（电力电子与电力传动专业论文）直流侧混合有源电力滤波器谐波补偿控制研究.pdf

a b s t r a c t a st h e r a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i c s t e c h n i q u e ，l o t s o f p o w e r e l e c t r o n i c sd e v i c e sh a v eb e e na p p l i e di nm a n yf i e l d s h o w e v e r , i ta l s oa r o u s e st h e s e r i o u sh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h e p o w e rs y s t e m n o w , h a r m o n i c s o ft h e p o w e r e l e c t r o n i c si n v e r t e rh a v eb e e nt h em o s t i m p o r t a n t r e s o u r c ei nt h a to ft h ep o w e r s y s t e m p a s s i v ec o m p o n e n t si np o w e re l e c t r o n i c ss y s t e m ，e s p e c i a l l ye l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r , n o t o n l yh a v en o to b v i o u si m p r o v e m e n ti n i t s s i z e ，c o s t a n dr e l i a b i l i t y , b u ta l s o w i l l d e c r e a s ew o r k i n gl i f ew h e ni tw o r k si nh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n t i naw o r d ，t h e e l e c t m l y t i cc a p a c i t o rb e c o m e s t h ef e e b l e , s tp a r ti nt h ep o w e rs y s t e m t oe l i m i n a t et h e d i s t u r b a n c eo ft h eh a r m o n i c se f f e c t i v e l y , p o w e re l e c t r o n i c se n g i n e e r sh a v ea p p l i e d a c t i v ep o w e r f i l t e r s ( a p f ) t os u b s t i t u t et h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r b u t a san e wd e v i c e o fh a r m o n i c sc o m p e n s a t i o n ，a p fh a sm u c h s h o r t c o m i n g i tc o u l d n to v e r c o m ei t s e l f n o w , t h a ta p fa s s o c i a t e w i t h p a s s i v ep o w e rf i l t e r s ( p p f ) t oc o m p e n s a t e h a r m o n i c si st h em o s te f f e c t i v em e t h o d w i t ht h i sm e t h o d ，s y s t e m sc a p a c i t yc a t lb e e n l a r g e d ，c o s tc a nb e e nd e c r e a s e da n dp e r f o r m a n c ec a nb e e ni m p r o v e d t h i sp a p e r a p p l ys h u n ta c t i v e p a s s i v eh y b r i df i l t e rr e p l a c i n gt h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r t ot h e d c l i n ko ft h ei n v e r t e rt or e a l i z et h e s i l i c o ns o l u t i o n o ft h ee l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r m e a n w h i l et h ep r o p o s e ds c h e m ed e s c r i b et h en e wm e t h o dt h a tt h eh y s t e r e s i s c o n t r o ls y s t e ma n dt h ed i g i t a lf u z z yl o g i cc o n t r o ls y s t e mi su n i t e dt oc o n t r o lw h e t h e r t h es w i t c hw o r ko rn o t w ea p p l ym a t l a bs o f t w a r et oe m u l a t et h es y s t e m o nt h i s b a s i s ，w e b u i l dt h es y s t e mb a s e do i lt h et m s 3 2 0 f 2 4 0 c h i ps o t h a tw ec a ni m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb ym o d i f y i n g s o f t w a r e t h ee m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e f u z z yl o g i c c o n t r o l e l e c t r o l y t i cc a p a c i t o r h a r m o n i c s a c t i v ep o w e rf i l t e rp a s s i v ep o w e rf i l t e r 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，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，也不包含为获得盔盗盘鲎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：家丧弓南 签字日期：2 一p 牛年，月，2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权：丞壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：未反 氦导师签名 签字l a 期：2 。口v 年月，日 签字日期月7 日蓐_ 钆 易冲 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 电力电子变流器的应用及发展概况 随着电力电子技术的发展以及工业生产的需要，电力电子变流器在工业生产 的各个领域获得了广泛的应用。其中逆变器是电力电子变流器的一种重要形式， 它的主要功能是将直流电能转化成各种频率的交流电能，从而为各种负载供电。 按照负载对电源的要求，逆变器可以分为以下几类： l 、感应加热用交流电源：按照工作频率分为中频电源、超音频电源和高频 电源。 2 、交流电动机调速电源：交流电机调速电源的应用是很普遍的，如风机水 泵和机车牵引等。 3 、恒频恒压电源：典型应用于不间断电源( u p s ) 、航空机载电源和机车辅 助电源等。 4 、有源逆变电源：主要应用有直流输电系统和绕线式交流电动机调速系统 等。 按照直流环无源元件的性质来划分可分为： 1 、电流源型逆变器：在它的直流环串联连接一个电抗器，直流环呈现恒流 源性质。 2 、电压源型逆变器：在它的直流环并联连接一个电解电容，直流环呈现恒 压源性质。 电压源型逆变器是当今功率半导体变流器的先导【3 2 1 ，在未来的电力电子变流 3 图1 - 1电压源型逆变器电路框图 天津大学硕士学位论文第一章绪论 器中，有可能取代所有其他类型的变流器。传统电压源型逆变器的主电路框图如 图1 1 所示。 1 1 2电解电容在变流器中的作用及其缺点 图1 ，1 中，直流环并联电解电容c 是决定逆变器成本和体积的关键因素之一， 它是逆变器中必不可少、起着重要作用的元件。其作用主要表现在以下几点： l 、谐波补偿 电压源型逆变器一般供电给感性负载。由于感性负载要消耗无功功率，在逆 变器直流电流i d 中产生较大成分的谐波分量。在没有电解电容存在的情况下，其 谐波分量将流入到整流电源中，由整流电源提供负载所需要的无功功率，使电源 不能充分利用。除此之外，谐波分量通过整流电路，在交流母线上引入较大的谐 波分量，对电网产生谐波干扰，形成电网公害。由于电解电容对高频呈现低阻抗 而使逆变器直流电流中的高频谐波分量大部分都流入电解电容，所以整流电源仅 提供其直流分量和少量谐波分量。这就是电解电容的谐波补偿作用。它一方面稳 定了直流环电压，另一方面降低了对整流电源的容量要求。 2 、平波作用 逆变器电源一般都采用三相不可控或者可控整流电源。整流电源输出电压 u d 中含有较大成分的纹波，此纹波如果不处理，就会通过逆变器反映到负载，对 负载的工作特性产生不良影响。由于电解电容对高频呈现低阻抗，它能滤除电压 u d 中的高次谐波，使整流电源输出相对平直的直流电压。 3 、解耦作用 通过作用l 和作用2 可以看到。电解电容可以使整流电路和逆变电路互不 干扰，各自独立工作。这就是电解电容的解耦作用。 4 、瞬时提供能量 逆变器在电机负载情况下，当负载发生突变时，逆变器的整流电源不能瞬时 供给大量能量而引起电机转速下降。此时，电解电容将瞬时提供大量能量，使电 机转速稳定。 虽然电解电容与交流电容比较，具有容量大、体积小、重量轻、价格便宜的 优点而在工业生产中获得了广泛的应用，但是电解电容可靠性差，温度特性和频 率特性差，损耗大，寿命短。在逆变电路中，容易与滤波电感产生谐振。并且电 解电容价格相对昂贵。如西德d e 4 4 1 6 8 5 号机车直流环采用了1 0 0 0 只3 3 0 0 1 a f 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 0 0 v 的电解电容器，若按照我国价格折算约需1 0 0 多万元。d e 2 5 0 0 机车采用 了6 7 2 0 0 , u f 的电解电容器，投资约需1 0 万元。 这些电解电容自身无法克服的缺点严重阻碍逆变器向小型化、轻量化、集成 化和高可靠性方向发展。为了克服电解电容的缺点，本文提出在变流器直流侧用 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 代替电解电容进行谐波补偿，克服电解电 容的缺点，使逆变器能够向小型化、轻量化、集成化和高可靠性方向发展。 1 2 前人的研究成果 随着现代工业生产规模的不断扩大，谐波的危害及其造成的损失也在不断 上升，所以世界各国都重视谐波问题，制定了有关谐波的国家标准，加强了管理， 从法律上保证电力系统的正常运行【”。根据较长时间对谐波的测试和运行实践， 各国相继制定了限制电力系统谐波的标准或规定，一般说来，各国的标准比较接 近，但是至今尚未制定出国际公认的标准，国际大电网会议( c i g r e ) 和国际电 工委员会均在组织制订工作。其中英国的标准制定较早，很多国家在制定自己的 标准时都加以参考。我们国家的标准：g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量，公用电网谐波， 已于9 3 年7 月发布，并于9 4 年3 月正式执行。 在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以 便把谐波电压控制在限制以内i ”。抑制谐波电流主要有两个方面的措施或思路： 降低谐波源的谐波电流含量和在谐波源处吸收谐波电流。由于电力系统的大量的 谐波源是变流器，那么增加其脉动次数对降低谐波含量就是最为有效的措施了。 变流器的特征谐波次数为 n = 如1 ( 1 - 1 ) p 就是变流器的脉动数，脉动数越多，注入电力系统谐波的起始最低次数n 越高，谐波含量会明显下降。实际上，由于设备及其运行情况常常不能完全满足 对称、平衡、稳定和等相位间隔等理想条件，多脉动变流装置还会有非特征谐波 产生，产生少量较低次谐波。 除了上述被动的谐波抑制措施之外，现在大量采用的方法就是装设交流滤 波器来滤除谐波和采用高功率因数整流器。交流滤波器是属于补偿谐波的方法， 而高功率因数整流器则是用于改造谐波源1 4 1 。 3 天津大学硕+ 学位论文第一章绪论 1 2 1 无源滤波技术( l c 滤波器) l c 滤波器是传统的谐波补偿装置，又称为无源滤波器( p p f ) ，它由电力滤 波电容器、电抗器和电阻按功能要求组合而成。它与谐波源并联，除了滤波作用 以外，还兼顾无功补偿的需要。实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤 波器构成混合滤波装置。单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成。 它对第n 次谐波的阻抗为： 1 z 柚i r 柚+ j 0 ，l 一击) ( 1 - 2 ) 厅0 9 j l 谐振的谐波次数n 由下式决定： n ：笔一 ，k 1 3 ) n = ；一 1 jj 0 9 s l c 在谐振点处，n 次谐波电流主要由l c 滤波器分流，很少流入电网中，而对 于其他次数的谐波的电抗z 。远大于电阻r 珊，所以滤波器分流很少。因此，只 要将单调谐滤波器的谐振频率设定为与需要滤除的谐波次数一样，该次谐波的大 部分将流入滤波器，这样就达到了滤除该次谐波的目的。 而高通滤波器又称为减幅滤波器，一般使用的高通滤波器有四种，分别是一 阶、二阶、三阶和c 型。一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大， 因此一般不采用；二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶相比，其基波损耗 较高；三阶高通滤波器比二阶多一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗， 从而大大减少了基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点；c 型滤波器的性能 介于二阶和三阶之间。它也可以大大减少基波损耗，但缺点是对基波频率失谐及 元件参数漂移比较敏感。综合以上的优缺点，最常用的高通滤波器是二阶滤波器， c 型也有较好的应用价值。 人们在使用的同时也注意到i c 滤波器存在着种种固有的缺点： 1 、l c 滤波器的谐振频率依赖于元件参数，因此只能对特定频率进行滤波， 对电网阻抗和频率的变化十分敏感，若谐波的频率发生偏移，则滤波器 的作用就会大打折扣，滤波效果不易保证。 2 、l c 滤波器有可能与电网阻抗发生并联谐振，将谐波电流放大，从而导致 系统不能正常工作，严重时会损坏滤波器，并且使局部电网崩溃。 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 、谐振频率依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运 行情况随时改变，因而l c 网络设计较困难。由于电网中频率的范围通常 较宽，因此一般要设置多个l c 滤波器，因为基波电流流过各个滤波器， 使得滤波器容量大、体积大、损耗也大。 由上面的叙述可以看出，l c 滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行可 靠性较高、运行费用较低的优点，所以尽管它存在着一些固有的缺点，现今仍然 应用于很多领域 1 1 1 5 】【1 2 】【1 6 】。 上面叙述的都是无源滤波器，他们的滤波效果随着电力系统的运行状况的变 化而变化，并且只能对特定频率进行滤波。所以，目前谐波抑制的一个重要趋势 就是采用有源电力滤波器。 1 2 2 有源电力滤波器的产生及其在国内和国外的发展 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到6 0 年代末，1 9 6 9 年b m b i r d 和 j e m a r s h 发表的论文中描述了通过向交流电网输入三次谐波电流，来减少电源 电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。文中虽未提出有源电力滤 波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1 年s a s a k i 和m a c h i d a 的论文首次完整地描述了电流有源滤波器的基本原理，但是当时采用 线性放大器产生补偿电流，损耗大，成本高，因而没有实用化的前景。到了1 9 7 6 年，g y u g y il 等人提出了采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器，并正式 提出了有源滤波的概念，这才确立了有源电力滤波器的完整概念和主电路拓扑结 构【3 1 。 八十年代以来，由于新型电力半导体器件的出现，p w m ( p u l s ew i d t l l m o d u l a t i o n ) 技术的发展，以及日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 的基于瞬时无功功 率理论的谐波瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器得以迅速发展。瞬时无功功 率理论突破了建立在平均值基础上的传统无功功率概念，提出了三相电路瞬时无 功功率的概念。在这一理论中，三相电路电流的基波分量与谐波分量、有功分量 与无功分量等能够被实时地分解开来，这为谐波电流、无功电流的实时检测奠定 了理论基础，成为目前应用较多的一种实时检测谐波的基本方法。1 9 8 6 年赤木 泰文提出了用并联有源滤波器消除谐波的方法，同时他也研制成功了第一台 7 k v a 的并联型有源电力滤波器实验装置，该装置成功地补偿了2 0 k v a 三相全 控桥式整流器产生的谐波和无功功率，该实验证明了有源电力滤波器是可行的， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 并且可以应用到实践中。 从八十年代至今，有源电力滤波器已经成为电力电子技术领域中的研究热点 之一，有不少论文在国际刊物及国际学术会议上发表 2 2 】【2 4 】【2 6 p o l l 3 4 1 ，这些论文涉 及到有源电力滤波器的各个方面，推动着有源电力滤波器理论上的不断发展和完 善以及实际应用中的不断推广。 有源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 发达国家己得到了高度重视和日益广泛的应用i 引。目前，世界上a p f 的主要生产 厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、德国西门子公司等。据文献【3 1 】 介绍，从1 9 8 1 年以来，仅在日本，已有5 0 0 多台有源电力滤波器投入实际使用， 容量范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 。从近年来的研究和应用中可以看出a p f 具有如 下的发展趋势： 1 通过采用p w m 调制和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。当容量大于5 m v a 时，通常采用g t 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a p f 与l c 无源滤波器 并联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低成本、 提高效率的目的。 3 从长远角度看，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，串一并联a p f 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。 4 可通过单节点装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的a p l c 的 出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向 发展。 与国外广泛应用a p f 相比，我国在有源滤波器的研究方面起步较晚，直到 八十年代未期才。开始有这方面的文章出现，起初论文中所采用的谐波检测方法陈 旧，补偿效果不理想。进入九十年代，国内的多所高校和研究机构也加入到了有 源滤波器的研究中来，这方面的工作主要以理论研究和实验为主。虽然国内起步 不算早，但是取得的进步确实非常快，在对国外研究成果进行消化吸收的基础上， 我国的有源滤波器的理论研究已经达到或者接近国际先进水平。在理论研究方 面，以西安交通大学和浙江大学为代表，他们已经形成了比较系统的研究体系和 理论基础，另外，国内的一些研究所也在开展研究工作。在实际应用方面，国内 已经有人试制出了有源电力滤波器的样机，并且在小功率的场合使用。哈尔滨工 天津大学硕士学位论文第一章绪论 业大学电气工程系研制开发出一种单相有源滤波器产品，目的是改善单相用户接 入点的电网品质，进而改善配电网的品质。浙江省新技术推广站已经把3 0 k v a 有源电力滤波器产品化，并开始投向市场。但是总的说来由于受各种条件限制， 我国的有源电力滤波器的实际应用水平不高，范围不大。所以目前的主要方向是 加快有源电力滤波器的产品化，提高其在实际生产中的应用水平 t l l 9 1 1 1 0 1 1 1 9 】【2 0 l 。 1 3 论文的研究内容与结构 1 , 3 1 论文的研究内容 本论文在总结前人的研究成果的基础上，按照当今有源电力滤波器发展的方 向，并根据其控制策略，提出了一种用混合型有源电力滤波器取代变流器直流侧 电解电容的解决方案。 一方面，本论文采用并联型有源电力滤波器和无源l c 滤波器混合使用的 方法，克服了并联型有源电力滤波器和无源l c 滤波器各自的缺点，既达到更精 确的补偿谐波效果，又能够减少有源滤波器功率要求，降低投资成本。在控制方法 上，使用模糊控制器对附加的直流环进行控制。不需要精确的数学模型，简化算 法。并且使系统响应快、运行平稳，改善了系统的性能。 另一方面，本课题采用t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，实现了系 统的数字控制，使我们在很多步骤上都可以从软件方面着手改善系统的性能，避 免了硬件电路所引起的干扰。t m s 3 2 0 f 2 4 0 不仅继承了数字信号处理器运算速度 快，能实现电流实时控制的优点，而且以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为控制核心的芯片构成的 控制系统具有结构简单，可靠性高等优点。 本文提出的解决方案先在m a t i , a b s i m u l i n k 仿真平台下通过仿真验证 后，又通过以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心的实验系统初步验证了理论算法的可行性。 1 3 2 论文的结构 论文第一章绪论部分为课题的提出及作者将做的工作，并简要介绍了前人的 研究成果。第二章为有源电力滤波器控制原理，并且阐述了混合有源电力滤波器 应用于变流器直流侧谐波补偿原理。第三章为电解电容硅解法的原理和有源电力 滤波器的工作模式，并且据此提出了设计方案应用直流环电压滞环控制和模糊 7 天津大学硕士学位论文第一章绪论 逻辑理论控制混合型有源电力滤波器。第四章讨论了本论文中所用的模糊控制器 的具体设计过程，并给出了系统的仿真模型及仿真结果，用仿真结果证明了方案 的可行性。第五章利用t m s 3 2 0 f 2 4 0 系统进行实验，给出了系统的软硬件设计过 程及初步的实验结果，用实验证明了方案的有效性。 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 第二章有源电力滤波器 目前，有源滤波技术已经在日本、美国等少数工业发达国家得到了广泛应 用【8 】【1 0 l o 有源电力滤波器的特点： ( 1 ) 实现动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波进行补偿，对补偿对 象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 补偿谐波时所需储能元件容量不大。 ( 3 )即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也不会发生过载，并能正 常发挥补偿作用。 ( 4 ) 受电网阻抗影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 6 ) 既可对一个谐波单独补偿，也可对多个谐波集中补偿。 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发 展，为了尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减小其功耗，提 出了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等等。为了适应不 同的对象，产生了不同类型的有源电力滤波器。我们可以从不同的角度对其分类， 按照有源电力滤波器直流侧储能元件为电容或者电感，可以分为电压型和电流型 两大类；按照有源电力滤波器的主电路和母线的联接方始可以将其分为两大类， 即并联型和串联型，这是目前对有源电力滤波器分类的主要方法。二者又可以继 续细分为不同的类型。详细分类如图2 1 所示。 。黼哪h 篡髫纂雾 有源滤波器?l 注入回路方式t ；簇喜罴 ll 与旋转电机并用 i厂单独使用方式 i 串联型1 串联混合型 9 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 2 。1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器的每一种类型结构各有其特点，因而其工作原理、特性等也 就各有不同。下面就按照主电路和母线的联接方式的分类对每一种类型有源电力 滤波器的主要特点进行论述。 2 0 ! 1 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是有源电力滤波器中的最基本的形式l l5 j 1 1 “。到目前 为止，发展的最为成熟，使用也最为广泛。并联型有源电力滤波器通过在电力系 统中注入谐波电流来消除谐波，它不仅可以补偿带感性负载的二极管或晶闸管整 流器或周波变流器所产生的谐波，而且还可以同时补偿无功功率。 并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直 流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消 谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，并联型有源电力滤 波器本身表现出电流源的特性。 ( 1 ) 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器 的主电路与负载并联接入电网，故称为 并联型，又由于其补偿电流基本由有源 电力滤波器提供，称之为单独使用方式， 如图2 2 所示。这是有源电力滤波器中 最基本的形式，也是目前应用最多的一 种。 在这种方式中，只要采用适当的控 一 。y ，“v 厂一也困 ，i 。j 1 l r 一 垂型口l rj a p f 图2 2 单独使用的并联型有源滤波器 制方法就可以达到多种补偿的目的，它可以实现的功能最为丰富灵活。但是由于 交流电源的基波电压直接( 或者经过变压器) 施加到变流器上，且补偿电流基本 上由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。这是这种方式的主要缺点。 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式正是为克服第一种方式要求有源滤波器容量较大这一缺点而提出 的。其基本思想是利用无源l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。 1 0 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 由于l c 滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、容易实现且成本 低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用，既可以克服有 源电力滤波器容量小、成本高的缺点，又可以使整个系统获得良好的性能。 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可以分为两种：种 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联：另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器串 联。 图2 - 3 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用的方式。有源电力滤波器与 图2 - 3 有源滤波器与l c 滤波器并联方式 一” 图2 - 4 有源滤波器与l c 滤波器串联方式 l c 滤波器均与谐波源并联接入 电网，两者共同承担补偿谐波的 任务，l c 滤波器主要补偿较高 次的谐波，承担了绝大部分补偿 谐波和无功的任务。有源电力滤 波器只需要补偿剩余谐波，其所 需的容量与单独使用方式相比 可大幅度降低。 图2 4 所示为并联型有源 电力滤波器与l c 滤波器串联方 式的原理图。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 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、易 与电网阻抗发生谐振等缺点。这 种方式中，有源电力滤波器不承 受交流电源的基波电压，因此装 置容量小。由于有源电力滤波器 与l c 滤波器一起与谐波源并联接入电网，故仍将其归入为并联型。 目前已大量使用的l c 滤波器，均可采用图2 - 3 或图2 4 的方式进行改进和 提高性能。 ( 3 ) 注入回路方式 这是为了降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式，有源电力滤波器的 容量取决于其承受的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电感和电容构成注 铲 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小部分 的基波电压，从而极大的减小了有源电力滤波器的容量。 根据电感电容电路谐振特性的不同，注入电路方式又分为l c 串联谐振注入 lapf j 图2 - 5l c 串联谐振注入电路方式 图2 - 6l c 并联谐振注入电路方 回路方式和l c 并联谐振注入回 路方式两种。 图2 5 所示为l c 串联谐振 注入电路方式构成原理图。其中 c 2 一l 在电源电压的基波频率 处发生串联谐振，基波电压绝 大部分落在电容c l 上。这样， 电力有源滤波器只需承受其余 的很小部分基波电压。 图2 - 6 是采用并联谐振注入 电路方式的系统构成的原理图。 在电力有源滤波器和电网之间 串入在基波频率处谐振的l l c 回路，基波电压绝大部分加在该 谐振电路上，电力有源滤波器与 k 一样只承受其余很小部分的 基波电压。 在注入回路方式中，为保 证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配置注入电路中几个电感、电容的 参数。此外，有源电力滤波器不能补偿基波无功功率。 ( 4 ) 与旋转电机并用方式 该方式采用了与绕线转子异步电动机构造相同的旋转电机通过控制转子侧 所接的逆变器来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流。这种方式的 特点也是可以减小逆变器的容量。 2 1 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种 1 0 1 1 3 1 2 0 | 2 9 1 。 天津大学硕士学位论文第二章育源电力滤波器 ( 1 ) 单独使用的串联型有源电力滤波器 i ：_ 二二二二：l + r 一： i r j 变流器= ! l。一卜 图2 - 7 串联型有源电力滤波器 图2 - 8串联型有源滤波器与 l c 滤波器混合使用方式 图2 7 是单独使用的串联型 有源电力滤波器的原理图。这种 方式的特点是有源电力滤波器作 为电压源串联在电源和谐波源之 间。 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。 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式是在并联的负载和 l c 滤波器与电源之间接入有源 电力滤波器，原理图如图2 8 所 示。谐波基本上由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器 的滤波特性。有源电力滤波器可以看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为0 ，对 谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 滤波器。 有源电力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l c 滤波器 的影响，以及抑制电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振，从而极大的改善l c 滤波器的性能。 2 1 3 有源电力滤波器主电路形式 根据电力有源滤波器直流侧贮能元件的不同，一般分为两大类：即电压型和 电流型。如图2 9 和图2 1 0 所示。 电压型a p f 能够很容易通过并联形式扩充装置的额定容量，相对于电流型 a p f 来说，它的重量较轻，价格便宜，但是它的控制系统比较复杂。电流型a p f 由于开关器件不会发生直通短路现象，所以其控制系统相对简单，比较可靠，但 是电流型a p f 由于电流侧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。随着超导储能磁体研究的进展，也将促进更多的电流型a p f 投入实 、i pliili_1nyi， 一 一 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 用。这两种主要电路的一些基本特点如下所述 图2 9 电压型a p f 兰j 弋n 图2 1 0 电流型a p f ( 1 ) 电压型a p f 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a p f 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a p f ，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a p f ，为保持直流侧电流不变，需对直流侧电流进行控制； ( 3 ) 电压型a p f 的交流侧输出电压为p w m 波，而电流型a p f 的交流侧 输出电流为p w m 波。 2 2有源电力滤波器的控制 有源电力滤波器工作原理就是将系统中所含有害电流检出并产生与其相反 的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的电力变换装置。从定义可以看出， 有源电力滤波器实现的关键部分是：谐波电流的检测和补偿控制。到目前为止， 已经有多种原理与技术应用于有源电力滤波器1 6 】i 托1 。 2 2 1 谐波信号检测方法 有源电力滤波器对谐波电流的实时检测提出了很高的要求，它的快速性、准 确性及灵活性直接影响到有源补偿器的跟踪补偿特性。但是这种实时检测又不同 于一般的谐波分析仪，它一般不要求分解出各次谐波分量，只要检测出基波电流 或者基波有功电流之外的总的畸变电流就可以。无功及谐波电流的检测方法取决 于非正弦条件下有功功率( 电流) 和无功功率( 电流) 的定义及理论分析。在传 统的基于平均值的无功功率理论中，对谐波及无功电流的检测方法主要有以下几 种。 ( 1 ) 提取基波分量法 1 4 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 该方法是最早被采用的谐波电流检测方法，其原理是在检测到的信号中提取 出基波分量，它与原信号之差就是所需补偿的谐波，通常可采用带通滤波器实现。 采用模拟带通( 或带阻) 滤波器检测高次谐波电流。带通( 或带阻) 滤波器用于 预定分离出被测电流中的单一谐波分量。一般是采用5 0 h z 的带通或带阻滤波器 把被测电流中的5 0 h z 基波分量分离出来，从而得到谐波电流。该检测法的优点 是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因数易于控制。但是该方法也有许 多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以 获得理想的幅频特性和相频特性，当电网频率发生抖动时，会大大影响检测精度， 并且该方法无法同时分离出无功电流。 ( 2 ) 瞬时空间矢量法【9 】 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前a p f 中应用最广的一种检 测方法，最早是由日本学者赤木泰文于1 9 8 4 年提出，仅仅适用于对称三相电路， 后来经过不断改进，现已包括州法、i p - i q 法以及d q 法等。其中，旧法适用 于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；i p _ i q 法不仅在电网电压畸变 时适用，在电网电压不对称时也同样有效；而基于同步旋转p a r k 坐标变化c i q 法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电 网，其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量的检测电路比较简单。 ( 2 ) 基于f f t 的数字化分析法 该方法是建立在f o u r i e r 分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化 的，否则会带来较大的误差。通过f f t 将检测到的一个周期的谐波信号进行分 解，得到各次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅 里叶变换器，得出所需要的误差信号。其优点是可选择拟消除的谐波次数，缺点 是具有较长的时间延迟，实时性较差，并且当电压波形畸变时将带来较大的非同 步采样误差，对高次谐波的检测精度影响较大，补偿效果不太好。 ( 4 ) 自适应检测法【1 8 】 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始 输入，即基波电流为噪声源，谐波电流为信号源，构成一个闭环连续调整的谐波 及无功电流自适应检测系统。从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得 到需要补偿的谐波和无功分量。该自适应检测系统的突出优点是对电网电压畸 变、频率偏移及电网参数变化具有较好的自适应能力，可以全部采用模拟电路实 现，是一种比较新颖而且有发展前景的方法。缺点是动态响应速度较慢。后来又 提出了用神经网络实现的自适应检测法。 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 2 2 2 补偿电流控制方法 有源电力滤波器要用于实现对谐波和无功等的动态补偿。为此，补偿电流产 生电路必须快速、准确地产生补偿电流。所谓控制电路，就是根据前面谐波检测 和运算电路的结果，产生控制后面主电路的控制信号的电路部分。控制电路是补 偿电流发生电路中的首要环节，它的作用是根据补偿电流的指令信号和实际电流 之间的误差，给出控制后面主电路功率电子器件通断的指令信号，控制电路给出 的信号是为了保证主电路产生的补偿电流跟踪指令电流的变化，补偿掉电路中的 谐波电流。 目前采用的控制方法主要可分为以下几种： ( 1 ) 三角载波线性控制 三角载波线性控制是一种最简单的线性控制方法，它以通过将检测环节得到 的电流实际值与参考值之间的偏差作为调制信号，与高频三角载波相比较，从而 将得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，在逆变器输出端获得所需 的波形。该方法的优点是电路简单，动态响应好，开关频率固定。缺点是输出波 形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中 受到限制。它的原理图如图2 1 1 所示。 图2 1 1 三角载波控制方式 由图2 1 1 可以看出，它将指令信号和实际信号的偏差经过放大器a 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，这样组成的一 个控制系统是基于把误差控制到最小来设计的，与滞环比较方式相比，有以下不 同之处： ( 1 ) 硬件实现较为复杂： ( 2 ) 输出电压中所含的谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波； ( 3 ) 器件的开关频率固定，而且等于三角载波的频率； ( 4 ) 电流响应较慢。 ( 2 ) 滞环比较控制 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 滞环比较控制是将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具 有滞环特性的比较器中，通过比较器产生控制主电路中开关通断的p w m 信号， 该p w m 信号经过驱动电路来控制开关的通断，从而达到逆变器输出值能够实时 跟踪补偿电流参考值。该方法开关损耗小，动态响应快。但是该方法使开关频率 变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声。如图2 一1 2 所示。 jl t i cw m 信号 - o ii ii 一 l c 图2 1 2 滞环比较控制方式 在滞环比较方式控制方式中，滞环的宽度h 对补偿电流的跟随性能有较大的 影响。当h 较大时，开关通断的频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对 电力半导体器件的要求不高，但是跟随误差较大，补偿电流中的高次谐波较大。 反之，当h 较小时，虽然跟随误差小，但是开关频率将会升高，对电力半导体 器件的要求就随之升高。 与三角载波线性控制相比，滞环跟踪控制法电路简单，控制简单，易于实现， 并且系统响应速度快，稳定性好。 ( 3 ) 无差拍控制 无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化控 制技术p 8 j 。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，根据空间矢量理 论计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值，选择某种 开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。该方法的 优点是动态响应快，能够快速响应电流的突然变化，易于计算机执行。缺点是计 算量大，而且对系统参数依赖性较大。近年来不断有新的改进方法出现。 ( 4 ) 非线性控制 为了适应带非线性负载的交流电网的非线性特性，以达到谐波抵消和无功 补偿的最佳效果，近年来，又提出了内模控制、滑模控制及神经网络控制等非线 性控制方法应用于产生补偿电流的方案【3 1 l 【”1 。这些非线性控制方案具有良好的 应用前景，但在各种负载条件下的补偿特性尚需进一步研究。 以上几种方法中，基于模拟控制技术的三角载波线性控制方法和滞环比较控 制法是目前a p f 中普遍采用的方法，可通过多重化技术、自适应滞环、模糊控 】7 天津大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器 制等改进措施来克服其固有的缺陷，提高其使用效率。并且随着微机控制技术的 不断发展以及数字信号处理器( d s p ) 运算速度的不断提高，将在a p f 中得到 进一步的应用。 2 3 并联混合有源电力滤波器的补偿原理 由前文所提到的有源滤波器分类及其性能分析，本文将有源电力滤波器和无 源滤波器代替电解电容混合并联于主电路直流侧，利用它们来共同消除谐波电 流，达到电解电容的硅解及减小有源电力滤波器的容量。混合滤波方案中无源滤 波器部分包含3 次、5 次、7 次单调谐滤波支路，有源滤波器采用并联型滤波器。 由于补偿谐波主要由直流侧电流的大小和各半导体器件的切换方式所决定，与交 流侧参数关系不大，具有理想电流源的特性。因此基本可以看作是一个理想谐波 电流源。混合滤波器的原理如图2 1 3 所示，其等效电路如图2 1 4 所示。 图2 1 3 混合电力滤波器原理接线 图2 - 1 4 混合电力滤波器等效电路 无源滤波器滤除主要的特征谐波，而有源电力滤波器则用来滤除剩余的特征 谐波，并联型a p f 本质上属于受控电流源，它以电流源方式进行谐波补偿。图 2 1 4 中，k 、五分别表示系统等值电压、内阻抗，勿、血分别表示无源滤波器