（电工理论与新技术专业论文）三相四线制有源电力滤波器控制算法的研究.pdf

r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o do f a c t i v ep o w e rf i l t e r b a s e do nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m a b s t r a c t t h ee x i s t e n c eo fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rn o to n l yr e d u c e st h ee f f i c i e n c yo f e l e c t r i c i t ys u p p l y e q u i p m e n t ，b u ta l s oe n d a n g e rt h es a f e t yo ft h ep u b l i cp o w e r m e s h w o r ka n d i n t e r r u p tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h en e a r b ye q u i p m e n t t h ea c t i v e p o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa ne f f e c t i v ew a yt o c o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v e p o w e r b a s e do nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r e ds y s t e m ，t h i sp a p e rr e s e a r c ht h ec o n t r o l m e t h o do ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ，t h es t a t u so ft h ed e v e l o p m e n ta n dt h es o r t so fa c t i v ep o w e rf i l t e r a n di t s t o p o l o g ya n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e d t h eb a s i cw o r k i n gp r i n c i p l eo fp a r a l l e l a c t i v ep o w e rf i l t e ri sa n a l y z e da l s o 2 ，t h i sp a p e rd i s c u s st h em a i nc i r c u i tt o p o l o g yo ft h ep a r a l l e la c t i v ef i l t e r s y s t e mo nt h r e e - p h a s ef o u r w i r es y s t e m ，a n a l y s i si t sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n d p r o b ei n t ot h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n dc a p a c i t o rv o l t a g ec o n t r o lm e t h o do f d c s i d ea l s o 3 ，t h ec o n t r o lm e t h o do fa c t i v ep o w e rf i l t e ri ss t u d i e d t h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fh y s t e r e s i sp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ，t r i a n g u l a rw a v ep w m a n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o rp w m t e c h n o l o g ya r ec o m p a r e d t h es i m u l a t i o n m o d e lo ft h et r i a n g l e - w a v ep w ma n dt h r e e d i m e n s i o n a l s p a c ev e c t o rp w m t e c h n o l o g y a r ec a r r i e do u t b ym a t l a b 6 5 s i m u l i n k t h es y m m e t r i ca n d a s y m m e t r i cc a s e so ft h es y s t e ma r es i m u l a t e ds e p a r a t e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a c c u r a c y o ft h r e e - d i m e n s i o n a l s p a c ev e c t o rp w mt e c h n i q u e i sb e t t e rt h a n t r i a n g l e w a v ep w mt e c h n i q u ei nt h es y m m e t r i c a l & a s y m m e t r i c a lt h r e e p h a s e f o u r w i r es y s t e m k e yw o r d s ：t h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，h a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e r ，a c t i v ep o w e r f i l t e r ，t h r e e d i m e n s i o n a ls p a c ev e c t o r 插图清单 图2 1 并联型有源电力滤波器拓扑结构示意图8 图2 - 2 串联型有源电力滤波器拓扑结构示意图9 图2 - 3 有源无源混合型滤波器拓扑结构示意图1 0 图2 - 4 串一并联型有源电力滤波器拓扑结构示意图1 l 图2 - 5 并联型电力有源滤波器系统构成1 2 图3 - 1 三相四线制有源滤波器1 4 图3 2包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路1 9 图4 - 1 滞环p w m 脉宽调制方式的原理图2 0 图4 - 2 采用滞环比较控制时的电流与p w m 控制信号波形2 1 图4 - 3 三角波调制法原理图2 2 图4 - 4 基于三角波调制方法的有源滤波器仿真图2 2 图4 - 5p w m 控制器内部结构图2 3 图4 - 6 补偿前的a 、b 、c 三相以及中线电流波形2 3 图4 - 7 补偿前的a 相电流频谱分析2 3 图4 - 8 补偿后的a 、b 、c 三相以及中线电流波形2 4 图4 - 9 补偿后的a 相电流频谱分析2 4 图4 - 1 0 三相四线制不对称a p f 系统2 4 图4 - 11 补偿前的a 、b 、c 三相以及中线电流波形2 5 图4 - 1 2 补偿前的a 相电流频谱分析2 5 图4 - 13 补偿后的a 、b 、c 三相以及中线电流波形2 5 图4 - 1 4 补偿后的a 相电流频谱分析2 6 图4 - 15 三维空间电压矢量分布图2 8 图4 - 1 6 三维空间矢量在口、口平面的投影2 8 图4 - 17 三相四线制对称a p f 系统3 4 图4 一1 8s p w m 生成框图3 4 图4 一1 9 计算电压空间矢量的切换点3 4 图4 - 2 0 计算中间变量、如、气 3 5 图4 2 1 计算合成矢量所在的扇区号3 5 图4 2 2 补偿后的a 、b 、c 三相以及中线电流波形3 5 图4 - 2 3 补偿后的a 相电流频谱分析3 6 图4 - 2 4 三相四线制不对称a p f 系统3 6 图4 2 5 补偿后的a 、b 、c 三相电流以及中线电流波形3 7 图4 2 6 补偿后的a 相电流频谱分析3 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金罡王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 啪f 朗 签字日期：堡 年丘月三日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金月曼王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金旦巴王些太堂可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一繇亨溉闭 聊签名 签字日期：j 早年j 月当 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 乞 ：4 年 l ，、 胡 、”卫 致谢 在此我真诚的感谢导师王群京教授，同时，也要衷心感谢李国丽老师、胡 存刚老师，是在他们的悉心指导下完成了科研课题及论文工作。无论从课程的 学习、论文的选题、还是收集资料、论文的成稿，都倾注了他们的心血，他们 的精心培养使我在硕士研究生生涯中受益匪浅，在学业和综合素质方面都获得 了极大的提高。他们那严谨的治学态度、正值的为人作风、高尚的人格魅力将 使我受益终生。 还要真诚的感谢在学习和研究过程中，给予我帮助和鼓励的王强、漆星等实 验室同学。 最后，衷心感谢我的家人多年来在生活和精神上给予我的支持和帮助。 作者：许维国 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 电网谐波和无功功率 随着越来越多的非线性、冲击性负载的投入使用，电网中谐波污染日益严 重，谐波抑制与无功功率补偿引起了人们的广泛关注，成为世界各国的研究热 点，在针对此类谐波抑制和无功功率补偿装置的研究中，最常用的方法是采用 l c 无源调谐滤波器，这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结 构简单，一直被广泛使用，但是其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态 的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，另外它只能补偿固定频率的 谐波，补偿效果也不甚理想，因此有源电力滤波器( a p f ) 的研究和使用引起了 人们的广泛关注。 1 1 1 电网谐波及无功功率产生的原因 无功功率和谐波的逐渐增加与用电负荷中大量使用非线性负载和设备有着 直接关系。一般而言，具有非线性电气特性的设备均为谐波源，在电力系统中， 波形的畸变主要来源于两大因素：第一是接入电网的电阻、电容、电感元件的 非线性，即阻感负载，比如发电机、变压器、异步电动机等设备；第二是大量 使用的电力电子装置，利用变流器对电压、电流及能量进行控制与变换可以提 高电力装置的性能，但同时引入了波形的畸变瞳1 。 下面介绍几类常见的谐波源。 ( 1 ) 含半导体非线性元件的谐波源叩川 含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备在电力 系统中广泛存在。随着硅整流技术的发展和不断完善，硅整流装置、晶闸管在 各行各业中得到日益广泛的应用，大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电 视机电源、电池充电器等，遍布于电力系统的各个电压等级，它们将谐波电流 注入到系统中。 ( 2 ) 含阻感负载的谐波源 主要有以下几种： 电弧炉：产生谐波原因有三个方面：首先是电弧的电阻值不恒定，并且在交 流电弧的半个周期中电弧电阻也在变动，造成电弧电流的非正弦畸变；其次是 交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作负极和正极，因不同材料的发射 电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造成偶次谐波；其 三即三相电弧不均衡，导致三次谐波。 变压器：其励磁电流波形畸变最严重，变压器的励磁回路实质上就是具有铁 心绕组的电路，在不计磁滞及铁心未饱和时，它基本上是线性电路，铁心饱和 后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变，饱和愈 深，电流波形畸变愈严重。 旋转电动机：交流电动机磁场的磁路是由定子磁轭、定子齿与空气隙等组 成的闭合回路，当铁心未饱和时，可认为磁通势是集中在两个空气隙，若气隙 是均匀的，则磁通势也是沿定、转子表面均匀分布而不是正弦分布，将它分解 可得谐波分量，在电压、电流中会有相应分量产生；另外，由于定子开槽，则 气隙磁导不是沿表面均匀不变，而是以槽距为周期变化的，也会有相应的齿( 槽) 谐波产生。 另外，放电荧光灯也是高度非线性的负荷，因此，它们会产生很大的奇次 谐波电流。 1 1 2 电网谐波及无功功率产生的危害问题 从理论上来看，电网所提供的电压应该具有单一而固定的频率以及规定的 电压幅值，谐波电流和电压的出现，对电网是一种污染，它使用电设备所处的 环境恶化，给周围的通信系统和电网以外的设备造成危害，由谐波引起的各种 故障和事故也时常发生，谐波危害的严重性已经引起了人们高度重视。 电网中的无功功率平衡对提高全网的经济效益和改善供电质量，增加系统 稳定性至关重要晦。7 1 。目前，电网中绝大部分负荷需要消耗无功功率，这就要求 系统提供一定量的无功功率。 若系统中出现无功功率不足或倒送现象，会引起电压波动，负荷所需无功 功率完全由送电端经长距离提供是不经济的，一般在受电端附近安装无功功率 补偿设备以平衡系统无功功率。 谐波与无功功率是两个相对对立的问题，但两者之间有紧密联系。在畸变 系统中，谐波同时影响了系统的无功功率和功率系数，并且产生谐波的装置一 般也要消耗无功，补偿谐波的装置一般也是补偿无功的装置，因此谐波与无功 不可分离。 高次谐波对电网和其它系统的危害大致可以从以下几个主要方面来看哺曲1 ： ( 1 ) 在电网中的谐波电流会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路 损耗的一部分。 ( 2 ) 对于采用电缆的输电系统，谐波除了产生附加损耗外，还可能使电压 波形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，同时也会使介质损耗增加及温升增 高，这缩短了电缆的使用寿命。 ( 3 ) 就运行的电机而言，谐波除了引起附加损耗和过热外，还会产生机械 振动、噪声及过电压。 ( 4 ) 当谐波电流流入变压器时，其主要影响是增加了铜损耗和铁损耗。随 着谐振频率的增高，还会使变压器的噪声增大。 ( 5 ) 谐波还会引起电力电网系统局部发生串联谐振和并联谐振，从而使谐 波电流和谐波电压得以放大，这更加大了上述情形( 1 ) ( 4 ) 的危害，甚至会引起 2 严重事故。 ( 6 ) 谐波会对周围的通信系统产生干扰，引起通信系统的噪声，降低了通 信的清晰度。 ( 7 ) 谐波还会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计 量不准确。 1 1 3 谐波问题的解决方法 目前可用于解决谐波问题的思路有两条：一是在谐波源本身采取一些措 施来大大减小电网谐波，对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且 功率因数可控制为1n 们，即在设计时就考虑减小谐波，增加谐波抑制环节，以 减少电网的谐波注入量，但考虑到现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置 开关工作方式，不可能完全依靠这种方法来消除谐波；另一条是装设谐波补偿 装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。 传统的抑制高次谐波的方法，是使用l c 无源电力滤波器，一般是根据谐振 原理来工作，它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低的特点，它在很宽 的频率范围内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波，可以在吸收高次谐波 的同时补偿无功功率，还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的 原因，在应用中存在以下难以克服的缺点n 1 2 1 。 ( 1 ) 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效果，并且还存在滤波器过负 荷的可能性。 ( 2 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波的成分较多， 必须同时加入多个滤波器，这会使整个滤波器的成本和体积增加。 ( 3 ) 随着电源侧谐波源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过 负荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投 入运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获 得预期的滤波效果。 ( 6 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平 衡是很困难的。 ( 7 ) l c 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题， 从而使装置无法运行。 ( 8 ) 对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗 并联谐振而产生“谐波放大现象 ，使电路无法正常工作。 为了解决无源滤波装置的这些问题，人们做了许多研究和探讨，其中最有 代表意义的是有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无 功功率的新型电力电子装置，它能对频率和大小变化的谐波和无功功率进行补 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 理想的补偿谐波装置，它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。 有源电力滤波器具有以下一些特点n 3 1 。 ( 1 ) 实现了动态补偿。可对频率和幅值都变化的谐波以及无功功率进行补偿， 对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，也可以对谐波单独补偿，且补偿无功功 率的大小可做到连续调节。 ( 3 ) 在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小。 ( 4 ) 即使需要补偿的电流过大，也不会发生过载情况，并能在其额定容量 内继续补偿。 ( 5 ) 受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振。 ( 6 ) 能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响。 ( 7 ) 既可对特定的谐波源和需要无功功率负载进行补偿， 也可对多个谐波 源和需要无功功率负载进行集中补偿。 可见，有源电力滤波器可以获得比传统谐波抑制方法更加优越的补偿性能。 同时，随着电力电子技术的发展，电力电子器件容量的增加，成本的下降，有 源电力滤波器将具有良好的应用前景n 劓。 1 1 有源电力滤波器的研究现状和发展方向 1 2 1 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到本世纪6 0 年代末，但是只是有源电 力滤波器的基本思想的萌芽。直到1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 控 制变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源 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，p w m 变流器是一 种理想的补偿电流发生电路，但是由于电力电子技术的发展水平不高，器件功 率小、频率低，因而有源电力滤波器没有在工业中应用，只是局限实验室研究。 进入8 0 年代末，随着电力电子以及控制技术的发展，对有源电力滤波器的 研究更加活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点，这一期间的重大突破 是，1 9 8 3 年赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率 ，以该理论为基础 的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到成功应用，极大推动了有 源电力滤波器的发展u 们。 目前，国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，由于其理论研究起步较 早，已步入实用阶段，同时在美国、德国等工业发达国家已经得到高度重视和 广泛应用。目前，世界上有源电力滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、 美国西屋电气公司，德国西门子公司等，随着容量的逐步提高，其应用范围也 4 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。目前，在装 置技术方面，国外的研究主要是提高补偿容量、改善补偿性能，降低成本和损 耗、多功能化和装置小型化等。在应用方面，主要致力于对不同谐波源制定相 应的策略，解决最优配置、有源电力滤波器的相互干扰及其对电网上装设的无 源滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。于此相关的还有谐波预测、有源 电力滤波器系统的故障诊断以及补偿容量的计算等方面的研究。 在三相三线制系统中的研究和应用都相对比较成熟，而在三相四线制系统 中，一些著作主要研究了由非线性不平衡负载，如计算机、电源、荧光灯等引 起的中线电流过大的问题，对各种解决中线电流和不平衡负载电流的方法也作 了尝试，主要包括：消除或减少中线电流、谐波补偿、负载平衡、无功功率补 偿等。在主电路拓扑结构方面，主要有三桥臂主电路结构和四桥臂主电路结构。 与国外相比，我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到二十世纪八 十年代末才有论文发表，近几年进行这一课题研究的单位在逐渐的增加，主要 集中在一些高等院校和研究机构，例如西安交通大学、浙江大学、华北电力大 学、国电自动化研究院等开始进行有源电力滤波器的研究，从发表的文章来看， 还主要以理论研究和实验为主，虽然在理论上取得了一些进展，但由于多方面 条件的限制，使得到目前为止，有源电力滤波器在我国工业领域未能得到广泛 应用。但随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成和发展，以d s p 为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展，并且随着d s p 性价比的提高，用d s p 控制有源电力滤波器也成为现在发展的热点，同时，电能质量问题会越来越引 起人们的关注，因此，因此有源电力滤波器有着潜在的应用前景和技术经济效 益。 1 2 2 有源电力滤波器的发展方向 ( 1 ) 谐波理论的进一步研究。 采用傅里叶级数对非正弦连续的时间周期函数进行变换是谐波分析最基本 和常用的方法。这种方法根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该 电流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换， 计算量大、实时性不好，因此该方法大多用于谐波的离线分析，难以用于有源 电力滤波器所要求的实时检测。为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学者赤 木泰文等入提出了瞬时无功功率理论，该理论突破了传统的以平均值为基础的 功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理 论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法， 对于谐波和无功功率补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。但这一理论 也存在一些缺点，一些物理概念比较模糊，在解决一些传统概念和问题时遇到 困难。所以如何建立更为完善的功率定义和理论，还需做出更多努力。 5 ( 2 ) 进一步降低装置容量。 有源电力滤波器最基本的形式是并联型的，其容量取决于与装置连接的交 流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源 负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，而补偿电流 的大小和装置的补偿目的有关，即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同 时补偿谐波和无功功率。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电 流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装 置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐 波和无功功率，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功功率的程度 共同决定。由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装 置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有 源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波 电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波 器。还有学者提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源 滤波器的容量，但尚未进入实用阶段。 ( 3 ) 控制系统的简化。 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流， 要求其控制电路必须能实时检测、计算补偿对象的谐波电流，目前完成这部分 工作的主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路，实现时多为模拟电 路，其线路较为繁琐、结构较为复杂，许多学者一直在寻找比较简单的方法来 完成这部分工作。另外，随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的日趋完善，采用 数字化方法来实现这部分工作的研究也在积极地进行。 ( 4 ) 补偿装置的多功能化。 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以 补偿基波无功功率、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也 引起许多学者的关心并取得了许多研究成果n 引。 1 3 本文研究的意义及主要内容 三相四线制系统在工厂供电、民用住宅和城市供电等电力系统中广为应用， 其中的谐波和三相不平衡问题越来越引起人们的重视。三相四线制系统与三相 三线制系统的区别在于存在零线，因而用于三相四线制系统中的有源电力滤波 器与用于三相三线制中的相比，根本的区别在于对三相电流中零序分量的处理。 同样，与三相三线的情况类似，三相四线制时有源电力滤波器的组成还是由指 令电流运算电路和补偿电流发生电路两部分，对于前一部分，要求在三相四线 制的情况下仍要准确快速地形成指令电流，也就是说，除了检测出被补偿对象 中的谐波分量、基波负序分量以外，还要对系统的零序电流分量做出适当的处 6 理；而对于后一部分，则要求根据指令电流信号正确地产生补偿电流，包括谐 波分量、基波负序分量和零序电流分量。 本文的主要内容包括以下几个方面 第二章介绍有源电力滤波器分类和工作原理。 第三章对有源电力滤波器拓扑结构选择及主要参数如直流侧电容值，直流侧 电压、交流侧滤波电感值、直流侧电容电压控制进行了分析研究。 第四章对基于滞环p w m 技术和三角波p w m 技术进行了论述，并重点介绍了三 维空间矢量脉宽调制( 3 d - s v p w m ) 技术。利用m a t l a b s i m u li n k 对三角波p w m 技术与三维空间矢量脉宽调制技术分别进行了仿真，并对仿真结果进行了分析 和对比。 1 4 本章小结 本章首先介绍了谐波产生的原因、危害及其解决方法，其次介绍了有源电 力滤波器的研究现状和发展方向，最后概括了本论文的主要内容及其研究意义。 7 第二章有源电力滤波器的分类及工作原理 2 1 有源电力滤波器分类 有源电力滤波器根据其系统结构不同可有多种类型，包括并联型有源电力 滤波器、串联型有源电力滤波器、混合型滤波器( 有源电力滤波器和无源滤波器 的结合) 和串并联结合型的统一电能质量控制器n 引。本节将对各种类型的有源 电力滤波器的拓扑结构和特点进行介绍。 2 1 1 并联型有源电力滤波器 图2 1 所示为并联型有源电力滤波器的拓扑结构，图2 - 1 中，负载为产生谐 波的谐波源，并联型有源电力滤波器的主电路有变流器和与其相连的滤波电感、 直流侧贮能元件( 图2 1 中为电容) n n 8 1 共同组成。 图2 - 1 并联型有源电力滤波器拓扑结构示意图 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。这是 有源电力滤波器目前最为常见的一种，而且这种方式可以实现的功能也最为丰 富和灵活，只要采取适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的。即只补偿谐 波、只补偿无功功率( 补偿多少可以根据需要连续调节) 、补偿三相不对称电 流、以及他们之间的任意结合。 这种类型的有源电力滤波器是目前理论研究及技术最为成熟、国外已经大 量投入使用，并联型有源电力滤波器在系统中，相当于一个谐波电流发生器。 检测的信号经控制电路进行参考电流运算，得出补偿电流的参考信号。该参考 信号经主电路放大，得出补偿电流与负载中要补偿的谐波及无功电流相互抵消， 即得到所期望的与电网电压同相的基波正弦电流波，从而防止谐波对电网的污 染。 这种有源电力滤波器，其核心部分是补偿电流参考信号的准确、实时的检 测和高频变流器的精确、快速控制。由于以实现实时快速数字信号处理为主要 8 目的的d s p 的大量使用，使得谐波电流的检测、计算及控制的速度和精确度得到 了保证，从而也促使了以它为核心的并联型有源电力滤波器的实际应用与推广。 2 1 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器通过变压器串联在电网和负载之间，串联有源电力滤 波器主要表现电压源的特性，相当于一个受控电压源n 引。它主要用于消除带容 性负载的整流电流等电压源对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对 敏感负载的影响，图2 - 2 所示为串联型有源电力滤波器的拓扑结构。 变流器 图2 - 2 串联型有源电力滤波器拓扑结构示意图 这种串联型的有源电力滤波器主要优点是能减少三相系统的负序电压和平 衡三相不平衡系统。针对负载的谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压 抵消由负载产生的谐波电压，使电网电压波形成为正弦波，大大提高用户的电 能质量。串联型与并联型可以看作是对偶的关系。 与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是很 高负载电流，因此损耗较大、体积大、变压器的额定参数上升、损耗大；此外 串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力 滤波器复杂。目前单独使用串联型有源电力滤波器的比例很小，国内外的研究 多集中在其与l c 无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。 2 1 3 混合有源电力型滤波器 为了充分利用无源滤波结构简单、易实现、成本低、可靠性高的优点，以及 有源电力滤波器可控性强、补偿性能优越的特性，出现了有源电力滤波器和传 统的无源滤波器相混合的各种拓扑结构，组成混合有源电力滤波器。两者结合 同时使用，互相取长补短，既可克服有源电力滤波器容量大，成本高的缺点， 又可以使整个系统获得良好的性能。这是当前有源电力滤波器研究领域的一个 重要方向。 按照有源电力滤波器与谐波负载的电路关系，混合有源电力滤波器又可以分 为串联型和并联型，图2 - 3 所示的是混合型滤波器拓扑结构示意图，图( a ) 为并 9 联型有源电力滤波器与l c 无源滤波器混合的结构，图( b ) 为串联型有源电力滤波 器与l c 无源滤波器混合的结构。 串联型有源滤波器与l c 无源滤波器混合使用n 弘圳，其不承受基波电压，但 是要通过基波负载电流，并在负载侧产生由于负载谐波电流引起的谐波电压， 这使得当负载发生短路时对有源电力滤波器自身保护的动作速度要求很高，同 时负载侧的谐波电压在某些场合也可能不被用户所接受。 ( a ) 并联型有源滤波器与l c 无源滤波器混合的结构 并联型有源滤波器与l c 无源滤波器混合使用晗们乜，不必要承受基波电压，但是 要流过滤波器的基波电流，这其中如果有源电力滤波器采用受控电流源形式，则其输 出电流跟踪困难，如果有源电力滤波器采用受控电压源形式，则有源电力滤波器输出 电压波形不理想，其输出变压器变化比很大，导致有源电力滤波器直流侧电压过高， 从而影响实用性。 ( b ) 串联型有源滤波器与l c 无源滤波器混合的结构 图2 - 3 有源无源混合型滤波器拓扑结构示意图 这种有源无源混合型滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的l c 无源滤波器 部分消除了大量的谐波，并提供一定的基波无功补偿；而有源电力滤波器起到改 善无源滤波器特性的作用，这样有源电力滤波器部分的容量可以做到很小，这 1 0 样既大大减少了有源电力滤波器的体积和成本，又可以弥补无源滤波器特性的 一些固有特性；对于负载侧的谐波电流，有源电力滤波器的控制目的是为了使 串联支路总的阻抗对各次谐波都是零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无 源滤波器，达到提高无源滤波器滤波效果的目的。此时有源电力滤波器的输出 电压用于补偿谐波电流流过无源滤波器所产生的压降。同时，混合滤波器的使 用又可以防止无源滤波器与电网之间发生谐振。 2 1 4 串一并联型有源电力滤波器 图2 - 4 所示为串一并联型有源电力滤波器的拓扑结构示意图，串一并联型 有源电力滤波器是一种新型有源电力滤波器，又称之为统一电能质量调节器 ( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t o r ，缩写为u p q c ) 心钔心3 1 ，这种有源电力滤 波器结合了串联型和并联型有源电力滤波器的特点，兼有两者的功能，可对电源 电压和负荷谐波综合补偿，能够解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题， 包括短时间不间断供电、蓄能、无功功率补偿、抑制谐波或阻隔谐波、补偿公 共耦合端点电压或电流不平衡、消除电压波动和闪变等。 图2 - 4 串一并联型有源电力滤波器拓扑结构示意图 它的结构综合了串联和并联型有源电力滤波器，它以两个变流器为核心电 路，个串联变流器，一个并联变流器。它的直流侧的储能装置( 图中为电容) 是两个独立的电容，也可以用一个电容作为两个串联和并联型有源电力滤波器 所共用。其中串联与并联的变流器分别履行不同的功能：串联变流器起到补偿电 压谐波与不平衡、调节电压波动或闪变、阻隔谐波的传播以及阻尼振荡的作用； 并联变流器起到补偿电流谐波与不平衡、补偿负荷的无功功率的作用。 串一并联型有源电力滤波器被认为是最理想的有源电力滤波器的结构，既可 以消除电流谐波，又可以消除电压谐波，可以对电压和电流波形都很敏感的重 要负荷提供电源，它具有较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。但这种 结构的有源电力滤波器的最主要缺陷在于成本较高( 需要较多的开关器件) 和控 制复杂。 2 2 并联型有源电力滤波器的结构及基本工作原理 在各种有源电力滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一 种，也是工业实际中应用最多的一种，它集中地体现了有源电力滤波器的特点 n 别。下面就其基本工作原理进行具体分析。 2 2 1 并联型有源电力滤波器的构成 并联型有源电力滤波器系统构成的原理图如图2 5 所示。图中负载为谐波源 ，而并联型有源电力滤波器系统由两大部分组成，即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核心是检测出补偿对象电流中的谐波 和无功功率等分量，因此也可称为谐波和无功功率检测电路。而补偿电流发生 电路又包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分u 引。 图2 - 5 并联型电力有源滤波器系统构成 图2 5 中主电路的p w m 变流器在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但 它又并不仅仅是作为逆变器工作，例如在电网向有源滤波器直流侧电容充电时， 它就作为整流器工作。也就是说，它既作为逆变器工作，也作为整流器工作， 因此本文中称之变流器。 2 2 2 并联型有源电力滤波器的基本原理 在图2 5 所示的并联型有源电力滤波器系统中。u 。表示交流电源，负载为非 线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。并联型有源电力滤波器的基本工 作原理是，实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流的运算电路计算得出 补偿电流( 谐波和无功电流) 的指令信号，该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、补偿无功功率的目的。 例如，当需要补偿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f ，的谐波分量f 川将其反极性后作为补偿电流的指令信号f ：由 1 2 补偿电流发生电路产生的补偿电流t 即与负载电流中的谐波分量屯，大小相等、 方向相反，因而两者互相抵消，使电源电流te e 只含基波电流分量，不含谐波 电流分量。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可用一组公式 描述1 2 1 ： = i l + t ( 2 1 ) z c2 一z 肪 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) t = 屯+ f 。= 0 ( 2 4 ) 式中巧一一负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只 要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功功率分量反极性的成分 即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功功率成份相抵消，电源电流 等于负载电流的基波有功分量。 根据同样的原理，有源电力滤波器还可以对不对称三相电路的负序进行补 偿。 2 3 本章小结 本章首先介绍了有源电力滤波器的分类情况以及他们各自的拓扑结构与特 点，其次介绍了并联有源电力滤波器的构成和工作原理，这部分工作为后续研 究打下基础，具有重要的指导意义。 第三章三相四线制并联型有源电力滤波器主电路设计 并联型有源电力滤波器根据接入系统的不同分类，可分为单相和三相两种 形式，其中后者又可分为三相三线制和三相四线制。 我国3 8 0 v 系统均为三相四线制系统，三相电流之和通常不为零，即存在零 序电流，零序电流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序谐波分量，此时 采用并联型三相三线制主电路的电力滤波器无法消除线路中的零序基波电流、 谐波电流。并联型三相四线制有源电力滤波器就是解决这种非线性不平衡问题 和谐波问题的有力手段。 3 1 三相四线并联型有源电力滤波器主电路拓扑结构 对于三相三线制有源电力滤波器通常采用三相变换器补偿方式，该补偿策 略易于实现。实际上三相三线制系统中，补偿电流的独立变量只有两个，因此， 系统完全可以采用两相变换器补偿方式，同样在三相四线系统中，补偿电流的 独立变量的个数为三个，因此，根据中线电流补偿方式不同，应用于三相四线 制并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构主要有两种：三桥臂p w m 变流器和四 桥臂p w m 变流器。图3 1 所示为三相四线制结构的并联型有源电力滤波器，主电 路为三桥臂p w m 变流器。 图3 1 三相四线制有源滤波器 三桥臂p w m 变流器，使直流电容中线点与系统中线相连，全部的中线电流 都流经直流侧的电容器，其数值较大，同时由于中线接在电容器中间，因此有 源电力滤波器运行中还可能出现电容电压不平衡问题，所以在有源滤波器控制 中还应该加入直流侧电容电压平衡控制，这种结构主要用于小容量系统。但是 由于三桥臂p w m 变流器需要电力电子器件数目少，只是控制电路比四桥臂p w m 变流器复杂一些乜4 吨引，应用这种系统可靠性变高，成本降低。所以本文以带电 1 4 容中点的三桥臂p w m 变流器为主电路的三相四线并联有源电力滤波器为研究对 象。 3 2 三相四线制并联型有源电力滤波器的数学模型 三相四线制有源电力滤波器电路图如图3 1 所示，图中瓦、瓦、e 。分别为 三相电源电压，圪，圪分别为主电路各桥臂中点电压，幺，如，乞分别为 有源电力滤波器产生的补偿电流，f 出，i 如：分别为流经直流电容上部分和下部 分的电流。三相四线制有源电力滤波器的数学模型为犯 。 三冬+ r i m ：e 一圪配 a t 三鲁枷铲尾一圪咒 三鲁似口e c - 能( 3 - 1 ) c 1 孥吒， c 2 孥吨 式中： af 1 上桥臂导通，下桥臂关断 d 七2 1 0下桥臂导通，上桥臂关断 3 3 三相四线并联型有源电力滤波器主电路参数选择 3 3 1 电容电压的选择啪3 忽略开关损耗和交流进线电感的阻抗，且假定。= 吃：。 n = l 时： 吃 2 拇面翮 n 1 时： 2 1 3 ( n w l i , 。+ ) 式中， n 为谐波次数。 万 基波频率。 1 删 n 次谐波电流幅值。 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 7 册 基波电压幅值。 l 交流进线电感。 实际应用时，应对电容总电压进行折中选择；首先，电容电压选择不能过 低，过低会影响补偿效果；其次，电容电压选择不能过高，过高的电容电压虽 然能产生较高的d i l d t ，改善补偿效果，但是反过来增大有源电力滤波器产生的 纹波，本文综合考虑实际因素，选择吃= 8 0 0 v 。 3 3 2 交流进线电感的选择 交流进线电感的计算则主要考虑以下两个方面乜8 1 ： ( 1 ) 对注入电网的补偿电流的高频成分的限定。通过谐波分析可知：补偿 后的源侧电流的开关频率附近的幅值较高，因此，只要在开关频率附近的谐波 幅值被限定在一定的范围之内，就能够使得补偿后的源侧电流符合国标 t m d 5 。因此，限定在开关附近的补偿电流的幅值不超过额定负载电流的5 ， 这样便满足了有源电力滤波器的输出纹波要求。 i a f f , 僻 ：坚：型5(3-5) i li i u 懈f ) 反r l 订 式中：l l e g , 开关频率处，变流器输出电流的有效值。 胛 开关频率处，变流器输出电压的有效值。 正 负载电流基波有效值。 开关频率。 ( 1 ) 为了保证补偿电流能够很好的跟踪参考，输出补偿电流的最大幅值和 次数受到d i l d t 的限制。当电源电压达到最大值时： 车：_ o s g - r ： ( 3 6 ) 一= 一 i 一nj d tl 达到最小，对于补偿的谐波电流可表示为： f 插= i 。s i n ( n 砑) 因此：m a x 等却砜 警= 半芦 7 ， 即：三 竺坠堡 n a t ” 1 6 ( 3 - 8 ) 在式( 3 - 5 ) 中，限定了l 的下线值。在( 3 - 8 ) 式中，限定了l 的上限值。 在实际的应用过程中，需要进线电感l 合理的选择。根据计算仿真及分析，选 择l = o 0 0 0 1 h 。 3 3 3 直流侧电容的选择准则 有源电力滤波器的工作就是在直流侧电容的充、放电的过程，为了保证滤 波器的性能，必