（电力电子与电力传动专业论文）并联有源滤波器谐波检测算法研究及仿真分析.pdf

东北电力大学硕十学位论文 a b s tr a c t a p p l i c a t i o no fp o w e rc o n v e r s i o na n dt r a n s m i s s i o n ，b a s e do nt h es e m i c o n d u c t o r s w i t c h i n ge l e m e n t ，i n t r o d u c e sp l e n t yo f h a r m o n i c si n t ot h ee l e c t r i cn e t w o r k ，a c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) t h e nw a sd e v e l o p e di nt h i sb a c k g r o u n d ，s os t u d yo na p fw i l lb e m e a n i n g f u l t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea p ff u n c t i o np r i n c i p l ef r o mt h es t r u c t u r ef o r ma n d c i r c u i tt h e o r y t h e nt h em o s te f f e c t i v e t o p o l o g y s n u c t i 】r ei so b t a i n e d b y t h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt w oc l a s s i c a ls 缸u c t l l r e sw h i c hw o u l dr e d u c et h ec a p a c i t yi na p f , a n dr e s t r a i n i n gt h eh a r m o n i c so na l a r g es c a l e m e a n w h i l e ，d e t e c t i n gw a ya st h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u ei na p fh a sb e e np a i d a t t e n t i o no nt h er e s e a r c hu n d e rt h ec o n d i t i o no fd i s t o r t i o na n du n b a l a n c ev o l t a g e s o u r c e a l s ot h ep r o p o s e dm e t h o dc a r ld ow e l lu n d e rt h i sc i r c u m s t a n c e 、i t l lt h eu t i l i t y o ft w or o t a t i o nv e c t o r sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n to ft h es o u r c ep h a s ea n g l e ，w i t h o u t c h a n g i n gc o o r d i n a t e ，o n l yt oo b t a i nt h ef r e q u e n c yo f t h ev o l t a g es o u r c e ，t h e o r e t i c a - l l yd o u b l eh a r d w a r ec a ne a s i l yb ed e s i g n e d 、析廿lt h ep a r a l l e ls t m c t u r e f o rt h ei n n e ra n do u t e rl o o pc o n t r o l s ，i ns i g h to ft h es w i r lr e f l e c t i o nt h e h y s t e r e s i sc u r r e n tv o l t a g es p a c ev e c t o ri sa d o p t e dt o m i n i m i z et h e s w i t c h i n g f r e q u e n c yf o rt h ef o r m e r t h eb a n a s sf i l t e rf o rt h ev e n ti nc o n v e r t e ra n dl o w p a s s f i l t e ra p p l i e di nd e m a n d i n gc 肼e n tc a l c u l a t i o na r ea n a l y z e di nd e t a i la n do p t i m i z e da s w e l la st h ep a r a m e t e r sd e s i g no fp ir e g u l a t o ru s e di no u t e rl o o pc o n t r 0 1 i nt h ee n d ，t h es i m u l i n ki nm a t l a be m u l a t i o ni sc a r r i e do u tt oc o n f i r mw h a th a s b e e nd e s i g n e di na b o v ep a p e rt ob ec o r r e c t a tt h es a m et i m et h ew a yo ft h i sp a p e r w i l lg i v ear e f e r e n c et ot h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea p e 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 s ；d i s t o r t i o na n du n b a l a n c ev o l t a g e ； v o l t a g es p a c ev e c t o r i i 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。 论文作者签名：主丑二牛 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，知识产权归属东北电 力大学。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： 主l 至蕉之日期：銎! 垂年l 月堕i t 论文作者签名： 兰i 翌垒亿日期：銎! 芟年l 月旦 导师签名：日期：! 墨年上月二生日 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 和中国学位论文全文数据库投稿声明 研究生部： 本人同意中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国学位论文全文 数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生部向中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社的中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国科 技信息研究所的中国学位论文全文数据库投稿，希望中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和中国学位论文全文数据库给予出版，并同意在中 国优秀博硕士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库以及中国学位论文 全文数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。 论文级别：口硕士口博士 作者签名： 童2 翌雅 指导教师签名： li 作者联系地址( 邮编) ： 作者联系电话： 日期：丝望年上月二生日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。l 课题研究的背景 电力电子技术是集电力、电子和控制于一体的新兴综合技术，这门技术已 发展到可以对电能进行高效变换和对电力系统进行调整控制的阶段，其特点是 控制灵活、快速、准确、可靠。 近代的电力系统，电力半导体装置很多，大到直流输电用的换流器，小到 电视机中的开关电源、电池充电器，还包括工业中广泛应用的变频器、整流、 调压和调功器等，其应用遍布于电力系统各个电压等级。以晶闸管阀作为投切 设备或相控设备的s v c 已成为相当成熟的技术，全世界己有超过2 2 0 套、总容 量为3 50 0 0m v a r 的s v c 在输配电系统运行：超过3 8 0 套、总容量为1 80 0 0m v a r 的s v c 在工业部门应用。但由于电力电子设备所用的开关器件工作于开关状态， 整体作为非线形负荷而存在于系统中，向系统注入了大量的谐波，导致降低输 电效率、影响电气设备的正常工作、引起电网串并联谐振等后果。 在民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例。变压器、异步电动机、 日光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力 系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也 消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身 的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种 相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基 波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率【i 埘。 1 2 并联电力有源滤波器研究的意义 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 ) 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其至发生火灾； 东北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗 外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容 器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏； ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故； ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确； ( 5 ) 谐波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： 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面【3 ，4 】： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从 而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的 起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大； ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路总电流为j = j 。+ j 。，线路电阻为r ， 则线路损耗a p 为： a p 纠r 叫p ：+ z ) j 6 i ：掣r 式中告尺这一部分损耗就是由无功功率引起的； u ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电 压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 无功和谐波虽然是两个独立的概念，但两者又是紧密联系的。如现代电力 电子技术的应用，给系统注入了大量的谐波，但电力电子负荷同时也连接有阻 感负载，这就需要消耗无功，即：产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功 功率的装置，如各种电力电子装置、电弧炉和变压器等。同时补偿谐波的装置 一般也有补偿无功的功能，如l c 无源滤波器或有源滤波器等。因此在多数情况 下可以把谐波和无功同等看待，一起消除。 第1 章绪论 并联电力有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 可以有效的消除谐波 和补偿无功，这正是本课题重要意义所在。 1 3 并联电力有源滤波器的基本原理 图2 - 1a p f 工作原理 有源滤波器的工作原理可简述如下：当需要补偿负载产生谐波电流时，有 源电力滤波器检测出补偿对象负载电流i l 的谐波分量，由控制电路使主电路产 生补偿电流i c 。与i s 大小相等、相位相反，因而两者相抵消，最终使得电源电 流i s 只含基波，不含谐波。 即： f ，= f ，一f c i l = i i f + i l h f 。= 一f 胁 is = i l i c = i i f 其中i c 是要主电路所产生的补偿电流，根据具体情况，可以仅是谐波，可以同 时是谐波和基波无功电流【3 1 。以下研究都是以谐波和无功同时补偿为条件的。 有源滤波器具有如下功能和特点： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进 行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度； ( 2 ) 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影 东北电力大学硕十学位论文 响，因此此类装置适合系列化、规模化生产； ( 3 ) 当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻 抗发生谐振的危险，同时还能抑制串并联谐振； ( 4 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大； ( 5 ) 用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍次的谐波电流，既 可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补 偿； ( 6 ) 当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正 常发挥作用，不需要与系统断开； ( 7 ) 装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率，不 但减小了有源滤波器的总容量，还可以避免轻负荷时发生无功倒送现象。 1 4a p f 的研究现状 电力有源滤波器的研究主要包括两方面的内容：负载电流谐波检测方法( 或 称为指令电流运算方法) 和产生补偿电流的控制策略。 1 4 1 谐波检测方法研究现状 谐波电流检测是a p f 的关键，直接影响到补偿速度和精度，是补偿的核心 所在。 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的电压或电流信号是有源滤波器进行 精确补偿的关键，在有源滤波器补偿分量检测方法的研究方面，从历史来看， 经历着一个由频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。目前，补 偿电流的检测方法主要有以下几种： ( 1 ) 基于频率运算的方法； ( 2 ) 瞬时功率法：这是基于瞬时无功功率理论。瞬时功率间矢量法是目前 a p f 中应用最广的一种补偿电流检测方法。最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 9 年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断的改进现已包括p - q 法、i p i 。法和 d q 法等。其中p - q 法最早应用，它仅适用于对称且无畸变的电网；而i p i q 法不 第1 章绪论 仅对电源电压畸变有效，也适用于不对称三相电网：基于同步旋转p a r k 变换的 d - p 法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称有畸变的 电网【5 - 9 ； ( 3 ) 基于现代控制理论的检测方法：直接根据逆变器直流侧的电压或电流， 求出所需电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的值； ( 4 ) 自适应检测圆法：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从 负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值； ( 5 ) 基于神经网络控制法：该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发 展起来的一种新型智能控制检测手段 1 0 - 1 2 】。 1 4 2 补偿电流控制方法 1 滞环比较p w m 电流控制 采用滞环比较的p w m 电流控制方法 1 3 , 1 6 , 1 7 , 2 0 整 原理图如图1 1 ： 圈型信号 图1 1 滞环比较方式 在该方式中，把补偿电流指令信号t 和实际补偿电流t 信号进行比较，其 差值t 作为滞环比较器的输入，滞环比较器是一个设置门槛电压的比较电路， 通过判断补偿电流差值的大小和方向来产生驱动逆变器的p w m 信号，来控制主 电路的通断，从而使补偿电流i c 跟踪指令电流t 的变化。 不失一般性，下面以a 相为例说明此方法的工作原理。设i ，。的方向如主电 路图2 4 所示，当互( 无论是i g b t 还是二极管，只要一个导通即可) 导通时，换 句话说：当a 相上桥臂导通时，乙较少，而当瓦导通时乙将增大。假设用w 来 表示滞环比较器的宽度( 即门槛电压) ，当la i i 矽时，p w m 的正负将发生翻转，情况如下：若f 。的值碰到了 + h ，则应该减小，即体现在主电路中的互应该被触发导通，反之，若乙的 值碰到了- h ，则f c 口就应该增加，相应的瓦就应该被触发导通。于是，无论指令 东北电力大学硕士学位论文 电流如何变化，在滞环电流的控制方法下，实际补偿电流总能以指令电流为基 准呈图1 2 所示锯齿波形状上下波动，即实际的补偿电流被限制在规定的误差带 限内。 以上分析，不难看出，滞环带宽w 对补偿电流的跟踪性能影响很大。若w 较小，则实际补偿电流跟踪指令电流的精度就比较高，但同时它要求半导体器 件必须具有较高的开关频率，这不仅会增大开关损耗，还对半导体的开关性能 提出了根高要求；若w 较大，自然f ，就会增大，相对应的实际补偿电流的跟踪 精度就差，但也降低了半导体的开关频率，降低了开关损耗。 征 一 l 七一 图i - 2 滞环比较的瞬时值比较 2 三角波比较方式 图1 3 为三角波比较方式的原理图。 2 9 旦酽。一l 习型鹪 一 一一i ! i i 1 j i c 三角载波 图1 3 三角载波比较方式 这种方式与其它用三角波作为载波的p w m 控制方式不同，她不是直接将指 令信号。与三角波比较，而是将与t 的偏差t 经放大器之后再与三角波比 较。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统 是基于把t 控制为最小来进行设计的。与瞬时值比较方式相比，该方式具有以 下特征： 1 ) 硬件较为复杂 6 第1 章绪论 2 ) 跟随误差较大 3 ) 输出电压中谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波 4 ) 放大器增益有限 5 ) 器件的开关频率固定，且等于三角波的频率 6 )电流响应比瞬时值比较方式慢 1 5a p f 的前景 有源滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工 业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生 产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。自1 9 8 1 年以来，仅在日本，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。 从近年来的研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展趋势【2 心4 】： ( 1 ) 通过采用p w m 调制可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实 现对高次谐波的有效补偿。当a p f 的容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿。当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐 波补偿； ( 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器 并联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低成本、提高效 率的目的。其中l c 滤波器用来消除高次谐波，a p f 用来补偿低次谐波分量； ( 3 ) 从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降； 同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型 有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联a p f 由于其功能强大、性 价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置； ( 4 ) 可通过单节点单装置的装设达到多节点谐波电压综合治理的a p l c 的 出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。 1 6 本文的主要工作 本文欲研究的内容主要包括下面几个方面： ( 1 ) 介绍电力有源滤波器的主要拓扑结构、分析其滤波原理； ( 2 ) 比较分析几种谐波检测方法，分析基于瞬时无功功率和无功电流的实时 检测方法，提出改进的谐波检测方法；优化低通滤波器； ( 3 ) 分析并联电力有源滤波器的控制策略，分析介绍几种控制策略的优缺 点，改进了电压空间矢量的控制规则；分析影响直流侧电压波动的因素及原理， 从而设计了电压外环参数； ( 4 ) 给出暂态、稳态仿真结果，验证论文方法的正确性。 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 曼皇曼鼍! ! 皇詈兰詈詈詈! ! 曼墨詈詈皇曼! 詈詈詈詈鼍! ! 曼i 一 一 i 詈皇! 詈苎! 曼詈皇詈皇詈皇詈詈暑詈曼皇曼皇詈曼詈詈詈! ! 量量 第2 章并联有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 2 1 并联型电力有源滤波器的结构特点 并联型电力有源滤波器是相对于串联型有源滤波器而言的，目的是针对一 些电流源型谐波用户来说的，例如直流侧是阻感负载的整流电路，即通过补偿 用户端的电流谐波使谐波流入a p f 而避免注入电网，从而使电网电流为基波正 弦波【2 5 之9 1 。 2 1 1 单独使用的并联有源滤波器 这是a p f 的最基本形式。即为图2 2 去掉并联支路的无源滤波器之后的部 分，负载为产生谐波电流的电流源负载，即电流源谐波源，变流器和与它相连 的滤波电感、直流侧储能电容共同组成电力滤波器的主电路。但其中变流器的 出口处接电容和滤波电感组成高通滤波器，用来消除变流器开关器件产生的高 次谐波电流。控制电路通过采集的电压和电流信号经运算产生使变流器产生指 令电流信号的开关信号。 单独使用的并联滤波器结构简单，但是，由于变流器直接和电网相连，电 网电压直接加在了变流器端，a p f 就需要较大的容量。由于电力电子器件额定 电压和电流的限制，以及大容量电容涉及成本高的问题，就限制了此种情况下 a p f 的使用只能是需要补偿容量不大的场合。如：小用户端。 2 1 2 有源、无源混合型a p f 目前工程上应用最多的还是无源l c 滤波器，它结构简单，投资少，可靠性 高，运行费用也比较低。它滤除谐波的原理实质上是为电路中的谐波提供一条 低阻抗路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可通过滤波器不注入系统。 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r , 简称p p f ) ，通常是采用电力电容器、电抗 器和电阻按功能要求组合而成，最简单的是单调谐l c 滤波器。要滤除若干个特 征次谐波，就用若干个单调谐滤波器并联接到电网上。无源滤波器还可以设计 东北电力大学硕士学位论文 成双调谐的，它同时可以滤除两种频率的谐波；也可以做成多阶的，但电路复 杂，应用较少。另外，p p f 还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次以上的谐波。 无源滤波器由于其结构简单、成本低，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功， 改善功率因数；同时无源滤波器又具有维护方便，以及有较成熟的技术、设计 和制造经验，因此无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑制和补偿无功 的主要手段。 但p p f 就存在以下缺点： ( 1 ) 滤波特性受系统参数与运行工况影响比较大，设计起来较困难，谐振频 率依赖元件参数； ( 2 ) 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； ( 3 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； 而a p f 和p f 混合使用却能在充分利用p f 结构简单、成本低等优点的基础 上，最大发挥a p f 的性能。 并联型有源滤波器与l c 滤波器混合使用的方式有两种：一种是a p f 和l c 的串联；一种是a p f 和l c 的并联，并联结构如下图2 - 2 。 在混合结构中，l c 滤波器承担了大部分的谐波补偿，a p f 的作用是对l c 滤波器补偿的优化和补充，在这种情况下，l c 滤波器将不再受电网参数变化的 影响而降低，如果采用串联谐振来分压，则可以使a p f 的主电路不承担基波电 压，从而大大降低了a p f 的容量。 图2 - 2a p f 与p f 并联使用结构 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 2 1 3 无源和有源的串联注入式拓扑结构 论文仍然采用混合型滤波器结构。达到的目的1 ) 降低a p f 容量2 ) 抑制电 网和l c 滤波器可能的谐振3 ) a p f 主电路不承受基波电压。 基于以上目的论文采用如下结构，图( 2 3 ) 所示： 图2 - 3 并联a p f 混合结构 上图中，谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用 是改善l c 滤波器的滤波性能，克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网 阻抗发生谐振等缺点。这种方式下，有源电力滤波器不承受交流电源的基波电 压，因此装置容量小。 另外，诸如注入式方式，a p f 也不需要承受基波电压，从而也有效的降低 了有源滤波器的容量，但注入回路中并联的基波串联( 或并联) 谐振支路在降低 a p f 承受基波电压的同时，也使补偿电流中的基波分量( 包括有功、无功部分) 分流，从而间接的增大了补偿的有功基波分量。而文中采用的拓扑结构避免了 上述缺陷。 2 1 4 并联滤波器主电路的工作原理 把逆变电路中的s p w m 控制技术用于整流电路，就形成了p w m 控制整流 电路，通过对p w m 整流电路的适当控制，就可以达到对交流侧输入电压及其相 东北电力大学硕士学位论文 位的控制，亦可以通过间接方法达到控制交流侧输出电流的目的，而本文正是 通过对电压控制而间接控制电流，这将在控制方法中介绍。 e 三l i 。、 t t 、t a 、 t 5 q 卜_ c = 兰-q ebl j b - 厢 广，二； b： p c l ；c - - v 。 c 、t t 6 、t o v d 图2 - 4 变流器主电路 三相桥式整流电路可以工作于逆变和整流两种工作状态，当在整流状态时 属于升压型整流电路，其输出的直流电压理论上可以高出交流侧峰值电压的许 多倍，通过适当的控制就能在交流侧得到期望的电压电流波形。 2 2 并联有源滤波器主电路的数学模型 主电路图2 - 4 三相电压源整流器的数学模型是根据它的拓扑结构在三相静 止坐标系( a ，b ，c ) 中、利用电路基本定律对三相电压源整流电路的一种数学描述。 进行数学描述时，通常进行以下假设： 1 ) 电网电压为三相稳定的正弦波电压( p 口，e 。，p 。) 2 ) 网侧电感是线性的、不考虑饱和 根据三相电压源整流器的特性分析需要，其数学模型一般有两种： 1 ) 采用开关函数描述的一般数学模型 2 ) 采用占空比描述的一般数学模型 2 2 1 开关函数描述的数学模型 采用开关函数描述的数学模型方便对电压源整流器( v o l t a g es o u r c er e c t i f o r , f o rs h o r t ：v s r ) 开关过程的精确描述，较适用于v s r 的波形仿真，常用于校正控 制系统设计的恶性能指标。 现以图2 4 所示的拓扑结构建立用开关函数描述的v s r 数学模型。 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 当e v d 时，v s r 可运行于逆变状态也可运行于整流状态。为方便分析，先对 主电路的开关逻辑进行定义： 瓯= k 篙嚣耋谍羹誓 倍t ， 嘞一1 0 下桥臂导通，上桥臂关断 、r 码u wu q 忽略功率器件的损耗，根据基尔霍夫电压定律建立三相v s r 的三相回路方程 为： 现确定 砷，“6 。，u c o 和s 。的关系：我们知道，在任何情况下，总有三个功 率开关器件导通，即相对于三个桥臂的上下桥臂必用一个导通，不乏广泛性， 现在取一组开关组合状态s 。& s 。= 1l o ，且假定三相的电流方向：a b 相电流从 加点流出( 相对变流桥) ，c 相电流c 点流进。那么，巩b 点同电位且和直流侧 电容的正极( 上端) 同电位，而c 点与直流侧电容的负极( 下端) 同电位。此状态简 化后的电路如图2 5 ： 图2 - 5 变流器简化运算电路图 根据图2 5 ，可以得到如下方程： 甜l 一甜2 = 1 ，出( 2 - 3 ) 乏 q o l 删 枷 蚰 甜 甜 甜 一 一 一 p p p = = = 彤 m 彤 + + + l l l 九一班虬一出扯一衍 东北电力大学硕士学位论文 + 工盟+ r i d t + 三堕+ r i d t + 三望蔓+ r f 2u i 2 一甜2 上式中的甜。，u ：以0 点位参考点。 由于是三相对称系统，则： e 4 + e b + e c = 0 ，i 1 + i ，+ i c = 0 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 联立可得：2 u 。= 甜2 由式( 2 - 3 ) 和式( 2 - 6 ) 可得： 阵矿等 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 以上假设各种开关运行状态中的一种，但无论那种运行状态，在以简化电路 的表示形式中必有两相电压相同，且相同相的电压的绝对值必为1 ，出3 ，而另一 相的电压的绝对值为2 v 击3 。观察主电路图2 - 4 的运行状态，可以发现，若不考 虑交流侧电流流出时的电压极性，在图2 5 所示电流流向时，开关状态共有两种， 换句话说，对应每种电流流向就会有相对应的两种开关组合。而此时的电压可以 用相应的开关组合函数来表示为 ( 如a 相) ： ：咒一墅粤堡( 2 - 8 ) j 如图2 - 5 对应两种开关组合1 1 0 、o o l 恰和3 、一1 ，出3 对应，那么，对 于b 、c 相： ：& 一墅粤堡( 2 - 9 ) 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 嗵一盟产 另外，对直流侧电容正极节点处应用基尔霍夫电流定律，得： c d v d c ：i a s a + i s do + i o s o t 口口口 把以上式( 2 - 8 ，2 - 9 ，2 - 1 0 ) 式代入式( 2 2 ) 式整理得： 三0 o三 o0 o o o0 o o 三0 oc 一尺00 0一r0 00一欠 s ， s b s c + e 口 e c 0 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 2 2 采用占空比描述的v s r 数学模型 为简化v s r 的数学模型，可忽略开关函数中的高频分量，只考虑低频分量， 从而获得采用占空比描述的低频数学模型。 为消除开关函数描述的v s r 一般数学模型中的高频分量，在开关函数模型 中引入傅里叶变换： f ( c o t ) = + s i n ( n o t ) + 玩c o s ( n c o t ) ( 2 - 1 3 ) n = ln = l 当开关频率远高于电网频率时，可用规则采样法代替自然采样法( 自然采样 法中p w m 波形不对称) ，此时在一个开关周期内，p w m 开关函数波形如图2 - 6 所示，波形是对称的。 彳。r i ? s k o丑 2 。 图2 - 6p w m 及开关函数波形 乞乙 1，旷oojjoijiii， &。&。最。 却训却 1 3 1 3 l 一3 o 一 一 一 & 砖 芝 乇乇 丌ijjiiiji业 东北电力大学硕十学位论文 在图2 - 6 中，鸭= 2 x z 其中，z 为p w m 开关频率，d 。为对应的相的p w m 占空比，j | d k 1 。 开关函数s 。及占空比d k 间的关系为： an1 0 a ) s t ( ( 1 - d d x & = o t ( 1 + 畋) 万( q ，2 万 ( 2 1 4 ) s t = 1( 1 一以) 刀c o s t ( 1 + 畋) 万 ( k = a , b ，c )( 2 1 5 ) 根据上式求得傅里叶系数整理得： & = 石1 。( 。l 蔓+ d d 加”瓯d c 。+ 暑c 一矿熹s 试c 喊丌如s c 行。c 2 啪， 式( 2 - 7 ) 和( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 关系表明：p w m 占空比以实际上是一个开关周期上开关函 数s 。的平均值 去。t , 。1 1 i - k ，) 丌n 蹦= 以 p 显然： 三。&2三。以+【三。(_1y2k=ab k = ab n = lk = ab 舰s i 吣畋丌) 】c o s ( 似d ( 2 1 8 ) ，c，f。c ，儿 把式( 2 1 6 ) 、式( 2 - 18 ) 代入式( 2 1 2 ) ： 0 0l 00 oo ro o 0一r0 00 一定 d od bd c 式中i 。为高频分量，在设计中可以忽略。 + e 口 吃 e c 0 + ( 2 1 9 ) 。0b0么 1旷iijijiiik，j 以，畋。以。 p 嘶p p 嘶 1 3 1 3 1 3 o 一 一 一 以 以 吐 0如0么 可iiiiiiiji儿 0 0 0 c 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 2 3 并联滤波器滤波原理分析 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响， 同时又能抑制电网和无源滤波部分产生谐振。并联a p f 在系统中相当于一个电 流受控电流源，受负载谐波电流的控制。其原理可以用以下的原理电路来解释： 2 3 i 受控电流源变换支路阻抗 如下图2 7 所示，在原支路z o 上并联一个受控电流源，由于有源单元的加 入，其支路等效阻抗为：z e2 了v2 再v 2 1 z o y 上式可以看出支路阻抗由原来的z 0 增大为导+ z 。 i j 厂i c y 图2 7 变阻抗原理 2 3 2 阻抗变换应用于a p f 的滤波原理 图2 - 3 的单相等效电路如图2 - 8 所示，不考虑电压源谐波的影响，负载可看 作一个谐波电流源，同时a p f 可以看作一个受负载谐波源f ，控制的受控电流源。 根据基尔霍夫电流定律和电压定理： = i c h + i 咖 1 乙五= ( 乙一) z o + 乙z ( 2 - 2 0 ) 东北电力大学硕士学位论文 消去屯： 图2 - 8a p f 的简化运算图 ；一( z o + z 一肱o ) 一i 丙 而当没有接入a p f 时的z 砌： 屯= 蔫= 瓦请 ( 2 - 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) 比较上式( 2 2 1 ) 、式( 2 2 2 ) 、式( 2 2 1 ) 的等效电路可以由式( 2 2 2 ) 通过变换得 到，如下图2 - 9 ： 图2 - 9 阻谐波原理图 通过以上分析可知：这种控制策略实质上等效通过控制有源电力滤波器改 善无源滤波器的谐波阻抗特性的同时，又增大了电网谐波阻抗，从而可极大提 高滤波效果，抑制了电网和l c 无源滤波器可能产生的谐振。 第2 章并联电力有源滤波器的结构特点及滤波原理分析 2 4 小结 介绍了有源滤波器的功能特点，详细叙述了电力有源滤波器的数学模型， 介绍分析电力有源滤波器和p f 的混合结构，从而选择了一种满足设计目的的拓 扑结构，并对其特点进行了分析。最后在简化电路结构的基础上分析了电力有 源滤波器滤波原理。 东北电力大学硕士学位论文 第3 章并联有源滤波器谐波检测方法研究 3 1 基于频率调制法存在问题分析 基于赫木的瞬时无功功率理论，经过学者不断的研究方法很多，主要有p q 法和f p ，f g 法，根据控制理论的干扰相消方法所形成的自适应检测法也不断完善。 但这些方法多需要提取出电网电压的正序分量或要求在电网电压不畸变且对称 条件下才有相对准确的检测结果( ，除外) 。以下文章对以上几种方法进行分 析，找出它们的优点和不足，从而提出一种不但能在负载电流畸变不对称且在 电网电压也畸变不对称时精确检测谐波电流的新方法。 3 1 1 瞬时功率理论的p q 谐波电流检测法 设电网电压： l lo = 砸uc o sw t u 6 = 4 2 uc o s ( w t 一1 2 0 。)( 3 1 ) u 。= 4 2 uc o s ( w t + 12 0 。) 负载电流： 屯= 2 【，e o s ( n w t + l 。) + 厶。c o s ( n w t + q 0 2 。) 】 毛= 2 1 1 。e o s ( n w t + q a l 。- 1 2 0 。) + 厶。e o s ( n w t + q 0 2 。+ 1 2 0 。) 】 ( 3 2 ) = i e o s ( n w t + 翰。+ 1 2 0 。) + 厶。c o s ( n w t + 0 2 。一1 2 0 。) 】 n = l 上式。、厶。中的1 、2 分别表示正序、负序，r l 表示为n 倍工频。以下k , n 表示 与上式含义相同。 则：经坐标变换得【l ，3 1 ： ( 3 - 3 ) 讲 “ m屈厢 | f 甜。 g = 陬材 第3 章并联有源滤波器谐波检测方法研究 刚嚣= 拦铡1 p = 西z = 甜。屯+ 扰口拓 把式( 3 3 ) 、式( 3 4 ) 代入式( 3 - 5 ) 式，并表示如下： 【； = 【苫】+ f 雪】 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 3 u c o s 叫f 【( 斛1 ) c o s ( ( 玎+ 1 ) u f + 奶。) + 厶。c o s ( n w t + _ p 2 。) 】+ = 3 u 1 1 ) e 。s 翰1 】+ 1 3 u s i n 喜r 。抖。，s ；n c + ，叫+ 翰靠，一厶。s i n c 力埘+ 仍。， ( 3 - 6 ) 其中：3 u 。1c o sq o l l 为基波正序有功。而3 i , lc o s q o l l 即为三相基波正序电流的有效 值，用它分别乘以c o s ( c o t ) ，c o s ( c o t 一1 2 0 9 ) ，c o s ( c o t + 1 2 0 。) 得三相基波正序有功电流， 然后用三相负载电流减基波正序电流得到三相补偿电流。 以上分析可知：为了得到基波正序有功直流而进行上述运算。由所设电压 为标准正弦正序波可知：在此种条件下，由于负序电流和电压运算的结果使负 序有功为零，在上述的直流量中无显示，因此，所计算的基波正序有功电流是 准确的。但若电源畸变，从而含有和负载电流同频率的谐波，同频率的谐波就 会形成直流量增加到3 c o s q o ，中，使检测结果含有谐波有功，进而经变换到 三相后也会使基波正序电流中含有谐波成分，所以，在电压畸变或不对称时此 种方法的检测误差较大。 3 1 2 厶厶谐波电流检测法 此方法采集电网三相电压的一相( 一般为a 相) 为参考并经锁相环( p l l ) 形成 两个旋转量c o s t o t ，s i n w t ，由图示过程计算出，经l p f 滤波得到，的直 流分量亏，亏，这里的亏，亏是由负载电流的基波正序分量产生的，因此由，亏即 东北电力大学硕十学位论文 可计算出基波正序电流，进而计算出补偿电流。 图3 - 1 谐波电流检测流程图 c x h b h c h 以上分析可知：在电压畸变的情况下，为了获得正弦波形，单相电压经锁 相环而得，不会像p q 法中电压畸变时会使检测结果含有谐波成分，但当电网电 压不对称时，为获取a 相电压的参考电压，就需要进行滤波，滤波结果对此方法 检测的精确度有很大影响，同时，在运算过程中对负载电流要进行4 次坐标变 换，计算繁琐。 3 1 3 自适应谐波电流检测法 根据自适应电流检测滤波原理图3 2 。扰。经自适应滤波、移相后得到两个正 交的参考输入量c o s u t 和s i nc o l t 。由于输出电流中含有基波、谐波分量，因而将 c o sw l f 和s i n w l t 分别与输出电流相乘后可得： 旦 i o ( t ) s i n t = s i n w l c o sc o l t + l qs i n w l t + s i n ( w l r + ) 】 ”一 ( 3 7 ) i o ( t ) c o s w i t = c o s u l c o s w i t + i qs i n ( o l t + s i n ( w l f + 眈) 】 n = 2 上式中的直流信号是由输出电流与c o s w 。t 和s i n w i t 相乘作用的效果。 总结：自适应滤波方法仍然是通过频率调制取得基波分量所形成的直流量， 再对直流量乘以正余弦旋转量的过程。无论通过何种方法取得了与u 。一致的正 余弦量( 例如过零点检测) 仍不能避免“。由于畸变所含的基波负序分量对检测结 果所造成的影响。 第3 章并联有源滤波器谐波检测方法研究 i + 芦证每卜 ：t 薮 。p ( f l 一鼍蹲母 丝，罔! ! ! 竺! 手 叫波、移相r 一 c o s q ， 图3 - 2自适应法谐波检测流程图 3 2 改进的瞬时功率法一相对独立三相对称参考相方法 3 2 1 相对独立三相对称参考相方法原理 作为总结，电网电压畸变和不对称是影响目前以频率调制法为基础计算补 偿电流的主要问题，其本质还是电网电压的谐波和基波负序的问题，本方法在 不涉及控制方法上对此问题进行探讨并给予解决。 简设电网电压畸变且不对称。 = 2 【u l ic o s ( k w t + 1 3 1 i ) + ic o s ( k w t + 1 3 2 i ) 】 = 2 【u 七c o s ( w t + 1 3 1 i 一1 2