（电力系统及其自动化专业论文）基于无差拍控制策略的并联有源电力滤波器研究.pdf

b a s e do nt h ed e a d b e a tc o n t r o ls t r a t e g yo fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r yt e c h n o l o g y t h en o n l i n e a rl o a do f p o w e rs y s t e mi n c r e a s el a r g e l y e s p e c i a l l y ，av a r i e t yo fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s i np o w e rs y s t e m sh a v ean u m b e ro fh a r m o n i cp o l l u t i o n ，s ot h eh a r m o n i c p o l l u t i o n h a sb e c o m eam a j o ri m p a c to np o w e rq u a l i t yp r o b l e m t h e r e f o r e ，t h e e l i m i n a t i o no fh a r m o n i cp o l l u t i o na n de n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m sh a sb e c o m e ap o w e rs y s t e m m a j o ri s s u e a tp r e s e n t ，h a r m o n i c s u p p r e s s i o n ，h a sb e e nv e r ym a t u r ea n dp r a c t i c a lt e c h n o l o g yo ft h ep a s s i v ef i l t e r h o w e v e r ，d u et ot h ee x i s t e n c eo fp a s s i v ef i l t e rt or e m o v et h ed e f i c i e n c i e s ，i tc a n n o tf u l l ys u p p r e s sh a r m o n i c s ，a c t i v ep o w e rf i l t e ra n di t sh a r m o n i co ft h e s u p e r i o r i t yo fd y n a m i cc o m p e n s a t i o nh a sb e c o m ea h o tr e s e a r c ht o p i c t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n ds t r u c t u r e s a m o n gt h e m ，t h em a i np r o b l e m i st ot a k et h ed e a d b e a tc o n t r o lm e t h o dw h i c hi s u s e di nt h ei n v e r t e rp o w e r s u p p l yt ou s ei na c t i v ep o w e rf i l t e rs ot h a tt h ea c t i v e p o w e rf i l t e rb e t t e rd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rp r o p o s e sb a s e do nt h e d e a d b e a tc o n t r o ls t r a t e g yo fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a p p l yb a s e dt h r e e - p h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e ro ft h et e s tc o n s t i t u t e sa c o m m a n ds i g n a lg e n e r a t i o nc i r c u i t ；u s i n gd e a d b e a tc o n t r o lm e t h o dt oc o n s t i t u t e p w mc o n t r o lc i r c u i t ；d cs i d ev o l t a g eu s ep ir e g u l a t i o nm e t h o d d e a d b e a tc o n t r o lm e t h o di st h ef o c u so ft h i sp a p e r i ti sam e t h o do f p r e d i c t i v ec o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mo fs t a t e s p a c ee q u a t i o nd e a d b e a t d i g i t a lc o n t r o lm o d e l ，t h r o u g ht h ef o r e c a s tar e f e r e n c ec u r r e n t ，t h er e a l i z a t i o no f p w m p u l s eo u t p u ti n s t r u c t i o n s i no r d e rt op r o d u c et h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t ，t o s u p p r e s ss y s t e mh a r m o n i cc u r r e n t f i n a l l y ，t h eu s eo fm a t l a b s i m u l i n k f o rt h ed e a d b e a tc o n t r o ls t r a t e g y i np a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e ru n d e rt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so ft h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a n dh y s t e r e s i s c o n t r o lm e t h o d sa n dt h ea c t i v ef i l t e rf o ra c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e d e a d b e a tc o n t r o l s t r a t e g y o fa c t i v e p o w e r f i l t e rc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s s h a r m o n i cc u r r e n t so f t h r e e p h a s es y s t e m k e y w o r d ：t h r e e p h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，d e a d b e a tc o n t r o l ，a c t i v e p o w e rf i l t e r i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：闪宋爱式 学位论文使用授权说明 钟厂月? 口日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保证不以 其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提交学位论文的 印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务：学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的 的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 厂 礅| 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：，刁苏式 导师签名 孑抛7 年月3 舀日 广西大掌硕士掌位说基于无差抽控制策略的并联有葛e 电力滤波詈阔 究 1 1 谐波的概述 第一章绪论 电力系统谐波问题早在上世纪初的时候就引起科学家和电气工程师们的注 意。2 0 世纪初，当交流电出现在人类的世界里的时侯，人们就已经发现了电流的 波形会发生畸变，同时电压的波形也随之发生畸变。这个时候人们对电流和电压 波形畸变的问题等开始进行研究。首先在德国，当电力系统中接入静止汞弧变流 器的时候，就造成了波形的畸变。在当时的研究中，j c r e a d 发表了第一篇有关变流 器谐波的论文是当时有关谐波研究最经典的论文i l 】。这篇论文详述了电压和电流 波形畸变的问题，是当时对谐波问题最好的总结。到了五六十年代，随着高压直 流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的论文 i - 2 】。这个时期，谐波问题已经成为电力系统非常重要的问题。7 0 年代以来，随 着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器件和变流技术的发展，各种电 力装置在军事、工业、生活及高新技术领域获得了越来越广泛的应用，并带来了 巨大的经济效益，但同时也带来了一系列的问题。由于在这些电力电子装置中， 整流器、逆变器等都是由电力电子开关元件构成的电能变换装置。这些装置对电 网来说都是非线性负载，它们派生出的高次谐波电流注入到电网中，就造成了谐 波污染。对其他的用电设备造成损害，并降低功率因数，其在电网中有百害而无 一利。谐波污染已经成为影响电网安全的一个最大的问题。 通常谐波定义【3 5 1 ：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍。”这里定义的谐波次数必须为正整数。但是，在某些电力系统暂态 中，电力系统会出现一些非整数次的分数次谐波，如：间谐波、次谐波和分数次 谐波等，这些概念与我们这里谐波的概念不同。 ，谐波源：通常指各类非线性用电设备，或称非线性电力负荷。谐波就是由这 些谐波源产生的。 谐波源可以分为谐波电流源和谐波电压源。因为有大量非线性负载的存在， 即使供给正弦波电压，它们也会产生非正弦电流，且谐波成分基本上只与其固有 非线性及工况有关，而与负载外部阻抗变化几乎无关。因此，非线性负载可认为 是一个谐波电流源。 在电力系统中，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【6 】： 稚( f ) ：- q 互us i n ( c o t + a ) ( 1 1 ) 式中u 电压有效值：口一初相角； l 广西大攀硕士学位论文基于元差拍控，i i ! l 策略的并联有源电力滤波器研究 缈一角频率；g o = 2 万= 2 r e t ； ，一频率；丁一周期。 当正弦电压施加在电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例积分和微 分关系，但是，仍为同频率的正弦波，不会产生谐波。但当正弦电压施加在非线 性电路上时，就会产生非正弦电流，这样，非正弦电流同时会在电网线路阻抗上 产生非正弦压降，然后会使系统电压也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在 线性电路上时，也会产生非正弦电流。对于周期为t = 2 r c 缈的非正弦电压u ( e o t ) ， 满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数： 材( 硝) ：口o + 妻叩。s 以研+ 坟s i n 投c o t 1 2 式中口。= 去卜( m ，) 口。= 卜( 刎c 。s 玎c o r d ( c o f ) ( 月= l ，2 ，3 ，) 6 。= ；1 棚u ( s i n 疗彩掰( 国，) “( c o t ) ：口。+ 妻印i n ( 删+ 纯) m 式中 c 。、和口。、b 。的关系为 c 。= = 、厢孕，。= = a r c t a n ( 口。b 。) 口。= c ns i nn = c nc o s ( p 在式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) 中，频率为l i t 的分量称为基波分量，频率大于基波分量的 称为谐波分量，谐波次数就是谐波频率和基波频率的整数比值。y _ 述a 式及定义 说明均以非正弦电压为例，非正弦电流的情况也是一样的，把式中u ( c o t ) 转成f ( 研) 即可1 6 。 1 2 谐波的危害及其研究意义 谐波的危害十分严重，这已经在科学界达成共识。各种非线性负载的使用。 使电力系统充满了各种高次谐波，各种高次谐波带来的危害已经严重影响电网安 全。它表现在以下几个方面： ( 1 ) 引起供电电压畸变。各种非线性负载在电力系统中产生各种高次谐波， 各种高次谐波在线路上会产生各种谐波电压，最后，系统电压也会包含一定的谐 波。 2 广西大掌硕士掌位论文基于元差拍控制策略的身咽英有源电力滤波蜀p 开究 ( 2 ) 高次谐波带来的损耗会增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数。 ( 3 ) 增加了输电线路的损耗，缩短了输电线的寿命。谐波电流一方面在输电 线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加 输电损耗。对于架空线路，由于谐波的存在，当谐波电压与基波电压峰值重合时， 其电压峰值可能超过允许值，高于允许值的电压就会产生电晕，损耗增加【】7 】【8 】 ( 4 ) 使变压器损耗增大。谐波会增加变压器铜耗损失，其中包括电阻损耗、 涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗，同时也增加铁耗损失。另外，如 果电力系统是三角形接法，那么，三的倍数次零序电流会在这种绕组内产生环流， 这一环流可能会使电流超过额定值。对于变压器带不对称负载来说，如果负载电 流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，这样就会极大的增加交流励磁电 流的谐波分量引起更大的变压器损耗【7 j 1 8 】。 ( 5 ) 对电容器的影响。谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引 起谐波电流放大。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损坏 中电容器的比例最大。谐波往往使电压呈现尖顶波形，而且，最坏的情况是谐波 和基波电压峰值的叠加，这样，峰值电压上升就会使电容器介质更容易发生放电， 产生漏电。由于谐波使电容器的电流增加，损耗就增加，还引起电容器发热和温 升，加速电容器老化。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下 的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变比基波 电压的波形畸变大得多【9 儿j 。 ( 6 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波改变继电器的工作特性【9 ，l ，当 继电器有谐波畸变时，采样数据和过零继电器都容易因为谐波的存在而产生错误 的信号，造成误动作。谐波对继电保护中过电流、欠电压、距离、频率继电器等 都会引起误动、拒动、保护装置失灵或动作不稳定。 ( 7 ) 增加感应电动机的损耗，谐波存在不但使电动机过热【9 】，【1 2 】。另外，当电 动机的谐波电流频率与某零件固有频率相近时，会产生机械振动，发出机械噪声。 ( 8 ) 使换流装置不能正常运行。当换流装置的容量在电网短路容量的1 3 及 其以上的时候，或者虽未达到此值而电网参数易引起较低次谐波次数的谐波谐振 时，交流电网电压畸变可能引起环流装置常规控制角的触发脉冲间隔不相等，并 通过正反馈放大电力系统的电压波形畸变，使整流器工作不稳定，对于逆变器来 说，可能发生连续的换相失败而无法工作i z j ，【l 引。 ( 9 ) 引起电能表计量误差。当用户为线性用户时，系统谐波潮流由系统注入 到该用户，而电能表计量的是该用户吸收的基波电能和全部谐波电能之和，所以， 电能表的值大于基波电能值，对于线性用户，多交了电费，还要受到谐波的污染。 但是对于非线性用户来说，除了自身消耗部分谐波，还向电力系统输送谐波，电 能表计量基波电能，同时要扣除这部分谐波电能，可见，电能表计量值小于基波 3 广西大掌司旺b 掌位论文基于无麓拍麴臻u 策略的并联有源电力滤波嚣研究 电能【i 引。非线性用户不光污染电力系统，还少交了一些电费。 ( 1 0 ) 干扰通信系统。电力系统谐波通过电容耦合、电磁感应、电气传导对通 信系统产生干扰【加以1 1 。 ( 11 ) 其它影响。除了上述电器会受到谐波影响，还有很多电力设备会受到谐 波影响。谐波会使断路器断弧能力降低，谐波会使断路器的开断能力降低；谐波 会引起避雷器谐波过电压；谐波会阻碍消弧线圈的灭弧能力；谐波会使互感器由 于谐振而受到损害；谐波会增大中性线电流；谐波会使电视机图像变坏；谐波会 使收音机引起杂音；谐波会使微机系统、数据传输系统、出现异常等等。 谐波研究的意义，还在于它影响电力电子技术自身的发展。现代电力电子装 置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子发展的重大障碍，由于谐波而引起的误 动作，以及谐波带来的电力电子各种错误的信号。已经使使电力电子领域的科学 家们必须对谐波问题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义，还在于治理电网污染、维护电网环境。对电网来说，零谐 波就是“绿色的主要标志之一。在电力电子技术方面，人们要求实施“绿色电 力电子 的呼声日益高涨。目前，对电网环境的保护以成为人类的共识。对电网 谐波污染的治理也成为电气科学技术界所必须解决的问题。所以，谐波的研究， 刻不容缓。 1 3 国内外研究现状和进展 1 3 1 国外研究现状 电网的谐波问题很早就被人们所关注。最早的时候，人们把静止汞弧变流器 接入电网，使电压，电流波形发生了畸变，引起了人们对谐波问题进行了研究。 经过一段时间的发展，1 9 4 5 年j c r e a d 发表了一篇有关谐波的论文是早期谐波 研究的最好总结【1 7 】。这篇论文是开创电力系统谐波问题的里程碑。 后来，随着高电压直流输电技术的发展，科学家们及其电气工程师发表了很 多关于变流器引起电网谐波问题的论文。e w k i m b a r k 在他的著作中对这种现象 进行了归纳【”】。到了7 0 年代初，a p f 的基本原理和电路系统模型基本确定，这 就奠定了有源电力滤波器的基本模型，也激发了后来的科学家们对有源电力滤波 器进行更多的研究。但是由于受到大功率电力电子器件水平的发展以及智能控制 策略的缺失，a p f 的研制一直处于实验室研究阶段，直到进入上个世纪八十年代 以后，随着新型高频电力电子器件的飞速发展，脉宽调制技术的不断提高以及基 于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的出现，使有源电力滤波器得到迅 猛发展。 世界第一台有源电力滤波器是1 9 8 2 年在日本研制成功而被正式投入使用的， 4 广西大学硕士掌位论文基于无差拍控制策略的并联有溯【电力滤波暑研究 它使有源电力滤波技术从实验室走进了工业现场。从那以后，经过科学家不断的 研制和探索，a p f 技术得到了快速发展，越来越多的a p f 投入了电力系统运行， 不论从实现的效果还是运行功率上都有显著提高。其中，投入使用最多最广的是 国家是日本，他们国家已投入使用的有源电力滤波器从5 0 k v a 到6 0 k v a 功率的等 级越来越高，从谐波补偿到抑制闪变在到电压调节以及无功补偿功能越来越丰 富。1 9 8 7 年t a k e d a m 等提出a p f 和p f 并联式混合型有源电力滤波器的方案。这 种方案大大促进了解决电力系统谐波问题的发展。目前，a p f 已在提高电能质量， 解决系统终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿 等各种电能质量问题上起到了重要作用。目前投入使用的有源电力滤波器种类繁 多，分类广阔，功能非常强大。 并联型有源电力滤波器并联接入电力系统中，相当于接入一个受控电流源， 它输入系统的补偿电流可消除非线性负载引起的谐波电流，也可补偿无功功率和 平衡三相电流。它适用于感性电流源型负载的谐波补偿，它的优点是它只流过补 偿电流和小部分基波有功电流。另外，并联型有源电力滤波器可以并联使用以提 供更大的补偿电流，但由于有源电力滤波器是和被补偿的谐波负载并联在电力系 统上的，须承受电力系统基波电压，这使其容量必须很大，而构成有源电力滤波 器主电路的逆变器的容量和动态性能成反比。所以，很难使有源电力滤波器在具 有很大容量的同时还能具有良好的动态性能和较低的开关损耗。虽然有源电力滤 波器能实现大容量和低损耗以及其他各种功能，但受电力电子开关器件发展的限 制，容量的增大和造价增大成反比。而p p f 具有结构简单，造价低廉等特点，人 们便提出各种有源电力滤波器和无源滤波器相结合的混合有源电力滤波器来减 少有源电力滤波器的容量，提高装置的经济性【l 引。 1 3 2 国内研究现状 我国对谐波问题的研究起步较晚，谐波抑制技术落后，到目前为止，实际现 场工业中较多采用无源滤波器( p p f ) 。在我国，有源电力滤波器( a p f ) 方面的 研究仍处于起步阶段，直到1 9 8 9 年才有这方面研究成果。研究有源电力滤波器 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。其中，最成熟的是并联型，而 且主要以理论和试验室研究为主。在理论研究上，包括功率理论的定义、谐波电 流的检测方法、a p f 的稳态和动态特性研究等。1 9 9 1 年王良博士研制出一台3 k v a 的无功及谐波的动态补偿装置；当年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合 研制了用于3 8 0 v 三相电力系统的3 3 k v a 双极面结型晶体电压型有源电力滤波器； 采用多重化技术，西安交通大学研制出1 2 0 k v a 并联型a p f 的试验样机。此外， 很多大学包括清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对有源电力滤波 广西大掌硕士掌位论文| ；子无量 拍貂哺u 策略的并联有源电力滤波器研究 器展开了深入的研究。我国虽然在理论研究上取得了一些的进展，但是，由于各 种原因，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。有待我们年轻一代 去探索。 ( 1 ) 无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 电容元件，电感元件和电阻按一定参数配置，定的拓扑结构连接，可形成 无源滤波器( p p f ) 或称为l c 滤波器。无源滤波器滤波原理实质上是为电路中的 谐波提供一种释放路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可通过滤波器直接流 回谐波源而不注入系统。无源滤波器可以分为单调谐滤波器，双调谐滤波器和高 通滤波器【2 】 【1 2 】，【1 9 】 p p f 具有具有成本低、技术成熟、结构简单、容易实现等优点，所以它仍然 是目前广泛使用的谐波抑制技术。但它也存在许多缺点。 第一，谐振频率依赖于元件参数设置，因此只能对主要谐波进行滤波，而l ，c 参数的漂移又将导致滤波特性改变，使它的性能及其不稳定。 第二，滤波特性依赖于电力系统的参数，而电力系统的阻抗和谐波频率随着 电力系统运行工况随时改变，因而，设计困难。 第三，在特定频率下，电源阻抗和l c 滤波器之间可能会发生并联或串联谐 振，使得该频率谐波电流被放大，注入滤波器很大电流，电网供电质量下降。 第四，当接入电网的其它谐波源未采取滤波措施时，谐波电流可能会流入该 滤波器，造成过载。 同时。使用无源滤波器可以抑制某次谐波，但同时会增加其他次谐波，也会 使无功功率发生改变。 ( 2 ) 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 有源电力滤波器发展迅速f 2 0 棚】。特别是最近几年，基于数字控制理论的各种 控制方法蓬勃而出。有源电力滤波器取得了长足的发展。 有源电力滤波器的工作原理是这样的，首先，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的信号，该补偿电流就是一个和负载谐波电流大 小相等，方向相反的电流。把补偿电流输入到负载电流中就会和负载电流中的谐 波相抵消，最终得到期望的正弦波电流【2 1 。这种思想在2 0 世纪6 0 年代就已经形 成。8 0 年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制控制技 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法的提出，补偿电流 更容易生成。有源电力滤波器得以迅速发展。 有源电力滤波器要补偿谐波电流，必须要检测谐波的电流分量，目前采用的 谐波检测技术有很多种，其中基于三相瞬时功率的方法是最常用的。也是目前性 能最好的一种方法。 有源电力滤波器的检测电路把谐波检测出来后，需要用控制电路产生电流去 6 广。西大掌司旺e 掌位论文 基于无差拍控制策略的并联有滠电力滤波焉p 开究 补偿电路中谐波分量，长期以来形成了多种控制方式，但是各种控制方式，各有 利弊。例如，滞环比较方法，人工网络自适应控制方法等等。 1 4 电力系统谐波的标准 为了衡量电力系统中谐波的多少，有源电力滤波器通常用以下两个指标来衡 量补偿效果【2 9 1 。 1 诣j 反笛伺翠h r 该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示， h 次谐波的电流含有率 h r l 。= 和慨 h 次谐波的电压含有率 h r 卟咣 称为谐波含有率h r 。 ( 1 - 2 ) 2 总谐波畸变率t h d 指各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比。 吣唇 f _ 小荟鼻 ( 1 - 3 ) t h d , , ：堕1 0 0 ( 1 4 ) u 1 ， t h d ：= 丝1 0 0 厶 为了提高电能质量，对谐波进行治理，消除电网污染，就是要把谐波含有率 和总谐波畸变率限制到国家标准规定的电网允许范围之内。补偿后的电源电流总 谐波畸变率越小，其效果越好。因此，世界各国都制定了相应的标准，国际大电 网会议( c i g r e ) 和国际电工委员会( i e c ) 都成立了专门工作小组拟定电网和电工 产品的谐波标准。下边是绝大多数地区比较接近的普遍标准【3 6 , 3 7 】： 低压电网( l k v ) ，通常5 ，部分3 或者7 ； 中压电网( 2 4 7 7 k v ) ，通常2 5 ，部分6 ； 高压电网( 8 4 k v 及以上) ，通常1 1 5 ，部分2 5 。 7 广西大掌硕士学位论文 基于无差拍控锏策略的并联有源电力滤波器研究 我国也制定了很多谐波相关标准。八十年代，原水利电力部按照全国供用 电规则的规定，制定了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定的规定。按照 这个规定来，我们认真研究了电网标准的一些问题，结合我国电网的国情，吸取 国外的研究经验，随后，又发布了g b t 1 4 5 4 9 - 9 3 电能质量公用电网谐波，这 个标准从1 9 9 4 年3 月1 日开始实施【3 8 , 3 9 】。对我过电网建设起到了很大的贡献。 表2 - 1 公用电网谐波电压限值 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( k v ) ( ) 奇故 偶浚 0 3 8 5 04 02 0 6 ，1 04 03 ，2 1 6 3 5 6 63 02 4 1 2 l1 02 01 6 0 8 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越 高，谐波限制越严格。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表 1 - 1 就是来自国家发布的公用电网谐波电压限值。 表1 2 公共连接点的谐波电流允许值 t a b l e 1 2h a r m o n i cc u r r e n tp e r m i t t e dv a l u ei n p u t t e dt ot h ep u b l i cj o i n tp o i n t 标准电基准短路谐波故数及谐波电；氘允许值( a ) 压( k v )( )2 34 5 6 7 891 01 11 21 3 0 3 81 07 8 6 23 9 6 2 2 6 4 4 1 9 2 l1 6 2 81 32 4 6 1 0 04 3 3 4 2 l 3 4 1 4 2 41l 1l 8 5 1 6 7 11 3 1 0 1 0 02 62 01 3 2 0 8 5 1 5 6 46 8 5 1 9 3 4 37 9 3 52 5 01 51 27 7 1 2 5 1 8 8 3 84 1 3 1 5 6 2 64 7 6 65 0 01 61 38 1 1 3 5 4 9 3 4 14 3 3 3 5 9 2 75 0 l1 07 5 01 29 66 0 9 6 4 0 6 8 3 03 2 2 4 4 3 2 03 0 标准电基准短路谐波故数及谐波电流允许值( a ) 压( 如) ( m a ) 1 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5 0 3 81 0 1l 1 29 7 1 8 8 6 1 6 7 88 9 7 1 1 4 6 51 2 61 0 06 16 85 31 04 79 04 。34 9 3 9 7 4 3 66 。8 1 01 0 03 74 13 26 02 85 42 62 9 2 3 4 5 2 14 1 3 52 5 02 22 51 93 ，61 73 ，21 5l ，81 42 71 32 ，5 6 6 5 0 0 2 32 6 2 0 3 8i 83 41 61 91 52 81 42 6 1 1 0 7 5 0 1 。71 9 l 。5 2 8l ，32 51 21 41 42 ，11 01 9 8 广西大掌硕士掌位论文 基于元差拍控毹l 策- 夸的并联有灞e 电力滤波暑摹砑浇 网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表1 - 2 中规定的允许值。该表来自国家发布的电能质量公用电网谐波 公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量( 见表2 - 2 ) 时，表中2 2 0 k v 基准短路容量取2 0 0 0 m v a ，其谐波电流允许值按下式换算求出【1 4 】： 驴瓮i 眵 ( 卜5 ) 式中s 。，公共连接点的最小短路容量，m v a ； & 2 一基准短路容量，m v a ； 一第b 次谐波电流允许值( 见表2 2 ) ，a ； l 一短路容量为s k , 时的第n 次谐波电流允许值，a 。 1 5 本文主要的研究工作 本文首先对谐波问题及其现状进行了描述，并简单介绍了抑制电网谐波的主 要方式，由传统l c 滤波装置到有源电力滤波装置( a p f ) 的发展过程及其今后a p f 的发展趋势。本文的主要工作如下： ( 1 ) 通过学习国内外大量的参考文献，分析电力电子装置等对电力系统产生谐 波和影响对目前主流的无源滤波器和有源电力滤波器的抑制方法进行了介绍。 ( 2 ) 采用瞬时无功功率理论的谐波检测技术，通过m a t l a b 对其进行仿真分析 分析基于瞬时无功功率p 、q 检测方法和基于瞬时无功功率i p i q 检测方法这两种方 法的效果。 ( 3 ) 本文提出基于无差拍的控制方法，通过m a t l a b 仿真，使读者了解到无差拍 控制方法的动态性能优良基于无差拍控制方法，建立有源电力滤波器的数学模型， 然后对该系统进行仿真分析。 9 广西大掌硕士掌位论文 基于无差拍控制策略的并联：芽源电力滤波器研究 第二章有源电力滤波器的研究与现状 2 1 有源电力滤波器的发展 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 ) 是一类重要的电力电子装置，能 对电流和电压的幅值变化的谐波进行动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统参数的 影响。和传统的无源电力滤波器相比，它的动态性能优良，补偿灵活，是一种很 有前途的消除或抑制负载或电网谐波的手段。 a p f 的基本原理在六十年代就已经提出【2 7 】。1 9 7 6 年，l g y u g i 又提出了采用 电压源型或电流源型p w m 逆变器结构的a p f 模型方案1 5 】。这就是早期a p f 的模 型。在2 0 世纪8 0 年代以后随着电力电子器件器件的不断发展，p w m 技术快速发 展，基于瞬时无功功率理论的谐波电流监测方法的提出，有源电力滤波器得到空 前的发展。有源电力滤波器通过向电力系统注入补偿电流或改变电网的综合阻抗 频率特性，以改善电力系统电压或电流波形，不仅响应速度快，动态实时补偿功 能良好等优点，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种其他功能。因此有 源电力滤波器逐渐成为了一种具有很大潜力的谐波补偿装置，并开始在世界范围 内迅速的发展。又因为全控型大功率器件的成本及性能，特别是高频电力电子器 件的发展限制，制约了有源电力滤波器的实际应用。目前，日本在有源电力滤波 器应用方面做的比较好【2 2 】，【2 3 】【3 0 1 。 我国1 9 8 9 年才相关的文章。我国研究最成熟的是并联型有源电力滤波器，主 要以理论和实验室研究为主。理论上包括功率理论的定义、谐波电流的检测方法、 有源电力滤波器的控制策略，有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。特别是 有源电力滤波器的综合治理，是将来发展的趋势。现阶段，基于高速d s p 的智能 控制a p f 是谐波抑制主流控制方法。 2 2 有源电力滤波器基本原理 有源电力滤波器结构由两大部分组成，即指令电流运算控制电路和补偿电流 发生电路。其中补偿电流发生电路是由驱动电路和p w m 主电路构成。驱动电路是 用来生成p w m 控制信号。p w m 是直接生成需要补偿的谐波电流或电压。有源电 力滤波器首先检测补偿对象的电流或电压，经过指令运算电路计算出期望补偿的 电流或电压的指令信号，该信号经过电流或电压跟踪控制电路输入驱动电路，驱 动电路控制逆变器，产生期望补偿电流或电压，补偿电流就是就是和负载谐波电 流或电压大小相等，方向相反的波，补偿电流或电压输入到系统中，就会和谐波 电流或电压相抵消。最终得到电网要求的正弦电流或电压波形。如图2 - 1 ，它是检 测负载端电流方式。图中，负荷为非线性负载，产生谐波并消耗无功。 1 0 广西大掌硕士掌位论文 基于元差拍控制策略的并联有裔电力滤波器研究 图2 1 并联型有源电力滤波器系统 f i 9 2 1t h ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m 并联型有源电力滤波器检测出负载电流7 ，的谐波分量为屯，取其反后作为补偿 电流的指令信号j ，通过p w m 产生补偿电流o ，补偿电流与如大小相等，方向 相反，因此可以相互抵消，使得f 。中只含基波，谐波得以消除。达到抑制谐波的目 的。用公式表示如下【2 1 。 0 = z ，一f z ，= z f 厂+ i a f = = l f l a f = i 沲 式中屯一负载电流的谐波分量，芬- 负载电流的基波分量 2 3 有源电力滤波器的主电路结构及其分类 ( 2 - 1 ) 有源电力滤波器有两种电路形式，分为电流行p w m 变流器和电压型p w m 变 流器【30 1 其中，本文主要研究电压型有源电力滤波器。 图2 2 所示是电流型a p f 。它的直流侧接电感作为储能元件，等效于一个可控 的非正弦电流源，可以补偿非线性负载产生的谐波电流。 广西大掌司n b 学位论文 基于无差拍控僦l 策略的并联有源电力滤波器研究 图2 2 电流型有源电力滤波器 f i g2 2c u r r e n ta p f 图2 3 所示是电压型有源电力滤波器，电压型有源电力滤波器采用一个大电容 作为储能元件接在变流器的直流侧，功能等效于一个电压源。连接电网和变流器 的电感器起滤波作用，并把变流器输出的电压脉冲序列通过p w m 变为所需要的补 偿电流【3 1 1 。 圈2 3 电压型有源电力滤波器 f i g2 3v o l t a g ea p f 根据接入电网的方式不同，还可以简单的分为两大类：串联型有源电力滤波器 和并联型有源滤波器1 2 , 5 0 】串联型有源滤波器通过电流互感器输入补偿电流，串联 接入电网入补偿电流，串联接入电网，相当于一个受控电压源；并联电压型有源 电力滤波器并联接入电网，相当于一个受控电流源，消除电流型负载的谐波。 根据a p f 所接入系统的不同，又可以分为单相a p f ，三相三线制a p f 和三相四 线制a p f 。三相三线制a p f 应用于三相三线制电力系统，对由三相三线负载产生 的谐波进行补偿，是目前讨论研究最多的一种形式。其实三相三线制和三相四线 制，单相系统在原理上时相通的。如果需要研究单相有源电力滤波器或者三相四 线制有源电力滤波器，只需要通过一定得变化即可。 根据控制电路的控制方式，我们把有源电力滤波器分为检测负载电流控制方 1 2 广西大掌硕士掌位论文 墓于元差拍控靛l 策略的并联有瀚e 电力滤波器泻f 究 式、检测电流源电流控制方式和复合控制方式，本文指令电流生成电路检测负载 电流。 图2 4 有源电力滤波器的分类 f i g 2 4t h ec l a s s i f i c a t i o no fa p f 根据应用场合的不同，a p f 可分为直流型a p f 和交流型a p f 两大类。如图2 4 所示。直流型a p f 用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电压：交流型a p f 用 于交流电力系统中。交流有源电力滤波器又可以分为单独使用和混合型使用。根 据逆变电路的储能元件差别，a p f 可分为电流型a p f 和电压型a p f 。电压型a p f 滤波器装置效率高、可并联扩容，易于单机小型化适用于电力系统谐波补偿。电 流型a p f 滤波器作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其构造简 易，性能良好，但电路损耗较大，不适合大容量系统【1 7 】。 除了以上各种分类，我们还有一种混合型有源电力滤波器，可以是并联a p f 和并 联p p f 混合，也可以串联型a p f 和并联p p f 混合，还有a p f 与p p f 并联后并联接入电 网。混合型有源电力滤波器兼有a p f 和p p f 的优点和缺点，电路结构比较复杂。 总之，由于并联型a p f 和串联型a p f 各有优缺点，而且其优缺点存在互补性，所 以人们将并联型a p f 和串联型a p f 以各种方式结合起来，研制出了串并联谐波综合控 制器，通常称为统一电能质量调节器1 5 0 1 2 4 本章小结 本章主要介绍了有源电力滤波器的发展，以及有源电力滤波器的功能，它的优 缺点，阐述了有源电力滤波器的基本原理和它的主电路结构，介绍了有源电力滤 波器的各种分类，以及并联型a p f 和串联型a p f 混合而成的统一电能质量调节器。 不同的系统，选用不同的抑制方法。其中并联型有源电力滤波器由于它的动态性 能优良，结构清晰，得到了广泛的推广。而混合型有源和无源滤波器由于其综合 广西大学硕士学位论文基于无罄拍控制策略的并联有源电力滤波器研究 抑制能力越来越得广泛研究。本文主要是讨论并联型有源电力滤波器的p w m 控制 方法。 1 4 广西大掌硕士掌位论文 基于无差拍控制策略的并联有滴【电力滤波嚣阿f 究 第三章有源电力滤波器的检测原理 有源电力滤波器谐波检测环节直接影响到谐波补偿效果，快速、准确的检测出 谐波对有源电力滤波器整体性能至关重要。本章对目前几种常用的有源电力滤波 器谐波检测方法研究现状进行了简介，基于瞬时无功功率理论的电流检测法具有 较高的准确性和实时性，所以是目前有源电力滤波器中使用最多的谐波电流检测 法。本文也主要对基于瞬时无功功率理论的电流检测法作深入讨论。 3 1 有源电力滤波器的检测方法 前面已经介绍过，a p f 的控制系统分为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是从被补偿负载电流中提取所需要抑制的谐 波信号，也称为谐波检测电路。在有源电力滤波系统中，有源电力滤波器的有效 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， 有源电力滤波器研究的关键问题之一就是找到一种方法，可以从负载电流精确的 抽取需要被滤除的谐波分量作为参考电流信号，从而为补偿发生电路提供信号。 谐波检测电路不需要分解出每一次谐波的分量，只要检测出各次谐波电流之 和，当三相不对称电力系统中，应能检测出除基波正序有功分量之外的其他各电 流之和。下面简要介绍几种有源电力滤波器的检测方法。 最早的谐波电流检测方法是采用陷波器【3 2 】将基波电流分量滤除，或者采用带 通滤波器得出基波分量，再与被检测电流做差，这样就可以得到谐波分量。但是 高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号波形畸变，影响补偿效果。此外这种 方法存在许多不足，设计难度大、误差大对电力系统频率波动和元件参数十分 敏感等，所以难以广泛使用。 基于f o u r i e r 功率定义的谐波检测法原理是将负荷电流分解为与电压波形一 致的分量，称为有功电流，其他分量就是无功电流( 包括谐波电流) 。这种方法需 要采集至少一个周期的谐波电流，根据采集到的一个周期的数据