（电力电子与电力传动专业论文）三相四线并联型有源电力滤波器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 通过对3 0 k v a 三相四线并联型有源电力滤波器的样机设计及实验表明，瞬 时无功理论的分析是正确的。 关键词：谐波三相四线并联型有源电力滤波器瞬时无功理论对称分量法 基波负序有功分量 l i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rl o a d si n g r e a td e a li nt h eg r i d ，t h ep o w e r q u a l i t yd e t e r i o r a t i o nt u r n e dm o r ea n dm o r es e r i o u s i no r d e rt oi m p r o v et h ep o w e r q u a l i t y , v a r i o u sh a r m o n i cs u p p r e s s i o n a n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nm e t h o d sa r eu s e di n t h ef i e l d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sp a i dm o r ea t t e n t i o nf o ri t ss p e c i a lv i r t u ei nt h e h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n t h r e e p h a s et h r e e w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e rh a sr e a c h e dt h e p r a c t i c a ls t a g ef r o m t h et h e o r yr e s e a r c ht od e s i g n b u tt h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea p f i ss t i l lu n d e rr e s e a r c h i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no fi n s t a n t a n e o u sp o w e r t h e o r yi nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e mi ss t u d i e dd e 印l y a n dt h e nt h ed e s i g no f t h e t h r e e - p h a s ef o u r - w i r es h u n ta p f i sd i s c u s s e di nd e t a i l s a l lt h e s ea r ep r e p a r ef o rt h e a c t u a la p p l i c a t i o no f a p f t w o p a r t sa r em a i n l ys t u d i e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ： p a r to n e ：t h ea p p l i c a t i o n s t u d y o ft h ei n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r yi n t h r e e - p h a s ef o u r - w i r e a p e m a i nc o n t e n t s ： d i s c u s st h e a p p l i c a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fi n s t a n t a n e o u s p o w e rt h e o r y i n t h r e e - p h a s et h r e e - w i r ea n d f o u r - w i r es y s t e m s t h e ni tp o i n to u tt h a ti n s t a n t a n e o u s p o w e rt h e o r y c a nb ee x t e n d e df r o m t h r e e - p h a s e t h r e e - w i r et o t h r e e - p h a s e f o u r - w i r es y s t e ma n dn on e c e s s a r yt op r e - s e p a r a t et h ez e r os e q u e n c ec u r r e n t d u r i n g t h ec a l c u l a t i o no fi n s t r u c t i o nc u r r e n t v ， a p p l y t h es p a c ev e c t o rt r a n s f o r m a t i o ns k i l la n ds y m m e t r y c o m p o n e n t m e t h o da n d c o m b i n es e l fc h a r a c t e r i s t i co f d qm e t h o d ，i th a sa n a l y z e dt h ep o w e rc o m p o n e n t s o fl o a da n dt h ei n s t r u c t i o nc u r r e n to f t h r e e - p h a s ef o u r - w i r e s y s t e m i nd e t a i l s d i s c u s st h ei n f l u e n c et o d - qm e t h o dw h e nt h eg r i dv o l t a g ei s d i s t o r t e da n d u n b a n l a n c e d i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e ma n dk e 印t h ep o w e rb a l a n c e o f c o m p e n s a t i o n d e v i c e ，t h e a u t h o rd e d u c et h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xw h i c h c a l c u l a t et h e p o s i t i v e 、n e g a t i v ec o m p o n e n t si n 口- 口q u a d r a t u r ec o o r d i n a t e t h e na u t h o ru s e st h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ec o m p o n e n t so ft h eg r i dv o l t a g et o c a l c u l a t es y n c h r o n o u sc o o r d i n a t e i tr e a l i z e st h es e p a r a t i o no fb a s e p o s i t i v ea c t i v e h i 山东大学硕士学位论文 a n db a s en e g a t i v ea c t i v ec o m p o n e n t si nl o a dc u r r e n ta n dt h ep r e - e l i m i n a t i o no f b a s e n e g a t i v e a c t i v ec o m p o n e n ti ni n s t r u c t i o nc u r r e n t a tl a s tt h es i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t r e s u l t sh a v e v e f i f yi t ss o u n d n e s s p a r tt w o ：d e s i g no f t h r e e - p h a s e f o u r - w i r ea p e m a i nc o n t e n t s ； v ，t h eb o d yd e s i g no ft h r e e - p h a s ef o u r - w i r es h u n ta p f i sd e s c r i b e di nd e t a i l s a n d t h e nt h e d e s i g n r u l ea n dr e a l i z a t i o ne a c hm o d u l ec o m p o s e dt h es y s t e m a r e d i s c u s s e di nd e t a i l st o o t h e d i g i t a l r e a l i z a t i o no fa p fi n s t r u c t i o nc u r r e n ts i g n a li s i n t r o d u c e di nt h e c h a p t e r f o u r a c t u a l a p p l i c a t i o nd e s i g n o fm a i nc i r c u i t t o p o l o g y a n dc o n t r o lc i r c u i t i s i n t r o d u c e di nt h ec h a p t e rf i v e a n dt h em a i np , a r a m e t e r ss e l e c t i o ni sd e s c r i b e di n d e t a i l s t h r o u g ht h es a m p l em a c h i n ed e s i g n a n de x p e r i m e n to f3 0 k v at h r e e p h a s e f o u r - w i r es h u n ta p f , w ec o n c l u d et h a tt h ea n a l y s i so f i n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r y u s e di nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m i sf i g h t 一 k e yw o r d s ：h a r m o n i c t h r e e - p h a s e f o u r - w i r es h u n ta p fi n s t a n t a n e o u s p o w e rt h e o r y f u n d a m e n t a lp o s i t i v es e q u e n c ea c t i v ec o m p o n e n t s y m m e t r yc o m p o n e n t m e t h o di n s t r u c t i o nc u r r e n t 附件一： 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：医中师签名少艇 山东大学硕士学位论文 s a p f q ，2 c 出 ”ph 、“r 、i c 、 l pl a “1 q “ 7 、目、0 、k 、“ i l 口、i ”i 。 w 、昕( n = l ，2 ，3 ) c 、2 ( n = 1 ，2 ，3 ) 、两( n = l ，2 3 ) 、q 2 ( n = l ，2 3 ) q q p 。n 只” 磊 风 k 瓦 毛 c ；、c ； c p 、c w 蚱i 、u c 2 符号说明 ( s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ) 并联型有源电力滤波器 k l a r k e 变换矩阵 p a r k e 变换阵 电网电压瞬时值 负载电流瞬时值 k l a r k e 变换后的电压 k l a r k e 变换后的电流 p a r k e 变换后的电流 、经i i r 滤波器滤波后的电流信号 负载电流的基波分量 负载电流的谐波分量 指令电流信号 n 次谐波电压正序、负序分量。n = l 时为基波 n 次谐波电流正序、负序分量。n = l 时为基波 n 次谐波正序有功、负序有功。n = l 时为基波 n 次谐波正序无功、负序无功。n = l 时为基波 补偿掉的无功分量 s a p f 中补偿掉的部分恒定的有功功率 s a p f 中补偿掉的有功分量的波动部分 零序功率的恒定部分 零序功率的波动部分 滤波器的功率损耗 直流母线调节功率 三相电压不平衡度 三相电流不平衡度 a b c 坐标系中求电压、电流正序、负序分量的变换阵 a 一卢坐标系中求电压，电流正序、负序分量的变换阵 直流侧上下电容电压 山东大学硕士学位论文 ，。 h 8 上 t h d 2 系统的开关频率 滞环宽度 直流侧电容总电压 交流进线电感 总谐波畸变率 电容电压纹波比 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 从上世纪2 0 至3 0 年代，人们已经注意到了由静止汞弧变流器弓i 起的电网电 压和电流的畸变问题。而今，随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子设 备投入电网，它们产生的大量的谐波与无功电流也随之注入电网。导致电能质量 的恶化。如电网的谐波、三相不平衡、闪变与频率变化等。如何改善电能质量， 对供电系统的谐波与无功进行补偿，一直是人们研究的重要课题。 1 1 谐波概述及其危害咖 上世纪2 0 至3 0 年代，静止汞弧变流器引起的电网电压和电流的畸变，使人 们注意到了谐波。 5 0 年代至6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，人们对谐波有了更进一 步的认识。 7 0 年代以后，由于电力电子技术的飞速发展，电力电子设备进入了人们生 产、生活的各个角落。从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业变流装置， 应用十分广泛。其产生的谐波日益严重，引起了世界各国对谐波及其抑制的重视。 谐波源归纳起来，主要有以下几种： ( 1 ) 静止变流器。如整流器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐 波对电网影响最为严重，被称为电网中“公害”。 ( 2 ) 工业用电弧炉、逆变焊机等。虽然他们数量不多，但它们容量较大， 它们产生的谐波成份十分丰富，对电网的危害极大。 ( 3 ) 电力变压器的非线性励磁。 ( 4 ) 旋转电机。 ( 5 ) 各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电 源等。虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越 来越严重。 谐波对电力系统中的其它用电设备，尤其是一些精密仪器影响严重，其危害 主要表现在以下几方面： ( 1 ) 电力方面的危害： 1 ) 谐波容易引起电网与无功补偿电容器之间的串联或并联谐振。使谐波 山东大学硕士学位论文 电流放大，造成过电流，导致电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。 2 ) 使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设 备的使用效率，增加电网的线损。在三相四线制系统中，中线会由于流过3 次及 其倍数的谐波电流造成零线过热。 3 ) 谐波会产生额外的热效应，从而引起用电设备的发热、绝缘老化、降 低设备的使用寿命。 ( 2 ) 在信号干扰方面： 1 ) 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电力电子设备和通讯 系统产生干扰严重时还会导致设备无法正常运行。 2 )谐波还会引起保护设备的误动作。 3 ) 因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，这种测量仪表是在纯正 弦波情况下进行校验的，因此谐波会使仪表产生测量误差。 谐波问题日益严重，如何对谐波进行抑制，成为众多科研工作者的研究课题。 1 2 谐波标准 针对电网系统的谐波污染和电能质量的恶化，很多国家和国际组织都制订了 限制用电设备的谐波标准。电气和电子工程师学会于1 9 8 1 年制订了i e e e 6 0 5 1 9 标准，于1 9 9 2 年进行了修订。该标准对从电网的角度对公共连接点的电压和电 流波形畸变进行了限制。国际电工委员会于1 9 8 2 年制订了i e c 6 0 5 5 5 - 2 ，于1 9 9 5 年修订，修订后的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 2 。该标准对接入电网的负载产生的谐波 进行了限制。 在我国，针对电能质量的恶化，已颁布了以下国标： 电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 代替( g b1 3 2 3 6 - 1 9 9 0 ) 电能质量三相电压允许不平衡度( g b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 电能质量电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 - 1 9 9 5 ) 电能质量供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 5 - 9 0 ) 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 卜2 0 0 1 ) 供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则( g b1 7 6 2 6 7 - 1 9 9 8 ) 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值( g b1 7 6 2 5 7 - 1 9 9 8 ) 4 山东大学硕士学位论文 1 3 谐波抑制强1 解决非线性负载产生的谐波问题思路有二。一是设计谐波补偿装置，对电力 系统中非线性负载产生的谐波进行补偿。二是对电力系统中主要谐波源的电力电 子装置进行自身的改造。使其完成自身功能的同时，不产生谐波与无功。如：有 源功率因数校正技术( s p f c ) ，各种p w m 整流技术等。这两种思路各有优点，从 近年来的科技文献可以看出都得到了很好的发展。 谐波补偿装置经历了从无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) 到有源电 力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 的发展。因有源电力滤波器成本较高，近年 来，混合型有源电力滤波器由于其成本合理和较好的性能也受到了人们的关注。 1 3 1 无源电力滤波器“1 无源电力滤波器( 原理如图1 - 1 ) 是传统的谐波补偿方法，目前大量应用的 是由交流电抗器和电容器组成的“l c 无源滤波器( l cp a s s i r ep o w e rf i l t e r ) ”。 虽然无源滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟等优点，但它也存在以下缺点： ( 1 ) 如果系统中谐波电流超量，滤波器将过载。 ( 2 ) 如果高次谐波的范围较宽，则需要设置多个无源支路。 ( 3 ) 无源滤波器的补偿效果随系统运行情况的变化而变化，对交流电源的 阻抗和频率的变换极其敏感，在此情况下难以保证补偿效果。特别是 在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因 此一个实际的滤波器要满足要求的谐波衰减是很困难的。 ( 4 )当系统阻抗参数和频率变化时，滤波器可能与系统发生并联谐振( 从 负载侧看) 或串联谐振( 从源侧看) ，使系统无法正常工作，严重时 将导致局部电网的崩溃。 1 3 2 有源电力滤波器啪 图卜1 无源电力滤波器原理图 山东大学硕士学位论文 与无源滤波器相比，有源电力滤波器( a p f ) 具高度的可控性和快速的响应 性，其主要优点如下： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率 进行实时补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 可同时补偿谐波与无功，也可单独补偿谐波。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量也 不大。 ( 4 ) 正常情况下，即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器装置也不会发 生过载。 ( 5 ) 谐波补偿特性不受系统阻抗的影响，可避免与被补偿系统发生谐振。 ( 6 ) 既可以对单个谐波和无功源进行补偿，也可以对多个谐波和无功源集 中补偿。 根据a p f 与被补偿系统的连接方式不同，a p f 可分为：串联型有源电力滤波 器( s e r i e sa p f 如图卜2a ) ，并联型有源电力滤波器( s h u n ta p f 如图卜2b ) 和串并联型( 又称为统一电能质量调节器u p q c 如图卜2c ) 。 6 a 、串联型有源电力滤波器b 、并联型有源电力滤波器 c 、统一电能质量调节器 图卜2 有源电力滤波器与负载之间的连接原理图 山东大学硕士学位论文 1 3 3 混合型有源电力滤波器 混合型有源电力滤波器( h y b r i da p f ) 的系统拓扑结构有以下两种： a 、s e r i e sa p f 与l cp f 组成的h y b r i da p fb 、s h u n ta p f 与l cp f 组成的h y b r i da p f 图l 一3 两种混合型有源电力滤波器 在混合型有源电力滤波器中，滤波和无功补偿功能主要由并联的无源滤波器 完成，而有源滤波器起到改善无源滤波器的工作环境和工作性能的作用。这样有 源电力滤波器的容量和造价大大降低，因此，混合型有源电力滤波器也是一很有 价值的研究方向。 1 4 有源电力滤波器的发展和应用乜铂洲钔 1 4 1 有源电力滤波器的发展 早在1 9 6 9 年，b m b i r d 在他的论文 2 中描述了通过向交流电网注入三次 谐波电流以减少电源电流中的谐波，改善电源电流的波形。该方法便是有源电力 滤波思想的雏型。 1 9 7 6 年美国西屋电器公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 在文 8 中提出了应 用p w m 逆变器构成有源电力滤波器。此文讨论了有源电力滤波器的实现方法和控 制原理，并建立了有源电力滤波器的基本拓扑结构。但受当时半导体器件发展水 平的影响，它只处于实验室阶段。 有源电力滤波器的真正发展是从8 0 年代开始的。随着新型半导体器件的出 现、p w m 变流技术的发展以及h a k a g i 瞬时无功理论的提出，有源电力滤波器得 到了极大的发展。8 0 年代后期，许多有源电力滤波器的商业发展计划完成并投 入了实践。随着各种大功率开关器件的出现和p w m 变流技术的成熟，有源电力滤 波器已达到实用化阶段。 到目前为止，多数有源电力滤波器的研究工作是在三相三线制系统中进行 的。而三相四线制系统在工业、办公及民用住宅、城市供电、工厂供电等电力输 山东大学硕士学位论文 配电系统中广为应用。现在三相四线系统中的谐波和三相不平衡所产生的问题日 趋严重，引起了人们的极大重视。由于零序电流的存在，谐波与无功补偿要比在 三相三线系统中复杂的多所以关于三相四线系统有源电力滤波器的研究仍在继 续。国外已有三相四线有源电力滤波器的样机出现1 9 i ，但仍处于试验阶段，未能 广泛应用。随着有源滤波技术的成熟和有源电力滤波器容量的提高，其应用范围 也必将从补偿用户自身的谐波问题向改善整个电力系统供电质量的方向发展。 i 4 2 有源电力滤波器的应用“1 1 4 2 1 有源电力滤波器在国外的应用情况 有源电力滤波技术在日本、美国、德国等工业发达国家的发展和应用较为成 熟。1 9 9 7 年日本电气委员会发表了一项有关谐波危害的调查报告，该报告反映 了有源电力滤波器在日本的应用情况。基本情况如下： 1 ) 数量和用途 1 9 8 3 1 9 9 1 年，累计生产i 0 0 台，占总数的2 2 左右：在1 9 9 1 1 9 9 5 年， 累计生产3 5 5 台，占总数的7 8 左右。 以1 9 9 1 1 9 9 5 年为例，生产的台数和容量如图1 4 所示；其行业应用分 布情况如图l - - 5 所示。 5 0 0 k v a - i o o o k v a 嘲。1 0 0 0 k v ah 卫 e 7 图l 一41 9 9 1 1 9 9 5 年生产的 台数与容量比率 电气 图l 一51 9 9 1 1 9 9 5 年不同行业 的使用情况 2 ) 使用的类型 从实际投入的设备来看，在3 5 5 台设备中仅有4 台设备与负载连接为串联 型或串联混台型。大多是并联型有源电力滤波器。其主电路为电压型逆变器( v s i ) 山东大学硕士学位论文 结构。 - 3 ) 谐波检测的方法 谐波的检测方法有负载电流检测法、电源电流检测法和电源电压检测法。在 这些方法中，用负载电流检测法与用电源电流检测法的比率为1 0 ：1 。可见实际 应用中，负载电流检测法应用最为广泛。同时，应用电源电压检测的比率也在增 加，检测电压的目的是在于补偿电网电压闪变。 4 ) 功能 有源电力滤波器除了补偿负载电流谐波，还可补偿基波无功、校正三相不平 衡、抑制电网电压闪变等功能。在这3 5 5 台设备中有7 6 台附有补偿基波无功的 功能。 1 4 2 2 有源电力滤波器在国内的应用情况“” 我国在电力有源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 研究的文章。1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用试验。近些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。从发表的文章看， 这些理论研究和实验为主，这些研究有的已经达到或接近国际先进水平。尤其最 近几年，将智能控制、最优控制理论应用于有源滤波器的各个环节的文章屡见不 鲜。目前的主要任务是加快有源电力滤波器在生产实际中的应用，提高实际应用 水平。 1 5 本文的研究的意义和内容设置 本文就瞬时无功理论在三相四线制系统中的适用性进行了深入研究，对三相 四线制有源电力滤波器所补偿的功率成份进行了详细分析。为解决电网电压不平 衡对d - q 算法的影响。本文推导出了正交坐标系中求取电网电压正、负序分量的 变换矩阵，提出了改进的d - q 算法。最后对三相四线并联型有源电力滤波器进行 设计。本文一切为了应用，因此在理论分析时注重与实际的结合：在系统实现时， 尽量使用现有的成熟技术和模块。做到重点突出，不泛泛而谈。通过本文的研究 和分析，希望为将来的实际应用做出有益指导。 本文的内容设置如下： 在第二章中对瞬时无功理论在三相四线制系统中的适用性进行了研究。对三 相三线和三相四线并联有源电力滤波器( s a p f ) 的控制策略作了比较分析，利 9 山东大学硕士学位论文 用对称分量法分析和证明了瞬时无功理论在三相四线s a p f 中的适用性。然后就 电网电压发生畸变对s a p f 的影响进行了讨论。针对由基波负序有功分量造成的 功率不平衡问题，本文提出了负载电流基波负序有功分量的预剔除的方法。仿真 和实验结果证明了以上分析的正确性。 在第三章中介绍了三相四线并联型有源电力滤波器的总体设计。对组成系统 的各个模块的设计思想和实现进行了详细分析。 在第四章中对指令电流的数字实现进行了详述。其中包括系统软件的主程序 流程、程序各模块功能简介。 在第五章中对组成系统的硬件进行了设计。包括：系统的主电路拓扑；系统 主要参数的选择等。最后给出实验结果。 在本文的最后对课题的工作情况进行了总结，就课题的后续工作进行了展 望。 山东大学硕士学位论文 第二章瞬时无功理论在三相四线制系统中的应用研究 自1 9 8 3 年h a k a g i 等提出瞬时无功l 的概念以后，浚理论为谐波与无功的 在线实时补偿提供了强有力的理论依据。它广泛应用于三相三线系统的谐波与无 功补偿，其代表产品有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 已步入大量实用化阶 段。而三相四线系统在工业、办公及民用住宅、城市供电、工厂供电等电力输配 电系统中广为应用。现在三相四线系统中的谐波和三相不平衡所产生的问题只趋 严重，引起了人们的极大重视。由于中线电流的存在，谐波与无功补偿要比在三 相三线系统中复杂的多，关于三相四线有源电力滤波器( a p f ) 的研究仍在继续。 国外对三相四线a p f 的研究较早，已有样机出现1 9 i ，但未见大量的工业应用。 本章对瞬时无功理论在三相四线s a p f 中的适应性进行讨论，就三相四线系 统在电网电压发生畸变时的功率成份进行了分析。因为它们对兰相四线s a p f 中 的设计具有指导意义。在2 1 中概述了瞬时无功理论的发展。在2 2 中概述了瞬 时无功理论在三相三线s a p f 的补偿策略。在2 3 中说明了该策略同样适用于三 相四线s a p f 的控制。在2 4 中就电网电压发生畸变对三相四线s a p f 的影响进 行了讨论，分析了瞬时无功理论在三相四线s a p f 中的适应性。在2 5 中推导出 了在a 一口正教坐标系中求取正序和负序分量的变换矩阵，并分析了其物理意义。 最后给出了仿真和实验结果。 2 1 瞬时无功功率理论的发展i n i l l 2 i i ”i i j j l 5 2 1 1 瞬时无功理论原始定义及发展l 2 8 f 1 9 8 3 年h a k a g i 等提出瞬时无功的概念，它是咀瞬时有功功率p 和瞬时无 功功率q 的定义为基础的，所以该理论亦称p - q 理论。随后又发展了以瞬时有功 电流i p 和瞬时无功电流i q 定义为基础的i p i q 法：将三相电流转换到与电网电压 同步旋转的同步坐标系中的i d i q 法。需要说明的是，以上各种方法都是在三相 三线制系统中建立的。 瞬时无功的定义参见附录l 2 1 1 1p - q 指令运算方法 山东大学硕士学位论文 p - q 指令运算方法的原理如图2 1 所示。 图2 一lp - q 法原理框图 2 1 1 2i p - i q 指令运算方法 i p i q 指令运算方法的原理如图2 - - 2 所示。 k k i l f 圈2 - 2 i p i q 法原理框图 p - q 法和i p i q 法的原理以及两种方法的优缺点比较在以往的论文已经有详细 的阐述加i ，在此不再赘述。下面着熏介绍i d i q 法。 2 1 1 3d - q 指令运算方法 d - q 变换是将静止坐标系中的向量变换到以电网电压矢量速度旋转的d - q 坐 标系中，这样变换后的信号频率与原信号频率相差一个基波频率。如果信号是典 型的三相特征谐波l t l l ( 基波) 、5 t h 、7 t h 等，则分别对应于d - q 坐标系中的直流、 4 t h 、6 t h 等。显然，d - q 变化是一种差频变换。有人把它称作是基于广义瞬时无 功功率理论之上的，事实上，广义瞬时无功功率理论在本质上与三相瞬时无功功 率理论是一致的，所以，也可将d - q 法认为是基于三相瞬时无功功率理论之上的。 在很多文献中将d - q 法称为i d i q 法，本文统称为d - q 法。 d - q 法检测框图如下： 1 2 山东大学硕士学位论文 肛( i ； 图2 3 d - q 法原理框图 ( 2 1 ) 式中- = l “c o s 。o s i n 。) a n 。薏。 i d 、i 。经过低通滤波器( l p f ) 滤波后得到直流分量云、亏，由i 、i 经反变 换便可求出负载电流的基波分量0 、0 、0 。 肾删 ( 2 _ 2 ) 将0 、f ，、0 与t 、f 。、相减，便可求得、i h 、t 的谐波分量、k 、如 2 1 2 瞬时无功理论改进定义 在1 9 9 4 年，一种改进的瞬时无功理论提出。该理论在口卢o 坐标系中 对瞬时无功和有功功率重新定义，在口一口0 坐标系中： | 口 口。 吼 1 0 l 1(2-3) lb 1 吼+ + e p q p 2 0 所以以上变换矩阵的秩为3 ， 牡 o l , l r 三毒蚓- e o 所以其反变换为 p 9 0 吼 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 山东大学硕士学位论文 2 + 4 - p ； 根据式( 2 - 5 ) ：丁ie o p + ：_ 1 e o p + ( - e q p ) 铲石石忙胁 = ，+ k 2 去气p + 古c 蛳吲。， 2 j 4 p + i 4 q 铲老勺p + 去( 气吼 = i 8 p + i8 q ( 2 6 ) ( 2 7 ) 上式中： ， ：零序瞬时有功电流 ：零序瞬时无功电流 通过以上分柝，不难发现两种瞬时功率的定义的区别： 原始瞬时功率理论把零序电路作为一单相电路来处理，“独立于”口相电路 和p 相电路。因此在零序电路中只能定义瞬时零序功率，而不能说是有功功率 或无功功率。 改进的瞬时功率理论把零序电路、a 相电路和口相电路“平等”对待。因 此，在改进的瞬时功率理论中，可以把零序功率分为零序有功功率和零序无功功 率。 因为三维电流空间向三维功率空间的变换矩阵不是唯一的，只要找到一个合 适的变换阵，又有明晰的物理意义，这种功率定义就是正确的1 1 2 i 。因此这两种定 义在本质上是一致的。两种定义可以用图2 4 表示。 由图2 4b 可以看出基于瞬时无功改进定义的负载电流有功、无功，基波、 谐波，正序、负序、零序分量之间的内在关系。在d - q 坐标平面中i d 对应着有功 分量，而i q 对应着无功分量。根据补偿目标，系统要对中线电流进行全补偿， 因此系统的零序电流可以不予考虑。因此这里采用原始定义，各分量关系如图2 - - 4a 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 正序负序 年序正芹负序 零序 【有功l、 有功 li ” 霉 菱 序 率一r 功 。无功l 、 l 无功 l 、。 基波 、， 谐波 a 、基于原始定义 正序负序序 正序氪序零序 +jij l j 。、厂。 基波 请波 b 、基于改进定义 图2 4 负载电流各分量之间的内在关系 2 2 有源电力滤波器应用于三相三线平衡系统 在三相s a p f 的设计过程中，有两类补偿方式：恒功率补偿方式和正弦源电 流补偿方式1 1 6 i 。恒功率补偿方式以p - q 法为代表：正弦源电流补偿方式以i p i q 法为代表。在实际应用中，恒功率补偿方式易于实现，正弦源电流补偿方式具有 更好的补偿效果，因此多采用后者。而d - q 法的突出优点是采用三相电压的瞬时 值来计算电压的相位，不需要锁相环( p l l ) 。因此可以构成频率无关系统，避 免了p l l 的失锁问题。这使得硬件电路变得简单，可靠性变高。当电网电压发 生畸变时。能够部分克服电压畸变的影响( 见附录1 ) ，其检测结果比较准确。 它的缺点是计算量很大，但随着高速数字信号处理器件( d s p s ) 的出现，这个 问题便迎刃而解了。本文以d - q 法为例进行讨论，d - q 法的原理框图如图2 - - 3 根据补偿目标，瞬时无功理论通常在算法中首先得到目标电流，然后用负载 山东大学硕士学位论文 ( 州朝 沪 ( 州李驸 沪 n l例 与辱= l ，。气 ，p 图2 5 三相三线系统的c l a r k e 变换 电流的正序分量，+ 变换到a 卢坐标平面中，也在其中。再经过d - q ( p a r k ) 变换，r 变为直流。通过选择合适的低通滤波器( l p f ) 的截止频率，高次谐 波分量厶便可以滤掉。经过p a r k 反变换和c l a r k e 反变换可以得到目标电流。 可见瞬时无功理论应用于三相三线系统控制思路清晰。下面详细讨论它应用 于三相四线不平衡系统情况。 2 3 有源电力滤波器应用于三相四线不平衡系统 根据对称分量法1 1 9 j ，三相四线不平衡系统的负载电流 除了含有基波正序分 置f 外，还含有基波零序c ，基波负序j i 和高次谐波分量 。根据补偿目标，负 载电流的j ? ，i 和， 都要补偿掉。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 3 1 对基波零序分量的处理 系统首先经坐标变换由a b - c 坐标系转化到a p - o 正交坐标系中，此变换是 可逆的。 擀 压 忖惦 1l1 忑疆西 一三一1 22 。鱼一鱼 22 到2 2 压压压i ， 1 一! 一圳 。巫一巫r 22j ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 卜。卜卜固l 图2 6 - - , f l 四线系统。b c 与a 口0图2 7 三相四线系统的 问的坐标变换c l a r k e 变换 在。口0 正交坐标系中，根据式( 2 1 2 ) ，0 轴对应于系统的零序分量“( 包 含基波零序分量r ) ，而八，。映射到a 声坐标平面内。由于i 。在补偿之列，在 。口0 正交坐标系中可以把，。去掉，而不影响算法的正确性。经过后面的减法， ，o 还会在指令电流t 中出现，如式( 2 1 4 ) 。 i 。= i t i ： ( 2 1 4 ) 目标电流耳在口卢坐标平面中，应用于三相三线系统的c l a r k e 变换在此 仍然适用。经过c l a r k e 变换后，。被丢掉，此变换是不可逆的，如图2 7 。 2 3 2 对基波负序分量和高次谐波分量的处理 ，+ 和，同在a 卢正交坐标系中，根据补偿目标，i i 和厶也要被补偿掉。由于 在c l a r k e 变换中，系统r 被处理掉，这里只有谐波正序和谐波负序分量。 同三相三线系统一样，经过p a r k 变换后，只有f 变为直流。通过选择l p f 合 、 k 山东大学硕士学位论文 适的截止频率，i 和厶便可以滤掉。经过p a r k 反变换和c l a r k e 反变换可以 得到目标电流j 。 当补偿目标为，时，以上分析从理论上说明了在三相三线系统中广为应用的 瞬时无功理论在三相四线系统中完全适用。p - q 法、i p - i q 法和d - q 法都可推广到 三相四线系统。下面将讨论电网电压发生畸变对补偿装置的影响这一实际问题。 2 4 电网电压发生畸变对有源电力滤波器的影响 当电网电压含有高次谐波且三相不平衡，负载为非线性不平衡负载时，s a p f 要补偿零序功率和一部分恒定的有功功率，这会导致补偿装置的功率不平衡。同 时电网电压的畸变还会引起同步坐标系的波动，影响补偿的效果( 见附录1 ) 。 在进行三相四线s a p f 的设计过程中，必须面对补偿装置的功率平衡问题。 因此无论在三相三线还是三相四线系统，系统的瞬时功率成份分析是必不可少 的。 在a 口0 正交坐标系下，有以下表达式： = 厨。s i n ( m t + 破) 十主x 3 u , s i n ( q ，h 破1 ) ( 2 1 5 ) = 妻扼u + 。c 。s ( q f + 虬) + 窆压u _ 。c 。s ( 引+ 砬l ) ”l，f l ( 2 一1 6 ) “。= 主x 6 u o j , s i n ( e ，+ 破。) ( 2 1 7 ) ，= i u 。、u ，u o 。分别为第n 次谐波电压的正序、负序和零序分量的有效值。 旃k 、破、九。分别为第n 次谐波电压的正序、负序和零序分量的相角。 e 为第n 次谐波角频率。 通过文【1 5 】的分析可得到以下结论： a 、在平均功率意义下，电流谐波，。与电压基波u 、电流基波与电压谐波u 是正交的：电流基波负序分量f 与电压基波正序分量昕、电流基波正序分量与 电压基波负序分量昕是正交的。它们之间都不产生恒定的有功功率。以耳与w 为例： p = u z , - = 去c - 3 e 。，- ic o s ( 2 q f + 魂：+ 羁f q f ( 2 1 8 ) = 0 1 8 山东大学硕士学位论文 b 、电压、电流谐波的同次正序或负序分量之间能够产生恒定的有功功率， 因此在s a p f 中要补偿掉一部分恒定的有功功率瓦。 芦。，= 3 v 。，+ 。c o s ( # k 一旃。) + 3 t 。，一。c o s ( 西二一卉一。) ( 2 1 9 ) = 2w = i c 、出于系统的补偿目标为负载电流的f ，在进行无功补偿时，系统的基波 正序无功分量没有被补偿。 耵=qq。(2-20) 其中：g ：基波正序无功分量。 q 。：补偿掉的无功分量。 d 、电压、电流的不同次正序之间、负序之间以及正序负序之间能够产生波 动的有功功率，这部分有功在源和负载之间交换。在补偿过程中，根据i d - - i q 法的特点， f 分量与电压u ( n = 2 ，3 ，4 ) 各分量之间有功功率所部分没有被 补偿。因此不是恒功率补偿方式。补偿掉的有功分量的波动部分以为： 己=p卢(2-21) e 、因为要校正不平衡负载，系统的零序功率也要补偿掉。 最