（电力电子与电力传动专业论文）有源电力滤波的智能谐波检测与新型控制方法研究.pdf

a b s t r a c t w i mt l l ed e v e l o p m e mo fc o m e m p o m r ye l e c t r i c a lt e c l l i l o l o g y ，t h ep o l l u t i o no f p o w e rs y s t e ms u c ha sh a n n o l l i cw a v e s 锄dr e a c t i v ep o w e r sa r eb e c o 血n g 血c r e a s i l l g l y s e v e r e t h e s ep r o b l e m sa r et h r e a t e n i n gt h es a f - e t yo ft h eu s e r sf a c i l i t i e sa n dh a v e a i d u s e d m c hc o n c e mo ft 1 1 er e l a t e dp e o p l e a c t i v ep o w e r ：f i l t e ri sa ne 丘- e c t i v em e t l l o d o fe l 证1 m a t i l l gt h eh a n n o l l i cw a v e na l r e a d yh a sm a r 】【y 印p l i e si nt 1 1 ed e v e l o p e d c o u n t r i e s 觚di t sb a s i cm e o 哕h a sg r e wm a t u r e d d e s p i t eo ft h e s e ，m ea v a i l a b l e t e c l l l l i q u e si i lt h i s 丘e l ds t i l lh a v et h e i ro w nd i s a d v 柚t a g e s ，s om a r l yr e s e a r c h e r s c o m i i l i t 也e m s e l v e st o 曲p r o v et 1 1 ep e r f o m a n c eo fa p fa n dh a v ed o n eag 弦a t c o n t r i b u t i o n b a s e do na b o v ed e v e l o p m e l l ts t a t u s ，m i sp a p e rm a i l l l yd e a l sw i t hm eh 锄o i l i c w a v ed e t e c t i o na n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ei i l v e r t e ri i lt h ea p f 1 1 1 i se s s a ya d o p t e d a n 血t e l l i g e n th a 肌0 1 1 i cw a v ed e t e c t i o n 撕t 1 1 m e t i ca i l dp r o p o s e dan o v e lc o n t r o l 鼬r a t e g yo fm ec o m p e i l s a t 试gc m t e n tg e n e r a t i o n t h e s es t r a t e g i e sa r ep r o v e nt ob e e 伍e c t i v ea n db e n e f i c i a l i nt h ef i e l do 仆彻o n i cw a v ed e t e c t i o 玛t h e 撕t h m e t i cb a s e do nh o p f i e l dn e u r a l n 咖o r ki sa d o p t e dt 0d e t e c tm eh a 咖o i l i cw a v ea c c o r d i n gt ot l l et h e o d ，p r o p o s e db y m ef i o h n e rr e s e a r c h 既ap r o 伊锄i sw n t t e l lt or e a l 讫e l e 撕m m e t i ca i l dt 1 1 er e s u l t p r 0 v et h e l e o 可t ob ev a l i d i nn l ec o n t r 0 1o fm eg e n e r a t i o no fm ec o i n p e n s a t i o nc u r r e n t ，ip r o p o s e dm e i i l v e r s em o d e lc o 曲r o l t h e o r y s i i l c et h ei n v e r s em o d e lo ft l l ei i l v e r t e rc 锄n o tb ee a s i l y a sw e ua sa c c m a t e l yo b t a i n e d ，b pn e u r a ln e 似o r ki si i l t r o d u c e dt 0 印p r o a c ht h e i i l v e r s em o d e l a 缸e rt h en a i l l i n go ft h en e u r a ln 鲍v o r k ，w ec a l lc o n n e c ti tw i mt h e i 1 1 v e n e rt o g e tan e a r l yi d e a ll i i l e a rs y s t e m v a r i o u ss 岫u l a t i o n sa r ed o n eu n d e r d i 脏r e l l tc o n d i t i o n st op r o v et h i sm e t h o dt ob ee 脆c t i v e f i i ：【a l l y 柚a c t i v ep o w e rf i l t e r s y s t 锄i ss 曲u l a t e d ，t h er e s u l tp r o v e dt ob ef a v o r a b l e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ，h o p f i e l dn e u r a ln e t 、) l ，o r ki n v e r s em o d e l c o n 仃0 1 d s p 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：诹量支趣 签字同期：产呐? 年石月f 一同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：五侈超 导师签名： 签字同期：舢啊0 年月，同 签字同期： 王霹 j 弦式年6 u 月7 同 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代工业的快速发展，电力已经成为现代社会生产生活中最主要的直接 能源。随着电力电子技术的发展，电力电子器件及电路的应用日趋应用广泛。这 些电力电子装置在节约能源、提高生产效率和人们生活质量等方面起着重要的作 用。然而由于电力电子装置的非线性和多样性特点，这些装置或者从电网中吸收 非正弦电流而产生谐波电流，或者向系统中注入非正弦电压而产生谐波电压，大 量的谐波和无功电流注入电网，造成系统效率变低，功率因数变差，并对其它设 备和装置产生扰动，严重威胁电网的电能质量和用户设备的安全运行。谐波功率 增加了供电成本，使电力系统的附加装机容量增大，同时也降低了电气设备的使 用寿命。 理想状况下，电力系统运行时应该给用户提供标准的正弦波电压，并且电流 波形也应该和电压一样是标准的正弦波，而且相位相同。但是在实际应用中，由 于负荷的不断变化和负荷的多样化，电力系统的电压、电流和频率不可能维持恒 定不变。一般情况下，在电力系统中，发电厂线端电压一般具有良好的正弦特性， 但在接近负荷端，电压畸变率较大。对于某些负荷，电流只是一个近似的正弦波， 特别是对于电力电子功率换流器，其开关可将电流切为任意形状。但在大多数情 况下，畸变并不是任意的，多数畸变属于周期性的。 目前，谐波污染与功率因数降低己并列成为电力系统的两大公害。为了避免 谐波的危害，保持高水平的电能质量，不少国家和国际组织制定了限制用电设备 谐波的标准【2 1 。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 2 标准。i e e e 6 0 5 1 9 于1 9 8 1 年制定，并于1 9 9 2 年进行了修订，该标准是从电网的 角度来对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。i e c 6 0 5 5 5 2 标准则是 对负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。 i e c 6 0 5 5 5 2 标准于1 9 8 2 年制定，在1 9 9 5 年修订，修订后的标准为i e c 6 1 0 0 0 3 2 。 在我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批准的全国供用电规则 的规定，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。国家技术监督 局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准g b l 2 3 2 5 9 0 ( 电能质量供电电压允许偏差) 、g b l 2 3 2 6 ( 电能质量电压允许波动和闪变) 和 g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用电网谐波) ，该标准已于1 9 9 4 年3 月1 日起在我 第章绪论 国全面开始实施。 从用电方面看，随着高新技术产业的迅猛发展，各种精密仪器和敏感电力负 荷所占的比重日益增大，对电能质量的要求也越来越高。供电和用电两方面都有 提高电能质量的现实要求。这就使得以谐波治理为代表的电能质量提高研究成为 了电力行业的重要课题之一【3 】。 1 2 电力谐波的基本概念 1 8 2 2 年，法国数学家傅立叶( j f o u r i e r ，1 7 6 8 1 8 3 0 ) 指出f4 1 ，一个任意函数 都可以分解为无穷多个不同频率的正弦波信号的和。基于此，国际电工( i e c ： i n t e r n a t i o n a le l e c t r ot e c h n i c a lc o 衄i s s i o n ) 标准( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) 定义谐 波为：谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1 的h 次分量把谐波次数h 定义为： 以谐波频率和基波频率之比表示的整数。电器和电子工程师协会标准( i e e e 标准 5 1 9 1 9 8 1 ) 定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率 的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量正弦波 分量，其频率为基波频率的整数倍。 在电力系统中，人们总是希望交流电压和电流为工频正弦波形。以正弦波电 压为例，可以表示为 u ( t ) = 2 us i n ( 耐+ 秒)( 1 1 ) 式中，u 为电压有效值，伊为初相角：国为角频率，正弦波电压作用在无源线 性元器件( 如电阻、电感和电容) 上所产生的电流和电压仍为同频率的正弦波。但 是当正弦波电压附加在非线性负荷上时，电流就可能改变为非正弦波。对于周期 为t 的非正弦波信号u ( 研) ，在满足狄里赫利的条件下，可以分解为如下列形 式的傅立叶级数 “( 彩f ) = 口o + 口。c o s ( 以f ) + 巩s i n ( ，l 国f ) ( 1 2 ) 其中 口o - 去卜( 叫m f )铲击卜( 叫( 删川川 6 。= 去r 。巾f ) s 蚪川d ( 州 在上两个傅立叶级数中，频率与工频相同的分量称为基波，频率是基波频率的整 数倍的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。定义n 次谐波 电压含有率以舰虬( h a 珊o n i cr a t i o ) 表示为j ru 。：生1o o ，式中，u 为 ” u i 第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ：u 为基波电压有效值。谐波电压含量以定 义为= ，定义电压总谐波畸变率，t h d ( t o t a lh a 加o n i cd i s t o r t i o n ) 2 第一章绪论 为 ， 啦，= 边1 0 0 ( 卜3 ) rr u l 根据电压谐波分量的定义，同理可推广到电流谐波分量的定义。根据以上定 义可以明确谐波的基本性质，即谐波频率为基波频率的整数倍。在某些暂态现象 中，电力系统会出现非整数的分数次谐波，如间谐波、次谐波和分数谐波等。这 些概念与谐波含义完全不同，不在本文讨论范围内。 1 3 电力谐波产生的原因及危害 1 3 1 电力谐波产生的原因及分类 电力系统中的各种非线性元件是产生高次谐波的主要原因。按照非线性元件 的类型，电力系统谐波源可以分为两大类。 ( 1 ) 含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源 近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子装置应用日益广泛，由此带来 的谐波污染成为了电力系统中最严重、最突出的谐波源，是造成系统中谐波干扰 最主要的因素。现代电力电子设备普遍采用非线性的二极管、晶闸管、m o s 管， i g b t 等。这些非线性器件使负荷电流严重畸变，产生大量的高次谐波。 在各种电力电子设备中，整流装置所占的比例最大。由于交流电力系统是最 经济便捷的供电方式，所以大多数电子设备都是采用交流电网取得电能然后转换 对用户而言最方便的电能形式，而在其中通常采用一个直流储能环节作为两端变 流器的接口，而作为前端变流器的交直变换器大多数就是整流器。特别是晶闸管 整流装置采用移相控制，从电网吸收的是正弦波，从而给电网留下的是另一部分 缺角的正弦波，显然留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路， 在接感性负载时则含奇次谐波电流，其中三次谐波的含量可达基波的3 0 。接容 性负载则含奇次电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相 全控桥六脉整流，变压器原边及供电线路中含有五次及以上奇次谐波电流，如果 是十二脉冲整流器，也还是有十一次及以上奇次谐波电流。有统计表明：由整流 装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源。 ( 2 ) 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源 在这类设备中主要是指电弧炉、电机、变压器和交流电焊机等。电弧炉 在工业冶炼中应用十分广泛，它在工作是电极处于短路状态，由于电弧极不稳定， 不但消耗大量的无功功率，而且会产生大量的谐波电流，谐波频谱含量丰富。除 第一章绪论 产生谐波外还产生间谐波和造成电压闪变，而且电路实际运行十分复杂，随机性 很大。电机和变压器都是通过磁场来传递能量的，在理想情况下，磁场和磁化电 流成正比，当在电路中加上正弦波电压时将会产生正弦波电流，但是在现实中由 于用的磁材料的磁化曲线不是条直线，磁化曲线的非线性造成励磁电流畸变并 产生高次谐波。电机和变压器的励磁电流的谐波含量和铁芯的饱和程度直接相 关，即和其所加的电压有关。此外，在电机和变压器合闸投入运行过程、暂态扰 动、负荷剧烈变化及非正常状态运行时都会产生大量的谐波。电焊机则当于一 个变压器加一个电弧设备下，在使用过程中它将产生以上两种设备产生的谐波。 这些负荷都使电力系统的电流和电压产生严重畸变，并对电力设备和广大用户设 备及电子设备生产产生危害和干扰。另外，发电源质量不高也会产生谐波。发电 机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也难做到绝对一致和其他一些 原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 电力系统所产生的谐波有以下两类： ( 1 ) 暂态谐波。暂态谐波的产生是由于在电力系统中使用的电气开关操作所 引起，另外，电力系统或者使用电力的生产设备发生故障，也将产生暂态谐波。 ( 2 ) 稳态谐波。稳态谐波是由电力系统中非线性负荷所产生。这些非线性负 荷有： 1 ) 电流源谐波：大功率交流装置，如大型电解电源、大型电化电源、电力 机车、轧钢机械设备、中高频加热炉、电弧炼钢炉、频率变换器、通用变频器等。 这些用电负荷设备的共同的特点是使用了大功率的电力半导体器件。 2 ) 电压源谐波：含有铁芯的大容量变压器、电动机、电焊机、铁芯电抗器、 电压互感器等。 3 ) 其它像电视机、电池充电器、荧光灯等装置也会产生谐波，虽然单个装置 的功耗不大，但由于使用面广，数量很多，因此，它们给供电系统注入的谐波分 量也不容忽视。 在各种形式的谐波源中，电流源谐波对电网的影响最大，电压源谐波对电网 的影响极小。近年来变频调速控制系统应用越来越广泛，其对电力系统的谐波污 染不容忽视。 1 3 2 谐波对电力系统的危害 近几十年来，各类电力电子装置的迅速普及，公共电网的谐波污染日趋严重， 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 重视。谐波电压、谐波电流对电力系统的危害可以大致分以下几个方面m ： ( 1 ) 大量的谐波降低了发电、输电及用电设备的使用效率，增加了系统中元 4 第一章绪论 件的附加谐波损耗。大量3 次谐波流过中性线可能发生过热甚至烧坏中性线。在 电力系统中，因为趋附效应，高的谐波频率会增加了导线的谐波电阻。因此谐波 电流会增加线路损耗，并降低线路的传输能力。此外，在采用电缆的输电系统中， 谐波问题还可能引起浸渍绝缘的局部放电，加速绝缘老化，缩短电缆的寿命。系 统中的断路器也会受到谐波的影响，在谐波严重的情况下，断路器可能无法正常 工作以致损坏。谐波对电网的危害造成线路损耗外，更重要的是电网受到严重污 染，供电质量下降，危及到各种用电设备的正常运行。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。高频的谐波分量在变压器和电机的 铁芯中产生很大的涡流，这些涡流在铁芯中将会产生大量的热，增加磁场的附加 损耗。谐波对电机和变压器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，使变压器局部过热。有时谐波频率接近电机的固有振动频率时，会引 起电机的强烈振动。谐波使电热器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以 至损坏。 ( 3 ) 谐波还会引起电力系统中局部的并联谐振和串连谐振，从而使谐波放大， 增加附加损耗和发热，造成设备故障。电容器和电抗器是电力系统常用的设备， 电抗器和电容常用来补偿无功和消除特定的谐波但是电容器和电抗器组合也会 有个固有的特征频率。当谐波的频率接近或者和系统的固有频率重合时，系统就 会造成并联谐振或串连谐振，谐振电流会放大数倍或者数十倍，对系统设备构成 严重威胁。在谐波放大事故中，常常烧毁电容和电抗器。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量不准 确。电力测量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。 电力测量仪表测量的方式有多种，包括：磁电式、电动型和感应型以及新出现的 数字采样。各种测量方式不尽相同，但是在现实使用过程中，当波形畸变时必然 会带来测量误差。特别是感应型电能表，在i e e e 工作资料中曾经报道，当电压 和电流波形都畸变时，其记录误差可能达到2 0 。 ( 5 ) 谐波会对临近的通信系统产生干扰，或者产生噪声，降低通信质量：重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常运行。谐波干扰会引起通信系统的噪声， 降低通话的清晰度，严重时会引起信号的丢失。 1 4 谐波的抑制措旋 目前，谐波的治理有两条思路：第一是从谐波源方面考虑，即在装置设计时 就考虑减小谐波，如增加谐波抑制环节，增加整流装置的脉动相数、采用有源功 率因数校正技术、采用p w m 调制技术或软开关等先进的控制技术。相对而言，对 第一章绪论 谐波源本身进行改造是一种积极有效的谐波消除方法。第二种途径是加装谐波抑 制装置，即通过外部装置补偿或抑制谐波源产生的谐波，减少谐波源对电力系统 公共连接点其他负荷的影响，按照其采用的电路结构可以分为：无源滤波器方案、 有源滤波器方案和混合滤波器方案三大类。 ( 1 ) 无源滤波器 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，简记为p p f ) 是传统的补偿无功和 抑制谐波的主要手段。电力系统中并联无源电力滤波器是最主要的谐波抑制方案 之一，谐波补偿装置指的是l c 无源滤波器p a s s i v ef i l t e r ，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。在交流系统中，无源滤波器不仅可以滤波，还可以兼顾无功补偿的需要。 按照调谐频率，无源滤波器可分为单调谐、双调谐、三调谐、和c 型滤波器等。 无源滤波技术具有成本低、效率高、结构简单、维护方便、技术成熟而且可以耐 受高电压，容量可以很大并可以在滤除谐波的同时适当补偿无功功率。图卜1 是 单组的无源滤波器结构图，其中的两个反并联晶闸管只是起将无源滤波器并入电 网或从电网断开的作用。在工程实际中一般将滤波器分成几组，如图卜2 所示， 每组都可由晶闸管投切。这样，可以根据电网的无功需求进行投切，因此无源电 力滤波器可以断续可调的吸收容性无功功率。当无源电力滤波器用于三相电路时 可以是接法，也可以是y 按法，每一相都可以设计成如图所示的那样分组投切。 对于电感与电容的配置则需要根据实际情况来确定，对于三相电网而言要滤除的 谐波主要是5 ，7 次，因此配置电感与电容时，可以把它配置为5 次和7 次滤波 器，这样无源电力滤波器既可以补偿无功，也可以滤除谐波。因此，无源滤波是 我国目前广泛使用的谐波抑制手段。但是同时它存在一些难以克服的缺陷： 1 ) 谐振频率依赖于电网元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数 的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而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，因而l c 网络的设计较困难 3 ) 在电网电压存在谐波分量时，系统阻抗与p p f 之间可能发生串联谐振：在 特定谐波电流作用下，系统阻抗可能与p p f 发生并联谐振 4 ) l c 滤波器还会向网络注入多余的无功功率，并且可能对电力系统中传送 的载波信号产生干扰。 由此可见，单纯依靠无源滤波技术治理谐波己经不能满足要求。 6 第一章绪论 五 e l 图卜2 晶闸管投切 ( 2 ) 有源滤波器 a p f 的基本原理是从补偿对象中分离出谐波电流，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，即不存在谐振的问题。与p f 相比，其具体优点如下： 1 ) 具有一机多能的特点。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。 ，2 ) 谐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 仍然会取得良好的滤波效果。 3 ) 不会与系统发生串联或并联谐振，可以使己装载的p f 避免发生谐振。 4 ) 具有自适应功能，能对频率和幅值发生快速变化的谐波进行动态补偿。 t上三享一 第一章绪论 5 ) 由于装置本身能完成输出限制，所以不会因为补偿电流过大而过载。 6 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 7 ) 可对多个谐波源和无功源进行集中补偿。 ( 3 ) 混合型有源滤波器 为了实现大容量负载的补偿又具有动态补偿特性，可以将有源滤波器与无源 滤波器相结合进行补偿，构成混合型有源滤波器。 一 i 囱 孓 孓 l j t 上 ll j， ! = ：= 2 - 叩 乙 网 t i 滤波器l 上 ( a ) 与l c 网络并联的并联型a p f( b ) 与l c 网络并联的串联型a p f ( c ) a p f 与l c 谐振电路并联 眍 ( d ) a p f 与l c 谐振电路串联 图1 3 混和有源滤波器 图卜3 ( a ) 所示是采用并联型a p f 与无源滤波器并联的系统l c 网络组成高通 滤波器，有时还包括多组单调谐滤波器。a p f 补偿低次谐波和部分无功，l c 网 络补偿高次谐波和其余的无功成分。这种滤波器的优点： 1 ) a p f 的开关频率要求显著降低，便于采用低频率、大容量的开关器件。 2 ) 改变l c 网络的参数，可以在a p f 与l c 之间合理地分配需补偿的无功，并 选择适当容量的a p f ，实现系统的优化配置。 3 ) 通过a p f 的有效控制，可以抑制单独使用l c 滤波器时产生的谐振问题。 因此，这种混合滤波器得到了广泛应用。， 图卜3 ( b ) 所示是采用串联型a p f 与l c 滤波器并联的系统。由于串联型a p f 对谐波表现出高阻抗，对基波为零阻抗，一方面使电源侧的高次谐波电压不会对 负载产生影响：另一方面，负载的谐波电流只能流入l c 滤波器，不会对电网造成 影响。另外，由于a p f 的阻抗调节作用，可以抑制电网与l c 之间可能产生的谐 振。因此，串联型a p f 与并联l c 的形式，可以大大改善系统对谐波电压和谐波 l，： 第一章绪论 电流的滤波效果但由于串联型a p f 的上述缺点，制约了这种滤波电路的应用。 图卜3 ( c ) 、卜3 ( d ) 所示是有源滤波器通过l c 网络，再与负载并联的两种滤 波形式，称为并联混合型有源滤波器。 在图卜3 ( c ) 中，l c 谐振于基波频率，对谐波呈现高阻抗，电源的基波电压 由c 1 承担。滤波器除了补偿谐波外，对基波无功具有一定的补偿能力。 在图卜3 ( d ) 中，l c 网络由高通滤波器和多组单调谐滤波器组成，对基波呈 现高阻抗。滤波器只能补偿谐波，不能补偿无功，需要与其它滤波器配合，才能 实现谐波与无功的综合补偿。 两个电路的共同特点，是a p f 不承受电源的基波电压，因此容量大大降低。 a p f 相当于一个高次谐波电流源，通过l c 网络祸合到电网，以抵消负载产生的 谐波电流，同时抑制l c 网络与电网可能发生的谐振。 1 5 论文的研究背景、意义和主要内容 有源电力滤波器的发展现状如前所述，本论文针对现有的方法所存在的不 足，对有源滤波器的两个关键部分，谐波检测部分和主电路的控制部分进行了富 有创新性的研究。 本文提出的智能谐波检测方法能够弥补现有检测方法在某些方面的不足，比 如相对于f f t 法，本方法有更快的检测速度，没有理论上的系统误差。和基于瞬 时无功功率的方法相比，本论文所采用的方法能够检测任意一次谐波的幅值和相 位，而不是只能检测总体谐波，另外本检测方法更适用于单相。 鉴于现有有源滤波器主电路控制方法在一些方面的不足，比如滞环控制方法 存在控制精度与开关频率之间的矛盾，三角波调制法又会引入载波所在频率的谐 波，本文提出的控制方法不存在上述缺陷，因此控制性能较好。 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 概述了有源电力滤波器的发展现状、有源电力滤波的基本工作原理， 拓扑结构等。介绍了现有的有源滤波器谐波检测方法和主电路控制方法，并分析 了他们的优点和不足。 ( 2 ) 介绍了一种新型的谐波检测方法，即基于h o p f i e l d 神经网络的智能谐 波检测算法。在前人对该算法仿真验证的基础上，用t m s 3 2 0 f 2 4 0 型号的d s p 编 写程序实现该智能谐波检测算法。 ( 3 ) 提出了一种新型的主电路逆变器控制方法，即基于b p 神经网络的逆模 型控制方法，并对该方法在m a t l a b 和s i 删l i n l ( 中做了仿真分析和验证。 9 第二章有源电力滤波器 第二章有源电力滤波器 2 1 有源电力滤波器的发展、现状及有待解决的问题 2 1 1 有源电力滤波器的发展历程 1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文描述了向交流电网中注入3 次谐 波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的方法，但这种方 法不能迫使电源电流成为正弦波电流。尽管他没有描述一个完整的有源电力滤波 器，但文中所描述的方法可以认为是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文首次完整地描述了有源电力滤波 器的基本原理【5 】。但由于当时是采用线性放大的方法产生谐波补偿电流，损耗大， 成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业系统中应用。 1 9 7 6 年，l g u y g y i 和e c s r t y c u l a 提出了采用p w m 变流器构成的有源电力 滤波器。他们在论文中还讨论了有源电力滤波器的实现方法和相应的控制原理。 正是这篇论文确定了有源电力滤波器的基本概念，并建立了当今有源电力滤波器 的基本拓扑结构。然而，由于2 0 世纪7 0 年代电力电子技术的发展水平和大功 率可关断器件的限制，对有源电力滤彼器除了实验室研究外，没有任何进展。 8 0 年代后，随着电力电子技术和p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器 的研究开始活跃并快速发展起来。1 9 8 3 年，h a k a g i 等人提出的“三相电路的瞬 时无功功率理论”【5 】，极大地促进了有源电力滤波器技术的快速发展，并使之 走向工业实用化。此后不久，h a k a g i 等人又研制出7 k v a 有源电力滤波器实验 装置，用于补偿2 0 k v a 三相全控整流器产生的谐波电流和无功功率获得成功，其 实验结果证实了有源电力滤波器的可行性和实用性。此后的数年里，日本出现了 许多大容量及实现各种补偿功能的有源电力滤波器工业应用装置。 同时，在8 0 年代中期，混合型有源电力滤波器也取得了很大进展，如：1 9 8 8 年，p f p e n g 的串联a p f 加并联无源滤波器( p f ) 的h a p f ：1 9 9 0 年，h j i u i t 等的 a p f 与p f 相串联的h a p f ：1 9 9 4 年，h a k a g i 等的串联a p f 和并联a p f 混合使用 的h a p f 等等。9 0 年代后期，并联a p f 在日本、美国等国开始应用，用s i t h 实 现的加2 0 0 k v a 谐波抑制装置于1 9 8 8 年启用：用i g b t 实现的1 0 0 k v a 的a p f ，1 9 8 8 年用于对建筑物中的供电系统进行补偿。国外现在己经形成了5 0 k v a l m v a 的a p f 产品。 1 0 第二章有源电力滤波器 2 1 2 有源电力滤波器的发展现状 目前，国外有源电力滤波器的研究以日本为代表。由于其理论研究较早，有 源电力滤波器己经步入工业化应用阶段。自1 9 8 2 年世界上第一台g t 0 有源电力 滤波器在日本问世以来，日本已经有2 0 0 多台有源电力滤波器投入使用，最大的 一台容量达2 0 m v a 。有源电力滤波器作为消除电力公害，改善电能质量的有力 工具，在美国、日本等发达国家己经广泛用于国民生产的各个部门。随着容量的 逐步提高，其应用范围向改善整个电力系统供电质量的方向发展，越来越多的应 用反过来对理论研究起到了非常大的推动作用，新的理论研究成果不断出现。我 国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有论文发表。 9 0 年代以来一些高等院校和科研机构开始进行有源电力滤波器的研究。到目前 为止，有源电力滤波器在我国尚未得到工业领域的广泛应用，这与我们国家当前 由于大量电力电子装置的使用而造成的严重谐波污染是不相适应的，有源电力滤 波器的研制和应用有着广泛的应用前景和市场潜力。传统的有源电力滤波器是 采用模拟控制方法，其缺点也是显而易见的，采用复杂的算法需要大量的硬件乘 法器，而通常选用的高性能四象限模拟乘法器造成电路复杂，成本高，为了改善 有源电力滤波器的控制性能和可靠性，随着单片机和d s p 技术的广泛应用，有 源电力滤波器开始向着数字化的方向改进。 2 1 3 电力滤波技术有待解决的问题 尽管有源电力滤波器技术的开发和应用有了很大的发展，但仍然存在几个有 待解决的问题。 ( 1 ) 器件容量的增大和开关频率的提高。为实现电流的快速控制，提高有源 电力滤波器的补偿效果，功率器件的开关频率是关键，要求器件以高频率工作。 此外，应用多重化技术也能够提高器件的等效开关频率。从经济的角度考虑，应 使用高容量、大功率的器件，但这与高频率的要求相矛盾，因为大容量受到频率 的限制。如何在这两者之间找到一个折衷，获得最佳的经济和补偿效果是一个值 得研究的问题。 ( 2 ) 降低装置的价格并使其多功能化。有源电力滤波器能消除高次谐波，还 能够提高电力系统稳定性，抑制闪变和补偿无功电流等，然而有源电力滤波器的 造价高，与无源电力滤波器是不可比拟的，如何提高装置的性价比，降低有源电 力滤波器的成本是当前同样面临的一个问题。 ( 3 ) 降低损耗，提高系统可靠性。这方面的主要工作包括：采用合理的开关频 率，选择适当的吸收回路，以提高装置的使用效率。采用过流、过压保护技术， 第二章有源电力滤波器 故障诊断技术以使系统可靠工作等等。 2 2 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器主要由谐波和无功电流的检测、补偿电流的产生等部分组 成。通过检测电路检测出电网电流中的谐波和无功等分量，产生相应的指令电流， 然后采用某种控制方式控制功率电路产生实际的补偿电流，并注入到电网中，以 达到消除谐波和无功电流的目的。流入电网的电流可按需要成为正弦波和三相对 称的电流，并可按需要控制功率因数，最高可接近1 。 图2 1 为最基本的并联型a p f 系统结构图，p 。代表交流电源：负载为谐波源， 它产生谐波并消耗无功功率。a p f 系统主要由两部分组成，即指令电流运算电路 和补偿电流发生电路( p w m 信号发生电路、驱动电路和逆变主电路) 。指令电流运 算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。补偿电流发生电路 的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电路发出补偿电 流。 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。为 了维持直流侧电压基本恒定，需要从电网吸收有功电流，对直流侧电容充电时， 此时作为整流器工作。它既可以工作在逆变状态，又可以工作在整流状态，而这 两种状态无法严格区分。 并联型有源滤波器的基本工作原理可以表述为：通过电压和电流传感器检测 补偿对象( 非线性负载) 的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计算出补偿 电流的指令信号，再经p 1 i m 控制信号单元将其转换为p w m 指令，控制逆变器输出 与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，最终得到期 望的电源电流。 图2 1 有源电力滤波器结构示意图 下面作定量分析。如图所示，将负载电流按傅立叶级数展开为： 1 2 第二章有源电力滤波器 ( f ) = s i n ( ，z 彩f + 最) = ，( f ) + ，( f ) + f f ( f ) ，其中，( f ) 为基波有功电流，。( f ) 为 n = l 基波无功电流，( f ) 为高次谐波电流。由图可得到i 。= + ，即电源电流f 。，由 负载电流f ，和有源滤波器的输出电流t 共同组成，如果控制有源滤波器的输出电 流，使一( f ) ，则电源中就只有基波电流了，即有= f l ，+ 钆。这样就达到抑制 谐波的目的。简言之，并联型有源滤波器相当于并联在电网上的受控电流源，它 实时检测负载中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向相反的谐波电流，使流 入电网的谐波电流基本为零。进一步分析还会看到，有源滤波器也可以同时用来 补偿无功功率，这时只需使之一( + 屯) ，则会有= f l ，即电源中就只含基波有 功电流。 2 3 有源电力滤波器主电路的形式 有源滤波器的主要作用是缓冲基波和谐波的能量，并按一定规律输入输出电 压或电流，因此有源滤波器的主电路由四象限变流器储能环节组成。按照有源电 力滤波器的主电路形式分类，根据其直流侧储能元件的不同可分为电压型和电流 型，如图2 2 所示。 石五互 疋五瓦正瓦瓦 ( a ) 电压型( b ) 电流型 图2 - 2 有源电力滤波器主电路 电压型变流器的储能环节采用电容器，直流侧电压经过闭环控制保持基本不 变，可等效为一个可控电压源。其控制方法是根据要求控制输出电压，使之与电 源电压在输出端电抗器相减而得到所需要的补偿电流。电压型变流器具有电路结 构简单、对半导体器件要求不高、能量损耗小、控制易于实现等优点。但它存在 一个严重的缺点：由于直流侧为电容，一旦发生某个桥臂短路，就会造成直流贯 通短路，所以电压型可靠性相对较低，必须在软硬件上采取保护措施，即同一桥 臂的上、下元件必需保持互锁关系，并有死区封锁时间。 第二章有源电力滤波器 电流型有源滤波器的变流器的储能环节是电感元件，经闭环控制保持直流侧 电流基本不变，可等效为一个可控的电流源。它是将直流电流调制成一个脉冲列， 再通过交流输出端上的交流滤波器解调成所要求的电流。其直流侧电流应与最大 补偿电流相匹配。由于电流型变流器直流侧的储能元件是电感，故在装置发生贯 穿短路等故障时，有限制故障电流急剧增加的作用。电流型变流器的缺点是由于 在装置中始终有一个与需要补偿电流最大峰值相当的电流流通，损耗较大和由于 是对电流进行调制，需要设置解调滤波器，另外，电感使系统的体积、重量和成 本提高。基于上述原因电流型变流器目前在有源滤波器中较少采用。随着超导储 能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源滤波器投入使用。 2 4 有源电力滤波器的分类 按照系统构成可将其分为两大类，即并联型和串联型。二者又可分为多种类 型，这是目前对有源电力滤波器分类的主要方法。详细分类如图所示。每种类型 的a p f 结构不同，因而其工作原理、特性也不相同。 电力有源滤波器 并联型 单独使用方式 并联混合型 茎雯鋈鎏蓑嚣茎姜 串联型 善鬻耋式 图2 3 有源电力滤波器分类 2 4 1 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是有源电力滤波器中的最基本的形式，到目前为止发 展的最为成熟，使用也最为广泛【6 】。并联型有源电力滤波器通过在电力系统中注 入谐波电流来消除谐波，它不仅可以补偿带感性负载的二极管或晶闸管整流器或 周波变流器所产生的谐波，而且还可以同时补偿无功功率。 l 、单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型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。又由于其补偿电流基本上由有源滤波器提供，为了与其它方式区别，称之 为单独使用方式。如图2 4 所示这是有源电力滤波器中最基本的方式，也是目前 1 4 第二章有源电力滤波器 用的最多的一种。这种方式可用于： ( 1 ) 补偿谐波 ( 2 ) 补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节 ( 3 ) 补偿三相不对称电流 ( 4 ) 补偿供电点电压波动 在这种方式中，只要采用适当的方法就可以达到多种补偿目的，它可以实现 的功能最为丰富灵活。但是由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变 流器上，且补偿电流基本上由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。这是 这种方式的主要缺点。 目 图2 4 单独使用的并联a p f 2 、与l c 滤波器混合使用方式 这种方式正是为克服第一种方式要求有源滤波器容量较大这一缺点而提出 的。其基本思想是利用无源l c 滤波器来分担有源滤波器的部分补偿任务。由于 l c 滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、容易实现且成本低， 而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用，既可以克服有源电 力滤波器容量小、成本高的缺点，又可以使整个系统获得好的性能。 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可以分为两种：一种 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联：另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器串联。 图2 5 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用方式。有源电力滤波器与l c 滤 波器均与谐波源并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，l c 滤波器主要 补偿较高次的谐波，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务。有源电力滤波器的 作用是补偿剩余谐波，改善整个系统的性能，其所需的容量与单独使用方式相比 可大幅瘦降低。 第二章有源电力滤波器 图2 5 与l c 并联使用方式 图2 6 是有源电力滤波器与l c 滤波器串联原理图。该方式中，谐波和无功 功率主要有l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特 性，克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种 方式中，有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。由于有 源电力滤波器与l c 滤波器一起与谐波源并联接入电网，故仍然将其归入并联型。 图2 6 有源滤波器与l c 串联使用 目前已大量使用的l c 滤波器，均可采用图2 5 或图2 6 的方式进行改进和 提高性能。 3 、注入回路方式 这是为了降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式，有源电力滤波器的 容量取决于其承受的电压和流过的电流【7 】。注入电路方式正是用电感和电容构成 注入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小的 部分基波电压，从而极大减小了有源电力滤波器的容量。 根据电感电容电路谐振特性的不同，注入回路方式又分为l c 串联谐振注入 回路方式和l c 并联谐振注入回路方式两种。图2 7 所示为l c 串联谐振注入电路 方式构成原理图。其中c 和l 在电源电压的基波