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

a b s t ra c t a b s l l 认c r ：a tp 嘲e 峨t h ep o w 盯f h c b o ri s 锄a l la n dt l 璩p o l l 确o no f h a 肋o n i c i sv e f ys e f i o u si n “ w 盯s y 吼黜，w t l ic ：h 甜l 酏t st h eq l i 锣o fe l 洲cp ，w 盯c n e f g y i l i v i e wo f 蛳c ：ha s i t i l a t i o n t h i sd i s r t a 舡p u t sf o 堋砌aw a ym a la p p l y 钺：t i v ep o w 盯 f i l 七盯t o m 】聊1 s a i e 丽也旭矧v ep o w 凹龇dh 锄o i l i c ，谢h i c hi n l 骶a s 鹤t h ep o 、附 f h 觚 1 1 l i sd i s 锨t a l i i sap a no f 恤p m j e c to f f l e x m l e 舢t e r a t i v ec 瞰钮td i s t r i b 谢 s y s t 嘲w h i c hi sb e l 祭t os c h o o lf i n 嘣地s p c c i a ls d e n c e 衄dt e c h n o l o g yf u n d 1 1 l i sd i s s e f t a l i o ni s 矗) 嘲m es t i | d yo fp a f a l l da c t i v ep o w 盯f i l 衙矗wd i s t l b u 畸 p o w 盯8 y s t e m 删c h c a p a c i t y i slo k l v a t h i sd i s s 喇觚锄d u 嘲t l l eb 勰i ct h e o r y 觚dc o 嬲打u c t i o no f a c t i v cp o w 盯f i l t d a i v 舾t l l em a t h 蜘a a 虹c a lm o d e lo f t i l r e ep h 勰et h r w i 坞a c t i v ep o w e r 矗l t e r ，如懈o n t l 地s m d yo f h a 砌枷c 趾d 崩嘶v ep o 、榭d e 瞅村n gm e 吐k d so f 硎v ep o w 口6 l t c f 锄d p w mc o n h d lm e l l 蛔d s b yc 0 唧a r i s 州t h 也ea d v 锄t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f d i 侬籼t p w mc o l i h o lm e i l l o d s ，t h ed i s s e r t a t i o nf i 瑚1 l yc h o o st l l em o s t 觚t a b i ec o n 的im c t i 硼 t o 唧m s a t er c a c t i v ep o m 锄dh 锄n 砸ca tt h cs 锄e 缅1 c t l l ed i s s e n a 蛞蚰a d o p t s u n 蚵p o w 盯f a c c o rd e t e c t i n gm e i h o d 锄dd e t a i l e d l yb u i l d s 坞m a l l l 黜a t i c 8 lm o d do f a 圳懒n tl o 叩锄d 锄a l ls i 鄹【a lv o l t a g el o o p p 删砌a f l yt 0 锄_ a l y t h es 纽b i l i t yo f 黜l l l s i g n a lv o l t a g el o o pm o d d t h i sd i s s e f t a 6 0 na 王s od e s i 毋碍t h cp 啪c t e 档o fp a r a l l d a c t i v ep 0 啪f 矗l t 盯m a i nc i r c 咄锄dc o m b i 枷o nw i m 咖l l l a d t o0 p t i 埘t h e p a 埔m e t e 撂 af i l l ld i g m 伽岫ls y 砒锄b a s e do nd s pi sb l l i l t 研t hn i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 锄dl 量塘 k 删1 w a c i r c u i to f 觚脏v ep o w 钟丘l t c rc o m ls y s t 锄h a 、偿b 湖d 船i g n e da n dt e s t e d n l ec o n 缸d lp r o 鲫ni s 、耐t t b y 舔s 舶1 b l yi 跚g u a g e f u r i h e 咖。糟b y 懈i n gm a t l a b ， t h ed i s s e r t a t i o nb 试l d ss i m u l a t i o nm o d e lo fs i i l 百ep h 鹊e 锄【dt 1 1 r p h 鹪e1 1 1 r w i r e 枷v ep o w 盯f i n 盯s c p a r a t e l y b y 锄a l y 3 i so f t h es i m u l a d o n 玎e 蚰l to fd i f 赫脚t1 l a 册o i l i c s o u r w h i c hp v 鹤t l l a tc h o o s i n gu l l i t yp o 眦f 蜘rd e t c c 咖gm e l l l o di sc o 瞅= c ta n d f e a s i b i l i 够f i n a l l yn l i sd i s s e r t a t i o nd o 鹤m e 懿p 鲥m 饥t sw i t ht l l em e l 】h o do f u n i t yp o w 盯 f a c t o r ，s h o w sm ea 【p 谢m e mw a v ea n da n a l y s 岱t h ea 【p e 咖t l 伪_ i l l t k e y w o r d s ：r e a c t i v cp o w e r 锄dh 舢n i c ；a c v ep o w 盯f i l t e r ；u n i t yp o w 盯f a c t o c m a t h 锄a t i c a lm o d e l ：d s p c i a s s n o ：t n 7 13 符号说明 一、电压符号 “。电源a 相瞬时电压 越。电源b 相瞬时电压 “。 电源c 相瞬时电压 “。变流器a 相输出瞬时电压 印。交流器b 相输出瞬时电压 甜。变流器c 相输出瞬时电压 “。直流侧电容电压 ”。直流侧电容给定电压 甜。 a 相调制信号 【厂 电网电压有效值 层电网电压幅值 u 。三角波的幅值 二、电流符号 k 电源a 相瞬时电流 瞎 电源b 相瞬时电流 k 电源c 相瞬时电流 乙交流器a 相输入瞬时电流 乞变流器b 相输入瞬时电流 屯变流器c 相输入瞬时电流 t负载a 相瞬时电流 负载b 相瞬时电流 屯 负载c 相瞬时电流 乞 直流侧瞬时电流 。基波有功电流 。基波无功电流 负载高次谐波电流 厂负序电流有效值 j 。基波和各次谐波电流的有效值 三、功率符号 电源的有功功率 b 丞窑垣厶堂亟土堂焦论塞 其它 开关状态( 即桥臂状态) 损耗 交流侧电抗 直流侧电容 与品质因数相关的参数 截止频率 安全系数 直流侧允许的电压波动率 角频率 基波和各次谐波电流的初相角 p i 控制器的比例系数 p i 控制器的积分系数 积分饱和修正系数 四毋足f m厶盯艿国以岛t 致谢 本论文的工作是在我的导师高沁翔副教授的悉心指导下完成的，高老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来高 老师对我的关心和指导。 高老师不仅悉心指导我们完成了实验室的科研工作，而且在学习上和生活上 都给予了我很大的关心和帮助，在此向高老师表示衷心的谢意。 另外，高老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，魏路、王霞、刘建芳等同学对我论文中的有 关控制方法的理论研究和硬件调试等研究工作都给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 1 谐波问题的提出 1 1 1谐波的基本概念 1 绪论 “谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基 波频率的倍数频率振动。电气学中谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际 系统频率( 即电网额定频率) 的整数倍。1 8 2 2 年，法国数学家傅立叶( j f 伽d 盯) 指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，国 际电工( i e c ：h t 锄a t i o n a le l e c 的t c c h n i c a lc 咖i s s i ) 标准( i e c 5 5 5 - 2 。1 9 8 2 ) 定 义谐波为：谐波分量为周期量的傅立叶级数中大予1 的 次分量。( 见 i e v l 0 1 眸3 9 ) 。把谐波次数| i 定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整数( 见 i e v l 0 1 0 4 - 4 0 ) 。电气和电子工程师协会标准( i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 ) 定义谐波 为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。总结二 者，目前国际普遍定义谐波为：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。 衡量电力系统中谐波的大小必须有一个标准，通常谐波含量的表示方法有两 种“1 ，一种是各次谐波在基波中的含有率，另一种是总的谐波畸变率。 ( 1 ) 各次谐波含有率 工程上常常要求给出电压或电流畸变波形中所含有的某次谐波含有率，这样 有利于对各次谐波进行检测和采取抑制措施。 电压畸变波形的第】1 1 次谐波电压含有率等于其第| 1 次谐波电压方均根值巩与 其基波电压方均根值u 的百分比，用翩“( h a 姗o l l i cr a 曲以) 来表示： 舰玑= ( u t u ) 1 0 0 _ ( 卜1 ) 电流畸变波形的第j 1 1 次谐波电流含有率等于其第| j 1 次谐波电流方均根值j 。与 其基波电流方均根值的百分比，用月= 盯。( h 锄n i cr a t i o ，) 来表示： 瑚= ( l ) x l o o ( 卜2 ) ( 2 ) 波形总畸变率 波形畸变的程度经常用波形总畸变率n i d ( t o t a lh a n n o n i cd i s t 0 1 啦o n ) 来表 示。电压谐波总畸变率为强力。和电流谐波总畸变率珏，分别定义为： 2 】；6 吼= ( u 日u ) l o o ( 1 3 ) j b 塞銮逼太堂亟堂健监塞： 强吼= ( 如) 1 0 0 ( 卜4 ) 其一量= 历槲鼽= 历。 1 1 2 配电系统中谐波源种类 在供配电系统中的高次谐波主要产生于非线性负荷用电设备，如变流装置及 电弧炉等；在低压电网的谐波污染，主要来源是功率电子设备，如驱动器、u p s 、 焊接器、计算机，打印机等。通常设备里的半导体开关只会在基波周期的某段时 间通电，这使设备具有省电、动态特性和灵活控制等特点，从而产生较大畸变的 不连续电流，产生的电流为非正弦波形，波形的畸变即产生了谐波。向公用电网 注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。1 。 ( 1 ) 开关模式电源( s m p s ) 。现代大多数的电子设备都使用开关模式电源，其特 点是它不能从电网中汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流，此脉冲电流含 有大量的3 次及高次谐波分量。 ( 2 ) 直流调速传动装置。直流电动机的调速控制器通常采用6 脉冲桥式整流电路 直流电动机的电感是有限的，故在直流电流中有3 0 0 h z 的脉动波( 即为基波频 率的6 倍) ，这就改变了供电电流的波形，产生大量高次谐波电流。 ( 3 ) 不问断电源( u p s ) 。由u p s 供电的负荷总是电子通讯类设备，这些设备开关 电源本身是非线性的，且含有大量的低次谐波。同时，u p s 本身要经过 a d d c ，再经过d c - d c 给蓄电池充电，同样要产生高次谐波。 ( 4 ) 交流调速装置。交流调速装置包括：变频器、软启动器( 调压调速装置) 等。 一般的通用变频器都是a c d c - a c 结构，其中a c d c 部分为不可控整流经二 极管滤波，因此注入电网的电流一般为尖峰电流，含有大量的高次谐波。软 启动器( 交流调压调速装置) 是利用晶闸管移相控制改变加在电动机定子上 的电压，从而改变电动机的转速，其注入电网的电流也不是正弦波，同样含 有大量的高次谐波。 ( 5 ) 磁芯器件。在有铁芯的变压器或电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系 总是非线性的。如果电流波形是正弦波( 亦即电路中串联的电阻很大) 那么磁 场中会有高次谐波，这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是 正弦波形( 亦即串联的电阻很小) 则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则 含有高次谐波，这被认为是自由磁化过程。 ( 6 ) 电弧炉与电弧焊机。工业用的电弧炉和电弧焊机在工作时电极处于短路状态， 不但消耗大量的无功功率，同时也产生大量的高次谐波，其谐波频谱不规则， 2 几乎是间断频谱。 ( 7 ) 电子荧光灯镇流器。其优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而缺 点是工作时易产生谐波和电气噪声。目前应用的电子荧光灯镇流器是先整流 后逆变，注入电网的电流为非正弦波啪 1 1 3谐波标准 2 0 世纪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由于公用电网中的谐波电压和谐波电流 对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，所以制定谐波标准的基本原则是限 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范围内，从而保证电 网以及电网中的电气设备免受谐波干扰。 目前国际上所有的谐波标准主要分为三大类啪： ( 1 ) 对用户及系统的限制标准：m e e 5 1 9 - 1 9 9 2 ，i e c l 0 0 啦2 2 和i e c l 0 0 m 3 - 6 等： ( 2 ) 对设备的限制标准：刀b c l 0 0 m 3 - 2 ( 1 6 a 以下) ，m c l 0 0 0 - 3 4 ( 1 6 7 5 a ) 及其它新的m e e 标准； ( 3 ) 谐波的测量标准i e c l 0 0 0 4 7 。 为了保证我国的电能质量，1 9 8 4 年，我国原水利电力部根据国家经济委员会 批准的全国用电规则的规定，制定并发布了电力系统谐波管理暂行规定* ( s d l 2 6 8 4 ) “”自1 9 9 0 年以来，我国又相继发布了五项电能质量国家标准： g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏值、g b l 2 3 2 6 9 0 电能质量电压允许 波动和闪变、g b ，r 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b ，r 1 5 9 4 3 1 9 9 5 电 能质量三相电压容许不平衡度，g b 厂r 1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率容 许偏差以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求， 这些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。 1 2 谐波治理的措施 谐波治理的措施主要有三种： ( 1 ) 受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能 力； ( 2 ) 主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生 的谐波； 3 e 瘟銮道厶堂亟堂焦监塞 ( 3 ) 被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电 力系统的谐波流入负载端1 。 受端治理的措施主要有以下几种： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 选择合理的供电方式，将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网 供电： 避免电容器对谐波的放大，改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某 些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量； 提高设备抗谐波干扰能力； 改善谐波保护性能，对谐波敏感设备采用敏感的谐波保护装置。 主动治理谐波的措施主要有以下几种： 增加变流器装置的相数或脉冲数。 改变谐波源的配置或工作方式，具有谐波互补性的装置应集中，否则应适 当分散或交替使用。 采用多重化技术。 谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，将谐波 电流加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波，但 谐波发生器的功率消耗较大。 采用p w m 技术。只适用于自关断器件构成的变流器。 设计或采用高功率因数变流器。 被动治理谐波的措施主要有以下几种： ( 1 ) 采用无源滤波器p f ( p 勰s i v e f i l 衙) 。在谐波源附近或公用电网节点装设单 调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿， 运行维护也简单。 ( 2 ) 采用有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w 盯f i l t e f ) 。在谐波源附近和公用电网节 点装设并联形或串联型a _ p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并 联型还可以补偿无功，但是装置造价较高。 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器h a p f ( h 蛳da c t i v cp o w 盯f i l t c r ) 。h a p f 兼具p f 成本低廉和a p f 性能优越的优点，属于a p f 的分支和发展。 1 2 1无源滤波器 无源滤波器是目前使用最为广泛的谐波治理措旌，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支路，从而减小流向电网的谐波电流。 无源滤波器成本低、技术成熟，还可以补偿无功功率，但存在以下不足“”： 4 ) ) ) ) ) ) n o “ 伯 ( 1 ) 只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只 能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截至频率以上的谐波。 ( 2 ) 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的 阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。 l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。 ( 3 ) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如果 谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且需要根据高次谐波 次数的多少，需设置多个l c 滤波电路。 ( 4 ) 滤波性能依赖于电网参数。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，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。 ( 5 ) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。无源滤波器可能与系统阻抗发生串联或并 联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，电网供电质量下降。 ( 6 ) 随着电源侧谐波源的增加，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。 ( 7 ) 电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果 并不理想。 ( 8 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 1 2 2有源滤波器 与传统的无源滤波器一样，有源滤波器( 包括混合型有源滤波器) 也是给谐 波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻 抗为无穷大的串联网络，但是一台a p f 理论上可以拥有无穷多个谐振频率。与无 源滤波器相比，有源滤波器具有下列一些优点n 1 1 ： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响； ( 2 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果； ( 3 ) 原理上比无源滤波器更优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理： ( 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化； ( 5 ) 由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载： ( 6 ) 具有多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿； ( 7 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； ( 8 ) 可以对多个谐波源进行集中治理。 j 塞窑遵厶堂预堂位i 盆塞 1 2 3 国内外有源滤波器的现状及发展趋势 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等 工业发达国家已经得到了高度重视和日益广泛的应用。近年来，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，单机装置的容量逐步提高，从原先的 三相三线制系统逐步扩展到其它类型的电路如单相电路、三相四线制电路以及直 流输电等，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的方 向发展。目前，世界上有源电力滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、瑞 士a b b 公司、德国西门子公司等。有源电力滤波器技术在日本已经成熟，其产品 开始进入实用化阶段“”，容量范围由5 0 k 、後到6 0 m v a 。从1 9 8 3 年到1 9 9 5 年，共 有4 5 5 套有源电力滤波器投入实际使用下面就以1 9 8 3 年到1 9 9 5 年日本o ”有源 电力滤波器发展的基本情况为例，进行分析，总结一下有源电力滤波器发展的基 本趋势。 ( 1 ) 有源电力滤波器的生产台数和容量的基本统计情况 以日本为例，从1 9 9 1 年到1 9 9 5 年累计生产3 5 5 台，与1 9 8 3 年到1 9 9 1 年约7 年问共生产了近1 0 0 台相比，产量有了大幅度上升，图1 1 给出了有源电力滤波器 生产的台数与容量的基本情况。从图1 1 可以看出，2 0 0 k 以下的a p f 占7 0 左右，超过l o o o k v a 的约为7 。实际上，近l 2 年5 0 k 、r a 以下的a p f 台数显 著增加，反映了对谐波抑制重要性的认识在不断提高。 l 伽k v a 以上 图卜l1 9 9 l 1 9 9 5 年出厂的a p f 台数和容量比率 图卜2l 辨l 1 9 9 5 年不同行业使用的”f 台数比率 f i g l l r ci - 1p 盯c 蛐t a g eo f a p fc o u n ta n dc a p a b i l i t yf r o m1 9 9 lt o1 9 9 5 f i 9 1 l r el 一2p e f c 钮t a g eo f a p fc o u n ti nd i f f e f ti n d u s t r i e s 舶m1 9 9 it o1 9 9 5 ( 2 ) 有源电力滤波器的应用情况 图1 - 2 给出了有源电力滤波器在实际中不同行业的应用情况。在供水和污水处 6 理设备中有源电力滤波器的使用率最高，约占4 3 ；建筑等约占1 7 ( 3 ) 有源电力滤波器的应用类型 从实际投入的设备来看，有源电力滤波器与负载的连接，大多将并联型连接 作为一种标准方式，主电路多为电压型，在生产出的3 5 5 台设备中，仅有4 台与 负载的连接为串联型或串并联混合型。在有源电力滤波器实用化初期所选用的电 流型主回路基本上未再采用。 ( 4 ) 有源电力滤波器的其它控制功能 有源电力滤波器除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功，平衡三相电压、抑 制电压闪变等，日本生产的3 5 5 台设备中有7 6 台( 约占2 l ) 附有补偿基波无 功的功能。 i “ ( 5 ) 有源电力滤波器与l c 无源滤波器混合应用情况 从有源电力滤波器的本身工作原理来看，它完全可以补偿低次谐波，但由于 使用l c 滤波器可以使有源部分的容量大大减小。所以，采用混合使用方式的实例 逐步增加。 ( 6 ) 有源电力滤波器使用的器件 大部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为i g b t ，只有 当容量达到m w 级的大容量装置才使用g ，r o 。 我国对有源电力滤波器的研究始于8 0 年代末期，兴于9 0 年代中期。从9 0 年 代中期起，我国对有源电力滤波器的研究全面展开，包括谐波检测、拓扑研究、 系统建模、控制方法等都进行了深入的研究。中国有源电力滤波器的实际应用远 少于日美欧。从2 0 0 3 年起，中国的有源电力滤波器市场逐渐热了起来，出现了一 些系列化的产品，例如，上海追日电气有限公司生产的j c b l 系列的串联有源电力 滤波装置、z r a f 系列的并联有源电力滤波装置；上海宝钢安大电能质量有限公司 ( 教育部电能质量工程研究中心) 研发生产的p q f _ a 低压有源滤波器；深圳市波宏电 力滤波设备有限公司研发生产的b h a c f - 2 0 枷系列低压有源电力滤波器；北京新 电刨拓科技有限公司、邯郸恒山通用电气有限公司、上海现代电源设备有限公司 等公司也都自主开发了一些有源电力滤波器的产品。国内许多院校，如西安交通 大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、中南大学、清华大学、浙江大学等，对 有源电力滤波器进行了广泛的研究，有些和企业合作，开发了一些产品 但是，目前商品化的有源电力滤波器基本上都为纯有源的拓扑，成本高，售 价高，用户难于接受，并且以目前固态器件容量和开关频率的水平，采用纯有源 拓扑无法实现大容量负载的谐波补偿。长期以来，有源电力滤波器的实际应用没 有大的突破，市场反应较为冷淡。原因是一方面有源电力滤波器的价格仍然居高 不下，有源电力滤波器的效率远远低于无源滤波器导致其运行费用较高；另一方 7 j e 塞窑煎厶堂亟堂位监塞 面，对大多数用电方来讲，装设有源电力滤波器并不能带来太多的实惠，而大部 分国家的“电力谐波标准”只是推荐性标准，而非强制性标准。 随着对电能质量治理工作的深入开展，从拓扑、谐波检测、控制等方面入手， 研究性能价格比高、损耗小的新型有源电力滤波器具有很高的理论和实用价值， 有源滤波技术必将得到广泛的应用。从近些年来的研究和应用中可以看出有源电 力滤波器具有如下的发展趋势： ( 1 ) 通过采用p w m 调制和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。当有源电力滤波器的容量小于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 、硝时，通常采用g ，r 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，可以采用有源电力滤波器与i c 无源滤 波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小有源电力滤波器的容量，达到 降低成本、提高效率的目的。其中l c 无源滤波器用来消除高次谐波分量，有 源电力滤波器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，而串一并联有源电力滤波器由于其功能 强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。 1 3 本文主要研究内容 本文以校“十五，专项科技基金课题“柔性供配电系统( 配电f a c t s ，f a c d s ) ” 为研究背景，重点研究了用于配电系统的并联型有源电力滤波器，容量为1 0 k v a 。 对有源电力滤波器的工作原理、控制方法等进行了深入的理论研究，设计了有源 滤波器的硬件原理图、绘制了p c b 板，搭建了实验平台并进行了调试运行。 本文第一章绪论部分介绍了配电系统中的谐波源以及谐波治理措施。对有源 滤波器( a p f ) 和无源滤波器( p f ) 进行了优缺点对比，并详细介绍了有源滤波 器技术发展的现状以及未来发展趋势。 第二章为有源电力滤波器的工作原理与控制方法。介绍了有源滤波器的主电 路结构、工作原理，并推导了三相三线制有源电力滤波器的数学模型。重点介绍 了有源滤波器的谐波和无功电流的检测方法以及p w m 控制方式，并对不同的 p w m 控制方式进行了优缺点比较。详细建立了基于单位功率因数检测方法的有源 电力滤波器的电流坏和电压环小信号数学模型，并对电压环小信号数学模型的稳 定性进行了重点分析。最后对并联型有源电力滤波器主电路参数进行了设计，并 结合仿真对主电路的参数进行了优化选择。 第三章介绍了控制系统的硬件电路设计。结合d s p1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 适合于 p w m 控制的特点，介绍了以d s p 为控制核心的控制系统硬件框图、d s p 的外围 电路以及主要功能模块。内容包括主控芯片的选择，主控制器外围电路设计，电 压、电流检测信号电路设计，采样信号的调理电路设计，同步信号采样电路设计， i g b t 故障检测电路设计，i g 盯驱动电路设计，c a n 通信接口设计，串行通信接口 设计，以及电路的干扰和抗干扰设计等 第四章介绍了控制系统的软件设计。从有源电力滤波器的功能要求入手，给 出了软件控制系统的流程图，并对软件的程序设计做了具体说明，包括主程序、 中断程序、p w m 波形发生程序和c a n 通信程序 第五章为仿真结果和实验结果分析。通过采用m 枷。a b 仿真软件分别搭建了 单相和三相并联型有源电力滤波器系统的仿真模型，并针对不同的谐波源进行了 仿真分析，验证了基于单位功率因数检测方法的可行性。通过搭建实验平台对有 源滤波器进行了实验调试，分析了实验波形。 最后在本文的第六章得出了结论 9 直邀澶渡盏曲e 往厦堡当控制友迭 2 有源滤波器的工作原理与控制方法 2 1 有源滤波器的主电路构成形式 有源电力滤波器可以从不同的角度分类，通常可以按系统构成和主电路 形式进行分类。 按照有源滤波器的系统构成可将其分为并联型和串联型两大类。二者又 可分为多种类型。详细分类如图2 1 所示。 按照有源滤波器的主电路形式( 主要是直流侧储能元件的不同) 可分为 电压型和电流型两大类。区别如下： ( 1 ) 电压型p w m 交流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本 保持不变，可看作电压源；电流型p w m 变流器的直流侧接有大电感， 在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源。 ( 2 ) 对于电压型p w m 变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压 进行控制；对于电流型p w m 交流器，为保持直流侧电流不变，需要对 直流侧电流进行控制； ( 3 ) 电压型p w m 变流器的交流侧输出电压为p w m 波，电流型p w m 变流器 的交流侧输出电流为p w m 波。 ，一一单独使用方式 l厂与无源滤波器并联 i 并联混合型_ 广并联型一 l 与无源滤波器串联 il厂串联谐振式 li 注入回路方式 o ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 上两式构成了系统稳定性判据。因为r ( 代表损耗) 一般很小，所以式( 2 3 9 ) 很容易满足，而式( 2 - 3 8 ) 构成了电容c 、电压甜。和比例增益七，间一个重要的约 束关系。这表明：增大c 值和电压有助于增加系统稳定性，而七，和增大却降 堕珥去 o ot o鼻 o t 且偏差达到址时，t l 导通，1 r 2 关断，实际电流增加；反之t 1 关断， t 2 导通，实际电流减小。如此上、下两管反复通、断，迫使实际电流以锯齿状不 断跟踪参考电流柱的变化，并将偏差限制在2 ，范围内，从而获得较好的补偿效果 根据以上的分析，这种控制方式的特点为： ( 1 )由于理想的滞环比较器的放大系数为无穷大，理论上能在最短时间进行跟 随，电流响应很快，但电流脉动过大； ( 2 ) 不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量，但高次谐波成分较多； ( 3 ) 滞环宽度( 环宽) 2 f 对电流跟踪性能有很大的影响。滞环宽度过大，开关 频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大；反之，滞环宽度过窄，虽然跟 踪误差减小，但开关频率和开关损耗增加，受到开关器件工作频率的限制。 并且，如果环宽固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是开关器件的开 关频率是变化的，这对于电力器件的工作频率提出了过高的要求。 针对滞环比较控制方式的一些缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度 设计成可随电流t 的大小自动调节；另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方 式。前一种思路的设计很复杂，后一种方法是用一个时钟定时控制的比较器来代 替滞环比较器。每个时钟周期对电流偏差判断一次，则器件的开关频率最高不会 超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限制了器件的最高工作频率，从而 可以避免器件开关频率过高的情况发生。但该方式的不足是，补偿电流的跟随误 互邀墟越器殴佳厘堡皇趁制左法 差是不固定的，从波形上看，出现的毛刺忽大忽小。 2 5 2三角波比较控制方式 载波调制的电流控制方式是电压型p w m 逆变器中应用较多的一种电流控制方 式，其中的载波主要包括三角波、锯齿波和梯形波等。三角波比较电流控制方式 是各种载波调制电流控制方式中使用最多的一种，又称为斜坡比较方式，或次谐 波法( s l l b h a 咖o n i co rs u b o s c i l l a 廿) ，这种方法来源于开环的用于逆变器输出电压 波形控制的j f 弦脉冲宽度调制( s p w m ) ，将开环电压控制的s p w m 用于闭环的电 流控制的单相原理图如图2 1 6 ，t 为指令信号，而为逆变器反馈信号。其工作过 程为；将指令信号和逆变器输出信号之问的误差进行调节，调节器输出与三角波 进行比较来产生逆变器的开关信号，这样组成一个把指令信号和反馈信号的偏差 控制为最小的系统。这种方法也可以认为是用误差信号作为调制波的一种异步 s p w m 调制方式侧。虽然这种方法最先直接来源于用于电压控制的s p w m ，但是用 于电流控制是由于引入了电流的闭环，逆变器的反馈电流将会影响开关顺序，还 加入了电流调节器并对电流调节器进行了限幅，所以这种三角波比较电流控制与 s p w m 是完全不同的。三角波比较电流控制中当电流误差的时间变化率大于三角 波的斜率时，三角波分界线处可能产生多个过零点也会影响跟踪效果，有的文献 指出只有当指令信号的频率和反电动势性质的e m f 必须被限制在一定范围内控制 器才能达到满意的效果o “ ， 图2 一1 6 三角载波比较控制方式原理图 f i g u 2 - 1 6p l 蛐kd i a 乎锄o f 埘函l g u l 盯c 删盯m p a 矗n “m 仃o lm e l h o d 从图2 1 6 可以看出，三角波比较控制方式与其他用三角波作为载波的p w m 控 制方式不同，它不直接将指令信号t 与三角波比较，而是将t 与t 的偏差经放大 器a 之后再与三角波比较。放大器a 往往采用比例放大器或比例积分放大器。 本文采用比例积分放大器，这样组成的一个控制系统是基于把t 与的偏差 控制为最小来进行设计的。在三角波比较电流控制中，当比例系数七。太大时容易 出现跟踪不上，即不稳定现象；当比例系数七。太小时，跟踪会出现幅值和相位差； 韭立銮逼厶堂亟堂位j 盆塞 当比例系数露。取值基本合适后( 可能还会出现幅值和相位差) ，一般可以通过加大积 分系数向来改善跟踪性能。但是积分系数t 太大容易影响动态性能，因此比例系 数和积分系数要配合起来调节。 三角波比较控制方式简单易行，可预先确定主电路器件的开关频率，调整也 十分方便。在用数字控制技术产生p w m 脉冲或采用等面积原理进行脉宽调制时， 三角载波实际上是不存在的，完全由软件代替了，这样既可减少硬件投资又能提 高系统的可靠性。 2 5 3两种方式的比较 三角波比较控制方式和滞环比较控制方式是电压源逆变器电流控制的两种主 要方式。利用三角波比较控制方式可以获得恒定的开关频率，装置安全性较高， 但响应速度受闭环稳定性要求影响，即便是在稳态也可能会出现滞后误差。滞环 比较控制方式可以获得较好的控制性能，精度较高且响应快，但开关频率可能波 动很大。 滞环比较控制方式的特点总结如下“1 ： ( 1 ) 硬件电路简单； ( 2 ) 属于实时控制方式，电流响应很快； ( 3 ) 不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量； ( 4 ) 属于闭环控制方式，这是跟踪型p w m 控制方式的共同特点； ( 5 ) 若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件 的开关频率是变化的。 与滞环比较控制方式相比，三角波比较控制方式有如下特点： ( 1 ) 硬件较为复杂； ( 2 ) 跟随误差较大； ( 3 )输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波； ( 4 ) 放大器的增益有限，增益一般可以通过改变三角波的幅值、电流误差的放 大倍数或改变直流母线电压等方式来调整； ( 5 ) 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率，但输入电流和给定信号可 能存在一个周期性的幅值和相位误差，这种误差可以通过增加控制器的增 益或加补偿进行克服； ( 6 ) 具有较好的动态响应，但是其动态响应速度比滞环电流控制稍慢。 由上述可见，滞环比较控制方式和三角波比较控制方式各有优缺点，不能孤 立地说孰优孰劣，实际应用时可以根据系统要求选择。日本电气学会的调查结果 直遂遽渡墨艘佳厦堡皇控制左选 表明，两种方法在实际应用中大体上各占一半，基本相当。 三角波比较控制方式的主要谐波频率是在开关频率及其倍数频附近位置，而 滞环控制方式的谐振频率比较分散，使得滤波电感的设计有一定的困难。考虑到 本文中的补偿装置，选用三角波比较控制方式。 2 6 有源滤波器主电路参数的选择 2 6 1直流侧电压大小以及电容容量的选择 有源电力滤波器直流侧电压大小的选择主要考虑两个方面，即开关器件的耐 压水平和有源电力滤波器的补偿能力。由于开关器件的耐压水平是离散而非连续 的，因此考虑直流侧电压大小时应结合器件耐压水平一起考虑，使器件耐压水平 得到充分的利用。其次应根据有源电力滤波器的补偿能力选择直流电压的大小， 直流电压越高有源电力滤波器的补偿能力越强 e 直流侧电容容量在允许的范围内当然越大越好，但电容过大会增加装置的成 本。直流侧电容容量的选择主要是抑制直流电容电压的过大波动。 本系统采用三相交流电源( 3 8 0 v ，5 0 h z ) 供电，直流侧平均电压值应符合以 下条件： 【，。= 3 8 0 2 1 1 = 7 0 9 矿 ( 2 4 4 ) 其中= 1 2 ，考虑交流电压波动系数。 9 直流电容c 的作用主要是提供稳定的直流电压源。负序电流和高次谐波电流在 直流电容侧造成的能量脉动，以及由于逆变器开关元件在工作中产生的损耗造成 的能量脉动，都需要直流电容来缓冲。补偿负序电流时，直流电容储存的电能波 动最为明显，因此主要考虑负序电流造成的能量脉动 直流侧电容的计算公式例如下： c ：j 塑0 ( 2 4 5 ) 2 ( ，2 女艿 式中厂为负序电流有效值；峨为系统基波角频率；艿为直流侧允许的电压波 动率。考虑负序电流为额定电流( 1 5 a ) 的5 0 ，直流电压允许脉动4 ，直流侧电 压【乙= 7 0 0 y ，代入式( 2 4 5 ) 计算得c = 6 9 钾 则取c = l o o o j 旷，电容的额定电压取为4 5 0 v 。单个电容不能满足要求，采用 四个电容2 并2 串。 些夏窑道厶堂亟堂焦逾塞 2 6 2开关器件的选择 有源电力滤波器变流器开关器件的选择主要分三步：首先，应根据装置的容 量和直流侧电压的大小选择器件的耐压水平和最大工作电流。其次。根据补偿谐 波频率的高低来选择器件的工作频率。最后，应根据器件的耐压水平、电流水平、 开关频率及散热要求，综合考虑主电路的成本，选择合适的开关器件。在有源电 力滤波器中主要采用的开关器件为m 0 s f e t 、i g b t 和g 1 r o 。对于中小容量的有 源滤波器，变流器可以选用m o s f e t 或i g b t 作为开关器件，采用较高的开关频 率；对于大容量的有源滤波器，可以选用g ，r o 作为开关器件。 在本系统中，主开关器件i g b t 的额定电流为，； ，。2 x 1 5 1 4 厶 ( 2 4 6 ) 其中：1 5 为过载系数； 1 4 为l 温度系数( 考虑温度升高因素) ； 厶为逆变器输出电流，可由式( 2 5 2 ) 求出 厶= s ( 3 ) = 1 0 1 0 3 “3 x 3 8 0 ) = 1 5 2 彳 ( 2 4 7 ) 其中：s 为有源滤波器容量；圪为逆变器输出电压。 将式( 2 4 7 ) 代入式( 2 4 6 ) 中，可得 l2 2 1 5 1 4 厶= 4 5 1 彳 主开关器件i g b t 的额定电压可按下式计算： f 7 盔( ( 么1 2 + 1 5 0 口= 1 0 8 9 矿 ( 2 4 8 ) 其中：【k 为直流母线电压( 7 0 0 v ) ； 1 2 为过压保护系数( 1 2 0 ) ； 1 5 0 为尖峰电压： 口为安全系数( 正常口= 1 1 ) 根据市场已有规格，选取德国西门康i g b t 模块s k m l 0 0 g b l 2 3 d ( 1 0 0 a 1 2 0 0 v ) 作为系统的主开关器件。 主电路采用硬开关技术，为降低主电路的开关损耗，所以主电路的开关频率 不能选取过高，主电路的开关频率后= l o 圈如。 2 6 3高通滤波器( m f ) 的设计 在有源滤波器主电路电力半导体器件高频通断的过程中，会产生其工作频率 附