3 c 认证) 中的相关条款都对谐波相关的问题做了明确的规定， 凡不符合3 c 强制认证的产品禁止其出厂销售、进口和在经营性活动中使用。可见 对电网无功谐波电流进行补偿不仅是电网及电气设备安全经济运行的需要，也是 贯彻国家标准和相关法规的技术基础。 理论研究和生产实践表明，有源电力滤波技术是目前用来综合治理谐波等电 能质量问题的一种较为理想的电力电子装置，是用户电力技术中一个研究热点。 有源滤波器与无源滤波器结合使用，可以单独实现或同时实现对谐波的抑制、电 压的稳定、无功的动态补偿调节，而且装置的初始投资也得以降低，是一种在技 术经济上均能获满意的结果和方案。因而对这一问题开展研究，在理论上和现实 上都具有十分重要的意义。 1 7 本文的研究内容 本文主要针对无功与谐波补偿，采用了无源和有源相结合的补偿方案，其中 无源补偿网络的使用可以增大装置的补偿容量，降低其单位容量的性能造价，而 有源滤波器的使用可以实现无功与谐波的动态补偿。目前研究的就是将数字信号 处理器( d s p ) 应用到有源滤波器中，将大大改善有源滤波器的控制性能。 在此将采用无需坐标转换的谐波电流补偿策略，重点研究有源一无源混合滤 波器装置的主电路和控制电路的设计以及软件实现等问题，并对主电路进行仿真 验证。 兰圭! ! ! ! 塑窒塑：查鎏堡至堡鎏兰竺! ! 表11 减少谐波影响的技术措施 序o j名称内容评价 1 增加换流装置的脉动数改造换流装置或利用相互问( 1 ) 可有效减少谐波 ( 相数)育一定移相角的换流变压_ ： ；( 2 ) 换流装置容量应相等 ( 3 ) 使装置复杂化 2 加装交流滤波装置在谐波源附近安装若十单调( 1 ) 可有效的减少谐波量 谐和高通滤波支路，以吸收( 2 ) 应同时考虑功率因数补偿和电推 谐波电流调整效应 ( 3 ) 装置运行维护简单但需要专门设 计 3改变谐波源的配置或工作具有谐波互补性的装置应集( 1 ) 可减少谐波影响 方式中，否则应适当分散或交错( 2 ) 对装置的配置和下作方式有一定 使用，适当限制谐波量大的 的要求 工作方式 4 加装串联电抗器 在用户进线处加装串联电抗( 1 ) 可减少和系统的谐波相互影响 器，以增大和系统的电器距( 2 ) 应同时考虑功率因数补偿和电压 离，减少谐波的相互影响调整效应 ( 3 ) 运行维护简单但需要专门设计 改善三相不平衡度从电源电压，线路阻抗，负( 1 ) 可有效的减少3 次谐波的产生 荷特性找出三相不平衡的原 ( 2 ) 有利于设备的正常用电，减少损 因加以消除 耗 ( 3 ) 有时需要用平衡装置 6加装静止无功补偿装置采用t c r 、t s c 、s r 型静止补 ( 1 ) 可有效减少波动谐波源的谐波量 偿装置对其容性部分设计成 ( 2 ) 有抑制电压波动、闪变、三相_ ，f = = 滤波器对称和补偿功率因数的功能，具有综 合的技术经济效益 ( 3 ) 一次性投资大，需要专门设计 7 增加系统承受谐波能力将谐波源由较大容量的供电 ( 1 ) 可以减少谐波的影响 点或改由高一级电压的电网( 2 ) 在规划和设计阶段考虑 供电 8 避免电力电容器组对谐波 改变电容器组的串联电抗( 1 ) 可有效的减少电容器组对谐波的 的放火器，或将电容器组的某衅支 放大并保证电容器组安全t 作 路改为滤波器，或限定电容( 2 ) 需号门设计 器组的投入容量 9 提高设各和装置的抗谐波改进设备或装置性能，对谐( 1 ) 适用于对谐波较敏感的设备和袈 干扰能力，改善谐波保护波敏感的设备或装置采用灵置 性能敏的谐波保护装置( 2 ) 需专门研究 1 0 采用有源滤波器等新型抑研究和逐步推广应用目前只应用于小容量谐波源的补偿， 制谐波的措施且造价较高 9 基十d s p 的自源尤源混合滤波器圳究 第2 章有源和无源滤波器以及混合滤波器研究 2 1 无源滤波器的基本原理 无源滤波器作为补偿无功和抑制谐波的传统主要手段，它通常是由电容、 电感和电阻等无源元件构成的谐振电路。并联无源电力滤波器的原理是对某些谐 波频率谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源支路而避免流入电网内。 无源滤波器做为传统的谐波补偿装蜀，出现最早同时具有结构简单、设备投资少、 运行可靠性较高、运行费用较低等优点。可分为调谐型滤波器和减幅型滤波器两 大类。 ( 1 ) 调谐滤波器是高q 型滤波器，它是利用电路谐振的原理来吸收电网中的 谐波含量，主要针对频次比较低的谐波。当l c 滤波器对电网中某次谐波产生谐振 时，l c 滤波器对该次谐波呈现极低的阻抗，因而为该次谐波提供了一条对地的低 阻通路，把该次谐波滤除掉。由于电力系统中存在着多种不同频次的谐波，为了 滤除各次谐波，就必须设置多个l c 滤波器，调谐于不同的谐波频率； ( 2 ) 减幅滤波器是低q 型滤波器，它能在比较宽的频带上呈现低阻抗，对该 频段内的谐波均有滤波作用，主要针对频次较高的谐波。 由于传统的单独的l c 滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器组成，与谐 波源并联，存在一些难以克服的缺点： ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要的谐波进行滤波，l c 参数的 漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； ( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运 行工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难； ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质 量下降； ( 4 ) 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。 常用无源电力滤波器包括单调谐滤波器、双调谐滤波器、一阶减幅型滤波器 二阶减幅型滤波器、三阶减幅型滤波器及c 型阻尼滤波器等。具体的接线方式和 各自的特点如表2 1 所示。单调谐滤波器只能滤除某一次谐波，双调谐滤波器虽 能滤除两个频率的谐波，但结构复杂，调谐困难，对于较高次谐波由于数量较小， 用单调谐滤波器经济上不合算，因而采用高通滤波器，其缺点是滤波器电容和系 统之间有可能发生低次谐波的谐振。鉴于此设计出c 型阻尼滤波器，但它只适合 于较低次谐波的滤波。 表2 1无源滤波器接线方式和特性( 1 ) 名称 单调谐双调谐一阶减f 匿型 接 工 工 工 蛾 喑 量 覃 方 u 式 。it ik l 阻抗 v儿 一频 事特 性 1 】常用 1 ) 大容量粒置中有时 1 ) 耍用作抑制镊高 2 ) 对于某一次谐渡谵 采用频率抵落酌阻挹电 被效果较好 2 ) 基波功率损耗辕少路撮少用于谐波 3 ) 对于等德频率失谐 3 只有一个电抗器承 谵渡 评价 较敏感 受垒压神击2 ) 筒单，僵功率损 4 ) 附加电阻并联在电 4 ) 碱少了澹诚器支踌耗太 感上剐可l 鼠降低损耗 5 ) 结构复杂，调谐较困 睡 表2 1无源滤波器接线方式和特性( 2 ) 名称二阶城幅型兰阶槭幅墅c 型 接 工 工工 蜣 60彦 方 式 k i巾l k i 阻抗 卜 厶沙 。j 一频 率特 性 1 ) 常用1 ) 太窖量装置中有时 1 ，要在大窑量装置 2 ，豆有较好的商通澹 采用中用得较多 波特性 2 基波功辜损耗比=2 ) 基艘功辜损耗可 3 削性对等值翱率 阶墅的小 e l 阵到幅小 评价先谐不敏感 3 ) 眶抗频事特性比二3 ) 阻抗龋事特性介 4 ) 可以减少瑭渡支瞎，阶擞的差 于= 阶和兰阶墼之 但需较大的电窑器容 闻 量 5 ) 功率损耗较大 基十d s p 的柯源一尤源混合滤波器 i j f 究 2 2 有源滤波器的基本原理 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i 】t e r ) 是一种用于动态抑制谐波、补偿无 功的新型电力电子装置。该装置与传统的l c 无源滤波器相比的优点是占地小、安 装设计简单、动态响应快、工况稳定，是谐波抑制和无功补偿技术的发展方向。 2 2 1a p f ( 有源电力滤波器) 的发展和应用 上世纪7 0 年代，日本学者提出了有源电力滤波器的概念。即从补偿对象中 检测出谐波电流，利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波幅度相等、 相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了利用由大功率晶体管 组成的p w m 逆变器构成的有源电力滤波器来消除电网谐波的思想。进入8 0 年代以 后，随着大功率可关断器件g t r 、g t o 、i g b t 的不断发展以及瞬时无功理论的提出 为有源电力滤波器的实用化提供了必要的理论与技术条件，使之在工业上得到目 益广泛的应用。传统的谐波治理和无功补偿的方法，是采用无源滤波器。无源滤 波器，其优点是经济、实用和可靠。但无源滤波器也有如下的缺点：补偿特性受 电网和负载运行参数的影响，无源滤波器的l c 参数的漂移会导致滤波特性的改 变，谐波补偿频带窄，只能消除特定的几次谐波，能与系统发生谐振，产生谐波 的放大，装景笨重，体积太，损耗大。 而a p f 与无源滤波器相比，有如下优点： ( 1 ) 占地小，功耗低； ( 2 ) 实现动态补偿，可同时对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率 进行动态补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度； ( 3 ) 补偿的效果稳定，不受系统运行方式和工况的影响； ( 4 ) 不会发生谐振和谐波放大的现象，且可以有效的抑制由于外电路的谐振 而发生的谐波放大： ( 5 ) 具有过载判断能力，补偿量可控。当谐波总量超过设定值时，装置仍可 运行，并能正常发挥作用； ( 6 ) 补偿无功时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量相对较小。三 相a p f b 偿时，从理论上讲不需要直流储能元件，实际中由于谐波造成电源与逆 变电路少量能量交换，故需要较小的储能元件维持逆变电路正常工作； ( 7 ) 在谐波问题严重，但功率因数较高的场合，适合采用a p f ，而不适用无 源滤波器，否则将引起无功过补，产生无功倒送的问题。 2 2 2 并联有源滤波器与串联有源滤波器 有源电力滤波器的基本结构主要由一个d c a c 逆变桥与或一个谐波注入电 路组成。根据有源电力滤波器接入电网的方式，也大致可以分为串联型和并联型 坝l j 学位论史 两类；按照p w m 逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流 型有源滤波器”“。 并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直 流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消 谐波源产生的谐波电流，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，有源电力滤波 器本身表现出电流源的特性。 图2 1 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的串联型有源电力滤波器是作为电压源串联在电源和谐波源之间。 串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源，这种谐波源的一个 典型的例子是电容滤波型整流电路。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输 出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。 图2 2 单独使用的串联型有源电力滤波器 串联型有源滤波器与并联型有源滤波器可以看作是对偶的关系 2 2 3 有源电力滤波器的工作原理 a p f 是由一组开关器件和无源储能元件如电感和电容组成，a p f 系统主要由指 令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成。它的基本工作原理是检测补 偿对象的电流和电压，经过指令运算电路得到补偿电流的指令信号。该信号经控 制器由补偿电流发生电路获得，补偿电流与负载中的谐波及无功等电流抵消，最 终获得期望的电源电流。 在各种有源电力滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一 种，也是工业实际中应用最多的一种，它集中地体现了有源电力滤波器的特点。 壮十d s p 的自源一尤源混合滤波器研究 卜面以并联型有源电力滤波器为例，说明有源电力滤波器的基本原理”“。有源 电力滤波器的总体结构如图2 3 所示： 系 图2 3 有源电力滤波器的工作原理( 1 ) 图2 3 中的补偿指令电流检测及控制电路对负载电流i ，、进行检测，通过瞬 时无功功率理论或d s p 技术产生谐波及无功电流分量，与精密波形发生器产生的 三角载波进行比较，获得p w m 波形，用以控制主电路内的功率电子开关器件，把 直流电流信号变成补偿交流电流，。对主电路输出的补偿电流进行检测是为了使 主电路输出的补偿电流能更好地跟踪由于负载电流的变化而引起的谐波大小的 变化。图2 3 的接法是使有源电力滤波器的检测电路在负载侧，负责输出的主电 路在系统电源侧，这样当负载电流含有较大的谐波电流时，在负载端通过有源电 力滤波器就地把负载谐波电流予以补偿，使系统电源不受谐波污染，保证了电能 的质量。当负载( 如通信系统) 对电源要求较高，而系统电源又含有较大的谐波时， 可把有源电力滤波器的检测电路接在系统电源端，而把主电路接在负载端，如图 2 4 所示： 图24 有源电力滤波器的工作原理( 2 ) 上两种有源滤波器的原理和工作环境是一样的。使用时根据不同的用途， 选择不同的接法即可。采用单个p w m 逆变器的并联型有源电力滤波器的主电路， 根据其直流侧储能元件的不同，可以分为电压型和电流型两种。图2 5 、图2 6 分别表示了三相电压型和三相电流型p w m 逆变器的主电路结构。图中电力电子开 关器件为绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) ，实用中可在可控硅整流器( s c r ) 、门极关 断晶闸管( g t o ) 、双极型功率晶体管( g t r ) 、功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 、 绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 等器件中选择。 坝l 学位论文 一| = 2王一(2玉一| = lc 一 一 、，o 一 k - 一 1c b r 一 ， _ 1c c ， 一一 一(z王一( 2s 一(z王 图2 5 三相电压型p w m 逆变器 u 。 图2 6 三相电流型p w m 逆变器 图2 7 、图2 8 分别为单相电压型和单相电流型p w m 逆变器的主电路结构。 一 j _ 中 一 。 一中i _ - l u 。 图27 单相电压型p w m 逆变器图2 8 单相电流型p w m 逆变器 与电压型p w m 逆变器相比，电流型p w m 逆变器的优点是不会由于主电路开关器 件的直通而发生短路故障。但是电流型p w m 逆变器直流侧的大电感始终有电流通 过，该电流在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。不过随着对 超导储能磁体研究的进展，一旦实用化，可以取代大电感，促进电流型p w m 逆变 器的应用。下面以单相电流型p w m 逆变器为例，简要说明其工作原理。 苎三呈兰塑塞堡：尘堡堡垒堡些堂竺：! 电罔系统 投伽拉 审l 信号 图2 9 单相逆变器的结构图2 1 0 用p w m 控制输出脉冲的方法 直流电抗是利用电感的续流效应作为一个直流电流源，同时也作为输出滤波 器。逆变器各桥臂采用控制极可关断的晶闸管( g t o ) 。控制系统根据所需产生的 谐波补偿波形发出投切控制信号，控带l j ( ；t 0 1 一g t 0 4 的导通和关断。即采用脉冲宽 度调制( p w m ) 的方法，把直流电流或电压转换成幅值相等、宽度可调的高频脉冲 序列，经滤波后得到平滑的波形，注入电网。 2 3 有源一无源混合滤波的基本结构分析 混合滤波中有源滤波器和无源滤波器的组合方式又分为并联a p f 与并联p f 混合型、串联a p f 与并联p f 混合型、a p f 与p f 串联后与电网并联混合型。各组合方 式都有各自的优缺点n “。 ( 1 ) 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出用并联型a p f 与无源滤波器( p f ) 构成混合 型电力滤波器方案如图2 1 1 ( a ) 。无源滤波器仍起滤波的作用，由一个或几个i 。c 调谐滤波器、高通滤波器组合而成。由于无源滤波器承担了主要的谐波滤除任务， 因此a p f 容量可以减少许多。但这种方案在电源与p f 之间及a p f 与p f 之间存在着谐 波通道，有可能发生谐振或者a p f 注入的谐波电流又流入到p f 中。 ( a )( b ) 图2 1 1 几种混合型滤波器 根据其谐波等效电路有： l = 耳 ”等筹瓣 孑 斟 ( c ) 坝l 学位论文 式中，k 、u 。分别是系统侧谐波电流、负载侧谐波电压，z s 、z r 均指谐波f 的等效电抗，k 是有源电力滤波器的增益，q 是有源电力滤波器的传递函数。 设乞= z ，0 - q ( j ) 髟( j ) ) ， 诽，= 地删= 乩。， 州爿一黔乱。 则有： 限： 盔：土 磊+ z f ( 1 一q ( s ) k ( s ) ) 磊十乏 h ，似1 ：圣! ! 二垡尘鉴! 1 2 1 ：互一 z s + z f ( 1 一g c ( j ) k ( s ) ) z s + z e 由上式可见，当g ，( s ) k ( s ) 足够大时，谐波电流将得到有效抑制，但电源电 压中的谐波电压不会被抑制。为了降低逆变桥的交流电压，减少a p f 容量，提高 实用性，人们又提出了两种改进方案，如图2 1 1 ( b ) 、( c ) 所示。其中( b ) ，( c ) 方案的l c 电路调谐于基波频率，分别为串联谐振和并联谐振，因此( b ) ，( c ) 方案 称为串联谐振注入电路方式和并联谐振注入电路方式。有源电力滤波器只承受了 很小部分的基波电压，流入滤波回路的基波电流也很小，在这两种注入电路方式 中，都必须充分地研究电感、电容的参数取值，以保证基波电压的合理分配。另 外，有源电力滤波器不能补偿基波无功功率。 ( 2 ) f u j i t h 等人在1 9 9 0 年提出的a p f 与p f 串联再与电源并联，l c 电路调谐 于谐波频率，承担了主要的滤波和无功补偿任务，a p f 主要是用来改善l c 滤波器 的滤波性能，滤除l c 调谐滤波器不能滤除的谐波，其基本原理图见图2 1 2 ( a ) 。 图2 12 并联型混合滤波器原理 这种结构中，a p f n 看是电流控制电压源，由于p f 的存在避免了电源电压直 接加在a p f 的逆变桥上。其优点是，注入变压器接在y 型连接的p f 的中性点七，方 娃十d s p 的有源- 尤源混合滤波器| 【i f 究 便保护和隔离，适于高电压系统的应用。因为它能显著地降低容量，也就是降低 了滤波装置的投资，又解决了绝缘问题，是目前较为实用的方案之一。该电路的 缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 按两种不同的补偿控制方法分别讨论： 设= 一巧。，得： ，一一z f ( 1 一g ：( 5 ) k ( s ) ) 屯+ ” 磊一z + ( 1 一q ( s ) k ( s ) ) = 再篆焉丽z f ( 1 - - 删)一百i 万五丽 。k u 川u 叫 设乙= 一乙( 1 一g c ( s ) k ( s ) ) 则有： h ，( s ) =圣q 二鱼嫂丝盟2 ：墨。一 z s z ，= ( 1 一q ( s ) k ( s ) ) 乙+ 乏 啪) 2 虿z r 丽( 1 - g 丽。( s ) k ( s ) ) 2 毫 则g k j l ，有= 0 ，从而消除谐波电压，但l = t 。 设屹= k l , h ，则有： ，： 匕圣生 “忍+ z f + 瓯( s ) k ( s ) 矿。：(zf+g。(s)k(s)v,h-zszfith z s