（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp控制的串联混合有源电力滤波器的研究.pdf

浙敞大学硕士掌位论文 a b s t r a c t t h ea o t i v ep o w e rf i l 七e r ( a p f ) i so n eo ft h em o s ti 瑶d o r t a n t 疆e a n s t oe l i m i n a t eh a r m o n i c s ，e s p e c i a l l yt h es e r i e sh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( s 凇p f ) 是a sg r e 8 ts u p e r i o r i t yi ne o 强p e n s a t i n gh a r 嫩o n i ed i s t o r t i o na n d i m p r o v i n gp o w e rq u a l i t y i nt h i st h e s i sa ni m p r o v e ds h a p fi ss t u d i e d b a s i n go nt h e o r e t i ea n a l y s i s ， s i l l l u l a t i o n ， a n de x d e r i m e n t s ， i nc h a p t e ro n es e v e r a lb a s ct y p e so fa p f s ，f r o mw h i o ba l lo t h e r a p f sa r ed e d u e e d ，a n dt w oh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sa r e d is c u s s e d i nc h a p t e rt w o ，t h et r a d i t i o n a ls h a p fa n da ni m p r o v e ds h a p fa i m i n g a te n h a n c i n gt h ec o m p e n s a t i o nc h a r a e t e r i s t i e sa n dr e d u e i n gt h ea p fp o 宵e r r a t i n g ， a r ei n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e di nt e r m so ft h e i rs t r u c t u r e s ， p r i n e i p l e s ， a n de o m p e n s a t i o no 魏a r a e t e r i s t i e s 。 i nc h a p t e rt h r e e ， t h ei m p a c to ft h ep a s s i v ep o w e rf i l t e r( p p f ) c h a r a e t e r i s t i e so 鞋t h 8p e f o r 蕊a n o eo t h es 珏矗p fi s a n 鑫l y z e d 。 t h e r o q u i r e m e n t so ft h es y 8 t e mt ot h em a i ne l e e t r i c a lp a r a m e t e r so ft h ep p f ， s 娃c ha st h ei n h e r e n tr e s o n a n tf r e q u e n c y ， h 8 l i t yf a e t 。r ，p o w e rr a t i n g ， a n dt h ev o l t a g es t r e s se t c ，a r ed i s c u s s e d a n di nt e r m so ft h em i n i m a l p o w e rr a t i n gr e q u i r e 灌e n tt ot h ea e t i v ep e 孵e rf i l t e ri nt h es y s t e mt h e p p fi sp r o p e r i yd e s i g n o d i n h a p t e rf o u r ，t b ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ec o n t r o l l e r ，d e t e c 屯i o n c i r c u i t ， 氛n dt h op r o t e c tc i r c u i tb a s e do nd s pi sp r e s e n t e d t w om a i n f a c t o r s ，w h i c hg i v ei n f l u e n c eo nt h e p e r f o r i i a n c eo ft h eh a r m o n i c s e x t r a e t i o n ， t h es t e a d y s t a t ep r e c i s i o na n dt b ed y n 8 m i cp e r f o r m a n c eo f t h e1 0 wp a s sf i l t e ra n dt h er e a l t i m ec h a r a c t e ra n dt h ev e r a c i t yo fb o t h t h ea e r o s sz e r os y n c h r 。n i z 8 t i o ns i g n a la n dt b ep e r i 。ds a 菇l p l i n gd r i v i n g s i g n a la r oa n a l y z e di nd e t a i l 王ne h 轾p t e rf i v et h em 8 i np 8 r 鞠e t e r s 。ft b ee x p e r i 勰e n t a l1 ) r o t 。t y p e ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d 羊h e o n e i u s i o 娃s 鑫拜d t 畦r ew o r k sa f eg i v e ni ne h a 专e rs i x 。 x e y 购r d s ：挺a r 【l l 。n i c s ：s e r i e s 珏y 毡r i da e t i v ep 。w e rf il 专e r ：p a s s i v ep o w e r f i l t e r ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc o n t r 0 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 二世纪初以来，随着电力电子学步入历史舞台，电力电子装置得到日益广 泛的应用，电能得到更加广泛的利用，电能的利用率也得以提高。但是电力电 子设备自身多具有非线性特性，因而为电网系统引入了大量的谐波和无功，对 电能的传输利用、用电设备的正常工作造成极其严重的危害。因此伴随着电力 电子设备的应用发展，谐波治理问题也逐渐引起学术界和工业界的，“泛关注。 为此，各国学者提出了各种各样的方法，如无源l c 滤波、电路的多重化、有 源滤波等。 其中最受推崇也是目前较实用的是有源滤波技术，各国学者对有源滤波的 相关技术进行了深入的研究。 1 1 谐波问题及其危害 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起人们了的注意。 到辽5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，有关变流器引起电力 系统谐波问题引起人们的重视。随着电力电子装置应用的日渐广泛及容量的大 幅度提高，谐波的危害也日益严重，不少国家和组织制定了限制电力系统谐波 和用电设备谐波的标准和规定，如国际电气电子工程师协会制定的标准 i e e e 一5 1 9 ，我国的国家技术监督局也于1 9 9 3 年颁布公用电网电力谐波的国家标 准。 谐波的危害基本上可归结为以下几个方面： 1 谐波对电网的影响 首先，谐波电流使电网的线损增大。传输线本身有一定的阻抗，因此谐波 电流在电网中的流动必然会消耗有功能量，是线路损耗的一部分。谐波电流相 对于基波电流来说虽然不大，但是谐波的频率高，导线的肌肤效应使谐波电阻 比基波电阻大得多，因此线路损耗必然也增大。 其次，谐波电流的存在使输电线路的传输能力下降。谐波电流使线路上的 压降和损耗增大，以及谐波引起的无功，都使输电线的传输能力下降，降低了 发电设备及输电设备的效率。 另外，谐波也使电网的可靠性下降。在电力系统中为了补偿系统的基波无 功提高功率因数，常在负载出并联补偿电容器。在工频下，电容器的容抗比系 统感抗大得多，但是对谐波而言，容抗减小感抗增大，因此有可能发生谐振， 这这种谐波会使谐波电流放大到几倍甚至几十倍，对系统合电容器造成损害， 严重时会使其烧毁。 2 谐波对用电设备的危害 谐波的存在使得电网中的无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加， 浙江大学硕士学位论文 这些无功功率在能量循环环中产生损耗，从而使用电设备的容量增加。 3 谐波对计算机通信系统、自动控制设备的干扰 谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，干扰严重时会引起 信号的丢失。谐波也会造成自动控制系统的误动作。 1 2 谐波抑制 目前常用的解决谐波问题的方法主要有两种：一种是主动式，从电力电子 装置本身来解决，即采用高功率因数的变流器，使其不产生谐波，且功率因数 为1 ，如多重化整流技术、p w m ( p u l s ew 诎hm o d u l a t i o n ) 整流技术、功率因 数校正技术，但是该方法只能用于作为主要谐波源的电力电子装置，而且其功 率等级也受到控制和器件水平的限制；另一种方法是装设谐波补偿装置，这对 任何谐波源都适用。现在广泛研究和应用的主要是无源滤波技术和有源滤波技 术。 1 2 1 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 无源滤波技术是传统的谐波抑制方法，即采用l c 滤波器实现。该装置由 电容器、电抗器和电感器适当组合而成，与谐波电流源并联，为谐波提供低阻 通路，避免谐波电流注入电网，还可以起到无功补偿的作用。l c 滤波器结构简 单、设备投资少、运行和维护费用低。但是无源l c 滤波器也有严重的缺陷： 1 只能补偿固定次数的谐波，滤波性能受电网频率偏移和滤波器元件参数 偏差的影响； 2 可能电网系统阻抗发生串联谐振； 3 可能和系统阻抗发生并联谐振导致谐波放大； 4 受系统运行方式的影响，当系统运行方式改变时，p p f 的稳定工作受到 影响； 5 当多组p p f 并网运行时，如果参数配合不合理会导致无源滤波器组之间 发生谐振； 6 对电网的谐波电压敏感。 1 2 2 有源电力滤波器陋c t i v ep o w e rf i l t e r ) 鉴于无源滤波器的诸多缺陷，性能良好的有源电力滤器( a p f ) 成为谐波抑 制的一个重要趋势。有源电力滤波器的思想在六七十年代就已经形成，随着八 十年代大中功率全控性器件的成熟和瞬时无功理论的提出，有源电力滤波器才 得以迅速发展。 有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测 出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而方向相反的补偿电 流，从而使电网电流只含基波分量，达到谐波抑制的目的。该装置可以对频率 和幅值都变化的电流进行动态补偿，且不受系统阻抗的影响，因而受到广泛的 浙溅大学硕士学位论文 关注。 1 2 。2 。l 露源毫力滤波器豹势类 有源电力滤波嚣的分类方式很多，从变流器直流侧储能元件角度看，可以 分为电压型和电流型两种；从与补偿对象的连接方式看可以分为并联型期串联 型；从服务对象来看又可分为单樱、三相三线萋礴三相蹬线三耪类型。 1 2 0 2 按直流德德熬嚣释分类 有源电力滤波器的主电路一般由p w m 逆变器构成。檄据逆变器直流侧储能 元件的不同，可分为电压型有源滤波器( 储能元件为电容) 和电流型有源滤波器( 储 妻元 孛为奄感，。篷艨器! 寿源滤波器在工馋时嚣瓣囊流弱电容魄压控裁，绞嶷滚熨 电压维持不变，因而递交器交流侧输出为p w m 电压波。 耐电流型有源滤波器在 工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流 侧输出为p w m 电流波。电压型帮源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是量前 餮悫夕 绝丈多数毒深滤波器采瑟貉主电路结构。电滚鍪有潆滤波器蠢予嘏流铡电 感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。 但是，随着超导储能技术的发展，电流型有源滤波器以其自身的优势会在很多场 合褥到照怒。 ( a ) 毫压鍪鸯源滤波嚣( b ) 宅滚受鸯源滤波器 图1 1 电篷烈和电流型有源滤电力波器 1 2 2 3 按滤波器拓与呶网连接方式分类 按a p f 与电网的连接方式可分为并联型a p f ，串联型a p f ，串联溜会型 a p f 帮并联混合鍪a 鞭。 图1 2 为并联型育源滤波器的基本结构。它主臻适用于电流源型非线性负载的 谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。e 前并联型前源滤 波器在技术上已较残熬，它逛是当裁蔽是最为广泛麴一耱青源滚波器拓羚结德。瞧 是该拓手 要求交流器露较大的容量。 图1 3 为串联型商源滤波器的藻本结构。它通过一个耦含变压器将有源滤 波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，不平衡或调熬受载的端电服。 与著联蘩蠢源滤波器稳琵，辜联登露滚滤液器镄耗较大，且麓秘搽护窀鼹纛较 复杂，闽此，很少研究单独使用的串联型有源滤波器，而大多数将它作为混合 濒在丈学承圭攀经论文 型有源滤波器的一部分予以研究。图1 。4 是并联混合有源电力滤波器的基本结 构。该拓扑可以孵决独立的并联有源滤波器容量过大的问题，其基本思想是l c 滤波器来分撵露滚滤波器豹鄢分芬楼甓势。英襞轰在予结穗篱单、鬓实瑷藏零 低、补偿性能好，缺点是控制复杂，控制无源和有源滤波器的补偿任务较困难， 对电网谐波敏感等。 图l 。5 是率联混合型有源滤波器鹣基本缝搀。它慰在串联型有激滤波器的 蒸磷上侵孺一蹙大容量的无游l c 滤波瓣络来承担消除低次谐波、避行无功补 偿的任务。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源l c 网络与线 路阻抗产生谐搬的任务。从黼使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减 少( 基蓑是一移攮雩荨接荐熬方鬃。夔蓑宅力邀子嚣释犍熊豹不甄提赢，溅本不叛 下降功率容量可减少到负载容量的5 阱下) ，降低了有源滤波器的成本和体积。 从经济角度而裔，这种结构形式的混合型肖源滤波器可能被下面一种性能价格 比更赢的有源滤波器代替。 强l - 2 荠联有源电力滤波器器 p ”1 有源滤牧嚣 l 脚il 圭掣l i 上 图1 3 串联有源电力滤波器 滔1 4 著联溪合奏溪电力滤波爨爨圈l 。5 串联浚合寿漯电力滤波器 图1 6 统一毫毵藤篷调节器 謦卤 面母| |撼 署| | 面母一 三萨 多 浙江大学硕士学位论文 霞l ，6 是率一著袋凝有源滤波器斡缮本结构。它缀合了事联有源滤波器和 并联有源滤波器的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质燃问题，又称之 秀万能蠢漂滤波疆或统一窀鼹覆霪调节器露拄i 蠡。莲p o w e rq 醢a l 毋e o n d i t i o 矬目， 该类有源滤波器的主要问题是控制复杂、造价较高。 事实上，爨子洚低滤波器容羹稻提舞滤波羧能兹考虑，一魏学考又挺毒了 许多衍生的拓扑结构，文献【5 】共提出分析了2 2 种拓扑，但其撼本思路都是无 滋靼有源滤渡嚣戆不嚣缀合。 1 3 谐波电流检测方法 有淫电力滤波器系绞主要电薄大部分组成，即指令邀滚捡测电路翻 缮电 流( 电聪) 发生电路。厝者主嚣驱动电路和主电路承担，前者的主要核心是检 测出电源电流中震要於偿的谐波秘无功电流。隧着有源滤波技术的发鼹，各国 学者提出了多种谐波电流检测的理论和方法。 较举采用的电流检测方法越用模拟滤波器袋实现的，即通邀陷波器将基波 电流分离出来，得至i 谐波分量。该方法的缺点鼹误差大、对电黼频率漂移帮电 路元件的参数十分敏感。 采蠲傅里时缀数对菲正弦逡续静时阔周麓添数进行变换是谐波分氍簸基本 和常用的方法。这种方法的缺点是需要定的时间采样并且要进行两次变换， 计算量大、实雾雩往不簿，因照该方法大多瘸予港渡的离线分橱，难豉蠲子有源 电力滤波器所要求的实时检测。该方法早期曾在有源电力滤波器中用过，8 0 年 代舞对秃功功率理论窭璇惹己不再采弱。 为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学糟赤木泰文等人提出了瞬时无功 功率毽谂。臣该瑾谂烫蒸磴，霹以褥窭翅予畜源电力滤波器豹谐波秘无功电流 的实时检测方法p q 法和d q 法，对于谐波和无功补偿袋攫的研究和开鬏起了极 大豹撼动痒爱。 三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三捆三线制系统并取得了良 好的於偿效果，在国夕 露源电力滤波器已被广泛使用。有源电力滤波嚣翡应用 领域已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 四线铡电路以及童流输电等更为广泛的领域。 虽然很多学者提出了许多d q 检测方法的改进方法以及新的检测方法，但最 实用的仍然是基于瞬时派功理论的d q 梭测法。以下对p q 和d q 法作简肇介绍。 1 3 1 p q 检测法 谐波和无功电流的p q 检测法以瞬时无功理论为熬础，其原理和逡算流程 粥舀1 7 瑟示。 濑辽大学硕士学链论文 图1 7p 、q 检测法原理框图 该方法棂豢瓣辩无功理论戆定义计舞滋瓣粒功率、，经低遁滤波嚣霉到 其中的直流分鬣多、毒。在电网电压波形无畸变时，西为基波有功电流与电压 作用所产生的熬波有功功率，两主则由基波无功电流与电压所作用形成豹基波 无功功率，因此研以由多、圣经过反交换梭测出电源电流中的基波分嫩0 、0 、 i c r 窿 l 二l1 = 1 2 3 + c ，口一1 l ；j2 吉c 乞3 8 1 p a 其中c 2 3 、c p 分剐为 耻辱 印( ：；纠 朝 m 。， ( 1 。2 ) 另外c ：，= g ：r ，q ，= 吉c 胛。该方法除了可以检测谐波电流。还可 良皴溅基波无功电滚移基波蠢功毫流。在式( 1 一1 ) 中令曩翘，可褥列基波有功 电流；令五2 0 ，则可以得到濑波无功电流。因此在图1 7 中，如果断开q 通道， 则可以得到谐波电流和基波无功电流。 蓬法只笺建予三据三线豢l 电瘗，在逛瓣邀基无跨交激鼍鞋准确谤冀窭 鹫渡 电流，但是在电嘲电压有畸变时，这种方法检测出的缩祭存在误差。 。一：万一： 一 一 。：万一： 1 0 浙江大学硕士学位论文 1 3 2d q 检测法 该方法以d q 变换为基础，d q 变换的原理是：根据傅立叶变换，一个周期性 的电流( 电压) 可以分解为直流分量、基波分量和高次谐波分量。由对称分量 法可知，单一频率的三相电流( 电压) 可以分解为零序分量、正序分量和负序 分量，其中正序分量和负序分量可以合成为两个旋转速度相同但方向相反的旋 转矢量。d q 变换就是将三相交流电流( 电压) 变换到以电网基波频率为转速的 逆时针旋转坐标系中，此时，与该旋转坐标系同速同向的基波正序分量在该坐 标系下成了静止的量一直流量，从而可以分离出来。其变换其原理和计算流程 如图1 8 所示。其中矩阵c ”、c ，。同式( 1 2 ) ，矩阵c = c 。为 图1 8d q 检测法的原理图 该方法需要用到与电网a 相电压同相位的正弦信号s i n ( 。t ) ，和相应的余 弦信号c o s ( u t ) ，该信号可以由锁相环p l l 和正余弦信号发生电路得到。计 算流程是首先经过三相到两相的合成变换得到、七，t 、名包含了正序分量 和负序分量但不包含零序分量。、毛再经两相静止坐标系到两相旋转坐标系 的变换，得到、，、中的直流分量、毛对应于三相电流中的基波正序 分量，而交流分量己、己对应于基波负序分量和谐波分量。经过低通滤波器 ( l p f ) 可以提取出对应于三相电流中基波正序有功分量的和对应于基波正 序无功电流分量的0 ，再将该直流量进行d q 反变换得到基波正序电流磊、i 、 i ，进而与电源电流相减得到谐波电流。 0 、，ll， ) f f 出 国 l，l 吣m c s - 、j f 引 ( s n 0“c ，。l = c 浙江大学硕士学位论文 同p q 法一样，d q 法也可以检测无功电流、负序电流、n 次谐波电流。只要 对0 单独进行d q 反变换即可得到基波正序无功电流，如果断开图1 8 中的t ，通 道，就可以得到谐波电流和无功电流。 对矩阵c 稍作修改即可得到提取基波负序电流的方法：将正序旋转变换矩 阵c 的旋转方向由逆时针改为顺时针方向，即可检测负序基波电流。其变换矩 阵c 为 c _ = c ，采用新矩阵e 、c - 。对电流进行d q 变换和逆变换即可得到基波 负序电流。 同样对矩阵c 稍作修改也可以检测出任意次( 3 的倍数次谐波除外) 谐波 电流。即与a 相电网电压同步的正余弦信号，经n 倍频后的得到正余弦信号s i n ( n t ) 、c o s ( n 【i ) t ) ，组成新的矩阵c c 。= ( 一尝嬲，：拳别 m s ， q = q ，则n 次谐波电流的检测方法如图1 9 所示 图1 9n 次谐波电流检测原理图 该算法不受电网电压畸变的影响，只需要得到和a 相电网电压同步的正余 弦信号即可准确检测出谐波电流。 1 3 - 3 两种检测方法的比较 上文介绍了有源电力滤波器常用的两种谐波提取方法，以下对这两种方法作 简单的比较： 1 d q 法和p q 法都是基于瞬时无功理论，实时性好，没有相位误差但由于 要用到低通滤波器，因此存在一定的延时； 2 两种方法都可以检测谐波电流、无功电流。d q 法还可以单独检测负序 4 、lll 、，、， f f 甜 l，l 口 c s ，幻们洄 ，s n 0虹c - ， = c 浙江大学硕士学位论文 电流和n 次谐波电流； 3 p q 法要用到三相电网电压的幅值和相位，因此当电压有畸变或不对称 时检测结果有误差，而d q 法只需用到电网电压的相位，不受电压畸变 和不对称的影响； 4 这两种方法在三相到两相的变换中都要求三相电流的和为零，即不能检 测零序电流，因此都不适合在三相四线制系统中应用，如需要则可以稍 加处理即可：但是在不对称的三相三线制系统，得到的谐波电流包含基 波负序分量，如果需要对负序电流单独处理，则要需要用双d q 变换【3 3 ； 5 这两种方法都既可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现，用模拟电 路提取谐波p q 法要用到1 0 个乘法器、2 个除法器，而d q 法只要8 个 乘法器。 因此，d q 检测法的应用范围更广泛。 1 4 有源滤波器的发展方向 有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在以下几个方面： 1 4 1 谐波理论的进一步研究 为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功 功率理论。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流 的实时检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。 但这一理论也存在一些缺点，一些量的物理概念比较模糊，在解决一些传统概 念和问题时遇到困难。所以如何建立更为完善的功率定义和理论为大家所接受， 还需做出更多努力。 1 4 2 进一步降低有源装置的容量 有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力 滤波器只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小 相等而方向相反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负 载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功，则装置 容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的程度共同决定。 由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投 资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有源电力 滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流， 用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。还 有学者提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源滤波器 的容量，但尚未进入实用阶段。 1 4 3 控制系统的简化和数字化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流， 濒江大学醺士攀位论文 要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前完成这部分工 作的主要方法怒基于瞬时无功功率理论的备种检测计簿电路。实现时多为模拟 堍鼹，萁电黪鞍为繁袋、缝筏较为复杂。诲多学者一纛杰寻投魄较繁擎款方法 采完成这部分工作。另外，随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的瞄趋完善， 采用数字化方法米实现这部分工作的研究也在积极进行。 其中有凡转适鼹予a p f 的控制方法及其傀缺点如下： 1 基于电垂矢餐的滞环控铡( s v m 蠼e q 可以在保持较高的控制精度的情况下，有效地降低开关频率，减小a p f 的 开关损耗。 2 + 稼分复应按魏( 承c ) 可在一个周期内消除稔态误差，瞬态误差，具有反成快，抗电源干扰，控 制电路简单等优点，是一种很有前途的控制方法。 3 。薄模变结构控制( s m v s e ) 对系统变纯帮乡 部予我不敏感簧薅羧貌好。 4 无差拍控制( d b c ) 是一种动懑向应快，易于计算机执行的全数字控制技术。 s 。载波翅移s p w m 按零 实质是多激亿和p w m 技术的有机络合，能够在 氐开关频率下实现大功率， 可显著减少输出谐波，改善输出波形，减小滤波器的镩量。 1 4 。4 补偿装置的多功能化 骞瀛宅力滤波器本鸯狳耱餐褛潼波努，在接翻毫鼹主麓敬袭造逐胃戳实魂 补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡、中线电流的抑制等功能。有关这 部分的研究也引起许多学者的关注并取得了许多研究成果。电流型补偿可分为 电流谐波於偿、无功功率辛 髅、三楣负载乎餐和中线惫滤麴意l 等。这些静偿可 以单独进行，诡可以同时遴行。对于谐波电流补偿， 并联有源电力滤波器是一 个理想的选择。而无功功率补偿要分情况而定，对可调负载采用并联有源电力 滤波器，对固定负载采用交流电容器。在三相三线或三相四线系统中负载的平 撩邋霉是盎荠联墼鸯滚电力滤波嚣寒竟或汝。 电压补偿可分为电压谐波章 偿、电压调节、平衡电聪、减小电压波动、消除 电压倾斜和下陷等。通常采用串联型有源电力滤波器进行电压补偿。目前，有 源邀力滤波器墩可用于短时间内修正电题的瞬时倾斜帮下陷。有许多装置都需 鬣窀压释电浚辫联合静馁。对魏，理怒的逡择是事联滋有源电力滤波器与并联 烈有源电力滤波器混合使用。此外，这样的混合使用( 称为统一电能质量调节) 也适合于单独的电流或电压补偿。表l 。1 是特殊应用鼹求的有源电力滤波器的 选择。 浙江大学硕士学位论文 表1 1 有特殊应用要求的有源电力滤波器的选择 有源电力滤波器的结构形式 名称补偿目的并联a p f串联a p f混合型a p f统一电能质量调节器 1 抑制谐波电流 + 2 补偿无功功率 3 负载平衡 女 4 抑制中线电流 十 5 抑制电压谐波 女 6 电压调节 $女 7 电压平衡 8抑制电压波动 9 抑制电压倾斜 女 和下陷 1 01 + 2 1 11 + 2 + 3 1 21 + 2 + 3 + 4 1 3 5 + 6 1 45 + 6 + 8 + 9 1 5l + 5 女 1 61 + 2 + 5 + 6 1 76 + 7 1 82 + 3 1 92 + 3 + 4 2 01 + 2 + 7 + 注：“一越多表示该种有源滤波器越实用。 1 5 本文选题的意义 针对前述对有源电力滤波器发展和应用现状的分柝，本文从提高滤波性能 及降低有源装置容量出发，研究了一种改进型串联混合有源电力滤波器拓扑， 并完成一台1 0 k 、，a 的样机进行实验验证。在滤波器的控制上，采用基于数字信 号处理器( d s p ) 控制的数字方法实现，使控制电路更加简单和灵活。 1 6 小结 本章简述了电力系统谐波问题及其治理方法、有源滤波器的分类方法，分 析了谐波提取的方法，并在阐述有源滤波器发展方向的基础上提出了本文选题 的目的和意义。 浙江大学硕士学位论文 第二章串联混合有源滤波器的原理及滤波特性分析 本章首先介绍了两种串联混合有源电力滤波器( s e r i e sh 如r i da c t i v ep o w e r f i l t e r ) 的拓扑结构，然后阐述了传统串联混合有源滤波器的原理和改进型拓扑 的原理，并分析了本文设计的改进型有源滤波器s h a p f 的滤波特性。 2 1 串联混合有源电力滤波器的工作原理 在此首先分析传统串联混合有源滤波器( s h a p f ) 的原理，然后对样机所 采用的改进型拓扑进行分析。 串联有源滤坡嚣 图2 1 传统串联混合有源电力滤波器的主电路图 2 1 1 传统串联混合有源电力滤波器的原理 图2 1 是传统串联混合有源电力滤波器的拓扑结构，无源l c 滤波器组 ( p p f s ) 与作为谐波源的非线性负载并联，有源电力滤波器则通过三相耦合变 压器串接在负载和电源之间。其原理是控制电路实时检测出电源电流中的谐 波分量f 。，作为指令信号，控制电压源逆变器输出与该指令电流成比例的谐波 电压“。= 七一叫通过耦合变压器串入电源和负载之间，以平衡公共连接点的谐 波电压，达到净化电源电流的目的。 图2 2 是传统s i a p f 单相原理及等效电路图，其中“，是有源装置输出的补 偿电压，z ，是耦合变压器的基波阻抗( 主要是漏抗) ，z ，是无源滤波器组等效 阻抗，谐波源等效为电流源。无源滤波器起主要的滤波作用，而有源装置( a p f ) 输出的补偿电压“，实际上是一个受电网谐波电流控制的电流控制电压源( 控制 系数为k ) 。因此有源装置对基波来说补偿电压为零，而对谐波来讲则相当于串 入谐波电阻k ，也即等效于增加系统的谐波阻抗，迫使谐波电流流入无源滤波 瀵汪大学磺圭学毽谴文 器提供的低阻通路，使电源电流接近正弦。根据串联a p f 的补偿原理得输出补 偿电压 魏。= 素i s 矗 ( 2 1 ) ( 8 ) 擎鞠嚣褒圈 ( b ) 谐波等效电路( c ) 基波等效电路 图2 2 传统串联混合商源电力滤波器单相等效电路 由谐波等效电路可得电鄹电流中的谐波分量主要幽嚣部分组成，是由负 藏谐波毫滚萼陡；，另一部分怒由电阏毫聪鼹 骛渡势囊程回路中产生豹谐波电流。 根据图2 2 ( b ) 谐波簿效电路及式( 2 - 1 ) 可得电网谐波电流为 2 釉2j ：靠屯a j ：嚣2 2 )2i i 瓦屯一百专墓忑 旺之 从上式可知，有源滤波器( a p f ) 弓l 入的等效串联电阻，既减小了谐波电 流源对电网之路的分流，间时也减小了电源谐波电压在系统中产擞的谐波电流。 一般认为电源邀基兹畸变锻，l 、，霹以不考虑其影酶，爨藏只要满怼 膏| z s + z f i ( 2 3 ) 即可得到电阚谐波电溅氐“o ，使熊载电流几乎完全流入无源滤波器，净 亿了电丽电漉。实际上式( 2 3 ) 也是窜联混合滤波髅鼹工作条传。 浙江大学硕士学位论文 从图2 2 ( c ) 的基波等效电路可知，电网的基波电流和电压方程为 “矿= 0 ( z f + z 矿) + “。矿 ( 2 5 ) 即串入的有源滤波器对基波电流和电压没有影响，但是耦合变压器的漏抗 匆上有一定的基波压降，和系统阻抗一样影响公基连接点的电压z o ，同时也 使有耦台变压器的容量增加。 以下是传统s h a p f 的特点： 1 有源支路对基波电流和基波电压无影响，而只是增加电源支路的谐波阻 抗，这有以下两个作用： 迫使负载电流中的谐波电流流入无源滤波器，从而改善无源滤波器的补偿 效果； 阻尼电网与无源滤波器之间的谐振，阻止电网的谐波电压在低阻的无源支 路上产生过大的谐波电流。 2 。当k = o 时，相当于仅装无源滤波器，其滤波效果由无源滤波器和电网在谐 波频率处的阻抗决定。接入有源滤波器后，只要七l zs + zf i ，可使 k “o ，抑制了负载谐波电流向电网传递。理论上阻抗七值越大越好，但随着k 值增加，装置的系统稳定性下降。 3 尽量降低耦合变压器的漏抗，以免影响输出电压和耦合变压器的容量。 4 + 无源滤波器的容量要选取合适，如果没有无功补偿任务，在保证滤波效 果的情况下尽量降低其容量，以免引入过量的基波无功电流。 2 1 2 改进型串联混合有源电力滤波器的原理 图2 1 该进型串联混合有源电力滤波器主电路图 图2 3 是本文实验装置所采用的改进型串联混合有源滤波器的结构图，即 无源滤波器组并联在电源和负载之间，而有源滤波器串联在负载和电源之间。 浙江大学硕士学位论文 和传统串联混合有源电力滤波器的不同之处在于，本文采用的拓扑在电压源逆 变器的输出和耦合变压器之间串入l c 基波谐振电路。其控制及谐波补偿原理 和传统s h a p f 相同。其等效原理图如图2 4 所示。 ( a ) 单相原理图 ( b ) 谐波等效电路 ( c ) 基波等效电路 图2 4 改进型串联混合有源电力滤波器单相等效电路 根据s h a p f 的补偿原理及图2 4 ( a ) 、( b ) 可得电网谐波电流 一2 互i 希t 一+ j ：- 杆c z s ) 其中z = z 1 。+ ，z 1 。为基波谐振电路的n 次谐波阻抗 z - 一= ( r 一+ ，胛珊s 三l + 赢) 7 ”2 2 1 。1 ( 2 - 7 ) = 胄。+ ，三二s l 串联l c 基波谐振电路在谐波频处等效为一电感，因此z 的模值一定大于 k 的模值，在相同的k 值、负载谐波电流和电网谐波电压情况下，使电网谐波 电流含量更低。同时，由式( 2 7 ) 可知，随着谐波频率的提高，基波串联谐振 电路等效阻抗的模值增大，因此有源装置仅需要对电网电流中的低频成分进行 部分补偿，从而使改进s h a p f 逆变器的直流电压利用率提高，进而减小逆变器 浙江大学硕士学位论文 的容餐。 同样根据基波等效电路哥褥 峋= 芬( z + z + 五，) + 虬矿 ( 2 - 8 ) 帮率入的有源滤波装置瓣基波亳丞和基波电流没有影桶，谴是耦台交甏器 的漏抗z 及串联谐搬电路耦合到电源侧的阻抗z f 。上均有基波压降，既会影响 输出电压又增大了藕合变压器的容量。 改进型8 h a j p f 的特点： 1 其原理等同予传统的串联混合有源滤波器，即有源装嚣相当于一个谐波 隔离器； 2 增设的l c 窀路调谐在基波频率处，即对基波呈现为低阻抗，对谐波则 等效为感抗，相当于增加了k 值，在不影响系统稳定的情况下提高滤波 特毪，降 氐有源装甏的容量。 3 。l c 谐振电路的基波阻抗要尽量的低，否则会影响输出电压和耦合变器 静窖蕊。 2 1 3 改进型s h a p f 和传统陷波器的比较 在建统静髂无潆滤波方案中，誊一耱采蠲基波麓波器籀稍谮渡毫流静方案， 图2 5 为其单相电路示意图。厶、g 调谐于电网基波频率组成基波陷波器，串 接在电网和无源滤波器组( p p f s ) 之间。结波器对电翮的基波电流量现很小的 阻抗，可以保证能量在电网和负荷之间传递，而对于电网谐波电流，陷波嚣晨 现穰大的阻抗迫使谐波电流流入p p f s ，从而起到抑制电网谐波电流的作用。 ： 。 ：i 一ii 一 l l ；互厶q 至 p 繁一 t1 干 图2 5 传统的陷波器 陷波器滤波有几个缺点： 1 谐波摊制效果依赖于电感的取值，厶越大，谐波阻抗越大，滤波效果 越好。因此要取得较好的滤波效果，厶必须取得很大，这样就要求陷波器的容 量缀丈。 2 陷波器、无源滤波器和电网系统阻抗之间可能会在某燥频率点上发生谐 浙江大学硕士学位论文 振，破坏系统的稳定性。 3 当电网频率有偏差或陷波器的参数发生漂移时，陷波器对基波电流的阻 抗增大，基波压降增大，影响能量向负载传递。 对于本文所研究的s h a p f 改进型拓扑，串入的l c 基波谐振电路本质上等同 于陷波器，所以改进型s h a p f 是结合了有源滤波器和陷波器的优点，传统的 s h a p f 有源部分在系统和负载之间串入一个电流控制电压源，对谐波电流等效 为一个纯电阻k ，该阻抗和l c 电路一起抑制电网谐波电流，这样对l c 谐振电 路的电感值的要求相对于传统的陷波器电感要低，同时等效电阻k 还可以阻尼 l c 谐振电路、电网阻抗、无源滤波器之间可能发生的谐振( 见图2 6 ) 。 另外就是有源滤波器可以补偿乙c 基波谐振电路的失谐。有源滤波器输出电 压，而l c 谐振电路在失谐严重时呈现压降增大，因此可以通过适当的控制方法。 使有源滤波器可以对l c 谐振电路的失谐进行补偿。 对于有源装置来说，等效电阻k 受系统稳定性的制约，不能取得太大。l c 谐振电路的引入，可以在不提高k 值的情况下降低电网电流的畸变率。 2 2 两种s h a p f 拓扑的滤波特性分析 为了分析串联混合有源滤波器的补偿特性，将式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 写为频域 形式 k 2 习奇蛩斋丽屯+ 习斋筹斋雨 ” z ( s ) = k ( s ) + zi ( s ) = 芷( s ) + r 。+ s 上1 + 1 sc1 一 ( 2 1 0 ) 在此基波卯。可以理解为h _ 1 的谐波。根据上节分析的s a p f 的补偿原理， 在基波频率处k ( s ) = o ，其它频率处k ( s ) _ k 。 负载的谐波电流和电源的谐波电压都可以使电源电流中产生谐波，由式 ( 2 9 ) 分别令k ( s ) 、屯( s ) 为零可以得到s l 妤f 对谐波源的衰减特性 揣2 蕊霸犏 沼 ，。( s ) z 。( j ) + z ，。( s ) + z ( s ) 、。 揣= 可两丢丽 弦 u 。( s ) z 。( s ) + z ，。( s ) + z ( s ) 、7 这两式分别反映了串联混合滤波器对负载电源谐波电流和电网谐波电压的 补偿性能，显然式中的比例越小越好。 无源滤波器有5 次、7 次、1 1 次和高通滤波器组成，而l c 串联谐振电路 浙江大学硕士学位论文 则为撼本的r 、l 、c 调谐电路，其参数如袭2 1 所示( 后文有参数设计) 。 表2 1 无源滤波嚣及串联谴振奄鼹戆参数 1 名称5 次7 次1 1 次高通 基波谐振电路 l 电察量( u f ) 4 72 271 0 9 4 电感量( m h )8 6 3 9 4 1 1 261 0 7 9 i 等效电阻( 皴 o 3 40 3 7 50 。32 0l 。6 9 测量得到电源电感为o 2 3 m h ，一般系统阻抗的阻抗角为8 0 度到8 5 度，在 此取阻抗角为8 5 度。图2 5 为系统农各季申情况下负载谐波电浚和电潮谐波电压 的传输特性，可以看出： 1 投入无源滤波器组( p p f s ) 时，仪在单调谴滤波器的调谐点和高次谐 波孙有较好的滤波特性，一旦频率偏移，滤波效果下降，飘对电嗣电 压中相应频率的谐波分量有放大作用；p p f s 搬系统阻抗作用引入三个 谐振点 觅闺2 6 荫线1 ) ，当系统颓率漂移时如果谐波电流落在这些 谐掇点上则会使电网谐波电流放大劐负载谐波电流的几十倍。 2 投入p p f s 髑基渡攀联谐羰电路对，p p f s 对负载谐波电流滤波效莱细 强，降低了p p f s 对相应频率谐波电压的放大作用 但是也使谐振峰值 撵蠢，对受簸谐波魄流巍毫阚谐波寇压戆敖大更热严重( 藏匿2 6 魏 线2 ) 。 3 ， 投入a p f 嚣，滤波箨对艨骞簇段戆灌注帮蠢耱裁雩譬燕，同鞲孪k 熬黼露 作用使系统的谐振峰值趋予平滑，抑制了电网谐波电压向负载和无源 滤波器蛉传递( 见爨2 。6 整线3 ) 。 4 串联基波谐振电路的引入相当于增加了a p f 等效电阻k 的模值，滤波 效暴提高，龙其是在离频段，效果嚣加暖要，在不增援k 壤兹媾瑟下 提高滤波性能( 见豳2 6 曲线4 ) 。 浙江大学礤士学位论文 i 8 f d b i f| l - _ f 1 。、 凑孝 ， 3 ：声? ，黔 旷瀑、 娑 f i f 婕 l f 黼 么拶 彰 劳 舔 l 毋 、0 鼍：j ： n z 裟 、k 。 1 百i 扩 ，z 1 0 1 1 0 2 曲线l ：仅p p f s 曲线3 ：传统s 强蟑f 赔线2 ：p p f s + 串联基波谐振电路 曲线4 ：改进型s h a p f 上图：谐波电流的传输特性下图：谐波电压的传输特性 阉2 6s a p f 的补偿特往 l 浙江走掌颈士学位论文 0 d 0 2 0 0 0 t 0 0 1 0o t 2 0o 3 00 6 0 0 0 0 2 0 0 o0 00 2 e t0 潍 毒鑫 矗g 秘 以j 补储后 ；娃0 藕出劬 瓣 馘0 斡燃蠹呈豁辩辫 瓣麟磷戳8 耱枣g 辫磷瑙0 辩镕瓣凇0 辫撼 f ( 1 溉) 图2 7 传统审联混合有源滤波器的谐波瓣制波形及频谱 按蠢 3 0 0 2 0 d o d 0 0 一 0 0 j 嚣口 0 00 t f 2 0 m 枷i 劬 2 0 浙江大学硕学位论文 oo 6 e 0o 姐 瞧 o o ，。例补偿前 翡e 0 $ 蠡 弱露2 瓣0 螂8 冀0 e 瓣04 始$ 幸转# 瞄0 韩0 0 e g $ 留e 霉# 抟0 08 口e 68 秘茹撇t 辨8 耘 n h z ) 强2 + 8 改避羹宰联混合滤波器豹谐波按剖波澎及频谱 图2 7 和图2 8 是传统串联混合滤波器和改进型