（控制理论与控制工程专业论文）并联混合型有源电力滤波器的设计与仿真.pdf

中文摘要 近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉等负荷不断增加。这些负 荷的非线性，使得电力系统中谐波所造成的危害也日趋严重，给供电质量造成了 严重的干扰。谐波污染已成为供电系统中不容忽视的问题之一，已引起了人们的 关注。有源电力滤波器作为一项抑制谐波的有效措施，被广泛地研究和应用。 本论文针对谐波问题，叙述了谐波产生的原因及危害，介绍了常用的有源电 力滤波器及其工作原理，并分析了有源电力滤波器采用的谐波电流检测方法。准 确、迅捷地检测出系统电流中的谐波及无功成分，是保证有源电力滤波器能适时 补偿的关键。由于传统的基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法在实现过程中系 统复杂，需要大量的乘法器，因此从傅利叶变换出发，引入了一种基波幅值分离 的谐波电流检测方法。该方法利用三角函数的特性，对畸变电流中的基波成分和 无功电流分量的幅值分别进行计算，然后通过低通滤波器把它们分离出来，最后 得到基波有功和无功电流分量。该方法由于算法简单、所用器件少、实时性较高， 不仅适用于单相电路，也适用于三相电路。为了检验基于基波幅值分离法的谐波 检测理论的正确性和以该理论为基础研究有源电力滤波器的可行性，本文设计了 一套并联混合型有源电力滤波器，并进行了仿真研究。仿真结果表明并联混合型 有源电力滤波器对电力系统中谐波的抑制具有较好的效果。 关键词：有源电力滤波器谐波检测基波幅值仿真 a b s t r a c t d u r i n gr e c e n ty e a r , r e c t i f i e ro fd i s t r i b u t i o n 、f r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e d e ra n d a r cf u r n a c ea r ei n c r e a s e da tf a s ts p e e d t h e s en o n - l i n e a rl o a d sh a r m p o w e rs v s t e m 锄d i n t e r f e r e n c em p o w e rq u a l i t y t h ep r o b l e mo fh a r m o n i cd i s t o r t i o nb e c o m e se v e rm o r e a n dm o r em a p o r t a n ta n dh a sb e e nw e l lr e c o g n i z e da r o u n dt h ew o r l d n ea c t i v ep o w c r f i l t e rh a v eb e e nr e s e a r c h e da n du s e d w i d e l ya so n eo fm e m o d so nh 釉o i l i c s u p p r e s s i o n a g e n e r a ld e s c r i p t i o no fr e a s o no fh a r m o n i ca n dag e n e r a l d e s c r i p t i o no f n a r m o n i cd i s t o r t i o na r o u n dt h ew o r l di sg i v e ni nt h i st h e s i sa t f l r s t i ti 1 1 n o d u c e st 1 1 e p r i n c i p l eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n da n a l y z e sm e t h o do fh a n n o n i cc u 】t e n td e t e c t i l l g o nt h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a c c u r a t ea n d r a p i dd e t e c t i o no ft h es y s t e mo fh a n 】 1 0 i l i c c u r r e n t sa n dr e a c t i v ec o m p o n e n t sc a ne n s u r et h et i m e l ya p f c o m p e n s a t i o n b e c a n s e n a n n o m cd e t e c t i n gm e t h o di sn o tr e a l i z e da n dt h e r ea r em a n y m u l t i p l i e r sb a s e do n 1 1 1 s t a n t a i l e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , an e wi d e ab a s e do nf u n d a m e n t a l a m p l i t u d e s e p a r a t i o ni sp r o p o s e df r o mf f tt r a n s f o r m 。t h em e t h o dc a l c u l a t e 矗m d 锄e n t a l c o m p o s i t i o na n da m p l i t u d eo fr e a c t i v ec u r r e n ti nt h ed i s t o r t i o nc u r r e n ts e p a l a t e l yb v t h et r i g o n o m e t r i c c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e ns e p a r a t et h e mt h r o u g ht h el o w p a s sf i l t e r i nt h e e n d ，w eg e tf u n d a m e n t a lc o m p o s i t i o na n da m p l i t u d eo fr e a c t i v ec u 嗍l t d u et on l e m e t h o db e i n gs i m p l ea n df a s t ，i tu s en o to n l yi nt h es i n g l e - p h a s ec i r c u i tb u ta l s ot h e t h r e e p h a s ec h c u i t i no r d e rt ow h e t h e rt h et h e o r yo fh a r m o n i cd e t e c t i o nb a s e do nt h e f u n d a m e n t a la m p l i t u d es e p a r a t i o no rn o t r i g h ta n dw h e t h e ri tc a nu s e f u li nt h ea p fo r n o tf e a s i b l e ，t h ep a p e rd e s i g nt h en e w h y b r i d s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e ra n ds i m u l a t ei i l t h e c o m p u t e rs o f t w a r e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e h y b r i d s h u m a c t i v e p o w e r f i l t e rc a ns u p p r e s sh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ep o w e rs y s t 锄e 虢c t i v e l y 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 ，胁d a m e n t a lc u r r 咖 a m p l i t u d e ，s i m u l a t i o n 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，也不包含为获得丞鲞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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢尹舅舅 签字日期佩年歹胪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘茔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：步舅舅 导师签名：矽李 签字日期：力碾年月日签字日期：伽弼年月办日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备得到了广泛应用。这些装 置给各种电能变换带来方便的同时，由于负荷的非线性、冲击性和不平衡性也给 电网带来严重的谐波污染。同时，由于大多数电力电子装置功率因数很低，它们 的无功需求给电网带来额外负担，严重影响电网供电质量。另一方面，现代工业、 商业及居民用户的用电设备对电能质量十分敏感，对供电质量提出更高的要求。 尤其是i t 产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而 数字化设备对供电质量要求更高。 一方面是电网供电质量的下降，另一方面却是用户对电能质量要求的提高， 如何解决这对矛盾己成为当前电力系统领域所面临的一个重大课题。 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 ) 正是这对矛盾发展的产物。有 源电力滤波器是一种新型的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，克服了无源滤波器等传统的谐 波抑制和无功功率补偿方法的缺陷。因此，对有源电力滤波器的研究已成为一大 热点，受到越来越多人的关注。 1 2 谐波的产生及其危害 国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，通常也称高次谐波。在国际 电工标准( i e c 5 5 5 - - 2 ，1 9 8 2 ) 、国际大电网会议( g i g r e ) 的文献中定义：“谐波分 量为周期量的傅利叶级数中大于1 的h 次分量。对谐波次数h 的定义则为：“以谐 波频率和基波频率之比表达的整数【1 】，。 除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以 及其它非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可 第一章绪论 以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和5 0 h z 基波电压 值和供电网的阻抗几乎无关。因此，对大多数谐波源视作为恒流源，它们与5 0 h z 基波不同，后者一般是恒压源【l 】 2 】。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态 运行条件下，它们本身不会造成电网中电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动 时( 例如系统发生短路故障时、切合空载线路或空载投入变压器时) 以及超出其 正常工作条件时( 例如变压器运行在其额定工作电压以上时) 将可能增大其产生 的谐波含量。 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面 2 】【3 】： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。谐波使电容器、 电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 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， 这就使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 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计量不 准确。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 使原有的电能计量方法不适用，计量误差增大。 1 3 谐波抑制技术的发展现状 解决电力电子装置及其它非线性负载产生的谐波污染问题，可以采取两种途 径。其一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数控制为 l ，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。其二是通过装设谐波补偿装 置来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它负荷 的影响。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。本文的研究内容属于第二 种途径。 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 a s s i v ep o w e rf i l t e r 第一章绪论 p f ) ，这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率。由于无源滤波器具有 投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波器是目 前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。无源滤波器是通过在系统中为谐 波提供低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决 定的，因而存在以下缺点【4 】： ( 1 ) 滤波特性受系统参数的影响较大，易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大。 ( 2 ) 只能消除固定频率的谐波。 ( 3 ) 滤波要求和无功补偿要求有时难以协调。 ( 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。 ( 5 ) 有效材料消耗多，体积大。 由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，谐波抑制的 一个重要趋势是采用有源电力滤波器。其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 电网电流只含有基波分量，达到实时补偿谐波电流的目的。这种滤波器能对频率 和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获 得广泛应用。 与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体 特点如下： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进 行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 ( 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 调节。 ( 3 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发 挥补偿作用。 ( 4 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 6 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 ( 7 ) 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响， 第一章绪论 因此此类装置适合系列化、规模化生产。 1 4 有源电力滤波器的国内外研究现状 1 9 7 1 年，h s a s a k i 等人首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原型5 1 。但 由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，未能在工业 中实用。1 9 7 6 年，l g y u g u y i 等人提出了脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m ) 控制的有源电力滤波器，确定了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电流发生器。但由于当时电力电子技术发 展水平不高，缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器仍局限于实验研究。进入 2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力半导体器件的出现和p w m 技术的发展，尤其 是1 9 8 3 年日本的h a k a g i 等人提出的三相电路瞬时无功功率理论，以及该理论在 三相有源电力滤波器中的成功应用，都极大地促进了有源电力滤波器的发展。 有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等 发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生 产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、德国西门子公司等。据统计， 仅在日本，自1 9 8 1 年以来，已有5 0 0 多台a p f 投入运行，其容量范围从5 0 k v a 到 6 0 m v a 越来越宽，功能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等越来 越丰富【6 】【7 】【8 】。 国内对a p f 的研究也非常活跃，技术上已经比较成熟，但仍处于实验阶段。 有关a p f 的研究主要集中在并联型和混合型上。并联混合型a p f 的研究最成熟， 主要以理论和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义，各种谐波电流的 检测方法、a p f 的稳态和动态特性分析等。虽然在理论上取得了一定的进展，但 由于多方面条件的限制，至今未有并联混合型a p f 的正式产品应用于实际。目前， 以高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - - d s p ) 为基础的实时数字信号 处理技术的迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字控 制的电能质量调节装置所取代。随着d s p 性价比的不断提高，用d s p 控制a p f 已 成为当今和未来技术发展的一个新热点。此外，大功率电力电子技术、控制技术 的不断发展使a p f 的成本也不断降低，加之其卓越的滤波性能，在我国必将有广 阔的应用前景9 】【1 0 】 1 l 】。 第一章绪论 1 5 本文的主要内容 有源电力滤波器作为一种很有发展前景的谐波治理装置，由于受开关器件容 量和成本方面的限制，单独使用有源电力滤波器并入高压电网运行的情况比较 少，解决这一瓶颈问题的方案就是与l c 无源滤波器同时使用，构成并联混合型有 源电力滤波器。大部分谐波补偿任务由无源滤波器承担，而有源电力滤波器只承 担小部分的谐波补偿任务。两者联合使用，既可克服有源电力滤波器容量要求大、 成本高的缺点，又可使整个滤波系统获得良好的性能。 本文就并联混合型有源电力滤波器的设计方面的几项关键技术进行了研究， 主要包括以下几方面： ( 1 ) 在参阅了国内外大量文献的基础上，介绍了有源电力滤波器，综述了有 源电力滤波器的主要应用、研究进展及目前存在的问题。 ( 2 ) 介绍了有源电力滤波器的分类和拓扑结构，分析了并联型有源电力滤波 器的基本工作原理，并导出其数学模型。 ( 3 ) 对国内外谐波实时检测的方法进行了研究，在i 。一i 。法的基础上进行改 进，引入了一种新的检测方法一基于基波幅值分离原理的谐波及无功电流检测 法。该方法算法简单、所用器件少、实时性较高，不仅适用于单相电路，也适用 于三相电路。 ( 4 ) 在并联混合型有源电力滤波器的拓扑结构的基础上分别进行了无源滤波 部分和有源滤波部分的设计，设计了一套并联混合型有源电力滤波器，并进行了 m a t l a b 仿真研究。仿真结果显示该并联混合型有源电力滤波器对电力系统中的 谐波及无功电流的抑制具有较好的效果。 第二章有源电力滤波器的基础理论 第二章有源电力滤波器的基础理论 2 1 有源电力滤波器的分类及拓扑结构 有源电力滤波器可分为并联型a p f 、串联型a p f 、串一并联型a p f 。如图2 1 所示【3 】，为有源电力滤波器的分类图。 j 鳓蛹 曙联蓟( f1 联蚵 r 出使用方走， i 一r l 一与l c 滤波器混合使用方式 【i _ 一与l c 滤波器并联 一与l c 滤波器串联 。一注入电路方式 广l c 串联谐振式 i 。“。1 。 i 可西孺丽丽 广一单独使用左式 与l c 滤波器混 合使用方式 图2 - 1 有源电力滤波器的分类 2 1 1 并联型有源电力滤波器 ( 1 ) 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如图2 2 所示。 略 厶 串并联型a p f 有源电力滤波器a p f _ j 。j一 图2 - 2 单独使用的并联型a p f 由于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电力滤波器提供，为与其它方式区别，称之为单独使用 第二章有源电力滤波器的基础理论 的方式。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。 优点：可用于补偿谐波，补偿三相不对称电流，补偿供电电压的波动，补偿 无功功率，可以根据需要连续调节。 缺点：由于交流电源的基波电压直接或经变压器间接加在a p f 上，故对开关 器件的电压等级要求较高。当负载的谐波电流含量较高时，补偿电流基本上由 a p f 提供，此时要求a p f 具有较大容量。 适用场合：主要用于带感性负载的整流器负载。 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 该方式的基本思想是利用l c 滤波器来分担a p f 的部分补偿任务。l c 滤波器 结构简单、易于实现且成本低，而a p f 的补偿性能好，两者结合同时使用，既可 克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得较好的性能。 这种方式的a p f 分为与l c 滤波器并联使用和与l c 滤波器串联使用两种类型，如 下图所示【1 2 】【1 3 】。 1 ) 与l c 滤波器并联的并联混合型有源电力滤波器 图2 - 3a p f 与l c 滤波器并联方式 图2 3 中a p f 与l c 滤波器并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务。l c 滤波器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的 任务。a p f 的作用是改善滤波性能，所需的容量与单独使用时相比可大幅度降低。 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能j 因此在这 种并联使用的方式中，需要对a p f 进行有效的控制以抑制可能发生的谐振。 优点：此方案有两种补偿方式：一种是l c 滤波器主要补偿高次谐波，而大部 分谐波由a p f 补偿，这种方式对降低a p f 的容量起不到明显的作用，但因为a p f 第二章有源电力滤波器的基础理论 主电路中对器件的开关频率要求不高，实现大容量相对容易一些；另一种方式是 l c 滤波器分担大部分谐波，而a p f 是为了改善整个系统的性能，那么所需容量与 单独使用方式相比可大幅度降低，在这两种方式中，a p f 都相当于电流控制电流 源。 缺点：电源与a p f 、a p f 与l c 之间存在谐波通道，特别是a p f 与l c 之间的谐 波通道，可能使a p f 注入的谐波又流入l c 及系统中联接的补偿无功的电容中。 适用场合：原来有无源滤波器的系统。 2 ) 与l c 滤波器串联的并联混合型有源电力滤波器 图2 4 为a p f 与l c 滤波器串联方式的原理图。这种方式的谐波与无功电流主 要由l c 滤波器补偿，而a p f 用来改善l c 滤波器的滤波特性，克n 及：l c 滤波器易受 电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。该方式中，a p f 不承受交流电源 的基波电压，因而装置的容量小。由于a p f 与l c 滤波器一起仍与负载并联接入电 网，故仍将其归入并联型。 优点：a p f 中通过的电流为l c 滤波器流过的基波无功电流和谐波电流，不存 在过电流的危险，有源电力滤波器发生故障也不会危及电网。由于有源电力滤波 器连接在l c 无源滤波器三相中性点的附近，电压隔离问题比较容易解决。 缺点：对电源中的谐波电压非常敏感。 适用场合：适用于高压电力系统。 负载 吩ls ：， 厂= = ) 门： 1一l ，：f 。， 一k 乙i ；jf 丫f 一气“j j l 一! i 有源电力滤波器a p f 广_ _ 一 - r _ _ _ j 二 图2 _ 4a p f 与l c 滤波器串联方式 ( 3 ) 注入电路方式的并联型有源电力滤波器 l c 无 源 滤 波 器 第二章有源电力滤波器的基础理论 这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式。该方式利用电容电感 构成注入回路，利用电容电感电路的谐振特性，使a p f 承受很小部分的基波电压， 从而极大地减小a p f 的容量。注入电路方式又分为l c 串联谐振注入电路方式和 l c 并联谐振注入电路方式3 】【4 】。 c i = = = l 厂习 q _ 一p 卢 l ：，有源电力滤波器 图2 5l c 串联谐振注入电路方式原理图 图2 5 为l c * 联谐振注入电路方式的原理图。其中c ：一在电源电压的基波 频率处发生串联谐振，基波电压绝大部分降落在电容c l 上。这样，有源电力滤波 器只需承受其余很小部分的基波电压。电容c ，还起到无功补偿的作用。 ，一一l r r 厶 c l 左 一气j 一 有源电力滤波器 a p f 图2 - 6l c 并联谐振注入电路方式原理图 图2 6 是l c 并联谐振注入电路方式的原理图。在有源电力滤波器和电网之间 串入在基波频率处谐振的厶一c 。回路，基波电压绝大部分加在该谐振电路上，有 霉 第二章有源电力滤波器的基础理论 源电力滤波器与幺一样只承受其余很小部分的基波电压。该方式还有一个好处是 只有很小的基波电流流过厶一c 。及厶。 在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配置 注入电路中的几个电感和电容的参数。 2 1 2 串联型有源电力滤波器 串联型a p f 包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种【1 4 】【1 5 】。 ( 1 ) 单独使用的串联型有源电力滤波器 图2 7 是单独使用的串联型a p f 的原理图。这种方式的特点是有源电力滤波器 作为电压源串联在电源和谐波源负载之间的。 一、 q _ 广r 厂一负载f 、一 i ， j7 、“! r 。一。l 一 u s l s 。ir r r j 图2 7串联型有源电力滤波器的原理图 c 在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波 源。典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入 补偿电流，抵消谐波源所产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下， 并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作 电压源的谐波源。针对这种谐波源，控制系统从电源电流中瞬时检测出其中的谐 波电流，并控制p w m 逆变器实时产生出与之成一定比例的谐波电压，从而达到 使串联型有源电力滤波器对基波阻抗为零而对谐波呈现一定阻抗的目的。串联型 与并联型可以看作是对偶关系。 适用场合：适用于电压源性质的谐波源 第二章有源电力滤波器的基础理论 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 图2 8 所示是串联型有源电力滤波器与并联的l c 无源滤波器混合使用的串联 混合型有源电力滤波器的原理图。这种方式的特点是在负载和电源之间串入有源 电力滤波器。 f 广 一r 一- t 一一 一 一 蟊乓 。_ ，一一一 丫7 1 厂_ i i 一 寺幸 = = 厅o ； 一器| i o l 图2 8 串联混合型有源电力滤波器 l c 无 源 滤 波 器 在这种方式中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波呈现零阻抗。 因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，它使电网的谐 波电压不会加到负载和l c 无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。这 样还可以抑制电网阻抗对l c 无源滤波器的影响，以及抑制电网与l c 无源滤波器 之间可能发生的谐振，从而极大的改善l c 无源滤波器的性能。这种方式称为串联 混合型有源电力滤波器。 优点：容量很小，投资较少，运行效率高。对大容量谐波源的补偿是较理想 的方案。 缺点：由于有源电力滤波器a p f 串联在电路中，当负载过载时有源电力滤波 器也将过载。很难把有源电力滤波器与电源隔离开，易发生短路，有源电力滤波 器一旦发生故障也将危及电网，对电源电压的闪变也没有作用。 适用场合：带有大容量谐波负载的电力系统。 2 1 3 串并联型有源电力滤波器 同时使用串联型a p f 与并联型a p f 进行谐波抑制和无功补偿，比分开使用它 们具有更好的滤波、补偿性能。图2 9 就是串联型与并联型a p f 混合在一起使用的 串并联型有源电力滤波器的原理图f 16 】【。 第二章有源电力滤波器的基础理论 一一。_ + _ 儿u 一厂j 墨堂! 一u s k ：i 二影 l 一 有源电力滤波器a p f 图2 - 9 串并联型有源电力滤波器 串并联型有源电力滤波器也称为统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e r ，缩写为u p q c ) 。串联型有源电力滤波器的作用是将电源和负载隔离， 阻止负载谐波电流流入电网，同时阻止电源谐波电压加至负载端。它对基波表现 为零阻抗，而对谐波表现为高阻抗。并联型有源电力滤波器是一个谐波流过的通 道，它最终把负载中谐波电流吸收掉。因而并联型有源电力滤波器作为一个谐波 通道，它对基波表现为很大的阻抗，对谐波表现为低阻抗。这种串联型与并联型 有源电力滤波器混合使用的统一电能质量调节器，能对电网与公共接点之间同时 实现电压和电流的净化，所以一般都是属于有源电力滤波器中的综合型。 优点：具有良好的动态性，对电压和电流、无功功率都有补偿。 缺点：投资大且容量不能做的太大，由于并联的有源电力滤波器负担谐波补 偿，所需容量大，消耗也大。 适用场合：用于电力配电系统和工业电力系统。 虽然统一电能质量调节器的造价成本和装置容量都很高，但是它能解决配电 系统中大多数电能质量问题，具有较高的性能价格比，是今后值得推广的一种装 置。 2 2 并联型有源电力滤波器的基本原理 2 2 1 并联型有源电力滤波器的工作原理 图2 一1 0 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图3 1 。图中表示交 流电源，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器 1 2 第二章有源电力滤波器的基础理论 系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控 制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) ，主电路目前均采用p w i v l 变流器。其 中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象的电流中的谐波和无功电流等分 量，因此也称之为谐波和无功电流检测电路。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。 。、妻上广_ 兰! _ 厂鬲 f ，一v 二 j 俑j 鞋 毽 l 丫| ； 图2 10 有源电力滤波器的系统组成 如果只补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载 电流t 的谐波分量么，将其反极性后作为补偿电流的指令信号f 。，由补偿电流 发生电路产生的补偿电流f 。即与负载电流中的谐波分量么大小相等、方向相反， 因而两者互相抵消，使电源电流f 。中含有基波不含谐波。这样就达到了抑制电源 电流中谐波的目的。上述原理可采用公式描述如下： i s = i l 4 - t 吒22 ，+ 2 朋 i c = 一i l h i s = i l + i c = i l f 式中，0 一负载电流中的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要 第二章有源电力滤波器的基础理论 在补偿电流的指令中增加与负载电流的基波无功分量嘞反极性的成分即可。这 样，补偿电流中的谐波及无功电流成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有 功分量锄。则前面给出的描述公式需要做一下调整： 0 = 助+ 啪 i 。= 一( 也+ l l f q ) i s = l + i c = t 4 l f p 2 2 2 并联型有源电力滤波器的数学模型 有源电力滤波器是复杂的非线性强耦合系统，要想建立精确的数学模型是比 较困难的。为了简化问题以便于分析，首先假设： ( 1 ) 忽略主电路中电力电子器件( 包括可控开关器件及与其反并联的二极管) 的通态压降，即等效为一理想的双向开关； ( 2 ) 忽略主电路直流侧电容电压的波动，即等效为一理想直流电压源； ( 3 ) 忽略电源内阻抗和线路阻抗的影响； ( 4 ) 有源电力滤波器补偿电流输出侧串联的电感为一理想电感； ( 5 ) 有源电力滤波器在正常工作时，同一桥臂上下两个开关器件工作在互补 状态，不考虑死区的影响。 基于以上假设，我们可以得到有源电力滤波系统的简化模型，如图2 1 1 所示。 可以看出，有源电力滤波器的补偿电流是由主电路中的直流侧电容电压和交流侧 电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中6 组开关 器件的通断组合所决定的。将特定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式。 设系统电压为u 。、u 6 、u 。，三相补偿电流为i 。、i 6 、f 。，p w m 直流侧电容电压 为虬，交流测电感为l ，则有：u 。+ “6 + “。= 0 ，i c a + 乙+ f 。= 0 。 可得出描述主电路工作情况的微分方程如下： 三鲁= k o u 。叫。( 2 - 1 ) 三鲁= k b u c 叫6 ( 2 - 2 ) 鲁瑙。u 。叫。( 2 - 3 ) 第二章有源电力滤波器的基础理论 式中k 。u k 。u 。、k 。u 。分别为主电路各桥臂中点与系统电源中点之间的 电压。k 。、k b 、墨为开关系数，k 。+ 蚝+ k 。= 0 图2 1 1 并联型有源电力滤波系统的简化模型 k 。、k 。、k 。的值与主电路工作模式之间的关系如表2 - 1 所示。 表2 1 主电路工作模式和开关系数 工作模式 工作模式开关系数 序号abc k 。k 6 k c 0o00o00 lo011 31 32 3 2o10 1 32 31 3 30 1 12 31 31 3 4lo02 31 31 3 51o11 32 31 3 6 l 1 o1 31 32 3 7111o00 第二章有源电力滤波器的基础理论 2 3 有源电力滤波器的电流检测方法 要改善电力系统的供电质量，治理电力系统的谐波污染，有源电力滤波器所 采用的谐波电流检测方法是非常重要的，它决定了谐波电流的检测精度和跟踪速 度，进而影响a p f 的谐波电流补偿效果，已经成为a p f 领域研究热点之一。目前 用于有源电力滤波器畸变电流检测的方法有很多，各具特点，常用的检测方法主 要有以下几种【1 8 】： ( 1 ) 模拟滤波器检测法【1 9 1 这种检测方法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 降低。此外，滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，因此很难得到理想的幅频 特性和相频特性。另外，该方法不能同时分离出无功电流和谐波电流。目前，这 种方法已极少采用。 ( 2 ) 基于f r y z e 的有功电流检测法【2 0 】 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) 。该方法的缺点是由于f r y z e 的功率定义是建立在平均功率 基础上的，需要一个周期的积分，有至少一个周期的延时，不适于负载变化频繁 的场合。而且只能同时检测出谐波及无功电流，不能只检测谐波电流或只检测无 功电流，有很大的局限性。 ( 3 ) 基于频域分析的f f t 的检测法 2 l 】 该方法是建立在傅立叶分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化 的，否则会带来较大误差。这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行 f f t 分解，得到各次谐波的幅值和相位系数，再进行f f t 反变换，合成出总的谐 波和无功电流。该方法的缺点是需要测得一个周期的电流值，且需进行两次变换， 计算量大，需花费较多的计算时间，从而使得检测方法具有较长时间的延迟，检 测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。并且，该法也无 法检测出无功分量。 ( 4 ) 自适应检测法【2 2 】 该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负荷电流作为原始 输入，从负荷电流中减去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无 功分量。该自适应检测法的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能 第二章有源电力滤波器的基础理论 力，缺点是动态响应速度较慢。该方法主要是针对畸变电流的检测。 ( 5 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法【2 3 】【2 4 】 基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前有源电力滤波器中应用最 广的一种检测方法，最早是由日本学者a k a g i h 于1 9 8 4 年提出的，经过不断改进， 现在包括p g 法和i ，一法。其中，p q 法适用于电网电压对称且无畸变情况 下谐波电流的检测：而i 。一i 。法在电网电压发生畸变时也能准确地测出高次谐波 电流。后面将对p q 法和i ，一i 。法做详细的介绍。 目前，国内外学者提出的大部分谐波检测方法都基于瞬时无功功率理论【2 5 【2 6 1 【2 7 1 。应该说，这些检测方法能够较好地检测出谐波电流和无功电流。但是基于瞬 时无功理论的检测方法有以下一些问题：( 1 ) 由于使用大量的乘法器，硬件电路结 构复杂；( 2 ) 控制算法复杂，要经过两次矩阵变换，计算量大；( 3 ) 不适用于单相 电路。 本文在i 。一i 。法的基础上进行改进，引入了一种新的谐波检测方法一基于 基波幅值分离原理的谐波检测法【2 8 【2 9 1 。该方法算法简单、所用器件少、实时性较 高，不仅适用于单相电路，也适用于三相电路。 本文将先介绍基于瞬时无功功率理论的谐波检测法【2 3 1 2 4 ，然后在此基础上介 绍基于基波幅值分离法的谐波检测方法【2 8 】 2 9 】 3 8 1 3 9 1 。 2 4 有源电力滤波器的主电路 有源电力滤波器的主电路，根据其直流侧储能元件的不同，可分为电压型和 电流型两种。图2 1 2 和图2 一1 3 分别示出了可应用于三相三线制系统的电压型和电 流型两种主电路，图中a 、b 、c 接至三相电源，v 1 、v 3 、v 5 和v 4 、v 6 、v 2 为各 组开关器件的代号。图中所画的电力电子开关器件为i g b t ，实用中可在g t o 晶 闸管、b j t 、i g b t 、电力m o s f e t 等器件中选择。就其结构而言，两种电路与 变频器、s v g 等的主电路基本相同，只是因应用场合不同，要求不同，控制方法 也不同。 第二章有源电力滤波器的基础理论 ，；_ z = 垤五垤_ ：! ； 卫。考一寸一节一o r l ，一一上上_ 一 i 殴兰 l 一，7 一k !一l 覃垤0一 一飞4一 + 图2 1 2 三相电压型p w m 逆变器图2 1 3 三相电流型p w m 逆变器 下面简要概括电压型和电流型两种主电路的一些基本特点： 1 ) 电压型p w m 逆变器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保 持不变，可看作电压源；电流型p w m 逆变器的直流侧接有大电感，正常工作时， 其电流基本保持不变，可看作电流源。 2 ) 对于电压型a p f ，为保持变流器直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行 控制；对于电流型a p f ，为保持变流器直流侧电流不变，需对直流侧电流进行控 制。 3 ) 电压型a p f 变流器交流侧输出电压为p w m 波，电流型a p f 变流器的交流 侧输出电流为p w m 波。电流型a p f 的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直 通而发生断路故障。但是，电流型a p f 的直流侧大电感上始终有电流流过，该电 流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。与电流型a p f 相比， 电压型a p f 损耗较小、效率高，因此目前国内外绝大多数a p f 都采用电压型逆变 器结构。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型a p f 投入使用。 在本文中出现的a p f 均为电压型a p f 。 2 5 有源电力滤波器补偿电流控制方法 在获得指令电流信号后，有源电力滤波器产生的谐波电流应实时跟踪指令电 流的变化，这就要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用p w m 控制方式。目前跟踪型p w m 控制的方法主要有两种，即瞬时值比较方式和三角 波比较方式。 第二章有源电力滤波器的基础理论 2 5 1 瞬时值比较方式 如图2 1 4 所示为采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。在该方式中， 把补偿电流的指令信号i ：与实际的补偿电流信号f 。进行比较，两者的偏差f 。作为 滞环比较器的输入，通过滞环比较产生控制主电路开关通断的p w i v l 信号，该p w m 信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流f ，的变化。这种控制方式 主要有以下特点： 1 ) 硬件电路简单； 2 ) 属于实时控制方式，电流响应很快； 3 ) 不需要载波，输出电流中不含特定频率的谐波分量； 4 ) 属于闭环控制方式，这是跟踪型p w m 控制方式的共同特点； 5 ) 若滞环的宽度固定，则电流跟踪误差范围是固定的，但是电力电子器件 的开关频率是变化的。 滞环比较器 补偿量信号 图2 一1 4 滞环比较器的瞬时值电流跟踪原理图 在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导 致主电路中电力电子器件的开关频率是变化的，尤其是当f ，变化范围较大时。一 方面，在i ，值小的情况，固定的