（控制理论与控制工程专业论文）混合型电力有源滤波系统的研究.pdf

中南大学硕士学位论文 摘 要 ab s t r a c t t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e m a in a c a d e m i c p r o b l e m s o f h a r m o n i c s i n p o w e r n e t a n d s o m e k e y t e c h n i q u e s u s e d i n im p o rt a n t p r o j e c t o f h u n a n p o w e r c o m p a n y - t h e d e v e lo p m e n t o f h a p f ( h y b r i d a c t i v e p o w e r f i lt e r ) . t h e p a p e r i s t o t a l l y d iv i d e d i n t o f i v e c h a p t e r s . t h e f i r s t c h a p t e r m a in l y i n t r o d u c e s t h e c o n c e p t o f h a r m o n ie s a n d t h e h a r m o f h a r m o n i c s , a n d d e m o n s t r a t e s t h e n e c e s s i t y o f h a rn e s s i n g h a r m o n i c s , a n d b r ie fl y i n t r o d u c e s e v e r a l m e t h o d s o f h a rn e s s i n g h a r m o n i c s t h e s e c o n d c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e f u n d a m e n t a l t h e o r i e s o f h a r m o n i c a n a ly s i s a n d t h e m a i n m e t h o d s o f h a r m o n i c d e t e c t i o n t h e t h i r d c h a p t e r i n t r o d u c e s s e v e r a l m e t h o d s o f e l im i n a t i n g h a r m o n i c s , a n d e m p h a t i c a l l y in t r o d u c e s t h e w o r k in g p r in c i p l e o f h a p f t h a t h a v e t h e e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e a n d g o o d f o r e g r o u n d . t h e f o rt h c h a p t e r i l l u s t r a t e s t h e k e y t e c h n i q u e s u s e d i n t h e d e v e l o p m e n t o f s y s t e m a n d f in a l r e s u l t s o f t h e p r o j e c t , c o m b i n i n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f hap f . t h e f i f th c h a p t e r i n t r o d u c e s t h e t r e n d o f t h e d e v e l o p m e n t o f a c t i v e p o w e r f i l t e r . k e y w o r d s : hap fh a r mo n i c a n a l y s i s r e s t r a i n p w m mo d u l a t i o n i t 中南大学硕士学位论文 第一章绪 论 第一章绪 论 近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和 破坏也空前加剧。为此， 在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力 系统也是一种 “ 环境” ，也面临污染，公用电网中的谐波电流和谐波电 压就是对电网环境最为严重的一种污染. 谐波作为评价电能质量的一 个重要因素，引起人们越来越多的关注。 本章首先介绍谐波的基本概念 及产生谐波的主要谐波源， 并简要地叙述谐波的危害， 然后扼要介绍谐 波抑制的方法。 第一节谐波的基本概念 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: u ( t ) = 迈u s in ( a x + a ) 式中u电压有效值: a 初相角; m 角频率;r o = 2 了= 2 7r i t : .f - 频率; t周期。 正弦电压施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i , i1 频率的正弦波。但当正弦1 以k : 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 中南大学硕士学位论文 第一章绪 论 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 形电路上时，电流也是非正弦波.对于周期t= 2 ) r l 。的非正弦电压 u ( a x ) ， 式中 一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数 u(um) = a . + 艺 ( a c o s n o t + b s in n c x ) ( 1 一 1 ) 。 一 1 f = u (.i )d (, t)2 ;r a 。 一 生 r u (cx ) c c s n w d td (ax ) f u (ax ) sin n ax d (ax ) ( n =1 , 2 , 3 . . . . . . ) 或 u ( o m ) = a o + 艺c s in ( n ox + ra n ) ( 1 一 2 ) 式中，c、 97和a、 b 的 关系为 c . = 扣乃 + b . 07 . = a r c tg ( a l b ) a =c s i n 甲 ， b= c c o s v 在式 ( 1 - 1 ) 或式 ( 1 - 2 )的傅立叶级数中，频率为1 ! t的分量称为 基波，频率为大于 1 的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐 中南大学硕士学位论文 第一章绪 论 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，把式中u ( a # ) 转成i ( c ) l ) 即可。 n 次 谐 波电 压含 有率以h r 认 ( h a r m o n i c r a t i o认) 表 示。 认 月代口.=一x t v u % n u , 式 中u . 第n 次 谐 波电 压 有效 值( 方 均 根 值) ; u , 基 波 电 压 有 效 值。 n 次 谐 波电 流 含有率以h r i ( h a r m o n i c r a t i o i) 表 示。 i i r i=玉x 1 0 0 % i , 式 中1 第n 次 谐 波电 流 有 效 值( 方 均 根 值) ; i , 一 一基 波电 流 有 效 值。 谐 波电 压 含 量u 和 谐 波电 流 含 量与分 别 定 义为 u 。 一 摈 嘟 i 。 二 _ s 1 2 v= z“ 电 压 谐 波 总 畸 变 率t h d , ( t o ta l h a r m o n i c d is t o rt io n ) 和电 流 谐 波 总 畸变率? 洲 d , 分别定义为 t h d = t h d j = 五x 1 0 0 % u , 立x 1 0 0 % 人 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出， 谐波是一个 中南大 学硕士学位论文第一章绪 论 周期电 气量中 频率大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。 由 于谐波频率 高于基波频率， 有人把谐波也称为高次谐波。实际上， “ 谐波” 这一术 语己经包含了频率高于基波频率的意思。 谐波次数n 必须是大于1 的正整数。n 为非整数时的正弦波分量不 能称为谐波。 暂态现象和谐波是不同的。 在进行傅立叶级数变换时， 要求被变换 的波形必须是不变的周期性波形。 实际供用电 系统的负载总是变化的， 因此其电 压、电流波形也是不断变化的。 进行分析时， 只要被分析波形 能持续一段时间， 就可以 应用傅立叶级数变换。 暂态现象在供用电 系统 中总是不断发生的， 有时也会对供电系统和用户带来不利影响。 在采用 现代谐波抑制装置，对暂态现象的不利影响可以起到一定的抑制作用。 第二节产生谐波的主要的谐波源 公用电网中的谐波源主要有各种电力电 子装置、 变压器、发电机、 电 弧炉、 荧光灯等。 在电 力电 子装置大量应用之前， 最主要的谐波源是 电 力变压器的励磁电 流， 其次是发电 机。 在电力电子装置大量应用之后， 它成为最主要谐波源。 近 3 0年来，电力电子装置的应用日 益广泛，也使得电力电子装置 成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占比例最大。 目前， 常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电 路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多。带阻感负载的整流电路 所产生的谐波己为人们所熟悉。 直流侧采用电容滤波的二极管整流电路 也是严重的谐波源。另外， 采用相控方式的交流电力调整电路及周波变 中南大学硕士学位论文第一章绪 论 流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。 变压器的谐波电流是由 其励磁回路所引起的。 加在变压器上的电压 通常是正弦电压，该电压和铁心是微分关系，因此铁心磁通也是按正弦 变化， 只是其相位比电压相位滞后。励磁电流和磁通的关系是由铁心的 磁化曲线决定的。由于磁化曲线是非线性的， 所以产生正弦磁通的励磁 电流是非正弦的。变压器励磁电 流的谐波含量和铁心的 饱和程度有关， 即和所加的电压有关。正常情况下， 所加的电压是额定电压， 铁心基本 工作在线性范围内， 谐波电 流含量不大。 但在轻载时电 压升高， 铁心工 作饱和区， 谐波电 流含量就会大大增加。 另外， 在变压器投入运行过程、 暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。 电弧炉的谐波主要由 起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。 电弧 长度的不定性和随机性， 使得其电流频谱十分复杂， 其谐波颇率主要分 布在 间时， 0 . 1 - 3 0 0 h z 。电弧炉工作熔炼期间 谐波电 流很大，当 工作在精炼期 由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。 较多文献都指出， 上述各种谐波源是谐波电流源， 其所产生的谐波 电流取决于谐波源本身的特性， 基本上与供电网的参数无关。 如大量应 用的直流侧为阻感负载的整流电路， 其谐波电流是由直流电流和半导体 器件切换方式决定的， 几乎和交流电 压无关. 但是， 直流侧为电 容滤波 的二极管整流电 路就不能看成谐波电流源。因其直流侧电压近似为恒 值， 直流电压通过二极管切换加到交流侧， 因此应看成谐波电压源。 在 各种家用电 器中大量使用的开关电 源及变频器中， 都广泛采用这种电 容 整流二极管滤波电路， 而谐波电压源和谐波电流源的分析方法和治理方 法有很大的不同，因此必须加以注意。 通过对上述产生谐波的主要谐波源了解， 将会对谐波分析和抑制起 中南大学硕士 学位论文第一章绪 论 到非常重要的作用。 第三节谐波的危害 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。 在电力电子设备广泛应用以前， 人们对谐波及其危害就进 行过一些研究， 并有一定认识， 但那时谐波污染还不严重， 没有引起足 够的重视. 近三四十年来， 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 危害的严重性才引 起人们高度的关注。 谐波对公用电网和其他系统的危 害大致有以下几个方面: ( 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， 大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过 热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。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，使变压器局部严重 过热。谐波会使电容器、电缆等设备过热、 绝缘老化、寿命缩短，以至 损坏。 测量 值多比 实际 小， 且 所引 起的 误差 还与 谐 波流 动方向 有 关， 可能 为正或为负。直流功率引起的误差也和直流功率流向有关. 中南大学硕士学位论文第一章绪 论 事实上， 上述测量即使非常精确， 也是存在问 题的。 在测量交流电 流、电压值时， 如果要观察电 动机是否由 足够的转矩和输出功率， 观察 电容器是否提供所需基波无功功率，只要仪表指示出基波电压、电流即 可， 这时如指示出包含谐波在内的有效值， 反而产生问 题。 在测量电能 时，如果负载不是谐波源，而电网电压含有谐波，则会在负载上产生有 害的 谐波损耗， 用户还要为此多负电费。 如用户是 谐波源， 向电网 输出 有害的谐波有功功率， 付出的电费比 它所消耗的基波有功功率应付的电 费还少。这些结果显然是非常不合理的。 3 . 5谐波对通信系统的 干扰 谐波对通信系统的千扰是一个在国际上被十分重视的问题， 对此己 进行了充分的研究并制定了相应的标准。 谐波干扰会引起通信系统的噪 声，降低通话的清晰度。 干扰严重时会引起信号的丢失， 在谐波和基波 的共同作用下引起电 话铃响，甚至还发生过危及设备和人安全的事故. 电力系统传输的功率以兆瓦 ( mw)计，而通信系统的功率以毫瓦 ( m w) 计， 两者相差十分悬殊。因此，电 力网中 不大的 不平衡音频谐 波分量， 如果祸合到通信线路上，就可能产生很大的噪声。 电 力网中的平衡电流一般对通信系统影响不大， 而不平衡电流， 特 别是不平衡谐波电流对通信系统可能产生严重的干扰。 在有多个中点接 地的电网中， 如有较大的零序分量谐波电 流通过中电流入大地， 就会严 重干扰附近的通信系统。 电 力网 对通信系统千扰的大小是由以 下三个因素综合决定的2 2 1 . ( 1 )电力线路谐波电压和谐波电流的大小; ( 2 )电 力线路和通信线路之间的祸合强度: 中南大学硕士学位论文第一章绪 论 ( 3 )通信线路对谐波干扰的敏感程度。 第四节谐波抑制的概述 为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问 题，基本的思路 有两条: 一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波， 这对各种谐波源都适用; 另一条是对电力电子变流器进行改造， 使其不产生谐波， 这只对主要谐 波源有用。 装设谐波补偿装置最传统的方法是采用l c调谐滤波器。 这种方法 既可以 滤除谐波， 又可以 补偿无功功率， 而且结构简单， 一直被广泛使 用。 然而， 这种方法的 滤波特性受电网 阻抗和运行状态的 影响， 可能 与 系统发生串联、 并联谐振， 导致谐波放大， 使l c滤波器过载甚至烧毁。 而且， 它只能补偿固定频率的谐波， 其滤波效果也不甚理想。 随着电力电子技术的发展，谐波治理的一个重要趋势是采用有源 电 力滤波器 ( a c t i v e p o w e r f i l t e r - a p f ) 。 其基本原理是从补偿对象中 检 测出谐波电 流， 利用检测出的谐波电 流生成逆变器的控制信号， 然后去 控制逆变器产生于该谐波电 流大小相等方向 相反的补偿电 流抵消电网 中的谐波电流，从而使电网只含基波电流。 这种滤波器能对相位和幅值 都变化的谐波电流跟踪补偿， 且补偿效果不受电网阻抗影响，因而受到 广泛的重视， 并且已 在日 本等国 获得广泛应用0 ,2 1 。 有源电 力滤波器的 变 流电路可分为电 压型和电流型，目 前实际应用中， 9 0 %以 上是电 压型。 从与补偿对象连接方式来看， 又可分为并联型和串联型，目 前运行的装 置 几乎 都是 并 联型 12 1 中南大学硕士学位论文第一章绪 论 在单独使用的并联型有源电力滤波器的基础上，经多年的发展，为 尽量发挥有源电力滤波器的特长、 提高其性能， 并尽量减小其容量， 提 出了注入型有源滤波器、串联型有源电 力滤波器、 并联混合型有源电力 滤波器、串联混合型有源电力滤波器等， 并逐渐地被广泛应用。 有关内 容将在第3 章中介绍。 国外许多国家的谐波抑制技术己比较成熟， 特别在日 本和美国混合 型有源滤波器已 得到了 广泛的应用， 我国的 谐波抑制主要靠无源滤波器 来实现， 单独并联型有源滤波器有一定的应用， 而混合型有源滤波器几 乎没有实现实际应用。 中南大学硕士学位论文第二章谐波分析 第二章谐波分析 上一章讲述了谐波的危害及谐波治理的必要性，本章将介绍各种谐 波分析的方法， 这是进行谐波问 题的研究和谐波治理的基础。 谐波分析 方法是指将非正弦波形 ( 畸变波形) 分解为基波及各次谐波的方法。 谐 波 分 析 方 法 有 傅 里叶 级 数 分 解 法、 基 于 瞬 时 无 功 功 率 理 论 2 4 ,2 5 1 的p 9 算法等很多种方法. 第一节傅里叶级数分解法 1 . 1 非正弦周期函数分解为傅立叶级数 式 ( 1 - 1 ) 和式 ( 1 - 2 ) 是用傅立叶级数进行谐波分析时 最基本的一 般公式. 在进行谐波分析时， 常常会遇到一些特殊波形， 这些波形的谐 波分析公式可以简化，这些特殊的波形有以 下四 种: ( 1 ) u ( a x ) 为奇函数时，其波形以坐标原点为对称，满足 u ( - w t ) = - u ( a ) t ) 。 这时 式 ( 2 ， ) ， 就 达 不 到 所 要 求 的 谐 波 特 性 。 尤 其 是 ， 当 z : 和 z ; 在 特 定 频 率 处 发 生 并 联 谐 振( iz f + z , l - o ) 时 ， 将 出 现 谐 波 放 大现象，流入电源的谐波电流比负载中谐波电流还要大。 k ( d ) _ 方 沙 1 伽仁 备1 比 |石以|卫 h r-u周 沙 矛卜厂、j研| 汤无15 旦 = klh 才 ( s 1 ) a ) 单相等效电 路 b ) 图3 - 1 1棍合系 统的 单相等 效电 路 b ) 机 h p 等效电 路c ) 对u，种等效电 路 接入有源电力滤波器，并控制为一个电压源: u c = k i ,h ( 3 - 5 ) 此时， 有源电力滤波器将迫使负载中的谐波电流流入l c 滤波器， 降低电 源电流中的谐波含量。由 上式还可看出， 有源电力滤波器不承受基波电 压，这使得有源电力滤波器的容量大大减小。 只 考 虑对i , 的 滤波 特性时， 假设电 源电 压u ， 为 正 弦 波。 由 图3 - 1 1 a 可 得出电 源电 流的 谐波 分 量l h 、 连 接点 处 谐波电 压u, 、 有 源电 力滤 波 器的 输出电 压u 。 由 以 下三 式 给出 : 中南大学硕士学位论文第三章 混合型有源电力涟波册的研究 z, i=j - z s +z ,+k ( 3 - 6 ) u, = u ., 一 z j h h = z。 1 z s +z , + k ( 3 - 7 ) u , = k l,n = k z , i,z , + z ,.+ k ( 3 - 8 ) 式 ( 3 - 6 ) 说 明 ， 对 于与而 言 ， 图3 - 1 1 a 和图3 - 1 1 b 是 等 效 的， 因 而 将 单 相 等 效 图 化 成图3 - 1 1 b 的 形 式， 由 图 可 看出 ， 这 相当 于 给z ， 串 接了 一 个 纯 电 阻 k 。 如 果 k iz ; 卜 则 由 负 载 产 生 的 谐 波 电 流 将 流 入 l c 滤 波 器 。 如 果 k iz 小则 滤 波 特 性 由 k 决 定 除 此 外 ， k 还 起 到 阻 尼 z ， 和 z f 并联谐振的作用。 接下来， 分析混合型滤波器对电源电压谐波的滤波特性， 假设不接 负 载 和u .n 为电 源电 压认谐 波分 量， 如图3 - 1 1 c 所示。由 该 等效电 路 得 出 了 法 = 一 止 u rn 毛 + z f + k ( 3 - 9 ) u, =么 k + z f u z s + z f + k 瓦kz , + z f + k u ( 3 - 1 0 ) u , =( 3 - 1 1 ) 如 果 k ;iz . 十 z ; 卜则 呱将 加 在 有 源 电 力 滤 波 器 上 。 这 就 防 止 了 由 u , 产生 的 谐 波电 流 流 入 l c 无 源电 力 滤 波 器， 但 是， u ,ti 出 现 在 端电 压中。 当 k 为无穷大时，混合型滤波器可达到理想的滤波特性，如下式所 中南大学硕士学位论文第三章 混合型有源电力滤波器的研究 i = n = u, = ( 3 - 1 2 ) u , ., ( 3 - 1 3 ) u = z f i , , + u , ( 3 - 1 4 ) 由于来自电 源的 超前的基波电流和来自 负载的谐波电 流都流入有 源 滤 波 器 ， 因 此 有 源 滤 波 器 所 需 容 量 为 lz , i r n + u ,n il i , . - i 。 卜 其 中 1 , 。 为 无源滤波器的基波电流。 由以上分析可知， l c 无源滤波器有滤波特性受电网阻抗影响、 可能 与系统发生串并联谐振等缺点， 单独使用的并联型有源滤波器成本高的 缺点，由l c 滤波器与有源滤波器串联构成的混合型滤波器具有成本低、 滤波效果好和容易工程实现的优点，所以该系统具有很好的应用前景。 中南大学硕士学位论文 第四章 馄合型有源电力滤波的研制 第四章混合型有源电力滤波器的研制 前几章叙述了谐波的概念、 谐波检测和各种有源电力滤波器的工作 原理等关于谐波滤除方面的问题，并在第三章得出了由l c滤波器和有 源电力滤波器串联构成的混合型有源电力滤波器具有成本低、滤波效果 好和工程上容易实现的优点，在这一章中将介绍基于由l c滤波器和有 源电力滤波器串联构成的混合型有源电力滤波器的工作原理之上的混合 型有源滤波器的研制。 第一节系统的总体结构和各部分的设计 大多数的工业用电设备工作时所需的电流不是时时变化的，一般情 况是一种状态工作一段时间然后转到另一种状态工作一段时间。 为了便 于工程实现， 根据上述情况我们设计的系统采用前一个周期的电流、电 压的数据控制逆变器滤除下一个周期的电网谐波电 流， 这种控制方式能 达到工业应用的要求3 0 ,3 1 ,3 9 1 . 1 系统的总体结构 本系统的结构原理图如图4 - 1 所示， 负载为工业应 用广泛三相全控整流桥带阻抗负载，容量为5 k v a 。系统分为控制电路 和主电路两个部分， 控制电路采用上、下位机结构，上位机实现谐波电 流检测和计算p wm控信号电 平数据并将这些数据传给下位机， 下位机 根据这些数据产生p wm控制信号。主电路包括三组无源滤波器、三相 p wm逆变电路和逆变变压器，无源滤波器承担大部分的滤波工作，逆 中南人学硕士学位论文 第四章混合型有源电力滤波的研制 变电路输出的电压起拾漏补缺的作用， 它只承担小部分的滤波工作， 所 需的功率比较小， 逆变变压器起有源部分的电压、电流等级与无源部分 匹配并且起到电气隔离作用。 图 4 - 1 混合型 有源滤波器实现框图 1 .2 系 统 各 部 分 的 设 计 三 相 全 控 桥 式 电 路 直 流 侧电 压 平 均 值 17 1 仇为 : 巧 二 2 .3 4 u , c o s a = 5 1 4 .8 ( v ) ( 4 - 1 ) 式中u , 为 相电 压。 直流 侧电 流 平 均 值几为: 一 鄂一 9.63(a ) ( 4 - 2 ) 这里的负载为大电感负载，可忽略电流脉动，当忽略换向过程时， 对电 网 一 相电 流的 谐波 进 行分 析， 可 得出 f8 1 , 中南大学硕士学位论文第四章混合型有源电力滤波的研制 ，二 粤(sin w t - i sin 5w t+ i sin 7w t.) (4-3 )5 7 1 .2 . 1 无源 滤波器的 设 计3 2 ,3 3 ,3 4 1 本系 统中 采用投资费 用最小的 方法设 计无源滤波器。 由4 - 3 式可分析出电网谐波电流中5 , 7 次谐波电 流占 很 大比例，所以 采用单调谐无源滤波器来滤除 5 , 7次谐波，其他高次谐 波采用高通滤波器滤除。 1 .2 . 1 . 1 单调谐滤波器的设计单调谐滤波器中的电 容主要承受两种频 率的 激励的 作 用， 0 1 ， 一 个是电 网 基 波 频率电 压， 另 一 个是 调 谐频率电 流。 同样，电抗器也受到这两种频率的激励作用。那么电容容量为: q + 二 u 2 w e + 二 ( 4 - 4 ) 电抗器的容量为: q i r.二 ( u 2 w c ) 2 w l + i , n w l i为n 次谐波电 流 ( 4 - 5 ) 式中u 2 为基波相电 压， 设电容和电感的单位容量的投资为p 和h ， y = p q , + h q , 则滤波器所需的资金为: ( 4 - 5 ) 上式中y 是 关 于c 的函 数， 为 求得y 取 最小 值时c 的 值， 用y 对c 求导 并令其等于0 得电容量为: ( 尸 + h ) 1 2 n w 2 u 圣 ( p l n 2 + k c ) ( 4 - 6 ) 根据式3 - 2 得: l= c n 2 w 2 ( 4 - 7 ) 中南大学硕士学 位论 文 第四章混合型有源电力滤波的研制 r _ n w 二( 4 - 8 ) q 式中q 为 滤波 器的 品 质因 数， q 值一 般取在3 06 0 之间 。 根据上述的计算方法可得出 5次单调谐滤波器的参数值为 c = 1 6 .5 u f , l = 2 4 . 5 m h , r = 1 . 1 8 0 。 同 理可得7 次 单调谐滤波器的 参数值 为c = 1 0 .2 u f , l = 2 0 .3 m h , r = 1 .3 7 0。 1 .2 . 1 .2高通滤波器的设计 在第三章中己介绍了高通滤波器的工作原 理，本系统采用二阶高通滤波器滤除 1 1 次以上的谐波电流，其滤波特 性有以下两个参数描述: ; = _ l2 yrr c l m = r 2 g , ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) 式4 - 9 中 ，.f o 称为 截 止 频 率。 在 频 率f = .f o 一 00 的 频率 范围 内 ， 滤 波 器 的阻抗是小于其电阻r的一个的阻抗。式4 - 1 0 中的m是一个与品质因 数q直 接有 关的 参 数， 直 接 影响 着滤 波器调 谐曲 线的 形 状， m值一 般取 在2 - 0 . 5 之间。由 于高通滤波器的运行特性对频率失谐度不敏感，而且 在相当 宽的频带范围内， 其阻抗大致相等， 所以 不存在选择最佳q值的 问题。 高通滤波器电容和电感的容量分别为: q + “ u iw c + i 2 12 l i lw c q ,l . u 2 w 2 c i w l + k i1 1 w l ( 4 - 1 1 ) ( 4 - 1 2 ) 式中i 。为负 载 谐 波电 流的 高 次 谐波电 流， k为 用来 估 算高 次电 流 作 用 中南大学硕士学位论文第四章混合型有源电力滤波的研制 在电 感上的容量的系数。 设电 容和电 感的单位容量的投资为p 和h ， 则 高通滤波器的费用为: ， 一 。 ( 。 了 w c + i ,2, 内 十 尸 (。 参 w 2c 2 w 。 十 2 1 1 2 ,1 1w l ) ( 4 - 1 3 ) ll w c 上式中y 是关于c 的函 数，为求得y 取最小值时c 的 值， 用y 对c 求导 并令其等于0 得电容量为: n w u 2 ( p + h m ) ( 4 - 1 4 ) 由式4 - 9 和4 - 1 0 得: r = 二一 l =m r 2 c ( 4 - 1 5 ) ( 4 - 1 6 ) 取 截止 频 率.f . 为9 次， 根 据 上 述 的 计 算 方 法 可 得出 高 通 滤 波器 的 参 数 值 为c = 2 6 ,9 u f , l = 9 .4 m h , r = 1 3 .2 0 1 .2 .2逆变电路和逆变变压器的设计 本系统中逆变电路是电 压型p wm 逆变电路， 它的设计包括功率开关器件的选取、 直流侧电容和滤除开关 频 率 电 感 的 参 数 计 算 3 5,36,3 7 1 .2 .2 . 1功率开关器件的选取 在第三章已介绍了混合型有源电力滤波 器的原理，由式3 - 6 -3 - 1 1 可知，当k为无穷大时，混合系统可达到理 想的滤波特性，如下所示: i , = 0 ( 4 - 1 7 ) 中 南大学硕士学位论文第四章 混合型有源电力滩波的 研制 u , n = e , , ( 4 - 1 8 ) u , = z f i + e , ( 4 - 1 9 ) 由于来自电源的超前的基波电流和来自负载的谐波电流都流入有源滤 波器，因此有源滤波器所需容量为: q = iz f i . + e , iii , 。 一 i l ( 4 - 2 0 ) 其中i f 。 为无源滤波器的 基波电 流。 根据上述计算可求得逆变器的 容量 为 0 . 5 k v a ，为使有源部分的电 压、电 流等级与无源部分匹配， 所以 定 变 压 器的 变比 为1 : 1 0 ， 功 率开 关 器 件 选 用 智 能 功 率 模 块i p m ( i n t e ll ig e n t p o w e r m o d e l ) ，它 集 成了 多 个i g b t 和 触 发电 路 、 保 护电 路。 1 .2 .2 .2直流侧电容的选取 直流侧的电容的容值主要取决于直流电压 的脉动大小， 根据工程设计的经验19 1 有以 下计算公式: c = - 二f 种 u d j m i. o ( 4 - 2 1 ) 式 中i ; 为 逆 变 器的 额 定 输出 电 流 方 均 根 值( a ) , u , 为 直 流电 压 平 均 值， f m i。 为 逆 变器 的 最 低 输出 频 率 ， 6 为 允 许 直 流电 压 频 率 低峰 值 纹 波因 数， k (p 为负载位移因数角4)有关系数， 由 上式各计算出直流侧电容容值为 1 0 0 0 0 . 1 .2 .2 .3滤除开关频率的电 感的计算滤除开关频率电 感的工作原理是 利用自身与逆变器的负载分压来实现滤波的。 逆变器负载开关频率阻抗 可先 计 算二次 侧阻 抗 然 后折 算到一次 侧， 根据 戴 维南定 理 1 1 0 1 逆变器 二次 侧阻抗可由4 - 2 图计算。 中 南大学硕士学位论文第四章混合型有源电力滤波的研制 图4 - 2逆变器二次侧负载阻抗图 设需滤除9 0 %的开关频率谐波电压，则滤波电感值为l = 2 8 .7 m h , 1 .2 .3 控制电路的设计 1 .2 .3 . 1 下位机及驱动电 路的设计下位机和驱动电路的作用是将上位 机计算得出的p w m控制信号电 平宽 度数据转化为 具有一定驱动能 力的 p wm控制信号。下位机及驱动电路的结构框图如 4 - 3 图所示。 八 相电 压 11加.d 了t了t vvvvvtu气呢场vta价vtr踢 8 0 9 8 图 4 一下位机及驱 动电 路的结 构框图 中南大学硕士 学位论文 第四章混合型有源电力滤波的研制 下位机采用的是 8 0 9 8单片机，它的作用是跟踪同步信号将从上位 机接收到的脉宽数据准确、 高速输出 相应的脉冲， 使用三片单片机是为 了避免所需输出三相脉冲之间相互干扰， 一片单片机输出一相脉冲。 下 位机的程序流程图如4 - 4图所示，每一片单片机的流程图都相似。驱动 电路实现将单片机输出的脉冲信号整形、放大使其具有一定的驱动能 力，并实现上下桥臂信号互锁、高电 平延时等功能。 图4 - 4 下位机程序流程图 1 .2 . 3 .2 上位机程序的设计 上位机实现的功能是通过高速采样卡采集 电网的电流和电压， 然后将采集到的数据利用快速傅里叶变换计算出谐 波成分3 8 ,4 1 1 ，再将谐波电 流用三角波调制z 3 得到p w m控制信号数据。 数据的采样和f f t傅里叶变换的计算在第二章己介绍过了， 在此只介绍 三角波调制方法。 中 南大 学硕士学位论文 第四章混合型有源电力滤波的研制 p wm逆变器的控制方法包括滞环比较法、三角波调制法和无差拍 控制法等很多种， 每种方法都有各自 的优缺点， 工程上应用较多的是三 角波调制法。 三角波调制法是指把所期望的波形作为调制信号， 把接受 调制的信号作为载波， 通过对载波的调制得到所期望的p wm的波形的 方法。 三角波调制法又分为自 然采样法和规则采样法等几种。本系统采 用的三角波调制方法是下面将介绍的在规则采样法的基础上的一种改 进方法，这种方法具有比规则采样法有更好的精确度的优点。如图4 - 5 所示， 设三角波的周期为t ， 在相邻两个三角波负峰时刻t i 和t i + t 对调制信号采样而得到c点和d点，过c点和d点作一直线和三 角波分别交于a点和b点，在a点的时刻t i 和b点的时刻t 2 控 制功率开关器件的通断.每个周期的采样时刻t i 、三角波的周期 图 4 - 5 改 进的 规 则采 样法 t和幅值 k都是确定的，设调制信号在c点和d点的值分别为 s 1 和 s 2 ，则线段c d的方程为 c t - t i / ( s - s 1 ) = t / ( s 2 - s 1 ) ( 4 - 2 2 ) 三角波两腰的方程分别为 中南大学硕士学位论文第四 章混合型有源电 力滤波的研制 ( t - t i ) / ( s + k ) = t / 4 k ( 4 - 2 3 ) ( t - t i - t ) / ( s + k ) = - t / 4 k ( 4 - 2 4 ) 分别联立方程 4 - 2 2 , 4 - 2 3 和 4 - 2 2 , 4 - 2 4 可解得 a点时刻 t 1 和 b点 时刻 t 2 分别为 t 1 = t ( k + s l ) / ( 4 k + s l - s 2 ) + t i ( 4 - 2 5 ) t 2 = t ( 3 k - s l ) / ( 4 k 十 s 2 - s l ) + t i ( 4 - 2 6 ) 通过上述计算得出t 1 和 t 2 可得到控制信号高低电平的长度。 第二节系统滤波效果 本系统做实验得到的结果如图4 - 6 所示， 实验结果使用智能型 电网谐波监视、分析、保护一体化装置 4 2 3 检测得到的 ( 该装置已 通过鉴定并获得湖南省电力公司科技进步二等奖) 。 图4 - 6 a 给出了 滤波器投入前电网中电流波形，从图中可看出电网电流发生了严 重畸变，图4 - 6 6 为无源滤波器投入后的电流波形，波形亦有所改 善，图 4 - 6 。 为混合型有源滤波器投入后的电流波形，波形己非常 接近正弦波。从图中还可以看出，仅投入无源滤波器时，电网中 5 次、7次、1 1 次的含量分别为 5 %, 4 %, 3 %，再将有源滤波器投 入， 使整个混合型有源滤波器工作后， 则分别降为2 %, 1 %, 0 . 5 %. 上述实验结果表明由无源滤波器和有滤波器串联构成的混合型有 源滤波器具有 良好的滤波效果。 中南大学硕士学位论文 第五章展 望 第五章展望 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 家得到了 高 度重视和日 益广泛的 应用 1 7 1 。目 前， 世界上 a p f 的主要生产厂家有日 本三菱电机公司、 美国西屋电气公司、 德国西 门子公司等。据文献 ( 1 5 ) 介绍，自 1 9 8 1 年以 来，仅在日 本已 有 5 0 0 多台a p f 投入运行， 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: i .通过采用p wm调制和可提高开关器件等效开关频率多重化技 术， 实 现对各次谐波有效抑制。当a p p 的 容量小于5 m v a时， 通常 采 用i g b t 及p wm技术进行谐波滤除。当容量大于5 m v a时， 通常采用 g t o及多 重化p w m技术进行谐波滤波。 2 . 通过采用自 适应控制、模糊控制、智能控制等现代控制理论对 a p f 进行控制， 用以 提高a p f 的稳定 性、 动态性能及滤波效果 1 6 1 3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。 其中l c 滤波器用来消除高次谐波，a p f 用来补偿低 次谐波分量。 4 . 从长远角度看， 随着大量换流器用于变频调速系统， 其价格必然 下降;同时， 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， 混合型有源滤波系统的 成本的优势将逐渐消失， 而串 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。 与国外广泛应用a p f 相比， 我国的有源滤波技术还处在研究试验阶 中南大学硕 1 : 学位论文第五章展 望 段， 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 益严重的状况不适应。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。 中南大学硕 i - 学位论文结束语 结束语 本论文以电力系统谐波研究的实际问题为基点， 结合湖南省电力公 司重点攻关项目 混合型有源滤波器的研制， 提出了一些谐波抑制和 滤波器应用方面的关键技术。 文章对并联混合型三相电力有源滤波器的控制系统和逆变器进行 了深入的研究， 解决了实现该型有源滤波器控制系统和p wm逆变器的 具体工作原理、 控制方法和技术难点等问 题， 提出了一种便于工程应用 的新型p wm调制方法一改进的规则采样法， 该方法具有比 规则采样法 有更高的精确度的优点。 在理论研究的基础上研制成功了一套山 无源滤 波器和有源滤波器串联构成的混合型有源滤波系统，实验结果表明， p w m 逆变器具有良 好的性能，该系统具有抑制各次谐波较好的滤波效 果。 谐波问题己经成为电力系统非常重要和复杂的问题， 混合型有源滤 波器是今后谐波抑制的一个发展趋势， 本系统的研制成功希望能为我国 的谐波问题的研究、谐波的抑制和国民经济的发展做出一点贡献。 中南大学硕士学位论文 致谢 致谢 在本论文完成之际， 谨向我的导师罗安教授致以 最衷心的感谢。自 从入校以来，罗老师渊博的学识，严谨的学风，对我无微不至的关怀和 指导，让我受益非浅， 使我顺利地完成了学业.罗老师不仅传授给我们 书本上的知识， 更让我们掌握了 学习的方法和独立展开科研的能力。 在 本论文的选题、 调研、写作和论文完成阶段， 罗老师给了我最大的 支持 和帮助。 同时， 在这里要向 湖南省电力局的林干总工程师和何志华总工程师 致以 最衷心的感谢，感谢他们对我的课题和论文的完成给了极大的帮 助。 在这里还要向电力系统自 动化实验室的刘建良 老师和成晓明老师 以及涂春鸣、李正国、王莉娜、赵巍、傅青、杨健、陈倩、范力函、陈 峻岭、 董密等师兄、 师姐、 师弟和师妹们表示衷心的感谢， 感谢他 ( 她) 们对我无私的帮助。 最后，向关心我的父母、 朋友表示衷心的感谢， 感谢他们对我的支 持。 中南大学硕士学位论文参考文献 参考文献 i a k a g i h . n e w t r e n d s i n a c t i v e f i le r t s . l n : p r o c e e d i n g s o f e p e 9 5 , s e v i l la , l 9 9 5 . 1 7 - 2 6 2 a k a g i h . t r e n d s i n a c t i v e p o w e r