（电力电子与电力传动专业论文）并联混合型有源电力滤波器的应用研究.pdf

a b s l r a c t 一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i t ht h ep r o l i f e r a t i o no f n o n l i n e a rl o a d ss u c ha sp o w e r e l e c t r o n i c e q m p m e n t s t h ea m o u n to fh a r m o n i cc u r r e n th a si n c r e a s e d t h et r a d i t i o n a lp a s s i v e f i l t e rc o u l dn o tm e e tt h eu s e rd e m a n do fp o w e r q u a l i t y a c t i v ep o w e rf i l t e rm a y o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a la p p r o a c h e sf o re l i m i n a t i n gh a r m o n i c s w i t ht h es u p e r e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e a p fh a so b t a i n e dm o r ea a e n t i o n a c t i v ep o w e r f i l t e ro c c u rt h ec o m p e n s a t i v ec u r r e n tt h a ti s e q u a lt oh a r m o n i cc u r r e n tb u to p p o s i t e d i r e c t i o nt h a ti sr e g a r d e da sal l e we q u i p m e n to fe l i m i n a t i n gh a r m o n i c a i m i n gt o e l i m i n a t et h eh a r m o n yc u r r e n ta n dr e a c t i v ec o m p o n e n t g i v e nt ob yt h el o a d s e c o n d l y t h ec o m p e n s a t i v ec u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ed i r e c tc u r r e n ts i d e v o l t a g ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ri sa n a l y z e di nd e t a i l t r i a n g l ew a v e c o m p a r ec o n t r o li sa d o p t e di nt h ec o m p e n s a t i v ec u r r e n tc o n t r o lm e t h o da n dp ic l o s e d l o o pc o n t r o li sa d o p t e di nt h ed i r e c tc u r r e n ts i d ev o l t a g ec o n t r o la d o p t s t h i r d l y t h es i m u l a t i o nm o d e l si ss i m u l a t e db yu s i n gt h es y s t e ms i m u l a t i o no f m a t l a b t h ed e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r o p o s e da r et e s t e d r e s u l t s o ft h es i m u l a t i o na r ev e r i f i e dv a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s s k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r h a r m o n i cd e t e c t i o n c o n t r o ls t r a t e g y m a t a l b s i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 为获得直昌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己在论文中作了明确 的说明并表示谢意 学位论文作者签名 手写 x 签字日期p 一 厶月以日 签字日期p 叩年 厶月塔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留 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 本人授权直昌丕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 汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向 社会公众提供信息服务 保密的学位论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名 易 弋 签字日期莎一年 月 陌 导师签名魏辟 签字日期 夕卵罗年 明 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 由于南昌市小兰工业园区刘塘变电站的升级扩大 大量工厂 企业的迁入 企业的用电负荷类型和容量发生了很大的变化 同时 用电企业对该变电站的 供电质量提出了更高的要求 该变电站某变压器参数及有关运行数据如下 变 比为3 5 0 0 0 6 0 0 0 额定容量为5 0 0 0 k r a 当前运行中 有功功率为3 8 7 8 k w 无 功功率为1 9 5 4 k v a r 功率因素为0 8 9 3 线电流为2 2 0 a 母线上谐波电压总畸 变率在2 4 3 6 之间 已超过国家标准 国家标准 g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量 公用电网谐波 规定 电压总畸变率要 2 同时 3 5 7 次 谐波电流均超过标准规定的谐波电流允许值 为此 南昌县供电公司拟对小兰 某变电站进行改造 其中就涉及到滤波技术和方法的选用 本文就是对其采用的谐波拟制方法 方案及参数进行理论上的分析论证 根据实测结果和系统运行参数及设备技术参数 我们就各种谐波拟制技术进行 了认真的分析比较 提出了并联混合型a p f 的控制方法 并完成了无功补偿量 的核算 谐波电流对变压器的影响及系统电压调节方案的和仿真计算 最后得 出该变电站采用并联混合型a p f 进行谐波滤波兼无功补偿装置的设计方案是可 行的结论 1 2 电力谐波产生的原因与危害 1 2 1 电力谐波产生的原因 伴随着电力电子技术的飞速发展 使得各种电力电子装置得到了广泛的应 用 利用晶闸管进行整流和使用的变频器进行调速 这些设备都是非线性负载 他们将向系统注入谐波电流和吸收无功 因此使得电网发生电压畸变 l l 近几年来 公用电网受到了谐波的严重污染 并影响到用户使用的安全性 和供电质量 因此电网谐波污染的治理越来越受到关注 其中 电力电子装置 是目前主要的谐波电源 第一章绪论 1 2 2 谐波源 由于电力系统中使用了非线性设备导致系统中产生大量的谐波 这些设备 的非线性特性 在电网中造成了大量谐波的产生 我们常常把这些非线性设备 称为谐波源 但实际上 自从使用交流电作为电能的一种供电方式 谐波问题 已经引起了人们的思考 近几年来 伴随着非线性设备的大量使用 谐波问题 表现得尤为突出 目前 通常谐波源可分三类 2 3 l 电力电子装置即现代电力电子非线性设 备 2 传统非线性设备 主要有 变压器 银光灯 旋转电机等 3 电弧设 备 有电弧炉等 1 2 3 谐波的危害 谐波的危害 4 有如下五个方面 1 谐波使电网附加损耗增加 2 谐波使电能利用率减小 谐波使得系统中的无功增加 使得系统视在功率或电流增大 这些无功将 产生附加的损耗 从而使发电机 变压器等容量增大 3 谐波使电网的可靠性下降 谐波可能会使电力系统发生串 并联谐振 严重时会导致重大事故 4 谐波严重时会对电气设备产生强烈的干扰 5 谐波对通信的干扰 1 3 电力谐波的治理方法 总体来看 抑制电力系统中的谐波除了从技术上采取合理有效的措施外 还可以从管理 法规以及制度等方面采取综合措施 从工程技术角度来看 抑 制谐波的途径主要有两种 主动治理和被动治理 1 主动治理 5 6 刀 就是使谐波源不产生谐波或减少谐波源产生的谐波 从装置本身进行改善来看 研究开发新型变流器 尽量满足其功率因数接近于l 使得其降低产生或基本上不会产生谐波 且不消耗无功功率 通常采用的方法 有 采用多重化技术 脉宽调节整流器和功率因数校正器等 此种类型的方法 仅适合于电力电子装置是主要的谐波源 2 被动治理 也就是说从整个系统来看对谐波源进行补偿和滤波 装设补 2 第一章绪论 偿装置或者采取措施阻止电力系统的谐波注入负载 此种方法比较适用各类型 的谐波源 被动治理是当前非常有广阔前景研究方向之一 1 3 1 主动治理方法 1 增加交流器相数或者脉冲数 2 改变谐波的配置或者其工作方式 3 使用谐波叠加注入 4 使用多重化技术 5 采用或设计出高功率因数变流器 6 采用脉宽调制技术 1 3 2 被动治理 滤波与补偿方法 1 加装无源滤波器 通常情况下把电容 电阻和电抗进行串并联 他们的不同组合就构成无源 滤波器 该装置在电网中为谐波提供一个低阻通道 实现滤波作用 其具有如 下优点 经济性 简单 高效 维护方便和运行可靠等 2 加装静止无功补偿器 装设静止无功补偿装置 用来补偿系统中由谐波产生的无功功率 从而可 以提高功率因数 近年来开发出来的以g t o 构成的换向变流器称为静止无功发 生器 次装置既能够向系统提供超前的无功功率 又能够向系统提供滞后的无 功功率 若想只单纯进行无功补偿 可以采用移相多重联结的方法来减少其补 偿电流中的谐波 加之适当的控制方法 静止无功补偿器能够在补偿无功功率 的同时还可以对谐波电流进行有效补偿 3 采用有源电力滤波器 这种装置是一种对谐波和无功进行动态补偿的有效方法 该设备优点有 对不同频率的谐波能够同时治理 在此同时还能对无功进行补偿 而且动态性 能较好 一般不会出现串并联谐振 因此不会使谐波放大 基本上不易受电网 结构等因素影响 采用有源电力滤波器来进行谐波治理和无功补偿是目前的发 展趋势 3 第一章绪论 1 4 无功补偿方法 补偿方案和补偿器的类型不少 归纳有以下几种 1 同步调相机补偿 它的工作原理与空载运行的同步电动机 s j 相当 它既能补偿固定的无功 又 能动态补偿变化的无功 2 静止电容器1 9 1 优点 方便维护 投资少 随着需要变化改变装设容量 安装方式灵活多样 基本可以取代同步调相机 不足之处t 只能补偿固定的无 功 可能和部分系统发生谐振 3 静止无功发生器原理通过调整自换相桥式电路交流侧输出电压的大小 和相位 使其吸收或发出无功电流 实现无功动态补偿f l o 1 5 国内外混合型有源滤波的研究现状 当前针对混合型的研究主要在如下方面 1 谐波检测理论的研究 瞬时无功功率理论的提出 它了传统的以改进了传统意义上的定义平均值 可以实现谐波在线检测和补偿 1 1 8 1 把该理论作为基础 在很大程度上促进了谐 波和无功补偿装置进步 2 进一步降低补偿装置相对于负载装置的容量 有源电力滤波器的成本远远大于相同容量的无源滤波器 为见效投资成本 我们可以通过降低它的容量 可以通过把有源和无源混合使用 3 控制系统的进一步简化 为了能实时产生补偿电流并及时去补偿谐波 凭借数字信号处理d s p 功能的 强大 为检测控制电路 运算补偿电路提供了便利 1 乒2 0 1 4 补偿装置的多功能化 广大学者越来越关注并倾向研究补偿装置的多功能化 同时他们的研究也 取得了很好的成果 2 i 2 2 1 1 6 本论文的主要工作 本论文试图希望通过对某一拓扑结构的研究的同时 还对改善系统稳定性 和减小容量等方面作了深入的研究 本论所做的主要工作如下 4 第一章绪论 1 深入研究分析了有源电力滤波器的基本工作原理 和传统无源滤波器进 行比较 充分表明有源电力滤波器在无功补偿和治理谐波方面的越势 阐述了 它的特点以及拓扑结构 重点论述了并联型的原理及模型 2 对有源电力滤波器的关键参数进行了的深入研究 分别详细地对谐波检 测和补偿控制方法进行了研究分析 横向比较和总结 分别介绍了以瞬时无功 理论为基础的p q 法和勿 幻法 分析了它们的优缺点 3 本文分析比较了各种类型谐波电流补偿控制方法 分析得出他们的优缺 点和应用场合 4 对整个三相系统进行了仿真研究 仿真表明 三相混合型并联有源电力 滤波器能够对谐波和无功电流有效地实时地进行补偿 补偿效果较好 第二章 有源电力滤波器 a p f 的基本原理和拓扑结构有源电力滤波器 a p f 的基本原理 和拓扑结构 5 第二章有源电力滤波器 a p f 的基本原理和拓扑结构 第二章有源电力滤波器 a p f i 的基本原理和拓扑结构 2 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器基本原理刚冽如图2 l 所示 图中 交流电源用巨表示 负载是本问中主要的谐波源 整个系统由补偿发生电路和指令运算电路两大部 分构成 图2 一l 有源电力滤波器原理图 工作原理是 通过指令电流运算电路检测负载中的谐波电流和无功电流 然后把这些电流信号转换成相应的变流器触发信号 再通过电流跟踪控制电路 形成触发脉冲去驱动变流器 使变流器产生的电流为谐波电流和无功电流电流 之和 但极性相反 再注入到电网 与电网中的谐波电流和无功电流相抵消 因此最后只剩下基波有功正序电流分量 如果假设i t 代表为补偿电流 代表示为负载电流 t 代表示为电源电流 代表为谐波分量 五 代表为基波分量 上述原理可用如下的一组公式描述 t 屯 2 1 屯 屯l 么 6 2 2 第二章有源电力滤波器 a p f 的基本原理和拓扑结构 l z 鼬 i l i l 七i c t 仉 2 3 2 4 式中 c 一负载电流的基波分量 若对负载谐波和无功同时补偿 那么只要增加一个与无功分量 极性相反 的量就可以 通过调整公式后来进行描述可以表示为 屯l i l l i l l 口 2 5 t i 6 6 6 一 一 t 图3 6 规则采样示意图 若要逆变器输出任意波形 有如下关系式 与笋 匆 p 钐 p 叫 式中 a 调制比 z 载波周期 o 一调制波 6 调制后的脉冲宽度 由式 3 1 可推出等式 6 等 1 口 掰瑚d 8 3 2 7 在一个三角载波周期内 脉冲两边的间隙宽度6 为 肚壹 瓦一6 2 等 1 a u j 3 3 假设不考虑死区的影响 通过对s p w m 波形进行傅立叶分析发现其所含的谐 波主要是角频率为魄 2 婢及其附近的谐波 p 删波形中所含的主要谐波的频率 比基波频率高得多 所以比较容易滤除 以上都是针对调制信号是正弦波的情况进行的分析 当调制信号并不是正弦 3 2 第三章有源电力滤波器的控制方法 波 而是其他所需要的波形的时候 也是可以得到与之等效的p w m 波的 该控制方式具有开关频率固定且等于三角载波的频率的特点 这一特点便于 高频滤波器的设计 同时 输出电压中谐波的含量也比较较少 主要为固定开 关频率的谐波成分 它可以通过一定的滤波电路进行消除 故其对系统的影响 较小 3 2 2 三角波调制方式 三角波调制法原理框图如图3 7 所示 它不是将调制后的实际补偿指令信号 e 直接与三角波进行比较 而是将 与扛的偏差 c 经比例放大器或者比例积分 放大器放大后 再与高频三角调制波进行一个实时的比较 从而得到不同时刻 逆变器的开关状态 如果三角波信号值比馘值大 控制电路就减小i 值 使 之 值上升 反之 控制电路就使0 值增大 使馘值下降 通过控制 值跟踪三角 波信号的途径实现实际电流对补偿指令信号的跟踪 此时a p f 变流器输出的参 考电压为 u k e t 2 4 式中 l 比例系数 可由p i 控制器实现 比例 1 田一信 e l 疋 f c一 积分 一鼍 一 放大 器 三角波7 勺4 弋氏 图3 7 传统的三角波比较方式 该方法的运用有利于简化器件的选择和器件保护的设计 而且动态响应性 能好 电路简单 电力电子器件的开关频率是固定的 对高开关频率的系统有 较好的控制特性 但是由于逆变器始终处于高频工作状态 其输出波形中含有 与三角载波同频率的高频畸变分量 导致开关损耗比较大 在功率较大场合的 应用中受到一定的限制 3 2 3 滞环比较电流控制 滞环电流比较控制属于一种非线性闭环电流控制 是目前应用非常广泛的 一种控制方法 它的原理是利用滞环比较器形成一个以0 为中心 以h 和 h 为 上下限的滞环或死区 通过把蠡和e 差值控制到规定的滞环宽度范围之内的途 3 3 第三章有源电力滤波器的控制方法 径 来控制逆变器的开关动作 在a p f 中 当补偿电流指令与实际输出之间的 差超过预先设定的允许误差时 主电路中的开关将根据驱动电路发出的脉冲产 生对应的动作 改变a p f 的输出电流 调整跟踪指令值 总而言之 滞环电流 比较控制是将实际电流与指令电流的上 下限进行比较 然后以它们的交点作 为开关动作点 滞环比较器 jl i t 融从一 p m 一吲 一 1 1 图3 8 滞环电流比较控制原理图 滞环电流比较控制的原理如图3 8 所示 图中 将f 与c 进行比较产生误差 a 假设h 为误差上限 一h 为误差下限 当误差 丘大于h 时 开关函数s 为 l 即产生对应开关管的导通信号 使得对应相的补偿电流增大 以靠近指令 从而减小误差 反之 当即 t 小于一h 时 开关函数s 为一1 则开关管关断 实际输出电流减小 滞环控制法的优点是硬件电路组成简单 响应速度快 可以实现实时控制 因为整个过程不使用载波 所以输出电流中不会含某些特定频率的谐波分量 其不足之处在于检测信号所需的传感器必须具有很宽的频带 开关频率也不是 固定的 当环宽过大时 开关的动作频率会降低 导致跟踪误差增大 如果环 宽过窄 跟踪误差能够得到减小 但开关的动作频率又升高 从而导致开关的 损耗变大 严重时甚至可能超过可关断器件所允许的工作频率范围 致使电路 无法正常工作 这就要求设计人员在实际工程设计中要综合考虑 3 2 4 定时控制的瞬时值比较方法 如图3 9 所示为该种方法的原理图 该方法 是在上一种方法的基础上利用 一个定时控制比较器代替前面所阐述的滞环比较器 在任何一个周期内都对 t 进行判断一次 判断结果使得调节信号在大于一个周期时间之外才可能导致会 发生变化 器件频率小于或等于时钟频率的一半 同时对器件最高工作频率进 行了限制 由此可以用来避免开关频率过高 第三章有源电力滤波器的控制方法 号 图3 9 定时控制的瞬时值 3 2 5 单周控制 单周控制 o n ec y c l ec o n t r o l 简称为o c c 理论是加利福尼亚大学 k m s m e d l e y 博士于1 9 9 1 年提出的 它是一种通用型非线性大信号控制方法 对开关电路的控制特别适合 它的基本原理是在每个时钟周期内强迫开关变量 的平均值与参考量的平均值相等或成比例 单周控制的开关频率是固定的 这样 既达到改善输出波形的质量的目标 又降低了输出波形的谐波含量 这一特性恰好克服了p w m 技术固有的缺点 单 周控制的开关变量的平均值在一个开关周期内严格跟踪参考值 而且开关变量 平均值与参考值之间既没有稳态误差 也没有暂态误差 此外 单周控制技术 还具有动态响应快 鲁棒性能优越 抑制电源扰动能力和抗负载扰动能力强等 优点 3 2 6 无差拍控制 无差拍控 0 d e a d b e a tc o n t r 0 1 是以微机或d s p 芯片为基础的一种p w m 控制 方法 它是在电流滞环比较控制技术的基础上发展起来的 它以电流误差等于 零作为它的控制目标 根据第k 个时刻的参考值和实际值计算出的第k 十l 时刻 的电流参考值以及各种开关状态下逆变器输出值三者的比较情况 从中选择使 电流误差最小的开关模式作为第k l 时刻的开关状态 它是根据系统的状态方 程和输出的反馈信息推出下一个采样周期的开关时间 是一种预测控制方案 该方法虽然可以对电流的突然变化作出快速响应 比较适合快速暂态控制 但 是它的计算工作量很大 并且对系统参数有比较大的依赖性 所以 对于a p f 这样一个非线性 多变量的系统 无差拍控制法还是有它的局限性 3 5 第三章有源电力滤波器的控制方法 3 2 7 滑模变结构控制 滑模变结构控制是5 0 年代初在前苏联发展起来一种控制方法 由于该方 法对系统的变化和外部干扰不敏感 具有很强的鲁棒性 近年来也逐渐在电力 电子装置和有源滤波器的控制中得到应用 这方法的最大特点在于控制的不连续性 具有一种使系统 结构 随时间 变化而变化的特性 它是利用高速开关将系统的相轨迹引导到一个由设计人员 所选择的可到达的曲面s x 0 上 若满足8 5 0 的条件 便称超曲面s x 户0 是可 到达的 在系统的状态向量到达曲面 就会被约束在s 玲 o 的空间中作上下运 动 且运动的高频率高 幅度小 称谓 滑模运动 这时 系统的动态品质只 与切换面的参数有关 而系统参数的摄动或扰动对它无影响 这种特性比鲁棒 性更进了一步 称为完全鲁棒性或理想鲁棒性 从上面的分析可知 直接影响着滑模运动动态性能的是切换面 所以 在 变结构控制设计中 切换面s x 的选择是否合理就至关重要 由于它的设计思想 是利用 开关 变更控制律 所以 具有不断改变系统结构的特征 它的出发 点不是基于线性系统 而是考虑含有非线性系统在内的一般系统 所以 这种 控制方法它可以用来处理非线性问题 当然对有源滤波器也是适合的 只是滑 动超平面的s x o 的选择是把它应用 至t j a p f 设计中的主要困难 况且对于不同的 系统来说 滑动超平面的s x 户o 也是不同的 3 3a p f 直流侧电压的控制 3 3 1 直流侧电容电压的控制 为了使得变换器能够正常工作 设法使得直流侧电容器上的电压值是一个固 定不变的值 以确保每个桥臂上的二极管的反向偏置 因为产生的补偿电流的 变化性和系统损耗的存在 这将会在某种程度上使电压衰减较快或容易引起波 动 因此我们必须对它进行适当的控制 第三章有源电力滤波器的控制方法 图3 1 0 包括直流侧电压控制环节的指令电流运算电路 如图2 1 0 所示 是直流侧电压 的给定值 是 的实际反 馈电压值 它们之间的差值使用p i 调节后得到信号 然后把它与有功电流 相加 则在信号e 中就会包含有功成分 从而使得补偿信号中也就会包含一 定的有功成分 从而可以达到实现能量在直与交流侧之间进行交换 维持u 2 不 变 3 4 本章总结 本章从理论上分析讨论了a p f 的几种控制策略 然后分析比较它们的优缺 点 经过综合考虑选择了三角波调制法作为本文的控制方法 然后为了维持直 流侧电压不变对它进行控制 3 7 l 赫 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 4 1 总体方案 传统的无源滤波器是采用一组单调谐l c 滤波器和高通滤波器共同完成谐波 的滤除 是国内外工程实践中广泛采用的滤波手段 但它的阻抗特性受系统参 数的影响较大 难于保证理想的滤波特性 另外 无源滤波器与系统有发生串 联或并联谐振的可能 从而导致谐波放大 甚至毁坏设备 而并联型有源电力 滤波器是通过藕合变压器间接并入系统 不会对系统正常运行造成影响 而且 投切方便灵活 各种保护简单 但是如果只用并联型有源电力滤波器来消除谐 波 又要求有源滤波器的容量要很大 从而导致工程造价高 设备结构复杂 功率损耗高及电磁干扰等一系列问题的发生 本文针对单独使用传统的无源滤波器和单独使用有源电力滤波器存在各自 的不足 特提出将有源滤波器与无源滤波器串联后再与非线性负载并联的混合 滤波方案 充分发挥它们各自的优势 尽量消除它们的缺点 扬长补短 既减 小了有源滤波器的容量 降低了成本 又解决了绝缘问题 方案中的a p f 采用 电压型逆变器 图4 1 所示为并联混合型有源电力滤波器的拓扑结构 图中谐波源为三相桥 整流器 l c 无源滤波器是针对负载谐波源的主要谐波分量设计的 主要用于滤 除5 次 7 次及高次谐波 以减小有源电力滤波器的容量 而有源电力滤波器在 这里仅用来改善系统的性能和抑制可能发生的谐振 它承担的补偿分量很小 在这种方案中 有源电力滤波器并不承受电网的基波电压 基波电压加在无源部 分电容器上 所以 可大大减小有源部分装置容量 图中 z l 代表系统阻抗 玑为系统电压 无源滤波器由厶 g 厶 c 7 厶 c 兄等组成 它们分 别构成5 次 7 次单调谐滤波器和高通滤波器 承受了绝大部分的电网电压 负载为带感性负载的三相可控整流桥 以为逆变器的直流侧电压 逆变器 交流侧电感l 开关管和直流电压源睨构成一个电流控制电压源 产生与电源 电流中谐波分量成比例的电压 运行中 通过控制其输出 可以使负载谐波电 流全部流入交流器 从而提高无源滤波器的滤波效果 获得良好的滤波性能 在理想情况下 补偿装置公共连接点的基波电压是全部落在l c 电路上 这样 3 8 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 有源补偿逆变器的基波电压就为0 它所承受的就只有谐波电压 从而可使得逆 变器的容量显著降低 指令电流运算电路用来检测分离负载电流中的谐波及无 功分量 p w m 控制器根据指令信号产生电压脉冲序列 以此控制半导体器件i g b t 的开通和关断 余垒息垒2 垦 l zs z 生 j u 岁 7 介2 z l 厂y n y 7 绉尉耋 z l屯 厂y 一y 一 y 7 z zsz 厂 厂 厂 图4 1 并联型混合有源电力滤波器的结构图 叱 一 4 2 混合滤波装置的等效电路 图3 2 所示装置单相等效图 设z 1 表示为电源阻抗 z 表示为l c 滤波器的 总阻抗 坼表示为装置安装地方电压 电流源厶表示为谐波源 受控电压源 表示为有源电力滤波器等效电路 采用一般控制 使得受控电压源满足 u t c i5 ho 分析该装置的补偿原理如下 4 2 1 不接有源滤波器时 当有源滤波器未被接入电网时 也就是说c o 使用l c 滤波器滤除谐波电 3 9 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 流 补偿特性与z l 和z 2 有关系 谐波电流的大小可计算为 乙 矗厶 件 假如i z l i 0 也就是说电源阻抗很小 当发生并联谐振 1 z l z 2 1 o 时 将导致谐波放大 即负载产生的谐波比流入电源中的谐波要小 l h u 矗 i z 2 c a d 图4 2 混合滤波装置的单相等效电路图 4 2 2 接入有源滤波器时 把有源滤波器接入电网后 迫使负载谐波流入l c 滤波器 从而使电源中不 含有谐波 此刻 基波电压并未加在有源电力滤波器上 通过这种方式有源滤 波器的容量可以得到大大减小 那么 谐波电流的大小计算式就可以得到为 糟 嘉厶 去 志气 因此 谐波电压也可以计算出来为 u t us h is h z t 由式 4 一1 可以看出 当假如只对谐波电流 进行补偿时 o 从而 此时的谐波电流大小就能表示为 厶 赤毛 同理 谐波电压就为 啪一热气 4 3 如果电源为正弦 4 4 4 5 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 等效的受控电压源以 厂 7 吣c i h 赤厶 4 6 对于j 妫而言 根据 3 4 所得结果 图4 2 中的 a 和 b 电路是等效的 由 图 b 可知 它相当于把电阻c 串联在z 1 支路上 若c 远小于l z 2 i 则谐波电流 将流入l c 滤波器 若c 远大于i z l l 则由c 值的大小来决定 若通过选择适当的 c 值 可以避免发生谐振 4 2 3 混合系统的滤波特性 假设不带负载 i h 0 谐波的大小为 i h 赢 4 7 谐波电压为 毒岛c 4 8 z 1 z 等效的受控o g l 玉 n 以 万毒石 4 9 等效电路如图3 2 c 所示 如果c 大于l z l z 2 l 则有源电力滤波器将要 承担谐波电压 从而避免了谐波电流注入l c 滤波器 当c 专o o 时 系统理想的 滤波特性就可以用下式表示 i h 0坼 u u k 厶z 2 4 1 0 通常情况下c 值选择在2 8 之 间 滤波效果比较好和系统较稳定 4 3 无源滤波器的参数设计 混合系统参数包括无源部分和有源部分 其中无源部分由单调谐滤波和高通 滤波参数设计 它们的拓扑结构如图3 3 所示 4 1 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 a 单调谐滤波器 b 高通滤波器 图4 3 无源滤波器原理图 4 3 1 单调谐无源滤波器的参数设计 在混合有源电力滤波器中装设单调谐滤波器的目的是为了滤除非线性负载 产生的特定次谐波电流 此外还可起到无功功率补偿的作用 如图3 3 a 所示 该部分由电容 电抗和电阻串联而成 对于三相装置各 相都是相同的 所以我们只选择一相作为研究代表就可以 单调谐滤波器设计首先是要确定电容器的安装容量 因为滤波回路的总投 资在很大程度上由电容器的费用决定 所以电容器容量最小的设计方案一般就 是投资费用最小的方案 也就是说电容器容量的应按最小原则设计 根据电容 器容量最小的原则 如果u 表示为相电压有效值 厶表示为谐波电流有效值 基波电流有效值 则可以求得单调谐回路无功 11 q l u 厶 产u 6 4 1 1 v 刀玎v n 如果q 表示为谐波通道电容值 q l 表示基波无功 c o 表示为角频率 毛表 示为增值系数 那么电容值就可以计算出来为 c n 蒜 2 舯 疋 去 4 1 3 确定了电容器值后 我们就可以计算出电抗器值 r 1 k b 2 c o 2 c 4 2 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 品质因数q 通常取3 0 6 0 厶值定了后 再根据q 值从而可以确定出电阻 值兄 r 警 4 3 2 高通滤波器的参数设计 高通滤波器通常是指二阶的滤波器 装设高通滤波器的目的是滤除单调谐滤 波器最高调谐频率以上的高次谐波 所以 要确定高通滤波器的参数 首先要 根据单调谐滤波器的配置情况 再结合滤波对象的谐波情况 综合考虑确定高 通滤波器所要抑制的谐波次数 如图3 3 b 所示 通常由以下两个参数来介 定 1 二2 丽1 4 1 6 厶儿 o 肛素 4 1 7 五表示为截止频率 按照容量最小的原则 来确定电容值为 c c z 上式中 珥 i k n 指谐波的次数 最终可以由此确定电感和电阻 尺值按下式选取 1 尺 二 m c 式中q 通常表示为最高特征谐波角频率 电感值计算式为 l m r 2 c 式中m 在0 5 2 之间 m 值越小 损耗越小 通常取m o 5 4 1 8 4 1 9 4 2 0 4 4 有源电力滤波器功率开关器件的选择和容量的计算 4 4 1 有源电力滤波器功率开关器件的选择 选择合理功率开关器件至观重要 使十既满足性能指标 又降低成本 4 3 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 开关器件选择依据是 1 根据装置的容量和直流侧电压的大小选择器件的耐压水平和最大工作 电流 一般情况下 器件的耐压水平应选择为其最大工作电压的两倍 2 按照补偿谐波频率来选择器件的工作频率 器件工作频率的选择应根据需要滤除的最高次谐波的次数来确定 从理论 上 器件的开关频率越高 有源滤波器对谐波的补偿能力越强 但是开关频率 的增高又会使损耗增加 工作时器件对散热要求也越高 当前 应用于a p f 的开关器件主要有m o s f e t i g b t 和g t o i g c t 器件 等 进行选择时 首先要考虑的问题是工作频率和补偿容量 其次根据u 如值 的大小选择开关器件的额定电压 通过补偿电流j 选择额定电流 图3 4 为此 三种开关器件的开关容量与工作频率的关系图 从图中可看出 g t o i g c t 工作 频率在1 0 0 0 h z 以下 该类型不适合应用有源滤波器中 因此 我们可选择的开 关器件为m o s f e t 和i g b t 两类 通常容量小于2 m v a 选i g b t 容量大于5 m v a 选g t 0 通过对实际情况的考虑 本文选i g b t p v 图4 4 开关器件的容量与工作频翠 4 4 2 有源滤波器容量的计算 当前应用最多的有源电力滤波器的主电路绝大多数采用电压型 而极少采用 电流型 1 电容电压值通常情况下选取 3 e 表示为电容电压值 瓦表示为相电压的峰值 2 容量计算式 s 3 皿 其中 t 表示为补偿电流值 e 表示为相电压的有效值 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 上式中要注意的问题是 i 有源电力滤波器的容量与补偿电流的大小有关 因而与补偿对象的容量 及补偿的目的有关 2 主电路中功率开关器件的耐压由直流侧电压 决定 而 与e 的关系 由设计决定 一般要求 3 q 既为相电压的峰值 但没有固定的对应关 系 4 5 系统仿真与结果分析 a p f 系统是一个复杂的非线性 强耦合控制系统 要对它进行精确的理论 分析是比较困难的 而且新的控制算法应用于这样一个实际系统往往需要大量 的时间和精力 且不一定准确 通过仿真实验可以验证控制系统结构的正确性 加深对控制规律的认识和理解 由于有源电力滤波器的复杂性 对其进行理论 分析比较困难 所以 对a p f 系统进行计算机仿真研究有着重要的实际意义 4 5 1 三相并联混合型a p f 的仿真模型 图4 5 三相并联混合型a p f 系统的仿真模型 4 5 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 4 5 1 1 参数设置 当前在工业化实用的a p f 中 当a p f 的容量小于2 m v a 时 通常选择i g b t 和p w m 当a p f 的容量大于5 m v a 时 选择g t o 和并应用多重化技术 由于 本文研究的容量比较低 在2 m v a 以下 因此选择i g b t 器件进行仿真分析 i g b t 的优点 驱动功率小 开关时间短 安全工作区大 工作频率高等优点 仿真参数是影响仿真结果的重要因素 需要按照各自的参数设计原则 通 过大量的仿真实验 最后得出最理想的值 经过大量的仿真研究 得出仿真模 型中各部分参数设置如下 1 电源 选取三相电源线电压为3 8 0 v 频率为5 0 h z 甜 2 2 0 4 2s i n c o t u 6 2 2 0 4 2s i n t o t 一2 万 3 u 2 2 0 4 2s i n t o t 2 1 r 3 2 负载 非线性负载电路模拟带阻感负载的三相桥式全控整流电路 它作为非线性 负载 由触发电路 全桥全控整流电路 阻感负载组成 以6 0 度角的脉冲触发 晶闸管 其中 r 1 5 q l 4 0 0 m h 3 有源滤波器主电路输入电感 为了减少因为i g b t 开关动作引起的高频分量电流 选取适当输出电感l 值 经过反复仿真测试最后得输出电感值为3 5 m h 4 a p f 电容电压值和电容值 a p f 的工作 实际上就是电容的充 放电循环过程 在维持u 如基本不变 的情况下 电容量大小会影响电压波动 电容值越大 波动就越小 a p f 的补 偿效果就越好 但电容值也不能无限止增大 它一增大制造成本会相应上升 本人通过大量实验和仿真 a p f 电容电压值和电容值的最佳选择是 睨 1 0 0 0 v c 1 0 0 0 m f 4 5 1 2 谐波和无功电流检测方法的仿真模块 按照瞬时无功理论p q 法理论的原理图 通过运用m a t l a b 中的低通滤波 器 乘法和加法器等集成模块的进行仿真电路的搭建 建立起来了相应的仿真 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 模型如图4 6 图4 7 图4 8 所示 图4 6p q 检测方法仿真框图 图4 7c 3 2 变换模型 4 7 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 图4 8c 2 3 变换模型 混合型滤波系统的仿真模型中 洳和k 主要分别是输出电源电压和畸 变电流 4 5 2 有源电力滤波器三角波比较控制方式仿真 利用生成p w m 波的三角波调制控制方式 由此理论方法而得出的m a t l a b 仿真模型如图4 9 所示 图4 9 三角波调制法控制子系统仿真框图 4 8 第四章混合型滤波器的参数设计厦其仿真 在上图中 把输入的信号和三角波进行比较 然后利用延迟环节产生矩形 波 仿真算法中时间设定为05 s 时 选取o d e 2 3 t b 接入a p f 前后的仿真结果如图4 1 0 和图4 1 l 所示 图 a 为a 相电源电压波形图 圈 b 为a 相电源电流波形圈 图 c 为电压畸变时a 相基波电流f f t 分析 图4 1 0 耒接八艚f 之前的仿真结果 a山 芒j0苞 星 第四章混合型滤波器的参敲设讨厦其仿真 图 吣a p f 中补偿电流波形图 图彻经补偿后a 相电源电流波形圈 围 c 经朴偿后a 相基波电漉f f t 分析 图4 一1 1 接入a p f 之后的仿真结果 由图4 1 0 b 可知 因为未接入a p f 时 负载是非线性的 导致电源电流的 波形畸变严重 而图4 1 1 b 可以看到 接入a p f 后 电源电流波形基本成为 正弦波 而且与电源电压相位相同 图4 i o c 来接入a p f 时电压畸变时p q 检测法得到的8 相基波电流f f t 分 析 明显发生畸变的基波 从谐波分析图中可以看出低次谐波存在的比较多 总谐波所占百分数达到3 65 6 图4 1 1 为接入a p f 后谐波次数已经明显减少 言e 童n b邑 第四章混合型滤波器的参数设计及其仿真 并且基波中谐波含量仅为o 1 9 由此可以看出 三相并联混合型a p f 有良好 表现的谐波抑制 总之 仿真结果表明三相并联混合型a p f 应用是可行的 而从理论推导出 来控制模型也是正确的 4 6 本章总结 本章对三相并联混合型a p f 主电路拓扑结构及其参数进行设计 功率开关 器件的选择以及滤波器容量的计算 然后利用m a t l a b 仿真工具对并联混合型 a p f 进行仿真 仿真结果表明 三相并联混合型a p f 能够很好的补偿谐波电流 同时验证了该方法的可行性 5 l 第五章总结及展望 第五章总结及展望 5 1 工作总结 本人的主要完成的工作有 1 对a p f 治理谐波机理进行认真研究分析 阐述了补偿谐波和无功的基 本工作原理 给出a p f 的多种分类 分析了比较不同类型a p f 的结构特点 优 缺点及应用场合 2 阐述了以瞬时无功理论为基础的p g 法和f p 一 法 同时对a p f 的几 种控制策略进行了分析比较 采用了p q 法和三角波控制法 在此基础上进行 了仿真分析 3 用m a t l a b 软件对所建模型进行仿真研究 通过对仿真结果的分析 证明了本文所采用的检测和控制方法可以实时地检测出谐波和无功电流并能进 行有效地补偿 5 2 工作展望 由于作者本人水平有限和论文时间原因 本人只对a p f 进行了一些理论上 研究 要想能把它应用到实际工业中还需要我们进一步研究和探索 1 进一步降低补偿装置的容量 为了得到更好的性价比 就必须降低仿真的容量 目前的主要思路是将a p f 和p p f 混合使用 充分利用各自的优点 扬长补短 2 补偿装置的多功能化 a p f 本身除治理谐波和提高功率因数外 还可以用来补偿电压闪变 三相 不平衡等 这是a p f 的一个发展方向 实现一机多用 4 控制方法的数字化实现 只要利用d s p 来对a p f 实现谐波检测和控制为一体成为新的研究方向 目 前许多d s p 芯片已经集成了产生p w m 波形的端口 方便了a p f 的控制方法 5 2 致谢 致谢 本文是在我的导师魏萍副教授的指导下完成的 在此对魏老师表示感谢 在整个过程来看 从论文的选题到理论分析研究再到论文起草过程中 得到导 师细心指导和点拨 恩师治学严谨 知识渊博 宽以待人深深地影响着我 教 育着我 使我受益颇深 过去两年半中 同窗学友互敬互助 使我受益颇多 在此表示衷心的感谢 学业即将得以完成 更要感谢父母兄弟姐妹给予的理解和支持 感谢朋友给予 的关心和鼓励 他们为了我能顺利完成学业 在生活上和经济上给予我全力的 支持和关爱 本论文的完成与他们的无私奉献是分不开的 最后 向向百忙之中抽空审阅我的论文的专家教授们表示感谢1 5 3 王成 2 0 1 0 年1 月 参考文献 参考文献 l 王兆安 杨军 刘进军等 谐波抑制和无功功率补偿 m 匕京 机械工业出版社 2 0 0 5 2 叶忠明 吕征宇 钱照明 一种混合有源电力滤波器的研究 电力系统自动化 1 9 9 9 2 3 7 2 0 2 3 3 苑舜 韩水 配电网无功优化及无功补偿装置 匕京 中国电力出版社 2 0 0 3 4 沈龙大 许遐 电网高次谐波有源抑制装置的工业应用 电气传动 1 9 9 3 2 3 5 3 9 4 7 5 寿晓辉 电气化铁道电能质量与控制及应用研究 西南交通大学硕士学位论文 2 0 0 4 6 叶黎明 肖健华 电力系统无功补偿及谐波抑制智能系统 东北电力技术 2 0 0 2 6 2 9 3 1 7 徐永海 肖湘宁 杨以涵 电力系统谐波与无功功率综合补偿方式的研究 电力系统及其自 动化学报 8 叶忠明 董伯藩 钱照明 几种混合有源电力滤波器分析 电工电能新技术1 9 9 8 1 7 2 2 3 2 8 9 l g y u g u ie ta 1 a c t i v ea cp o w e rf i l t e r s i e e ei a s o c t 1 9 7 6 p p 5 2 9 5 3 5 lo 陈坚 电力电子学一电力电子变换和控制技术 第一版 北京 高等教育出版社 2 0 0 2 年 1l 罗世国 有源电力滤波器的研究 博士学位论文 重庆 重庆大学 1 9 9 3 1 2 王兆安 李民 三相电路瞬时无功功率理论的研究 电工技术学报 1 9 9 2 7 3 5 5 5 9 1 3 叶忠明 吕征宇 钱照明 一种混合有源电力滤波器的研究 电力系统自动化 1 9 9 9 2 3 7 2 0 2 3 1 4