（电气工程专业论文）并联混合型有源电力滤波器的设计.pdf

摘要 摘要 电力系统的谐波问题随着电力电子装置的广泛应用变的越来越突出。谐波 抑制和无功功率补偿的问题已成为电力系统迫切需要解决的问题。将无源滤波 器和有源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器( h y b r i dp o w e rf i l t e r ， 姒p f ) ，有助于减少谐波补偿系统的初期投资，提高性能价格比，达到较好的谐 波抑制的目的。 。 本文主要研究并联混合型有源电力滤波系统。首先对并联混合型有源电力 滤波系统的结构、补偿原理进行了详细的分析然后确定了基于瞬时无功功率 理论的谐波检测方法。接着着重研究了p w m 逆变电路的电流控制方法，主要分 析滞环电流控制的原理，推导其开关频率的计算公式，在分析制约开关频率的 因素的基础上，提出采用最优电压矢量实现滞环电流控制。最后对系统各部分 进行设计，推导主电路有关参数的近似计算公式，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境下 进行仿真，测试结果表明混合型有源电力滤波系统对电力系统的谐波补偿具有 较好的的补偿效果。 关键词；有源电力滤波器；谐波检测；指令电流；滞环电流控制：瞬时无功功 率理论 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i c sp r o b l e m sw i t hp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s c h a n g e dt h e b r o a da p p l i c a t i o no ft h ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t h a r m o n i c s 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 s s u eh a sb e c o m e 蛐u r g e n tn e e d t oa d d r e s st h ep o w e rs y s t e mp r o b l e m s p a s s i v ef i l t e ra n dw i l lc o m b i n ea c t i v e f i l t e rc o n s i s t i n go fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，h a r m o n i cc o m p c s u m t i o as y s t e m h e 印曙t or e d u c et h ei n i t i a li n v c s t m e n ta n di m p r o v ec o s tp e r f o r m a n c e , t ob e t t e r t h ep u r p o s eo 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 rs t u d i e sp a r a l l e lh y b r 试a c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m m 眦p a r a l l e l h y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e rs y s t e ms t r u c t u r e , c o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fad e t a i l e d a n a l y s i s w ew i l ld e t e r m i n eb a s e do nt 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 yo f h a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o d t h e nf o c u so nt h ei n v e r t e rc i r c u i to ft h ep w m c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s , m a j o rh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lo ft h ep r i n d p l e t h e s w i t c h i n gf r e q u e n c yi s d e r i v e dt h e i rf o r m u l a ，t h ea n a l y s i so ft h ef a c t o r s c o u s t r a i n i n g , w i t c h 自s gf r e q u e n c yo i lt h eb a s i so f ，v e c t o ru s e dt oa c h i e v eo p t i m a l v o l t a g eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lt h ef i n a lp a r to ft h es y s t e md e s i g n ，t h em a i n c i r c u i tp a r a m e t e r sd e d u c e dt h ea p p r o x i m a t ef o r m u l a ，a n di nm a t l a b ，s i m n l i n k e n v i r o n m e n ts i m u l a t i o n , t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r s y s t e mo nt h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i c sc o m p e n s a t i o nh a sg o o dc o m p e n s a t i o n e f f e c t k e y w o r d s ：a p f ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ；d i r e c t i v ec u r r e n t ；h y s t e r e s i sc u r r e n t c o n t r o l ；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 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的磅究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌塞堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：江埙 签字日期：7 年l f 月i i 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：江牧导师签名： 签字日期：川年11 月1 日 签字日期： 叱 1 引堋甲 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波的产生及危害 电力系统中，谐波的定义是指对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解 后，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还有一系列大于基波频率的分量， 这部分电量被称为谐波n 1 。 电力系统的谐波问题随着电力电子装置的广泛应用变的越来越突出相对 传统的电路和电力调节装置，电力电子装置具有高功率因数、高功率密度、高 可靠性及低噪音，低维护成本等优点，这种装置提高了电能的利用率，但是其 本身的非线形使得电网电压和电流不再为正弦波，而是畸变为含有各次谐波的 电压和电流。谐波电压和电流的出现，严重危害了功用电网及其他系统的正常 工作。 谐波的危害主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 谐波对电网的影响 谐波电流在电网线路中会产生附加有功功率损耗。谐波电流虽然通常数值 不大，但其频率较高，导线的集肤效应造成的谐波电阻较大，从而引起的附加 损耗增加，降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波电流中的无功分量同时 会降低电网的功率因数。 ( 2 ) 引起过电压和过电流 谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，这种谐振会使谐波电流放大 几倍至几十倍，从而危及电容器和其他供用电设备的安全运行。严重时会将电 容器和电抗器烧毁。 ( 3 ) 谐波对电机的危害 谐波对旋转电机会引起附加损耗和过热。谐波电流通过定予绕组由于集肤 第一章绪论 效应会造成谐波损耗。另外，谐波电流会产生与谐波频率相对应的旋转磁场， 在转子绕组中感应出谐波电流，从而在转子中产生损耗和过热现象。 谐波同时会引起机械振动，对电机也有很大的危害。其中，正负序的谐波 电流在电动机中会产生n 倍基频的谐波转矩，它的平均转矩虽然可以忽略，但 其产生的脉动转矩会引起电机的机械振动和噪音。 谐波对变压器的影响主要是发生谐振时，电流过大，铁心严重饱和，可能 危及变压器的安全。谐波电流流过变压器，还会增加其铜耗和铁耗。 ( 4 ) 谐波对继电保护和电力测量的影咱 许多电能仪表和继电保护设备是针对正弦波及其过零点校验设计的，谐波 容易引起继电保护和自动装置误动作或拒绝动作。不同类型的继电器设计性能 和工作原理不同，放谐波的影响有较大差别。谐波对大多数继电器的影响并不 大，但对部分晶体管型继电器可能有很大影响。 在存在谐波的情况下，由于没有统一的表征功率的定义，同一仪表对同一 电气量进行测量时，按照不同定义所的得的结果可能会相差2 0 卜3 0 。另外， 对于采用平均值测量法的仪表，由于需要按正弦波转换成有效值，当存在谐波 时，结果有误差 ( 5 ) 谐波对通信系统的干扰 谐波干扰会引起通信系统的噪音，降低通信的清晰度，于扰严重时会引起 通信信号的丢失。在谐波和基波共同作用下引起的电话铃响，甚至会危及设备 和人身安全 1 2 谐波的抑制m 1 为了提高电力系统运行的安全性及可靠性，保证供电质量，谐波挪锡和无 功功率补偿问题己成为电力系统迫切需要解决的问题。治理电力系统污染，减 少和消除电网的谐波危害，维护“绿色”的电网环境，成为电力电子技术、电 气自动化技术及电力系统研究领域所面临的重大课题。 2 第一章绪论 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的 有效措施。谐波抑制和无功功率补偿的传统方法是用电力电容器、电抗器和电 阻器适当组合成的l c 滤波装置( p a s s i v ep o w e rf i l t e r p f ) 进行滤波。无 源滤波方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且无源滤波装置具有投资少， 效率高、结构简单及维护方便等优点，因此无源滤波方法是广泛采用的抑制谐 波及无功补偿的主要手段。但是，无源滤波器的滤波特性是由系统和滤波器的 阻抗所决定的，因而存在以下缺点： ( 1 ) 滤波特性受系统参数的影响较大； ( 2 ) 只能消除特定的高次谐波，并会由于和电网阻抗发生谐振而使某些次 谐波放大； ( 3 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； ( 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载； ( 5 ) 有效材料消耗多，体积大； ( 6 ) 不能对谐波和无功功率实现动态补偿，补偿效果不甚理想 近些年来电力电子技术飞速发展，国内外谐波抑制和无功补偿问题的研究 有了很大的进展。为弥补无源滤波方法的不足，人们将研究方向逐步转f 句有源 滤波方法。有源滤波方法就是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 进行谐波抑制和无功补偿的方法。有源电力滤波器本身也是一种电力电子装置。 有源滤波方法就是利用可控的功率半导体器件向电网加入与原有谐波电流、谐 波电压幅值、相位有一定关系的电流或电压，从而来消除或减少谐波电流和谐 波电压。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度的可控性和快速响应性。 具体特点如下： ( 1 ) 不仅能补偿各次谐波，还具有抑制闪变、补偿无功等功能； ( 2 ) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； ( 3 ) 具有自适应功能，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿； ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会过载，并能发挥正常 3 第一章绪论 的补偿作用； ( 5 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补 偿； 尽管a p f 有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但当前想要在电力系 统中全面取代无源滤波器还不现实。因为与无源滤波器相比，a p f 的成本较高， 这是限制a p f 推广使用的关键因素。并且有源电力滤波器( a p f ) 虽能克服无源 滤波器存在的缺陷，但其安装容量受开关器件容量的限制。将无源滤波器和有 源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器( h y b r i dp o w e rf i l t e r ，姒p f ) ， 取两者之长，补其之短，有助于减少谐波补偿系统的初期投资，提高性能价格 比，达到a p f 实用化及谐波抑制的目的。 1 3 有源电力滤波器的发展和现状 有源电力滤波器的基本思想在六、七十年代就已经形成，自八十年代以来， 由于中大功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t h m 0 d u l a t i p 雕) 控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬 时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。 国外以日本为代表，有源电力滤波器已经步入大量实用化的阶段，随着容量 的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身产生的谐波向改善整个电力系统供 电质量方向发展。从1 9 9 3 年以来，日本已经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波 器投入实际使用，这些滤波器主要用于谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。 随着有源电力滤波器的价格的下降，它的市场将越来越大。对于大容量的有源 电力滤波器一般采用g t o 作为其主电路的可控开关器件。但因其工作频率较 低，对较高次谐波的补偿效果较差。对于中小容量的有源电力滤波器一般选 用i g b t 。i g b t 的器件容量、控制手段等方面具有一定的优势。可用于大容量 的有源电力滤波器，但目前较高的价格限制其使用范围。 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 4 第一章绪论 等工业发达国家得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上有源电力滤 波器的主要生产厂家有日本的名电舍公司、瑞士 b b 公司、法国的梅兰日兰公 司等。 目前，有源电力滤波器技术还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题 需进一步研究解决，如提高装置容量、解决控制系统延时，降低设备损耗，提 高补偿效果及性能、提高性价比等。基于解决这些问题的要求，a p e 技术近期的 研究主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 谐波理论的进一步研究。 三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统并取得了良 好的补偿效果。在国外有源电力滤波器已被广泛使用。但是该理论也存在一些 缺点，一些量的物理概念比较模糊，在解决一些传统概念和问题时遇到困难。 所以如何建立更为完善的功率定义和理论为大家所接受，还要进一步的研究。 ( 2 ) 控制系统的简化和数字化。 为了达到更好的补偿效果，有源电力滤波器的控制电路必须实时准确地检 测电网的谐波电流，产生补偿电流。目前控制电路多为模拟电路，其线路较为 繁琐、结构较为复杂。随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的曰趋完善及先进 控制方法的不断成熟，采用数字化方法来简化装置的研究正在进行。 ( 3 ) 补偿装置的多功能化。 如万能a p f 。它本身除能补偿谐波外。通过在控制电路上加以改造还可以 具有补偿基波无功、抑制电压闪变以及电压的不平衡等功能。这方面的研究已 经引起一些学者的关心。并取得了许多研究成果。 ( 4 ) 降低装置容量、提高补偿效率。 有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力 滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值 与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电 压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定。由于有源电力滤波器的价格要 第一章绪论 远远高于无源滤波器为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤 波器的容量。目前的主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用 无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补 偿效果。即混合型有源电力滤波器。还有学者提出其它方法，如注入回路方式 法等等，其主要目的也是降低有源电力滤波器的容量。但尚未进入实用阶段。 国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面 的文献，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。近几年来，研究有源电力滤波 器的国内学者和单位逐渐增多，在结构组成、检测方法和控制方式等方面都有 了较大的进步。但国内的相关研究多以理论研究和实验为主，工业应用较少， 与国外相比仍有较大差距。 1 4 本文的主要工作 ( 1 ) 在参阅国内外大量文献资料的基础上，介绍有源电力滤波器的工作原 理，结构及基本控制模式。 ( 2 ) 本课题主要研究并联混合型有源电力滤波系统，进一步对并联混合型 有源电力滤波系统的结构、补偿原理进行详细的分析 ( 3 ) 对系统各部分进行设计，推导主电路有关参数的近似计算公式，包括 交流侧电抗器和直流侧电容器及i x ：无源滤波器参数的计算。 ( 4 ) 确定基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法；运用瞬时功率的矢量分 析方法，基于d q o 的同步旋转坐标系建立三相对称电路谐波检测的流程图；详 细分析考虑直流侧电压控制时指令电流的产生方法； ( 5 ) 4 研究p w m 逆变电路的电流控制方法。主要分析滞环电流控制的原理， 推导其开关频率的计算公式，在分析制约开关频率的因素的基础上，提出采用 最优电压矢量实现滞环电流控制。 ( 6 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真，测试混合型有源电力滤波系统的 孙偿性能。 6 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 2 1 无源滤波器 l c 滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合 而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。 由于具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点， 因此至今仍是应用最多的方法。 l c 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际 应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。 2 1 1 、单调谐滤波器 图2 - 1 a 所示为单调谐滤波器的电路原理图。滤波器对n 次谐波 ( ( o n = 1 1 s ) 的阻抗为 l z f n = r f n + j ( n $ l 一二一) ( 2 - i ) n 伽 式中，下标f n 表示第n 次单调谐滤波器。 由上式画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图2 一l b 所示。 单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成的，谐振次数n 为n ：三一， 吃, l c 在谐振点处，l z 力l2 ，因很小，n 次谐波电流主要由分流，很少流 入电网中一而对于其他次数的谐波， i | ，滤波器分流很少因此，简 单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤波的谐波次数一样，则该次 谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的 7 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 i r 原理及阻抗频率特性 2 给出了四种形式的高通滤波器，即一 一阶 二瞬 三阶c 型 r 图2 - 2 高通滤波器 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。 二价高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其基波损耗较高。 三阶高通滤波器比二阶的多一个电容c 2 ，c 2 容量与c 1 相比很小，它提高 了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少基波损耗这是三阶高通滤波器的 主要优点。 3 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 c 型高通滤波器的性能介于二阶的和三阶的之间。c 2 与l 调谐在基波频 率上故可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏 感。 以上四种高通滤波器中，最常用的是二阶高通滤波器，c 型高通滤波器也 有较好的推广应用价值。二阶高通滤波器的阻抗为： z - 一面1 + ( + 击 。 防s ， z n 随频率变化的曲线如图2 - 3 所示，该曲线在某一很宽的频带范围内呈现为低 阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部分流入高通 滤波器。 置 却 图2 - 3 二阶高通滤波器的阻抗频率特性 2 2 有源滤波器的工作原理及系统构成n 钉 l c 无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法，其主要缺点是补偿特性 受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤 波器过载甚至烧毁，此外，它只能消除固定频率的谐波，滤波效果不理想。电 力有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p e ) 是目前抑制电网谐波和补偿无 功功率，改善电网供电质量的有效装置。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、自动产生所需变化的无功功率， 其特性不受系统影响，无谐波放大威胁，相对体积重量较小等优点。 9 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 2 ：2 1 有源电力滤波器的工作原理 有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电流，经指令电流运 算电路计算得出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补 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。如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 偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿 电流发生电路产生补偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波分量大小相等，方 向相反，因而两者互相抵消，使电源电流中含有基波不含谐波，这样就达到了 抑制电源电流中谐波的目的。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，还 要补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令中增加与负载电流的基波无 功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流中的谐波及无功功率与负载中的谐 波及无功功率成分相抵消，电源电流就等于负载电流的基波有功分量。作为一 种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置， p f 能对大小和频率都变 化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。 1 1 2 2 2 有源滤波器的系统构成 有源滤波器由高次谐波电流检测、调节和控制器、脉宽调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 的逆变器和直流电源等主要环节组成。其结构原理如图2 - 4 所示。 图2 - 4 有源滤波器结构原理图 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 结构图中，指令电流运算电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流 分量和基波无功电流，然后将其反相后产生补偿电流的指令信号。电流跟踪控 制电路根据主电路产生的补偿电流应跟踪指令信号的原则，计算出主电路各开 关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流。这样 使电网电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与无功补偿的目的。 2 2 3 有源滤波器的分类 有源电力滤波器有多种分类方法。 根据应用场合不同，有源电力滤波器可分为直流有源电力滤波器和交流有 源电力滤波器两大类。直流有源电力滤波器主要用来消除高压直流输电系统中 交流器直流侧的电压、电流谐波；而交流有源电力滤波器则是应用于交流电力 系统各个电压等级的有源滤波，也就是通常所说的有源电力滤波器 p f 。 根据有源电力滤波器中p 喇逆变器直流侧所用储能元件的不同，a p f 又分 为电压型a p f ( 储能元件为电容器) 和电流型 p f ( 储能元件为电感器) 与电 流型a p f 相比。电压型 p f 损耗较小、效率高，因此目前国内外绝大多数a p f 都采用电压型逆变器结构。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多 电流型a p f 投入使用。 如图2 - 5 所示为交流有源电力滤波器的分类。 1 j 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 图2 - 5 交流有源电力滤波器的分类 对于一般交流有源电力滤波器，按其工作原理不同，可分为谐波电流跟踪 型和非谐波电流跟踪型两大类。谐波电流跟踪型又可分为谐波对消法、可变阻 抗法和复合法。谐波对消法就是有源电力滤波器根据从补偿对象中检测到的谐 波电压或电流信号，产生一个大小相等而极性相反的电压或电流注入电网，从 而消除谐波，使电网电压或电流只含基波分量。可变阻抗法就是使有源电力滤 波器对基波和谐波分别呈现不同的阻抗，以减小谐波含量来达到抑制谐波的目 的。采用复合法有源电力滤波器既用到谐波对消法又用到可变阻抗法。这三种 方法的关键是，都需对谐波电流或电压进行实时、精确地检测。而非谐波电流 跟踪型有源电力滤波器，又被称为广义有源电力滤波器( g e n e r a l i z e d a c t i v e p o w e rf i l t e r - g a f ) 。它采用特定消谐p 嘲技术，是由原来的三相固态功 率因数补偿及谐波抑制器发展起来的，被应用于电力系统的配电系统，抑制非 线性负荷谐波，并推广应用于不对称负荷的补偿等方面，具有强制输出端电压 为同步的正序基波电压源的特点，因而不需要跟踪非线性负荷谐波电流进行控 制，就具有高效电力有源滤波器和高效负序滤波器的功能，能补偿系统电压的 1 2 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 不平衡和负荷的不对称。除此之外，它还可以连续、快速、灵活地调节无功功 率，稳定电压，改善负荷功率因数，并且，较低的斩波频率使该装置进行无功 补偿时。效率较高。啪3 如果根据有源电力滤波器补偿对象的不同，有源电力滤波器可分为针对谐 波负载型、针对电两型和综合型三大类。针对谐波负载型的有源电力滤波器主 要是消除作为谐波源的负载产生的谐波，对负载进行无功补偿，接在电网的某 个节点上，通常紧靠谐波源负载安装。而针对电网型的有源滤波装置又称为有 源线路调节器( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r - - a p l c ) 。a p l c 是向电网中某 个优选节点注入消谐补偿电流，通过补偿电流在电网中一定范围内流动，实现 该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。由于a p l c 代表的是谐波治理的一种更 高层次，不应将两者等同。目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段。实 时确定补偿电流、优选补偿节点、在线测量谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 综合型有源电力滤波器既抑制电网的谐波电压或电流，又抑制负载产生的谐波 电压或电流。【2 3 根据有源电力滤波器接入电力系统的方式不同，交流有源电力滤波器可分 为并联型、串联型、混合型和串一并联型有源电力滤波器啪。其中并联型有源电 力滤波器又分单独使用方式注入电路方式和与旋转电机并用方式等。有源电 力滤波器与无源滤波器一起使用的则称为混合型有源电力滤波器，它又分为串 联混合型有源电力滤波器和并联混合型有源电力滤波器。 图2 书所示为并联型a p f 的基本结构，它主要适用于电流源型非线性负载的 谐波电流抵消，无功及三相系统中的不平衡电流补偿等。目前，并联a p f 在技术 上已经成熟，它也是当前应用最广泛的a p f 拓扑结构 第二章并联型有源电力滤波嚣的原理分析 国2 - 6 并联型有源滤波嚣 图2 - 7 所示为串联型a p f 的基本结构。它通过一个匹配变压器，将a p f 串联于 电源与负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型a p f 相 比，串联型a p f 损耗大，且各种保护电路也比较复杂。因此，很少研究单独使用 的串联型a p e ，而大多数将它作为混合型a p f 的一部分予以研究。 屯瀑竺 e 嘶厂一奉1 图2 - 7 串联型有源滤波器 图2 8 所示为串一并联型a p f 的基本结构。它组合了串联a p f 和并联a p f 的优 点，能解决电气发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能a p f 或统一电能 质量调节器( u p q c ) 。该类a p f 尚处在试验阶段，当前它的主要问题是控制复杂， 造价高。 图2 - 8 串并联型有源滤波器 1 4 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 2 3 并联混合型有源滤波器的结构及补偿原理n 1 传统的并联有源滤波器通过注入补偿谐波电流来抵消负载中所包含的谐 波，从而使系统电流变成为正弦波。但是这种补偿方式存在一些问题，其初期 投资较大，要实现具有快速电流响应的大功率逆变器很难，并且大容量的有源 电力补偿将带来大的损耗大的电磁干扰，而且会制约a p f 的动态补偿特性。 因此，减小有源滤波器容量成为近年来有源电力滤波器研究的主要方向。 将无源滤波器和有源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器( h y b r i d p o w e rf i l t e r , h a p f ) ，取两者之长，补其之短，有助于减少谐波补偿系统的初期 投资，提高性能价格比，达到a p f 实用化及谐波抑制的目的。 从a p f 与无源滤波器混合使用的形式来看有两种情况：一种是a p f 与无源滤 波器并联，另一种是a p f 与无源滤波器串联。图2 - 9 是是并联型a p f 与无源滤波器 并联的结构图，a p f 与无源滤波器并联接入电网，共同承担补偿谐波的任务。包 含多组单调谐滤波器和高通滤波器的l c 无源滤波器承担大部分的谐波，无功 补偿任务。有源电力滤波器的作用是改善滤波性能，所需的容量与单独使用时 相比可大幅度减小l j c 无源滤波器还可以消除有源电力滤波器因逆变器主电路 中器件的通断而引起的谐波。但该并联混合型有源电力滤波器在使用时，电源 与有源电力滤波器有源电力滤波器与无源波器之问存在谐波通道，特别是有 源电力滤波器与无源滤波器之间的谐波通道，可能使有源电力滤波器注入的谐 波又流入无源滤波器及系统中联接的补偿无功的电容中。 图2 - 9 并联型a p f 与无源滤波器并联 曹 一 第二章并联型有源电力滤波器的原理分析 图2 一l o 是并联型a p f 与无源滤波器串联的结构图，有源电力滤波器a p f 通过补偿变压器与l c 无源滤波器串联，然后与谐波源并联接入电网，所以仍 属并联型方式。这种方式中，谐波和无功功率主要由l c 无源滤波器进行补偿， 而有源电力滤波器用于抑制l c 无源滤波器与电网阻抗之间的并联谐振( 亦即 谐波放大现象) ，改善l c 无源滤波器的谐波补偿效果。这种方式的最大特点是 逆变器基本不承受基波电压，因而装置容量大大减小。由于补偿变压器联接在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适合于高电压系统 应用。该电路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 图2 1 0 并联型 p f 与无源滤波器串联 并联混合型有源电力滤波器一方面极大地改善了无源滤波器的补偿效果。另 一方面，使得有源滤波器能以较小的容量应用于大功率的场合，确保了系统的性 能和成本而且，并联混合型有源电力滤波器的使用灵活方便，对于已经安装并 正在使用的无源滤波器，可以通过在其终端串接有源滤波器。方便地将其转换成 混合型拓扑，迅速改善补偿效果 2 4 本章小结 本章介绍了无源滤波器和有源电力滤波器的系统构成及工作原理，对有源 电力滤波器进行了分类，比较了不同类型的有源滤波器的结构特点及应用。 从实用性考虑，确定了本文的研究对象为并联混合有源滤波器。 1 6 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 3 1 谐波及无功电流检测方法的的现状 在第二章中已经介绍，电力有源滤波器的控制系统由两大部分组成，即指 令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的主要功能是 由从被补偿对象的电流中提取所需要抑制的谐波和无功电流分量，即所谓的谐 波检测电路 在有源电力滤波器中，滤波器的补偿特性取决于由负载电流中提取谐波的 算法，a p f 的有效性在很大程度上依赖于能否得到真实的反映被补偿的谐波分量 的参考信号。所以，a p f 研究的关键问题之一是找到一种算法，可以从负载电流 精确的提取需要被滤除的谐波分量，从而为控制提供参考。 谐波检测环节一般不需要分解出各次谐波分量，而是需要检测出谐波电流 或无功电流或它们之和，在三相电流不对称时，应能检测出除基波正序有功分 量之外的有害电流之和。常见的检测算法有以下几种：低通滤波器提取基波分量 法、自适应检测算法、基于a k a g i 瞬时无功理论的瞬时空间矢量法等。 l 、低通滤波器提取基波分量法 最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波 电流分量滤除，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐 波分量。但所采用的高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补 偿效果。此外这种方法存在许多缺点，如难设计、误差大对电网频率波动和 电路元件参数十分敏感等，因而已极少采用。目前广泛采用微处理器等数字器 件来实现低通滤波器的检测算法，要想准确地分离出基波的幅值和相角，对数 字滤波器的性能要求很高，设计出的数字滤波器往往都无法达到理想的低通滤 波器的效果。 1 7 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 2 基于f r y z e 时域分析的有功分离法 随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅立叶分析的方法来检测谐波 和无功电流阱3 。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终 得出所需的谐波和无功电流。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次 变换，计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长的延迟， 检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。也可根据 f r y z e 的传统功率定义啪1 来构造检测方法。但这种方法积分一个周期才能得出 检测结果。8 0 年代以来，c z a r n e c k i 等人对非正弦情况下的电流进行了新的分 解口蝴1 。这些电流的定义虽然十分严格，但据此构造的检测方法，仍然需积分 一个周期才能得出检测结果，同样存在实时性不好的缺点。 3 、基于频域分析的f f t 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，否则会带来较大误差。通过f f t 变换将检测到的一个周期的谐波信号进 行分解，得出各次谐波的幅值和相位系数，再将拟抵消的谐波分量进行f f t 反 变换，即可得到补偿信号。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，缺点是具有 较长时间的延迟，实时性较差。 4 、自适应检测法m 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负荷电流作为原 始输入，从负荷电流中减去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波 与无功分量该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的 自适应能力，缺点是动态响应速度慢。该方法主要也是针对畸变电流的检测。 5 、瞬时空间矢量法硎 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前应用最广泛的一种检测方 法，最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出的，经过不断地改进，现包括p q 法、i p i q 法以及d q 法。 该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协1 。检测谐 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用的滤波器的不同，会有不同 的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中最典型的谐波源，如三 相桥整流器，其检测的延时约为1 6 周期。可见，该方法具有很好的实时性。 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已趋于完善 和成熟，今后仍将占主导地位。 近年来，有文献也提出了一些其它的检测方法小波变换检测法，基于神经 元的自适应谐波电流检测法c 4 8 基于滑模原理的检测控制方法等新型检测控制 方法，但这些新型的谐波检测方法能否应用于工程实际，还有待于进一步验证。 由于基于瞬时无功功率理论的检测方法比较成熟，为此本文研究的是采用瞬时 无功功率理论进行谐波信号检测和处理。 3 2 基于瞬时无功理论的谐波检测方法 三耜电路瞬时无功功率理论首先由日本学者赤木泰文于1 9 8 3 年提出，此 后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提出的理论称为p q 理论，是以瞬 时有功功率p 和瞬时无功功率q 的定义为基础，其主要不足是未对有关的电流 量进行定义- 随后发展的i p i q 理论是以瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 为 基础的理论体系。 设三相电路的各相电压瞬时值为巳，岛、巳，各相电流瞬时值为i 口、 ，分别将它们进行3 - 2 变换，变换到两相正交a e 坐标系上，两相瞬时电 压为乞，p 户，两相瞬时电流为k 、，即有： 计店 害斟嘲 泞， 1 9 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 卧店 o l 辩h ， 在图3 - 1 所示的a b 平面上，矢量吃、知和乞、分别可以合 成为电压矢量e 和电流矢量f ， 图3 - 1o p 坐标系中韵电压，电流矢量 即： =乞+-lele么杰 ( 3 - 3 )。乞+ 么疙 ( f = 0 + = | f 么谚( 3 - 4 ) 式中，l e l 、l f i 为矢量民i 的模；，、声。分别为矢量p 、f 的幅角。 三相电路瞬时有功电流f ，和瞬时无功电流分别为矢量f 在矢量p 及其 法线上的投影。而三相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 为电压矢量p 的模与三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流的乘积，也就是： = f c o s ( 3 - 5 ) = f s i n ( 3 - 6 ) 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 则： p 2 p 0 譬= f 0 p = e i c o s 妒= d c o s ( 丸一秀) = 一c o s 屯c 破+ e j s i i i 杰s i n 破 2 e 口i 口+ e 一口 g = e f s i n = e f 如( 丸一谚) = e i s i n , c o s 谚, 一p i c o s 屯s i n 或 = e p 一 写成矩阵形式为： 乏 ( 3 - 7 ) ( p 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 _ 1 0 ) 地 = c 胡 ， 在图3 - 1 中，瞬时有功电流j ，及瞬时无功电流l l 在。一9 坐标轴上的 投影即为a b 相的瞬时有功电流，。，、i ，及瞬时无功电流。、f 加某一 相的瞬时有功电流和瞬时无功电流也可称为该相的瞬时电流的有功分量和无功 分量。而三相电路的瞬时无功电流f 。、k 、i c q 是，b 两相的瞬时无功电流 。、通过两相变换到三相所得到的结果。即： * 嘲 z ， * 嘲 ( 3 - 1 2 ) ，( 3 1 3 ) 式中的= 锄7 2 l ( 3 _ 1 3 ) 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 传统电路理论中的有功功率、无功功率等都是基于平均值和相量定义的， 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。 可见，瞬时无功功率理论是将传统三相电路功率理论中的正弦信号有效值、 有功功率和无功功率突破时间平均值概念而引申为瞬时量后，对传统功率理论 的自然扩展。 。o 不难证明，当巳，吃、巳、毛、之均为标准正弦波时，p 、q 的值 为标量且与平均有功功率p 和平均无功功率q 相同。这也说明，传统电路理论 中的有功功率、无功功率是瞬时无功功率理论在电压、电流均为正弦波时的特 例。 3 3 谐波和无功电流的实时检测 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 或f ，、为出发点即可得到三相电路谐波和无功电流检测的两种方 法，分别称之为p ，q 运算方式和、运算方式阱1 啪1 2 粥。 3 3 1 p q 法 根据瞬时无功功率理论的定义，由( 3 - 1 1 ) 式，可得到瞬时有功功率p 和 瞬时无功功率q 。p 、q 可写为： p = pg = g + g ( 3 - 1 4 ) ( 3 - 1 4 ) 式中p ，q 分别对应于三相电流中由基波产生的有功分量和无功分量， 而；对应于三相电流中由谐波产生的无功分量。所以，可以用一个低通滤波器 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 蹦乏辄列 t 其中0 、锄是由三相电流中的基波分量( 0 、磅、0 ) 经3 - 2 变换所 由( 3 1 3 ) 式，则0 、谚、0 可由下式得到： 睁嘲 s ， 蝈 。， 这种检测方法即为p q 法，图3 - 2 是该检测方法的原理图。 第三章瞬时谐波及无功电流检测方法的研究 3 3 27 ，_ 法 图3 - 2 p q 法谐波检测电路原理图 ，fj 丢征p - q 纭明= 垂础上进仃发进，它并不需要检测三相电网电压， 因而能在电网电压发生畸变时也能准确地测出高次谐波电流。 设巳、巳为三相对称正弦波，即： 屹= 置s i n