（电力电子与电力传动专业论文）混合有源滤波器控制策略研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w j t l lm o l ea n dm o r en o n l i n e a rl o a d su s e di np o w e rs y s t e m ，t h a tc a u s e st o o m u c hh a r m o n i cp o l l u t i o n ，a n dt h ep o w e rq u a l i t yb e c o m e sw o r s es h a r p l y i ti s i m p e r a t i v et od e a lw i t hh a r m o n i c su n d e rt h es i t u a t i o n t h ec o n v e n t i o n a lp a s s i v ep o w e r f i l t e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e rb o t hh a v ed i s a d v a n t a g e s b u tt h eh y b r i da c t i v ep o w e r ! f i l t e rc o m p o s e do ft h e mc a n h a v et h e i r a d v a n t a g e s a n de l i m i n a t et h e i r d i s a d v a n t a g e s a tt h es a m et i m ei tp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wp r i c eo fp p f a n dg o o dp e r f o r m a n c eo fa p ei tc a nm a k eh a r m o n i cc o m p e n s a t i o ns y s t e mr e a c ht h e b e s tp e r f o r m a n c ea tt h el o w e s tc o s t ，a n di so n eo ft h et r e n do fh a r m o n i cc o n t r 0 1 i n o r d e rt og e tt h ep e r f e c tf i l t e r i n gp e r f o r m a n c ea n de x e r tt h ea d v a n t a g eo fh a p f s u f f i c i e n t l y , i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt od or e s e a r c ho nt h ec o n t r o ls t r a t e g yo f h a p e t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h et h r e em a i ntt o p o l o g i e sa n dt h e i rc o n t r o ls t r a t e g i e s i nd e t a i l s b a s e do nt h e s e ，w em a i n l yl u c u b r a t et h ec o n t r o ls t r a t e g yo f p a r a l l e lh y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r - - p h a p ff o rp r a c t i c a lp u r p o s e s c o m p a r e dw i mo t h e rt o p o l o g i e s t h ep h a p fh a st h eb e s ta d v a n t a g eo ft o p o l o g y , a n di t si n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ei st h e b e s t s ot h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e ss u f f i c i e n t l yt h ef o u rb a s i cc o n t r o ls t r a t e g i e so f p h a p f ：v o l t a g es o u r c ec l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g y ，v o l t a g es o b r c eo p e nl o o pc o n t r o l s t r a t e g y , c u r r e n ts o u r c ec l o s e dl o o pc o n t r o l ，c u r r e n ts o u r c eo p e nl o o pc o n t r o ls t r a t e g y , a n di ta l s oa n a l y z e st h ec a p a c i t yo f a p fi np h a p f u s i n gt h en o v e lc a p a c i t ya n a l y z i n g m e t h o dp r o p o s e db yt h i sd i s s e r t a t i o n t h ea n a l y s e si n d i c a t et h a tc u r r e n ts o u r c eo p e n l o o pa n dv o l m g es o u r c ec l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g yh a v eb e a e ru t i l i t yv a l u e ，b u tt h e y s t i l lh a v ed i s a d v a n t a g e st oi m p r o v e w h e nt h ec u r r e n ts o u r c eo p e nl o o pc o n t r o ls t r a t e g yi su s e di np h a p f , t h o u g hi t c a l la c h i e v eb e a e rf i l t e r i n gp e r f o r m a n c e ，i tc a n tr e d u c et h ec a p a c i t yo fa p es oa n o v e lc u n e n ts o u r c eo p e nl o o pc o n t r o ls t r a t e g y - - f u n d a m e n t a lc u r r e n ti n j e c f i o n c o n t r o ls t r a t e g yw a sp u tf o r w a r d t h en o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi n j e c t ss o m ef u n d a m e n t a l c u r r e n ti n t op a s s i v ep o w e rf i l t e r - - p p f , a n dc o m p e l sp p ft ob e a rt h ef u n d a m e n t a l v o l t a g e ，s ot h a tt h ea p fd o e s n tb e a rt h ef u n d a m e n t a lv o l t a g ea n dr e d u c e st h ec a p a c i t y i i 山东大学硕士学位论文 o fa p f t h er e s u l tw a sp r o v e db yt h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a tt h es a m et i m e ，a 3 0 k v ap h a p fw a sd e s i g n e do nt h en o v e lc o n t r o ls t r a t e g y t h es u p e r i o r i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo f n o v e lc o n t r o ls t r a t e g yw e r ep r o v e dt ob ep e r f e c t a i m i n ga tv o l t a g es o u r c ec l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g y , an o v e lt o p o l o g y o f p h a p fw a sp u tf o r w a r d i tw a su s e di nt h eo c c a s i o nt h a tn e e d n 。to rn e e dl i a l e f u n d a m e n t a lc u r r e n tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，t h en o v e lp h a p fn o to n l yc a ng e t b e t t e rf i l t e r i n gp e r f o r m a n c e b u ta l s oc a nf a t h e rr e d u c et h ec a p a c i t yo fa p f t h e d i s s e r t a t i o na l s oa c c o m p l i s h e st h ed e s i g na n de x p e r i m e n t a t i o no fn o v e lh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nv o l m g es o u r c ec l o s e dl o o pc o n t r o ls t r a t e g y t h e p r a c t i c a b i l i t yi sp r o v e dw e l lb ye x p e r i m e n i a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，f u n d a m e n t a lc u r r e n ti n j e c t i o n p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，c o n t r o ls t r a t e g y i i i 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己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，均己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：蚴当日期：兰翌! ：兰：三么 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：榔导师签名： 日 期：区竺：尘 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，人们已经开始注意到了由静止汞弧变流器引起的电 网电压和电流的畸变问题。近年来，配电网中整流器，变频调速装置，电弧炉，电气 化铁路以及各种电力电子设备不断增加，而这些负荷的非线性、冲击性和不平衡 的用电特性使得电网的电流和电压发生畸变，谐波问题变的日益严重。另一方面， 现代工业、商业和居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出更 高的要求。如何改善电能质量，对供电系统的谐波进行补偿，是摆在人们面前的一 个重要而有现实意义的课题。 1 1 课题背景 在上世纪2 0 至3 0 年代的德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电网电压 和电流的畸变，电力谐波问题开始引起人们的注意。到了5 0 年代和6 0 年代，由于 高压直流输电技术的发展，人们对谐波问题有了更深刻的认识。7 0 年代以来，由 于电力电子技术的高速发展，电力电子设备得到了大量的应用，从低压小容量的 家用电器到高压大容量的工业变流装置，都有其广泛的应用。这些设备产生了大 量的电力谐波，对电网的污染日益严重，引起了人们对谐波问题的高度重视“。 1 谐波定义 国际电工标准( i e c 5 5 5 - 2 ，1 9 8 2 ) 定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶 级数中大于1 的h 次分量。把谐波次数h 定义为：以谐波频率和基波频率之比表 示的整数。电气和电子工程师协会( i e e e ) 标准0 1 定义谐波为：谐波为一周期波 或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。因此国际普遍认为的谐波定义 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。 2 谐波产生原因 谐波主要由谐波电流源产生：当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸 收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故 谐波电流注入到了电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。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 子装置大量使用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。 山东大学硕士学位论文 在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要的谐波源。在各种电力电子设备中， 整流装置是最大的谐波源。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，它们都能够产生大量 的谐波。其次是电力变压器的谐波电流，它在投入运行过程、暂态扰动、负载剧 烈变化及非正常状态运行时，都能产生大量的谐波。另外是电弧炉，逆变焊机等， 这些设备的数量比较少，但是它们容量很大，因而也能产生大量的谐波。变频器也 是一类重要的谐波源，当用作电动机的调速装置时，它含有随输出频率变化的边 频带，由于频率连续变化，出现的谐波成分比较复杂。 除了上述典型电力电子装置会产生大量的谐波以外，家用电器也是不可忽视 的谐波源。例如电视机、电池充电器等。虽然它们单个的容量不大，但由于数量 很多，因此它们给电网注入的谐波分量也不容忽视。 3 谐波危害 近年来，由谐波引发的事故不断发生，这引起了人们的严重关注。谐波对电网 和其它系统的危害主要表现在以下几个方面1 ： ( 1 ) 谐波对电力系统的危害 谐波影响各种电气设备的正常工作。如对发电机的旋转电机产生附加功率损 耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可 能造成高的d i d t ，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。 谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频 率增加而提高，造成电能的浪费；正常时由于中性线流过电流很小，故其导线较细， 当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。 使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中 的感抗要大得多，不会产生谐振。但在谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍 减少，这有可能出现谐振。谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。 谐波使继电保护和自动装置出现误动作，使仪表和电能计量出现较大误差。 ( 2 ) 谐波对信号系统的危害 对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢 失，使通信系统无法正常工作。 谐波使重要和敏感的电子设备和自动控制系统工作紊乱。 一2 山东大学硕士学位论文 谐波可以导致电力电子装置自身的控制系统不能正常工作。 1 2 谐波抑制方法 目前解决电力电子设备谐波污染的主要方法有两种： ( 1 ) 主动型谐波抑制方案，即对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波， 或根据需要对其功率因数进行控制。 ( 2 ) 被动型谐波抑制方案，即谐波负载本身不加改变，而是在电力系统或谐波 负载的交流侧加装无源滤波器( p p f ) 、有源滤波器( a p f ) 或者混合滤波器( h a p f ) 等装置，通过外加设备对电网实施谐波补偿。 1 2 1 主动型谐波抑制方案 这种方案主要是从变流装置本身出发，通过变流装置的结构设计和增加辅助 控制策略来减少或消除谐波，目前采用的技术主要有以下几个方面。 多脉波变流技术。大功率电力电子装置常将原来6 脉波的变流器设计成1 2 脉 波或2 4 脉波变流器以减少交流侧的谐波电流含量。理论上讲，脉波越多，对谐波 的抑制效果愈好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的 控制和保护变得困难，成本增加。 脉宽调制技术。脉宽调制技术的基本思想是控制p w m 输出波形的各个转换时刻， 保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的 谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的， 目前采用的p w m 技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、a 调制、跟踪型p w m 调制和自适应p w m 控制等。 多电平变流技术。针对各种电力电子变流器( 对于电压型的变流器必须用联接 电感与交流电源相连) ，采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法， 将方波电流或电压叠加，使得变流器在网侧产生的电流或电压为接近正弦的阶梯 波，且与电网电压保持一定的相位关系。 功率因数预调整器。在电力电子装置中加入高功率因数预调整器，在预调整器 的直流侧通过d c d c 变换控制入端电流，保证电力电子装置从电网中获取的电流 为证弦电流并与电网电压同相。此方法控制简单，可同时消除高次谐波和补偿无 功电流，使电力电子装置输入端的功率因数接近l 。 3 一 山东大学硕士学位论文 主动型谐波抑制方案的主要问题在于成本高、效率低。同时，电力电子系统 中很高的开关频率使p w m 载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射 干扰。 1 2 2 被动型谐波抑制方案 1 无源滤波器( p p f - p a s s i v ep o w e rf ；l t e r ) 无源滤波器是目前使用最为广泛的谐波治理措施，它利用电感、电容器件的 谐振特性，在阻抗分流的回路中形成低阻抗支路，从而减少流向电网的谐波电流。 无源滤波器可以分为单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器等几种( 图 卜1 - 1 ) 。虽然无源滤波器具有结构简单、成本低、运行可靠性高、运行费用较低 等优点，但是它也存在以下一些缺点“3 9 - 1 0 ： 只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能 消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻 抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波器效果。l c 参 数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波器性能不稳定。 滤波特性依赖于电网参数。电网的等效阻抗和谐波频率随着电力系统的运行 是时变的，对谐波电流的滤除效果受电力系统等效阻抗的影响比较大。 电网侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能 在l c 网络中产生很大的谐波电流。 在特定频率下，电网阻抗和无源滤波器之间可能发生并联谐振，使该频率的谐 波电流被放大。 同一系统内装有很多滤波器的情况下，要实现高次谐波的流入平衡比较困难。 一4 ( a )( b )( c )( d ) ( e )( f ) ( a ) 单调谐滤波器( b ) 双调谐滤波器( c ) 一阶减幅型滤波器 ( d ) 二阶高通滤波器( e ) 三阶高通滤波器( f ) c 型阻尼滤波器 图卜卜1 无源滤波器分类图 山东大学硕士学位论文 2 有源滤波器( a p f a c t i v ep o w e rf ii t e r ) 为了克服无源滤波技术的不足，有源滤波技术应运而生。有源滤波器的思路 是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络 或等效阻抗无穷大的串联网络。普通并联a p f 的基本原理就是从补偿对象中检测 出谐波电流，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等但是极性相反的补偿电流 注入到电网中，从而使电网中只含有基波分量。与传统的l c 无源滤波器相比，有 源滤波器具有明显的优越性能，它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而 且补偿特性不受电网阻抗的影响。另外，有源滤波器补偿无功功率时不需储能元 件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。它主要具有以下优点“。“”1 ： 实现了动态补偿，可对频率和辐值都变化的谐波和无功功率进行实时补偿，并 对补偿对象的变化有很快的响应。 不会与电网阻抗发生串联或并联谐振，并可以抑制p p f 发生谐振。 滤波特性不受电网阻抗的影响。 具有多种补偿功能，不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功功率 和负序电流等。 正常情况下，即使补偿对象电流过大，也不会发生过载现象。即使谐波电流超 过补偿装置容量时，由于装置输出容量可控，它可在其额定容量内继续运行。 既可以对一个谐波源单独补偿，也可以对多个谐波源和无功源进行集中补偿。 补偿无功功率时不需贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件的容量也不大 有源滤波器虽具有很多优点，但是目前由于有源滤波器滤波性能与成本和容 量之间的矛盾，使其没有得到充分发展，因此目前发展的一个趋势是混合有源滤 波器。 3 混合有源滤波器( ( h a p f h y b r i da c t i v ep o w e rf ii t e r ) 混合有源滤波器由无源滤波器和有源滤波器构成，它同时具有无源滤波器 造价低和有源滤波器性能好的优点，可使电力谐波补偿系统的性价比达到最优， 具有良好的发展前景，因此目前发展混合有源滤波器具有十分重要的意义“6 ”3 。 混合有源滤波器是本文的研究对象，因此将在后文对其具体的工作原理和控制策 略进行详细的分析和研究。 1 3 有源滤波器和混合有源滤波器的发展和现状 5 一 山东大学硕士学位论文 i 有源滤波器的发展 有源滤波器( a p f ) 的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1 9 6 9 年 b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文中“”，描述了通过向交流电网注入三次谐波电 流来减少电网电流中的谐波成分，从而改善电网电流波形的新方法。在该文中虽 然没有出现“有源滤波器”一词，但其描述的方法是有源滤波器基本思想的萌芽。 i 9 7 i 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了有源滤波器 的基本原理“”。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成的有 源滤波器“”，并正式确立了有源滤波器( a p f ) 的概念，确立了有源滤波器主电路的 基本拓扑结构和控制方法。进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发 展，对有源滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论”7 “，以该理论为基 础的谐波和无功电流检测方法在有源滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了 有源滤波器的发展。a k a g i h 在1 9 8 6 年提出用并联有源滤波器“”消除谐波。 2 混合有源滤波器的发展 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出了用并联有源滤波器和并联无源滤波器相结合的 混合型有源滤波器方案o ”。f z p e n g 等人在1 9 8 8 年提出将串联有源滤波器加并 联无源滤波器的混合有源滤波器的结构脚1 ，这种方案中，有源滤波器对谐波呈现 高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。1 9 9 0 年，日本的h f u j i t 等人提出将有源滤波 器与无源滤波器相串联的混合有源滤波方案。”。1 9 9 8 年，h a k a g i 等人提出了一种 综合了串联有源滤波器和并联有源滤波器的综合有源滤波系统陋1 ，其目的是在电 网与公共连接点之间提供一个电压和电流净化装置，消除用户对电网的谐波污染， 同时保证用户得到正弦供电电压。 有源滤波技术发展中的一个重要突破来自于微电子技术。从使用模拟，数字 器件开始，到现在已经使用微处理器和数字信号处理器等，这样就可以对有源滤 波器实现复杂的控制。这些控制的使用可以改善有源滤波器的动态和稳态特性， 因而这些都推动了有源滤波技术的飞速发展。 3 有源滤波器应用与发展趋势 有源滤波技术作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工 业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产厂 一6 山东大学硕士学位论文 家有同本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。一些国家如日 本和美国，投运的有源滤波器单机容量已超过1 0 0 0 k v a 。近几年5 0 k v a 以下的有源 电力滤波装置迅速增加，反映了社会对谐波抑制重要性的认识在提高。一些标准 ( 如i e e e 一5 1 9 ) 的相继出台，也使有源滤波器的使用大为增加。 有源滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距，这与我国 目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工作的深入 开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的 市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 目前，有源滤波技术在国内的研究已经充分开展起来，也取得了很大的成果， 从近来国内外的研究中可以发现a p f 的研究具有以下的发展趋势： l 、降低有源滤波器的成本。目前有源滤波器的成本很高，这是影响有源滤波 器推广的重要原因，而采用a p f 与p p f 结合构成的混合有源滤波器可以降低其容 量，从而达到降低成本的目的，因此是一个很好的发展方向。 2 提高有源滤波器的精度。对有源滤波器电压和电流的检测方法进行研究， 并通过采用p w m 调制和可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。 3 优化电路参数。通过电路参数的优化，可以提高有源滤波器的补偿效果， 并可以降低其容量和损耗。 4 有源线路调节器。有源线路调节器可以通过单节点单装置的装设，达到多 节点谐波电压的综合治理，这表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效 益好的方向发展，从原理上看，与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是向网络中 某个( 几个) 优选节点注入消谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内流动 实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。 5 装置的多功能化。通过多功能化的改进，使有源滤波器不仅具有补偿谐波 的作用，而且可以实现无功补偿，闪变补偿和电压调整等功能。 总之，有源滤波器在电能质量调节中起着至关重要的作用。其中混合有源滤 波器是目前有源滤波技术的发展趋势之一，因此本文的重点对混合有源滤波器进 行研究，通过对其控制策略的研究，使混合有源滤波器可以获得良好的滤波性能 和最优的容量，能充分发挥出混合结构的优势。 一7 一 山东大学硕士学位论文 1 4 混合有源滤波器控制策略 混合有源滤波器控制策略的研究，从宏观角度就是在对混合有源滤波器拓扑 分析的基础上决定出a p f 的控制策略，也就是究竟将有源滤波器的电压或电流控 制成一个什么样的参数量才能达到混合有源滤波器谐波抑制的目的，并能够解决 固有拓扑下存在的不足，也即保证混合有源滤波器获得良好滤波性能的同时，能 充分发挥混合拓扑能够降低有源部分容量的优势。当然控制策略也可以对混合有 源滤波器进行改造，通过拓扑的变化或控制方式的改变，从而提出不同的控制策 略，解决实际存在的问题。本课题中提出的混合有源滤波器控制策略的研究主要 是在拓扑分析的基础上决定出有源滤波器工作的最佳控制策略，使其在滤波性能 和容量上都能达到最优。 1 5 本文主要内容 本文主要对混合有源滤波器控制策略进行了深入细致的研究。 具体内容如下： 第二章：在对有源滤波器工作原理分析的基础上，对混合有源滤波器三种主 要拓扑和常用控制策略进行了详细的对比分析，通过对比分析可知，a p f 与p p f 串联后与电网并联的并联混合有源滤波器( p h a p f ) ，综合性能最优，具有最好 的应用前景，因此确定并联混合有源滤波器为本文主要研究对象。 第三章：对并联混合有源滤波器的控制策略进行了深入细致的分析。从实用 化出发，对p h a p f 中存在的电压源闭环、电压源开环、电流源闭环、电流源开环 四种基本控制策略进行了详细的对比分析，通过分析可知电流源开环控制策略和 电压源闭环控制策略具有较好的应用优势。文中提出了一种新型p h a p f 中有源部 分容量分析方法，并对电流源开环、电压源闭环控制策略下的有源部分容量进行 了理论分析，从而为降低有源部分容量提供了理论基础。 第四章：针对普通电流源开环控制策略应用于p h a p f 时无法降低有源部分容 量的问题，本文提出了一种新型电流源开环控制策略一基波注入控制策略。在补 偿容量一定的情况下，可以使p h a p f 获得良好滤波性能的同时，有效的降低有源 滤波器容量。同时完成了在新型电流源开环控制策略下，基于d s p 2 4 0 7 a 的3 0 k r a 并联混合有源滤波器的设计，文中介绍了p i a p f 的各个部分的软硬件设计和实 8 山东大学硕士学位论文 现，并通过实验进行了验证。 第五章：首先提出了基于电压源闭环控制策略的新型并联混合有源滤波器拓 扑。新型拓扑在补偿容量一定的情况下，能在保证获得良好滤波性能的同时，进 一步降低有源部分容量。这种新型拓扑主要应用于不需要或需要少量基波无功补 偿的场合。其次对基于电压源闭环控制策略的新型谐波检测方法进行了设计实现 和实验，并通过实验验证了新型谐波检测方法在p h a p f 电压源闭环控制策略中具 有很好的实用性。 第六章：对本文的工作做了一些总结，并指明了本文的不足之处。 9 山东大学硕士学位论文 第二章混合有源滤波器控制策略分析 本章在对有源滤波器工作原理分析的基础上，对混合有源滤波器三种主要拓 扑的工作原理、目前常用的控制策略和拓扑优缺点进行了详细分析，并对混合有 源滤波器控制策略的研究现状进行了分析。 2 1 有源滤波器( a p f ) 分析 混合有源滤波器是在有源滤波器的基础上发展起来的拓扑，因此对混合有源 滤波器进行研究，必须对有源滤波器“”有一个清楚的认识。 i 有源滤波器工作原理 图2 一l l 所示为最基本的并联有源滤波器系统构成的原理图。图中a cm a i n s 表示交流电网，负载为非线性的谐波源，它产生谐波。有源滤波器系统由两大部分 组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路，其中后者主要由电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路三个部分构成。指令电流运算电路的核心是检测出补偿 对象电流中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路 得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。 f 图2 - i i 有源滤波器原理图 有源滤波器基本工作原理是，实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流 的检测电路得出补偿电流的指令信号，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大小相等、相位相反，相互 抵消，最终得到期望的电网电流，使电网电流成为与电压同相位的正弦波，从而达 到抑制谐波、补偿无功的目的。 山东大学硕士学位论文 随着有源滤波器不断的发展，它已经衍生出了很多不同拓扑，它们都有各自 不同的特点。 、 2 有源滤波器的分类 有源滤波器最主要的分类形式是基于主电路拓扑的划分，具体分类如下图： 图2 - 1 2 有源滤波器分类图 ( 1 ) 并联型有源滤波器 单独使用的并联型有源滤波器 图2 - 1 - 3 单独使用的并联有源滤波器 图2 一卜3 为单独使用的并联型有源滤波器。”。的框图。在这种拓扑中并联有 源滤波器相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之 相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。但是由于电网电压直接加在逆变 器上，对开关器件电压要求比较高，因此负载谐波电流含量高时，有源滤波装置的 容量也必须很大。 注入回路并联型有源滤波器。“ 有源滤波器的容量取决于其承受的电压和流过的电流。通过改变注入电路方 式，利用电容电感电路的谐振特性，可使其分担一部分的基波电压，使有源部分 承担的基波电压降低，从而降低有源滤波器的容量。 图2 - 1 4 为l c 串联谐振注入电路方式的原理图，其中c z l 支路在电源电压 1 2 山东大学硕士学位论文 的基波频率处发生串联谐振。因此，对基波来讲c 2 - l 支路的阻抗远远小于电容 c l 的阻抗，因而基波电压几乎全部加在c l 上，与c 2 - l 并联的有源滤波器承受很小 部分的基波电压：对谐波来讲，c l 的阻抗远远小于c 2 一l 支路的阻抗，因而有源滤波 器注入的谐波电流几乎全部通过c l ，注入电网，对负载的谐波进行补偿。 图2 - 1 4 l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图 图2 一卜5 是l c 并联谐振注入电路方式的原理图。在有源滤波器和电网之间 串入在基波频率处发生并联谐振的l l c 支路，基波电压绝大部分加在谐振电路上 有源滤波器与l 2 只承受很小的基波电压，同时流过l i 、c 和l 2 基波电流也很小。 图2 一i 一5l c 并联谐振注入电路方式的系统原理图 ( 2 ) 串联型有源滤波器 图2 一卜6串联型有源滤波器框图 图2 一卜6 是串联型有源滤波器。7 剐的框图，在这种结构中，有源滤波器是串 联在电网和谐波源之间，相当于一个压控电压源，即表现为电压源特性，主要用于 补偿可看作电压源的谐波源，它跟踪电网电压中的谐波分量，产生与之相反的谐 1 3 山东大学硕士学位论文 波电压，可以消除电网电压的畸变。它的另一个用法是形成对负载谐波电流的高 阻抗，从而有效抑制负载谐波电流。 有源滤波器还有其它一些分类方法，例如基于逆变器结构划分，根据其直流 侧储能元件的不同，分为电感为储能元件的电流型和电容为储能元件的电压型 ( 图2 - 1 - 7 和图2 一卜8 ) ，还有基于相数的划分，根据补偿系统的相数可以分为 单相有源滤波器和三相有源滤波器，其中三相又可以分为三相三线制和三相四线 制两种等。 图2 - 1 7电流型逆变器图2 一卜8电压型逆变器 3 有源滤波器不足 虽然有源滤波器可以取得很好的滤波性能，但采用单一的由有源滤波器构成 的滤波系统对大容量谐波负载进行补偿仍有不足，这是因为构成有源滤波器主电 路的p 晰逆变器的容量和动态性能成反比，很难使有源滤波器在具有大补偿容量 的同时还具有良好的动态补偿特性和低的开关损耗。另外，有源滤波器的初始投 资和运行维护费用比无源滤波器要高，从而影响到实际应用和推广，因此结合了 无源滤波器和有源滤波器二者优点的混合有源滤波器便应运而生。 2 2 混合有源滤波器( h a p f ) 控制策略分析 混合有源滤波器由无源滤波器和有源滤波器构成，它同时具有无源滤波器造 价低和有源滤波器性能好的优点，可使电力滤波补偿系统的性价比达到最优，因 此具有很好的发展前景“”。混合有源滤波器按拓扑划分，有三种主要拓扑：并 联有源滤波器( a p f ) 与并联无源滤波器( p p f ) 混合型方案，串联a p f 与并联p p f 混 合型方案( s h a p f ) ，a p f 与p p f 串联后与负载并联混合型方案( p h a p f ) 。 2 2 1 并联a p f 与并联p p f 混合方案控制策略分析m 一一， 1 传统拓扑与工作原理 1 4 山东大学硕士学位论文 1 9 8 7 年m t a k e d a 等人提出用并联a p f 和并联无源滤波器相结合的混合有源 滤波器方案，如图2 2 一1 图2 2 1并联有源滤波器与并联无源滤波器混合型方案 在此拓扑中，有源滤波器和无源滤波器与负载并联，两者一起承担补偿谐波 的任务。a p f 仍起谐波补偿的目的，但p p f 分担大部分谐波。在这种电路中p p f 通常用来滤除含量大的低次谐波，而有源滤波器则可以用来抑制高次谐波。 2 常用控制策略分析 在这种拓扑中，有源滤波器通常被控制为电流控电流源，其单相等效电路如 图2 2 2 所示： 7 i r i 慨! t i 9() i l 柚( 1 = 砜 i i 图2 - 2 2单相等效电路尉 设有源滤波器被控制为理想电流源，即t = 矾。其中是有源滤波器输出 电流，l 是电网侧谐波电流，l 是负载谐波电流，是电网谐波电压，是负 载端谐波电压，z 。是无源滤波器谐波等效阻抗，乙是电网谐波等效阻抗。 考虑厶和【l 的补偿特性，可以得到二者对谐波的补偿公式： l 。赫+ 高( 2 - 2 - 1 ) u 。：血粤型坠j 墼( 2 - 2 - 2 ) up 一 ” z ， + zm ( 1 + k ) 圈 苫 丁曲 妒 脚 山东大学硕士学位论文 通过上式可以看出，当k 足够大的时候，负载谐波电流就会得到很好的抑制， 但是电网谐波电压引起的负载谐波电压却没有得到有效的抑制。 3 并联a p f 与并联p p f 混合有源滤波器的不足 这种拓扑存在着较大的缺陷，它在电网与a p f 以及a p f 与p p f 之间存在谐波 通道，特别是a p f 与p p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波又流入p p f 及系 统中联接的滤波电容中。由于有源滤波器仍然要承担基波电压，所以在一定程度 上，这种拓扑的有源部分容量并没有降低很多，同时谐波通道的问题也不容易解 决，且这种拓扑没有解决无源滤波器与电网之间的谐振问题，因此这种拓扑本文 将不做重点讨论。 2 2 2 串联混合有源滤波器控制策略分析”f3 1 传统拓扑与工作原理 1 9 8 8 年p e n g f z 等人提出串联有源滤波器加并联p p f 的拓扑( 图2 - 2 - 3 ) ， 在这种拓扑中，有源滤波器是串联在电网和负载之间，因此也称为串联型混合有 源滤波器s h a p f ( s e r i e sh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。 图2 2 3 串联混合有源滤波器的结构图 这种拓扑在无源滤波器与电网之间串联上一个有源滤波器，其中无源滤波器 起主要的滤波和无功补偿作用，有源滤波器起着改善无源滤波器滤波效果的作用， 并能抑制并联谐振。有源滤波器相当于一个受控电压源u c = 。通过p 嘶控制， 产生与电网中谐波电流成正比的谐波电压，在这种控制中，串联a p f 可以等效为 一个电阻，其阻值即为放大倍数。有源滤波器对基波阻抗为零，而对谐波则呈现 一个高阻抗。因此a p f 相当于一个电网和负载之间的谐波隔离装置。串联a p f 强制将负载的谐波电流流入无源滤波器，而不会流入电网，同时也阻止了电网的 谐波电压串入负载侧，不会加到负载和p p f 上，无源滤波器是负载谐波电流的唯 1 6 山东大学硕士学位论文 一通道，对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈低阻抗。 2 常用控制策略分析 目前串联混合有源滤波器最常用的控制策略是把有源滤波器的输出作为电 流控制的电压源来工作，即虬= 目。，其中虬是有源滤波器输出的补偿电压，其 单相等效电路如图2 2 4 ： 图2 - 2 4 单相等效电路图2 - 2 5 厶补偿等效电路图2 - 2 6 【补偿等效电路 当只考虑负载谐波电流对电删的影酮时，此时假设= 0 ，其等效电路如图 2 - 2 5 ，由等效电路得到以下公式： k 毒b 。( 2 - 2 - 3 ) u 2 z j l h ( z z h 。+ k ) k i h ( 2 - 2 - 4 ) 当只考虑谐波电压影响时，设k = 0 ，等效电路如图2 - 2 6 ，得到等式如下： l ：_ 墨b ( 2 - 2 - 5 ) 一瓦面 = 赤( 2 - 2 - 6 ) 通过对上面的分析，当k = o 时，相当于无源滤波器单独作用，其滤波效果取决 于瓦和z 。的比值。当加入有源滤波器后，其滤波器效果取决于k 的大小，当k 远 大于乙和乙时，谐波将得到大部分的抑制 由叠加原理得到整个电路的谐波情凋。 1 7 二 山东大学硕士学位论文 l = 赤厶+ 蒜( 2 - 2 - 7 ) = 去一筹厶( 2 - 2 - 8 ) 由式( 2 2 7 ) 和( 2 2 - 8 ) 可知，当k 无穷大时，谐波将得到大部分的抑制。 从理论上看，实际上乙+ 足的串联阻抗和z _ 构成了一个谐波分配器，当 乙+ k 的串联阻抗足够大的时候，谐波将得到完全的抑制。串联混合有源滤波器 保持了一般有源滤波器的优点，同时由于其不承受基波电压，有源部分容量较小。 3 其它控制策略 目前对串联混合有源滤波器的研究，有的是单纯从控制策略的角度出发，有 些则是通过对传统拓扑的改进而提出新的控制策略来改善s h a p f 的性能。文献 3 5 中提到了一种基于负载侧谐波电压的电压源控制策略，在这种控制中，检测 负载的谐波电压，并将其控制为压控电压源，即虬= k ( 。分析可知，当k = i 时， 谐波电压将得到