（电力系统及其自动化专业论文）hodfc及其在并联型apf中的应用研究.pdf

a b s t r a c t i nt h el a t e s tt e ny e a r s ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sd e v e l o p e da san o v e le l e c t r o n i c d e v i c et h a tc a na t t e n u a t et h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t s i tc a nc o m p e n s a t et h e h a r m o n i e sv a r y i n gi na m p l i t u d ea n df r e q u e n c y , i m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y , e n h a n c et h e r e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e r s y s t e m 1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st w ok i n d so fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fs h u n ta p ea n dw ea l s o p r e s e n ts e v e r a lm a j o rc o n t r o ls t r a t e g i e so ft h em a i nc i r c u i ta n dt h ec o n f i g u r a t i o no f s y s t e m s a n dt h et w oh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d si nt h r e e - p h a s ec i r c u i t sb a s e do n t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya l em o d e l e da n ds i m u l a t e dm a k i n gu s eo fp o w e r s y s t e mt o o l b o x ( s i m p o w e r s y s t e m ) i nm a n ，a b s l m u l i n k t oi m p r o v et h ec o n t r o lo fa p fa n dt h ee f f e c to fh a r m o n i cs u p p r e s s i o n , t h i sp a p e r p r o p o s e sah i g ho r d e rd i f f e r e n t i a t o r ( h o d ) ，w h i c hd o e sn o td e p e n do nt h es y s t e mm o d e l ， a n dd e s i g n sah i g ho r d e rd i f f e r e n t i a lf e e d b a c kc o n t r o l l e r ( h o d f c ) b a s e do i lt h eh o d b o t ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh o dh a sg o o ds t a b i l i t y , h i g ha c c u r a c ya n dg o o df i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s a n d i tc a l la l s oe x t r a c to n e o r d e ra n d h i g h - o r d e rd i f f e r e n t i a lo ft h es i g n a li nh i g h - q u a l i t y i tc a nb ep r o v e dt h a tt h eh o d f c s y s t e md o e s n td e p e n do nt h ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y s t e ma n dh a ss t r o n g r o b u s t n e s s f i n a l l y , t h i sp a p e rf i r s ta p p l i e st h ep r o p o s e dh o d f c t ot h ec o n t r o lo fd cs i d e v o l t a g ei ns h u n tk 吒s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mo fs h u n ta p f b a s e d o nh o d f ch a sg o o dc o n t r o le f f e c t s ，e a s i e rp a r a m e t e ra d j u s t m e n t ，s t r o n gr o b u s t n e s sa n d s oo n 1 1 1 ep r o b l e mo f a p p l y i n gh o d f c t oa p fi sd i s c u s s e dp r e l i m i n a r i l yi nt h i sp a p e r a n dt h ef e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so fh o d f ci nt h ef i e l do fa p fc o n t r o la r ea l s o v e r i f i e d a p f , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , h a r m o n i cc u r r e n t s ，h o d ， h o d f c 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：叁鲞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。 一躲罅薇期：砂7 年川弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁盗盘堂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： 谣薇 翩虢基舀 签字日期：易7 年月侈日 签字目期： 1 年 月，弓日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 谐波及其危害1 1 , 2 1 第一章绪论 目前，随着现代工业的迅速发展，电力电子技术的应用已渗透到电力系统的各 个领域。由于电力电子技术的发展，具有非线性特征的交流装置和大容量动态负载 的使用，电网中的谐波污染问题愈来愈严重。电网波形畸变，使电力系统中的电压 和电流不再是单一基波频率的正弦波，此时就出现了谐波和无功问题。 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。近十几年来，各种电力 电子装置的迅速普及，使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障 和事故也不断发生，谐波危害的严重性已应起人们的高度关注。谐波对公用电网和 其他系统的危害大概有以下几个方面： ( 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； ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘 老化、寿命缩短，以致损坏。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，使变压器局部产生过热； ( 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，这会 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的误动作，并会使电子测量仪表计量不准确； ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导 致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 2 谐波抑制 谐波治理是“绿色电力 的要求。虽然目前还没有完全证实高次谐波对入、动 物和生态环境的影响，但已有证据表明谐波对生态环境的影响确实存在。从减少环 境污染，保护绿色环境的角度出发，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色 的主要标志之一【1 ，3 1 。因此谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。 随着可控开关功率器件的出现以及相关控制理论的发展，从电力电子技术本身 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 入手解决谐波污染和提高功率因数的思路得到了普遍重视。目前对谐波抑制的思路 有两条【l - 8 】：一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波或少产生谐波， 同时设法提高功率因数，如采用多重化技术、p w m 整流技术以及有源功率因数校正 技术等，这些方法只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一条是装设谐波补 偿装置来补偿谐波，这种方法对各种谐波都是适用的。谐波补偿装置可分为无源滤 波器和有源滤波器两类。 传统的谐波抑制和无功补偿方法是使用无源滤波器( 由电力电容器等无源器件 构成) 与所需补偿的非线性负载并联，为谐波提供了一个低阻通路的同时也提供负 载所需要的无功功率，虽然无源滤波器具有电路简单、使用方便的优点，但它只能 抑制固定的n 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。 因此它只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿。 理论和实践都证明有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 是谐波抑 制与无功补偿的有效方法。 与无源滤波器相比，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【1 引。 1 3 有源电力滤波器的发展及应用 有源电力滤波器是近十几年发展起来的一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电 力电子装置。它向系统电网注入补偿谐波电流( 或电压) ，以抑制负载所产生的谐波 电流( 或电压) ，其结构上由静态功率变流器构成，由于采用如g t o 、i g b t 等高可 控性和快速响应性的半导体器件，因而采用有源电力滤波器的补偿方式较灵活，不 仅可以大大减小占地面积，而且无过载问题，不受系统运行方式影响和对系统运行 的影响都比较小。从功率角度讲，可以将有源滤波器当作一种为负载提供谐波功率 流动通路的装置，可以将谐波功率转换为系统的基波功率，理想情况下本身并不消 耗功率，所以其运行效率远高于无源滤波器。因此在电网谐波抑制过程中采用有源 电力滤波器，可以有效克服传统无源滤波器存在的问题，是一条技术先进、投资适 中、效果优良的途径1 2 】。 1 3 1 有源电力滤波器的分类 根据有源电力滤波器接入电网的方式，可将有源滤波器系统能够构成分为四大 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 类，即并联型、串联型、串并联型及混合型，基本的类型为并联型和串联型。并联 型有源电力滤波器在主电路中，相当于受控电流源，主要用于吸收电流谐波，补偿 负载的无功功率以及工频电流的负序和零序等。串联型有源电力滤波器通过变压器 串联在主电路中，相当于受控电压源，主要用于调节电压和功率因数、消除电压畸 变、隔离电压谐波等。已得到大量应用的是并联型有源滤波器与并联混合型有源滤 波器。例如在日本的配电网中，自1 9 8 1 年以来已有5 0 0 多部并联型有源电力滤波器 投入使用，而且安装数量还在逐年增加。 1 3 2 参考信号的检测 准确、实时地测量出电网中瞬态变化的电压或电流信号是有源滤波器进行精确 补偿的关键。在有源电力滤波器的补偿分量检测方法的研究方面，经历着一个由频 域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。最早的谐波电流检测方法是采 用模拟滤波器来实现，但这种方法由于存在着误差大、设计难、对电网频率和电路 元件参数十分敏感等缺点，因而目前极少采用。2 0 世纪初f r y z e 提出了无功功率理 论【2 】，但该理论很难应用于有源滤波器所应用的非线性系统的电能计量尤其是电流 量。2 0 世纪8 0 年代由赤木泰文提出了三相电路瞬时无功功率理论，也称p - q 理论， 是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，突破了传统的以平均值为基础的 功率定义，系统地定义了瞬时无功功率，瞬时有功功率等瞬时功率量。将三相系统 在p q 坐标中分解为电压和电流，将无功功率通过电压、电流的瞬时值表示了出来。 该理论对有源电力滤波器的实际应用起到了相当大的推动作用。基于瞬时无功功率 理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果，检测谐波电 流分量时，延时最多不超过一个工频周划3 1 。但是，应用该理论进行补偿分量的检测 时，需要进行大量的坐标变换等转换，运算量大，而且该理论是建立在三相对称正 弦系统上，在应用到非对称系统时，具有一定的局限性。即便是这样，该方法仍然 是目前最有影响及应用价值的方法，并且许多学者在该理论的基础上也提出了一些 改进的方法胁1 6 1 ，如以瞬时无功功率理论为基础，在此基础上，提出一种数字化的实 时检测新算法，用复化积分提高检测直流分量的计算精度，用h a m m i n g 窗消除直流 分量检测过程产生的频谱泄露【1 3 】。用改进的自适应对消技术进行检测的简便方法1 1 0 j ， 用加p i 调节器来改善i o - i q 灵敏度和检测精度的方法1 1 4 1 ，基于瞬时无功功率理论的 p 。q r 谐波检测法【1 5 】，以及基于瞬时无功功率理论的电源电压矢量同步参考坐标变换 的有源滤波器无功和谐波电流检测方法【16 1 。此外，2 0 世纪9 0 年代以后，随着数字控 制技术的发展，尤其是d s p 的迅速发展，无法利用模拟电路实现的些检测方法得 3 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 到了成功地应用，其中具有代表性的是基于傅立叶分析的检测方法，该方法目前在 有源滤波器中得到了很好地应用。另外利用历史数据进行模型辨识，采用自适应信 号处理和神经网络信号处理【9 1 1 1 来进行无延时谐波分量检测的研究也越来越引起人 们的重视，成为研究热点，只是这些方法还是避免不了对历史数据的依赖，在理论 上仍然无法做到准确无延时的检测跟踪。 1 3 3 有源电力滤波器的控制策略 有源电力滤波器的控制系统一般可分为内环和外环两部分。主电路为电压型交 流器，外环为直流侧电压环，用于维持直流侧电容电压恒定，当主电路为电流型变 流器时，外环用来控制变流器的直流侧的电感电流为恒定。由于串联型有源电力滤 波器与并联型有源电力滤波器的补偿策略和控制具有对偶性，在此仅以并联型有源 电力滤波器为例进行讨论。内环是用来跟踪参考信号的，它是决定有源电力滤波器 补偿质量的关键。因为求得补偿电流参考值后，要通过反馈环节和控制变流器的开 关元件，使变流器产生的输出电流不是基波正弦而是谐波电流，而且谐波成分由负 载决定，因此对跟踪参考电流的控制要求很高，包括快速的动态响应、稳态无静差 跟踪、不受系统参数影响等。外环用来控制直流侧电容电压为恒定，其动态过程比 较慢，可采用传统p i 控制，但p i 参数的调试通常比较困难。 有源电力滤波器常见的控制方式是滞环比较控制和三角载波电流控制。滞环比 较控制的基本方法是不断地将实际三相电流与给定电流相比较，如果误差超出滞环 带，则根据比较值的正负决定变流器每一相开关元件的通断，以便将每一相电流的 误差约束在滞环带中。三角载波电流控制是最简单的一种电流控制方法，它将调制 后的电流实际值与参考值之间的偏差经过放大后与高频的调制三角波进行实时比 较，得到它们的交点作为交流器开关动作的依据。这两种方法各有优缺点，滞环比 较控制的优点是该方法简单、容易用模拟电路实现而且动态性能好，不需要考虑系 统参数和变流器内部的参数，具有强鲁棒性。其缺点是开关步骤不确定，不能有机 地产生零矢量，存在非优化的开关过程。在低调制比时会造成开关频率很高，另外， 由于相互间实际存在的影响，误差经常超出滞环带。三角载波电流控制的优点是开 关频率固定，响应速度快，对高开关频率的系统具有较好的控制特性；其缺点是跟 随误差大，并且由于高频的三角波使变流器始终以高频状态工作，从而产生较大的 开关损耗和高频失真，在大功率应用中受到限制。这两种方法虽然简单易懂，但是 跟踪误差都比较大，并且只有开关频率比较高的情况下，才有比较理想的补偿效果。 随着现代控制理论和微处理器控制等方面的发展，p w m 变流技术出现了向全数 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 字化控制和智能化方法发展的趋势。在微处理器技术应用方面，随着微处理器性能 日益增强，电力电子装置的控制系统逐步数字化。并且由于具有高速运算能力的单 片机和数字信号处理器( d s p ) 的广泛应用，使得一些复杂的控制方式：例如空间矢 量控制、无差拍控制的实现成为可能。在现代控制理论和策略的应用方面，一些新 的控制方式f 1 7 2 7 3 舛轳1 5 2 如：迭代学习控制l 姗、滑模交结构控制1 2 0 - 2 n 、模糊控制”5 2 1 、 内模控制、神经网络控制【1 7 , 1 9 、自抗扰控制器1 2 4 - 2 7 等也逐渐进入电力电子系统的 控制领域。 其中，滑模变结构控制和自抗扰控制属于非线性控制方法，值得一提的是由韩 京清学者提出的自抗扰控制器【2 & 蚓在有源电力滤波器的控制中取得了较好的效果 2 4 - 2 5 1 。针对有源电力滤波器这样的非线性对象使用非线性控制具有较强的鲁棒性。 模糊控制和神经网络控制属于智能控制的范畴。与传统的p i d 控制方式相比，智能 控制最大的好处是不依赖控制对象的数学模型。此外，还有一些新型控制策略也已 应用于有源电力滤波器，如重复控制、迭代学习控制等。重复控制的基本思想源于 控制理论中的内模原理。迭代学习控制是智能控制中较为严格数学描述的一个分支， 同智能控制中的其它分支诸如模糊控制、神经网络控制等相比，迭代学习控制具有 坚实的理论基础。 本文提出了新型跟踪微分器( t r a c k i n g d i f f e r e n t i a t o r ，简称t - d ) 及由其构成的 高阶微分反馈控制器( h i g ho r d e rd i f f e r e n t i a lf e e d b a c kc o n t r o l l e r ，简称h o d f c ) 1 3 6 3 4 , 3 6 ，该控制器已在混饨控制和交流调速方面取得了较好的控制效果【3 4 - 3 5 , 3 7 - 3 8 。本 文首次将h o d f c 应用于有源电力滤波器中，尝试了有源电力滤波器控制的另一新 的途径。 1 3 4 国内外研究概论及发展趋势 有源电力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 业发达国家得到了高度重视和日益广泛的应用。例如在日本的配电网中，自1 9 8 1 年 以来已有5 0 0 多个并联有源电力滤波器投入使用，而且安装数量还在逐年增加【l 。2 。 国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展1 4 引，到 电能质量评价指标体系的建立；各种电能质量问题分析方法的提出，以及用户电力 技术等电能质量控制技术、先进控制策略的研究【3 9 4 3 】和装置的开发正深入进行。目 前，有源电力滤波器在国外的研究以日本为代表，已进入实用化阶段，已有很多工业 应用实例。随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向着改善整 个电力系统电能质量的方向发展。 s 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 与国外广泛应用有源电力滤波器相比，我国在有源电力滤波器方面的研究起步 较晚，直到1 9 8 9 年才见到关于这方面研究的文章。近几年进行这方面研究的单位 在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构，都在积极开展这方面的研 究工作，并取得了许多研究成果。从1 9 9 3 年至今，工业应用上只有少数几台样机投 入运行，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。 国内对主要用于补偿谐波的有源电力滤波器的研究十分活跃，技术上已经相当 成熟，但仍处于试验阶段，且成本较高。 随着高速数字信号处理器( d s p ) 为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展， 并得到广泛应用，采用模拟量控制的电能质量控制装置正用数字量控制代替。数字 量控制可以实现程序控制，改变控制方法或算法，不必改变控制电路；提高了系统 稳定性、可靠性和灵活性，系统不受温度影响；可重复性好，易调试和批量生产： 易实现并联运行和智能化控制。随着d s p 性能的不断改善和价格的下降，用d s p 来实现实时信号处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。随着大功率电力电 子技术、控制技术的不断发展，有源电力滤波器的成本不断降低，加上其卓越的滤 波性能，在我国必将有广阔的应用前景。 1 4 本论文的主要工作 本文主要对谐波的危害及抑制，有源电力滤波器的现状及发展，瞬时无功功率 理论及基于此理论的谐波检测方法进行了分析与仿真验证。对有源电力滤波器的拓 扑结构及工作原理等进行了分析，并在此基础上对并联型有源电力滤波器的工作原 理及控制策略进行了详细分析。本文对提出的新型跟踪微分器( t - d ) 及高阶微分反 馈控制器( h o d f c ) 进行了详细的理论分析及仿真验证。并首次提出将h o d f c 应 用于并联型有源电力滤波器的控制中，给出了相应的仿真结果和分析。本文主要研 究的内容如下： 第一章介绍了谐波的危害及抑制，有源电力滤波器的现状及发展，本文主要工 作等。第二章叙述了瞬时无功功率理论的基本思想，并对基于瞬时无功功率理论的 谐波电流p q 检测法和i 。之检测法进行了比较及仿真分析。第三章介绍了有源电力 滤波器的构成及工作原理，有源电力滤波器的分类等；着重研究了并联型有源电力 滤波器的工作原理、系统组成、器件的选取及控制方式。第四章对新型跟踪微分器 进行了理论分析与研究，给出了其收敛性和稳定性等分析。在此基础上研究了高阶 微分反馈控制器的基本原理，并进行了仿真分析。第五章将基于新型跟踪微分器构 成的高阶微分反馈控制器用于并联型有源电力滤波器的控制，并用m a t l a b 进行了 6 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 仿真验证及结果分析，并对本文工作进行了总结。 1 5 本章小结 本章首先介绍了谐波的产生及其危害，分析了谐波抑制的目的及方法，对谐波抑 制的主要电力电子装置之有源电力滤波器的发展及应用进行了介绍，其中包 括有源电力滤波器的分类、参考信号的检测、有源电力滤波器的控制策略及国内外 研究概况及发展趋势。最后对本论文的主要工作进行了简单的概述。 7 天津大学硕士学位论文第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 2 1 谐波信号 2 1 1 谐波的定义 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论f l 4 ，1 2 】 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可 表示为 甜( f ) = 4 2 u s i n ( o d t + 口) ( 2 - 1 ) 式中：ij 二一电压有效值； 口- 初相角； 国角频率，m = 2 矿= 纫t ； 厂频率； t 周期。 正弦电压加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电 流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正 弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为 t = 2 万的非正弦电压u ( o a t ) ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里 叶级数： ，u ( c o t ) = a o + ( a n c o s r 砌t + b ns i n m o t ) ( 2 2 ) 式中 ”1 口o = 去卜( 国，p ( 国，) q = 丢卜r o t ) c o s n t o t d ( o 。t ) 屯= # “( 咖n m o t d ( o 。t ) 仞= 1 ，2 ，3 ) 或 u ( o j t ) = a o + c s i n ( m o t + p ) ( 2 - 3 ) 式中，q 、纯和、瓦的关系为： c 。= 0 蠢+ 磷 见= a r c t a n ( a b ) a n = c 。s i n 仇 8 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 巩= qc o s 在式( 2 - 2 ) 或式( 2 3 ) 的傅立叶级数中，频率为l 厂r 的分量称为基波，频率为大于l 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上 公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，只需把式中 ”似) 转成f 细f ) 即可。 2 1 2 谐波信号的检测 准确、实时地检测出电网中瞬时变化的电压或电流信号，是有源滤波器进行精 确补偿的关键。在有源电力滤波器的补偿分量检测方法有很多的研究方面，前面已 经做过简单介绍，在此不再赘述。 近年来，随着计算机技术的高速发展，利用历史数据进行模型辨识，采用自适应 信号处理、小波变换和神经网络信号处理来进行无延时谐波分量的研究也正在兴起。 只是这些方法都避免不了对历史数据的依赖，在理论上仍然无法做到准确无延时地 监测跟踪。实际上，对于含有噪音和扰动的配电网系统，想通过其输出准确而又无 延时地检测出谐波分量是非常困难的，只能尽量使检测误差达到足够少而已。 目前最有影响及应用价值的谐波检测方法就是由日本的h a k a g i 于19 8 3 年提出 的瞬时无功功率理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定 义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，将三相系统在p q 坐标中分解电 压和电流，将无功功率通过电压、电流的瞬时值表示了出来，该理论对有源电力滤 波器的实际应用起到了很大的推动作用。下面就该理论进行较详细介绍。 2 2 三相电路瞬时无功功率理论 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为e a 、e 。、e 。* a i o 、i o 。首先将它 们变换到口一卢两相正交的坐标系上研究。由下面的变换可以得到口、卢两相瞬时电 压p 口、e a 和口、p 两相瞬时电流、i 扛。 9 ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 1j j-，_-j 一乞一一巳卜乞一一一 一一m一广1 2 3 鸣 = 忙 1 l r j 1 叫1 叫一!钊匮 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 式中= 矧三爱轰l 在图2 - 1 所示的口一声平面上，矢量乏、一e p 和云、i 分别可以合成为电压矢量虿 和电流矢量7 虿= e 口+ e 一= e 么。( 2 6 ) i = f 口+ i 占= i l 驴i ( 2 - 7 ) 式中e ，i 为矢量虿，7 的模；屯，磊分别为矢量虿，7 的幅角。 一一 l 镰一 图2 1 口一卢坐标系中的电压，电流矢量 定义l ：三相电路瞬时有功电流，p 和瞬时无功电流f 。分别为矢量7 在矢量虿及其 法线上的投影。即 i 口= i c o s 妒 ( 2 - 8 ) 乇= i s i n 妒 ( 2 9 ) 式中妒= 丸一匆。 定义2 - 三相电路瞬时无功功率q ( 瞬时有功功率p ) 为电压矢量虿的模和三相电 路瞬时无功电流( 瞬时有功电流f p ) 的乘积。即： p = e i ， ( 2 - 1 0 ) q = p ( 2 1 1 ) 把式( 2 8 ) 、式( 2 9 ) 及9 6 = 屯一，代入式( 2 1 0 ) 、式( 2 一1 1 ) 并写成矩阵形式得出： ； = 乏二乏 乏 = c 朋 乏 ，c 2 一2 ， 式帆。l 三：羔j 把式( 2 4 ) ，( 2 5 ) 代入上式，可得到p 、g 对于三相电压、电流的表达式： p = e a i a 4 - e b i b b e 。屯 ( 2 - 1 3 ) 1 0 天津大学硕士学位论文第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 q = 1 4 3 6 一e 。) i o + 向。一p 。j + 向。一p 6 j t j ( 2 一1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。而由 ( 2 1 4 ) 可以看出，三相电路瞬时无功功率之和为零。所以三相电路的瞬时无功功率只 在三相电路之间相互交换，其交换程度由q 来表征。 传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的， 它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都 是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡 过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传 统理论非常相似，可以看成是传统理论的推广和延伸。 2 3 谐波和无功电流的实时检测 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成 功的应用。目前有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测 方法应用最多。 基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出 检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同， 会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源工频周期。， j 2 3 1 三相电路谐波和无功电流实时检测 以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p 、q z 戋i p 、为出发点，可得到两 种三相电路谐波和无功电流检测的方法，分别称之为p q 检测法和一检测法。 2 3 1 1p q 检测法 该检测方法的原理框图如图2 2 所示： l b h k 图2 2p q 检测法原理框图 p 9 检测法根据定义算出p 、q ，经低通滤波器( l p f ) 得p 、q 的直流分量芦、 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 虿。电网电压波形无畸变时，多为基波有功电流与电压作用所产生，虿为基波无功电 流与电压作用所产生。因此，由芦、虿就可以计算出被检测电流乞、的基波 分量0 、芬、0 。即： i = 。1 习= 舌 习 q 以5 ， 将0 、芬、0 与、毛、相减，就可得出、的谐波分量乙、乙。 当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中 的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开图2 - 2 中计算g 的通道即可。这时，由 p 即可计算出被检测电流乞、的基波有功分量锄、锄、切为 l i = j 习= 吉g ： 习 q 舶， l 珂j 将o 、锄、切与乞、“之相减，即可得出。毛、c 的谐波分量和基波无功 分量之和么、0 、0 。下标中的d 表示由检测电路得出的检测结果。 由于采用了低通滤波器( l p f ) 求取芦、虿，故当被检测电流发生变化时，需经 一定延迟时间才能得到准确的j l i 、虿，从而使检测结果有一定延时。但当只检测无 功电流时，则不需低通滤波器，而只需直接将口反变换即可得出无功电流，这样就不 存在延时了，得到的无功电流如下式所示： 阱q 7 1 i - 曰0 弘 2 3 1 2 - 检测法 该方法的原理框图如图2 3 所示。 图2 3 一检测法原理框图 1 2 锄 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 图中c = ： 并且c 一= c 在该方法中，需用到与口相电网电压乞同相位的正弦信号s i n a t 和对应的余弦信 号c o s o j t ，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 可以计算出，、，经l p f 滤波得出、的直流分量亏、亏。这里亏、亏是由0 、 0 、0 产生的，因此由、即可计算出0 、磅、0 ，进而计算出、。 当需检测谐波和无功电流之和时，只需要断开图2 3 中计算的通道即可。而如 果只需要检测无功电流，则只要对乞进行反变换即可。 上述两种方法既可用模拟电路实现，也可用数字电路实现。并且这两种方法均适 用于三相三线制电路。 2 3 2 仿真研究 2 3 2 1 p q 检测法仿真研究 图2 - 4 给出了基于m a t l a j 3 仿真的p q 检测法的结构图： 图2 - 4p q 检测法仿真结构图 图2 - 5 所示为p q 检测法的仿真波形。其中： 电网电压为：乞( f ) = l o s i n ( 1 0 0 斫+ 9 ) 。电网电压发生畸变时，a 相电压为： e a ( f ) = 1 0 s i n ( 1 0 0 万f ) + o 5 s i n ( 7 0 0 z r t ) ， 天津大学硕士学位论文第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 ( a ) a 相电网电压乞和被检测电流么的波形 ( b ) 谐波的波形 ( c ) 基波知的波形 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 ( d ) p 口畸变后的a 相电压巳和电流乞的波形 ( e ) 乞畸变后的谐波如波形 ( f ) 乞畸变后基波矗的波形 图2 - 5p q 检测法的仿真波形 1 5 天津大学硕士学位论文 第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 从图2 - 5 中可看出，三相对称时且电网电压为正弦波时，用p q 法检测妨及k 效果很好，当三相对称且电网电压波形有畸变时，用该方法检测出的访及k 有较大 误差，效果不是很好。 2 3 2 2 一q 检测法仿真研究 图2 - 6 给出了基于m a t l a b 仿真的i p 一检测法的结构图： d b 目r t - h ip l o 图2 - 6 一检测法仿真结构图 图2 7 所示为用0 一检测法的仿真波形。其中电网电压p ( f ) 和口相畸变压的电压 巳( f ) 及电流屯同图2 - 5 。 ( a ) 谐波匕的波形 1 6 基波访的波形 t ，8 ( c ) 乞畸变时谐波的波形 ( d ) 铭畸变时基波珏的波形 图2 - 7 一检测法的仿真波形 1 7 天津大学硕士学位论文第二章谐波检测及瞬时无功功率理论 从图2 7 所示的仿真波形可以看出， 的检测效果优于p 一鼋检测法的检测效果， 有很好的检测效果。 检测法用于三相对称电路的谐波电流 尤其是当电网电压波形畸变时，它也能具 上述两种方法还可以用于检测不对称三相三线制电路的谐波和基波负序电流。 基于上述分析，本论文中的谐波电流检测选取- f g 检测法。 2 4 本章小结 本章首先对谐波的定义及谐波信号检测的意义及方法进行了简单说明，接着介 绍了瞬时无功功率理论，并对基于瞬时无功功率理论的两种谐波电流检测方法p 一留 检测法和一检测法进行了分析比较与仿真验证。通过仿真研究与分析确定在本课 题中采用一检测法。 1 8 天津大学硕士学位论文 第三章有源电力滤波器 第三章有源电力滤波器 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 是近十几年发展起来的一种动态 抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都发生变化的谐波及 变化的无功进行补偿，其应用克服了传统的无源滤波器谐波抑制和无功补偿方法的 缺点。 3 1 有源电力滤波器的工作原理【1 ，4 】 图3 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成原理图。 图3 1 并联型有源电力滤波器原理框图 有源电力滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。 补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路三部分构成。 补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号 产生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w m 变流器。作为主电路的p w m 变流 器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但它不仅仅是作为逆变器工作，当 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。它既工作于 逆变状态，也工作于整流状态，且工作状态无法区分。因此，可称之为变流器。 以图3 - 1 所示并联型有源电力滤波器为例，有源电力滤波器的基本工作原理是， 检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号e ， 该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流t ，补偿电流与负载电流中要补偿的 谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。 图3 1 中，p 。表示交流电源电势，为交流电源电流，负载为谐波源，它降低了 1 9 天津大学硕士学位论文第三章有源电力滤波器 系统功率因数，产生谐波，f 。为负载电流。t 为补偿电流，j ：为补偿电流的指令信号。 当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电 流f ，的谐波分量，。，将其反极性后作为补偿电流的指令信号i ：，由补偿电流发生电 路产生的补偿电流t 即与负载电流中的谐波分量f ，。大小相等、方向相反。因而两者 互相抵消，使得电源电流中只含基波，不含谐波，这样就达到了抑制电源电流中谐 波的目的。上述原理可用如下的一组公式来描述： i i = i l + i c i l = i t , + i t ， l c2 一i 工 i l = i l + i c = i t ( 3 一i ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) 式中，负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在 补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分既可。这样， 补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有 功分量。根据同样的原理，有源电力滤波器还可对不对称三相电路的负序电流等进 行补偿。本课题主要针对三相对称电路的谐波补偿问题进行讨论。 3 2 有源电力滤波器的分类【1 4 1 目前设计使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样。有源电力滤波器可以 按照所使用的场合、变流器类型、主电路结构和电源的相数进行分类。根据应用场 合的不同，a p f 可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消 除高压直流系统中换流器直流侧的电压；后者则应用于交流电力系统。按所使用的 变流器类型可分为电流型( c s i ) 和电压型( v s i ) 结构；按与负载连接的拓扑结构 可分为并联型、串联型和串一并联型和混和型；根据使用场合电源的相数可分为单 相、三相三线和三相四线用的有源电力滤波器等。 3 2 1 按使用的变流器类型分类 有源电力滤波器的主电路一般由p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 变流器组成。 p w m 控制技术原理是控制功率器件的开通和关断，把直流电压或电流变成一定形状 的电压或电流脉冲序列，使有源电力滤波器中的静止变流器产生所需的谐波补偿电 2 0 天津大学硕士学位论文第三章有源电力滤波器 压或电流。有源电力滤波器的主电路有两种类型，即电流型p w m 逆变电路和电压 型p w m 逆变电路。它的作用是产生非正弦电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流。 电流型有源电力滤波器和电压型有源电力滤波器主要区别是直流侧的储能元件不 同。它们的结构图如图3 2 所示： ( a ) 三相电流型p w m 变流器( b ) 三相电压型p w m 变流器 图3 2 p w m 变流器 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不 变，可以看作电压源；电流型p w m 交流器的直流侧接有大电感，在正常工作时， 其电流基本保持不变，可以看作电流源。对于电压型p w m 变流器，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p w m 变流器，为保持直流侧 电流不变，需要对直流侧电流进行控制。并且电压型p w m 变流器的交流侧输出电 压为p w m 波，电流型p w m 变流器的交流侧输出电流为p w m 波。 与电压型p w m 变流器相比，电流型p w m 变流器不会由于主电路开关器件的直 通而发生短路故障。但是，由于电流型p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流 过，该电流将会在大电感的内阻上产生较大损耗，因此目前较少使用。不过，随着 对超导贮能磁体研究的发展，一旦超导贮能磁体实用化，则可取代大电感器，促使 电流型p w m 交流器的应用增多。目前应用较多的是电压型p w m 交流器。本论文中 亦采