【毕业学位论文】（Word原稿）光伏并网的有源电力滤波器的研究-电力系统及其自动化

分类号 密级 硕 士 学 位 论 文 光伏并网的有源电力滤波器的研究 学 位 申 请 人： 学 科 专 业： 电力系统及其自动化 指 导 教 师 ： 教授 二一三年五月 A of A of 443002, 2013 I 三峡大学学位论文 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期 ： 容 摘 要 作为新能源发电技术之一的光伏并网发电随着能源 危机的愈演愈烈，近年来得到了快速广泛的发展。随着电网中电力电子器件等非线性负载的日益增多，谐波污染是目前亟待解决的问题 。 有源电力滤波器是 新型的治理谐波的有效装置， 克服了无源滤波器的缺点，是未来谐波治理的发展方向 ，但是由于其较高的运行成本制约了它的应用。 光伏并网系统的逆变器白天进行光伏发电，夜晚处于停机的闲置状态，这是一种资源的浪费。 光伏并网逆变器和有源电力滤波器 虽然用途 不同，但是二者主电路结构一致， 都属 受控电流源，都是电压源型逆变器，因此研究光伏并网和谐波抑制相结合的控制方法，不仅可以有效地进行光伏 发电， 而且可以 进行有源滤波， 节省 了 相应设备的投资，具有极大的应用价值。 本文主要研究了并联型有源电力滤波器的原理、拓扑结构 及其控制策略， 在此基础上研究了光伏并网逆变器和并联型有源电力滤波器统一控制的可行性，给出了控制策略， 并搭建了仿真模型。 首先介绍了有源电力滤波器的基本原理，重点分析了三相四线制有源电力滤波器的拓扑结构，并对其补偿原理、谐波和无功补偿的控制策略进行了详细的分析研究，包括指令电流和直流侧电压的跟踪控制。介绍了各种谐波电流检测技术，详细推导了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 。 然后，介绍了光伏 并网发电系统 ，并对最大功率点跟踪（ 控制方法进行了研究。 对比了光伏并网逆变器和并联型有源电力滤波器的异同，从结构上证实 了具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器是 可以实现的，给出 了 一种逆 变器 的统一 控制策略，就指令电流的合成提出了相应的算法。 最后， 利用 立了三相 四线 并联型有源电力滤波器的仿真模型，在此基础上建立了光伏并网 的 有源电力滤波 器仿真模型，仿真结果验证了系统结构及控制策略 的正确性 。 关键词：光伏并网 有源电力滤波器 谐波检测 仿真 s of of is in of is a is a of to of is of of is in of at is a of to of be of on of is is of of of of of C of on is is of is A is of of is of of of V 目 录 引言 1 1 绪论 2 伏发电现状与发展前景 2 波治理的背景和意义 4 源电力滤波器技术的发展 5 文的主要工作 5 2 有源电力滤波器 7 源电力滤波器的基本原理 7 源电力滤波器的 分类 8 相 四线并联 有源电力滤波器的拓扑结构 9 波抑制和无功补偿的控制 策略 11 章小结 15 3 谐波及无功电流检测 16 见的谐波和无功电流检测方法 16 于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测 18 相四线制系统中的谐波及无功电流检测 21 章小结 21 4 光伏并网与有源电力滤波的统一控制研究 22 伏并网发电系统 22 伏并网发电最大功率点跟踪（ 25 伏并网逆变器与有源电力滤波器的比较 30 伏并网与有源电力滤波器的统一控制策略 32 于谐波补偿电流限幅的指令电流合成策略 33 章小结 36 5 系统建模与仿真 37 波源负载模块 37 波和 无功检测模块 39 联型有源滤波器仿真 40 光伏并网仿真 41 伏并网的有源电力滤波器仿真 42 章小结 43 结与展望 44 参考文献 45 后记 48 附 录 49 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 引 言 能源危机与环境污染 是 进入 21 世纪的人类社会 需要迫切解决的两大重要问题 。在一 次能源的不断 被 消耗 的同时， 人类对能源 的需求却在 持续增长 ，这已 经 成为威胁人类社会进步的 一 对尖锐矛盾。 不断 探索 新能源， 大力发展可再生能源， 逐步提高可再生能源在能源消费结构中所占的比例，走可持续发展 道路， 是人类在地球上赖以生存的长久之计 。 太阳能作为 一种非常理想的 可再生 清洁能源，其 普及应用 已 受到人们的 日益 重视。 我国 光伏产业 平均年增长率在 40 以上，已成为迅速 发 展 的高新技术产业之一。光伏 发电 是电力电子技术应用最为广泛的领域，并网光伏发电系统成为近年来的 研究热点，随着光伏 并网发电系统成本的不断降低 ，其应用也愈来愈广泛 。 于此同时 ，由于电网和负载的复杂性，特别是电力系统中 电力电子器件等非线性负载的 日益 增多，谐波 和无功功率的不良影响 对电力系统的污染日益严重。 有源电力滤波器是 治理谐波的 新型 电力电子 装置， 克服了 传统的 源滤波器 只能补偿固定次数谐波的缺点 ， 能够 动态抑制谐波、补偿无功 ，已越来越受到人们的关注 。 通过单独 给电网串并联有源滤波装置 来抑制谐波 ， 设备投资 成本 高， 且运 行时需要消耗大量电能， 很难得到推广 。 光伏并网系统的逆变器和有源电力滤波器虽然用途不同，但是两 者在逆变 电路结构 上是 相同 的 ， 都属 受控电流源 ，都是电压源型逆变器，因此研究光伏并网和谐波抑制相结合的控制方法，设计一种在光伏并网系统基础上还可以进行有源滤波的系统结构， 不仅可以有效地进行光伏 发电、减少功率损耗、提高供电质量，而且可以节省设备投资，具有良好经济性和巨大的 应用价值 。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1 绪论 伏发电现状与发展前景 随 着世界经济的快速发展，对能源的需求越来越大。 电能的发现和利用 ， 标志着人类已进入现代社会文明 ， 随着社会的发展，科技的进步，各种用电设备与日俱增，电能的需求越来越多。但是， 目前，世界各国大多以石油、天然气和煤炭等传统一次能源用于发电， 这必将导致能源的日益枯竭与环境的严重污染，能源与环境已成为21 世纪人类面临的两项重大难题 1。 资源是紧缺的，经济的发展也不能以牺牲环境为代价，大力探索与发展 可再生的清洁能源 势在必行 ，因此 ，近年来，有关 太阳能、风能、水能、 潮汐 能、地热能等在内的可再生能源的 研究越来越多 2。 太 阳能无处不在，资源清洁，取之不尽，用之不竭， 最大化利用 太阳能 ，尤其是将其有效地转化为电能来使用， 理应成为未来的重点研究方向。 自从 1954 年世界上第一块太阳能电池诞生于贝尔实验室 以来 ， 有关光伏发电技术的研究从来没有中断 。1957 年首颗人造卫星升空 ， 光伏发电技术 率先成功应用于 太空领域， 直到现在， 科技的进步已使得光伏发电技术遍布人们生活的 各个方 面。 界光伏发电的 现状 与前景 近年来，世界 光伏产业 发展迅猛 ， 1996 2001 年太阳能电池 产量 的年平均增长率 为 ， 2001 2005年这一数值达到了 ， 2007年 较 2006年增长 了 ，近 10 年，全球光伏产业年均增长 ，近 5 年为 。 2005 年世界光伏电池产量达到 1727中日本生产 795 46 ； 欧洲生产 503 ；美国生产 150 ；其他国家生产 279 34。 促使产量增长的关键因素是光伏电池造价的不断降低， 20 世纪 60 年代第一个地面用光伏组件售价高达 300 美元 /着科技的进步，到 21 世纪初下降 到 元/预测 到 2020 年，光伏发电的 成本有可 能降低到与火力发电 相 当 56。 技术的进步 不仅使光伏发电成本不断降低，而且让 单晶硅电池的实验室最高效率已经从 20 世纪 50年代的 6提高到目前的 多晶硅电池的实验室最高效率也达到了 20，薄膜电池、染料敏化电池、有机电池等的研究也不断取得新进展。实际应用中的 商品化光伏电池效率由 20 世纪九十年代的 10 左右提高到目前的 18 。 并网发电在光伏市场中的份额逐年增加并占据主导地位， 2007 年并网发电的市场份额达到 80，这标志着光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过度、由补充能源向替代能源过度。 2010 年世界光伏系统的总装机容量超过 142011 年全球光伏产业的产量 达到了 即便在去年世界经济大萧条、光伏行业低迷惨淡的行三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 情下，全球光伏装机 容量 依然有将近 40 的年增长率 7。 国光伏发电的 现状 与前景 1958 年 我国科学家开始研制光伏 电池， 1959 年 诞生了 第一块有实用价值的 光伏电池， 1971 年 3 月首次在 科学试验卫星 应用光伏电池作为 电源， 1973 年首次 应用光伏电池在灯浮标上进行 供电实验 8。 20 世纪 70 年代末到 80 年代中期，我国一些半导体器件厂开始利用半导体工业废次单晶 生产单晶硅 太阳能电池，我国光伏工业进入萌发期。 80 年代中后期，我国一些企业引进成套 单晶硅电池 /组件生产设备以及非晶硅电池生产线，使我国光伏电池 /组件年 生产能力达到 W，我国光伏产业初步形成。 90 年代中后期， 随着设备的不断更新，产量逐年增加， 我国光伏产业 进入 稳定发展 时期 。 近 年来，在我国“送电到乡”工程及国际市场推动下，一批电池生产线、组件封装线、晶硅锭 /硅片生产线相继投产和扩产，使我国光伏产业的生产能力大幅度上升，我国光伏产业进入全面快速 发展时期。 到 2007 年底我国太阳能电池 年 产量达到了 1088 居世界第 一 。2011 年全球太阳电池产量 23我国光伏组件产量达到 11 世界总产量的近 50%9， 10,11。 于此同时， 近 年来 我国在光伏发电技术领域的研发工作也 进展迅速 。 许 多 研究单位、企业 、高校 先后开展了单晶硅和多晶硅高效电池、非晶硅和 多晶硅薄膜电池、 膜电池的相关研究，硕果累累，并在 应用系统关键技术的研究 方面取得重要突破 。 经过“九五”和“十五”的国家科技攻关 ,我国 在 光伏 并网逆变的关键技术方面 也 有 所突破，并具有自主知识产权 ，开发出了独立光伏发电系统用的 逆变效率大于 90%的 10 100弦波逆变器 12。 在国家、地方政府以及各方面的支持下，随着可再生能源法的贯彻实施，中国光伏发电应用市场正在 不断扩大 。 从 2008 年开始 ， 我国 政府对屋顶和大型地面光伏并网发电示范项目进行补贴 ； 2009 年初甘肃敦煌 10大型荒漠 光伏 并网 发 电站 完成招标 ，相继推出了 “金太阳示范工程” 与太阳能屋顶计划等 财政补贴项目； 2010年西部五省 13 个项目 共计 280光伏发电工程 完成 招标 ，相关建设项目已 开始启动； 2011 年 8 月，国家发改委 发布了“光伏发电上网电价法”，规定上网电价为 1元 /度 13； 2012 年 12 月 ，中央财政拨付 70 亿元支持启动光伏发电应用规范。 这一系列的政策措施 有力的促进了中国光伏产业的发展 。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 波 治理的背景和意义 “ 谐波 ”一词源于声学， 国际 上 普遍的谐波定义是 :谐波是一种正弦波，具有 周期 性的 电气量 ，其频率是 基波频率的整数倍。 在 电力系统 的 有些暂态过程 中， 也 会出现一些非整数次的谐波， 比 如间谐波、次谐波等，本文 中出现的 谐波都是指整数次谐波。 早在 上世纪 20 年代和 30 年代 ， 电力系统谐波问题就引起了人们的注意。 当时 在德国 ，有于使用静止汞弧变流而使 电网电压和电流波形发生畸变，这 对公共电网 是一种污染 14。电力系统中的 谐波主要来源于三个方面：一是 由于 电源质量不高 而 产生的 谐波；二是输电网产生的谐波；三是 负载中的 非线性用电设备产生的谐波。其中以负载端 非线性用电设备产生的谐波最多 15。 电力电子装置等非线性装置，也消耗无功功率。特别是 周波变流器和相控整流器等相控装置，在工作时基波电流相位滞后于电压 相位 ，要消耗大量的无功功率。另外，这些相控装置也会产生大量的谐波电流，一般来说，谐波电流都是要消耗无功功率的。 理想电网提供的电压，应该有单一固定的频率以及符合规定的电压幅值。 而 谐波的频率和电压具 有不确定性，它的出现 对电网是一种污染，不仅 将 电网中的 用电设备所处的环境恶化 ，而且 对周围的通信系统带来危害。 电网中谐波的危害 主要有 以下几个方面 1617： （ 1） 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，影响 电气设备正常 安全 工作，使电气设备产生 机械振动、 噪声 和过电压 ， 使之过热并加速 绝缘老化， 减少 使用寿命 ，引发故障，甚至 烧毁。 （ 2） 谐波会引起电网局部 发生 串联或并联 谐振，使谐波含量 增多，造成过电流，影响 电网的稳定性，甚至导致重大 事故。 （ 3） 谐波还会导致继电保护等自动 设备 误动作，同时也会导致电器测量仪表计量 出现错误 。 （ 4） 大 量三次及其倍数次的谐波 电 流 通 过供电系统中 性 线会 导致中 性 线过热 ，甚至引发 火灾。 （ 5） 电力系统 中的 谐波与 通信线路中传输的 信号相比，在频带上具有一定的重叠性， 但是 二者功率 却相差悬殊，这 会对邻近的 的通信 系统 造成 干扰 ，甚至导致通信系统无法正常工作。 电力电子技术在未来科学技术发展中占有重要地位， 然而， 电网中的 电力电子装置所产生的谐波污染已成为 电气工程领域迫切需要解决的问题， 这就要求 相关 研究人员 必须对谐波问题 展开 更为 深入 有效的研究。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 源电力滤波器技术的发展 有源电力滤波器 (一种新型的滤波器装置， 其基本思想早在上世纪六七十年代就已形成， 1969 年， 在 表的论文中描述 了有源电力滤波器的 基本思想 18； 1971 年，日本的 次完整的阐述 了有源电力滤波器的基本原理 19； 1976 年，美国 制变流器构成 的有源电力滤波器，确定了 有源电力滤波器 主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波 补偿电流发生电路 ，奠定了有源电力滤波器的基础 20。 由于当时电力电子技术的发展水平不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仅局限于实验研究，未能在工业中应用。 进入 80 年代，随着电力电子技术的迅猛 发展 、 制技术的进步，尤其是1983 年赤木泰文等人提出的 瞬时无功功率 理论 21，极大的促进了有源电力滤波器的发展。依赖 于电力电子技术的发展， 有源电力滤波器 于 80 年代 成功应用于供电系统进行谐波抑制和无功补偿。 随着容量的 不断 提高，其应用范围也从 单一 补偿 配电端 自身的谐波 进而 向改善整个电力系统电能质量 的方向发展。随着电力电子技术 的 大功率化技术的进步、控制技术的不断完善，有源电力滤波装置成本的逐步 降低，加上其卓越的滤波性能， 必 有广阔的应用前景 22。 有源电力滤波器根据 接入电网的方式，系统构成 可分为 串联型和并联型两大类。其中， 串联型滤波器 主要 用于补偿电压谐波 问题，而 并联型滤波器 主要用于补偿电流谐波问题 。因实际中解决谐波电压问题 时 ，需要有源电力滤波器 具有 较大的容量，且成本高， 损耗大， 目前应用较少 。工业中应用较多的是并联型有源电力滤波器，根据直流侧储能元件的不同，并联型 分为电压型 （储能元件为电容） 和 电流型 （储能元件为电感）。 目前 ，由于 电感储能技术还不够成熟，特别是并联 容量较大 时存在问题，因此电压型有源电力滤波器 的 应用 更为 广泛。根据日本电气学会的调查，在实际应用中 ， 电压型， 仅有 电流型 2324。本文 的研究对象 以并联 电压 型有源电力滤波器为主。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 文的主要工作 由前面的叙述可知，我国 拥有巨大的光伏并网发电系统 装机容量， 并且仍以飞快的速度不断发展 ，但 由于 受环境 因素影响， 导致 多数并网 逆变器 经常工作在额定功率以下， 利用率不高，造成了巨大的浪费。另一方面 ，电力系统 谐波 问题的 治理 日益迫切，有源电力滤波器 可以有效地抑制谐波 ，但是 较高 的 成本 阻碍了它的推广应用 。 光伏并网逆变器和有源电力滤波器 虽然用途不同，但 都 属于 电压源型逆变器 ，两者主电路结构一致 。 因此研 究 设计一种 光伏并网的 有源电力滤波器，使逆变 器 既能 实现光伏并网发电 ， 又能利用剩余容量进行有源电力滤波 ， 不需要额外的设备投资 ， 仅通过优化控制算法 ， 具有极大 的 应用价值和经济效益 。本 文的主要工作有以下几部分： （ 1） 阐述了有源电力滤波器的基本原理 ， 介绍了有源电力滤波器的分类， 重点研究了 三相四线并联 有源电力滤波器的拓扑结构， 并对其补偿原理、谐波 和无功补偿的控制策略进行了详细的分析研究。 （ 2） 谐波及无功电流检测 ， 对几种常规检测方法进行了分析比较， 确定了采用基于瞬时无功功率 理论的 算方式。 （ 3） 研究了光伏并网与有源滤波的统一控制， 在光伏并网发电中的最大功率点跟踪（ 现方面，分析比较了 几种 常用的最大功率跟踪控制方法 ， 综合各种方法的优缺点， 确定了采用 一种改进型的 法 变步长电导增量法 ，这种方法在系统响应速度和控制精度上 都有很大的提高； 在对光伏并网逆变器 与有源电力滤波进行比较的基础上，研究了对二者进行统一控制的策略，对于指令电流的合成，提出了一种基于谐波补偿电流限幅的指令电流合成策略。 （ 4） 利用 本文所设计的系统进行 建模与仿真。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 有源电力滤波器 传统的 波器只能补偿固定次数的谐波，随着当今电力系统负载的 日益 复杂化，其发挥的补偿效果已 越来越有限。 有源电力滤波器 的出现，使得 动态 抑制谐波和补偿无功 成为可能 ， 它适用于幅值变化的各次谐波 。 本章主要介绍了有源电 力滤波器的 基本 原理， 重点分析了 三相四线制 并联型 有源电力滤波器的拓扑结构，并对其补偿原理、谐波和无功补偿的控制策略进行了详细的分析研究 ，包括 指令 电流和直流侧电压的 跟踪 控制 。 源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器 的系统构成及基本原理 25,26,27如图 示， 系统侧一般为电网，谐波源负载为非线性 的 阻感负载， 它产生谐波并消耗无功 。 有源电力滤波器的构成包括畸变电流检测电路、控制电路以及补偿电流发生电路三个部分。其中，畸变电流检测电路的作用是把谐波源中的畸变电流成分（谐波及无功等电流分量）分离出 来，作为指令信号。控制电路则按照指令信号产生控制补偿电流发生电路工作的 制信号。 补偿电流发生电路负责产生补偿电流并入电网，此电流与检测出的畸变电流幅值相等，相位相差 180，从而与电网中的畸变电流相抵消，使得电网只含基波电流。 谐 谐 谐谐 谐 谐 谐谐 谐 谐 谐谐 谐谐 谐谐 谐 谐 谐谐 谐 谐 谐谐 谐 谐 谐 谐 谐 谐 谐 A P F 谐有源电力滤波器的 系统 构成 图 示的 有源电力滤波器的工作原理 图中 ，畸变电流检测电路 从 负载电流离出 谐波电流 将 它 反相 ， 产生出 控制 补偿电流的指令信号 ，即 *c ，* 制电路产生出触发脉冲，使逆变器产生出补偿电流 踪 * 使三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 *，所以 L hi i i(*s L c L c L L h L fi i i i i i i i (于是 电网电流有基波分量因此实现 了 抑制 谐波的功能 。 如果要求有源电力滤波器同时具备补偿谐波和无功的功能，只需把与负载电流基波无功分量反相的成分加入到补偿电流的指令信号中 即可。 有源电力滤波器正常工作时， 作为 电路 主结构 的 流器， 它实际上工作在两种状态 ： 当产生补偿电流时， 它工作在逆变状态 ；在 吸收 电网 有功功率 向有源电力滤波器直流侧 电容 储能时，它 工作在整流状态 。 源电力滤波器的分类 有源电力滤波器 根据接入电网的方式及系统构成，可 分为 并 联型、 串 联型和混合型 ，如图 示。 有源谐力谐波器谐 谐 谐谐 谐 谐谐 L C 谐 谐谐 谐 谐 谐谐 谐 谐 谐谐 U P Q 谐谐 谐 谐谐 谐 谐 谐L C 谐 谐谐 谐 谐 谐L C 谐 谐图 有源电力滤波器的分类 每一种类型的有源电力滤波器结构 各有其特点，其工作原理、特性也不同 。 目前，工业上投入运行的 多为 并联型有源电力滤波器 ，主要 用 于电流源型感性负载的谐 波 治理 ， 经过 了实际应用的验证，功能相对完善， 技术 也较为 成熟 ， 其 基本 结 构如图 联型有源电力滤波器通过 电感或藕合变压器 接入 系统， 投切方便， 不 会 影响系统运行 ， 而且 具有功能丰富 、保护简单 等 优点 28。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 谐 谐 谐 谐 谐 谐 谐 谐谐谐谐流A P 并联型 有源电力滤波器的基本结构 相四线 并联 有源电力滤波器的拓扑结构 按照 相数 , 并联型有源电力滤波器 可分为单相和三相 两种类型 ， 其中 三相又分三相三线和三相四线两种 结构 。在民用 供电 、商业供电 的低压配电系统中， 广泛采用的是三相 四线制 29。 随着办公自动化的 推广 和家用电器的普及，城市电网 中 民用和商业用户的比例越来越大 ，已成为电力谐波污染的一个重要来源。 三相四线 并联型有源滤波器经过特别设计，能补偿中性线电流（零序电流分量）， 使三相电流对称， 并具有三相三线有源滤波器的所有补偿特性 ， 因此 针对目前 大量存在的 三相四线制 系统， 即能 抑制 谐 波电流又能 消除 三相不平衡的并联 型 有源电力滤波器 更具有研究价值 ， 本节对 三相四线 制 并联 型 有源电力滤波器的主电路 拓扑结构 进行了 分析 研究。 根据 对零线电流补偿方 式 的不同， 三相四线 制 并联 型 有源电力滤波器 的主电路结构和控 制方式 也有所区别， 常 见 主电路的拓扑结构 有 四 柱式变流器和 三 柱式 变流器两种 30。 柱式变流器结构形式 顾名思义，此结构形式的三相四线制并联型 关器件的布局呈四个桥柱，四柱式变流器 电路 结构及与电网 的连接 方式如图 示 。 四柱式变流器 结构形式的 路中，四 根 桥柱 各司其职 ， 互不影响，其中， 第 1、 2、 3 根桥 柱 的作用是分别 产生 A、 B、 C 三 相 的补偿电流， 单独设有 第 4 根 桥柱用来产生对 零线的补偿电流。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 四柱式 变流器 与电网 连接原理图 实际上， 这种电路结构 是对 A、 B、 C 相及零线的补偿电流分别单独跟踪控制 ，所以 各相的 补偿效果 都 十分理想 。 这里，谐波及无功补偿的控制策略及逆变器 直流侧电容电压 的 控制 可 参考三相三线制系统 中的 控制方法 31，这部分内容会在 中有单 独的讨论。 柱式变流器结构形式 三相四线 并联型 有源电力滤波器的主电路也 可 采用 三柱式 变流器结构 形式 ，其 原理图如图 示。 图 图 根本 区 别是两者所用的功率半导体器件的数目及 零线的连接方式。 三柱式结构比四柱式少用了一根桥柱，即节省了一对 半导体开关器件。三相四线制电力系统中的 零线 ，一种方式是连接在四柱式变流器结构中的一根桥柱上 ，另一种方式则从 三柱式变流器 结构中的直流侧两个电容之间引出 ， 通过 这里给零线电流 的补偿 提供通道。 三相四线并联型 有源电力滤波 器不仅可以对各相的谐波电流、无功 电流 进行补偿，还能消除中线上的零序电流分量， 而 这些补偿电流的产生 均需要 各个桥柱上半导体器件的开关动作来完成。采用三柱式 变流器结构形式的三相四线制 控制三个桥柱动作时，既要考虑谐波电流、无功电流、零序电流成分，还要考虑直流侧 电压的控制，不仅要维持直流侧两个电容的 总压幅值稳定， 而且各自的分压132,于是相应的控制策略要 比四柱式变流器结构 复杂一些。 因此， 图 示的四柱式变流器拓扑 结构 比图 示的三柱式变流器拓扑 结构 具有更好的可控性。但是，在 实际应用中 ，传统的三柱式变流器更受青睐，因为它三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 所用的功率半导体器件数更少， 因而更经济 ，所以 本 文 采用 三柱式变流器结构 。 图 三柱式 变流器 与电网 连接原理图 在 三相三线制 电力 系统 中，并联型有源电力滤波器 采用的是三柱式变流器结构形式， 三根桥柱产生的补偿电流分别对应补偿对象的三相电流，假如不考虑零线电流的补偿，这种电路结构形式的补偿策略可拓展应用到三相四线制电力系统中 ，相关研究体现在 中 。 波抑制和无功补偿的控制策略 按功能划分， 有源电力滤波器 电路的构成可分为指令电流运算部分和补偿电流跟踪控制部分，它们具体功能的实现通过以下几个 主要 部件： 逆变器、 直流侧 储能 电容 、交流侧 滤波 输出 电感 等。 自 有源电力滤波器 诞生 以来，国内外学者对它的研究从未停止，他们 的 工作的焦点内容大多在以下几个方面：畸变电流（ 谐波 及无功 电流 ） 检测、补偿电流指令信号 的跟踪控制以及逆变器直流侧 电容 电压的 跟踪 控制。 其中， 畸变电流的准确检测和直流侧电压的稳定控制是保证 常工作的前提，而 合理有效地跟踪控制 指令电流 是 挥良好补偿功能的 关键 。 关于 畸变电流 （ 谐波 及无功电流 ） 检测 的研究工作将 在 第三章 单独 介绍，本节的研究内容是 有 源电力滤波器谐波抑制和无功补偿的控制策略 ， 也就是 补偿电流 指令 信号以及 逆变器直流侧电压的 跟踪 控制 。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 令电流的跟踪控 制 脉冲宽度调制技术 ， 正是 由于它在逆变电路中的成功应用，而成为电力电子技术的重要组成部分。 并联型 作时就是应用了 踪控制技术，其基本思想是：以期望 产生 的补偿电流 为 指令信号 *以实际生成的电流实时地比较两者的差值，从而控制逆变电路各半导体开关器件的通断，使得实际产生的补偿电流实时跟踪指令电流信号而变化。 目前 ， 有源电力滤波器应 用较多 的 踪控制 方 式 主要有两种，即 三角波比较 方式 33和瞬时值 滞环比较 方式 34。 角波比较 方式 A*- + 谐P W M 谐 谐图 三角波比较方式原理图 传统 用三角波作载波的 将补偿电流指令信号 *三角波 信号 进行比较， 而 有源电力滤波器常采用的是如 图 示的这种方式 ， 它与传统方法的区别在于： 首先求出补偿电流 指令 信号 *出的 补偿电流 然后对这个差值进行比例放大或比例积分放大 ， 得出的信号 与 三角波 信号通过比较器 进行比较后生成 形 ，作为 控制 逆变电路 开关器件 通 断的 信号， 产生合适的补偿电流 。 此闭环控制系统的核心思想是控制偏差电流求达到最小 ， 这里， 放大环节中 比例 参 数或 积分参 数 的选择将决定着 有源电力滤波器的 电流跟踪特性 。 三角波比较 控制方式具有如下特点： （ 1） 硬件 电路 比较复杂； （ 2） 跟踪误差 较大； （ 3） 逆变器输出的补偿分量中包含与所采用的三角载波频率相等的谐波成分，因此三角波的频率将直接影响着补偿效果； （ 4） 放大器的增益有限； （ 5） 逆变电路中半导体开关器件的通断 频率固定，且 与 三角 载波的频率 相等 ； （ 6） 补偿电流 响应 实时性较差 。 综上所述，对于 补偿电流指令 信号快速变化的 统， 如果采用三角波比较方式的 控 制策略，补偿效果并不理想 。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 时值滞环比较方式 *- P W M 谐 谐谐 谐 谐 谐 谐图 瞬时值滞环比较方式 原理图 采用瞬时值滞环比较方式的 电流跟踪型 制原理如 图 示 。 此方式与三角波比较方式相比，取消了影响跟踪性能的放大器环节，且无需 与 固定频率的三角载 波 相比较 ，取而代之的是一个滞环比较器。 这种方式产生 制信号的 基本原理是： 首先通过减法器求得补偿电流 指令信号 *偿电流时值 偏差 将此偏差电流 输入到 滞环比较器 之中 ， 如果设定 滞环比较器 的环宽 H 为 2那么控制 在 *和 *的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流 * 由以上原理可知， 滞环 比较器环宽 H 的 取值将直接决定 控制电路 的跟踪 性能 。如果 环宽 H 设定的 过宽， 逆变电路 开关 器件通断 频率 较 低， 开关损耗小，但是 跟踪误差大 ，导致 补偿电流中 含有较多的 高次谐波 ； 反之， 环宽 H 设定 的 过窄 时， 可使得跟踪结果更为精确 ，但 是开关器件通断 频率过高，开关损耗增大 。 因此，应根据实际情况和补偿的指标要求，权衡考虑，选择合适的 滞环 比较器环宽 。 采用 瞬时值 滞环比较方式的 流跟踪 控制 电路有如下特点 ： （ 1） 硬件电路结构 简单； （ 2） 补偿电流响应的实时性好 ； （ 3）不需要载波， 因此 逆变器的输出 电压 中不含 不需要 的 谐波分量； （ 4） 具有所有跟踪型 制方式的共同点 闭环控制； （ 5） 若滞环 比较器 的 环 宽 H 不变 ， 那么 补偿电流跟踪 误差大小 是固定的 。 有源电力滤波器 的补偿效果受 对 谐波补偿电流指令信号 的 跟踪性能的 影响， 而指令信号是根据谐波及无功检测的结果不断变化的 ， 因此对指令电流的控制，除满足精度要求外，还要具备良好的实时性。 根据上述两种 流跟踪 控制方式的分析与比较， 应该 采用瞬时值滞环比较方式 ，因为与 三角波 比较 方式相比，此方式 跟踪误差更小，而且 补偿量响应速度 更 快。 三 峡 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 变器直流侧电压 的跟踪控制 逆变器直流侧电容 的作用是 为逆变器电路 正常工作提供稳定的直流电压，如果 直流侧电压波动较大， 那么 脉宽调制 (动电路 就 不能发出 正确的开关信号， 就可能出现 欠补偿或 过补偿 ， 导致谐波补偿效果降低 。 其中，欠补偿 导 致补偿不彻底，补偿对象中依然残留较多的谐波成分； 过补偿 则有可能 导致 有源电力滤波器 反而成为一个新的谐波源，