（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的新型混合有源滤波器srthaf研制.pdf

摘要 摘要 电力系统的谐波给社会生产和人们的生活带来了巨大的危害 近年来 越来越严重的谐波污染已经引起了社会各界的广泛关注 各种滤波装置也应 运而生 本论文就是适应社会的需要并结合工厂的实际情况研制出了一种面 向冶金企业的新型滤波装置 串联谐振型混合有源滤波器s r 璩f 该装置 的研制成功也将为有源滤波器在国内的早日普及应用奠定理论和技术基础 为高压 大中等功率混合型有源滤波器的工程应用积累经验 本文首先阐述了谐波的产生及危害 分析了有源滤波器的研究现状 分 类和基本的工作原理 在此基础上结合冶金企业谐波治理的实际情况提出了 新型混合有源滤波器s r l h a f 它把有源滤波器和无源滤波器很好的结合在了 一起 并且具有注入式有源滤波器的优点 既增大了滤波器的容量又减小了 装置的成本 是一种全新的谐波治理方案 通过对s r l h a f 电路结构的分析 得到了s r t h a f 的开关函数模型 为研究其控制策略提供了理论依据 通过对现有谐波检测方法的优 缺点比较 本文选取了基于瞬时无功功 率理论的f 谐波电流检测算法 并选用d s p d 酶t a ls i 鲷a lp 抛c e s s o r 器件 作为s r n a f 的控制平台 使得该算法具有更强的实时检测性能 同时对传 统的j 乇算法进 j 适当的改进 使其具有更块的处理速度和更强的检测性能 本文对有源滤波器的控制问题进行了深入的研究 传统的控制方法 如 p i 控制 滑模控制以及同步旋转p i 控制等 都在算法复杂性 实时性 快速 性 鲁棒性以及控制精度等几方面难以平衡 一般都侧重于强化某些性能 面以牺牲其它性能为代价 因此 本文在分析有源滤波器电压电流关系的基 础上提出了模糊p i 智能控制方法 实现了模糊控制和传统的p i 控制的有机结 合 使s r m a f 具有快速的动态响应速度和稳定的滤波效果 从而进一步完 善和提高了有源滤波器的控制性能 最后 以冶金企业输配电网的谐波治理和无功补偿需求为背景 研制了 基于d s p 的串联谐振型混合有源滤波器s r 疆a f 实验装置 详细说明了装置 中各部分电路的设计 元器件的选择和软件流程图 计算和实验结果分析表 明 该装置具有很好的谐波治理和无功补偿功性能 且容量大 造价低 非 常适合冶金企业的应用和推广 关键词 串联谐振电路 f 算法 无源滤波器 有源滤波器 模糊p i 控制 勖中南大学颈 i 学位论文 a b s t r a c t t h eh a 姗o n i co f p o w e rs y s t e mh a sb m u g h t 伊e a th a n n t 0s o c i a lp r o d u c t i o n a i l dm el i f eo f p e o p l e i nr e c e n ty e a r s m o r ea n dm o r cs e d o u sk m 枷cp o l l u t i o n h a sa r o u s e d 廿l ee t e n s i v ea t t e n t i o no fa ns o c i e 够 a n dv a n o u sd e v i c e so fh 砌o i l i c e m i l l a t i o na l s oe m e r g ea sm et i m e sr e q u i r e 1 1 1o r d e rt 0m t 吐峙n e e d so fs o c i e t y 肌dc o m b i n m gm ea c t 岫lc o n d i t i o no ff a c t o 叫 t i i sd i s s e r t a t i o nd e v e l 叩san o v e l s e r i e sr e s o n a r l tt y p eh y b r i da c t i v ef i l t e 广 s r l l 王a f w h i c hi sm a i n l yu s e dt o e l i m i n a t em eh 蛳o n i ci nm e t a l l u r 西c a lw o r k s 硎 r e s e a r c l lo fs r r i h a fw i ua l s o b u i l ds o l i db a s ef o r su i l i v e r s a l a p p l i 训o n m o u rc o u m 啪a n da c c u m u l 疵 e x p e r i e n c e s f o ri t sh i g h v o l t a g ea n d h i 曲一p o w e ra p p l i c a t i o n 1 1 1 i sd i s s en a c i o nf i r s yd i s c u s s e st h ec n l s a d o n m dh a n no fh a r m 删c i i n d a n a l y s e s 也ep r e s e n t 1 1 e s e a r c hs i t u a t i o i l c l a s s i f i c a t i o n 锄db 嬲i cw o r k i n g p r i n c i p l eo f a p f b a s e do nt h e s e s r 疆a fi sp r o p o s e d s r r i h a fc o m b i n e s 剐瞪 a 碰v e p o v c rf i l t e r a n dp f 口a s s i v ef i 王t e r a n dh a st h ea d v a 姆so f i n j e c t i 衄帅e a p f 1 k 黯f o r e s r t h a fi sa 肿v e lh a r n l o 拭ce l i m i n a t i o ns c h e n l e 谢1 i c hh a sj a r g e c 印a c 毋a n d l o w c o s t t h r o u 曲a 眦l y z i n g s r l h a fc i r c l l i t s 订u c c u r e m e s 喇t c h 缸1 c t i o ni n o d e lo fs r t h a fi se s t a b l i s h e d 删c hc 趾b el l s e dt os t i d yb c o n 仃o ls t r a t e g y t l 啪u 曲t 1 1 ec o m p a r eo f 廿l ee x i s t i n gh a n n o m cd 酏硎o nm d s t l l e a l g 嘶t 晒b a s e d o nm ei n s t a i l 切n e o u sp o w e r 廿1 e o 叫i si m t d d u c e d b r i e f l y t r a d 砸0 1 1 a l f 口 屯a k o r i t h m 谢1 l b e j m p r o v e db ya d o p t i n gd s p i t i n h a v em o r em p i d h a n d l i n gs p e e d a 1 1 dm o r e s 臼o n gd e t e c t i o np e r f b r 力1 a i l c e d e e p r e s e a r c ho nm ec o n 仃0 ls 仃a t e g o fa p fi sm a d ei i l 廿1 j sd i s s e r t a 廿伽 1 h e 廿a d m o n a lc o m m lm e t h o d s s u c ha sp m p o r t i o n a l i n t e g m l 舳l s l i d i l l 哥m o d e c o m m l 毋 1 1 c h m n o u sr e v o l v i n g p ic o m m l 锄ds oo n c a nn o tm o e ta l lt h ed e m 勰d s o f a l g o r i 山m r e a lt i m e s p e e d r o b u s 订l e s sa n d c o n t r o lp f e c i s i o n m f o r e f 沈巧p i i m e l l i g e n tc o n t m lm e m o di sp r o p o s e dw h i c h 训i z e st l l e c o n m i l l a t i o no ff i l z z y c o n n o l 蚰dt r a u d i t i o n a lp ic o n n 0 1 f u z 巧p ic o 加 0 i 啦a t e 斟m a k e ss 砌m a fh a v e f a s td y n a n l i cr e s p o r l ds p e e da n ds 协b l eh a 姗o n i ce l i m i m 衄e 惋吨a n df h r m e r i i n p r o v e s m ec o n 仃o lp r o p e r t yo f a p f 摘要 f i n a l l y m ed e v i c eo fs r a f b a s e do nd s pi se s t a b l i s h e da c c o r m n gt ot i l e a c t u a lh a n n o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc o m l e n s a t i o nd 锄a i l do fm e t a l l u r g i c a lw o d 笛 t h ed i s s e r t a t i o ne x p l a 洒st i l e c i r c u d e s i g n c o m p i o n e n t ss e l e c t i o na l l d s o f h a r e n o v c i 州i i ld e t a j l t h er e s u l to fc a l c u l a t i o na n de x p e f i m e n ta n a j y s i ss h o w sm a tt l l e d e v i c eh a s v e r yg o o dh a n n o m c a 1 1 dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n 胁c t i o n s r n a fh a sl a r g ec 印a c 埘a l l dl o wc o 巩w h i c hs u i t m e t a l l u r g i c a le i l t e l l 啦s ev 唧 m u c h k e yw o r d s s e d e sr e s o n a n t c i r 饥也f p a 培o r i 1 士l l p a s s i v ef i l t e r a v e p o w e r f i h e r f u z 2 可p i c o r l t r o l i 原创性声明 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 尽我所知 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 也不包含为获得中南大学或其他单位 的学位或证书而使用过的材料 与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已 在论文中作了明确的说明 作者签名 徨丕壹日期 竺生年旦月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留学 位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其他手段保存学位论文 学校可根据国家或湖南省 有关部门规定送交学位论文 作者签名 缘两为 导师签名政日期 墅盟年互月旦日 嗵静中南大学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 目前 电力已成为现代社会生产和生活中最主要的直接能源 因此 电能质量问 题一直为人们所重视 在理想电力系统中 电源是以单一恒定的工业频率 5 0 h z 或 6 0 h z 正弦函数的变化规律向电网供电 当以正弦规律变化的电压施加到线性负载 上 产生的就是与输入电压频率相同的正弦电流 如果负载是非线性的 通过负载的 电流就会产生畸变 畸变的电流流过电网 就会引起电压波形的畸变 从频域的观点 来看 在这些电流和电压的波形中 不但含有与供电电源同频率的正弦量 称为基波 分量 而且出现了一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量 称为谐波分量 这 一系列正弦波分量统称为电力系统谐波 电力系统的谐波问题早在1 9 2 0 1 9 3 0 年间就引起了德国科学家的注意 r e a dj c 在1 9 4 5 年发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文 l j 2 0 世 纪5 0 6 0 年代 由于高压直流输电技术的发展 对换流器谐波问题的研究有大量文 章发表 但这些问题在过去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 备上的广泛应用 包括大功率整流在电气化铁道的应用 电弧炉在炼钢中的应用等 各种非线性负荷的大量增加 造成了电力系统中电压 电流波形的严重畸变 电力系 统的谐波对电力设备 电力用户和通信线路的有害影响已经十分严重 世界许多国家 包括我国在内都已先后制定出相应的国际标准和国家标准加以限制 定期召开有关谐 波问题的学术讨论会 国际电工委员会f i e c 和国际大电网会议都相继组成了专门的 工作组 已经并正在制定包括供电系统 各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐 波标准 并已将谐波干扰问题列入电磁兼容范围之内 下面就有关谐波的几个主要问 题加以阐述 1 1 谐波的含义和性质 国际上公认的谐波含义为 2 i3 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 由于谐波的频率是基波频率的整倍数 也常称之为高次谐波 在国际电工标准 i e c 5 5 5 2 1 9 8 2 和国际大电网会议 c i g r e 的文献中定义 谐波分 量为周期量的傅摹叶级数中大于1 的h 次分量 i e e e 标准中 4 l 5 1 参见i e e e 标准 5 1 9 1 9 8 1 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 在波形畸变和有关电磁兼容的标准中还有几个易与谐波混淆的名词1 6 j 同谐波 d y 中南大学硕十学能论文第一章绪论 工n 把r h 煳n i c s 次谐波 s u b h a 瑚o n i c s 和分数谐波 f r a c t i o m l 也a 咖0 n i c s 问谐波或 称分数谐波是指频率不是工频的整数倍的谐波分量 次谐波为频率低于工频基波频率 的分量 另外 暂态现象和谐波现象必须加以区别 谐波现象中波形保持不变 而暂态现 象中每周期波形都发生变化 为此在计算电压 或电流 畸变率时 采用谐波电压 或电 流 的平均有效值或平均总畸变率 其时间区段 t 取3 s 以电压为例 即 u 域 忙喜吆 惦丙 式中m 一 t 分成的区间数 u h 一第h 次谐波电压的3 s 平均有效值 d 一电压总畸变率的3 s 平均值 u 1 k 一第k 个区间测出的基波电压有效值 u h l r 一第k 个区间测出的第h 次谐波电压有效值 1 2 谐波的产生 1 2 谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的 造成系统正弦波形畸变 产 生谐波的设备和负荷称为谐波源 一切非线性的设备和负荷都是谐波源 当电力系统 向非线性设备及负荷供电时 这些设备或负荷在传递 如变压器 变换 如交直流换流 器 吸收 如电弧炉 系统发电机所供给的基波能量的同时 又把部分基波能量转换为 谐波能量 向系统注入大量的高次谐波 使电力系统的正弦波形畸变 电能质量降低 损坏系统设备 如电力电容器 电缆 电动机等 威胁电力系统的安全运行 如继电保 护及自动装置误动 增加电力系统的功率损耗 如线损 等 给系统 包括受其供电的 线性用户 带来危害 1 谐波源的分类 当前电力系统的谐波源 其非线性特性主要有三大类1 7 儿副 饱和型 各种铁芯设备 如变压器 电抗器等 其铁磁饱和特性呈现非线性 这些设备投入电网后 可以产生以3 次谐波为主的奇次谐波 子开关型 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 可控开关设备等 它们可以引起系统电压降及电压波动 并产生主要以5 7 1 1 1 3 次为代表的奇次谐波和旁频 2 哪中南大学硕士学位论文第一章绪论 弧型 各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间 其电弧的 点燃和剧烈变动形成的高度非线性 使电流不规则的波动 导致电网严重三相不平衡 产生负序电流 电压闪变和高次谐波 其中普遍存在2 4 偶次谐波和3 5 7 等奇 次谐波 对于电力系统三相供电来说 有三相平衡和三相不平衡的非线性特性 后者 如 电气铁道 电弧炉以及由低压供电的单相家用电器 而电气铁道是当前中压供电系统 中典型的三相不平衡谐波源 2 谐波问题日益严重的原因 近些年来 电力系统谐波问题目益严重 主要原因如下1 7 8 1 9 l 电力电子设备及其新技术的大量采用 如换流器等大容量电力晶闸管设备的 非线性负荷大量增加 以及各种家用电器的普遍使用 从电网的各个供电点 向电力 系统注入大量谐波 为了节省原材料 铁芯设备的工作点更进入饱和区 引起谐波的增加 电弧炉用户的增多及其容量增大 由于系统施加于负荷的电压基本不变 谐波源负荷通过向电力系统取得一定的电 流作功 该电流不因系统外界条件和运行方式而改变 而谐波源固有的非线性伏安特 性决定了电流波形的畸变 使其产生的谐波电流与基波电流具有一定的比例 因此非 线性负荷一般都为谐波电流源 向系统注入一定的谐波电流 由于谐波电流源的谐波 内阻抗远大于系统的谐波阻抗 故谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待 谐 波源注入电力系统的谐波电流 在系统的阻抗上产生相应的谐波压降 便形成系统内 部的谐波电压 从而使原有的正弦波形电压产生畸变 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值 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 9 f 1 0 1 在电力电子设各广泛应用 以前 人们对谐波及其危害就进行过一些研究 并有一定认识 但那时谐波污染还不 严重 没有引起足够的重视 近三四十年来 各种电力电子装置的迅速普及使得公用 电网的谐波污染同趋严重 由谐波引起的各种故障和事故也不断发生 谐波危害的严 重性才引起人们高度的关注 谐波对公用电网和其他系统的冠害大致有以下几个方面 f 7 1 0 l i 1 对电力系统的危害 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗 降低了发电 输电及用 i d 醐中南大学硕士学位论文第一章绪论 电设备的效率 大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾 谐波影响各种电气设备的正常工作 谐波对电机的影响除引起附加损耗外 还会产生机械振动 噪声和过电压 使变压器局部严重过热 谐波会使电容器 电缆 等设备过热 绝缘老化 寿命缩短 以至损坏 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振 从而使谐波放大 这 使上述 和 的危害大大增加 甚至引起严重事故 谐波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不准确 2 谐波对信号系统的影响 谐波会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 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 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 严重污染了企业配电网和附近其他电力用户的安全用电环境 且随着企业现代化水平 的提高 将会有更多的电力电子装置投入运行 企业配电网和公用电网的谐波污染将 更为严重 因此 进行电网的谐波补偿既是依法用电的强制要求 也是电网安全经济 运行的客观需要 对谐波抑制策略及其相关技术进行研究具有重大的理论意义和实际 意义 1 4 谐波的抑制策略 目前 在电力系统中抑制或减小电力电子装置谐波污染问题主要从两个方面进 行 第一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手 1 2 在这些装置设计时就考虑减 小谐波的方法 增加谐波抑制环节 以减小电网的谐波注入量 如增加谐波源整流装 置的脉动相数 采用p w m 调制技术或软开关技术 采用有源功率因数技术等都可以 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 但它仅仅是对自身性能的改进 无益于已有电网性能的改善 因此 对已投入运 行的系统进行谐波抑制 须采用另外一种途径 即加装谐波抑制装置 如无源电力滤 波器或有源电力滤波器 1 无源滤波器 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 无源滤波器 p f 腑s i v e f i l 盯 它利用电感 电容元件的谐振特性 在阻抗分流回路中形成低阻抗支路 从而减小流 向电网的谐波电流 这种方法既可补偿谐波 又可补偿无功功率 而且结构简单 成 本较低 技术成熟 一直被广泛应用 这种方法的主要缺点如下i j d 聊中南火学硕士学位论文第一章绪论 滤波性能受系统参数的影响较大 系统的结构 工作状态和电源频率漂移都 会导致l c 滤波器的滤波特性改变 使其难以获得预期的滤波效果 只能抑制按设计要求规定的谐波成分 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 有时由于高次谐波成分较多 必须同 时加入多个滤波器 使整个滤波装置的成本和体积增加 不能对谐波实现动态补偿 尤其是对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不 好 可能与电力系统发生串并联谐振 造成电压畸变而产生附加的谐波电流流入 l c 滤波器 使该次谐波分量放大 使电网供电质量下降 谐波电流增大时 l c 滤波器的负担随之加重 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 滤波要求和无功补偿 调压要求有时难以协调 功能相对来说比较少 有效材料消耗多 体积比较大 2 有源滤波器 为了克服无源滤波器的不足 有源电力滤波器 a p f 应运而生 a p f 包括 h a j p f h v b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r 也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为无穷大的串联网络 l 但是一台a p f 理论上可以拥有无穷多个谐振频率 a p f 的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电 流 由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流 从而使电网 电流只含基波分量 这种滤波器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 因而受到广泛的重视 与p f 相比 a p f 具有高度可控性 和快速响应性 其具体优点如下 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 具有一机多能的特点 滤波性能不受系统阻抗的影响 即使系统的结构或是运行状态发生了改变 a p f 的仍然会取得良好滤波性能 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振 还可以使已装载的p f 避免发生谐振 具有自适应功能 能够迅速对频率和幅值发生变化的谐波进行动态跟踪补偿 不会因补偿对象电流过大出现过载 由于装置本身能完成输出限制 因此即 使谐波含量增大也不会过载 并能正常发挥补偿作用 具有良好的性价比 用一台装置就能完成多次谐波的治理 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响 既可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 尽管a p f 具有无源滤波器所不具备的巨大技术优势 但目前要想在电力系统中 l d 伊中南大学硕士学位论文第一章绪论 完全取代无源滤波器还不太现实 这是因为与无源滤波器相比较 a p f 的成本较高 对功率半导体器件的要求较高 这也是限制a p f 推广使用的关键 随着电力电子工 业的不断发展 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法的不断完善 以及微机控制技 术和数字信号处理技术的不断进步 a p f 必然会得到广泛的应用 1 5 l 1 5 有源滤波器的研究现状 当7 0 年代初期有源滤波器a p f 的概念出现时 由于受当时功率半导体器件水平 的限制 a p f 一直处在实验研究阶段 8 0 年代以来 由于大中功率全控型半导体器 件的成熟 脉冲宽度调制 p u i s ew i d 血m o d u i a t i o n p w m 控制技术的进步 以及 基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出 有源电力滤波器才得以迅速 发展 1 9 7 6 年 g g y il 等提出了用大功率晶体管p w m 逆变器构成的有源电力滤 波器a p f i l7 1 并正式提出了有源滤波的概念 1 9 8 6 年 a k a 西h 等提出了用并联有 源滤波器消除谐波的方法 18 4 并联有源滤波器可以克服上述无源滤波器所存在的 不足 但是 由于电源电压直接加在逆变桥上 对开关器件电压等级要求高 负载谐 波电流含量高时 这种有源滤波装置的容量也必须很大 投资也大 因为兼顾大的补 偿容量和宽的补偿频带比较困难 所以它只适合于电感型负荷的谐波补偿 1 9 8 7 年 1 酞e d am 等提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合型有源电力滤波器方案 i 引 在 这种电路中 a p f 仍起着谐波补偿的作用 p f 滤除大部分谐波 因此a p f 容量很小 但这种装置在使用时 电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道 特别是a p f 与 p f 之间的谐波通道 可能使a p f 注入的谐波又流入p f 及系统中 1 9 8 8 年 p e n g fz 等首先提出串联a p f 加并联p f 的结构 2 由于大部分谐波由相对廉价的p f 滤除 装置成本相对较低 这种结构的缺点是 对低次谐波或电网中的闪变分量 该方法不 能消除 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时 a p f 会强制这部分谐波流 入p f 这将在负载端产生谐波电压 由于a p f 串联在系统中 所以绝缘较困难 维 修也不方便 1 9 9 1 年f u i i t a 等提出a p f 与p f 相串联后再与电网并联的混合型方案 2 1 1 该方案可以等效为p e n gfz 的方案 具备了其他方案的特点 滤波效果好 a p f 容 量仅为p f 的5 1 0 节省了大量投资 并且由于注入变压器连接在y 型联接的p f 的中性点上 方便保护和隔离 克服了其不足之处 因此更适合于高电压系统应用 混合滤波器可降低治理投资 改善传统滤波器的技术性能 是未来抑制谐波的应用方 向 在a p f 的控制方面 绝大多数研究者都是根据不同的a p f 工作机理采用三角波 调制方法或滞环控制方法i 也有的采用电压空间矢量方法1 2 2 j 随着2 0 0 0 年a e l i n i 铆出l v 等提出的三相四线制并联型有源滤波器神经网络控制四j 1 9 9 7 年 6 捌中南人学硕士学能论文 第一章绪论 y 如w m i n gc h e n 等提出的电力线调节器神经网络控制 2 4 和2 0 0 0 年豪梅等提出的有 源滤波器神经网络控制 2 5 代表了智能控制方法在a p f 控制领域的延伸 同时 1 w m i n gc h e n 和章梅等还提出用遗传算法来获取控制器的最优训练样本 a p f 的 工作机理对其控制器的设计至关重要 不同的a p f 拓扑结构有着相应的工作机理 对于混合滤波器 其工作机理为控制电压型逆变器的输出电压 但现有文献对于有源 滤波器的输出电压和补偿电流关系讲述的不够详细 其数学模型的分析也不够透彻 很难用以指导工程实践 因此 对混合滤波器的工作机理进行深入研究 乃至提出新 的机理和控制方法是十分必要的 目前 世界上a p f 的主要生产厂家有同本三菱电机公司 美国西屋电气公司 德国的西门子公司等 自从1 9 8 1 年以来 在日本已有5 0 0 多台a p f 投入运行 容量 范围由5 0 k v a 到6 0 m v a 从近几年的研究和应用中可以看出a p f 具有如下的发展 趋势 1 提高有源滤波器的精度 研究高精度的电流和电压检测方法 通过采用p w m 调制和多重化技术以提高开关器件的等效开关频率 实现对高次谐波的有效补偿 2 降低有源滤波器成本 有源滤波装置从经济上考虑 可以采用a p f 与l c 无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统 以减小a p f 的容量 达到降低成本 提高效率的目的 3 增大补偿装置容量 大容量的高次谐波补偿装置随着电力电子装置日益广 泛的应用 也变得愈来愈重要 特别是兼作闪变抑制用的有源滤波器及功率因数补偿 的装置则更是如此 从长远看 混合型a p f 由于其功能强大 性价比高 将是一种 很有发展前途的有源滤波装置 4 改善补偿性能 有源滤波器的电流控制和脉宽信号的产生方式是影响有源 滤波器补偿性能的两个主要因素 如何实现新的控制方法以提高有源电力滤波器的补 偿效果和动 静态性能 实现有源滤波器的最优控制仍需要进一步研究 5 优化电路参数 降低逆变器主电路的容量要求 损耗和造价 6 装置多功能化 将有源滤波器应用到多个方面 使其用途更加广泛 如谐 波补偿 无功补偿 闪变补偿和电压调整等 同国外先进技术水平相比较 我国对谐波问题的研究起步较晚 吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的 电力系统谐波 一书是我国有关谐波问题较有影响的著作1 9 夏道止等1 9 9 4 年出版的 高压直流输电系统的谐波分析及滤波 是近代出版的代表性著作1 2 6 j 此 外 唐统一和容健纲分别独立翻译了j 灯r i l l a g a 等的 电力系统谐波 一书 2 7 1 总 的来讲 我国在谐波治理各方面的研究工作仍存在着一定差距 谐波治理问题的研究 涉及到一些关键理论和技术 因此 既要努力加强这些关键理论和技术的研究工作 跟踪并赶超世界发达国家在谐波治理方面的先进技术 又要从谐波治理的整体出发 触伊中南大学硕十学位论文第一章绪论 使其中各关键理论和技术的研究有机结合 从而形成输配电网谐波治理问题的理论体 系和解决方案 对谐波治理工作进行理论和实践指导 推动我国谐波治理的进程 为 净化电网 保障人们的生产和生活做出贡献 目前a p f 的研究主要集中在谐波的检测 改善补偿性能 增大a p f 的容量 装 置的多功能化以及a p f 与其他设备的相互作用等问题上 谐波电流的检测是影响a p f 补偿性能的关键性环节 为了保证a p f 正常工作 检测电路必须能够实时 准确 快速地检测出电网中的无功 谐波电流的形状和大小 并做出有效的控制 对此 国 内外电力科研工作者进行了大量的研究 7 j 2 从最早的模拟滤波器方法到傅立叶分析 法 f f t 2 9 3 0 1 再到现在的基于瞬时无功功率理论的检测方法 3 l 还有基于神经网 络的单神经元自适应检测算法 3 谐波检测方法经过不断的改进 已经比较成熟 但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况 每种检测方法都有一定的适用范围 或误差 因此新的谐波检测方法也在不断的研究之中 在谐波电流控制方法方面 现 在有学者采用p i 控制和改进的p i 控制来改善a p f 的补偿性能m 均取得了一定的 进展 由于我国对有源滤波研究起步较晚 所以所研制的a p f 都是中小功率的 大 功率a p f 应用比较少 主要是电力电子器件制约了其发展 所以 这一方面也有很 多东西值得研究 随着电力电子技术的发展 集有源滤波 无功补偿和电压调整等于 一体的多功能电能质量调节器也逐渐成为一个新的研究方向 近年来 a p f 与其他装 鼍综合进行补偿也逐渐开始得到研究 3 4 1 通过综合应用来提供更为广泛灵活的补偿 和调节功能 但这一部分的研究相对较少 其中电压电流关系以及能量交换的理论还 不是很完备 对设备的工作过程和控制方法还有待于进一步的研究 另外 a p f 模型 的建立和工作过程也没有得到足够的重视 a p f 电压电流关系和控制方法都存在进一 步研究和改进的余地 本文重点通过以开关函数为基础的数学模型 并结合仿真试验 研究有源电力滤波器谐波检测方法 补偿性能及其控制方法 1 6 本文的研究背景及主要内容 本论文研究的内容属于国家科技攻关计划项目 电网谐波分析与治理一体化系统 2 0 0 2 b a 2 1 8 c 的 部分 该项目是针对国内外有源电力滤波器研究的发展现状提 出来的 为解决复杂供用电系统中谐波及其补偿的问题作一些应用基础性工作 同时 本课题也是贵溪冶炼厂的重大工程项目 所以本论文是在国家攻关项目的基础上 针 对贵溪冶炼厂的实际情况研制的基于d s p 的新型混合有源滤波器 贵溪冶炼厂 1 l o k v 变电站电网谐波非常严重 特别是6 0 3 线 其2 次 7 次电流分别为1 3 8 1 2 a 和1 0 9 0 4 a 严重超过了国标规定的9 1 3 9 a 和6 0 a 3 次 5 次谐波含量也比较大 对电网的安全稳定运行造成了很大的危害 因此非常有必要进行谐波治理 本文研制 8 朔中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的新型混合有源滤波器除了滤除贵溪冶炼厂的主要以2 次和7 次为主的谐波成分以 外 还具有一定的无功补偿能力 本论文的主要研究内容如下 第一章介绍了谐波的含义和性质 谐波的产生 谐波的危害和谐波抑制策略 综 述了有源滤波器发展历史及现状 提出了有源滤波器存在的问题 最后介绍本课题的 选题背景和主要研究内容 第二章首先详细介绍了有源滤波器的基本原理和特点 然后介绍各种类型有源滤 波器的拓扑机构 原理 特点及应用 根据不同类型有源滤波器的特点 提出了兼顾 谐波治理和无功补偿的新型混合型有源滤波器结构 串联谐振型混合有源滤波器 s r l l h a f 利用开关函数法建立有源滤波器数学模型 为以后章节讨论有源滤波器输 出电流和电压的关系 提出控制策略提供依据 第三章介绍了采用数字信号处理器d s p 的谐波电流检测技术 由于电网是一个 非线性的 动态的 实时性比较强的系统 所以传统的器件很难满足系统对实时性的 要求 因此 d s p 器件以其高速的处理速度和丰富的片上资源被引入到我们的控制平 台 在此基础上 实现了谐波的实时检测算法和控制策略 因为我们谐波源属于电流 型谐波源 所以我们采用了电流谐波检测算法 经过几种算法的比较 最终选用了基 于瞬时无功功率理论的f 算法 该算法既可用于三相三线制系统 又可用于三相四 线制系统 同时 对f 算法进行了一定的改进 使其更符合我们的实际情况和补偿 要求 第四章研究了有源滤波器优化控制策略 有源滤波器的控制策略决定了有源滤波 系统补偿效果的好坏 同时也会影响有源滤波器的容量要求 因此 有源滤波器的优 化控制策略的研究是必不可少的 本论文在新型混合有源滤波器数学模型的分析的基 础上 对电网的谐波电流的控制采用模糊p i 控制策略 替代以前的比例控制或p i 控 制 这种控制方案既可在某种稳态情况下取得较满意的补偿效果 又可在电网频率出 现波动或负载工作情况发生了变化时跟踪电网的变化 快速而准确的补偿电网谐波 使有源滤波系统取得最佳的谐波抑制效果 第五章结合我们的谐波电流检测和控制算法 论文给出了s r t h a f 系统的硬件 平台和软件结构 并就系统的主电路和控制电路部分作了详细的介绍 对于s r l h a f 各次谐波的滤波效果也进行了详细的计算 并给出了s r t h a f 系统的仿真结果和实 验波形 这些结果和波形验证了s r t h a f 的有效性和可行性 第六章对全文进行了总结 得出结论 并就进 步的研究工作进行了展望 9 崎中南大学硕士学位论文第二章有源滤波器的工作原理及建模 第二章有源滤波器的工作原理与建模 有源滤波器是通过向电网注入一定补偿电流来抵消负载所产生的谐波电流的主 动式滤波装置 其应用可克服l c 滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点 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 并且具有高可 控性和快速响应性 本文研究的s r t h a f 也是有源滤波器中的一种 近年来 对有 源滤波器工作机理研究的文献很多 但是通过建立其数学模型来分析其动 静态特性 的文献相对较少 本章首先介绍有源滤波器的基本原理和特点 然后介绍各种类型有 源滤波器的拓扑机构 原理 特点及应用 最后通过开关函数法建立了新型混合有源 滤波器s r t h a f 的数学模型 2 1 有源滤波器的基本工作原理 图2 1 所示为最基本的有源滤波器系统构成的原理图 图中p 表示交流电源 负 载为谐波源 有源滤波器系统由两大部分组成 7 3 4 3 5 3 6 1 即电流检测电路和补偿电 流发生电路 p w m 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 p w m 信号发生电路主要 是对补偿电流信号进行p w m 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g t o i g b t 主电路主要是完成补偿电流信号的功率放大 目前 大多采用p w m 变流器 l 婴一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图2 一l并联型有源撼波器系统构成 作为主电路的p w m 变流器 在产生补偿电流时 主要作为逆变器工作 因此 很多文献中将常称其为逆变器 但它不仅仅是作为逆变器而工作的 如在屯网向有源 1 0 i 自妒中南人学硕士学位论文 第二章有源滤波器的工作原理及建模 滤波器直流侧储能元件充电时 它作为整流器工作 也就是说 它既工作于逆变状态 也工作于整流状态 且两种工作状态无法严格区分 由于其在大多数情况下工作于逆 变状态 所以 在本文中称其为逆变器 图2 1 所示有源滤波器的基本工作原理是检测补偿对象的电压和电流 经运算电 路计算得出补偿电流的控制量信号 该信号经主逆变电路放大 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 有源滤波器检测出补偿对象负载电流f 诣波分量i 将其反 极性后作为补偿电流的控制量信号t 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f 大小相等 方向相反 因而两者互相抵消 使得电源电流j 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 2 有源滤波器的分类 有源滤波器可以从不同的角度分类 通常将有源滤波器按照逆变器结构 主电路 拓扑结构 和相数进行分类 逆变器结构可以是电流源型逆变器 c s i 或是电压源 型逆变器 v s i 主电路的拓扑结构可分为并联型 串联型或是串并联混合型 按照 相数来分可以分为单相系统 三相三线系统和三相四线系统三种结构a 2 2 1 根据逆变器类型分类 采用单个p w m 逆变器的有源滤波器的主电路 根据其直流侧能能元件的不同 主要有两种类型的逆变器 电流源型逆变器和电压源型逆变器 图2 2 所示为基于电流源逆变器的有源滤波器结构 它充当一个非正弦的电流源 来补偿非线性负荷的谐波电流 逆变器采用自关断器件 g t o 爪强t 基于可关断 器件结构的电流源型逆变器不会因为主电路开关器件的直通而发生短路故障 可靠性 较高 但是它对开关频率有严格的限制 损耗较高 不能用于多电平场合 并且需要 i 拶中南大学硕士学位论文 第二章有源滤波器的工作原理及建模 一个较大容量的并联电感 一般很少采用 图2 3 所示为基于电压源逆变器的有源滤波器结构 这种结构有一个较大的电容 作为直流侧的电压支撑 由于这种结构轻便 便宜 并且可以扩展为多电平结构使其 在开关频率较低的情况下取得很好的性能 因而目前这种结构较为普遍一些 图2 2 基于电流源型逆变器的有源滤波器图2 3 基于电压源型逆变器的有源滤波器 由于实际的电力系统中主要谐波源如各种大型整流装置的容量很大 而对于办公 及民用建筑所产生的谐波又只能采取集中补偿的方法 容量也很大 这就相应的要求 有源滤波器的容量要大 尽管目前的电力电子器件的容量已经变得越来越大 但有时 还是不能满足太大容量有源滤波器的要求 解决这个问题可以将电力电子器件串联或 并联 但这种方法难度较大而且无法充分发挥单个器件的容量 另一种解决的方法是 采用多重化的主电路形式 采用多重化主电路 最基本的一点是可以较容易实现大容 量 除此之外 还可以提高有源滤波器的等效开关频率 从而改善补偿电流的跟随性 能 3 9 1 从另一方面看 由于等效开关频率提高 可以降低单个器件的工作频率 而 这既可以降低对器件工作频率的要求 又可以减小器件的开关损耗 多重化主电路形式一般有 1 串联电抗器多重化方式 2 采用平衡电抗器的多重化方式 3 使用变压器的串联多重化方式 由于本文篇幅的限制 以后不再就多重化形式进一步讨论 2 2 2 根据电路拓扑结构分类 有源滤波器根据其与系统连接的电路拓扑结构可以分为串联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器 串并联结合型的统一电能质量调节器 混合型滤波器 有源 滤波器和无源滤波器的结合 和注入式有源电力滤波器 图2 4 所示为一独立运行的串联型有源电力滤波器的结构框图 在负载之前利用 变压器与系统相串联来消除电压谐波 并且平衡和调节负载的终端电压1 4 0 j 这种串 里主壹盔堂堡士等 堡堂文一 第二章有源滤波器的工作原理及建模 联型的有源电力滤波器主要用来减小三相系统的谐波电压 负序电压和平衡三相不平 衡系统a 串联型有源电力滤波器输出补偿电压 抵消由负荷产生的谐波电压 使供电 点电压波形成为 f 弦波 串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器可以看作是 对偶的关系 负载谐波含量较大时 串联型有源滤波装置容量也很大 初期投资也很 大 图冬4 单独使用的串联型a p f图2 5 单独使用的并联型a p f 图2 5 所示为一个单独使用的并联型有源电力滤波器 目前应用最为广泛 可以 用来消除电流谐波 进行无功补偿和平衡三相不平衡电流 4 1 1 因为电流谐波主要是 由非线性负载注入系统当中