（电力系统及其自动化专业论文）基于滑模控制的电力有源滤波器研究.pdf

基于滑模控制的电力有源滤波器研究 a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e ri sam e t h o do fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n f r o m8 0 t ho f2 1 s tc e n t u r y ，w i t hh i g hd e v e l o p m e n ti n p o w e re l e c t r o n i cd e v i c ea n di t sc o n t r o lt e c h n i q u e ，a c t i v ep o w e rf i l t e ri s b e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e ，a n di th a s b e e np u ti n t op r a c t i c ef o ral o n g t i m ei nf o r e i g nc o u n t r i e s c o m p a r ew i t hp a s s i v ef i l t e r ，a c t i v ep o w e rf i l t e r i sm o r ec o n t r o l l a b l ea n dh a sq u i c kr e s p o n s ef e a t u r e s ，a n di tc a nf o l l o wa n d c o m p e n s a t ee v e r yo r d e rh a r m o n i c b e s i d e s ，i tc a ng e n e r a t ed e s i r e dr e a c t i v e p o w e ra u t o m a t i c a l l yw i t h o u ti n f l u e n c ef r o mm a i ns y s t e m a c t i v ep o w e r f i l t e rh a sn or i s ko fh a r m o n i ca m p l i f i c a t i o n a sa c t i v ep o w e rf i l t e ra r ep u t i n t op r a c t i c e ，i tw i l lb r i n gt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t t oo u r c o u n t r y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h et h e o r yo fh o wa c t i v ep o w e rf i l t e r c o m p e n s a t eh a r m o n i ci np o w e rs y s t e m ，a n ds u m m a r i z e dt h ec l a s s i f i c a t i o n a n df e a t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r t h e nad e s c r i p t i o na b o u td e v e l o p m e n ti n a c t i v ep o w e rf i l t e rd o m e s t i ca n do v e r s e a sw a sg i v e na n dt h em e a n i n go f r e s e a r c hi na c t i v ep o w e rf i l t e rw a sa n a l y z e d t h i r d ，am o d e r nr e s e a r c h m e t h o do fa c t i v ep o w e rf i l t e rw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h e niu s ei ta sr e s e a r c h m e t h o di nt h i sp a p e r a i m i n gt oa c t i v ep o w e rf i l t e r si nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs h u n tt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e ma c t i v ep o w e r f i l t e ra r ep r e s e n t w i t ht h i sm a t h e m a t i cm o d e l ，ac o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n s l i d i n gm o d ec o n t r o li sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h er e a c h i n gl a w ，i tc a n e l i m i n a t et h e c h a t t e r i n go fs l i d i n gm o d e c o n t r 0 1 i no r d e rt od e t e c t d e s i g n a t e do r d e rh a r m o n i cc u r r e n t ，u s i n gw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m t o d e t e c th a r m o n i cc u r r e n ti sr e s e a r c h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o m m a t l a bs h o wt h a t t h i sa c t i v ep o w e rf i l t e rh a sg o o dp e r f o r m a n c e0 n s u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i ci np o w e rs y s t e m s t h ew o r kt h a tid i di nm yp a p e rh a sg o o dm e a n i n gf o ri m p r o v i n gt h e a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fa c t i v ep o w e rf i l t e r ，a tt h es a m et i m ei t c a n i m p r o v ea p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d ec o n t r o li np o w e ri n d u s t r y k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i c ； 肋v e l e tt r a n s f o r m i i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 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：4 兜刍：孓日期咖幻年月日 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，即： 学校有权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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：瞄孚日期：力，少年f 月f日 导师签名： 弓t 夕一乞 日期：沙，p 年6 月6 日 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 随着电力电子技术的不断发展，电力电子装置在工业与民用各种领 域中得到了广泛的应用，同时也将大量的高次谐波注入电网。电网中谐 波的危害极大，它使电网电压波形发生畸变从而使供电质量下降，电力 系统的能量损耗增加，供用电设备寿命缩减，谐波还会对其它电子设备 造成电磁干扰。因此，电力系统谐波抑制及无功补偿问题是一个急需解 决的问题。传统的谐波抑制和无功补偿方法是使用l c 无源滤波器( 由电力 电容器等无源器件构成) 与需补偿的非线性负载并联，从而为谐波提供一 个低阻通路，同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有 电路结构简单、使用方便的优点，但缺点是它只能抑制固定的几次谐波， 并有可能在一定条件下对某次谐波会产生谐振而使谐波放大。 电力有源滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 是谐波抑制与无功补 偿的先进方法。2 0 世纪8 0 年代以后，随着电力电子器件及其控制技术的 发展，a p f 技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与l c 无 源滤波器相比，a p f 具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿 各次谐波、自动产生所需的变化的无功功率，其特性不受系统影响，无 谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，已成为电力谐波抑制和 无功补偿的重要手段。a p f 的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大 的经济效益和社会效益。 1 1 1 谐波的含义 “谐波 通常的含义为，基准频率整数倍的信号就称之为谐波。在国 际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 与国际大电网会议c 脚的文献中定义：“谐波分 量为周期量的傅立叶级数中大于1 的n 次分量 。i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中定 义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍 。 在电力系统中，正常的交流电压和交流电流都是正弦波形，一般表 示为 “1 3 f ) ；劢s i n ( 甜+ 驴) ( 1 1 ) 当正弦电压加在非线性电路上时，电流就会变成非正弦波，非正弦 电流在电网阻抗上产生压降，从而使得电压波形也会变为非正弦波。对 于满足狄里赫利条件的非正弦电压，可以分解为傅立叶级数： 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 h ( 甜) s a o + 罗( 口。c o s n t o t + 瓯s i i l “) ( 1 2 ) 篇 式中 a o 。去r 。“( 耐矽( 耐) ( 1 3 ) 口。a 三r “( o x ) c o s b 删似) ( 1 4 ) 饥一三产雎似) s i n 刀o x d ( o | ) ( 1 5 ) 在( 1 2 ) 式的傅立叶级数中，频率为f 一岁乞一的为基波，频率为基波 频率的整数倍的分量称为谐波，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次 数【1 】。 1 1 2 电力系统中谐波的产生 电网中的谐波主要是由大容量功率变换器以及其它非线性负载产生 的。其中主要的谐波源是电力电子装置，如整流装置、交流调压装置等。 而在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，而且几乎都是采用带电 容滤波的二极管不控整流或晶闸管相控整流，它们产生的谐波污染和消耗 的无功功率是非常明显的：除整流装置外，斩波和逆变装置的应用也很 多，而其输入直流电源也来自整流装置，所以其谐波问题也很严重。尤 其是由直流电压源供电的斩波和逆变装置，其直流电压源大多是由二极 管不控整流后经电容滤波得到的，这类装置( 开关电源、电压型变频器、 不间断电源等) 对电网的谐波污染也日益突出。在现代工业生产和日常生 活用电中，荧光灯、变流器、电弧炉灯都是典型的非线性负载。1 9 9 2 年 日本发表了一项关于谐波源的调查报告，发现谐波源为整流装置的占 6 6 ，为办公及家用电器( 实际也是整流装置) 的占2 3 ，无谐波源的仅占 6 ，这3 项总和高达9 5 。同时也发现谐波总量来自办公及家用电器的 占4 1 ，来自交通和冶金的分别占1 7 和1 5 ，这3 者的谐波总量占了全 部谐波的近3 4 。 与此同时，谐波源都是要消耗无功功率的，所以电力电子装置等非线 性负载也要消耗大量的无功功率，尤其是各种相控装置，如相控整流器、 晶闸管等。虽然二极管不控整流器的基波电流相位与电网电压相位几乎 相同，基本不消耗基波无功功率，但是它产生大量的谐波电流，因此也会 消耗一定的谐波无功功率。无功功率对电网和负载的运行十分重要，但是 如果这些无功功率都由电网提供并远距离传送显然不合理。它直接增大 了设备容量和功率损耗，既增大了环境污染及能源消耗，同时也严重影 2 硕士学位论文 响供电质量，尤其是供电电压的质量。 近年来，随着我国改革开放和经济技术的飞快发展，高新技术、尤 其是信息技术的飞速增长，我国电力负荷出现了一些新的特征。 ( 1 ) 用电负荷结构发生了重大变化，如晶闸管调压变频、半导体整流 器等电力电子装置、电力机车、电弧炉和家用电器等负荷的迅速发展， 是最严重的谐波源。由于其非线性、不平衡及冲击性的用电特性，使电 网的电压波形发生畸变，或者引起电压波动和闪变以及三相不平衡，这 些对供电质量造成严重的干扰亦即“污染一问题，使供电不可靠因素增 大，给用户和供电企业都造成直接经济损失。 ( 2 ) 高新技术应用的多种设备，例如敏感电子器件、电子计算机、核 磁共振设备、功调器、激光切割设备、配电卫星传送器、节能灯等，它 们大多是基于计算机系统的自动化控制设备和电子装置，本身既是谐波 源，又对系统中的异常和干扰非常敏感。 ( 3 ) 家用电器，如调速风扇、日光灯、空调、电视机、冰箱等增长 迅猛。 ( 4 ) 在开放、鼓励竞争的电力市场运行机制下，用户也可以作为独立 体来参加价格控制，这必然对电力质量提出越来越高的要求。各种非线 性用电设备容量的增长率大大超过了电网发电设备容量的增长率，我国 电网也开始遭遇发达国家的电能质量问题，这意味着谐波源将随之增长， 电网电压畸变率也将上升。经验和预测表明，电能质量的监督和治理工 作具有长期性和艰巨性。 1 1 3 谐波对电力系统的危害 谐波的危害主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 输电线的损耗增加，缩短输电线寿命。谐波电流在输电线路上产 生谐波压降的同时也增大了输电线路上的电流有效值，从而引起附加的 输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式 增强了介质的电场强度，这会影响电缆的使用寿命，据有关资料介绍， 谐波的影响会使电缆的使用寿命平均下降约6 0 。 ( 2 ) 电力电容器引起的谐波放大。电容器的容抗与频率是反比的关系， 因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从 而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐 波电压所占的比例不大，也会产生很大的谐波电流。尤其是在发生谐振 的情况下，很小的谐波电压也会引起很大的谐波电流，导致电容器因过 流而损坏。 ( 3 ) 旋转电机的损耗增加。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转 子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于集肤效应和涡流的关 系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大的多。 3 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。 ( 4 ) 变压器的损耗增加。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生邻 近效应和集肤效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。 另外，3 的整数倍零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外 的环流有可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来 说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会 使交流激磁电流的谐波分量大大增加。 ( 5 ) 引起继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的 动作特性，这与继电器的原理和设计特点有关。当有谐波畸变时，依靠 过零工作或采样数据的数字继电器容易产生误差。谐波对距离、过电流、 欠电压、周波等继电器均会引起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动 作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。 ( 6 ) 造成电力测量的误差。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，仪表则很容易产生误差。比如，感应式电能 表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为 负误差，当频率约为1 0 0 0 h z 时，电度表将会停止转动。 ( 7 ) 干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发 生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注人一个脉冲电压，该脉 冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到i m h z ，因而会引起电磁干扰， 对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如与架空线平行的通讯线 路、远动装置信号以及电力载波通信，谐波的影响都很大。 ( 8 ) 造成电弧熄灭延缓。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电 流会使潜供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线 圈接地系统中较大的谐波分量同样会阻碍或延迟消弧线圈的灭弧作用。 谐波分量还会使电流过零时的d i d t 值过大，导致断路器断弧困难，影响 断流能力。 1 1 4 目前对电力系统中谐波的治理方法 在对电力系统谐波的治理中主要分为受端治理、主动治理和被动治 理三个方面。 ( 1 ) 受端治理谐波也就是从受到谐波影响的设备或系统出发，提高这些 设备的抗谐波干扰能力。 ( 2 ) 主动型谐波治理方法就是指在电力电子设备的设计制造的时候就 考虑谐波问题，从而使设计出来的产品本身就不产生谐波或者只产生很 少的谐波，并且功率因数为1 。 ( 3 ) 被动型谐波治理，是指在谐波产生以后，采用专用的谐波抑制设备 去对谐波进行治理。如本文中的电力有源滤波器。 1 、受端治理谐波的措施： 4 硕士学位论文 ( 1 ) 选择合理的供电方式，将谐波源由高一级电压的电网或较大容量 的供电点供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响，不过这必 须在电网规划和设计阶段予以考虑。 ( 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，不过这是有一定限度的，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， 这将保证在谐波超标情况下，设备不会损坏，但不能保障设备的正常工 作。 2 、主动治理谐波的措施： ( 1 ) 增加变流装置的脉冲数或相数，改造变流装置或利用相互间有一 定移相角的换流变压器，可有效的减小谐波含量，其中包括多脉整流和 准多脉整流技术，不过装置更加复杂。 ( 2 ) 改变谐波源的工作方式或配置，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。 ( 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，不 过装置复杂，成本较高。 ( 4 ) 谐波叠加注入，利用3 的倍数次谐波和外部3 的倍数次谐波源，把 谐波电流加到产生的矩形波上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。 缺点是必须保证使3 的倍数次谐波源与系统同步，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 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，不过这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，比如采用四象限变流器等、矩阵 式变频器，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为1 。 3 、被动治理谐波的措施： ( 1 ) 采用无源滤波器p p f ( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ，在谐波源附近或公用电网 节点处装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以对无 功功率进行补偿，运行维护也简单。 ( 2 ) 采用有源滤波器彳即( 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 节点处装设并联型或串联型a p f ，可以有效的起到隔离谐波的作用，并 联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高。 5 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 ( 3 ) 采用混合型有源滤波器h a p f ( h y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r ) ，h a p f 兼具 p 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 p f 的混合和与其他变流器的混合两类。 在被动治理谐波的措施中，p p f 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。a p f 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。目前在治理谐波的措施中，广泛采 用p p f 。它利用电感、电容元件的组合谐振特性，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 p f 成本低、技术成熟，还 可补偿无功功率，但存在很多不足。 与传统的p p f 一样，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， 但理论上一台a p f 可以拥有无穷多个谐振频率。与p 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并联或串联谐振，系统结构的变化不会影响治 理效果。 ( 3 ) 原理上比用下更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。 ( 4 ) 可实现动态治理，能够迅速响应谐波的大小和频率发生的变化。 ( 5 ) 由于装置本身可以完成输出限制，所以即使谐波含量增大也不会过 载。 ( 6 ) 具备多种补偿功能，可以同时对谐波和无功功率进行补偿。 ( 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。 在今天的电力电子器件的制造水平下，单独采用a p f 实现高压大功 率的谐波补偿较为困难，而且成本也极其昂贵，因而，采用h a p f 将a p f 和 p p f 结合起来，取两者之长，避免它们的短处，是当前中、高电压大功率 a p f 推广应用的必然途径。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外电力有源滤波器的研究进展 有源电力滤波器的原始模型是在1 9 7 1 年由日本的s a s a k i 和m a c h i d a 首 先完整地描述的，但由于当时是采用线性放大器来产生补偿电流，效率 非常低，并无实用价值。1 9 7 6 年，美国的g y u g y i 和s t r y c u l a 提出了用p w m 逆 变器构成的有源电力滤波器，讨论了有源电力滤波器的实现方法和相应 的控制原理f 2 1 。从理论上讲，它是一种理想的谐波电流发生器，确立了当 今有源电力滤波器的基本结构。然而在7 0 年代，电力电子器件的制造水 6 硕士学位论文 平还相当落后，缺少大功率快速可关断器件，对有源电力滤波器的研究 几乎没有超出实验室的范围。八十年代以后，大功率晶体管( 6 t n ) 、大功 率门极可关断晶闸管( c t o ) 、静电感应晶体管( s i r ) 、绝缘栅双极型晶体管 ( i g o r ) 和m o s 控制晶体管( m c t ) 等新型快速器件不断涌现，才为有源电力 补偿技术的理论研究和实用装置研制创造了条件。1 9 8 2 年，世界上第一 台容量为8 0 0 k v a ，采用g t o 为开关元件的电流源逆变器构成的并联型有 源线路调节器( a c t i v ep o w e r l i n ec o n d i t i o n e r ) 投入运行，用于高次谐波的抑制 ( 3 1 。1 9 8 3 年，日本的日么k a g i 等人提出了瞬时无功功率理论p q t h e o r y 4 - 5 1 ， 较好地解决了三相系统畸变电流的瞬时检测问题。该理论的出现，表明 实现有源电力滤波器补偿功能的条件己经基本具备，因此此后有源电力 补偿技术的实用化研究得到了极大的发展。后来，h 彳妇等人采用该理 论又研制出功率电路由2 4 个功率晶体管构成开关元件的四重电压型逆变 器组成，容量为7 k v a 的有源电力滤波器 6 1 ，用于抑制2 0 k v a 的三相整流负 载所产生的高次谐波。实验表明，在稳态和暂态情况下，谐波电流都得 到了完全抑制，总有效率达到9 6 以上。这证明了瞬时无功功率理论与有 源电力滤波器的可行性和实用性。1 9 8 6 年，日本的k k 俐口坫昭f 和t m u r a 研 制出一套用于三相整流器补偿的1 5 k v a 的两重型谐波电流补偿器，可以补 偿1 9 次以下的高次谐波，使电流总的谐波畸变率由补偿前的2 4 9 降低 到1 8 ，效果十分显著1 7 1 。1 9 9 1 年，南非e n s l i n 和v j 矿y k 等人将三相t c r 和 三相动态有源电力滤波器( d p f ) 结合在一个装置内，研制出容量为 1 0 0 k v a 的综合有源补偿系统 s - g l 。目前，国外竞相开展有源滤波器的研 究，并已得到广泛应用 1 0 - 1 1 1 。进入2 1 世纪，各种新型电力电子器件的投 入，还有新控制算法的加入，使电力有源滤波器的补偿能力大为提高， 而且控制精度也大为提升。文献【12 】提出了一种采用滑模控制算法的三相 四线制的电力有源滤波器，它可以可靠的补偿谐波相电流、中性线上的 谐波电流和负载上的不平衡电流。并且对自身的直流侧的电压进行了很 好的控制。为了控制电力有源滤波器，滑模的切换函数是基于由0 的坐标 系下建立的。整个系统已经用李雅普诺夫的稳定理论证明为是稳定的。 文献【1 3 】设计了一种基于离散滑模控制的三相电力有源滤波器。滤波器的 控制算法是在d s p t m s 3 2 0 c 5 0 上实现的。应用离散滑模控制算法相对以前 的控制算法，在主电流控制参数的选取上变得更加容易，包括不平衡电 流、谐波电流等。文献f 14 1 提出了一种基于滑模控制算法的电流源电力有 源滤波器，并且对控制延迟对系统产生的影响也提出了一种简单的补偿 方法。文献【1 5 】设计了一种基于滑模控制算法的单相电力有源滤波器。并 且在实验室对其进行了试验测试，对实验室限制不能测试的部分用 m a t l a b 进行了仿真测试。测试表明可以可靠的补偿谐波相电流。文献【16 】 对用d s p 来实现的电力有源滤波器的控制策略进行了研究。文献中对空间 7 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 矢量控制、滑模控制、预测控制、最少拍控制等几种控制算法在d s p 组成 的系统中进行了系统的测试，并且对各个算法的优点与缺点进行了评价。 文献【17 】设计了一种同时补偿谐波电流、无功功率和三相四线制中由于不 平衡负载产生的中性线上的电流的电力有源滤波器。控制算法采用滑模 控制算法，并且对直流侧的电压进行了很好的控制。文献【18 】中的电力有 源滤波器同时用到了2 种控制算法，滑模控制算法和传统的控制算法。 滑模控制算法通过外部直流侧电压控制环使直流侧电容的电压稳定，传 统的丹控制算法通过内部的电流内环控制来抑制谐波电流。两种算法互 相补充，互相配合，从而使电力有源滤波器有很好的谐波抑制效果。文 献f1 9 1 中设计了一种应用d q 平面理论的积分滑模控制算法控制的三相 电力有源滤波器。已经应用在了l k w ，2 0 8 v 三相整流器上，对谐波有很好 的抑制。文献f 2 0 1 提出了一种新型的基于神经网络和滑模控制的三相电力 有源滤波器。自适应线性神经网络用来检测谐波电流和参考信号的预测。 滑模控制算法用来保持对参考信号的实时追踪，并且对p w m 电路提供控 制信号。经过实验发现，同以前的电力有源滤波器相比，在电源波形的 改善上有很大的改进，而且也使功率因数有了很大的提高。文献【2 1 】设计 了一种自动调谐的鲁棒有源电力滤波器，用模糊控制器来调节控制， 从而有更好的动态表现。文献【2 2 】设计了一种并联操作无源滤波器和有源 滤波器来抑制谐波。文献【2 3 】设计了用来抑制非线性负载造成的谐波的滤 波器。现在又出现了很多在专用场合用的有源电力滤波器，如文献【2 4 】 中的在铁路电力系统中的单相混合有源电力滤波器，文献【2 5 】中对在电力 配送系统中功率因素校正用的电容器和电感串联谐振导致的谐波设计了 专用的电力滤波器。在美国日本等电力电子技术发达的国家，有源电力 滤波器己进入推广应用阶段 2 6 1 ，容量从数百千伏安到数兆伏安，其功能 不仅用作补偿谐波和谐波隔离以至配电系统的谐波抑制，随着容量的提 高，其功能更扩展至用户电能质量的综合治理。仅日本从19 8 3 年至1 9 9 5 年底己有4 5 5 套有源滤波器己成功运行在工业应用多个方面 2 7 - 2 s 1 。 1 2 2 我国的电力有源滤波器的研究进展 我国对有源电力滤波器的研究起步比较晚，直到1 9 8 9 年才有这方面 的研究文章t 2 9 1 ，大多数研究仍处于实验研究阶段，1 9 9 1 年，北方交通大 学研制出3 k v a 的无功及谐波动态补偿装置1 3 0 l ，同年底，冶金自动化研究 院和华北电力科学研究院、北京供电局联合开发研制的3 3 k v a 双极面结型 晶体管电压型有源电力滤波器在北京木材厂中心变电站投入试运行，用 来就地清除换流设备所产生的高次谐波电流注入电网所造成的污染和能 耗1 3 1 1 。此外，西安交通大学、华北电电力大学、清华大学、重庆大学、 浙江大学、华南理工大学等高校和研究机构，对有源电力滤波技术上进 行了深入的理论和试验研究 3 2 - 3 4 1 ，有些工业现场也已经安装了有源电力滤 8 硕士学位论文 波器运行，如贵州天生桥到广州北郊的5 0 0 千伏高压直流输电线路就投 入了有源直流滤波器来抑制直流侧谐波的影响。在最近这1 0 几年中，我 国的电力有源滤波器有了很大的进步。文献【3 5 】提出了一种基于d s p 的 电力有源滤波器设计方法，详细分析了这种控制系统以及模拟数字转换 电路，并给出了该系统的总体结构图。文献f 3 6 1 研究了滑模变结构控制在 有源电力滤波器的控制中的应用，并且对滑模中的抖振问题提出了解决 的办法，最后仿真结果发现相比传统的控制具有更好的鲁棒性，暂态 过程超调量和响应时间均很小，实时性好，这样就提高了补偿精度，效 果更好。文献【3 7 】针对滑模变结构控制方法在有源电力滤波器中的应用 问题，提出了基于d s p 的有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方 法，建立了三相三线有源电力滤波器电流控制回路数学模型，提出了滑 模变结构控制方法，对该控制策略下三相三线有源电力滤波器的控制性 能进行了分析，该方法跟踪的快速性好，系统的稳定性好，具有良好的 纠偏能力。文献【3 8 】设计了一种基于滑模控制的混合型电力滤波装置， 混合型滤波装置一方面改善了无源滤波器的性能，另一方面可大大减小 有源滤波器的功率，从而降低了整个装置的成本。而基于离散化滑模控 制的控制方法，实施简单，保证了整个滤波器的滤波性能。文献【3 9 】从保 护电力电子器件的角度对一种使用i g b t 的电力有源滤波电路进行了仿真 研究。文献f 4 0 】结合灰色系统理论和变结构控制理论，设计了一种新型三 相有源电力滤波器的灰色变结构控制器。此控制器是在传统v s c 的滑模面 附近增设边界层，同时将饱和函数代替传统变结构中符号函数，再通过灰 色预测下一状态值来调整滑模控制增益大小，有效地减弱了传统变结构控 制的“抖动现象。仿真结果表明：在g v s c 控制下的彳即具有更好的补 偿效果，且直流电容电压更稳定。 1 3 本文的主要研究内容 本文围绕“基于滑模控制的电力有源滤波器研究 课题，系统地学 习了变流技术、滑模变结构控制、谐波抑制等方面的知识，大量的参阅 了目前电力有源滤波器研究领域的各种先进设计与控制方法的学术论 著，认真的分析了各种设计理论的可行性和实用性，并在此扎实的理论 学术指导下提出了了一种电力有源滤波器的设计方法一基于滑模控制的 电力有源滤波器。该方法将先进的滑模变结构控制算法引入到了电力有 源滤波器的控制中，实现了电力有源滤波器更加精确、更加可靠的抑制 谐波的目的。主要做了以下几个方面的工作： 1 在对电力有源滤波器的电路结构的分析基础上，对三相四线制电 力有源滤波器的工作原理和电路结构作了分析，并且给出了数学模型。 2 通过对多种电力有源滤波器的控制方法分析后，针对三相四线制 9 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 电力有源滤波器的非线性数学模型，选取滑模变结构控制方法来控制三 相四线制电力有源滤波器，从而可以更加精确的控制三相四线制电力有 源滤波器，使其更加精确和快速的补偿谐波。 3 为了精确的对某个高次谐波进行补偿，选取了小波包检测算法， 可以检测特定次数的谐波电流，从而可以对特定次数的谐波进行补偿， 满足了要求。 1 4 论文结构 本文的结构如下： 第一章概要的介绍了本文的研究目的、现状、意义、内容。 第二章对电力有源滤波器的工作原理、分类及控制技术做了阐述， 并在此基础上详细论述了电力有源滤波器的主电路的数学建模。 第三章对谐波电流检测的各种方法做了阐述，深入分析了瞬时无功 理论和小波包变换检测电流谐波的方法，并给出仿真结果。 第四章对滑模变结构控制的基本思想作了必要的论述，对其控制的 特点及优点做了论述，并且对电力有源滤波器的直流侧电压控制做了深 入分析。 第五章针对电力有源滤波器的特点，研究滑模变结构控制在电力有 源滤波器控制中的应用，并给出了仿真结果。 总结了论文所作的工作，提出进一步需要解决的问题。 1 0 硕十学位论文 第2 章电力有源滤波器的工作原理与主电路数学建模 2 1 电力有源滤波器抑制谐波的工作原理 有源电力滤波器是当今谐波抑制的一个重要趋势，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 而极性相反的补偿电流注入电网，从而使电网电流只含基波成分。最基 本的并联型有源电力滤波器系统构成的原理图如图2 1 所示。图中，g 。表 示交流电压，负载为非线性负载，它产生谐波并消耗无功功率。有源电 力滤波器系统由两大部分组成，即检测电路和补偿电流发生电路。其中， 检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补 偿电流发生电路的作用是根据检测电路得出的补偿电流的指令信号，发 出对应的补偿电流。补偿电流发生电路的主电路，在产生补偿电流时， 主要作为逆变器工作，在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时， 它就作为整流器工作。所以一般称为变流器。 图2 1 有源滤波器的工作原理图 有源滤波器的基本工作原理是，采用电流互感器及电压互感器得到负 载端的电流、电压信号，然后送入检测电路，检测电路计算得出补偿电 流的指令信号，指令信号送到主电路的控制电路中，经过控制电路产生 p w m 驱动信号，驱动电路根据控制电路产生的控制信号控制对应的电力 电子器件的通断，从而产生所需的补偿电流，补偿电流与负载电流中要 补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的电源电流。 例如在图2 1 中f 为电源端电流，屯、0 为负载端电流，e ，为电源 电压，由电流互感器得到a 、b 、c 三相负载端电流屯、k 、k 以及中性线 上的电流，送入到检测电路中，得到指令信号匕、玩、e ，然后送 1 1 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 入到滑模控制电路中，控制电路根据指令信号给出主电路中电力电子开 关器件的开关信号兄、咒、足、，主电路的驱动电路根据开关信号控 制对应的开关器件的通断，从而产生所需要的补偿电流，与电力系统中 的谐波电流抵消掉，最后使得电源端的电流为正常的正弦电流也就是负 载的基波电流f ，。 如果需要对无功做补偿，只需要在指令信号中加入负载基波电流中的 无功部分的反向信号就可以了，主电路就会产生相反的无功功率，从而 对负载消耗的无功功率进行补偿。上述的过程可以用下公式表示。 t 。t + t( 2 1 ) i l ；0 + i z i i( 2 2 ) t - - i 聃 ( 2 3 ) ；+ f 。；0( 2 4 ) 其中：f 。电源端电流 负载端电流 0 负载端基波电流 屯负载端谐波电流 t 滤波器输出电流 在实际的工程中，很多谐波源的容量都比较大，而对有些办公及民用 建筑所产生的谐波只能采取集中补偿的方法，容量也很大，这就会使得 相应的谐波补偿装置的容量过于大，导致成本偏高。虽然随着科学技术 的进步，电力电子器件的容量已经变得越来越大，但有时还是不能满足 太大容量有源滤波器的要求。可以将电力电子器件并联或串联来增大装 置的容量，但这样的难度比较大，而且对单个器件的容量也很浪费，无 法充分发挥单个器件的容量。第二种解决的方法是多重化的主电路形式。 多重化主电路，最基本的特点是可以较容易实现大容量，除此之外，也 可以提高有源滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能。 而且由于等效开关频率提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可 以降低对器件工作频率的要求，又可以减小器件的开关损耗 多重化主电路形式一般有： 1 串联电抗器多重化方式。 2 采用平衡电抗器的多重化方式。 3 使用变压器的串联多重化方式。 1 2 图2 2 串联电抗器多重化方式 电抗器 变流器1 妄 变流器2 ； 图2 4 采用变压器的多重化方式 2 2 电力有源滤波器的分类 图2 3 平衡电抗器的多重化方式 有源滤波器的分类有很多种，如图2 5 所示比较通用的为按照接入方 式来分类，按照补偿的相数分类，按照滤波器主电路的结构分类等方法。 2 5 滤波器的分类 1 3 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 2 2 1 按照接入方式来分类 有源滤波器按照接入方式分类分为并联型有源滤波器、串联型有源滤 波器和统一电能质量调节器。 并联型电力有源滤波器如图2 6 所示，是指整个滤波器直接并联接入 电网。滤波器与电网负载是并联关系，负载为非线性负载。电力有源滤 波器在产生补偿电流的同时，由于自身的开关器件在不停的通断，所以 同时自身也会产生开关频率附近的谐波，如果需要滤除有源电力滤波器 自身产生的谐波，可以在滤波器上并联一个小容量一阶高通滤波器( 或 采用二阶高通滤波器) 。 单独使用的并联有源滤波器是最简便也是最基本的的方式，可以和别 的装置灵活搭配应用。不仅可以补偿谐波，同时也可以补偿无功功率。 缺点是当所需要补偿的谐波电流较大时会要求滤波器的容量变的很大， 造成成本的上升。将其与l c 滤波器混合使用后可以解决其容量大、成本 高的缺点。 图2 8 和图2 9 是混合型有源电力滤波器h a p f ，是为了解决有源滤波 器需要容量过大的问题1 4 1 - 4 2 1 。其中图2 8 是有源电力滤波器和l c 无源滤波 器并联以后再接入电力系统，图2 9 是有源电力滤波器和l c 无源滤波器 串联后接入电力系统。主要的补偿任务是由l c 无源电力滤波器来承担， 而有源滤波器只需要补偿那些经常变动的谐波。由于l c 滤波器与有源滤 波器相比，+ 其优点在于结构简单、易实现且成本较低，而有源滤波器的 优点是补偿性能好。两者结合同时使用，即可克服有源滤波器容量大、 成本高的缺点，又可以使整体系统获得良好的性能。 l i 图2 6 单独使用并联型电力有源滤波器图2 7 单独使用的串联型电力有源滤波器 图2 8 h a p f图2 9a p f 与无源滤波器串联后并联接入电网 1 4 硕i ：学位论文 串联型电力有源滤波器如图2 7 所示，是指整个滤波器通过变压器串 接在负载和电源之间。负载为产生谐波的谐波源。 串联型电力有源滤波器与并联型电力有源滤波器不同，主要用于补 偿可看作电压源的谐波源。针对这种谐波源，串联型电力有源滤波器输 出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦 波。串联型与并联型可看作是对偶关系。 图2 10 为串联型电力有源滤波器与l c 无源滤波器混合使用的方式。 这种方式是在并联的负载和滤波器与电源之间串入电力有源滤波器，谐 波基本上由l c 滤波器补偿，而电力有源滤波器中滤波器的作用是改善 滤波器的滤波特性。可将电力有源滤波器看作一个可变阻抗，它对基波 的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波的电流流入电网，而迫使 谐波电流流入滤波器，电力有源滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样 还可抑制电网阻抗对滤波器的影响，以及抑制电网与滤波器之间可能发 生的谐振，从而极大地改善滤波器的性能。 l 一一i 图2 1 0 与无源l c 滤波器混合使用的串联a p f 统一电能质量调节器是由一个串联有源滤波器和一个并联有源滤波 器组成的。如图2 1 1 所示。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 统一电能质量调节器 图2 1 1 统一电能质量调节器 1 5 基于滑模控制的电力有源滤波器研究 滤除谐波的任务主要还是由并联电力有源滤波器承担，串联滤波器 主要是在电网和公共节点之间起到谐波隔离的作用。两个滤波器公用同 一个储能元件，公用的储能元件是由并联电力滤波器来对其进行电压调 整。 2 2 2 按照补偿的相数分类 按照所需要补偿的相数来分类，可以分为单相有源滤波