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混合型动态有源电力滤波器的研制及工程应用 摘要 本论文以江西某冶炼厂1 1 0 k v 变电站的谐波治理为研究对象，旨在研究中 压、中等容量电网的谐波治理工程应用技术，为高压、大功率有源电力滤波器( a p f ， a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 在国内的早日普及应用积累经验、奠定理论和技术基础。 论文以混合型动态有源电力滤波器( h d a p f ，h y b r i dd y n a m i ca c t i v ep o w e r f i l t e r ) 的实现为主线，对有源滤波器的关键技术进行了研究。首先分析和比较了 目前常用的有源电力滤波器的拓扑结构，并针对变电站谐波治理的特点和要求， 提出了一种新颖的拓扑结构一一混合型动态有源电力滤波器h d a p f ；然后，通 过分析比较现行的有源滤波器的控制方法，提出了基于p i 迭代学习的电流跟踪 控制算法，该方法通过实施遗忘因子学习律增强系统鲁棒性的同时，引入了在最 优目标选择下模糊参考电流误差的d 型学习律前馈环节，提高了系统的动态跟踪 性能及控制精度。最后详细阐述了混合型动态有源电力滤波器装置的具体设计和 研制过程，对系统主电路设计，元件参数选择，输出滤波器设计和逆变器及直流 侧电容器的设计都有较深入的论述，形成了较为完善的变电站谐波治理理论和方 案。 本次研究课题得到了国家自然科学基金项目“大功率混合型有源电力滤波器 难点问题研究 6 0 4 7 4 0 4 1 1 ”以及国家科技攻关项目“电网谐波有源滤波系统的研 究”【n o 2 0 0 2 b a 2 18 c 】的大力支持，其研究成果已被列为国家重点新产品计划项 目f 2 0 0 3 e d 7 7 0 0 13 】。 关键词：有源电力滤波器；p i 迭代学习控制；i p ，乞算法；p w m i l 硕士学位论文 a b s t r a c t t a k i n gt h eh a r m o n i ca t t e n u a t i o no ft h ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka tj i a n g x i1 1 0 k v s u b s t a t i o na st h eo b j e c to fs t u d y , t h i sd i s s e r t a t i o na i m st od or e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s a n di t si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n t e c h n o l o g i e sf o re l i m i n a t i n gh a r m o n i ci nm e d i u ma n dh i g h v o l t a g ep o w e rn e t w o r k ，p r e p a r et h e o r y a n dt e c h n o l o g i c a lk n o w l e d g ef o ri t su n i v e r s a l a p p l i c a t i o ni no u rc o u n t r y , a n da c c u m u l a t ee x p e r i e n c e sf o ri t sh i g h v o l t a g ea n dh i g h - p o w e r a p p l i c a t i o n t h es t u d yi sf o c u s e do nt h ea p p l i c a t i o nr e a l i z a t i o no fh y b r i dd y n a m i ca c t i v ep o w e r f i l t e rc i r c u i ta n dg i v e saf u r t h e rs t u d yo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fa p ef i r s t l y , a f t e rt h e c o m p a r i s o no ft h ee x i s t i n ga c t i v ep o w e rf i l t e r s ，an o v e lh d a p fi sp r o p o s e dh e r et om e e tt h e g i v e ns i t u a t i o no fs u b s t a t i o nh a r m o n i ce l i m i n a t i o n n e x t ，b a s e do i lt h ea n a l y s i so fc o n t r o l s t r a t e g i e so fh a pf ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yb a s e do np i - t y p ei t e r a t i v el e a r n i n ga r ep r o p o s e d ，b y m e a n so fu s i n gaf o r g e t t i n gf a c t o rt oe n h a n c es y s t e m i cr o b u s t ，a n da tt h es a m et i m e i m p o r t i n gad - t y p el e a r n i n g l a wf e e df o r w a r db a s e d f u z z y i n f e r r i n gr e f e r e n c e d c u r r e n te r r o ru n d e rt h eo p t i m a lo b j e c t l a s t ，t h eh d a p fs y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t h d e t a i l e dr e a l i z a t i o n t h ed i s s e r t a t i o ne x p a n d st h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t ，t h es e l e c t i o no f c o m p o n e n t ，t h eo u t p u tf i l t e r , t h ec o u p l i n gt r a n s f o r m e ra n dt h ed cv o l t a g eo ft h ea c t i v e i n v e r t e r p r e s e n t i n gas e l f - c o n t a i n e ds o l u t i o nf o rs u b s t a t i o nh a r m o n i ce l i m i n a t i o n t h i sp r o j e c ti sf u n d e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n af 6 0 4 7 4 0 4 1 】a n d n a t i o n a ls c i e n c e - t c c ht a c k l ek e yp r o j e c t r e s e a r c ho na c t i v ep o w e rf i l t e rf o rp o w e r h a r m o n i ce l i m i n a t i n g ( n o 2 0 0 2 b a 2 1 8 c ) t h ep r o d u c t i o no ft h ep r o j e c ti sl i s t e da so n eo f t h en e wi m p o r t a n tp r o d u c t si nc h i n a 【2 0 0 3 e d 7 7 0 0 1 3 k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；p i - t y p ei t e r a t i v el e a r n i n gc o n t r o l ；i p ，i ga l g o r i t h m p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：靠战乙 日期：矽癣，月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：姐 导师签名： 日期：矽晦，月扩日 日期：矽彩年，月多日 硕士学位论文 第1 章绪论 目前，电力已成为现代社会生产和生活中最主要的直接能源。在理想的电力 系统中，电源以单一恒定频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 的正弦变化规律向电网供电。当 以正弦规律变化的电压施加到线性负载上，产生的是与输入电压频率相同的正弦 电流。如果负载是非线性的，通过负载的电流就会产生畸变，畸变的电流流过电 网，就会引起电压波形的畸变。从频域的观点来看，在这些电流和电压的波形中， 不但含有与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且出现了一系列频率 为基波频率整数倍的正弦波分量( 称为谐波分量) ，这一系列正弦波分量统称为 电力系统谐波。 随着现代工业的发展，一方面企业对用电质量要求越来越高，另一方面电力 电子装置的大量应用，工业电网中非线性负载越来越多，严重影响了工业用电的 质量，这二者形成严重的矛盾，使得谐波问题引起人们越来越多的关注。随着电 力电子技术的发展，在谐波抑制方面也取得了一些突破性的进展。本章首先介绍 我国的谐波现状及标准，简要阐述了谐波治理的意义和措施，然后介绍了有源滤 波器的发展状况，最后介绍本论文的研究背景和主要内容。 1 1 我国的谐波现状及标准 “谐波”这一名词起源于声学。早在1 8 世纪和1 9 世纪，几位数学家，特别 是f o u r i e rj b j ( 1 7 6 8 - - 1 8 3 0 ) ，为诣波计算奠定了基础。电力系统的波形畸变也 并不是个新现象，从交流电的出现到2 l 世纪的今天，如何将其限制在可以接受 的范围内一直是电力工程师所关心的问题。2 0 世纪2 0 3 0 年代，德国科学家由 静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。其中，r e a dj c 在1 9 4 5 年发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文“3 。2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，对换流器谐波问题的研究有大量文章 发表。但这些问题在过去还未对电力系统产生严重危害，因此没有弓l 起电力和供 电部门的重视。近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用 电设备上的广泛应用，包括大功率整流在电气化铁道的应用，电弧炉在炼钢中的 应用等，各种非线性负荷的大量增加，造成了电力系统中电压、电流波形的严重 畸变，电力系统的谐波对电力设备、电力用户和通信线路的有害影响已经十分严 重。 发达国家的经验和预测表明，随着现代工业技术的发展，非线性用电设备的 种类、数量和用电量将会迅猛增加。随着我国改革开发和经济建设的发展，在我 国现代工业中，非线性电力负荷也在不断地增加，致使谐波含量急剧上升和供电 电压波形产生严重的畸变，若不进行及时有效的控制，将影响到电力网和电气设 备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产，拖慢国民经济建设的 步伐。如广西苹果铝厂1 9 9 6 年6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开 关和主变压器，造成大面积停电；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的 影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。 为保证电网和用电设备的安全、稳定、经济运行，避免谐波的危害，目前许 多国家、园际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，限制用电设备 谐波的标准，其中较有影响的是i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 和i e c 5 5 5 2 。由于谐波标准的实 施，使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来降低其产品产生的谐波。我 国水利电力部也在1 9 8 4 年颁发了电力系统谐波管理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 。1 ， 到1 9 9 4 年国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波”1 正式颁布。 虽然各种谐波标准都不尽相同，但总的来说都是大同小异，并且所有标准的 都是基于以下三个目的： ( 1 ) 将电力系统电流和电压的畸变控制到允许的水平以内； ( 2 ) 以符合用户需要的电压波形向用户供电； ( 3 ) 不干扰其它系统( 如通讯系统) 的正常工作。 可见，研究消除或降低电网中运行的电力电子装置所产生的谐波不但是贯彻 执行国家标准和对相关法规的技术支持，也是改善电网电能质量、提高电网运行 效率、维护电气设备的安全稳定运行的电气环境所迫切要求的。因此，谐波抑制 技术的研究是当前电工学科研究的热点之一。 1 2 谐波治理的意义和措施 谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，而且会增加旋转电机的损耗、增加输 电线的损耗、增加变压器的损耗、造成继电保护和自动装置工作紊乱、干扰通讯 系统“”等。随着社会的不断发展，电气用户对电能形态和功率流动的控制与处 理提出了新的要求，而越来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了 一对日趋尖锐的矛盾。 1 2 1 谐波治理的意义 在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及连到该装置上的设备的正常 运行，甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行。目前电力系统谐波已成为影响 电能质量的公害，其危害主要表现在以下的方面“： 1 对电力系统设备造成危害 ( 1 ) 发生谐振造成电容器和电抗器的故障，甚至烧毁； ( 2 ) 增加旋转电机的损耗； ( 3 ) 增加输电线和变压器的损耗，缩短其工作寿命。 2 2 对电力系统安全运行造成危害 ( 1 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱，甚至引起误动作造成停电等重大 事故； ( 2 ) 延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用导致断路器断弧困难，影响断流能力。 3 其他危害 ( 1 ) 引起电力测量的误差； ( 2 ) 引起的电磁干扰对电力载波通信、通信线路、通信设备会产生很大的 影响。 综上所述，电网谐波是继电网电压波动、电网频率变动之后的电网第三大公 害，电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，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，谐波都成为电能质量的重要指标之一。有效地治理谐波，净化电网环境， 将其限制在允许范围之内已经迫在眉睫，也是电网安全经济运行的客观需要。 1 2 2 谐波治理的措施 谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，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：二是主动治理，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；三是被动治理，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供电点或由高一级电压 的电网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，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。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，可以有效地减小电容器对 谐波的放大并保证电容器组的安全运行。 ( 3 ) 提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正 常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。 ( 4 ) 改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能 够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。 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冲数。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，其中包括多脉整流和准多脉整流技术， 但是装置更加复杂。 ( 2 ) 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，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 混合型动态有源电力滤波器的研制及工程应用 ( 3 ) 采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个 方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成 本较高。 ( 4 ) 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，把 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。 缺点是必须保使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消耗常常 高达整流器直流功率的1 0 。 ( 5 ) 采用p w m 技术。采用脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术， 使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，只适用于自关断 器件构成的变流器。 ( 6 ) 设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流 器等，可以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 行维护也简单。 ( 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，属于a p f 的分支和发展。h a p f 的种类 很多，大致可分为与p f 的混合、与其它变流器的混合等两类。 在被动治理谐波的措施中，无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非 正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。有源 滤波器则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从 而改善系统的电流波形。 p f 是目前使用最为广泛的谐波治理措施，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。p f 成 本低、技术成熟，还可补偿无功功率，但存在以下不足： ( 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止频率以上的谐波。 ( 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， 4 硕士学位论文 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 ) 滤波特性依赖于电网参数。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。p f 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，使电网供电质量下降。 ( 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 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平 衡是很困难的。 ( 8 ) 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。 ( 9 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 与传统的p f 一样，a p f ( 包括h a p f ) 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p f 相比，a p f 具有以下一些 优点： ( 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p f 更为优越，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 ) 具备多种补偿功能，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。 面临严峻的谐波污染问题，a p f 和h a p f 是提高电能质量的最有效的工具。 早在7 0 年代有源滤波的概念就提出来了，但是由于受到功率半导体器件水平的 限制，a p f 未能得到进一步发展。随着大功率快速自关断器件的不断发展，基于 瞬时无功功率理论的谐波检测方法的不断完善，以及微机控制技术和数字信号处 理技术的不断进步，有源滤波技术得到了极大的发展，在工业上已经进入实用阶 段”1 “。 1 3 有源滤波器的发展现状 随着电力电子技术的发展，谐波治理的手段由传统的方法无源滤波器向有源 滤波器和混合型有源滤波器转变。在7 0 年代初期，h s a s a k i 等首次完整地指述 了有源滤波器的基本原理“。有源滤波器是利用可控的功率半导体器件向电网注 入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实 时补偿谐波电流的目的。 当前对于有源滤波器的研究主要集中在主电路的拓扑结构和工作机理、 p w m 逆变器的控制方法、实时谐波电流检测分析技术以及控制算法的应用等几 个方面。 按照与补偿对象的连接方式，a p f 可分为串联型、著联型。并联型a p f 虽然 可以较好的克服p f 的上述缺点，但将其并联接入电网受其容量限制，大容量的 a p f 将导致初期投资大，运行效率低及电磁干扰大等缺点，并且影响到a p f 的动 态补偿性能“。采用串联型a p f ，虽然有源装置容量小，运行效率高，可以实现系 统与谐波的隔离，有利于消除系统与p f 的谐振，抑制“背景谐波”对滤波系统造 成的危害“，但串联型a p f 不能提供系统无功补偿，由于a p f 串联在电路中，绝缘 困难，维修也不方便。因此，其工程实用性受到限制。采用有源一无源混合滤波器 方案，通过p f 隔离了基波电压，充分发挥p f 、a p f 各自的优势，消除它们各自的 弊端，减小了a p f 的容量，同时也解决了最佳投资问题。 有源滤波器的p w m 逆变器主要的控制方法有三角波调制法、滞环控制法、 周期采样法和空间矢量法等。三角波调制法有自然采样法和规则采样法，调制法 的开关频率固定，而且简单易行，响应速度快，其缺点是它会产生较大的开关损 耗和高频失真，在大功率应用中受到限制。滞环控制法的响应速度快，精确度高， 具有很好的动态特性和限流性能，但它开关频率不固定，会造成过大的脉动电流 和开关噪声。三角波调制法和滞环控制法是目前普遍应用的方法，通过采取自适 应滞环带等措施克服它们固有的缺点，取得了一定的效果。周期采样法是将指令 信号与实际信号进行瞬时值比较，输出脉冲在周期采样脉冲的同步控制下作为功 率管的开关驱动信号，其采样频率的提高受开关器件最大开关频率的限制。空间 矢量法是根据电流误差矢量区域选择逆变器输出电压矢量，使电流误差矢量向相 反方向变化，从而使逆变器输出电流很好地跟踪指令参考电流的变化，该法计算 量大，目前很难满足a p f 实时性的要求，现多为理论研究。 谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和 主要依据。由于谐波具有非线性、随机性、分布性、非平稳性等特征，因此难以 对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波分析问题进行了广泛研究。1 9 8 3 年， 日本长冈科技大学的a k a g i h 等人基于p q 分解理论“”，提出了三相电路瞬时无 功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。谐波分 析算法中使用最为广泛的是快速傅立叶变换( f f t ) 方法及其改进算法，还有自 适应理论“、基于小波( w a v e l e t ) 变换“”和基于神经网络“”们的方法，在有 硕士学位论文 源滤波器中应用最为普遍的是基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，而且该理 论也可以分离出各次谐波用于谐波分析o “。 随着大功率晶体管( g t r ) 、大功率可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶闸管 ( s i t h ) 、静电感应晶体管( s i h ) 、功率场效应管( m o s f e t ) 、场控晶闸管( m c t ) 及绝缘栅型双极性晶体管( i g b t ) 等新型快速大容量功率开关器件相继问世， p w i d 调制技术、微机控制技术、以及数字信号处理技术都取得到了长足的进步， 使得有源滤波器真正进入了工业实用阶段”。目前在国外，有源滤波器作为改善 供电质量的一项关键技术，已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波 补偿的次数逐步提高( 典型值达2 5 次) ，单机装景的容量逐步提高( a p f 的最大 容量可达5 0 m v a ) ，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。 我国在有源滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术 界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家 相比有一定的差距，存在着功耗大、费用昂贵、装置容量小、谐波跟踪及补偿效 果不够好等缺陷。到目前为止，我国仅有几台类似产品投入工业试运行，如华北 电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高 次谐波抑制装置于1 9 9 2 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用 了三个单相全控桥逆变器( 功率开关为g t r ) ，用于低压电网单个谐波源的谐波 补偿，装置容量较小。 随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨 大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 1 4 论文的研究背景和主要内容 本文研究的课题得到了国家自然科学基金( 6 0 4 7 4 0 4 1 ) 阻及国家科技攻关计 划项目“电网谐波分析与治理一体化系统”( 2 0 0 2 b a 2 1 8 c ) 的大力支持。同时， 本课题也是江西某冶炼厂的重大技改项目，所以本论文是在国家自然科学基金项 目的基础上，针对该冶炼厂的实际情况提出并研制了混合型动态有源电力滤波 器。该冶炼厂1 i o k v 变电站电网谐波非常严重，对电网的安全稳定运行造成了很 大的危害，因此非常有必要进行谐波治理。本文研制的混合型动态有源电力滤波 器除了滤除该冶炼厂电网的主要谐波成分以外，还具有一定的无功补偿能力。 本论文的主要研究内容如下： 第一章介绍了我国的谐波现状及标准，叙述了谐波治理的意义和措施，综述 了有源滤波器的发展历史及现状，最后介绍了本论文的研究背景和主要内容。 第二章主要介绍了混合型动态有源电力滤波器的拓扑结构、滤波原理和补偿 特性，首先介绍了各种类型有源滤波器的拓扑机构、原理、特点及应用，根据不 混合型动态有源电力滤波器的研制及工程应用 同类型有源滤波器的特点，提出了兼顾谐波治理和无功补偿的混合型有源电力滤 波器结构，分析了系统的滤波原理和补偿特性。 第三章阐述了有源滤波器控制的研究现状，在混合型动态有源电力滤波器的 结构上提出了基于p i 迭代学习的谐波电流跟踪控制算法，对其性能进行仿真实 验，并与采用传统滞环控制的跟踪控制效果进行了比较，说明基于p i 律迭代学 习的控制方法在动态响应的跟踪性能以及控制精度上都要优于传统的滞环控制。 第四章阐述了混合型动态有源电力滤波系统的硬件平台和软件结构，并就系 统的主电路和参数设计作了详细的介绍。并给出了混合型动态有源电力滤波系统 的运行结果和实验波形，这些结果和波形验证了系统的有效性和可行性。 第五章对全文进行了总结，得出结论，并就进一步的研究工作进行了展望。 硕士学位论文 第2 章混合型动态有源电力滤波器的研究 有源滤波器发展至今，为适应不同的工业应用要求，在并联型有源滤波器单 独使用方式的基础上，人们已经提出了许多类型有源滤波器的拓扑结构。在众多 有源滤波器类型当中，由无源滤波器和有源滤波器构成的混合型有源滤波器综合 了两者的优点，将是未来谐波治理研究和应用的方向。不同种类的混合有源滤波 器有着不同的特点，适合于不同的工业应用场合。因此，在实际应用中，必须根 据特定的要求选择合适的混合有源滤波器类型以满足实际需要。本文中的混合型 动态有源电力滤波器是针对某冶炼厂的谐波特征而设计，具有高可控性和快速响 应性。本章首先介绍有源滤波器的基本工作原理和拓扑结构，然后根据项目背景 提出混合型动态有源电力滤波器的结构，分析其工作原理，并对其补偿特性进行 仿真分析。 2 1 有源滤波器的基本工作原理 图2 1 所示为最基本的有源滤波器系统构成的原理图。图中e 。表示交流电源， 负载为谐波源。有源滤波器系统由两大部分组成，即电流检测电路和补偿电流发 生电路( p w m 信号发生电路、逆变器驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中， 电流检测电路的作用是检测出补偿对象电流中的谐波分量。补偿电流发生电路的 作用是根据检测的谐波电流信号计算产生实际的补偿电流。p w m 信号发生电路 主要是对补偿电流信号进行p w m 信号调制。逆变器驱动电路是将所需的补偿电 流功率放大，以驱动功率模块g t o i g b t 。主电路主要是完成补偿电流信号的功 率放大。 塑一一一一一一一一一一j 图2 , 1 有源滤波器系统构成原理图 如上图2 1 所示，有源滤波器的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流， 经运算电路计算得出补偿电流的控制量信号，该信号经补偿电流发生电路放大， 得到补偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电 9 混台型动态有源电力滤波器的研制及工程应用 流。例如，当需要滤去负载所产生的谐波电流时，有源滤波器检测出补偿对象负 载电流乞谐波分量屯，将其反极性后作为补偿电流的控制量信号+ ，由补偿电流 发生电路产生补偿电流f c 即与负载电流中的谐波分量也大小相等、方向相反，因 而两者互相抵消，使得电源电流i 。中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电 源电流中谐波的目的。上述原理可以用如下的一组公式描述： f i s = i + i c i l = i + i 聃 ( 2 1 ) k = 一0 f s = i l + f c = i l i ( 2 2 ) 式中o 负载电流的基波值。 2 2 有源滤波器的拓扑结构分类 最早提出的有源电力滤波器( a p f ) 是单独使用的a p f ，它存在需要容量大， 开关器件等级高，初期投资大、运行效率低等缺点。为了降低a p f 中有源装置 需要容量，各种各样的混合补偿方案应运而生。，如图2 2 所示。 图2 2 有源电力滤波器拓扑结构分类 2 2 1 单独使用的a p f 1 并联型a p f 单独使用的并联型a p f 是最早出现的有源滤波结构方式( 见图2 3 ) ，是a k a g i h 于1 9 8 6 年提出的”“，也是现在实际工业应用最多、技术最成熟的结构方式。 这种装置相当于一个受控电流源，它跟踪谐波源电流中的谐波分量，产生与之相 1 0 硕士学位论文 反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，还可以 对无功功率和不平衡分量等进行补偿，而且联接也方便。但是，由于该拓扑结构 中交流电网的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上，对开关器件电压等 级要求高，对有源滤波装置的容量要求很大，投资也很大。 2 串联型a p f 串联型a p f 通过变压器串联于输电线路中( 如图2 4 ) ，是另一种基本的a p f 形式，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与之 相反的谐波电压，从而隔离谐波源产生的谐波电压。有源装置容量小，运行效率 高，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型a p f 一方面用于改善系统的 供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于对电压很敏感的负载；另 一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整流器，避免负载产生的谐波 电压影响电网电压波形。但是串联型a p f 存在绝缘强度高、难以适应线路故障 条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用 的变压器，其工程实用性受到限制。与并联型a p f 一样，负载谐波含量较大时 串联型a p f 装置容量也将很大，初期投资也很大。 图2 3 单独使用的并联型a p f 图2 4 单独使用的串联型a p f 2 2 2 混合型a p f 1 与p f 混合的h a p f ( 1 ) 并联a p f + 并联p f 1 9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联型a p f 和并联p f 相结合的混合型有源 混合型动态有源电力滤波器的研制及工程应用 电力滤波器( 如图2 5 ) 。l c 滤波器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤波器， 也可以只包括高通滤波器。这种电路中，a p f 仍起着谐波补偿的作用，p f 滤除 大部分谐波，因此a p f 容量很小。但这种装置在使用时，电网与a p f 及a p f 与 p f 之问存在谐波通道，特别是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入 的谐波又流入p f 及系统中。同时，a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受 全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。 耩旧 硕士学位论文 在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基 波频率的谐波分量，l c 网络阻抗较大，a p f 产生的谐波电流绝大部分将流入主 电路，但是要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，而 且支路上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似，l c 网络在基波频 率处发生并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在l c 网络上，而对于高于基 波频率的谐波分量，l c 网络阻抗很小，并应该远小于支路中另一个电感的谐波 阻抗，则a p f 产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的 是，串联谐振注入型a p f 可以补偿无功功率，既可以由支路上端的电容补偿， 也可以由a p f 进行动态补偿：而并联谐振注入型a p f 不能补偿无功功率，因为 支路上端的并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主 电路。 图2 7 串联谐振注入型a p f 图2 8 并联谐振注入型a p f ( 4 ) a p f 与p f 串联后并联接入电网 1 9 9 0 年，f u j i t a h 等人提出将a p f 与p p f 串联后并联接入电网的混合型方 案。”( 如图2 9 ) ，谐波主要由l c 滤波器滤除，而a p f 的作用是改善l c 滤波器 的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生谐振等 弊端。在这种拓扑结构中，a p f 不直接承受系统基波电压，因此有源部分所需容 量更小，开关器件的耐压等级也降低了。但是，为了降低a p f 承受的基波电压 及其流过的基波电流，滤波器支路不能产生较大的无功电流，所以该方式不适合 混台型动态有源电力滤波器的研制及1 = 程应用 进行较大容量的无功补偿。 图2 9a p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 2 与其它变流器混合的h a p f ( 1 ) 并联a p f + 串联a p f 1 9 9 4 年，a k a g ih 等提出一种将串联型a p f 和并联型a p f 进行混合的 h a p f “”( 如图2 1 0 ) ，这种h a p f 也称为统一电能质量调节器u p q c ( u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 。u p q c 结合了两种a p f 的优点，其中串联型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 型a p f 提供一个零阻抗的谐波支路，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。但是，由于要选择特定的控 制方法来限制串联和并联逆变器的功率等级，u p q c 只能补偿一定量的无功，当 负载变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入 不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流，因此不能减少三相四线电网中中性 线的功率损失。”。当然，u p q c 系统的初期造价是比较高的。 图2 1 0 并联型a p f + 串联型a p f 的h a p f ( 2 ) 多重化逆变器+ p w m 逆变器 图2 1 1 所示的h a p f 系统由一个多重化逆变器和一个p w m 逆变器组成。多 重化逆变器用于基波无功功率的补偿，可用若干个6 脉冲逆变器组成，以得到较 好的输出波形，提高装置容量，满足大容量无功功率补偿的需求。p w m 逆变器 仅用于补偿负荷中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流，p w m 逆变器所 承受的电压也较小。这样，可显著降低p w m 逆变器的容量，并减小开关损耗。 但是，这种补偿方式一般需采用3 个单相的p w m 逆变器和1 个多重化逆变器， 增加了装置的复杂性和造价。 硕士学位论文 图2 1 1 多重化逆变器+ p w m 逆变器的h a p f 2 3 混合型动态有源电力滤波器 2 3 1 混合型动态有源电力滤波器提出的背景 单独使用的无源滤波器虽然成本低廉、结构简单，但是滤波效果受电网阻抗 和自身参数变化影响较大，而且易与电网阻抗发生谐振。单独使用的有源滤波器 虽然有很好的滤波性能，但是造价较高，特别是在变电站或冶金企业这样的高压 大功率场合，难以应用。同样，在上面提到的各种由多个逆变器组成的混合有源 滤波器也需要高昂的初期投入。因此，小容量有源滤波器与大容量无源滤波器相 结合的混合有源滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤波 技术的发展方向，在冶金企业谐波治理中当然也不例外。 冶金企业谐波治理的特点是： ( 1 ) 电网谐波主要是由谐波电流的畸变产生的，谐波治理的目的是防止低 电压等级电网的谐波电流注入高电压等级电网，应采用基于分流原理的并联型滤 波器。 ( 2 ) 为了节省投资，宣采用由有源滤波器与无源滤波器构成的混合有源滤 波器，并且无源滤波器应具备一定的无功功率补偿能力，避免装设额外的并补电 容器。 ( 3 ) 谐波主要是电弧炉和变频装置产生的动态谐波，故采用常规的静态电 容电感治理谐波将达不到预期的效果，必须采用动态谐波补偿。并且非线性电力 负荷( 如电力电子换流装置、电弧炉等) 的大量增加，致使供电电压的波形发生 严重的畸变，影响了电力网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正 常用电和生产，因此急需谐波治理装置。 在现有的有源滤波器a p f 与无源滤波器p f 相结合的混合有源滤波器中，如 第2 2 节所述，这些混合形式虽然降低了有源部分的容量，但是并联型a p f + 并 联p f 形式仍要承受基波电压，且系统中存在多条谐波通道，a p f 会将谐波注入 电网支路；串联型a p f + 并联p f 形式的连接变压器流过负载基波电流，且有源 部分绝缘和维护困难；并联谐振注入型a p f 不具备无功补偿能力；串联谐振注 入型a p f 若要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源部分容量比较困难， 而且支路上端的电容将很大；将a p f 与p f 串联后再并联接入电网的形式称为并 联混合型有源滤波器，这种形式的绝缘和维护比较方便，非常适合于高压、大功 率系统应用，但是一般为了减小有源部分承受的基波电压及其流过的基波电流， p f 的基波阻抗很大，因此该系统不适合应用于要求无功补偿的场合。 综上所述，在现有的有源滤波器中，还没有能够比较好的全面满足冶金企业 谐波治理特点的有源滤波装置，因此，有必要提出新的具有良好的性价比、能够 补偿一定的无功功率、满足冶金企业谐波治理要求的混合有源滤波器。 2 _ 3 2 混合型动态有源电力滤波器的结构及工作原理 根据上一节的冶金企业谐波治理背景，并结合江西某冶炼厂的实际情况，以 及对提高谐波治理能力和增加无功功率补偿功能两个关键问题的分析和考虑，本 论文提出如图2 1 2 所示的混合型动态有源电力滤波器h d a p f ( h y b r i dd y n a m i c a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，该结构以电压源型逆变器v s c ( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) 作为其