（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的混合型有源滤波器的研制.pdf

a b s t r a c t w i t l af i l ei t l c r c m c n to fd i f f e r e n tk i n d so fo o n l i n c 2 1 1l o a d s ，e s p e c i a l l yt h ew i d e l ya p p l i e dp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nd i s t r i b u t i o ns y s t e m , p o w e rq u a l i t yb e si l a o l a n d1 1 1 0 1 bd e t e r i o r a t i v e o nt h e o t l a e rh i n t , c u s t o l n c l sd e m a n di n o l 皓o np o w e rq u a l i t y h a r m o n i cp h e n o m e n o ni s 锄i m p o r t a n td 氍l nf o r f i l ed e t e r i o r a t i o no fp o w e rq u a l i y 8 0i t i sa ne 。t i g e n tm i s s i o nf o rh a r m o n i cm a n a g e m e n t p a s s i v ef i l t e r s h a v et r a d i t i o n a l l yb e e nu s e dt oa b s o r bh a r m o n i c 8g e n e r a t e db yl a r g ei n d u s t r i a ll o a d s ，h o w c v e l * , t h e c o m p e n s a t i o ne l a a r a e t e r i s t i e so fp a s s i v ef i l t e r sa r e1 1 i g h l ys u s c e p t i b l et oi m p e d a n c eo fp o w e rs y s t e m , a n d t h ee f f e c t o f p a i v e f i l t e r s i sa l s o p o o r i f t h e l cp a r , m a e t e r s v s _ t i c s o n t h eo t h e r h a n d , t h ea e i f i v ep o w e r f i l t e rc n o t 谢d e l ya p p l i e db c c a u o fi t sh i g hp r i e e t h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , 鹪as o l u t i o nt ot h i s p r o b l e m , c n o to n l yi m p r o v ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c eo fp a s s i v ef i l t e fb u ta l s o 啪p r e v e n tt h e l o n a n c oo fp a s s i v ef i l t e r dp o w e rs y s t e m s a sar e m l t , h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r so f f e raw i d e f o r e g r o u n da n dc o s t - e f f e c t i v et o p o l o g yf o rh a r m o n i cc o m p e n s a t i o nd u ot os m a l lr a t i n go f t h ea c t i v ep o w e r f i l t e l s e v e r a lk i n d so f a p ft o p o l o g y $ t r u c t l l a ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eh a v eb e e na n a l y s i s e da n ds t u d i e di n t h ep a p e r , c o m p a r i n gt h ea d v a n t a g a n ds h o r t c o m i n g so fp a s s i v of i l t e r 、a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r a sr e s e a r c he m p h a s e si nt h ep a p s h u n tr l y l , r i , ta c t i v ep o w e rf i l t e r ( s h a p f ) i s d e e p l y a n a l y s e d i n c l u d i n g i t ss 仇l c “盯e 、p r i n c i l , l e ，c o n t r o l l i n g m o d e a p f i n t h e h a p f a n a l y s e d t h i s p a p e r i sf i r s tp a r a l l e l de o l m e e t e dw i t has m a l li n d u c t a n c et l u g hc o u p l i n gt r a n s f o r m s , dt h e nc o n n e c t e dw i t h p fi n s e r i e s s u c hs l r u e t m eo f h a p f d e c r e a s ee a v a b i h t yo f a p fg r e a t l y , a n do n l yn e e dt oc o n t r o la p f t oo u t p u th a r m o n i cc u r r e n t , a n dt h es y s t e mc s t i uf u n c t i o nn o r m a l l yw h e na p fe x i t sd u et of a u l t o nt h e b a s i so fa n a l y s e da b o v e , c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh a p fa n di t sa b l i t yt od a m pl e s o f l a n c l ，m s i m u l a t e db ym a t l a bu n d e rd i f f e r e n te o n t r o lm o d e b yc o n t r a s t , t h ed i s c r i m i n a t i o no ft h i s $ h a p f b e w t e e nt r a d i t i o n a lh a p fi s c o m p a r e d0 1 1c a p a b i l i t y 、t o p o l o g ys t n l c t u m s i m u l a t i o np r o v e st h a tt h e c a p a c i t yo fa p fi nt h eh a p fa n a l y s e dt h i sp a p e rd e c r e a s e sl a r g e l yc o m p a r e dw i t hs i n g l yu s e da p f , a n d t h ec a p a c i t yv a r i e sw l t l i et h ec o n t r o lm o d ea n dc o n t r o lp a r a m e t e rc h a n g e s i no r d e rt ou t i l i z et h e e o m p e m a t i o na d v a n t a g eo fa p f , t h ec u r r e n tl i m i t i n gm e t h o da d d i n gt oc o m p l e xc o n t r o l l i n gm e t h o di s i n t r o d u c e d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i e a t st h i sc o n t r o l l i n gs t r a t e g yi se f f e c t i v ei nh a p es e c o n d l y , p a p e r d i s c i i s $ 1 e u n m t l yu s e dh a r m o n i cd e t e c t i n ga r i t h m e t i c ，i n c l u d i n gi x lm e t h o d 、i l - i qm e t h o db a s e do n i 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 、d qm e t h o db a s e do nc o o r d i n a t i o nt r a n s f o r m a t i o na n ds e l f - a d a p t i n g m e t h o d 1 1 ”c o n t r a s tb e t w c e l lt h e mi sa n a l y s e d , t h e ns i m u l a t i o na p p r o v e si t sv a l i d i t y b a s e do nt h e a n a l y s e dr e s u l t s , s e l f - a d a p t i n gm e t h o di sa c c e p t e dt ob et h ea r i t h m e t i co f h a p i 。s y s t e ms i m u l a t i o n p a p e r a l s oe x p a t i a t e st h ep a r a m e t e rd e s i g nm e t h o do f h a p f , i n c l u d i n gl cf i l t e rl x u a m e t e rd e s i g n 、o u t p u tf i l t e r d e s i g n 、d c - s i d ev o l t a g ec o n t r o l l i n g 、a p p e n d e di n d u c t a n c ed e s i g na n d s oo i l 1 1 ”m a i nu t i l i z e d c u r r e n t - t r a c k i n gm e t h o di sa l s oi n t r o d u c e d f i n a l l y , as e to f h a p fe q u i p m e n t , w h i c hi sa d a p t i v et ot h r e e - p h a s ea n dt h r e e - w i r es y s t e m , a n db a s e d o nd s pc o n t r o l l i n g , i sd e s i g n e di nt h ep a p e r , t h eb a s u ee i l c - u i t si nh a l d w a l ed e s i g n 黜i n t r o d u c e d t h e nt h e d e t a i l e ds o t ! t w i i i of l o wi sp r e s e n t e d o nt h eb a s i so fc o n t r o l l i n gc i r c u i t , s a m p l i n gp r o g r a m ，h a r m o n i c d e t e c t i n ga r i t h m e t i ca n dr e a l i z a t i o no fe l m e n tl i m i t i n gm e t h o do nd s pi st e s t e d , t h e 慨r i n gr e s u l t s i n d i c a t e st h ec i r c u i ta n dt e s t i n gp r o g r a mw o r kn o r m a l l y , t h u sm a k eg o o db a s i sf o rt h ee o n s t m m a a t i o no f t h e e q u i p m e n t k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；, h a r m o n i e s ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；, p a s s i v ef i l t e r ；, s h u n t - i y i , r i , la c t i v e p o w e rf i l t e r ；, d s p 学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日期：叫小 第一章绪论 第一章绪论 随着高新技术产业的不断发展成熟，用户对电能质量的需求提高到了一个新的层次。电能质量 指标越限和恶化现象已经使敏感性负荷发生生产故障的事故屡有发生。电压、频率、波形是衡量电 能质量的标准，超出一定范围的频率波动、电压有效值的偏差或者波形的畸变都会对电力用户以及 电网安全、经济运行等带来不良的影响。而随着电力电子技术的飞速发展，电网中增加了大量的非 线性负载，尤其是大容量变流器的大量使用导致了大量谐波电流注入电网，使电网电压和电流发生 了畸变，严重影响了供电质量的可靠性，谐波现象已经成为电网的一大危害因此，治理谐波、改 善电能质量成为了一项重要的研究课题。 i 1 电能质量的概念 i i 1 电能质量概念的提出 理想的三相交流电力系统应以恒定的频率和正弦波形并且按照规定的电压水平向负荷供电。各 相电压和电流应处于幅值大小相等、相位相差1 2 0 度的对称状态。由于系统规划的不恰当、符合变 化的随机性以及其他一些不可预测的各种故障等原因，这样的理想状态的交流系统是不可能存在的， 实际运行中存在不同程度的电压偏差、波形畸变以及电压有效值波动等现象，由此提出了电能质量 的概念。 长期以来，人们对电能质量的关注局限于频率偏差和电压偏移两个方面上，但是现代社会电力 电子设备的大量使用已经使的诸如谐波、电压波动与闪变、电压骤升骤降、电压短时中断等电能质 量现象的危害更大，电能质量也早已经超出了电压和频率的范畴。所以仅靠电压偏移和频率偏差两 个指标来衡量电能质量已经远不能满足用户对电能质量的要求。例如，大量数字化控制系统和精密 电子装置投入使用，它们对电压质量非常敏感：非线性负荷投入使用将向电网注入大量谐波电流， 这些电流将使得母线电压产生畸变、影响通讯设备正常工作、产生附加损耗、甚至导致电网谐振等； 大容量冲击性负荷的使用将导致电网电压产生波动、骤升骤降以及造成闪变等；这些现象将严重冲 击电力系统的安全运行。另外，电力用户不断增长的电能质量意识也要求电力部门提高供电质量。 国内外对电能质量问题也越来越重视，我们国家已经制定了相应的电能质量标准，美国电气电子工 程师协会工业应用协会( i e e ei a s ) 和电力工程协会( i e e ep e s ) 、国际电工委员会( i e c ) 、国际 大电网会议( c i g r e ) 等学术组织都设立了专门的工作小组对这些问题进行专门研究 i i 2 电能质量的分类 电能质量是众多电力系统干扰问题的总称，涉及内容主要有频率偏差、短时电压偏移、长时间 电压偏移、电磁暂态、波形畸变失真、三相不平衡以及电压和波动等七方面u 1 2 1 3 1 ( 一) 频率偏移：定义为电力系统基波频率偏移额定频率的程度。产生的主要原因是发电机有 功出力和有功负荷的不平衡。g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差对电网频率偏差 作了若干规定： ( 1 13 0 0 万k w 以上电力系统频率偏差不得超过0 2 h z 。 ( 2 ) 3 0 0 万k w 以下电力系统频率偏差不得超过4 - _ 0 5 h z 。 ( - - ) 电压偏差：包括长时间电压偏差和短时间电压偏差。长时间电压偏差定义为持续时间l 东南大学硕士学位论文 分钟。包括欠电压、过电压和持续失去电压三种情况短时电压偏差包括电压跌落、电压升高和失 去电压。 ( 三) 波形失真现象：波形失真定义为理想工频正弦波的偏移，常用其频谱含量描述。波形失 真主要有：直流偏移，谐波，间谐波，陷波和噪声 ( 1 ) 直流偏移是交流电力系统中存在的直流分量，产生原因主要是由于电磁暴产生的电磁干 扰和电网半波整流设备的存在 ( 2 ) 谐波定义为具有供电系统基波频率整数倍的正弦电流或者电压产生原因主要是非线性 负荷的大量使用。 ( 3 ) 问谐波定义为具有供电系统基波频率非整数倍频率的正弦电流或者电压，表现为离散频 率或者宽带频谱。产生原因主要是静止频率变化器、交流器、感应电机和电弧设备等。 ( 4 ) 陷波是换流器换相产生的周期性电压干扰。 ( 5 ) 噪声指叠加在系统相线、中性线、信号线上的频率低于2 0 0 k h z 的不期望的电气信号。 电力电子设备、控制电路、电弧装置以及供电系统投切都会产生电磁噪声。 ( 四) 电磁暂态：电力系统从一个稳定状态到另一个稳定状态的电压或电流数值的暂时性变化， 产生电磁暂态的主要原因是雷电波冲击和系统故障等。 ( 五) 三相不平衡：主要指电压不平衡定义为相电压对于三相电压平均值偏移的最大值。产 生原因主要是单相大容量电气设备的使用。另外系统故障也会导致三相不平衡。在三相电力系统中， 三相不平衡度常用负序分量与正序分量有效值之比来表征。根据g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电 压允许不平衡度的规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值2 ，短时不可以超过4 。 ( 六) 电压波动：电压包络线的规则变化或电压的一系列随机变化，但其变化范围在额定值的 士l o 之内。 1 2 谐波现象的特征、度量及起因 1 2 1 谐波现象 图i 一1 显示了一个典型的整流电路工作至稳态情况下的三相电流波形图，从图中可以清楚地 看出非线性负荷产生的畸变电流。 三匿墅雯亚翌雯亚盈 2 0 2 i 匿雯亚噩五五丕五蜀 图l 一1 三相典型整流电路波形图 对谐波分析，常用的就是傅立叶级数分析方法一般周期性的函数f 【i ) 可以用下面公式表示： 厂( f ) = 4 + hc o s ( h w o t ) + b s i n ( h w o t ) 】 2 第一章绪论 = a + q 咖o 纨+ 纯) k = l 其中凡一一谐波的直流分量，其值不随时间变化 gs i i l o f + 纯) 一一第h 次谐波分量，幅值g ，相位吼 通过对函数的傅立叶分解，可以把谐波源表示成基频和基频整数倍的函数，这样为分析谐波 函数和对谐波的度量提供了依据。 为了方便考察谐波，一般定义以下几个参数： ( 1 )电流，电压有效值； ，。=岳v 。= 吁( 1 2 ) ( 2 )电流，电压总谐波畸变率： 册，= 吉历= 、| i 筹v 2 w - 1 ”s ， 去辱= 胚 ” 称t h d r 为电压总谐波畸变率，t h d i 电流总谐波畸变率这是两个十分重要的谐波度量， 事实上，电力系统对谐波畸变率是有限制和要求的。 1 2 2 谐波的限制标准 事实上，电力系统中是不存在理想的供电情况的，因此把公用电网谐波畸变率限制在一定范围 内，使电气设备安全运行、保证电能质量从而产生良好的经济社会效益，必须制定一定的谐波限制 标准。国际相关组织例如i e e e 、1 e c 都制定了相关的谐波限制标准，我国也根据国情制定了相应的 国家标准。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e6 0 5 1 9 标准1 4 1 和i e c6 0 5 5 5 - 2 标准“。i e e e6 0 5 1 9 于1 9 8 1 年制订，并于1 9 9 2 年进行了修订，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。i e c 6 0 5 5 5 2 标准则是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。 i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准于1 9 8 2 年制订，1 9 9 5 修订后的标准为i e c 6 i 0 0 0 - 3 - 2 。国家技术监督局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量谐波方面的国家标准g b f r l 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网谐波【6 j 。该标准已 于1 9 9 4 年3 月1 日起在我国全面开始实施 1 2 3 谐波产生的原因 在本世纪二三十年代，静止汞弧变流器的使用造成电网的电压和电流波形出现畸变，引起了人 们的注意和研究。j c r d 于1 9 4 5 年发表的有关汞弧变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论 文【7 】。e w l ( i m b a r k 在五六十年代在其著作中对谐波进行了详细的总结网。随着电力电子技术的迅猛 发展和广泛应用，其产生的谐波以及造成的危害日益严重，已经引起了各国的关注。 3 一 东南大学硕士学位论文 谐波主要是由与电网相连的各种非线性负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有： ( i ) 电力变压器的非线性励磁； ( 2 ) 旋转电动机引起的谐波； ( 3 ) 电弧炉引起的波形畸变； ( 4 ) 各种电力电子装置； 随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断加大，这部分所产生的谐波源比重也越来 越大，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。 1 3 课题的背景 1 3 1 谐波的危害 近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使用使得公用电网的谐波污染日益严重，由谐波 引起的各种故障和事故也不断发生，谐波的危害性也引起人们的高度关注，谐波对公用电网和其他 的系统主要危害主要有以下几方面： ( i ) 增加发电、输电、供电和用电设备的附加损耗。 ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。 ( 3 ) 影响测量和计量仪器的准确性。 ( 4 ) 干扰通信系统的工作。 ( 5 ) 影响用电设备的正常工作。 1 3 2 谐波治理技术概述 传统的谐波治理技术主要依靠无源电力滤波器进行谐波治理，通过【c 电路的谐振达到消除谐 波的目的，无源滤波器具有简单易调、安装方便、经济等优点主要缺点是容易与电网产生谐振、 不能动态补偿谐波以及补偿效果易受电网参数变化影响等。 随着现代电力电子技术和数字控制控制技术的飞速发展，在电力系统中提出了柔性交流输电系 统( f a c t s ) 的概念，f a c t s 借助基于电力电子技术构成的装置来替代传统的设备( 如移相变压器、 调相机、无源滤波器等) ，用来进行系统潮流和电压等的控制。而d f a c t s 技术为解决和提高用户 侧电能质量提高了有效的手段，其中用于谐波治理的装置包括：有源电力滤波器( a p f - - a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 、动态电压恢复器( d v r - - d y n a m i cv o l t a g er e s t o r e r ) 、统一电能质量调节器( u p q c - - u n i f i e d p o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e r ) 以及混合型电力滤波器( h a p f - - h y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 等。主要的 功能如下表所示： 表1 一l 主要用于谐波治理的d f a c t s 装置 装置名称主要功能和特点 并联型a p f 补偿负荷侧谐波和无功电流 串联型a p f ( d v r )抑制供电系统谐波电压和电压跌落等 u p q c 抑制供电谐波电压跌落和负荷谐波电流：抑制电压闪变波动以 及改善三相电压不平衡等 h a p f 补偿谐波和无功电流；抑制电网和无源滤波器的谐振 可以看到，不同的设备完成的功能有所区别，其中以u p q c 功能最强大，但是其造价高，而且 技术和调试复杂，因此成功应用的实例很少混合型电力滤波器综合了无源滤波器和有源滤波器两 4 一 第一章绪论 者的优点，具有容量大、造价相对低、应用电压等级高等特点，从而得到了很大的发展。 1 4 谐波治理技术的研究现状 1 a 1 无源滤波器技术研究现状 l c 滤波器是传统的谐波补偿装置，在谐波抑制方法中，i c 滤波器出现最早，虽然存在一些难 克服的缺点，但是由于其结构简单、设备投资少、运行可靠等优点到至今仍然是应用最广泛的方法。 图l 一2 列出了典型的l c 滤波装置： 图1 2 无源滤波器 ( a ) 单调滤波器( b ) 双调滤波器( c ) 一阶阻尼滤波器 ( d ) 二阶阻尼滤波器( e ) 三阶阻尼滤波器 实际应用之中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。无源滤波器设计方法已 经成熟，实际应用中除了满足调谐谐波频率和无功补偿外主要考虑以下几个因素： ( 1 ) 单调谐滤波器谐振频率会随电容、电感参数变化而变化，电网频率的波动将会引起所 谓的滤波器失谐，设计时应该在保证不失谐的情况下仍能满足各技术要求。 ( 2 )电网阻抗变化对滤波器的效果有很大影响，更为严重的是电网阻抗和滤波器发生谐振 的可能，因此设计时必须对此充分考虑。 1 a 2 有源电力滤波器研究概述 为了解决无源滤波器存在的固有缺点，2 0 世纪7 0 年代日本学者首先提出了有源滤波器( a p f a c t i v e p o w e r f i l t e r ) 的概念，1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成a p f 消除电网谐波，由于受当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，a p f 的研制一 直处在试验阶段。进入8 0 年代，电力电子技术以及控制技术的飞速发展、大功率可关断器件( g t r ， g t o 、i g b t 等) 的不断进步，以及非正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1 9 8 3 年日本学者 a k a g i h 提出的“瞬时无功功率理论”为a p f 的实际应用提供了必要的条件。 应用于三相三线交流系统的有源滤波器按照直流侧储能元件分为电压型逆变器和电流型逆变 器。两种逆变器结构如图l 一3 所示。 - 5 东南大学硕士学位论文 ( 口)( 6 ) 图l - - 3 两种逆变器结构示意图 ( a ) 电压型逆变器 ( b ) 电流型逆变器 实际应用中电压型a p f 由于其效率高、投资少可任意并联扩容而得到了应用广泛。而电流型逆 变器由于在直流侧储能元件电感中始终有电流通过，因此其损耗较大而限制了其应用。根据a p f 与 电网连接方式可以将其分为并联型a p f 、串联型a p f ( d v r ) 以及串一并联型a p f ( u p o c ) ，结 构如图l - - 4 所示，三种不同结构的电能质量调节器功能在表l 一1 中作了介绍，在此不再赘述。 0 ) ( 图l 一4 电能质量调节器的不同连接方式 ( a ) 并联型a p f ( b ) 串联型a p f ( c ) 串并联型 1 4 3 混合型电力滤波器的发展 有源电力滤波器是基于电力电子技术和数字控制技术的谐波治理装置，考虑到电力系统中常见 的都是电流谐波型负载，因此并联型电力滤波器一直是该领域内的研究重点。但是由于受到开关容 量的限制，因此单纯使用的有源滤波器只能用于小容量的非线性负荷场合。而将有源滤波器和无源 滤波器结合起来组成的混合型电力滤波器( h a p f - - h y b r i d a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 取两者之长，补其之 短，能显著提高装置容量和达到a p f 实用化的目的。 混合型有源滤波器按照使用方式分为并联混合型a p f 和串联混合型a p f 。而并联型混合a p f 又可以分为直流并联混合型电力滤波器和交流并联混合型电力滤波器。本文主要针对交流并联混合 型电力滤波器进行研究。 交流并联混合型电力滤波器按照拓扑结构主要可以分为三类：a p f 与p f 并联( p a s s i v ef i l t e r ， 无源滤波器) 混合型、a p f 与p f 串联后与电网并联型以及注入电路方式，图l 一5 列出了这三种拓 扑结构的简单图示。 - 6 一 l 一= 第一章绪论 0 )( 6 ) ( c ) 图l 5 交流并联混合型电力滤波器拓扑结构 ( a 1 a p f 与p f 并联型( b ) a p f 与p f 串联后接入电网型( c ) 注入电路型 三种拓扑结构的主要特点简述如下： 1 a p f 与p f 并联混合型【1 0 l ：由a p f 和p f 与谐波源并联接入电网，两者共同承担补偿谐波 的任务，绝大部分谐波由无源滤波器消除，a p f 补偿p f 未补偿的谐波电流。这种结构的h a p f 中 a p f 仍然承受基波电压，故对提高a p f 容量效果不明显，而且电网和a p f 以及a p f 与p f 之间存 在谐波通道，使得补偿效果受到限制。 2 a p f 与p f 串联后与电网并联型【l l l 【1 2 】：该方式中，谐波和无功主要由l c 滤波器补偿，而 a p f 的作用是改善无源滤波器的滤波特性，克服p f 易受电网阻抗影响以及易发生谐振等缺点。在 这种方式中，a p f 不承受基波电压，因此装置容量小。 3 注入式方式：这是为降低有源滤波器容量而提出的另外一种方式，a p f 的容量取决于其承 受的电压和流过的电流。注入式电路方式正是利用电感和电容构成注入回路，利用电感电容的谐振 特性，使得a p f 只需要承受小部分的基波电压。从而极小地减小a p f 的容量。 从上述对比可以看出，第一种拓扑结构对提高混合滤波器的容量作用不大，因此实际中应用不 多。第二种和第三种拓扑结构优势明显，本文主要研究第二种结构的混合滤波器，并分析在此拓扑 基础上的一种结构改进的并联混合滤波器。 1 5 本论文的主要工作 本论文主要针对基于d s p 控制的并联混合型电力滤波器作深入研究，主要的工作包括以下几 个主要部分； ( 1 ) 论述电力系统谐波的产生机理、危害、度量等基本概念，介绍了目前主要的谐波治理手段，包 括传统的无源滤波器和基于电力电子技术的有源滤波器以及在此基础上发展起来的混合型电 力滤波器等，并且分析了各种滤波器装置各自的优势和不足，说明了混合型电力滤波器在谐波 治理上具有的独特优势。 ( 2 ) 针对基于瞬时无功功率理论发展起来的p q 谐波检测方法、i p - i q 法、基于坐标变换的d q 法以 及自适应电流检测方法作了重点论述，并且简单介绍了基于鉴相原理的谐波检测法。通过理论 分析和仿真实验，验证分析i p - i q 检测法、d q 检测法、p q 检测法以及自适应电流检测法各自的 优点和不足之处。 ( 3 ) 分析了h a p f 三种主要的控制策略；前馈型、反馈型和复合型控制策略的机理，通过仿真验 证了不同控制参数下的滤波效果。为了尽量发挥a p f 的补偿优势，提出了在h a p f 中加入限 流控制策略，仿真显示这种控制策略应用于h a p f 中是十分有效的。分析了新型的并联h a p f 和传统并联h a p f 容量方面的比较，同时仿真验证了本文分析的h a p f 在用于谐波治理方面 比单纯使用a p f 可以大大减小a p f 部分的容量。通过仿真还验证了并联混合型滤波器在抑制 7 东南大学硕士学位论文 电网与无源滤波器之间可能存在谐振方面的作用。 ( 4 ) 完成h a p f 主要参数设计方法的研究，主要有无源滤波器的参数设计方法、a p f 主电路功率 器件的选择、直流侧电容参数的选择、输出电感优化设计、数字低通滤波器以及附加电感的设 计等。针对谐波电流跟踪控制方法，介绍了目前主要应用的跟踪控制技术和其各自的特点。特 别地，针对本文分析的拓扑结构的混合型滤波器，把p i 控制方法用于这种结构的混合型滤波 器的直流电压控制中仿真显示了具有良好的效果。 ( 5 ) 针对本文研究的h a p f 拓扑结构。设计基于d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 的数字控制系统，完成硬件电 路模块的设计和主要的软件流程设计，并在设计的硬件电路基础上做初步的调试工作，主要有 采样测试程序、谐波电流检测算法的实现以及限流控制方法在d s p 上的实现等，从而为装置 的完善作了必要的准备。 8 - 第二章并联混合型电力滤波嚣的结构及工作原理 第二章并联混合型电力滤波器的结构及工作原理 并联混合型电力滤波器综合了a p f 与p f 的优点，由于其既能有效消除谐波电流、起到无功补 偿的作用，还可以有效地起到抑制谐振等优点从而得到了广泛的关注，本章分析一种新型并联混合 型电力滤波器的拓扑结构，分析了目前用于h a p f 的三种控制策略。为了尽量发挥a p f 谐波补偿的 优势，本文提出在h a p f 中加入限流控制策略的思想，并和传统并联型h a p f 作了拓扑结构和容量 方面的对比分析，验证了h a p f 用于谐波补偿时可以大大减小a p f 容量的优点，最后仿真验证了其 在抑制电网谐振方面的优势。 2 1 并联混合型电力滤波器的拓扑结构n 幻嘲 本文分析的并联混合型滤波器系统如图2 一l 所示，与传统的并联混合型滤波器不同，这里的 a p f 通过耦合变压器与一个小电感并联后再与无源滤波器串联。然后并入电网。设置无源滤波器调 谐在主要谐波次数，用于消除主要次数谐波和无功功率补偿。与传统并联混合型滤波器中有源部分 被控制输出为谐波电压不同，这里控制a p f 输出一定的谐波电流分量来达到抑制可能存在的谐振以 及改善滤波器效果。从图可以看到，新型并联型h p a f 由于耦合变压器并联了附加小电感的缘故， 因此a p f 部分承受的电压很小，而且由于只流过谐波电流，因此a p f 的容量很小。而当a p f 由于 发生过载或者运行故障等情况退出运行时，无源滤波器依然可以通过附加的并联小电感一起起到无 功补偿和谐波补偿的作用，此时系统依然能够正常运行。因此这样的结构具有定的灵活性，在这 工业应用中很重要。 z j l 工 图2 一i 并联型有源滤波器与l c 滤波器串联的混合系统 9 ) 东南大学硕士学位论文 2 2 并联混合型电力滤波器补偿原理和补偿特性 为了得到h a p f 理想的补偿效果。必须选择相应适当的控制方法对a p f 进行控制。针对上述拓 扑结构，相应的有检测网侧谐波电流控制( 反馈控制) 、检测负载谐波电流( 前馈控制) 以及两者相 结合的复合控制三种控制方式。本节首先分析这三种控制策略的数学模型，最后进行m a t l a b 模 型的仿真分析。为了做到分析全面，这里假定电源电压也存在畸变。 2 2 1 反馈控制补偿原理和补偿特性 反馈控制的方法通过控制电路中指令电流运算电路和p w i v l 控制电路两部分使得a p f 输出补 偿电流信号为： ic=ksi血(2-d 图2 2 为检测网侧谐波电流控制原理的单相等效电路，这里a f f 被看成一个理想的受控电流 源，谐波源视为一个电流源。图中z s 为电源阻抗。z ，为l c 滤波器的总阻抗，z o 为并联电感阻 抗。 a ) 等效电路b ) 对l 的等效c ) 对的等效 不接a p f 时候( e p k f = o ) ，谐波电流由l c 滤波器补偿，补偿特性主要取决于z s 、z 。和z ， 容易得到： l = 考磊屯+ i 丽i c z 刊 如果电源阻抗很小0 z 。l - - o ) ，或者无源滤波器没有调谐到负载产生的谐波频率z ，i i 乙i ) 就达不到所要求的滤波特性尤其是在谐振频率处z 威+ z _ + z 曲i z o ) ，将出现谐波电流放大 现象 接入a p f 后，控制其为电流源使其输出电流= 巧乙，只考虑对屯的补偿特性，假定电 源电压【，s 为正弦波，则电路等效为图2 - - 2 ( b ) 。电源电流谐波分量l 以及连接点处的谐波电压c k - i o 厶= 石屯 c z 咄， 一菇畿屯 式( 2 - 3 ) 说明，对l 而言，反馈控制结构的拓扑结构相当于在z s 中串联了一个阻抗k s z 曲， 如果z 霸+ k s z 曲 z 西+ z 曲，则负载产生的谐波电流将被迫流入l c 滤波器，因此滤波特性 由k s 值决定，蚴 l - k s 还起到了阻尼z 霸和z 辟并联谐振的作用 分析在不接负载( l = o ) 的情况下，h 4 p f 在电源电压u 釉的作用下的情况，此时电路等效 成图2 - - 2 ( c ) 。同样分析电源电流谐波分量，j 以及连接点处的谐波电压【，得到以下式子： i s h2 瓦瓦篇磊瓦( 2 - - 4 a ) = 素畿屯 哪， 由式( 2 4 ) 可以看到，由于a p f 的投入，使得在电路中串联了一个阻抗( 1 + k s ) z 曲这样 便可以有效地抑制电网电压谐波对系统的影响，也可以有效抑制电网阻抗和p f 可能存在的谐振。 由电路的线性关系可知，在电源电压存在畸变和负载电流也存在畸变的情况下，可以综合上述 两种分析得到以下式子： l = 百害l + i 百碱1 c z s a ， = 一丽( z 而a + z d h ) z s h 屯+ 孝畿c ：删u 豫2 一互：j j 乏= _ ；i i j 了乏：。肪+ 芝：j j 乏= _ ；i 再瓦u 霸2 一孙 从上述等式可以看出，当k s 足够大时，l * 0 。这种控制方式不仅能补偿屯产生的l 畸 变，而且能补偿由于电源电压u s 畸变产生的l 畸变。另外可以抑制电网可能存在的谐振，但是其 补偿效果取决于b 大小，k s 越大补偿效果越好。需要指出的是该控制方式属于闭环控制，为了保 证控制系统的稳定性，k s 不能取得过大，有研究结果认为k s 不宜大于8 。这是该方式的不足之处 东南大学硕士学位论文 2 2 2 前馈控制补偿原理和补偿特性 在前馈控制方法中，与检测电网谐波电流的控制方法所不同的就是指令运算电路的输入信号为 负载电流。而有源电力滤波器则同样被控制成一个受控电流源来改善整个滤波回路的特性。图2 3 为检测负载电流控制方式的等效电路图。 口)6 )c ) 图2 - - 3 检测负载谐波电流控制方法的等效电路 a ) 等效电路b ) 对厶的等效c ) 对的等效 同检测电网谐波电流的控制方法一样，不接a p f 时候，谐波电流由l c 滤波器补偿，补偿特性 主要取决于z ，、z a 和z ，。接入a p f 后控制其输出为： l 。= k l 匕 ( 2 6 ) 和检测电网谐波电流控制方法相似，分析在电源电压【厂j 和负载电流l 同时存在畸变的情况 下，得到以下等式： 厶= 篱屯+ 志 c z 嘞，=；-一，ru朋f 一7 al 。m z m + z 豫+ z 诹。n z 小+ z f i i + z 豳蹴 “ 吣一篱毛屯+ 毫w n 毫j n 柚u 曲 c z 一乏了丽屯+ 历z 庸+ 二柚 q 娟 由等式( 2 - 7 ) 可以看到，当控制足= 1 时非线性负荷电流将大部分流入p f 。由于该控制方 式属于开环控制，因此不存在稳定性问题。但是不能补偿由u 。畸变所产生的电源谐波电流，而且 当电网频率变化时电网阻抗和p f 存在谐振的可能性依然存在。 2 2 3 复合控制补偿原理和补偿特性 复合控制方式同时检测电源谐波电流和负载谐波电流，在这种控制方式下，a p f 同样被控制成 电流源。图2 4 为复合