（电力系统及其自动化专业论文）电网电压畸变对有源滤波补偿的影响.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 _- _ _ _ _ _ - _ _ _ 一 a b s t r a c t a st e c h n i q u eo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v e l o p s ，t h el o a dw i t hn o n l i n e a r , i m p a c t i v e u n b a l a n c e dc h a r a c t e r i s t i e s s u c ha sc u r r e n tr e c t i f i e r s ，f r e q u e n c y c o n v e r t e r s ，a r cf u r n a c e sh a v eb e e ni n c r e a s i n g l yu s e di np o w e rn e t w o r ki nr e c e n t y e a r s t h e yg e n e r a t el o t so fh a r m o n i c sa n dc a u s ed i s t o r t i o ni np o w e re l e c t r i c a l n e t w o r kc u r r e n t ( v o l t a g e ) p o w e rn e t w o r k sh a db e e np o l l u t e db yh a r m o n i c s ， w h i c hd oh a r mt oe l e c t r i c a le q u i p m e n t s h a r m o n i cp o l l u t i o nh a sb e e no n eo ft h e n o n n e g l i g i b l ep r o b l e m si np o w e rs u p p l ys y s t e m sa n dc a t c h e sp e o p l e s e y e a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) i s at y p ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c et or e s t r a i nt h e h a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t e st h er e a c t i v ep o w e rd y n a m i c a l l y t h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o ni s t h ek e r n e l p a r t o fa p f sc o n t r o l s y s t e m ，s ot h es t u d yo ft h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s i sr e g a r d e dh i g h l y b yp e o p l et h e r e f o r e n o w ，m a n yd e t e c t i o nm e t h o d si sp r o m i s e d t h a tt h ev o l t a gi s t h es i n u s o i d a lw a v e ，b u tw h e nt h ev o l t a g ei sd i s t o r t e d ，f e wd e t e c t i o nm e t h o d si s s t u d i e d i np a p e r , t w oc o m p e n s a t i o nm o d e l sb a s e do n t w o c o m p e n s a t i o n o b j e c t i v e sa r ei l l u s t r a t e d o n em o d e li sp u r el i n e a rr e s i s t a n c em o d e l ，t h eo t h e ri s c u r r e n tm i n i m u md i s t o r t i o nm o d e l t h ep a p e ri n q u i r e i n t ot w om o d e l s c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，w h e nt h ev o l t a g ei sd i s t o r t e d u p fd e t e c t i o nm e t h o d t h a ti s r e p r e s e n t a t i v e o fp u r er e s i s t a n c ea n db a s e df r y z ep o w e rt h e o r y i s i n t r o d u c e d a n dp q 、d e t e c t i o nm e t h o da n di p i qd e t e c t i o nm e t h o d t h a ta r e r e p r e s e m t a t i v eo fc u r r e n tm i n i m u md i s t o r t i o na n d b a s e do ni n s t a n t a n e o u sp o w e r t h e o r y t h ep a p e rd i s c u s s e si n f l u e n c eo fd i s t o r t i o n t h ep a p e rs i m i l a t et h eu p f d e t e c t i o nm e t h o dt ot e s tp u r er e s i s t a n c em o d e l sc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c w h e nt h ev o l t a g ei sd i s t o r t e d f o rp qd e t e c t i o nm e t h o d ，v o l t a g ed i s t o r t i o ni n f l u s e s t h ed e t e c t i o np r e c i s i o n ，s oi np a p e r , at y p ei m p r o v e dp qd e t e c t i o nm e t h o di s p r o p o s e dt h a ti sn o ti n f l e n tb yv o l t a g ed i s t o r t i o n 1 a s t ，b ys i m i l a t i o no ft w ot y p e s p qd e t e c t i o nm e t h o d s ，i m p r o v e dp qd e t e c t i o nm e t h o d t e s te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：v o l t a g ed i s t o r t i o n ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o n ； p u r el i n e a rr e s i s t a n c em o d e l ；c u r r e n tm i n i m u m d i s t o r t i o nm o d e l 西南交通大学四陶父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权西南交通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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在5 年解密后适用本授权书； 2 不保密影适用本授权书。 学位论文作者魏蜘许劾导狮躲弓鳓啼 r 期： z ，口伊歹z 乏日期：_ 萨6 、2 上。 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中做出了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文的创新点如下： 1 指出两种基于不同补偿目标两种补偿模型原理图，分析了两种模型在 电压畸变情况下的补偿特性。 2 针对电压畸变对p 口检测方法检测精度的影响，提出对电压进行预处 理的改进检测方法，通过仿真验证了改进检测方法的有效性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 电能做为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发 展水平的重要标志之一。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统 的规模日益扩大，电能紧缺的问题已逐步解决，但与此同时，用户对提高电 能质量的呼声也越来越高。 电力系统也是一种“环境，同样面临着污染，电网中的谐波电流和谐波 电压就是对电网环境的一种严重污染。电力电子装置是电网中主要的谐波源， 随着电力电子装置应用的日益广泛，电网中的谐波污染也日趋严重。另外， 大多数电力电子装置功率因数很低，给电网带来额外负担，并严重影响供电 质量。因此，抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术、电气自动化及 电力系统研究领域所面临的一个重大课题。 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 是一种用来动态抑制谐波 和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无 功电流进行补偿，克服了无源电力滤波器等传统的谐波抑制和无功功率 补偿方法的缺陷。有源电力滤波器补偿电流的检测和控制是决定其工作 特性的两个关键性环节，直接影响到它的补偿精度和补偿速度。因此研 究有源电力滤波器的实时检测方法有着重要意义i l 儿2 1 。 1 2 电压畸变的基本概念 在理想状况下，电压波形应是标准周期性正弦波，但由于电力系统中存 在着大量非线性阻抗特性的供用电设备，这些设备向公用电网注入谐波电流 或在公用电网中产生谐波电压，因此被称为谐波源。谐波源使得实际的电压 波形偏离正弦波，这种现象称为电压正弦波形畸变，通常以谐波来表征。电 压波形畸变的程度用电压正弦波畸变率来衡量，也称电压谐波畸变率m 】。 任何周期性非正弦波只要符合狄里赫利条件，总可以用一个基频正弦波 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 加上一系列其他正弦波和恒定分量表示。这些正弦波通常有着比基波小的幅 值和为基波整数倍的频率，称为谐波。国际上的通行定义是：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 的整数倍，故亦称之为高次谐波。利用f o u r i e r 级数可以方便地将周期性的 畸变波分解成恒定( 直流) 分量、基波分量及谐波，这样的分解适合于用数学 方法讲行定量分析。 供电系统中，习惯上认为电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形，其 数学表达式为： u ( t ) = 2 v s i n ( r a t 十口) = 4 2 u s i n ( 2 n f t + o f ) = 4 2 vs i n ( 2 n t t d - 口) ( 1 1 ) 式中u 为电压有效值；口为初相角；0 3 为角频率；f 为频率；t 为周期。 正弦电压施加在电阻、电感和电容这些线性无源元件上，其电流和电压 分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在 非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降， 会使电压波形也变为非正弦波。对于周期为t 的非正弦信号m ( 甜) ，在满足 狄里赫利条件下，可分解为如下形式的傅立叶级数： “协) = 口o + ( 口。c o s n t a t + b 。s i n n a t ) ( 1 - 2 ) 式中 口o - 去f “( 耐p 耐 = 刍“甜) c 。s n a t ) d , , 玩= 三聃耐) s i n g a t ) d 或 u ( a t ) - a o + c 。s i n q 甜+ 识) ( 1 - 3 ) 式中，q 、纯和a 。、b n 的关系为： c n = 厢 纸= a r c t g a 。b 。】 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 卫 = 巳s m 缈 坟= c 。c o s 织 在式( 1 2 ) 或( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率与工频厂相同的分量称为基波， 频率是基波频率大于1 的整数倍的分量为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频 率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况 也完全适用，把式中“( 甜) 换成f ( 耐) 即可。 定义n 次谐波电压含有率以舰以( h a r m o n i cr a t i o u 。) 表示为： r r -hru。=“x100( 1 - 4 ) ntr i i 式中以为第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ；u l 为基波电压有效值。 谐波电压含量u 定义为： f 一 u 日= u ：( 1 - 5 ) ln = 2 电压谐波总畸变率t h d , , 定义为： 觋= 关于谐波电流的定义与电 对于不同电压等级的电网 不相同。电压等级越高，谐波 对奇次谐波的限制1 】【4 】。 1 3 电压畸变的产生 电力谐波是随着交流电的出现，并由电力系统的非线性而产生的。早在 1 9 世纪末，当交流电以一种新兴的动力形式出现时，人们就发现了电力系统 中电压、电流波行的畸变问题，并对波形畸变的原因及抑制方法展开了研究。 发电机是公用电网的电源，在理想情况下，发电机输出电压波形为正弦 波。实际电机中，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此，感应电动势 不是理想的正弦波，输出电压中就包含一定的谐波。这种谐波电动势的频率 和幅值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，可看 成谐波电压源【3 】1 8 】【1 6 】。 d 也于 m 率严 变要 畸也波制谐限流的电波和谐 率次 变偶畸对 波 ，谐外。压另 同电 。 雷的严 义许越u 肢m 删 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 近3 0 年来，电力电子装置的应用日益广泛，使得电力电子装置成为最大 的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用 的整流电路几乎都是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为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污 染和功率因数滞后己为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路 也是严重的谐波污染源。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变 流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流，谐波电流流入电网， 改变了电网电压的正弦波形，使电压产生不同程度的畸变1 5 】。 1 4 电压、电流畸变的危害 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污染日 益严重，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 起人们的高度关注【5 】【7 1 。 谐波电压和谐波电流对电力系统的影响及危害，大概可以有以下几个方 面： 1 产生附加损耗，增加设备的温升。与基波电流相比，尽管谐波电流所 占的比例不太大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁芯的电器 设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加电力系 统的损耗外，还使设备温升增加，尤其是局部发热点的温升可能增加更多， 使设备绝缘老化加速。 2 恶化绝缘条件，缩短设备寿命。除附加发热影响绝缘寿命外，还因为 在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使 温升提高。 3 引起电机的机械振动。由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉 动转矩使电机发生机械振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩激 发而引起共振时，会损坏电机设备，甚至危及人身的安全。 4 无功补偿电容器组会引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。无功补偿 电容器与电力系统中的电感构成了局部电感、电容回路，它们的一些组合有 时会对某次的谐波电流起到放大的作用，加剧了谐波的危害。当其局部回路 的谐振频率与系统中存在的某次谐波频率相同或相近时，就会造成危险的过 电流和过电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 5 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。这些保 护和控制设备通常都是按照工作于所加电压或电流为工频正弦波而设计的， 谐波的存在使它们的正常工作条件受到干扰，工作特性改变，严重时会造成 误动作或拒动作。对计算机的干扰严重时使其无法正常工作。 一6 影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照 工频正弦波形而设计的，当存在谐波时将产生误差。 7 干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作。谐波的干扰会引起通 信系统的噪声，降低通话的清晰度。干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波 和基波共同作用下引起电话响铃，甚至发生危及设备和人身安全的事故。 1 5 电压畸变情况下有源电力滤波器研究的国内外现状 谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之 一。随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波的研究方向逐步转向有源电 力滤波器，并且有源滤波器得到了一定的应用，显示出了用有源滤波器进行 谐波抑制的优越性及其广泛的应用前景。目前有源电力滤波器的检测控制方 法主要是基于瞬时无功功率理论乜3 发展起来的。瞬时无功功率理论检测方法 的前提要求三相理想电压，然而由于电网本身以及大量含谐波的电流注入电 网，使电网电压时刻都在发生不同程度的畸变，因此在电网电压畸变的情况 下，研究有源滤波器的谐波治理显得更加重要。 电压发生畸变不仅对有源电力滤波器的控制策略产生影响，而且还会影 响有源电力滤波器的检测精度。因此，学者在电压畸变情况下，对有源电力 滤波器的研究主要体现在控制策略和检测方法上。文口1 提出了一种在非正弦 电源电压情况下补偿电流指令的计算方法，该方法基于同时对三相电压、电 流进行旋转坐标变换和投影变换，求得的补偿电流指令为非线性负载电流中 除了基波正序有功分量的全部电流分量。文n 们针对基于瞬时无功功率理论 f 。一t 检测法的锁相环电路在电压畸变的情况下不能准确的检测出相位，提出 了一种检测方法，该方法是通过对电压进行预处理得到准确的相位信息，来 减少检测误差。文1 指出在电压发生畸变的情况下，如果想获得理想的整功 率因数，必然会增加谐波的畸变率，如果对谐波进行完全补偿，必然不会得 到一个理想的功率因数。此文中采用了一种基于拉格朗日算法的优化方案， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 在满足畸变率的条件下得到一个比较理想的功率因数。这种方法可以补偿谐 波电流，又可以提高功率因数。 现在学者们对于电压畸变情况下有源电力滤波器的研究越来越重视，因 为它比较接近实际中的电压情况。 1 ：6 本文所做的工作 有源电力滤波器a p f 是一种动态补偿装置，谐波的检测是有源滤波器控 制系统的核心部分之，它对有源电力滤波器能否实时动态跟踪补偿起着关 键的作用。对有源电力滤波器检测方法的研究大多数都是以电源电压为正弦 基波电压为前提的，对电源电压畸变的情况研究的不是很多。 1 分别对畸变电压和有源电力滤波器的基础知识做了简单的介绍。分别 介绍了畸变电压的基本概念、危害及其产生；介绍了有源电力滤波的基本原 理、主电路结构和有源电力滤波器的分类。 2 指出两种不同补偿目标的补偿模型，纯阻性负载模型和电流畸变最小 模型，阐述了在电网电压没有畸变和有畸变两种情况下的补偿特性。在纯阻 性模型检测方法中，介绍了具有代表型的基于f r y z e 功率体系的整功率因数 检测方法，并且做了比较详尽的仿真说明纯阻性负载模型的补偿特性。在电 流畸变最小模型中，介绍了基于瞬时功率理论的p g 检测法和f 。一艺检测法， 并且阐述了畸变电压对两种检测方法检测精度的影响。 3 针对电压畸变对p 鼋检测方法检测精度的影响，提出一种改进的p g 检 测方法，并且对于改进方法分别在电源电压没有畸变和电源电压有畸变两种 情况下与传统p 鼋检测方法做了仿真分析比较。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章谐波治理和有源电力滤波器 2 1 谐波治理的措施 谐波治理的措施主要有三种嘲1 刀： ( 1 ) 受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波 干扰能力； ( 2 ) 主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波 源产生谐波； ( 3 ) 被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者 阻碍电力系统的谐波流入负载端。 2 1 1 受端治理措施 ( 1 ) 选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电 压的电网供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响，这必须在电网 规划和设计阶段考虑。 ( 2 ) 避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器 组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效的减小电 容器对谐波的放大保证电容器组的安全运行。 ( 3 ) 提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够 正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到影响。 ( 4 ) 改善谐波保护性能。对设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证 在谐波超标情况下，设备不至于损坏，但不能保障设备的正常工作。 2 1 2 主动治理谐波的措施 ( 1 ) 增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装置或利用相互间有一定 移相角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 流技术，但是装置更加复杂。 ( 2 ) 改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否 则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 ( 3 ) 采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多 个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置负 载成本较高。 ( 4 ) 谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源， 把谐波电流加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。 缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消 耗常常高达整流器直流功率的1 0 。 ( 5 ) 采用p w m 技术。采用脉宽调制技术，使变流器产生的谐波频率较 高、幅值较小，波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。 ( 6 ) 设计或采用高功率因数变流器，比如采用矩阵式变频器、四象限变 流器等，可以使变流器产生的谐波非常小，且功率因数可控制为1 。 2 1 3 被动治理谐波的措施 ( 1 ) 采用无源滤波器p f ( p a s s i v ef i l t e r ) 。在谐波源附近或公用电网节点装 设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿， 运行维护也简单。 ( 2 ) 采用有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。在谐波源附近和公用 电网节点装设并联型或串联型a p f ，可以有效的起到补偿或隔离谐波的作用， 并联型还可以进行无功补偿，但装置造价较高。 ( 3 ) 采用混合型有源电力滤波器h a p f ( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。 h a p f 兼具无源滤波器成本低廉和有源电力滤波器性能优越的特点，属于有 源电力滤波器的分支和发展。混合型有源滤波器的种类很多，大致可分为与 无源滤波器混合和其它变流器的混合两类。 2 2 无源滤波器 无源滤波器( p f ：p a s s i v ef i l t e r ) 也称为l c 滤波器，是由滤波电容器、 电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 当长的历史，其设计方法稳定可靠，有大量的实际工程经验可以参考。在交 流系统中，无源滤波器不仅可以起到滤波作用，而且还可以兼顾无功补偿的 需求。按照调协频率，无源滤波器可分为单调协滤波器、双调协滤波器、三 调协滤波器和c 型滤波器等嘲h 1 。 无源滤波器优点：结构简单、成本低，在吸收谐波基础上还可以补偿无 功、改善功率因数；维护方便、制造经验成熟。因此，p f 是目前采用最为广 泛的谐波抑制手段 但在实际应用中，无源滤波器因为其结构和工作机理上的原因，存在一 些难以克服的缺陷。概括起来主要有一下几个不足： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 滤波参数影响滤波性能。由于调谐偏移和调谐电阻的存在，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。l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。 ( 3 ) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之 后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且要根据高 次谐波次数的多少，需要设置多个l c 滤波电路。 ( 4 ) 滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的 运行工况随时改变，谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。 ( 5 ) 可能与系统阻抗发生串联谐振。无源滤波器可能与系统阻抗发生串 联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质 量下降。 ( 6 ) 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l c 网络中产生很大的谐波电流。 2 3 有源电力滤波器 有源电力滤波器作为谐波抑制的一个研究方向，越来越受到重视。与l c 无源滤波器相比，有源电力滤波器具有明显的优越性，如能对变化的各次谐 波和无功同时进行跟踪并补偿，补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响很小， 控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性等，因而受到了极大的重视。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 3 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器( a p f ) 基本工作原理如图2 1 所示1 1 。 图2 1 有源电力滤波器原理 图中i l ( t ) 为流入非线性负载的电流，一般为非正弦波，可展成傅立叶级 数为： t ( f ) = ls i n ( n w t + g o ) n - - - i = s i n ( 甜+ 仍) + i s i n ( n a x + t , o ) n = 2 = i a ( t ) + i h ( t ) ( 2 1 ) 式中( f ) 是基波电流，包括有功电流p ( f ) 和无功电流。( f ) ；i h ( t ) 是高次谐波 电流；l ，纯分别是n 次电流的幅值和初相角。如果a p f 同时进行无功补偿( f ) 还可以分解为： ( f ) = 1 1c o s o zs i n 弼f + 厶s i no lc o s 弼t( 2 - 2 ) = i p ( t ) + i q ( t ) 所以i l ( t ) 还可以写成： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 t ( f ) = i p ( t ) + i q ( t ) + i h ( t ) = 屯( f ) + f c ( f ) ( 2 3 ) 其中：i p ( t ) 为有功成份与供电电压同频同相；乞( f ) 为无功成分- 屯( f ) 为有用 电流成分；i a t ) 为补偿无用电流成分，这里称为广义无功电流。 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， 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流 发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无 功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图( 2 一1 ) 中，负载电流f ，( t ) 由 电网电流t 。( f ) 和a p f 输出电流共同提供，a p f 检测并分离出f ，( f ) 中的谐波电流 分量，通过适当控制电路，使主电路的输出电流t ( f ) 与谐波分量相等，即 i r ( t ) = 厶( f ) ，i i i 谐波e 自a p f 提供，电网只提供基波电流。若使屯( f ) = 。( f ) ，则 可同时补偿谐波和无功功率，补偿后的电网电流为和电网电压同频同相的正 弦波。 a p f 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， 补偿电流发生电路又是由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成 的。指令电路运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流 成分；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指 令信号，产生实际的补偿电流。 2 3 2 有源电力滤波器的主电路结构 ， 有源电力滤波器主电路由控制电路和主电路两部分组成：控制电路首先 检测出负载中的谐波电流作为指令电流e ，然后将a p f 实际补偿电流t 与指 令电流输入电流跟踪控制电路产生变流器开关状态信号s 幽，通过驱动电 路控制变流器功率开关器件的导通与关断；主电路为三相电压源变流器，直 流侧接有大电容，正常工作时其电压u 出基本保持不变。a p f 经滤波电感l 并联在电网上，输出电流用以补偿负载的谐波电流。图2 2 为一个典型并联 型三相有源电力滤波器系统的电路副2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 2 并联型三相有源电力滤波器系统电路图 2 3 3 有源电力滤波器的分类 u4 按照不同的划分标准，有源电力滤波器有多种分类的方法，分别介绍 如下凇3 ： 1 根据接入电网的方式不同，可以分为两大类：并联型有源电力滤波 器和串联型有源电力滤波器。 并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网，主要适用于电流型负 载的谐波、无功和负序电流的补偿。串联型有源电力滤波器与负载串联 接入电网，主要消除电压型谐波源对系统的影响。串联型有源电力滤波 器中流过的是正常负载电流，损耗较大；并且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比并联型有源电力滤波器复杂，因此 使用范围受到很大的限制。 2 根据主电路的贮能元件不同，可以分为电压型有源电力滤波器和电 流型有源电力滤波器两种。 电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，正常工作时其电 压基本保持不变。电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感， 正常工作时其电流基本保持不变。但由于电流型主电路的直流侧始终有 电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使 用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 3 根据主电路所使用的p w m 变流器数量，可以分为单个主电路有源 电力滤波器和多重化主电路的有源电力滤波器。后者可以提高有源电力 滤波器的容量，降低单个器件的工作频率。 4 根据接入系统的不同，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电 力滤波器。后者又可以分为用于三相三线制电路的有源电力滤波器和用 于三相四线制电路的有源电力滤波器。 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。因此，本文主要以并联的电压型三相有源电力滤波器为 研究对象。 2 3 4 有源电力滤波器的特性 l c 调谐滤波器抑制谐波，本质上是频域处理方法，即将非正弦周期电 流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。有源电力滤 波器则是在时域内对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿， 从而改善电网的电流波形。有源电力滤波器与l c 调谐滤波器相比有如下特 性1 凇3 ： ： 1 实现了动态谐波抑制和无功补偿，并可对频率和幅值都变化的谐波及 变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化具有极快的响应速度。 2 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连 续可调。 3 补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需的储能元件容量也不 大。 4 即使补偿对象的电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正 常发挥补偿作用。 5 受电网阻抗的影响小，不易和电网阻抗发生谐振。 6 能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响。 7 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可同时对多个谐波和无功源集 中补偿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章电压畸变对a p f 谐波检测的影响 3 1 谐波电流实时检测方法 目前，国内外学者已经提出了大量的谐波电流检测方法，可以把这些方 法分为频域法和时域法两大类，而这两类方法建立的基础则是功率的定义， 前一类方法是建立在平均功率基础上，而后者则是建立在瞬时功率基础上。 频域法主要包括带通滤波器检测法、基于频域分析的f o u r i e r 检测方法、 基于小波变换的检测方法等堙h 2 劓。 时域法主要包括基于f r y z e 时域分析的有功电流检测法和基于瞬时无功功 率理论的谐波电流检测方法等口7 1 。 ( 1 ) 用模拟带通滤波器检测的方法 该方法使用模拟滤波器来实现谐波电流检测。即采用陷波器将基波电流 滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相 减得到谐波分量。该检测法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低， 品质因素易于控制。由于滤波器中心频率固定，当电网频率波动时，滤波效 果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，这样要使滤波 器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的，并且这种方法也不能同时分 离出无功电流和谐波电流。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而 且检测出的谐波电流中含较多的基波分量，大大增加了有源电力滤波器的容 量和运行损耗。这种方法多用于补偿效果要求不高的场合，它已不能适应现 代电力系统的需求。 ( 2 ) 基于f r y z e 功率定义的检测方法 其原理是将负载电流分解为与电压波形一致的分量，将其余分量作为广 义无功电流( 包括谐波电流) 。 ( 3 ) 基于频域分析的f f t 检测法 该方法的基础是傅立叶级数分析，将检测到的畸变电流或电压进行傅立 叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。此方 法的优点是检测精度较高，缺点是需要一定时间的电流值，计算量大，需花 费较多的计算时间，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时计算有困难， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 不适合实时控制。以上是对稳态谐波的检测而言的，对于时变谐波的检测而 言，由于傅立叶变换存在着在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺陷 而使其难以实现对时变谐波的检测。 ( 4 ) 基于神经网络的谐波电流检测法 由于人工神经元网络具有自学习和自适应的能办，因此人们正在尝试将 人工神经网络理论应用到谐波电流的检测上。有些文献将人工神经网络理论 与信号处理中的自适应噪声对消技术相结合，提出了基于单个神经元的自适 应谐波电流检测方法。有些文献提出了基于多层前馈神经网络的谐波电流检 测方法。目前这一类方法主要处于仿真研究阶段，还没有进入实际应用口副。 ( 5 ) 基于瞬时无功补偿理论的检测方法 1 9 8 3 年，日本学者h a k a g i 等人提出了瞬时无功功率理论，利用此理 论，先检测出三相电压与负载电流并变换到筇坐标系下，再计算出畸变电 流的瞬时有功功率和瞬时无功功率，滤去基波分量后得到高次谐波瞬时有功 功率和瞬时无功功率，然后从中取出补偿电流，最后将它们变换到a b c 坐标 系下即得到了所需补偿的谐波电流。此方法是目前a p f 中应用最广泛的一种 检测方法，其优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，系统频率特性不 变，即使高次谐波增加，系统也不会过载，且不受电网参数和负载变化的影 响；缺点是成本高，系统损耗大。 ( 6 ) 基于d q 变换的谐波电流检测法 由于基于瞬时无功功率的谐波电流检测方法忽略了零序分量。另外，对 于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。为此有人提出 了基于d q 变换的谐波电流检测方法。在d q 坐标中，最低次谐波的频率为工 频的两倍，因此低通滤波器的截止频率f 1 0 0 h z 。通过d q 反变换，可得到 基波正序有功分量和无功分量，与负载电流相减，可获得负载电流的谐波分 量。这种方法同样可用于分解电压中的谐波。 ( 7 ) 对于同步检测法用于不平衡三相系统中无功和谐波电流的补偿，其 基本思想是分别考虑各相情况，并把补偿分量分配到三相中，统一确定各相 补偿电流。但是由于该检测法实现根据总平均功率确定补偿后电流，再计算 出补偿指令电流，而在计算补偿后电流时，不仅需要知道三相电路的平均功 率，还需要知道每个相电压的幅值，因此检测过程中的延迟较大，也仅适用 于三相电压均为正弦波的情况，若电压波形存在畸变，必将影响检测精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 | 3 2 有源电力滤波器两种补偿目标的模型 3 2 1 两种补偿模型 在有源电力滤波器检测方法中，有两种类型被广泛实用的补偿目标：一 种是将非线性负载与补偿装置看成一个等效的纯阻性负载，因此称基于此种 补偿目标的模型为纯阻性模型，此种目标比较有代表性的检测方法是基于 f r y z e 功率理论的整功率因数检测方法；另一种补偿目标是以补偿后电流波 形质量达到最佳为目标，也就是补偿后的电流波形尽可能的接近正弦波，因 此称为电流畸变最小模型，基于瞬时无功功率理论的p g 检测方法、，f 。一t 检 测方法都可以用这种模型描述。 图3 1 为纯阻性负载模型示意图。 在图3 - 1 中， 图3 1 纯阻性负载模型 屯一为负载电流 o ) 一称为广义有功电流 ( f ) 一为广义无功电流 图3 - 2 为电流畸变最小模型示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 1 ，( f ) 图3 - 2 电流畸变最小模型 图3 2 中， p 一为基波瞬时有功电流 屯一为基波瞬时无功电流 一为瞬时谐波电流 3 2 2 电压畸变情况下两种模型分析 在电源电压没有畸变的情况下，两种补偿模型检测目标都能使补偿后的 电源电流为正弦基波电流，补偿的效果完全一样。然而在电压畸变的情况下， 两种补偿模型的补偿效果存在着差异。 首先分析电压畸变时纯阻性模型的情形。畸变电压作用于非线性负载， 电源中的部分高次谐波也随之对非线性负载起作用，可以将畸变电压对非线 性负载的作用分为两种情况讨论，一种是负载电流包含所有的电压谐波，一 种是包含部分谐波。 第一种情况，为了方便分析假设发生畸变的电压含有基波和一系列谐波 ，l l ，补偿前的电源电流含有基波以及一系列谐波强和啦( 强嘞) ，也就是说电 源电流中包含与畸变电压同次的谐波和畸变电压中没有的谐波玛。基波电 压作用在非线性负载上，产生基波电流和谐波电流，这些谐波电流有的与电 压谐波同次，有的则不同次。同样谐波电压作用在非线性负载也将会产生与 电压同次的电流和与谐波电压不同次的电流。纯阻性负载补偿模型相当于电 压作用在线性负载上，因此要求最后的补偿电流波形与畸变的电压波形一致， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 如图3 一l 所示，与电压中谐波次数相同的电流谐波流回电源，不相同的电流 谐波将被补偿装置补偿掉。电源只是提供负载消耗的有功部分，包括基波有 功和谐波有功，而补偿装置只是补偿无功功率部分。 第二种情况是假设电压发生畸变，畸变的电压包含基波电压以及一系列 谐波电压，l i 和，电源电流包含基波电流以及一系列的谐波电流n l 和，在 这里假设谐波n l n 2 n 3 。其中7 1 2 是电流中含有而电压中没有含有的谐波，玛 是电源电压中含有而电源电流所没有含有的高次谐波。从纯阻性补偿模型的 补偿目标来看，补偿装置需要补偿电压中没有含有的次谐波，还要补偿电 流中不含有的次谐波，这样便增加了补偿装置提供的无功功率。 在三相系统中，当电网含有负序电压时，由于补偿后的电流波形与电压 波形保持一致，负序有功电流不能被补偿掉，因此电网也提供负序有功功率。 虽然采用纯阻性模型检测方法补偿后的电流存在谐波，但它不是由于负 载的非线性产生，而是由电压本身含有畸变的谐波产生的，因此不能要求用 户端来补偿这种谐波。如果用户端是线性负载，负载本身不会产生谐波，电 源电流中的谐波完全是由于电压畸变而产生的，无论是从计费的角度看还是 要求用户采取补偿措施，纯阻性模型对于用户来说都是合理的。 采用电流畸变最小模型的检测方法，能使补偿后的电流波形达到比较理 想的正弦波形，补偿装置能够同时补偿无功电流和谐波电流。当电压发生畸 变时，电源电流中含有与电压相同次数的谐波，负载也要消耗电压、电流同 次谐波的谐波有功功率，这部分被消耗的有功功率并不能像无功功率一样返 回系统，因此补偿装置需要提供消耗的谐波电流，也就是说补偿装置除了提 供广义无功功率，还要提供谐波有功功率。如果谐波有功功率由基波有功功 率部分转变而来的话，势必使得有源滤波器电容上的电压出现波动，会使主 电路和控制电路的结构更加复杂。电网要提供转化的功率，会使电网电流的 有效值增加，从而增加线损。也就是说，当电压发生畸变时，强迫非线性负 载和补偿装置变为另一种非线性负载，来保证电源电流为正弦波的要求。特 别是当用户为线性负载时，当电网电压有畸变的时候，基于电流畸变最小模 型的检测方法使线性负载强制转化为非线性负载，有源电力滤波器产生谐波 以满足电流正弦波形的要求，这样就显得更加不合理。然而采用瞬时无功功 率理论检测方法的有源电力滤波器在工程中得到了很广泛的应