（电机与电器专业论文）基于子频带分解的多通道有源电力滤波与无功补偿.pdf

第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 好的动静态实验结果。 最后，本文提出一种适用于s t a r c o m 的直接电流控制方法。针对无功 补偿电流的基频特性，建立起计算参考电压的数学模型，并完成了相关仿真 和实验研究。同时提出一种简化的s v p w m 方案，该算法将传统s v p w m 算法的复杂运算全部转化为简单的整数操作，优化了控制器的工作频率和 资源占用率，并成功应用在高性能s t a t c o m 控制器的设计中。另外，本 文建立了基于电压电流双环s t a t c o m 控制系统的数学模型，推导出p i 控 制器参数的计算准则，并设计了基于f p g a 控制器的动态无功补偿实验平 台，完成动态无功补偿的相关实验。实验结果表明采用电压电流双环控制 的动态无功补偿系统的动静态性能良好。 关键词：多通道子带滤波；小波包分析；有源电力滤波器；动态无功 补偿器；空间矢量脉宽调制；直接电流控制；现场可编程逻辑门阵列 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ed i s t r i b u t i o np o w e rs y s t e mh a sb e c o m em u c hm o r ec o m p l e x , a n di tr e q u i r e sm o r es t a b l ea n dh i g h e rq u a l j t yf o rp o w e r g e n e r a t i o n ，d i s t r i b u t i o n ， a n dc o n s u m p t i o n h a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n t si nd i s t r i b u t i o np o w e r s y s t e mw i l lb r i n ga b o u ts e r i o u sp r o b l e m s ，h o wt ou s eo fs p e c i a l i z e de q u i p m e r i t s t oc a n c e lt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m - p o r t a n t t h e r e f o r e ，a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rh a v e b e e nc o n s i d e r e d 嬲a ne f f e c t i v es o l u t i o nf o rt h e s ep r o b l e m s t os o l v et h ep r o b - l e m se x i s t e di nt h er e s e a r c hf i e l 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 ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，t h i sp a p e rw o r k si nt h ef o u ra r e a sa sl i s t e db e l o w f i r s t ，an o v e lw a v e l e tp a c k e t ( w p ) b a s e ds u b - b a n d sa p p r o a c hf o rm u l t i - c h a n n e lh 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 ep o w e rc o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e da n d a n a l y z e d t h i st e c h n i q u ed i s t r i b u t e sp o w e rr a t i n gi n t os e p a r a t e dc h a n n e l si n f r e q u e n c yd o m a i na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e a c t i v ep o w e rc u r r e n ta n d d o m i n a n th a r m o n i c s b a s e do i lt h i sa p p r o a c h ，t h em u l t i p l ep o w e rm o d u l e sa v o i d t h ec o n f l i c tb e t w e e np o w e rr a t i n ga n ds w i t c h i n gf r e q u e n c yo fp o w e re l e c t r o n i c u n i t t h e r e f o r e ，t h ep r o p o s e da p p r o a c hi ss u i t a b l et oi m p l e m e n th 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 ep o w e rc o m p e n s a t i o ni nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s t h ei n f l u - e n c eo f s y s t e mf r e q u e n c yf l u c t u a t i n go nc i r c l eb u f f e rr e a l i z e dp e r i o d i z e de x t e n s i o n s c h e m ei sa n a l y z e d t h e na l la p p r o a c hu s i n gp h a s e - l o c kl o o p ( p l l ) c o n t r o l l e d c i r c l eb u f f e rt oo v e r c o m et h i sp r o b l e mi sp r e s e n t e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o d s t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da p p r o a c h ，e v e nw h e nt h e d i s t o r t e dc u r r e n t sa r et h r e e - p h a s eu n b a l a n c e d s e c o n d ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fl i f t i n g - b a s e dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r ma n dt h e p o s s i b i l i t yo fa d o p t i n gt h i st r a n s f o r mi n t ot h es u b - b a n d sd e c o m p o s i t i o ni sd i s - c u s s e d a ne f f i c i e n tf l i p p i n gs t r u c t u r ef o rl i f t i n g - b a s e dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r m i si n t r o d u c e da n da n a l y z e d i tc a ni m p r o v ea n dp o s s i b l ym i n i m i z et h ec r i t i c a l p a t ha n dh a r d w a r er e s o u r c er e q u i r e m e n to ft h el i f t i n g - b a s e dd i s c r e t ew a v e l e t 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 t r a n s f o r mb yf l i p p i n gc o n v e n t i o n a ll i f t i n gs t r u c t u r e s a ne f f i c i e n tf l i p p i n g9 7 w p - b a s e ds t r u c t u r ei sd e s i g n e du s i n gv e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ( v l s i ) t e c h - n o l o g y t h o u g ht h ep a p e rc o u l dn o tc o m p l e t et h ew h o l ec o n t r o ld e s i g n ，i tm a k e s au s e f u le x p l o r a t i o no ft h es u b - b a n d sd e c o m p o s i t i o nb a s e dm u l t i - c h a n n e i sa l g o - f i t h mr e a l i z a t i o nf o rf u t u r eh 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 ep o w e rc o m p e n s a - t i o na p p l i c a t i o n t h i r d ，a c c o r d i n gt ot h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r ，t h r e e p h a s ep h a s e - l o c k e dl o o pi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r m o r e o v e r ，t h ec o n t r o le r r o r o ft h i ss y s t e mi sd i s c u s s e du n d e rh a r m o n i c ，o f f s e t ，a n du n b a l a n c ec o n d i t i o n s a d d r e s s i n gt h ea r c h i t e c t u r eo p t i m i z a t i o n ，t h ea l g o r i t h m i cs t r e n g t hr e d u c t i o n ， f o l d e da r c h i t e c t u r ea n dp i p l i n gm e t h o da r ea d o p t e dt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r s ， i n c l u d i n gs y n c h r o n o u sr e f e r e n c ef r a m et h e o r yb a s e dd i s t o r t i o nd e t e c t i o n ，i n f i n i t e i m p u l s er e s p o n s e ( i i r ) l o w - p a s sf i l t e r ，t h r e e - p h a s ep h a s e - l o c kl o o p ，a n dh y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o l l e r a sar e s u l t ，t h ee n t i r ec o n t r o ls c h e m eo fs h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ri ss y n t h e s i z e do nas i n g l em e d i u ms c a l ef i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ( f p g a ) u s i n gv e r i l o g h d l e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa c h i e v e df r o ma ns h u n ta c t i v e p o w e rf i l t e rs y s t e ms h o wt h es t e a d y - s t a t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ew i t hr e a l t i m ea n da c c u r a t ec o n t r 0 1 a tl a s t ，t or e d u c et h es w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dc u r r e n te r r o ro fas t a t i cs y n - c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) f o rr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，an o v e l d i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ( d c c ) s t r a t e g yi sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dc o n t r o h e ro u t p u t st h eo p t i m u ms w i t c h i n gp a t t e r na c c o r d i n gt ot h ed o u b l eb a n dh y s t e r e s i s t h r e s h o l ds c h e m e b yu s i n gr e f e r e n c ec u r r e n td e r i v a t i v et r a n s f o r mi n s t e a do f p r e d i c t i v em e t h o d ，t h es c h e m ea c c u r a t e l yd e t e c t st h el o c a t i o no fr e f e r e n c ev o l t - a g ev e c t o ri ns t a t i o n a r yr e f e r e n c ef r a m e t h i st e c h n i q u ec a l la c h i e v eas t a b l ea n d f a s tr e s p o n s e ，w h i l em a i n t a i n i n gt h es w i t c h i n gf r e q u e n c yl o w e rt h a no t h e rc o n v e n t i o n a lc u r r e n tc o n t r o lt e c h n i q u e s m e a n w h i l e ，ac o m p a c ta l g o r i t h mo fs p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) f o rt h r e e - p h a s ei n v e r t e r si sp r o p o s e d a n dd e v e l o p e di nt h i sp a p e r s i m p l i f i e db yt h ep r o p o s e dm e t h o d ，t h ec o n v e n - t i o n a ls v p w mi sd e c o m p o s e di n t of a s ti n t e g e ro p e r a t i o n se n t i r e l yb yu s i n ga n 西南交通大学博士研究生学位论文第v 页 i n t e r m e d i a t ev e c t o r ，w h i c hw i l lp r o p e r l yc o u n t e r a c tt h er e d u n d a n tc a l c u l a t i o n s o ft h er e m a i n i n gp r o c e d u r e s t h i sc o n c e p tc a n o to n l ys i m p l i f yat w o - l e v e l s c h e m e ，b u ti sa l s os u i t e df o rm u l t i l e v e li m p l e m e n t a t i o n s i n c ei tc a l lb ei m p l e - m e n t e dw i t h o u ta n ym u l t i p l i e ro rd i v i d e r ，t h ef a s ta l g o r i t h mi se s p e c i a l l ys u i t a b l e f o rf p g aa p p l i c a t i o n s t h e na na r e a - a n ds p e e d - e f f i c i e n ti p - c o r eb a s e do nt h i s a l g o r i t h mi sb u i l ta n dt e s t e d i te n s u r e sl o w e rh a r d w a r er e s o u r c eu s a g e ，a n da t t h es a m et i m e ，o p e r a t e ss e v e r a lt i m e sf a s t e rt h a ns o m er e p o r t e de x a m p l e s a n v o l t a g ea n dc u r r e n tc o n t r o lo fs t a t c o mi sp r o p o s e db yu s i n gt h es i m p l i f i e d s v p w m b a s e dc o n t r o l l e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ei n v e s t i g a t e dt od e m o n s t r a t e t h es t a t c o mp e r f o r m a n c eu s i n gt h ed e s i g nc o n t r o l l e ru n d e rs t e a d ys t a t ea n d d y n a m i co p e r a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i c h a n n e lf i l t e r i n g ；s u b - b a n d sd e c o m p o s i t i o n ；w a v e l e t p a c k e ta n a l y s i s ；s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( s t a t c o m ) ；s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) ；d i r e c tc u r r e n t c o n t r o l ；f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) 西南交通大学 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。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印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 不保密百，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打”4 ”) 指导老师签名： 护 c 纺乙 醐：呵年尹肋朋 壳耶 氰湃了稚储产储启叼 文 施 论 ： 位 期 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 ：本文第2 章和第3 章讨论了基于小波包实现多通道有源电力滤波与 无功补偿系统的方法，多通道子带滤波方法将无功补偿和谐波抑制的容量实 时分解到不同频带内，降低了对单一装置内功率器件的开关速度的要求，有 效提高了整个无功补偿和谐波抑制系统的容量。并在第3 1 1 节提出基于周 期边界延拓算法解决实时分解与重构问题，取得了较好的仿真结果。 2 ：本文第5 1 节提出一种适用于s t a t c o m 的直接电流控制方法，建立 起直接计算参考电压的数学模型，避免使用参考电压的估计策略，可以显著 的减小功率器件的开关频率。 3 ：本文第5 3 节提出一种简化的s v p w m 方案，将复杂的传统s v p w m 运算简化为全部的整数操作。与传统算法相比较，该简化算法可以显著提高 控制器的工作速度并减小硬件资源的占用率。 4 ：研制了基于f p g a 的并联型有源电力滤波器和动态无功补偿器 的实验平台。在第4 章和第5 分别讨论了三相锁相环、精简s v p w m 算 法、s t a t c o m 直接电流矢量控制等新型算法的优化实现，得到了较理想的 实验结果。 学位论文作者签名：铬海勃 日期：珈7 年j 月；扩日 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 谐波治理与无功补偿的意义 当前，电力系统中存在大量的非线性、不对称性负载和无功设备，如电 弧炉、变压器、电力机车、交频调速装置及高压直流输电的换流站等。这 些装置的广泛应用及其容量的不断增加会导致电力系统功率因数降低、电 压电流波形畸变等问题。电力用户和电网本身的运行因此受到不同程度的 影响和危害，从而产生电能质量问题。其中，无功功率和谐波电流的影响 较大，是关系电力系统稳定、高效运行的两个重要因素。 从用电设备的角度看，无功功率将增加发电、输电和用电设备的视在功 率，降低设备容量的利用率；谐波电流又会产生附加的谐波损耗，减小其 过载能力和使用寿命等；二者通常同时存在，使设备端电压、电流产生严 重的畸变，影响如数控机床、高精度测量仪器、精密医疗设备、交频调速 和各种自动化生产线等设备的正常工作；也会影响测量仪表的计量精度， 使继电保护装置误动作，降低附近通讯设备的通讯质量。 从电力系统的角度看，无功和谐波可能使电力系统发生局部的或系统 的谐振，由于在发电、输电、配电过程缺少快速的控制手段。容易造成过 电压、过电流等问题，严重的情况下甚至会造成电力系统的灾变，危害整 个系统安全稳定的运行。如1 9 9 6 年7 月和8 月，美国西部电网两次发生电 压崩溃事故。2 0 0 3 年8 月又出现了波及美国多个州及加拿大局部地区的大 停电事故。调查结果发现，最初的起因是电能质量问题使一能源公司的输 电线跳闸，导致相邻输电线路堵塞，最终使得1 0 0 多家发电厂的发电机组 停机，超过五千万人口受影响。2 0 0 5 年5 月，俄罗斯也出现大面积停电事 故，范围波及2 0 多座城市。另外2 0 0 5 年8 月印度尼西亚首都雅加达彻底断 电，波及近亿人口在我国因电能质量问题造成的局部地区停电事故也时 有发生，导致社会生产生活的混乱，造成巨大的经济损失。 上述供电中断、电网瘫痪或导致的设备故障的起因或事故扩散都是电 能质量问题引起的。其中无功功率和谐波畸变又是电能质量问题的重要方 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 面，电网谐波污染和无功问题已成为电力系统及工程应用领域关注和研究 的焦点问题之一。因此，我国和众多国际组织已经针对谐波和无功问题制 定了相关的限制标准，如欧洲标准i e c l 0 0 0 系列的系统、设备和测量谐波 的标准，i e e e 5 1 9 用户系统谐波限制标准，我国的电能质量：公用电网 谐波( g b t 1 4 5 9 4 - 9 3 ) 、电能质量：电压允许波动和闪变( g b l 2 3 2 6 ) 、 电能质量：三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 9 5 ) 等【1 ，2 】。国际和国家 标准的制定和执行，进一步促进了谐波治理和无功补偿的讨论和研究，无 疑给解决电能质量问题起着积极的推动作用。 1 2 谐波治理与无功补偿的国内外研究现状 鉴于电力系统的运行工况和系统参数等快速变化的待点，谐波治理与无 功补偿系统要求能够有效、快速的对电力系统的运行状态实旅调控，提高正 常输电功率极限值，调控系统节点的无功功率。特别是增强暂态过程中对 交流电压电流波形和相位的可控性，确保系统在各种工况下安全、经济、 高效、优质的运行。随着电力电子和数字信号处理等技术的长足发展，各 类基于电力电子技术的电力变换设备和先进控制技术被越来越广泛的应用 到电力系统的发电、输电、配电和用电等各个领域，也为解决上述电能质 量问题提供了有效途径。 目前解决谐波和无功问题的方式主要有两种。一是对谐波和无功产生的 负载装置进行改造或使用新设备，使其不产生无功和谐波如采用p w m 整流，有源功率因数校正、多重化等技术减小负载装置本身产生的谐波电 流，同时提高功率因数。二是在电网侧加装补偿装置补偿负载产生的谐波 和无功。目前，第一种方法的研究热点集中在各种主谐波和无功源的电力 电子装置的拓扑和控制方法上，由于需要对现有设备进行大规模更新， 研究目标较为广泛，不在本文探讨的范围。第二种解决方案也已得到广 泛和深入的研究，如被称为柔性灵活交流输电系统( f a c t s ，f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m l i 3 7 5 】。f a c t s 技术将各种电力电子补偿控制器引入 交流输电系统，快速、有效、灵活的控制交流输电系统的工作状态，提 高输电、用电设备的使用效率，减少损耗，确保了负载和电网的稳定运 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 行。最近二十年来，f a c t s 设备及其应用的研究得到了长足地发展，一 系列高性能的f a c t s 装置也已得到广泛的应用。此类产品包括电力有源 滤波器( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 、动态电压恢复器( d v r ，d y n a m i cv o l t a g e r e s t o r e r ) 、静止同步补偿器( s t a t c o m ，s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) 、 统一电能质量控制器( u p q c ，u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ) 、不间断电源 ( u p s ，u n i n t e r r u p t a b l ep o w e rs u p p l y ) 等。其中，a p f 主要用来抑制电网谐波 电压和谐波电流，同时具备补偿无功的能力；s 掣汀c o m 主要用来补偿配电 网的过压、欠电压及无功功率等：u p s 和d v r 主要面向负载用电电压的质 量问题，用于提高供电电压的质量和供电系统的可靠性。u p q c 将并联型有 源滤波器和串联型有源滤波器结合起来，能够分别或同时解决电压扰动和谐 波电流等问题。上述各种装置的功能和适用对象各不相同，但也并非相互 孤立，它们之间的结合使用可以弥补彼此功能的不足，扩展其应用范围。 本文侧重于有源电力滤波器和动态无功补偿器的研究。该方向的研究自 上世纪七十年代开始至今仍显得非常活跃。比较经典的论文和相关设备的 报道如：1 9 7 6 年，l g y u g y i 等提出了基于p w m 变流器的a p f 结构，并且 论述了a p f 的实现方法和相应的控制原理，由此建立了a p f 的基本拓扑 结构 6 】日本学者a k 嘈于1 9 8 4 年提出了三相电路的瞬时无功功率理论， 广泛应用在a p f 研究中忉。其后，a p f 研究的重点是各种畸变电流检测 方案和电路拓扑结构的研究喊8 ，9 1 。实际应用的a p f 装置和样机的容量有 限| 1 0 1 1 】，如南非铁路电网采用了1 5 m w 的a p f f l q 。s t a t c o m 的研究 更趋向于大容量的方向发展。西屋公司与美国电科院合作于1 9 8 6 、1 9 9 5 年 分别研发了容量为1 m v a r 和1 0 0 m v a r 的s t a t c o m 实验装置，其直接 经济效益是该设备应用的系统免去了建造一条新的输电线路。1 9 9 3 年，东 京电力分别与东芝公司和日立公司合作开发了2 台5 0 m v a r 的s 曰打c o m 并投入使用。1 9 9 7 年，西门子公司研发了对风力发电机组进行动态控制的 s t a t c o m ，其容量为8m v a r 1 9 9 8 年，美国电力公司设计的功率容量为 1 6 0 m v a 的u p q c 已投入运行。韩国电力研发了电压等级为1 5 4 k v ，串并联 部分各4 0 m v a 的u p q c1 13 】。美国s d g & e 公司研发的1 3 8 k v 、1 0 0m v a r 的s t a t c o m 也于2 0 0 2 交付使用【14 】。 我国的相关研究主要集中在高校，其中，西安交通大学、浙江大学等 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 对a p f 的研究较为深入1 4 1 5 ，1 8 】并对实用的关键技术进行了探讨1 1 7 1 8 1 ；华 中科技大学也已研制出a p f 和u p q c 的实验装置【1 9 2 0 l 。另外，校企合作 研究也取得了一定进展。例如：河南省电力局和清华大学合作研制了容量 为2 0 m v a r 的s t a t c o m 【2 1 】；上海西郊变电站的5 0m v a r s t a t c o m 也 投入了运行 2 2 2 3 1 ，在工业应用中获得良好效果。 1 3 有源电力滤波和无功补偿装置 由于谐波抑制和无功补偿系统的结构和控制算法较复杂，特别是在适用 系统结构的选择、控制原理新思想的分析、高性能控制器的设计与优化等 多个方面还需要更深入分析和探讨。国内外学者已经提出了多种系统拓扑 和控制方法( 2 4 t25 】。在众多谐波治理与无功补偿装置中。有源电力滤波器和 动态无功补偿器因其良好的动静态性能得到较深入的研究。作为本文的主 要研究对象，以下对其进行简要的介绍。 1 3 1 有源电力滤波器 传统的谐波治理方案通常采用无源滤波( p p f ，p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 技 术。无源滤波装置通常由电容器、电抗器和电阻等组合成单次调谐或高通滤 波支路，在谐波源附近旁路谐波电流。该方法具有结构简单可靠、设备维护 方便、投资少等有点，但是其补偿特性受系统阻抗影响较大，易与系统和负 载设备发生谐振，滤波效果也不甚理想。因此，谐波抑制的一个重要趋势是 采用有源电力滤波器。根据工作模式的不同，有源电力滤波器可以同时或 单独进行谐波抑制和无功补偿，也具有补偿零序电流、消除三相不平衡等 功能，其中谐波抑制是大部分有源电力滤波器的核心功能。相对于无源滤 波技术，有源电力滤波器不受系统阻抗的影响，能够实时跟踪补偿频率和 幅值都变化的各次谐波，具有频带宽，响应速度快，稳定性好等优点。因 此，有源电力滤波器是综合治理电能质量问题的有效手段之一，占据着高 性能谐波抑制装置的主流地位，将来也必将拥有更广阔的应用前景 2 6 - 2 0 。 根据有源滤波器与电网的连接形式和系统结构通常可分为以下几种形 式： 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 1 ：并联型有源龟力游波器( s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ) ：是目前应用最 广泛的一种a p f 。并联型有源电力滤波器通过产生与负载侧谐波和无功电 流大小相等，方向相反的补偿电流。使电网侧电流成为与电网电压同相的 正弦波。因此，联型有源电力滤波器可以等效为电流源装置，多用于补偿 具有电流源性质的谐波和无功负载舯1 2 ：串连型有源电力滤波器( s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r ) ：通过变压器串 连于负载和电圉之间。输出补偿电压抵消负载产生的谐波分量，阻隔负载 畸变电压和电流对电网的影响，从而达到提高电网侧电能质量的目的。因 此，串连型有源电力滤波器多用于补偿具有电压源性质的谐波负载p 1 】。 3 ：纺一唐能质量调节器( u p q c ) ：由串连型和并联型有源电力滤波器 组合而成，可以在补偿无功、抑制谐波电流的同时，解决电压谐波畸变和不 平衡等问题。因此，统一电能质量调节器具有更广泛的适用范围，但系统结 构和控制也更复杂，适合于需要综合治理电压电流畸变的应用场合1 1 9 ，3 “】。 4 ：溜合型有源电力滤波系纺( h a p f ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) ：以独 立的并联型或串连型有源电力滤波器为基础，与无源滤波器共同完成补偿 目标任务。因此，混合型有源电力滤波系统实现了有源和无源滤波器的优 势互补，具有补偿总容量大、动态补偿容量降低、系统性能提高等特点， 适合于容量大、补偿对象相对稳定的应用场合 i 8 1 。 本文主要考虑并联型谐波和无功补偿装置，针对具有电流源性质的补偿 对象。补偿装置的系统结构如图1 - 1 所示补偿装置通过检测负载侧的电压 占 皇 电源并联补偿装置负载 围i - 1 并联型谐波和无功补偿装置的系统结构 第6 页西南交通大学博士研究生学位论文 电流生成指令电流，再通过逆变器( v s i ，v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) 控制器控 制v s i 的输出电流，到达实时补偿负载畸变电流的目的。其中同步模块、 逆变器、指令电流检测模块、直流侧模块和逆变器控制器将在第4 章和第 5 章中详细介绍。 受当前电力电子器件容量、价格及其串并联技术等限制，a p f 装置的容 量难以满足日益增长的谐波补偿的要求。因此，如何提高a p f 补偿容量成 为一个新的研究方向和关注热点。解决方案之一是将无源滤波器和a p f 结 合起来，发挥各自的特点和优势，即上述的的混合有源电力滤波器方案， 也可以通过多电平等技术增加单机容量，另外可以考虑并联多模块方案。 本文将讨论的多通道子频带滤波方法就是一种并联多模块的解决方案。 1 3 2 动态无功补偿器 早期的动态无功补偿装置有s v c ( s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 等。对于s v c 而言，由于其输出无功功率与电网电压的平方成正比，在系统需要提供较 大无功功率时电网电压下降可能比较严重，s v c 输出能力反而下降。 而s t a t c o m 在电网电压下降时依然可以输出更大的电流来维持较大的 无功功率输出。在同样的应用环境要求下s t a t c o m 所需的容量和设备体 积都小于s v c 。同时，s 弘口c o m 具有响应速度快，具有控制节点电压、 实现瞬时无功补偿、阻尼系统振荡、增强系统暂态稳定性等功能，已被证 明是非常有效和经济实用的。因此，s t a t c o m 正在取代传统的装置，被 越来越广泛的应用于动态无功补偿的场合。 通常，s t a t c o m 也具有如图1 - i 所示的并联型系统结构。控制器 使v s i 输出电压脉冲构成大小和方向不同的电压矢量出。控制器改 变场如的大小和方向，s t a t c o m 就可以改变其连接电抗上的电压哳幽。 此时，v x a b e = v s a b e 一 c a b e ，s t a t c o m 输出电流i 。6 c 的方向和大小也随之 改变。以下将基于相量图分析电流超前和滞后情况下变直流电压的控制 方法。定义电源电压的正方向为d 轴，逆时针9 0 0 方向为q 轴i 则电 抗器的电压魄可分解为相互正交的d 轴分量u d 和g 轴分量。独立控 制阮和玩的大小，s t a r c o m 就可以控制补偿无功和有功电流大小，达 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 u x u j u c b以x ! 够 垴ik 7 i u x 图1 - 2s t a t c o m 补偿系统的向量图。( a ) 电流超前时的向量图，( b ) 电流滞后时的 向量图 到妇i 。解耦控制的目的。由于电感器主要呈现电抗特性，因此产生无 功电流厶；乩产生有功电流厶。图1 - 2 ( a ) 是电流超前时系统的相量图。 此时，与方向相反，逆变器输出电压的大小是和魄大小之 和，因此，i u c u s i 。图1 - 2 ( b ) 是电流滞后时系统的相量图。同上分析可 得，i u s i ，此时逆变器需要输出的电压矢量大小比电流超前情况时 小，d 轴分量的方向与电源电压矢量相同。因此可以通过调节逆变器输出 电压的幅值和相位来控制s t a t c o m 输出无功电流的方向和大小。 1 4 谐波和无功的检测理论 动态的无功补偿和谐波抑制通常要求控制器快速、准确的计算出补偿 设备输出的指令电流。根据不同的补偿目标和要求可以选择不同的检测方 法1 2 4 2 7 , z 8 】以下将比较常见的谐波和无功检测理论予以简要介绍。 1 4 1 瞬时无功功率理论 a k a g i 提出的三相电路的瞬时无功功率理论对谐波和无功检测理论的影 响较为深远。该理论将三相电路的瞬时功率分解为瞬时有功功率p 和瞬时 无功功率g ，因此也称为p q 理论。三相电压瞬时值e a ，e b ，e v 变换到o p 坐标 系下为： e 。印卜 e c t ( 1 - 1 ) 第8 页西南交通大学博士研究生学位论文 三相电流瞬时值i 。，i b ，i 。也变换到卵坐标系下为： k ， t - i 。 t ( m ) 式( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) 中，岛2 为a b c 坐标系到q 卢坐标系的3 2 交换矩阵： = 鸽m 1 - 1 m 2 - 1 2 2 ( 1 - 3 ) 在此基础上定义瞬时有功功率为： p ( t ) = e i j 。+ 8 口如= e d 。+ e b i b + e c i 。( 1 - 4 ) 定义瞬时无功功率为： q ( t ) = e 。i 。一8 口妇( 1 - 5 ) 瞬时无功功率理论不再以平均值为基础定义无功和有功功率，同时，由于 三相瞬时无功功率的和为零，因此可以通过无能量存储的补偿装置完成 三相系统的无功补偿，为无功补偿和有源滤波的应用与发展打下理论基 础。w i l l e m s 等人基于瞬时无功功率理论又提出了基于电流分解的瞬时无功 功率理论【3 3 j 。该理论将电流分解到平行于电压向量的有功分量和垂直于电 压的无功分量，可以应用到存在零序分量的三相或多相系统。其它的改进 检测方法较多，其中应用广泛的有p q 法、同步旋转坐标变换法等。 1 4 2 同步旋转坐标变换理论 当系统电压畸变时，瞬时无功功率理论难以准确获得畸变电流的基波 成分。如果以电压基波为参考，将三相负载电流从a b c 坐标系变换到以电 压基波角频率同步旋转的咖z 坐标系中，就可以消除电压畸变对检测结果 的影响。在d q z 坐标系下，n 次正序谐波分量将转变为m 一1 ) 次的交流分 量；n 次负序谐波分量将转变为m + 1 ) 次的交流分量。即基波正序分量变 换为直流量，其它畸变分量( 包括无功和各次谐波) 将变换为不同频率的交 流量。通过低通滤波l p f ( l o wp a s sf i l t e r l 就可以分离出基波正序分量和畸 变分量。将d q z 平面下的滤波结果进行同步选择坐标逆变换，得到a b c 平 西南交通大学博士研究生学位论文