电力系统有源滤波器的设计.doc

2011 届本科生毕业论文 编号： 20070801006 武汉大学珞珈学院毕业论文题 目： 电力系统有源滤波器的设计 系 别： 电气工程与自动化系专 业： 电气工程与自动化 年 级： 2007级电气一班 学 号： 20070801006 姓 名： 肖鑫 指导教师： 舒乃秋 李自品 武汉大学珞珈学院2011年 5 月 20 日摘 要 随着电网谐波污染问题日益严重和人们对供电可靠性和电能质量的要求越来越高，传统的无源滤波器已不能充分满足电力用户对电能质量的要求，有源电力滤波器可以克服无源滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点，以其卓越的滤波性能受到广泛关注。 首先，本文在综合国内外有关文献的基础上，介绍了有源电力滤波器的发展历程、现状和趋势，随后简要介绍了有源电力滤波器的分类及拓扑结构，着重分析并联型有源电力滤波器的基本工作原理及其数学模型。 其次，介绍了检测电流的方法，其中详细介绍了两个基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流实时检测方法，并对其做了比较。 再次，本文详细分析了并联型有源电力滤波器的控制策略，包括补偿电流跟踪控制和直流侧电压控制。最后确定补偿电流跟踪控制选用三角波比较控制法和滞环控制方法，并采用带电压前馈控制的比例调节闭环控制。关键词：谐波 有源电力滤波器 检测 PWMActive Filter Design for Power SystemABSTRACTWith the growing problem of harmonic pollution and people to the power supply reliability and power quality demands increasingly high, the traditional passive filter has not adequately meet the power requirements of users of power quality, active power filter can Passive filters to overcome the traditional shortcomings of harmonic suppression method, with its excellent filtering performance attracted widespread attention. First, the paper home and abroad on the basis of relevant literature, describes the course of development of active power filter, current status and trends, followed by a brief introduction and classification of active power filter topology, analyzes the parallel active power The basic principle Filter and its mathematical model. Second, current detection methods are introduced, which introduces two instantaneous reactive power theory based on harmonic and reactive current real-time detection methods, and compared them to do. Again, the paper analyzes the parallel active power filter control strategies, including the compensation current tracking control and DC voltage control. Tracking Control for the finalization of compensation current control method used and the triangular wave comparison method of hysteresis control, and use the control with voltage feed-forward regulation loop proportional control.Keywords: Harmonic Active Power Filter Detection PWM目 录第1章 绪论11. 1 谐波的概念11 .2 电力系统谐波的产生及其危害11.2.1 谐波源11.2.2 谐波的危害21.3 谐波研究的意义31.4 谐波抑制的标准31.5 谐波抑制技术及其有源滤波技术的提出41.6 有源滤波技术的发展5第2章 有源电力滤波器的基本原理及主电路形式72.1 有源电力滤波器的基本原理72.2 有源电力滤波器的分类及主电路形式8第3章 有源电力滤波器的主电路设计113. 1 主电路容量的计算113. 2 主电路直流侧电压的计算113. 3 电容量C 的计算123. 4 进线电感L 的计算13第4章 有源电力滤波器谐波检测及控制方法的研究154.1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法154.1.1 瞬时无功功率理论的基本原理154.1.2 p-q检测方法194.1.3 检测法214.2有源电力滤波器的控制方法224.2.1正弦脉宽调制技术234.2.2 三角波调制方式274.2.3 滞环比较电流控制284.2.4 空间矢量脉宽调制技术294.3 有源电力滤波器直流侧电压的控制334.3.1 直流侧电容电压的控制334.3.2 直流侧和交流侧能量的交换34结 论36参考文献37后 记38第1章 绪论1. 1 谐波的概念 谐波(Harmonic )即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷产生的。谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数(harmonic order）。我国电力系统的额定频率(也称工业频率，简称工频)为5OHz，则基波频率为5OHz, 3次谐波频率为150Hz 。 国际上公认的谐波含义为:“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”。由十谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高次谐波。在国际电工标准中(IEC555-2, 1982)，在国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义:“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准中定义为:“谐波为一周期波分量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。 在工程实际中，有些非线性负荷会产生非工频频率整数倍的周期性电流流动。根据傅立叶级数分解出的不是基波整数倍频率的分量称为分数谐波(Fractional-Harmonics)或间谐波(Inter-Harmonics)。把频率低于工频基波频率的分量称为次谐波(Sub-Harmonics)。 谐波是在稳态情况下出现的，产生谐波的畸变波形是连续的或至少持续几秒钟。在电力系统暂态过程实测波形也有高频分量，但暂态过程产生的高频分量不是谐波，与系统基波频率无关。 短时间的冲击电流会产生短时间的谐波电流，换流装置在换相时会导致电压波形出现缺陷，这两种情况所导致的电流电压畸变也是周期性的但不属于谐波范畴。 电力系统的谐波是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其范围一般为2n40。1 .2 电力系统谐波的产生及其危害1.2.1 谐波源谐波是由非线性负荷产生的，这些使系统正弦波形畸变、产生谐波的负荷称为谐波源。我国原水利电力部1984年制定的SD 126-84电力系统谐波管理暂行规定对谐波源做了如下定义： “与电网连接并输入两倍于5OHz及以上频率电流的设备，统称谐波源。冶金、化工等工业企业以及电气机车的换流设备和电弧炉等各种非线性用电设备接入电网后，均向电网大量注入谐波电流，都属于谐波源。发电机、变压器和电动机等电力设备，如果参数选择不当或设计结构和制造工艺不良，亦向电网注入大量谐波。所以发电机、变压器等电力设备也可能成为谐波源。” 国家技术监督局于1993年颁布了谐波国家标准GB/T 14549-93电能质量公用电网谐波定义谐波源为:谐波源（harmonic source），向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。 具体来说，电力系统的谐波源可归纳为以下几种类型： （1)发电电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 （2)输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。 （3)用电设备产生的谐波。主要为各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关等。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。1.2.2 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是工频基波电压。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。归纳起来其主要危害有：（1）谐波增加了公用电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率。（2）在电缆输电的情况下，谐波以正比于其电压幅值的形式增加了介质的电场强度，缩短了电缆的使用寿命，还增加了事故概率和修理费用。（3）谐波会影响甚至严重影响用电设备的正常工作。比如谐波对电机产生附加转矩，导致不希望的机械震动、噪声。还会引入附加铜损、铁损以及过电压，导致局部过热，绝缘老化，缩短设备使用寿命。瞬时的谐波高压还可能损坏其他一些对电压敏感的电子设备。（4）谐波会引起某些继电器、接触器的误动作。（5）谐波会使常规电气仪表测量不准确。（6）谐波对周围的环境产生电磁干扰，影响通信设备的正常工作。（7）谐波容易使电网产生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了所有前述问题。国家标准GB/T14549-1993对电能质量公用电网谐波做出了限定，因此减小谐波影响是电力工程必须考虑的重要问题。1.3 谐波研究的意义 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重.各种谐波源产生的谐波给电力系统造成巨大污染，影响到整个电力系统的运行环境，包括系统本身的广大用户，而且其污染影响的范围很大、距离很远，可能远比一个工厂对大气环境的污染范围还要大、距离还要远。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义更可以上升到从治理环境污染、维护“绿色电网”的角度来认识。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。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声日益高涨。目前，对地球的环境保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理已成为电工学科技术界所必须解决的问题。1.4 谐波抑制的标准 根据日本电气学会1992年发表的一项有关谐波源的调查报告，在被调查的186家有代表性的电力用户中，无谐波源的用户仅占6%，最大谐波源为整流装置的用户占66%，办公及家用电器的用户占23%，交流电力调制装置和电弧炉的用户分别占1%和4%。办公及家用电器的用户中的谐波实际上还是来自其中的整流装置。以上数据显示，“谐波污染”是个普遍现象，电力电子装置是最主要的谐波源。 鉴于电力谐波对工业生产与人民生活的影响，世界上很多国家都已经制定限制谐波的国家标准或全国性规定，国际上，许多国际组织，如国际电气电子工程师协会(IEEE )、国际电工委员会(IEC )和国际大电网会议(CIGRE)等也推出了各自建议的谐波标准。目前国际上的谐波标准分为三大类: 1、用户及系统的限制标准，有IEEE-519-1992,、IEC1000-2-2和IEC 1000-3-6等； 2、设备的限制标准，有IEC 1000-3-2 （16A以下)、IEC 1000-3-4 （16-75A)及其它新的IEEE标准； 3、谐波的测量标准IEC 1000-4-7 。 目前，只有IEC 1000-3-2和IEC 1000-3-4两个标准对个别谐波进行了限制，因而它对电力电子设备的设计影响最大。IEEE-519对个别谐波也作了限制，但它的主要目的是限制系统节点PCC少（Point of Common Coupling)的谐波大小。 由于在某些工业场合极难实现IEC 1000-3-4，所以通常采用IEEE-519作为设计准则来限制三相电力电子设备的谐波发送，这也反映了工业领域对三相谐波标准的强烈要求。 为了保证我国的电能质量，自1990年以来，我国相继发布了五项电能质量的国家标准: 电能质量 供电电压允许偏差(GB 12325-90)； 电能质量 电压允许波动和闪变(GB 12326-2000 )； 电能质量 公用电网谐波(GB/T 14549-93 )； 电能质量 三相电压允许不平衡度(GB/T 15543-1995)； 电能质量 电力系统频率允许偏差(GB/f 15545-1995 ) 。 以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端对电能质量提出了要求，这些标准的发布为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。1.5 谐波抑制技术及其有源滤波技术的提出 消除谐波，应从产生谐波的装置即电力电子装置出发，去研究解决的方法。消除谐波主要有两种途径:主动型:从装置本身出发，设计不产生谐波的变流器；被动型:外加电力滤波器，比如在电力系统中加上LC滤波器，或在装置的电网侧加有源滤波装置等。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。 主动型的谐波抑制代表了电力电子技术的发展方向，而被动型的谐波抑制则是本文研究的重点，即安装电力滤波器。滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器。 1、无源电力滤波器 无源滤波方案是目前采用的最为广泛的谐波抑制手段。无源电力滤波器(Passive Power Filter，简称PPF)由一组针对特定频率的LC单调谐滤波器组成，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点。但存在以下难以克服的缺陷: （1)滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，谐振频率依赖于元件参数，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； （2)滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况时时变化，因而LC参数的设计较困难； （3)电网阻抗与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降； （4)电网阻抗与LC可能产生串联谐振，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流； （5)体积大、损耗大。 为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的为有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。 2、有源电力滤波器 有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。它和传统的无源滤波器相比,有以下突出的优点:(1) 对各整次谐波和分数次谐波均能有效地抑制,且可提高功率因数；(2) 系统阻抗和频率发生波动时,不会影响补偿效果,并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响；(3) 不会产生谐振现象,且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化；(4) 用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿；(5) 不存在过载问题,即当系统中谐波较大时,装置仍可运行,无需断开等。因此,有源电力滤波器将是对电力系统进行谐波和无功功率补偿的重要设备。1.6 有源滤波技术的发展1、有源滤波技术的发展历史与研究现状20 世纪70 年代初期, 日本学者首先提出了有源滤波器的概念。1976 年美国西屋电气公司的提出利用大功率晶体管组成的PWM( 脉冲宽度调制)逆变器构成的APF 来消除电网谐波。由于受当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制, APF 的研制一直处在实验阶段。进入20 世纪80 年代以后, 随着电力电子技术及控制技术的飞速发展, 大功率可关断器件(GTR、GTO、IGBT 等) 的不断进步, 以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究, 特别是1983 年日本学者提出的“瞬时无功功率理论”, 为APF 的实际应用提供了必要的条件, 使20 世纪70 年代提出的有源电力滤波器走出了实验室。又经过20 多年的研究和探索, 有源滤波技术取得了长足的发展, 越来越多的APF 投入了运行, 不论是从实际功能还是运行功率上都有明显改善。据文献介绍, 自1981 年以来, 仅日本就已有500 多台有源电力滤波器投入运行, 其功率范围从50kVA 到60MVA 越来越宽, 功能从谐波补偿到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。目前, APF 已用在提高电能质量、解决三相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。2、有源电力滤波器的发展趋势随着现代社会对电能质量要求的日益提高, APF的应用也将日益广泛。但目前APF 在对电网电能质量进行补偿时还存在许多缺陷, 有许多需要进一步研究解决的问题。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, APF 的发展近期主要在以下几个方面：(1) 通过采用PWM调制及提高开关器件等效开关频率的多重化技术, 实现对高次谐波的有效补偿。当APF 的容量小于2MVA 时, 通常采用IGBT 及PWM技术进行补偿。当容量大于5MVA 时, 通常采用GTO 及多重化技术进行谐波补偿。(2) 为降低投资成本和提高补偿效率, 将APF与LC 无源滤波器联合使用, 这样既能克服无源滤波器的缺点, 又可提高有源滤波器的补偿功能, 取长补短, 相得益彰。(3) 为适应APF 多功能复杂控制的需要, 采用一些先进的控制策略包括变结构和智能控制, 以得到更好的控制性能和效果。(4) 开发多点谐波抑制的新型APF, 通过向网络中的几个优选节点注入电流, 实现多点谐波电压的综合治理, 是谐波治理更为有效的手段。第2章 有源电力滤波器的基本原理及主电路形式2.1 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的原理图如图2-1所示。由图2-1可知,假设非线性负荷产生的电流为,供电系统提供的电流为,而有源滤波器产生的电流为,根据基尔霍夫电流定律有: （2.1）图2-1有源电力滤波器的原理图而非线性负荷电流中分别含有谐波电流分量,无功电流分量,基波有功电流分量,即: (2.2)为防止谐波电流流入系统, 由于有源滤波器为可控的电流源, 故可以控制, 则 ,即谐波全部被补偿, 只有负荷基波有功电流及无功电流注入电网,从而防止谐波污染电网。同样,若控制,有源滤波器同时补偿谐波电流及无功电流,则 ,即只有负荷的基波有功电流注入电网,不但防止了谐波污染电网, 而且从系统侧看,负荷的功率因数为1。由于有源滤波器输出的电流是完全可控且响应时间为34 ms,因此采用有源滤波器可以较好地解决非线性负荷的动态谐波电流和动态无功电流问题。2.2 有源电力滤波器的分类及主电路形式根据逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可分为电压型(图2-2，储能元件为电容)和电流型(图2-3，储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象，随着超导储能磁体研究的进展，也将促进多功能电流型APF投入实用。图2-2 电压型有源滤波器 图2-3 电流型有源滤波器根据电路拓扑结构不同，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、混合型和串-并联型。图2-4 并联型有源滤波器 图2-5 串联型有源滤波器图2-4所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡二相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓扑结构。图2-5所示为串联型有源滤波器的基本结构。它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器损耗较大，且各种保护电路也较复杂。图2-6 混合型有源滤波器图2-6所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源LC滤波网络来承担消除低次谐波并进行无功补偿的任务。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少，降低了有源滤波器的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型有源滤波器可能被下面一种性能价格比更高的有源滤波器代替。图2-7 串-并联型有源滤波器图2-7所示为串一并联型有源滤波器的基本结构。它组合了串联有源滤波器和并联有源滤波器的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能有源滤波器或统一电能质量调节器(UPQC)，该类有源滤波器的主要问题是控制复杂、造价较高。 按照电源类型不同，有源电力滤波器可分为单相型、三相三线制型、三相四线制型等。图2-8 三相三线制有源电力滤波器 图2-9 三相四线制有源电力滤波器由于三相三线线路没有零序电流的存在，无法通过识别零序电流来进行三相不平衡问题的补偿分析，而三相四线制APF主要是为了补偿电源中线上的电流谐波、无功功率及三相之间的不平衡问题。当功率额定值较小时，其主电路可直接采用三相逆变器，而将直流侧电容中点联接到电源中点上。当负载功率较大时可用四桥臂的逆变器，将第四桥臂单独用于补偿中线；为了实现三相独立调节，还可使用更复杂的三个单相桥式逆变器进行分别补偿。第3章 有源电力滤波器的主电路设计电压型有源电力滤波器的主电路如图3-1所示,即将主电路设计成通过对全控型开关器件(如IGBT) 控制的电压源型PWM 逆变器,在准确的检测到谐波电流的基础上,使有源电力滤波器的输出起到很好的补偿和抑制作用,同时在直流侧电容旁串联一个由继电器控制的电阻,可以改善由于电容充电引起的电流不稳定现象,使其对电网的滤波效果得到改善。在本文主电路的参数计算中,主电路形式设计为并联电压型,补偿谐波和无功功率。图3-1 电压型有源电力滤波器主电路3. 1 主电路容量的计算并联型APF 的容量,由式(3.1) 确定: (3.1)其中: E 为电网相电压有效值; 为补偿电流有效值,即补偿电流的有效值。式(3.1) 中需要注意的有两点:首先,APF 的设计容量与待补偿电流的大小有关,因而与补偿对象的容量及补偿目的有关;其次,主电路中功率器件的额定电压与直流侧电压UC有关,而UC与E 没有唯一的对应关系,其关系由设计决定。3. 2 主电路直流侧电压的计算APF 在正常工作时,为了得到较好的补偿,补偿电流必须紧密跟随指令电流波形的变化。对于其中的一相(以a 相为例) ,逆变器主电路工作情况的微分方程为: （3.2） （3.3）当Ka =1/3时, 若(为相电压的峰值) ,则(3.3) 式无法成立,而就有可能出现小于0 这种不正确的情况。 因此,由（3.3）式可得出逆变主电路的直流侧电压:由此可知直流侧电压最小应大于交流电源相电压峰值的1.732倍，否则可能发生电流偏差信号不断减小的情况。在此基础上, 越大,变化越快，但是器件耐压要求也越高。3. 3 电容量C 的计算直流侧储能电容的作用主要是储能,为逆变器提供稳定的直流电压源。同时,直流电容还具有缓冲负序电流和开关元件在工作损耗所造成的能量脉动,以及高次谐波电流在直流侧造成的能量脉动。在APF 运行过程中,其直流侧电容电压会在一定的电压范围内进行波动,补偿电流在交流电源与有源电力滤波器之间存在着能量脉动是直流侧的电压波动的主要原因。在允许波动范围内,如果电容的容值选择设计较小,则直流侧电压将会非常的不稳定；相反,若电容值设计较大,直流侧电压则不能够迅速响应,容值过大过小都会影响到APF 的补偿效果。因此必须根据电压波动和动态响应两个方面考虑,适当选择。如果在某一个PWM 周期内,电容仅仅处于充电或者放电状态,并且能够允许偏离的最大值为,则其中,代表PWM 脉冲的频率;为流过电容C 的最大电流值。所以有3. 4 进线电感L 的计算有源电力滤波器的补偿特性不仅包括直流侧电容电压的稳态值 及其波动范围这个重要因素,另外输出补偿电流是否能快速跟踪补偿指令电流也是重要因素之一。 因此,主电路交流侧电抗器的取值应保证有源电力滤波器具有最大的跟随指令电流变化率的能力。如果电感值较大,则APF 输出的电流响应较慢,不利于补偿电流的变化;相反,若电感值较小,则APF 输出电流响应较快,影响工作稳定性,最终影响到APF 的补偿效果。因此,电感L 选取合适的值尤为重要。有源电力滤波器跟踪指令电流时的指令电流及跟踪电流波形见图3-2。图3-2 指令电流波形与补偿电流波形图3-2中的为补偿电流,而则为指令电流。由图3-2可知,在每个指令周期内只有让补偿电流的斜率大于指令电流的斜率,补偿电流才能跟踪上指令电流。而相对于其它谐波电流波形,基波电流的波形曲率最小,最为平坦,因此补偿电流的斜率必须要大于基波电流的斜率。由此来选取补偿谐波所需的最大电感值。由于PWM 的工作频率很高, T 很小,所以在t0到t0 + T 的这段时间内,近似为一段直线后,可得到其斜率为，故最大的基波斜率为上面两式中,为指令电流的幅值;为指令电流的频率。当有源电力滤波器工作到足以使之稳定时,主电路工作情况微分方程(3.2)中的交流电压的平均作用将为0 ,而Ka 的平均值为4/9 ,由此可得出 （3.4）因要求补偿电流的斜率必须大于指令电流的斜率,故有 （3.5）因此可以得出 （3.6）上式得到的即是最大电感值,而最小电感值是由所允许的开关纹波电流的大小决定。假设有源电力滤波器输出电流的波动率为,为允许输出电流波动率,则其中, 为有源滤波器开关造成的谐波电流幅值,为有源滤波器输出电流幅值。由式(3.6)可知,在输出电流幅值点的纹波电流幅值 式中,为开关的工作周期。结合式(3.4) 、式(3.5) 有从而，结合以上分析,并且根据实际情况,从已得出的电感L 取值范围内,合理选取,最终确定合适的电感值。第4章 有源电力滤波器谐波检测及控制方法的研究4.1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法4.1.1 瞬时无功功率理论的基本原理 三相电路的瞬时无功功率理论作为谐波电流实时检测算法的理论基础，首先于1983年由赤木泰文提出，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亦称p-q理论，是以瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的定义为基础的。在瞬时有功电流和瞬时无功电流为基础的理论体系中，设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为,和,，为分析问题方便，把它们变换到两相正交的坐标系中研究。由下面的变换可以得到，两相瞬时电压,和两相瞬时电流，。 （4.1） (4.2)式中， （4.3）在图4.1所示的平面上，矢量和分别可以合成为(旋转)电压矢量和电流矢量: (4.4) (4.5)式中，、为矢量的模。分别为矢量的辐角。三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量在矢量及其法线上的投影。即 (4.6) (4.7)式中， 图4.1 坐标系中的电压电流矢量三相电路瞬时有功功率p(瞬时无功功率q)为电压矢量e的模和三相电路瞬时有功电流(三相电路瞬时无功电流)的乘积。即 （4.8） （4.9）把式(4.6)、(4.7)及代入(4.8)、(4.9)中，并写成矩阵形式得出 （4.10）其中， 把式(4.2)、(4.3)代入上式可得出p、q对于三相电压、电流的表达式 (4.11) (4.12)从式(4.11)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。相的瞬时有功电流(瞬时无功电流)分别为三相电路瞬时有功电流(瞬时无功电流)在轴上的投影，即 (4.13a) (4.13b) (4.13c) （4.13d）由式(4.13)可以得出: （4.14a） (4.14b) (4.14c) (4.14d)相的瞬时有功功率(瞬时无功功率)分别为该相瞬时电压和瞬时有功电流(瞬时无功电流)的乘积，即 （4.15a） (4.15b) (4.15c) (4.15d)由式(4.15)可以得出 (4.16) (4.17)三相电路各相的瞬时有功电流(瞬时无功电流)是两相的瞬时有功电流(瞬时无功电流)通过两相到三相变换所得到的结果。即 (4.18) (4.19)其中， 将式(4.12)代入式(4.18)、（4.19）中得 （4.20a） (4.20b) (4.20c) (4.21a) (4.21b) (4.21c)其中，则由式(4.20)、(4.21)得 (4.22a) (4.22b) (4.23a) (4.23b) (4.23c)a、b、c各相的瞬时有功功率(瞬时无功功率)分别为相应的瞬时电压和瞬时有功电流(瞬时无功电流)的乘积，即 （4.24a） (4.24b) (4.24c) (4.25a) (4.25b) (4.25c)由式(4.24)、(4.25)可知: （4.26） （4.27）从式(4.26)、(4.27)可以看出，各相的瞬时无功功率对总的瞬时功率(瞬时实功率)没有任何贡献，而是在各相之间相互传递。这也正是赤木泰文给出的瞬时有功功率、瞬时无功功率的依据。传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值或向量的意义上定义的，它只适用于电压、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的情况。4.1.2 p-q检测方法瞬时无功功率理论的诞生是新技术发展的需要，具有重大的理论价值和现实意义。突出表现之一是基于此理论产生的快速准确的谐波检测方法p-q法，法，并且极大地推动了有源电力滤波器的工程应用进程，为实现谐波、无功的实时补偿提供了重要的理论依据。该方法的核心思想是根据所定义的，瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果，这一特点来提取谐波分量。图4.2 p-q检测法控制框图如图4.2所示，p-q检测法就是当系统电流含有谐波而电网电压为基波正序电压，根据上式算出瞬时有功功率p和无功功率q，然后令p、q通过一低通滤波器(LPF)，可得瞬时有功功率、无功功率的直流分量，直流分量是由基波正序电压和基波正序电流作用产生的。因此，由经过下式的反变换就可计算出被检测电流的基波正序分量 （4.28）与相减即得的负序分量和谐波分量。令上式中的，即断开图中的q通道，就可得到基波有功电流分量，该分量与被检测电流相减可得同时进行无功、谐波补偿时的补偿分量。当系统三相电压对称不含谐波时，运用该方法可迅速、准确地检测出被检电流中的谐波分量和无功分量，但是当系统电压波形发生畸变时，由于均含有谐波，并且不仅是基波电流与基波电压相作用的结果，而且还包含其它同次谐波的电流和电压相作用的结果，因此计算出的也将含有谐波，从而影响谐波检测的精度，并且电压波形畸变越严重，检测结果的精度越低。此外，由于该方法无法反映零序分量的大小，因此该方法不适用于三相四线制系统中的谐波电流检测。4.1.3 检测法为了克服p-q检测法受电压质量影响的不足，p-q法经过不断地改进和完善形成了谐波检测法。如图4.3，把满足的三相电流经过不含零序分量的Park变换得到，再经过低通滤波器(LPF)滤波得的直流分量，其中是由基波正序分量产生的，因此由经过反变换即可计算出，进而计算出负序分量和谐波分量。该方法由于没有直接使用系统电压信息，只是将系统电压通过锁相环PLL和正弦信号发生器构造正弦和余弦函数，以实现在与三相基波电流的合成矢量同步的旋转坐标系下的Park变换，因此检测结果的精度不受系统电压波形畸变与否的影响。但是要求由正弦和余弦函数合成的综合矢量应与三相基波正序电压的合成矢量同步且同相位。否则，基波正序无功分量的检测精度，将因相位差的存在而受到影响。图4.3 检测法控制框图图中的变换矩阵C （4.29）对矩阵C稍作修改即可得到提取基波负序电流的方法：将正序旋转变换矩阵C的旋转方向由逆时针改为顺时针方向，即可检测负序基波电流，其变换矩阵CC (4.30)用新的变换矩阵对检测电流进行变换就可得到被检测电流的基波负序电流。同样对矩阵C稍作修改也可以检测出任意次(3的倍数次谐波除外)谐波电流。即与a相电网电压同步的正余弦信号，经n倍频后得到正余弦信号，组成新的矩阵: (4.31)与p-q运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只要断开图4.3中计算的通道即可。而如果只检测无功电流，则只需对进行反变换。由上述分析结果可知，对于三相三线制电路，只要电网电压波形发生畸变，而不论三相电压、电流是否对称，p-q运算方式的检测结果都有误差，只是误差的情况将有所不同；而按运算方式检测时，由于只取、参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果是准确的。当三相电压平衡时p-q法、法都能很好地检测出电网中的谐波；而当三相电压不平衡时，p-q法检测出的谐波波形存在明显误差，法检测效果比较好。4.2有源电力滤波器的控制方法前面己重点研究了基于瞬时无功理论的电流检测方法，下面将进一步讨论补偿电流控制方法。当检测出补偿电流信号以后，需要对有源电力滤波器的主电路(通常为一个电压型逆变器)进行控制，使其输出的补偿电流能实时、准确地跟踪补偿电流指令信号，以达到理想的补偿效果。补偿电流发生电路的结构如图4.4所示。它包括三部分:电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流间的相互系，产生对电力电子器件的通断进行控制的逻辑信号。驱动电路将该逻辑信号变换为驱动主电路电力电子器件的驱动信号，控制其通断。主电路再最终产生跟随补偿电流指令信号变化的实际补偿电流。图4.4 补偿电流发生电路常见的有源电力滤波器的控制方法有：正弦脉宽调制技术（SPWM）、三角波调制方式、滞环控制、电压空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）、单周控制、无差拍控制等。这里主要介绍前四种控制方法。4.2.1正弦脉宽调制技术采样控制理论中有一个原理一冲量等效原理：形状不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。脉冲越窄，其输出的差异越小。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础之一。 图4.5中逆变器理想的输出电压是正弦波，但逆变电路的输入电压是直流电压，依靠开关管的通、断状态变换，逆变器只能直接输出种电压值，0，。对单相逆变器四个开关管进行实时、适时的通断控制，可以得到图4.6所示在半个周期中有多个脉波电压的交流电压。只要图4.6中的电压波在每一时间段都与该时间段中正弦电压面积(冲量)相等，则它们作用与L、R电路时所形成的电流响应就相同。因此要使二者等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量p很多。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。从另一方面分析，对开关器件的通断状态进行实时、适时的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅立叶分析可知，输出电压中除基波外仅含某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波。图4.5 单相桥式逆变电路图4.6 用SPWM电压等效正弦电压如果按同一比例改变所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值。这种控制逆变器输出电压大小及波形的方式被称为正弦脉宽调制SPWM（Sinusoidal Pulse Wide Modulation ) 。 如果给逆变电路的正弦波输出频率幅值半个期的脉冲数PWM波形中各脉冲的宽度和时间间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水