（电力电子与电力传动专业论文）混合型有源电力滤波器的研究(1).pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 混合型有源电力滤波器能够很好的改善无源滤波器的滤波性能，实现在大功率 场合下对谐波抑制和无功补偿，因而受到广泛的重视。本文深入分析了各种混合型 有源电力滤波器的系统构成及其优缺点，重点研究了并联混合型有源电力滤波器这 种拓扑结构，对其在不同控制方式下的补偿原理和特性进行了深入比较，对混合系 统能抑制无源滤波器和电网谐振这一特点作了研究，并且对其主电路各组成部份的 设计方法，参数的选取均作了探讨，给出了可行的设计方法；并且针对混合系统直 流侧电容电压稳定的问题，通过分析混合系统的特点，给出了其稳定控制方法；另 外针对有源部分电流含有大量基波成份，造成有源部分容量增大这一问题，本文还 对一种新型混合型有源电力滤波器进行了研究。最后根据上述研究进行了并联混合 型有源电力滤波器实验系统的软硬件设计。 关键词：并联混合型有源电力滤波器，谐波抑制，无功补偿，控制方式 a b s t r a c t h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) c a ni m p r 0 v et h ep e r f o m a n c eo fp a s s i v e6 l t e r a n dr e a l i z eh a m o i l i c sr c s t r a i n ta n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o ni nb i gp o w e rs i t l l a t i o n ， s oi th a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n f i r s t l y ，t l l i sa n i c l et h o r o u g h l ya j l a l y z e se a c hk i n do f h a p fs y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h e i rg o o da n db a dp o i n t s s h u n th y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e r ( s h a p f ) h a v eb e e np r i o r i t y r e s e a r c h e d t h ep r i n c i p l ea 1 1 d s p e c i a l i t ) r w i 也 d i f | f e r e n tc o n t r o lm e t h o d si sc o m p a r c d ，t l l ec h a u r a c t e r i s t i ca b o u ts h a p fs u p p r e s s i n gt h e r e s o n a n c eb e t w e e np a s s i v ef i l t e ra n dp o w e r 鲥di ss t u d i e d s e c o n d l y t h ea n i c l e p r o d u c e sm em a i nc i f c u i ta i l dm a i np a r 锄e t e rd e s i 印m e t h o d i i lv i e wo ft h es t a b i l i t yo f t h ed cb u sc a p a c i t o rv o l t a g eo fs h a p f ac o n t r o lm e t h o di sp r o d u c e d o t h e r w i s e ，a b o u t t h e 如n d 锄e n t a lc u r r e n ta u g m e n t i n gt h er a t i n go fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，an o v e l s h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r i sr e s e a r c h e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c h ，t h e s o r w a r ea j l dh a r d w a r eo fs h a p f e x p e r i m e l l t a ls y s t 咖i sd e s i g n e d m ay _ u e ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd “v e r s ) d i r e c t e db y p r o fz h ul i n g k e yw o r d s ：s h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i i t e r ，h a r m o n i c sr e s t r a i n t r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，c o n t r o lm e t h o d s 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文混合型有源电力滤波器的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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。 学位论文作者签名： 多幽 日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景与意义 第一章引言 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备得到广泛应用。这些电力电 子设备在节约电能、提高生产效率和提高人们生活质量等方面起着重要作用。然而 由于它们的非线性和多样性特点，大量的谐波和无功电流注入电网，对公用电网的 供电质量和用户设备的安全运行造成严重的威胁。传统的无源滤波器存在很多固有 缺点，有源电力滤波器技术是解决谐波污染和提高功率因数的有效手段，但由于电 力电子器件功率限制，使其不能满足大容量谐波补偿。因此各种性能优越的混合型 补偿方案应运而生。 1 1 1 谐波源与谐波危害 谐波是一个周期电气量中频率为大于1 整数倍基波频率正弦波分量。在某些场 合下，供用电系统中存在频率不是整数倍基波频率的正弦波分量，我们称之为分数 次谐波。暂态过程中由于其波形不是不变的周期性波形，所以不能称之为谐波。 谐波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： ( 1 )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 )电气化铁路引起的谐波。 ( 5 ) 各种电力电子装置( 包含家用电器、计算机等的电源部分) 产生的谐波。 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 波比重也越来越大，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶 化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。其危害主要表现在以下 几个方面【i 】： ( 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 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 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，使变压器局部过热，使电容器、电缆等 1 华北电力大学硕士学位论文 设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。谐波还会延缓电弧熄灭，导致单相重 合闸失败，扩大事故，或导致断路器断弧困难，影响断流能力。 ( 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工作紊乱，谐波能够改变保护继电器的 动作特性，当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。 ( 5 ) 谐波会引起电力测量误差，测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的， 如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。 ( 6 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波己 成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济 运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将 其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网，已经迫 在眉睫。 1 1 2 谐波标准 为了避免谐波的危害，保持高的电能质量，世界许多国家和国际组织制定了限 制电网谐波的标准。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。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e6 0 5 1 9 标准和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 c6 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内。i e c6 0 5 5 5 2 标 准于1 9 8 2 年制订，在1 9 9 5 修订，修订后的标准为i e c6 1 0 0 0 一3 2 。在我国，原水 利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批转的全国供用电规则的规定，制定 并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定【2 1 。国家技术监督局于1 9 9 3 年 又颁布了中华人民共和国国家标准g b l 2 3 2 5 9 0 电能质量供电电压允许偏差、 g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压允许波动和闪变和g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用 电网谐波【3 1 ，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日起开始实施。 1 1 3 目前谐波抑制的主要方法 谐波治理的措施主要有三种：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发， 提高抗谐波干扰能力。主动治理，即从谐波本身出发，使谐波源不产生谐波或降低 2 华北电力大学硕士学位论文 谐波源产生的谐波。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。 受端治理的措施主要有以下几种： ( 1 ) 选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的电网节点或由高一级电压 的电网供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响，这必须在电网规划和设 计阶段考虑。 ( 2 ) 避免电容器对谐波的放大。 ( 3 ) 提高设备抗谐波干扰能力。 ( 4 ) 改善谐波保护性能。 主动治理谐波的措施主要有以下几种： ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉波数。改造变流装置或利用相互间有一定移相 角的换流变压器，可有效减小谐波含量。 ( 2 ) 采用多重化技术。将多个变流器组合起来使用，其原理是将多个方波移 相叠加，得到接近正弦波的阶梯波以消除频率较低的谐波。 ( 3 ) 采用p 删技术。采用脉宽调制( p w m ) 技术，使变流器产生的谐波频率较 高、幅值较小，波形接近正弦波。 ( 4 ) 设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、p w m 整流器等， 可使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为l 。 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 a s s i v ef i l t e r ) 。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 维护简单。 ( 2 ) 采用有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在谐波源附近和公用电网 节点装设并联型或串联型a p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还 可以进行无功功率补偿，但装置造价较高。 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。h a p f 兼 具p f 成本低廉和a p f 性能优越的优点，并可以抑制无源滤波器易于电网发生谐振 的缺点，而且适合在大功率场合下对谐波的抑制和无功的补偿。 1 2 混合型有源电力滤波器的发展现状 混合型有源电力滤波器发展到今天，已出现了多种拓扑结构，其中主要有：串 联混合型方案( 串联a p f 与并联p f 混合型) 、并联混合型方案、并联a p f 与串联a p f 3 华北电力大学硕士学位论文 的混合型方案。见图卜l 所示。 图卜l 混合滤波器拓扑结构分类图 1 2 1 串联混合型方案( 串联a p f 与并颔联p f 混合型方案) 1 9 8 8 年p e n g f z 等人首先提出串联a p f 加并联p f 的结构【4 5 1 如图卜2 所示。 图卜2串联混合型有源电力滤波器 串联型a p f 为一个电流控制电压源，由p w m 控制产生与线路中谐波电流成正比 的谐波电压。因此对谐波电流而言，串联a p f 可以等效为一个电阻，其阻值即为放 大倍数k ，当k 远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，线路电压和电流中将 只有很小的谐波残余，对工频a p f 呈极低阻抗，因此串联a p f 相当于一个谐波隔离 装置。串联a p f 强制将负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻止了电源的谐波 电压串入负载侧，无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道。对谐振频率处的谐波， 无源滤波器呈极低阻抗。 4 华北电力大学硕士学位论文 这种结构的缺点是： ( 1 ) 不能隔离电网中的闪变分量。因为在低次谐波及其他频率( 非无源滤波器 调谐频率) 处，很难使k 远远大于无源滤波器等效阻抗； ( 2 ) 由于a p f 串联在电路中，绝缘较困难，维修也不方便； ( 3 ) 在正常工作时，耦合变压器流过所有负载电流； ( 4 ) 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这部分 谐波流入p f ，这将在负载输入端产生谐波电压。 1 2 2 并联混合型方案 并联型混合型有源滤波器可分为两类：直流并联混合型有源滤波器和交流并联 混合型有源滤波器 ( 1 ) 直流并联混合型有源滤波器 1 9 8 8 年，cw o n g 和nm o h a n 等首次提出将有源电力滤波器用于高压直流输电 系统的想法【6 】。随着高功率、低损耗p w m 变流器技术的日益成熟、d s p ( 数字信号处 理) 技术的发展以及高压直流输电工程本身对降低谐波的要求日益紧迫，到上世纪 9 0 年代初将直流有源电力滤波器用于高压直流输电取得实质性进展。 第一台并联混合型直流有源电力滤波器样机于1 9 9 1 年1 2 月在瑞典丹麦的 2 5 0 k v 直流输电k o n t i s k a n2 工程中投入工业试运行，取得了满意的结果，其消除 谐波的性能优越、造价低。 并联混合型直流有源电力滤波器是在原无源滤波器的底部增加一个有源部分， 它通过对直流线路的谐波电流采样，并根据该信号向直流线路注入一个相位相反的 谐波分量，结果使线路上的谐波量得到极大的衰减。如图卜3 所示。 图卜3 直流有源电力滤波器原理图 5 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 交流并联混合型有源滤波器 交流并联混合型有源滤波器可进一步分成三个大类：一类是l c 谐振注入式； 一类是有源电力滤波器与无源滤波器并联；另一类是有源电力滤波器与无源滤波器 串联。 1 ) l c 谐振注入式【7 】 l c 谐振注入式电路利用电感和电容的谐振特性，使有源滤波器不承受或只承受 较小的基波电压，从而减小逆变器容量、缩小体积、降低成本。通常采用的注入电 路有两种：串联谐振注入式和并联谐振注入式。如图卜4 和图卜5 。 图卜4l c 串联谐振注入式 图卜5l c 并联谐振注入式 串联谐振注入式选择l 、c ：使其在基波频率产生串联谐振，这时c 。将承担全部 电网基波电压，有源滤波器只承受谐波电压，不承受基波电压。因此可以固定补偿 大量的基波无功。而且由于无功功率基本上全部由c 。承担，因此补偿无功越多，c 的值越大，对谐波的阻抗也越低，有源滤波器发出的谐波电流也就越大，但是这时 候l 、c ：对基波的谐振特性的要求也就越高。该种结构的缺点是，由于l 、c ：组成的 基波谐振回路与有源滤波器为并联结构，因此从有源滤波器发出的谐波电流一部分 会因为l 、c ：组成的基波谐振电路而被旁路，这就增大了有源滤波器的容量，增大 l 、c z 对谐波的阻抗可以降低其影响，但同时也会增大l 、c 。串联回路的基波阻抗。 另一方面，由于l 、c ：对基波谐振，因此，这种结构不适合通过有源滤波器动态补 偿基波无功。 6 华北电力大学硕士学位论文 并联谐振注入式电路通过选择l 、c 使其在基波频率产生并联谐振，可大大降 低加在有源滤波器上的电网基波电压。由于l 。、c 对基波的并联阻抗很大，因此该 电路不具有无功功率补偿能力，只能进行谐波的补偿。 综上所述，l c 谐振注入式混合滤波器对谐波可进行动态补偿但对基波无功不适 合通过此滤波器动态补偿。 2 ) 有源电力滤波器与无源滤波器并联 1 9 8 7 年t a k e d a m 等人提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合型有源电力滤 波器方案【弘9 1 ，如图卜6 所示。在这种电路中，无源滤波器包括多组单调谐滤波器 及高通滤波器。绝大多数由谐波源产生的谐波己由无源滤波器滤除，有源电力滤波 器只需补偿l c 滤波器未补偿的谐波。这样的一个混合系统性能好于只使用无源滤 波器，而有源电力滤波器只需提供很小的补偿电流，因而容量不需很大。与单独使 用的并联型有源电力滤波器补偿很相似。它的主要缺陷是由于无源滤波器和有源滤 波器两者并联接入电网，因此无源滤波器对有源滤波器发出的谐波电流有分流作 用，这一方面加大了有源滤波器的谐波容量，另一方面，如果无源滤波器的谐波阻 抗很低，在无源滤波器和有源滤波器之间很容易产生较大的环流，造成较大的损耗 和有源滤波器的过载。另外，这种结构方式下，有源电力滤波器无法解决无源滤波 器和电网阻抗之间的谐振问题。 图卜6 并联a p f 和并联p f 混合型 3 ) 有源电力滤波器与无源滤波器串联接入电网 1 9 9 0 年f u j i t h 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案【1 们， 其示意图如图卜7 。这种拓扑结构通常被称为并联混合型有源电力滤波器，简称 s h a p f ( s h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。其中a p f 为电流控制电压源，产生 与线路中谐波电流分量成比例的电压。该方式中，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无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器 易受电网阻抗的影响，易与电网发生谐振等缺点。大部分电网基波电压降落在无源 7 华北电力大学硕士学位论文 滤波器上，有源滤波器只承受小部分电网基波电压：注入耦合变压器只流过负载谐 波电流和少量基波电流，因而有源滤波器的容量要求小，据文献 1 1 报道，a p f 容 量仅为p f 的5 一1 0 ，可节省大量投资。而且，有源电力滤波器通过变压器连接在 y 型联接的p f 的中性点上，方便保护和隔离，因此，这种结构方式更适合于高压、 大功率系统应用。另外，该种结构还有一个特点是可以动态的补偿一定量的无功功 率，因此也特别适应那些具有经常性变动的小功率无功负荷的变电站的要求。所以 该拓扑结构被认为是最有潜力在大功率或超大功率电力系统中进行谐波和无功综 合治理的一种结构。 在我国电力系统的滤波领域，无源滤波设备被广泛应用，但这种滤波设备本身 的固有缺点给用户和电力系统带来了很多问题，所以应用并联混合型有源电力滤波 器将在不改变原有设备与电力系统接线的情况下，通过很少的投资，更好改善原有 无源滤波设备的性能。这种方案非常适合原有滤波设备的技术改造，符合我国国情。 本文将对这种拓扑结构的滤波器进行深入分析，试图从工作机理、控制策略、系统 的稳态特性和动态特性、参数的设计等方面做一系统的研究。 图卜7a p f 与p f 串联方式 1 2 3 并联a p f 与串联a p f 的混合型方案 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出一种综合了串联a p f 和并联a p f 的混合型滤波器 【12 1 ，称之为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e r q u a l i t yc o n d i t i o n e r 简称为u p q c ) 。 其示意图如图卜8 。串联a p f 将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和 负载谐波电流流入电网。并联a p f 提供一个低阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电 流吸收掉。该方案在电网与公共连接点之间同时实现了电压和电流的净化。 8 华北电力大学硕士学位论文 n 咿 i l ； ； 串联 并联 ； a p f = _ - ( = 照 ； l 嘛3 占u1 l靠弦皿i ，、，、 ： 图卜8 并联a p f 与串联a p f 的混合型方案 这种方式具有良好的动态性，对电压和电流、无功功率都有补偿。而缺点则是 控制比较复杂，而且并联有源电力滤波器负担谐波补偿的任务，所需容量较大。 1 3 论文的主要工作 本文主要以并联混合型有源电力滤波器( s h a p f ) 为研究对象，根据其发展现 状与存在问题，将以下几方面作为主要研究内容： ( 1 ) 并联混合型有源电力滤波器的结构和理论分析 为了适应不同的补偿需要，混合型有源电力滤波器的结构形式多种多样，本课 题通过对目前主要的结构形式全面分析，指出不同结构的优缺点及其使用范围。 并联混合型有源电力滤波器( s h a p f ) 的接线简单，维护方便，可以实现的功 能也最为灵活，是目前广受国内外学者及工程技术人员关注的一种结构。本文将其 作为重点研究的内容，对其电路模型、滤波原理进行深入分析，并详细讨论谐波电 流的提取方法，着重对并联混合型有源电力滤波器的三种不同控制方式( 前馈、反 馈、复合) 的补偿原理和特性进行比较。 ( 2 ) 并联混合型有源电力滤波器的系统设计 首先将对典型谐波源负载，即三相桥式整流电路进行简单的分析。在此基础上， 结合理论分析和工程设计方法，对并联混合型有源电力滤波器系统进行系统设计。 本文将重点给出混合系统中各个组成部分的设计方法和主要器件参数的选取原则， 其中包括：无源滤波器设计、有源滤波器设计、输出滤波器设计和耦合变压器设计 等。对于混合系统中的关键问题，如有源滤波器直流侧电容电压的控制方法和输出 滤波器电容电感参数的选择原则，均将给出比较满意的解决方法。 ( 3 ) 并联混合型有源电力滤波器的仿真分析 利用m a t l a b 仿真软件搭建并联混合型有源电力滤波器的仿真模型，通过仿 真手段验证理论分析结果，其中将包括：采用三种不同控制方式时，混合系统的滤 波特性和对系统谐振的抑制效果的仿真：有源部分直流侧电容电压稳定控制的仿 真；输出滤波器滤波效果的仿真以及对流入有源部分电流的仿真等。 9 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 新型混合型有源电力滤波器的研究 针对流入有源部分电流所含的大量基波成份导致有源部分的容量增大的问题， 本文将对一种新型的混合滤波设备进行理论研究，对其结构、特性和降低有源部分 容量的特点给出比较深入的分析。 ( 5 ) 研制实验系统，进行谐波、无功补偿。 搭建实验系统对理论分析及仿真结果进行验证，为有源电力滤波器的实际应用 提供有益的探索。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第二章并联混合型有源电力滤波器的理论分析 并联混合型有源电力滤波器( s h a p f ) 由于其本身的特点，非常适合在大功率 场合下对谐波的滤除和无功的补偿。为了更深入了解这种混合滤波装置，有必要介 绍混合滤波器的拓扑结构和基本原理，考虑到混合系统在不同的控制策略下有不同 的补偿特性，所以需对三种不同控制方式进行深入分析。 2 1 并联混合型有源电力滤波器的系统结构 并联混合型有源电力滤波器是指有源电力滤波器与无源滤波器串联之后并入 电网的拓扑结构，其结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 并联混合型有源电力滤波器系统结构图 其中，无源滤波器采用多个单调谐滤波器组成，单调谐滤波器的调谐频率根据 需滤除的谐波成分确定，对于6 脉波整流器，它向电网注入的特征次谐波为6 k 1 ( k = l ，2 ，) 次，其中5 次、7 次、1 1 次谐波含量较为突出，因而，无源滤波器由5 次、7 次和1 1 次单调谐滤波器构成。如果电网中的2 次、3 次或其他次数的谐波电 流含量也比较大，还可以增加2 次、3 次或其他次数的单调谐无源滤波器。有源滤 波器采用电压型逆变器，输出各次谐波电压的叠加，用以滤除电网的部分谐波并抑 制电网阻抗与无源滤波器之间的谐振。输出滤波器采用l c 低通滤波器，用以滤除 电压型逆变器开关器件产生的高频毛刺。隔离变压器一方面是为了有源滤波器和无 源滤波器的电气隔离，另一方面是可以根据有源滤波器和无源滤波器的电流电压等 华北电力大学硕士学位论文 级来选择适当的隔离变压器变比，以满足有源滤波器和无源滤波器间的电压匹配和 电流匹配。 2 2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测 谐波检测技术是谐波抑制的前提和基础，如何能够快速准确的提取出被检测线 路的谐波一直是各国学者研究的热门问题。1 9 8 3 年，日本学者赤木泰文提出的三相 电路瞬时无功功率理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，其应用有效地解 决了谐波电流的实时检测的问题，是目前应用最为广泛的检测方法。 2 2 1 三相电路瞬时无功功率理论n 3 1 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e a 、氏和矗、瓦、芘，将其变换到 q p 两相正交的坐标系中，具体如图2 2 所示。由下面的变换可得到伍b 两相瞬时电压 p ”匆p 和两相瞬时电流如、f b 。 e 8 l b p 0 图2 2 吐- p 坐标系中的电压、电流矢量 融：目 水： | | p 2 z c o s 驴 1 2 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 彤彤彤 一 一 一 = 知 2 珂二 中 图 式 由 华北电力大学硕+ 学位论文 = f s i n 伊 ( 2 4 ) 在上述公式中， 昂和分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流，它们分别为 矢量7 在矢量；及其法线上的投影，式中伊= 纪一仍。 定义三相电路瞬时有功功率p ( 瞬时无功功率g ) 为电压矢量苫的模和三相电路 瞬时有功电流昂( 三相电路瞬时无功电流) 的乘积，即 p = e ( 2 5 ) g = p ( 2 6 ) 联立上面几个公式，得出 z 地k 嘲 像7 ) 把式( 2 - 1 ) 、式( 2 2 ) 代入上式，可得出p 、g 对于三相电压、电流的表达式 l p = 巳之+ 岛+ 巳之 卜击诎地训州m q 矗) 下面分析三相电压和电流均为基波正序分量时的情况，设三相电压、电流分别 为 f 巳= 乓s i i l 耐 e 6 = e s 诚研一2 万3 ) ( 2 - 9 ) 【乞= 瓦s i n ( 研+ 2 万3 ) k = l ( s i n 国卜咖 = l ( s i n 耐一伊一2 万3 ) ( 2 - l o ) 【之= 厶( s i n 耐一伊+ 2 万3 ) 利用式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 对以上两式进行变换，可得 讣玩： 慧 池 阡厶： 竺= 岛 式中乜：= 3 2 瓦，l ：= 3 2 l 。 把式( 2 1 1 ) 和式( 2 一1 2 ) 代入式( 2 7 ) 中可得 1 3 华北电力大学硕士学位论文 p 专e 驷s 伊 g = 主e l s i n 伊 ( 2 1 3 ) 令e = 乜2 、，= l 2 分别为相电压和相电流的有效值，得 j p _ 3 日咖缈 ( 2 - 1 4 ) i ，- i j 【g = 3 脚s i n 缈 可见在三相电压和电流均为基波正序分量时，p 、g 均为常数( 直流分量) ，且其值 和按传统理论算出的有功功率p 和无功功率q 完全相同。值得注意的是，这里计算 有功功率和无功功率只要同一时刻三相三线制系统的三相电压和电流的值，而传统 的有功功率定义和无功功率定义却需要一个周期的值才能计算出来。因此采用这种 计算方法可以大大节省计算时间，这对实时性要求极高的谐波治理装置是非常重要 的。 2 2 2 三相电路谐波和无功电流实时检测m 1 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计知、g 或i p 、i q 为出发点即可得出三相 电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别为p 、g 运算方式和i p 、i q 运算方式。由于 拓、运算方式更简单，其检测结果受电压波形畸变影响较小，应用比较广泛，因此 本文采用这种方法，该方法可以由公式( 2 7 ) 和( 2 1 1 ) 联立求得，原理如图2 3 所示。图中 ： = c = 二捌圈 亿 图2 3 谐波电流的实时检测原理图( 昂、f q 运算方式) 其思想是把满足芘+ f 6 + 如= d 的三相电流经过不含零序分量的p a r k 变换得到了知、 。该方法中，需用到与a 相电网电压同相位的正弦信号s i n f 和对应的余弦信号 c o s f ，它们由一个锁相环p l l 和一个正、余弦信号发生电路得到。根据定义可以计 1 4 华北电力大学硕士学位论文 算出小，经l p f 滤波得出of q 的直流分量、。因此由0 、艺即可计算出f 、 瑶f 、f 。f ，进而计算出f 。h 、如h 、。 2 2 3 单次谐波检测方法1 5 1 上述易、岛运算方式可以检测出总谐波电流，但不能检测单次谐波电流，而在很 多场合对指定次谐波的提取是必须的。从p a r k 变换的物理解释可以看出，当d q 坐标 轴逆时针以角速度国旋转时，切，中的直流分量为三相交流系统中基波电流的有功 分量和无功分量，所以，如果使d q 坐标轴逆时针以聊国角速度旋转，幻、中的直流 分量将为三相交流系统中朋次谐波电流的有功分量和无功分量。 从基于瞬时无功功率理论的、岛运算方式物理意义上也可以看出，上述， 运算方式是电流矢量f 在三相电网基波正序电压合成矢量g j 及其法线上的投影。在 口一坐标系中，只有基波正序电流分量和e j 是同步旋转的，处于相对静止的状态， 而其它所有的电流分量相对于p ，均是动态的，因此，只有基波正序电流分量在p ，及 其法线上的投影是常量，其它分量在p ，及其法线上的投影均是交变的。提取易、岛中 的直流分量，经过反变换，即可求得电网基波正序电流分量。根据上述原则，若检 测，1 次谐波电流分量，参考电压矢量选为m 次谐波电压合成矢量p m 即可。原理如图2 - 4 所示。图中 计叱j - 三：二：篡蚓 沼 图2 4 单次谐波电流的实时检测原理图( of q 运算方式) 2 3 并联混合型有源电力滤波器的单相电气模型n p ”1 k 在分析并联混合型有源电力滤波器的补偿原理和特性之前，需要对混合系统进 行简化，将图2 1 中的负载看成谐波电流源，而将电压型逆变器看成电压源，并且混 合系统在设计时需要考虑耦合变压器和输出滤波器对混合系统的影响。图2 5 给出在 考虑耦合变压器和输出滤波器时，混合系统的单相电气模型。 1 5 兰= ! ! 皇垄奎堂堡主堂垡迨塞 一一 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ _ _ - _ - _ - - _ - _ _ _ _ - 一一一 + 玑 + u c 图2 5 混合系统的单相电气模型 假设耦合变压器为理想变压器，其电压变比为1 ：n ( 网侧电压：阀侧电压= 1 ：n ) ， 将电压型逆变器和输出滤波器折算到耦合变压器网侧，得到混合系统折算到耦合变 压器网侧的单相电气模型，如图2 - 6 所示。 + 乩 + 刀 图2 6 混合系统的网侧单相电气模型 根据基尔霍夫电压和电流定律，有： 。u s k = u n + i s o s i s h 2 l l h + i 盹 鲁如争+ k 乙= i f t = i c q 七l l 。争= 鲁+ t 。争 将上式( 2 1 7 ) 至( 2 2 1 ) 化简，消去变量巩 、l o 、k 、厶。得， k 坠+ ( k + 弓+ 犀) 毛一( k + 乙) 一= o 式( 2 2 2 ) 中： 毕彘，局。施为 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 从式( 2 2 3 ) 可以看出，酌和局分别为三d 和岛折算到耦合变压器网侧的串联分 压比和并联阻抗。从式( 2 2 2 ) 可以看出，输出滤波器除了滤除有源逆变器开关毛 刺以外，还具有对有源逆变器输出电压的分压作用，而且还相当于在无源滤波器支 路串联了一个等效阻抗。这些影响在设计耦合变压器和输出滤波器时要予以考虑。 2 4 并联混合型有源电力滤波器的补偿原理及特性n 8 。1 9 1 并联混合型有源电力滤波器对有源电力滤波器输出电压有多种控制策略，其中 主要包括：检测电网侧谐波电流控制方式( 反馈控制方式) 、检测负载侧谐波电流 控制方式( 前馈控制方式) 及复合控制方式。本节将主要对这三种不同控制策略的 补偿原理分别进行分析，对其补偿特性进行比较，最终得出比较适合工程应用的控 制方式。 2 4 1 检测电网侧谐波电流控制方式 在检测电网侧谐波电流控制方式( 反馈控制方式) 中，有源电力滤波器输出补 偿电压的指令信号为= 巧k ，其中毛为电网谐波电流。由式( 2 - 2 2 ) 得电源侧 谐波电流为： 小才每”再杀 ( 2 - 2 4 ) 滤波器支路的谐波电流为： 一竺k 1 毛= j 乞+ 二f ( 2 2 5 ) k + 磊+ z ，+ 垒kk + 磊+ z ，+ 垒k 此时混合系统的单相等效电路如图2 7 所示。 + u j j 工 图2 7 混合系统的单相等效电路( 方式一) 有源滤波器的作用相当于在系统侧增加了一个大小为墨巧以的纯电阻。假设 1 7 华北电力大学硕士学位论文 电源电压矽铀为正弦电压，当只考虑负载谐波电流单独作用时，如果k 。 l z p l ，则 由负载产生的谐波电流将流入l c 滤波器。如果b i 乙i ，则滤波特性由b 决定。 假设不接负载( 即j ，。= o ) ，当只考虑电源电压谐波的作用时，由式( 2 2 4 ) 第二项 可以得到，混合型滤波器对谐波电压所引起的电流谐波同样有上述抑制作用，当磁 足够大时，滤波特性由妊决定。除此之外，b 还起到阻尼z 。和z p 串并联谐振的作 用，当i z ，+ 乙i o 时，由于乓的阻尼作用，使得k 不会在特定频率处出现谐波放 大的谐振现象。 无源滤波器仅对特定次谐波提供了滤波通路，但是由此方法的滤波原理可以看 出，混合滤波器对各次谐波都有一定的滤除效果。 2 4 2 检测负载侧谐波电流控制方式 在检测负载侧谐波电流控制方式( 前馈控制方式) 中， 偿电压的指令信号为= 吒l ，其中屯为负载谐波电流。 谐波电流为： k 2 + z ，一生k l 1 k 2 1 了再 l + i 彘 滤波器支路的谐波电流为： 一z s 一当k l 1 l 2 i 南l i 彘 此时混合系统的单相等效电路如图2 8 所示。 + j 有源电力滤波器输出补 由式( 2 2 2 ) 得电源侧 ，工 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 图2 8 混合系统的单相等效电路( 方式二) 这种控制方式实质上等效于通过控制有源部分来改善无源滤波器的谐波阻抗 特性。当只考率负载谐波电流单独作用时，由式( 2 2 6 ) 第一项可以看出，当 墨吒以= 砭+ 乙时，l 将为零，即对系统谐波有较强的滤除作用。当只考虑电源 1 8 华北电力大学硕士学位论文 电压谐波的作用时，由式( 2 2 6 ) 第二项可以得到，有源部分对由电源电压谐波所 产生的系统谐波电流不能滤除。而且当| z f + 乙l o 时，由于没有阻尼作用，将会使 ，妫在特定频率处出现谐波放大的谐振现象。 由此种方法的滤波原理可以看出，由于有源部分仅用来改善无源滤波器的谐波 阻抗，所以混合滤波器将仅对无源滤波器中的特征次谐波有较明显的滤波效果，对 其它谐波滤波效果不明显。 2 4 3 复合控制方式 在复合控制方式中，需l 司时检测电源谐波电流和负载谐波电流，有源电力滤波 器输出补偿电压的指令信号为= 蟛k + 吃l 。由式( 2 2 2 ) 得电源侧谐波电流 为： k + z ，一等k1 小蔫”高 。2 滤波器支路的谐波电流为： 也一叠墨一笙墨 1 枷i 蕊”i 杰瓦 。2 k + 磊+ 乙+ 等k局+ 磊+ z ，+ 等k 图2 9 为混合系统的单相等效电路。 + u zski ks nki 幸kl n 图2 9 混合系统的单相等效电路( 方式三) 这种控制方式实质上是将前面两种控制方式的优点结合起来，并且克服了它们 各自得缺点。当只考虑负载谐波电流单独作用时，从式( 2 2 8 ) 第一项可以看出， 主要由检测负载谐波电流控制方式来获得指令电压，当墨k ：，l = e + z p 时，铀将 为零，混合系统对无源滤波器通路中的特征次谐波有较好的滤除作用。而检测电网 侧谐波电流控制方式，主要负责抑制无源滤波器可能跟电网发生的谐振，并对其它 1 9 华北电力大学硕士学位论文 特征次谐波进行一定的滤除。当只考虑电源电压谐波作用时，由式( 2 2 8 ) 第二项 可以得到，混合型滤波器对谐波电压所引起的电流谐波同样有抑制作用。 通过分析比较并联混合滤波器三种控制方式可以得到如下结论：首先，检测电 网谐波电流的控制方式对各次谐波均有滤除作用，检测负载谐波电流的控制方式仅 对无源滤波器通路中的谐波有较好的滤除作用，而复合控制方式对各次谐波的滤除 作用都比较明显。其次，除检测负载谐波电流的控制方式外，其它两种控制方式均 对无源滤波器可能和电网发生的谐振具有一定的抑制作用。最后，从装置的工程设 计方面考虑，复合控制方式的混合滤波器虽然有较好的滤波效果，但在采样和指令 信号的计算上都较为复杂，硬件开销较大。所以，对于这种拓扑结构的混合滤波装 置，检测电网谐波电流控制方式是一种简单、有效的控制方式，应当成为工程实践 中首选控制方式。 2 5 本章小结 本章首先对并联混合型有源电力滤波器的系统结构及各部分的作用作了简单 介绍，随后对基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法和单次谐波电流检测方法 进行了分析，最后，通过建立混合系统的单相电气模型，深入研究了在不同控制方 式下，并联混合型有源电力滤波器的补偿原理和特性，通过比较最终确定了较适合 于工程应用的控制方式，为下面的分析提供理论依据。 2 0 华北电力大学硕士学位论文 第三章并联混合型有源电力滤波器的系统设计 根据上一章对并联混合型有源电力滤波器的基本原理分析，本章将对混合系统 的每个组成部分进行深入研究，给出各个部分的设计方法，对于其中较为关键的问 题，将给出详细的分析过程及比较合适的解决办法。 3 1 谐波源负载的无功和谐波分析 由于谐波和无功治理装置运行的效果受其所治理的对象及所运行的系统参数 影响很大，所以在设计滤波系统前，对谐波源负载的无功和谐波的分析是必不可少 的。本文所研究治理的谐波源负载为电力系统中广泛应用的电力电子装置，三相桥 式整流电路带阻感性负载为其中最典型的装置，下面将对其无功和谐波进行分析。 i d ( i d ) - - + _ f2 f 厂 l2 3 l d 。 叫一f f 厂 r c zi2l2l i ( a )桥式电路 c ic be c 。f 滁一 o 火 矗 ， c - r 、 hj i i d 口 、 删 守 ( b )波形 图3 1 三相桥式整流电路及其波形图 阻感负载的三相桥式整流电路如图3 1 ( a ) 所示。设电源为三相平衡电源，交 流侧电抗为零，直流侧电感厶为无穷大。交流侧电压和电流波形如图3 1 ( b ) 所示。 0 【为触发延迟角。电流为正负半周各1 2 0 。的方波，三相电流波形相同，且依次相差 1 2 0 。，其有效值与直流电流的关系为 厅 卜弋i d 将a 相电流分解为傅立叶级数，则有 2 l ( 3 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 乞= 警小吣f ) - 扣5 叫一枷7 耐) + 扣( 1 l 叫) + 去s 伽( t 3 ，) 一专j 伽( 7