新型混合型大功率有源电力滤波器控制方法及装置的研究.doc

硕士学位论文目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1 课题背景及其意义21.1.1 谐波产生的原因1.1.2 谐波治理的意义1.2 谐波治理的措施1.3 有源电力滤波器的研究现状1.4 本文的主要研究内容第2章 新型混合型大功率有源电力滤波器的研究2.1 有源电力滤波器的工作原理2.2 有源电力滤波器的基本拓扑结构2.3 新型混合型大功率有源电力滤波器2.3.1 NHHAPF提出背景2.3.2 NHHAPF的结构及滤波原理2.4 NHHAPF的补偿特性分析2.4.1 NHHAPF稳态补偿特性分析2.4.2 无源滤波器失谐对NHHAPF稳态补偿特性的影响2.4.3 NHHAPF抑制电网谐振的特性分析2.5 小结第3章 NHHAPF的控制方法研究3.1有源电力滤波器控制的研究现状3.1.1 有源电力滤波器的指令信号计算3.1.2 有源电力滤波器的开关模式的求取3.2 NHHAPF控制策略研究3.2.1 NHHAPF的建模3.2.2 递推积分PI控制算法3.2.3 模糊控制器的实现3.2.4 模糊-递推积分复合PI控制算法3.3 仿真分析3.4 本章小结第4章 NHHAPF系统装置的研究4.1 NHHAPF系统概述4.2 NHHAPF系统的主电路设计4.2.1 无源滤波器的设计4.2.2 有源部分的设计4.2.2.1 功率开关器件的选择 4.2.2.2 逆变器直流侧电容的设计 4.2.2.3 输出滤波器和耦合变压器的设计4.3 NHHAPF的控制系统4.4 NHHAPF谐波分析子系统4.4.1 谐波分析子系统硬件平台4.4.2 谐波分析子系统软件平台4.5 工程应用研究第5章 总结与展望参考文献致谢附录A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）摘 要本论文以江西某铜箔厂的谐波治理和无功补偿为研究对象，从有源电力滤波器APF( Active Power Filter)的基本原理出发，对有源电力滤波器的建模、控制和装置研制等三个方面进行了详细的研究，为高压、大功率有源电力滤波器在国内的早日普及应用积累经验、奠定理论和技术基础。论文以新型混合型大功率有源电力滤波器NHHAPF（Novel Hybrid High-capacity Active Power Filter）的实现为主线，对有源电力滤波器的关键技术进行了研究。首先分析和比较了目前常用的混合型有源电力滤波器的拓扑结构，并针对大型工矿企业谐波治理的特点和要求，提出了一种新颖的拓扑结构新型混合型大功率有源电力滤波器NHHAPF，并分析了NHHAPF的补偿特性；然后，对NHHAPF的指令电流信号进行了数学建模推导，据此提出了模糊-递推积分PI复合控制算法，满足了谐波治理工程应用的需要；最后详细阐述了NHHAPF系统的具体设计和研制过程，对输出滤波器的设计和谐波分析子系统等技术都有深入的论述，形成了较为完善的大型工矿企业谐波治理和无功补偿理论和方案。本次研究课题得到了国家“863”计划引导项目“输配电谐波治理与无功补偿新技术新装备研制及工程应用”编号：2004AA001032和国家自然科学基金项目“混合型大功率有源电力滤波器难点问题的研究”编号：60474041资金的支持，其研究成果已被列为国家重点新产品计划项目2003ED770013。关键词：新型混合型大功率有源电力滤波器；补偿特性；模糊-递推积分PI复合控制算法；谐波分析子系统；ABSTRACTTaking the harmonic attenuation and reactive power compensation of the power distribution network at Jiangxi copper company as the object of study, this thesis studies modeling, control and equipment of Active Power Filter (ab. APF), based on basic principle of APF. This research prepare theory and technological knowledge for its universal application in our country, and accumulate experiences for its high-voltage and high-power application.The study is focused on NHHAPFNovel Hybrid High-capacity Active Power Filter, research on some key technology of APF. Firstly, after the comparison of the existing Hybrid Active Power Filters, a NHHAPF is proposed here to meet the given situation of big factories and mine harmonic elimination. Then, based on the analysis of compensation characteristic and mathematic modeling of NHHAPF, the fuzzy-recursive integral PI complex control algorithm is proposed. Finally, the NHHAPF system is established with detailed realization, the output filter and harmonic analyzing subsystem are discussed in-depth.This project is funded by National “863” Plan Channel Project of China(NO. 2004AA001032) and National Natural Science Foundation of China(No. 60474041）. The production of the project is listed as one of the new important products in China2003ED770013.KEY WORDS: Novel High-capacity Hybrid Active Power Filter; Compensation Characteristic; Fuzzy-Recursive Integral PI Complex Control Algorithm; Harmonic Analyzing Subsystem;第1章 绪 论随着社会的发展和科技的进步尤其是电力电子装置的广泛应用，一方面电网中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求也越来越高，因此对电网的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。1.1 课题背景及其意义理想的电力系统是以单一而固定的频率，规定的固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能的。但在公用电网中包含有大量的非线性负载和阻感负载，电网中的谐波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响。电力系统谐波已成为影响电能质量的公害。在国际电工标准（IEC555-2）与国际大电网会议（CIGRE）的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准519-1981中定义为：“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”。在20世纪20年代和30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最有影响的是Rissik H.所著的The Mercury Arc Current Converter1，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是Read J. C.在1945年发表的The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics2。50年代和60年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究，对换流器谐波问题的研究有大量文章发表。在这一时期发表了大量的论文，Kimbark E. W.在其著作Direct Current Transmission3中对此进行了总结。但这些问题在当时还未对电力系统产生严重危害，因此没有引起电力和供电部门的重视。近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备中的广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性负载并向电网注入谐波，使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路的有害影响已经十分严重。70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定46，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等1988年出版的电力系统谐波7一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1991年出版了电力系统高次谐波8,林海雪等1998年出版了电力网中的谐波9，这些著作都对人们认识和研究谐波做出了很大的贡献。1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿6是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源电力滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。我国对谐波问题的研究在90年代有了长足的发展，而且与国外研究水平的差距正在不断减小。1.1.1 谐波产生的原因电网中引起谐波的主要因素有各种电力电子装置（含家用电器、计算机等的电源部分）、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等。近三四十年来电力电子装置的广泛应用使得电力电子装置已经取代电力变压器成为配电网中污染最严重、数量最大的谐波源。这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患，主要表现为多相环流装置，如冶金和化工企业中的电解装置（非相控或可控型整流桥）、直流电弧炉电源（可控整流桥）、中频和高频感应电炉的电源、电动机调压和调频驱动的电源即节电器以及各种UPS设备（整流桥和逆变器的复合，可控）。另外如电视机、电池充电器等低压小容量家用电器装置也会产生谐波，由于其数量众多，它们给供电系统注入的谐波分量不容忽视。较多文献都指出，上述各种谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关6。如大量应用的直流侧为阻感负载的整流电路，其谐波电流是由直流电流和半导体器件切换方式决定的，几乎和交流电压无关。但是，直流侧为电容滤波的二极管整流电路就不能看成谐波电流源。因其直流侧电压近似为恒值，直流电压通过二极管切换加到交流侧，因此应看成谐波电压源。在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器中，都广泛采用这种电容整流二极管滤波电路，而谐波电压源和谐波电流源的分析方法和治理方法有很大的不同，因此必须加以注意。总的来说，电网谐波主要来自于以下3个方面：（1）发电电源产生的谐波。由于发电机的三相绕组和铁心很难做到绝对对称，发电源也会产生一定量谐波，但相对于非线性负载来说一般很少。这种谐波只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作谐波电压源。（2）输配电系统产生的谐波。主要是由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性等问题所产生谐波，它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大。（3）负载产生的谐波。这也是电网中谐波的主要来源，主要是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的，包括整流器、交流调压电路、频率变换器以及电弧炉等非线性电力负荷的电力电子装置和数量众多的家用电器设备。1.1.2 谐波治理的意义发达国家的经验和预测表明，随着现代工业技术的发展，非线性用电设备的种类、数量和用电量将会迅猛增加。随着我国改革开放和经济建设的发展，在我国现代工业中，非线性电力负荷也在不断地增加，致使谐波含量急剧上升和供电电压波形产生严重的畸变，若不进行及时有效的控制，将影响到电力网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产，拖慢了国民经济建设的步伐。如广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1998年7月，因5次谐波超标，导致豹南山110KV变电站停电16小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害，其危害主要表现在以下几个方面6-11：（1）使电力电容器产生谐振，造成电容器的故障与损坏。在工频频率下，电网中的电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。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。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，受谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。综上所述，电网谐波是继电网电压波动、电网频率变动之后的电网第三大公害，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。可见，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.2 谐波治理的措施目前，谐波治理主要从两个方面来达到治理谐波的目的：（1）从产生谐波的非线性负载本身出发12，在设计时使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波，减小谐波的注入。具体方法有：增加谐波源整流装置的脉动相数13,14、采用脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）技术及多重化技术、软开关技术等来降低整流装置产生的谐波成分。对谐波源本身进行改造是一种积极有效的谐波消除方法。（2）另外，在电网中增加谐波治理装置，如无源滤波器PF（Passive Filter）或有源电力滤波器APF（Active Power Filter）碍谐波源产生的谐波注入电网。当前广泛应用的措施是采用无源滤波器，利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，吸收谐波电流，减小流向电网的谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿。该方法成本低、技术成熟，但存在以下主要的不足15：只能对特定次谐波进行滤波，谐振频率依赖于元件参数；滤波性能受系统参数的影响较大。系统的结构、工作状态、电网的阻抗和谐波频率的变化都会使其难以获得预期的滤波效果；可能与系统阻抗发生串并联谐振，使电网供电质量下降；随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在无源网络中产生很大的谐波电流；消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。为弥补无源滤波器的不足，有源电力滤波器应运而生。有源电力滤波器是在时域中对非正弦周期电流进行分解后再进行电流补偿，从而改善系统的电流波形6。在理论上APF可以拥有无穷多个谐振频率，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究大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络16。与PF相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体优点如下：滤波性能不受系统阻抗的影响，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果；原理上比PF更为优越，不仅能补偿各次谐波,还可抑制闪变、补偿无功,具有一机多能的特点；实现了动态治理，具有自适应功能,可自动跟踪补偿变化着的谐波，响应谐波的频率和大小发生的变化；具备多种补偿功能；谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；可以对多个谐波源进行集中治理。面对严峻的谐波污染问题，APF是提高电能质量的最有效的工具。早在 70年代有源滤波的概念就提出来了，但是由于受到功率半导体器件水平的限制，APF未能得到进一步发展。随着大功率快速自关断器件的不断发展，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法17的不断完善，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术得到了极大的发展，在工业上已经进入实用阶段18,19。1.3 有源电力滤波器的研究现状随着电力电子技术的发展，谐波治理的手段由传统的方法无源滤波器向有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器转变。在70年代初期, H. Sasaki等首次完整地指述了有源电力滤波器的基本原理20。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究。未能在工业中实用。1976年，L. Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的有源电力滤波器21，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。1983年，日本长冈科技大学的Akagi H 等人基于pq分解理论22，提出了三相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。与此同时，大功率晶体管（GTR）、大功率可关断晶闸管（GTO）、静电感应晶闸管（SITH）、静电感应晶体管（SIH）、功率场效应管（MOSFET）、场控晶闸管（MCT）及绝缘栅型双极性晶体管（IGBT）等新型快速大容量功率开关器件相继问世；PWM调制技术、微机控制技术、以及数字信号处理技术都取得到了长足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发展，使有源电力滤波器真正进入了工业实用阶段6,23-26。目前在国外，有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波补偿的次数逐步提高（典型值达25次），单机装置的容量逐步提高（APF的最大容量可达50MVA），其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展6。我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等国之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和发达的国家相比有一定的差距，存在着功耗大、费用昂贵、装置容量小、谐波跟踪及补偿效果不够好等缺陷。到目前为止，我国仅有几台类似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为GTR），用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，装置容量较小。因此，进一步加强对有源电力滤波器的工作机理、系统的稳态和动态特性、控制方法，以及系统参数的设计等各个方面的研究，推动有源电力滤波器在中、高电压谐波治理工程中的应用，是目前APF需要研究的主要内容。1.4 本文的主要研究内容本文研究的课题得到了国家“863”计划引导项目“输配电谐波治理与无功补偿新技术新装备研制及工程应用”编号：2004AA001032和国家自然科学基金项目“混合型大功率有源电力滤波器难点问题的研究”编号：60474041项目的大力支持。课题研究的目的是针对江西某铜箔厂的谐波特点进行谐波综合治理和无功功率补偿。文中以混合型有源电力滤波器的研究为核心内容，根据铜箔厂需要在滤除谐波的同时进行无功功率补偿的工程要求，改进了目前常用的混合型有源电力滤波器的拓扑结构，提出了一种新型混合型大功率有源电力滤波器NHHAPF(Novel Hybrid High-capacity Active Power Filter)，进一步减小了有源滤波部分的容量，达到了工程应用的目的。文中着重研究了该系统的滤波原理、补偿特性、控制算法，以及工程应用技术，最后还对本论文的研究工作进行总结，指出进一步研究工作的重点和方向。第2章 新型混合型大功率有源电力滤波器的研究随着现代工业发展，电力负荷越来越复杂，形成了电力系统谐波的容量大、时变的特点，传统的无源滤波器越来越不能满足现代工业应用和电力系统的要求，有源电力滤波器的出现，为电网谐波治理提供了一种重要的方式。有源电力滤波器利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电网的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。其应用可克服无源滤波器等传统谐波抑制方法的缺点，APF既可补偿非线性负荷产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，并且具有高度的可控性和快速响应性。根据课题需要，本章提出了一种新型的有源电力滤波器的拓扑结构，并对以下相关问题进行了研究：介绍了有源电力滤波器的基本原理阐述了有源电力滤波器的拓扑结构分类；提出新型混合型大功率有源电力滤波器的结构，并对其工作原理进行了分析；分析了新型混合型大功率有源电力滤波器的谐波补偿特性。2.1 有源电力滤波器的工作原理图2.1所示为最基本的并联型有源电力滤波器系统构成的原理图。图中表示交流电源，非线性负载为谐波源。有源电力滤波器系统由两大部分组成6,14,27，即电流检测电路和补偿电流发生电路（PWM信号发生电路、逆变器驱动电路和主电路三个部分构成）。其中，电流检测电路的作用是检测出补偿对象电流中的谐波分量；补偿电流发生电路的作用是根据检测的谐波电流信号计算产生实际的补偿电流；PWM信号发生电路主要是对补偿电流信号进行PWM信号调制；逆变器驱动电路是将所需的补偿电流功率放大，以驱动功率模块GTO/IGBT为主。图2.1 并联型有源电力滤波器系统构成如图2.1所示，有源电力滤波器的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流，经运算得出补偿电流的控制量信号，进而得到补偿电流，补偿电流与负载电流中的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当需要滤去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谐波分量,将其反极性后作为补偿电流的控制量信号，由补偿电流发生电路产生补偿电流即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，使得电源电流中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可以用如下的一组公式描述： (2.1) (2.2)式中 负载电流的基波值。2.2 有源电力滤波器的拓扑结构前面有源滤波基本原理介绍的是有源电力滤波器中最早的也是最基本的一种，即并联型有源电力滤波器。有源电力滤波器发展至今，其主电路拓扑结构和工作原理都发生了变化。早期提出的有源电力滤波器是采用单独使用的方案，存在着容量大，开关器件等级高，初期投资大、运行效率低等缺点。为了降低APF中有源装置容量，加快工程实践应用，经过多年的发展，各种各样的补偿方案应运而生16,18,28，出现了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等多种拓扑结构6,31,32，如图2.2所示。如今逆变器普遍采用的是电压型逆变器，电压型有源电力滤波器可以采用多电压源逆变器串联的结构，便于扩大补偿容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适合于构成大容量有源电力滤波器；而电流型有源电力滤波器不存在直流端短路的危险，可靠性高，动态性能好，滤波精度高，但直流端电感损耗大。图2.2 有源电力滤波器的拓扑结构分类（1）单独并联型APF单独使用的并联型APF是最早出现的有源滤波结构方式和最早期的有源滤波装置，如图2.3所示，是Akagi H.于1986年提出的28，也是目前实际工业应用最多、技术最为成熟的方式。这种结构相当于一个谐波电流发生器，它能根据谐波源电流中的谐波分量产生与之相反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，不仅可以对谐波进行补偿，还可以对无功功率和不平衡分量等进行一定的补偿，联接也方便。几个并联型有源电力滤波器还可以并联起来使用，来补偿大容量的谐波电流，由此可见，并联型有源电力滤波器结构的应用范围比较广泛。但是，由于该拓扑结构中交流电网的基波电压直接（或经变压器）施加到变流器上，对开关器件电压等级要求高，对有源滤波装置的容量要求很大，投资也很大，另外兼具大容量和宽补偿频带比较困难，并且只适合于电流型谐波源的谐波治理。图2.3 单独并联型APF （2）单独串联型APF单独使用的串联型APF通过变压器串联于输电线路中，如图2.4所示。这种结构相当于一个受控电压源，用于隔离谐波源产生的谐波电压，不能补偿电流性质的谐波，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型APF一方面用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于对电压很敏感的负载；另一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整流器，避免负载产生的谐波电压影响电网电压波形。但是，串联型APF存在绝缘强度高、不能进行无功功率动态补偿等缺点29，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，因此装置需要容量很大，初期投资很大，这些都大大限制了串联型APF的工程应用范围。图2.4 单独串联型APF单独使用的并联型和串联型APF由于都存在着有源装置容量相对较大，开关器件的等级较高，存在初期投资大、运行效率低的缺点。因此，人们在研究机理的同时，也致力于降低有源装置容量方案的研究16,18,28。（3）混合型APF（Hybrid Active Power Filter）并联型APF并联PF最初由Takeda M等人1987年提出该拓扑结构30，如图2.5所示。无源滤波器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，也可以只包括高通滤波器。其基本思想是PF补偿、吸收比较固定变化较慢的无功部分和频率较高的谐波成分，而APF补偿变化较快的冲击性无功和频率较低的谐波成分。这种电路中，APF仍起着谐波补偿的作用，PF滤除大部分谐波，因此APF容量相对较小。但这种装置在使用时，电网与APF及APF与PF之间存在谐波通道，特别是 APF与 PF之间的谐波通道，可能使 APF注入的谐波又流入 PF及系统中。同时，APF容量虽然降低了，但是APF仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。图2.5 并联型APF并联PFAPF与PF串联后并联接入电网1990年，Fujita H.等人提出将APF与PF相串联后与电网并联的混合型方案31，如图2.6所示。谐波主要由无源滤波器滤除，而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性。在这种结构中，APF被控制为电流控制电压源，以产生与线路中谐波电流分量成比例的电压，克服了无源滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生谐振等缺点。而且APF不直承受系统基波电压作用，因此装置容量小，开关器件耐压等级得以降低。但是该结构对电网中的谐波电压非常敏感,另外为了降低APF承受的基波电压及其流过的基波电流，滤波器支路不能产生较大的无功电流，所以该方式不适合进行较大容量的无功补偿。而且这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选取无源网络的调谐频率，不适于非特征谐波源补偿32。图2.6 APF与PF串联后并联接入电网的HAPF串联谐振注入式和并联谐振注入式为了降低有源装置的容量,移去单独使用方式的APF上的基波电压，使有源装置只承受谐波电压，可以选用串联或并联谐振网络作为注入电路33构成的串联谐振注入式和并联谐振注入式混合型有源电力滤波器HAPF（Hybrid Active Power Filter），分别如图2.7和图2.8所示。在串联谐振注入式HAPF中，无源网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对高于基波频率的谐波分量，无源网络阻抗较大，APF产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，而且注入支路上端的电容将很大。图2.7 串联谐振注入式HAPF并联谐振注入方式原理与之类似，无源网络在基波频率处发生并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在无源网络上，而对于高于基波频率的谐波分量，无源网络阻抗很小，并应该远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则APF产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。串联谐振注入型APF能补偿无功功率，既可以由支路的电容补偿，也可以由APF进行动态补偿；而并联谐振注入型APF不能补偿无功功率，因为支路上端的并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路, 所以串联谐振注入型APF应用更为广泛。图2.8 并联谐振注入式HAPF串联型APF并联PF1988年Peng F. Z.等首先提出串联APF加并联PF的拓扑结构19,34，如图2.9所示。在该结构中，谐波电流基本由并联PF补偿，串联APF被控制为电流控制电压源，相当于一个谐波隔离装置，产生与电网支路中谐波电流成正比的谐波电压。因此对谐波电流而言，APF可以等效为一个谐波电阻，当谐波电阻的阻值远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，电网支路电压和电流中将只有很小的谐波残余。对基波而言，APF呈几乎为零的极低阻抗，不消耗基波功率。因此，串联APF可抑制电网阻抗对无源滤波器滤波性能的影响和电网与无源滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善无源滤波器的性能。这种方案结合了无源滤波器和有源电力滤波器各自的优点，装置的补偿容量可以做得很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。但是，这种结构的缺点是：当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于APF强制这部分谐波流入PF，这将在负载端产生谐波电压；由于APF串联在电网中，所以它的绝缘比较困难，维护也不方便；在正常工作时，负载的基波电流全都流过联接用的变压器，使其工程实用性受到限制29。图2.9 串联型APF并联PF的HAPF（4）其他混合型并联型APF串联型APF1994年，Akagi H.等提出一种将串联型APF和并联型APF进行混合的HAPF35，如图2.10所示。这种HAPF也称为统一电能质量调节器UPQC（Unified Power Quality Conditioner）。UPQC结合了两种APF的优点，其中串联型APF将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网；并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。该方案在电网与公共连接点之间同时实现了电压和电流的净化。但是，由于要选择特定的控制方法来限制串联和并联逆变器的功率等级，UPQC只能补偿一定量的无功，当负载变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流，因此不能减少三相四线电网中中性线的功率损失36。当然，在目前的开关器件制造水平下，UPQC系统的初期造价相当高。图2.10 并联型APF串联型APF多重化逆变器PWM逆变器图2-11所示的HAPF系统由一个多重化逆变器和一个PWM逆变器组成18。多重化逆变器用于基波无功功率的补偿，可用若干个6脉冲逆变器组成，以得到较好的输出波形，提高装置容量，满足大容量无功功率补偿的需求。PWM逆变器仅用于补偿负荷中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流，PWM逆变器所承受的电压也较小。这样可以显著降低PWM逆变器的容量，并减小开关损耗。但是，这种补偿方式一般需采用3个单相的PWM逆变器和1个多重化逆变器，增加了装置的复杂性和造价。图2.11 多重化逆变器PWM逆变器的HAPF2.3 新型混合型大功率有源电力滤波器2.3.1 NHHAPF提出背景单独使用的无源滤波器虽然成本低廉、结构简单，但是滤波效果受电网阻抗和自身参数变化影响较大，而且易与电网阻抗发生谐振。单独使用的有源电力滤波器虽然有很好的滤波性能，但是造价较高，特别是在变电站或大型工矿企业这种高压大功率场合，难以得到应用。同样，在上面提到的各种由多个逆变器组成的混合型有源电力滤波器也需要高昂的初期投入。因此，小容量的有源电力滤波器与大容量的无源滤波器相结合的混合型有源电力滤波器成为当今实际应用的热点和必然选择，也是未来有源滤波技术的发展方向，在大型工矿企业谐波治理中当然也不例外。大型工矿企业谐波治理的特点37是：（1）电网谐波主要是由谐波电流的畸变产生的，谐波治理的目的是防止低电压等级电网的谐波电流注入高电压等级电网，应采用基于分流原理的并联型滤波器。（2）为了节省投资，宜采用由有源电力滤波器与无源滤波器构成的混合型有源电力滤波器，并且无源滤波器应具备一定的无功功率补偿能力，避免装设额外的并联补偿电容器。（3）谐波主要是电弧炉和变频装置产生的动态谐波，故采用常规的静态电容电感治理谐波将达不到预期的效果，必须采用动态谐波补偿。并且非线性电力负荷（如电力电子换流装置、电弧炉等）的大量增加，致使供电电压的波形发生严重的畸变，影响了电力网和电气设备的安全、经济运行，并危及广大用户的正常用电和生产，因此急需谐波治理装置。在现有的有源电力滤波器APF与无源滤波器PF相结合的混合型有源电力滤波器中，这些混合形式虽然降低了有源部分的容量，但是并联型APF并联PF形式（其拓扑结构如图2.5所示）仍要承受基波电压，不适合高压系统的应用；将APF与PF串联后再并联接入电网的形式（其拓扑结构如图2.6所示）一般为了减小有源部分承受的基波电压及其流过的基波电流，PF的基波阻抗很大，造成PF装置体积大，费用高，因此该系统不适合于要求大容量无功补偿的场合；串联谐振注入型APF（其拓扑结构如图2.7所示）若要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源部分容量比较困难，而且所能提供的无功功率容量有限；并联谐振注入型APF不具备无功补偿能力（其拓扑结构如图2.8所示）；串联型APF并联PF形式（其拓扑结构如图2.9所示）的连接变压器流过负载基波电流，且有源部分绝缘和维护困难。综上所述，在现有的有源电力滤波器中，还没有能够比较好的全面满足厂矿企业谐波治理特点的有源滤波装置，因此，有必要提出新的具有良好的性价比、能够补偿一定的无功功率、满足大型工矿企业谐波治理要求的混合型大功率有源电力滤波器。2.3.2 NHHAPF的结构及滤波原理根据上一节的大型工矿企业谐波治理背景，并结合项目实施单位的实际情况，以及对增加无功功率补偿功能和提高性价比两个关键问题的分析和考虑，本论文提出如图2.12所示的新型混合型大功率有源电力滤波器（NHHAPFNovel Hybrid High-capacity Active Power Filter）。图中、分别为电网电流、负载电流和滤波电流，为有源部分的输出电流，为流入基波串联谐振电路的电流，为流入注入电容的电流。这种结构以电压型逆变器VSI（Voltage Source Inverter）作为其有源部分，以多组单调谐无源滤波器PF作为其无源部分。有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路FSRC（Fundamental Series Resonance Circuit）并联构成NHHAPF。整个NHHAPF与电网并联。注入支路由电容、电感和电容构成，其中电容和电感构成在基波频率谐振的FSRC电路，而整体作为一条无源滤波支路。其中，VSI为基于自关断器件的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，VSI的输出端接有输出滤波器，以滤除开关器件通断造成的高频毛刺。图2.14 新型混合型大功率有源电力滤波器NHHAPF的结构示意图从结构上可以看出，NHHAPF是将串联谐振注入型APF进一步与PF并联混合而得到的，只由电容进行无功功率的静态补偿，由有源部分和无源部分共同抑制谐波，这使得NHHAPF兼具较大容量的无功补偿能力、大容量的谐波抑制能力和较小的逆变器容量。并联的PF可以补偿较大容量的无功功率和滤除特定次数的谐波电流，谐振注入电路部分的电容也能补偿较大容量的无功功率，这些基波无功电流和谐波电流都不会流入耦合变压器和逆变器，与串联谐振注入式APF相比较，NHHAPF将注入支路作为一条无源