（控制理论与控制工程专业论文）大容量并联混合型有源电力滤波器的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 大量非线性电力电子装置的广泛应用，使电网中的谐波污染日益严重，无 功功率需求日趋增大，造成系统的功率因数很低，给电网带来额外负担并影响 供电质量和运行安全。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 ) 是一种新 型动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波 和无功进行补偿，可以弥补传统补偿方法的不足，获得比无源网络更好的补偿 特性，已成为目前电力系统“治污”的研究热点。 但目前由于电力电子技术、串并联技术和价格等的限制，单独使用的有源 电力滤波器无法满足电力系统复杂化、低成本、大容量谐波抑制和无功补偿的 客观要求。因此根据有源电力滤波器和无源网络各自的优缺点，将有源电力滤 波器与无源网络结合使用，实现优势互补，是解决当前有源电力滤波器发展应 用的一个有效途径。 论文首先介绍谐波和无功功率的相关概念、产生机理、研究意义，谐波抑 制、无功补偿及有源电力滤波器的研究现状，较详细的论述了a p f 的原理、各 部分组成，对各种串并联方式的a p f 的性能进行了分类比较。重点分析了基于 瞬时无功功率理论的三种谐波电流检测方法，并进行了仿真比较。 在此基础上，将改变接入点的并联混合型有源电力滤波器与并联电容器组 合成为大容量并联混合型有源电力滤波器，以增大系统谐波抑制和无功补偿的 容量，提高功率因素，减小a p f 的补偿容量，降低成本。并对单调谐无源滤波 器、并联电容组和输出滤波器进行了设计。对大容量系统的容量、不同控制方 式下滤波特性和稳定性进行了详细地理论分析。 最后，利用m a t l a b 仿真软件，在对谐波源、谐波检测、不同控制方式下改 变接入点的并联混合型有源电力滤波器等模型仿真的基础上，选择性能最佳的 复合控制方式对大容量并联混合型有源电力滤波器进行了性能仿真，并作了切 合实际的理论分析，验证了该方式的可行性和有效性。 关键词： 有源电力滤波器，谐波检测，无功补偿，电容器组 武汉理工大学硕士学位论文 t h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u sa n dt h ed e m a n do f r e a c t i v ep o w e ri s i n c r e a s i n gi nt h ep o w e rn e t w o r kd a yb yd a yb e c a u s eo ft h e w i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fn o n l i n e a rp o w e r e l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o n s i ta l s oc r e a t e st h e p o w e rf a c t o ro fs y s t e mt ob ev e r yl o wa n db r i n g st h ee x t r ab u r d e nt ot h ep o w e r n e t w o r ka n di n f l u e n c e sp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dt h em o v e m e n ts e c u r i t y t h ea c t i v e p o w e rf i l t e r f ) w h i c hi sak i n do fn e wd y n a m i ce l e c t r o n i ci n s t a l l a t i o n , c a n s u p p r e s st h eh a r m o n i ca n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r t h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e p o w e rw h i c hh a sv a r i a t i o n a lf r e q u e n c ya n ds i z e ，c a nb ec o m p e n s a t e db yt h ea p e t h e a p fc a na l s om a k eu pt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o nc o m p e n s a t i n gm e t h o d ，a n d o b t a i nb e t t e rc o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc o m p a r i n gt ot h ep a s s i v en e t w o r k a t p r e s e n t ，t h ea p f h a sb e c o m eah o td i s c u s s i o nt o “e l i m i n a t et h ep o l l u t i o n o fp o w e r s y s t e m a tp r e s e n t ，t h es i n g l ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a l ln o tm e e tt h ep o w e rs y s t e m s o b j e c t i v er e q u e s t so fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nw i t h c o m p l i c a t i o n , l o wc o s ta n dl a r g ec a p a c i t y , b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h ep o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , s e r i e s - p a r a l l e lt e c h n o l o g y , a n dc o s ta n ds oo n t h e r e f o r e ， a c c o r d i n gt ot h ea d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h e p a s s i v en e t w o r k , t h eu n i o no fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v en e t w o r k , w h i c hc o u l d s u p p l ys u p e r i o r i t yt oe a c ho t h e r , i sa ne f f e c t i v ew a y t od e a lw i t ht h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no f a c t i v ep o w e rf i l t e r t h i st h e s i si n 仃o d u c e st h er e l a t e dc o n c e p t ，p r o d u c t i o nm e c h a n i s m , r e s e a r c h s i g n i f i c a n c eo fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r , a n dt h ep r e s e n tr e s e a r c h i n gs i t u a t i o no f h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n da p f , b e s i d e s ，t h ep r i n c i p l e a n dc o m p o s i t i o n so fa p fa r ee l a b o r a t e d ，a n de a c hk i n do fs e r i e s - p a r a l l e la p fi s c l a s s i f i e da n dc o m p a r e di nd e t a i l t h r e eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do n t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ya l ea n a l y z e dw i t he m p h a s i s ，a n dt h e s i m u l a t i o nc o m p a r i s o ni sc a r r i e do ni nt h em a t l a b 武汉理工大学硕士学位论文 o nt h i sf o u n d a t i o n , t h ep a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hh a sc h a n g e d c o n n e c t i o np o i n t si sc o m b i n e dw i t ht h ep a r a l l e lc a p a c i t o rb a n k st of o r mt h el a r g e c a p a c i t yp a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , , s oa st oi n c r e a s et h es y s t e m sc a p a c i t yo f h a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n , t oe n h a n c et h ep o w e rf a c t o r , t or e d u c et h ec o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo fa p fa n dt or e d u c et h ec o s t n 圮s i n g l e h a r m o n i o u sp a s s i v ef i l t e r , p a r a l l e lc a p a c i t o rb a n k sa n do u t p u tf i l t e ra r ed e s i g n e di n t h i st h e s i s t h ec a p a c i t y , t h ef i l t e rc h a r a c t e r i s t i ca n dt h es t a b i l i t yi nd i f f e r e n tc o n t r o l m o d eo ft h el a r g ec a p a c i t ys y s t e ma t et h e o r e t i c a l l ya n a l y z e di nd e v i l f i n a l l o nt h eb a s eo fs i m u l a t i o no fh a r m o n i cs o u r c e ，h a r m o n i cd e t e c t i o n , a n d p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hh a sc h a n g e dc o n n e c t i o np o i n t si nt h e d i f f e r e n tc o n t r o lm o d e ，t h eo p t i m u mc o m p l e xc o n t r o lw a yi se l e c t e dt os i m u l a t et h e p a r a l l e lh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ro fl a r g ec a p a c i t yb ym a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e a sar e s u l t , s i m u l a t i o na n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s e sp r o v e dt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e a n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i r e r , h a r m o n i c sd e t e c t i o n ，r e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，c a p a c i t o r b a n k s 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：歪益塑暨二日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着大量非线性电力电子装置的广泛应用，电网中的谐波污染日 益严重，无功功率需求日趋增大，造成许多负载装置的功率因数很低，给电网 带来额外负担加重并影响供电质量和运行安全。因而，有效的抑制谐波污染和 补偿无功，进而提高功率因数，供、用电效率己成为涉及理论电工、电力电子、 电力系统、电气自动化等领域的重要研究课题“1 。 1 1 谐波及无功功率 1 1 1 谐波及无功功率的产生机理 “谐波”一词起源于声学“1 。电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进 行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于 电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波”1 。谐波频率与基波频率的比值 ( n = f j f l ) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为间谐波或分数 谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电力技术领域主要研究 频率范围为签n s 4 0 的谐波。 电网谐波主要来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波，但一般来说 谐波量很小：二是输配电系统产生谐波，主要是电力变压器产生谐波；三是用 电设备产生谐波。如晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、电石炉、气体放电 类电光源及电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等家用电器。这也 是电力系统谐波的主要来源。3 。 无功功率不是无用功率，它为电力能量的交换、输送、转换创造必要的条件， 是电力系统设计和运行中的一个必不可少的重要因素。在正弦电路中，无功功 率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义“1 。 无功功率的产生：一是电力系统的无功电源，如同步发电机、同步调相机、 同步电动机等，它们在过励磁工作状态下会输出无功功率。二是电力系统的无 功负荷，如异步电动机、变压器、电力线路和整流装置等设备，在工作时都需 武汉理工大学硕士学位论文 要消耗无功功率。 1 1 2 谐波的危害及无功功率的影响 谐波的主要危害如下 ( 1 ) 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，电网元器件产生附 加损耗增加。 ( 2 ) 谐波污染会影响各种电气设备的正常工作。使旋转电机产生附加功 耗和发热，产生机械震动、噪声和过电压。增加变压器的损耗，使变压器局部 严重过热，绝缘老化，降低变压器的使用寿命。 ( 3 ) 谐波会引起电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波电流放大， 引起电网严重事故。会造成计量仪器出现误差。幅值和含量较高的谐波会导 致继电保护、自动控制装置和计算机的误动和拒动。 ( 4 ) 谐波对邻近的通信系统和电子设备产生干扰，降低通信质量和电 子设备的性能。 无功功率的主要影响如下 ( 1 ) 无功功率对有功功率的影响。输电线路的主要任务是输送有功功率， 而为了实现有功功率的传输和电网无功功率的平衡，一般也需要输送一定量的 无功功率。输送无功功率时需要消耗有功功率。当有功功率一定时，无功功率 越大，则电网的有功损耗就越大。当线路的传输能力一定时，传输无功功率越 小，则传输有功功率的能力越大。 ( 2 ) 无功功率平衡水平对电压水平的影响。系统的无功电源充足，系统就 有较高质量的电压水平，反之，只能在较低质量的电压水平下运行。当无功功 率损耗较大时，会引起系统电压大幅下跌，影响系统运行的稳定性和经济性“1 。 ( 3 ) 无功功率的增加会使电网电流增大，视在功率增加，从而使导线及发 电机、变压器、用户设备等的容量增加，线路及设备的损耗增加，电力设备 的启动、控制及测量设备的尺寸和规格也随之加大。 1 1 3 谐波及无功功率研究的意义 大量非线性负载的使用，使电力系统的谐波污染和无功功率需求日益加重。 2 武汉理工大学硕士学位论文 导致电能的生产、传输和利用的效率降低，电气设备过热，工作不稳定，寿命 缩短。不对称的波动谐波源和无功功率的变化还引起有功功率传输不稳定、电 压波动、闪变和负序分量，使电能质量严重恶化，危及电力系统的安全经济运 行。 非线性电力电子装置是电力系统主要的谐波源，然而其产生的谐波污染己 成为限制电力电子技术自身发展的重大障碍。所以电力电子领域的发展必须以 谐波问题的有效研究为前提。 随着社会的进步，国民经济的发展，电能在经济、日常生活中扮演着越来 越重要的角色。对电力系统不管从数量还是质量都提出了更高的要求。然而由 于我国能源条件的限制，积极推行电能的d s m ( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 技术， 倡导“绿色”电能。“1 ，不断提高电能的质量，提高电能的利用率就显得尤为紧 迫。 1 2 谐波抑制及无功功率补偿研究现状 电力系统中，频率和电压是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标。 为确保电力系统的正常运行，供电频率和电压必须稳定在一定的范围内。 电网频率的控制有两种不同的思路，一种是对用电器进行改造，减少其对 电网谐波的注入。显然对大量原有用电器进行改造是不现实的。另一种是对电 网配电端装设谐波补偿装置进行谐波补偿抑制。目前，普遍采用的是结构简单、 成本低的l c 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ，但其滤波效果与系统 运行参数密切相关”。 无源滤波器存在的不足如下 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波的成分较多，必须 同时加入多个滤波器，这会使整个滤波装置的成本和体积增加； 谐波电流超量时可能造成无源电力滤波器的过载损害设备； 其滤波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预 期的滤波效果； 对于特殊的谐波或当系统阻抗和频率变化时有可能因与电源阻抗并联谐振 而产生谐波放大现象使电路无法正常工作； 可能与电力系统发生串联谐振造成电压畸变而产生附加的谐波电流流入无 3 武汉理工大学硕士学位论文 源滤波器影响其滤波效果； 体积大，重量大。 电压控制的最重要方法之一是对电力系统的无功功率进行补偿平衡控制。 无功功率补偿的方法很多，如采用同步发电机、同步电动机、同步调相机、并 联电容器和静止无功补偿装置等。其中并联电容器容量大、简单经济、方便灵 活，目前等到了广泛的应用。但其补偿效果也与系统运行参数密切相关m 。存在 补偿容量与供电电压平方成正比，可能与系统发生并联谐振，放大谐波电流等 不但危害电容器本身，而且危及电网正常安全运行的固有不足。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子技术及控制技术的飞速发展，大功率可 关断器( g t r 、g t o 、i g b t 等) 的不断进步，利用功率开关的有源电力滤波器的研 究越来越引起人们的关注。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的 电力电子装置，通过对电网谐波和无功电流的检测产生并向电网注入与负载谐 波电流大小相等方向相反的补偿电流，以抵消负载产生的谐波和无功电流，使 电网的电流为正弦波，功率因素提高，从而达到补偿谐波和无功功率的目的。 有源电力滤波器的特点如下 实现了对无功电流的大小变化，对谐波电流的大小及频率变化实时地进行动 态补偿，且对补偿对象的变化有极快的响应： 可以同时对谐波和无功电流进行补偿，且补偿无功功率电流的大小可以做到 连续调节； 补偿无功功率不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件的容量不 大： 即使补偿电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； 受电网阻抗的影响不大，不易发生谐振； 补偿性能不受电网频率变化的影响； 可以对一个或多个无功与谐波源进行补偿； 体积小，重量轻。 有源电力滤波器虽然性能优越，但目前由于电力电子技术等的限制，其成 本较高，仅单独使用有源电力滤波器要实现低成本、大容量的工程应用难度很 大。因此将小容量有源电力滤波器与大容量的无源网络结合使用，实现优势互 补，既可实现工程应用的低成本、大容量又可满足有源部分的小容量要求是当 前有源电力滤波器发展的一个符合实际的可行方案。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 有源电力滤波器的发展现状 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w i v l 控制变流器构成的有源电力滤波器， 确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源电力滤波器主电路的拓扑结构和控 制方法。 随着电力电子技术、p w m 控制技术、微机控制技术及数字信号处理技术等的 发展，2 0 世纪8 0 年代，有源电力滤波器取得了较大的发展。特别是1 9 8 3 年赤木 泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论州“”，以该理论为基础的谐波和 无功电流检测方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源 电力滤波器的发展。 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器。经过众多学 者多年的努力，为尽量发挥有源电力滤波器的优点、提高其性能，并尽量减小 有源部分的补偿容量，增大系统总体的补偿量以适应不同的补偿对象，提出了 各种串并联形式的混合型有源电力滤波器。其中著联混合型有源电力滤波器当 前研究和应用最多。 目前，在日本、美国和德国等工业发达国家，a p f 技术已经日趋成熟并在实 际中得到了广泛的应用，取得了良好的效果。而国内具有工程实用性的a p f 应用 并不多，更没有可以推广的商业化的a p f 。这是我国电力系统亟待解决的问题。 有源电力滤波器以它良好的性能，赢得了众多学者的关注，成为了谐波及 无功补偿研究的焦点。目前有源电力滤波器的研究主要集中在以下几点： ( 1 ) 增大系统总的补偿量，减小有源部分容量，降低成本。有源电力滤波 器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。其容量取决于与装置连接的 交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。由于电力电子器件容量、动态 性能( a p f 逆变电路中的电力电子器件的容量和动态性能成反比) 、串并联技术 和价格等的限制，其容量难以满足大容量的要求。目前的主要思路是将有源电 力滤波器和无源网络混合使用，用无源网络滤除系统主要的谐波电流，补偿系 统的无功电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果和动态性能。还有学 者提出其他方法，如采用多重化主电路形式的有源电力滤波器，使用静止无功 补偿装置等等，其主要目的也是降低有源部分的容量，增大系统容量，降低成 本。 ( 2 ) 谐波理论研究。三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三 武汉理工大学硕士学位论文 线制系统并取得了良好的补偿效果。但传统的谐波理论不仅一些量的物理概念 比较模糊，在解决一些概念和问题时遇到困难“，而且很少关注不同次谐波之 间产生的畸变功率问题以及非稳态谐波问题，已经不能完全适应电力系统复杂 化的客观实际。所以必须从以传统谐波理论研究为主转向通用谐波理论，探索 适用于复杂化系统的通用谐波理论以及新的谐波评定方法，不仅是谐波理论自 身发展的需要，更是解决电力系统谐波问题的客观需求。 ( 3 ) 数字化实现。目前有源电力滤波器的控制电路多为模拟电路，其线路 较为烦琐、结构较为复杂，因此必须寻找比较简单的方法来改进。随着数字信 号处理器d s p 芯片接口功能的日趋完善、先进控制方法的不断成熟、价格的降低， 使采用数字化方法来实现这部分工作成为可能。 ( 4 ) 强化系统功能。随着各种串并联形式a p f 的出现，有源电力滤波器的 功能将会进一步加强，除能补偿谐波外，还具备补偿基波无功、抑制电压闪变 以及电压不平衡等功能。这方面的研究已经引起一些学者的关心，并取得了许 多研究成果“”。 1 4 论文的主要内容 电力系统对于谐波抑制与无功功率补偿研究已经很多年了。但是，由于串 并联工程技术、电力电子器件容量和价格等因素，制约了大容量谐波抑制和无 功补偿的有源电力滤波器的发展和应用。 本文在研究谐波抑制理论和无功功率补偿的基础上，通过对各种治理方法 的深入了解，认为将混合型有源电力滤波器与并联电容器组合使用是一种能实 现大容量谐波抑制和无功功率补偿的经济、实用的方法。 第1 章介绍谐波和无功功率的相关概念、产生机理、研究意义，谐波抑制、 无功补偿及有源电力滤波器的研究现状。 第2 章在论述a p f 的组成、原理的基础上，对各种串并联方式的a p f 的性 能进行分类比较，对a p f 的检测方法、指令跟踪、主电路和控制方式等作较为 详细的分析。 第3 章首先对瞬时无功功率理论进行梳理，在此基础上，详细的分析基于 瞬时无功功率理论的三种谐波电流检测方法，并进行仿真比较。 第4 章将并联混合型有源电力滤波器与并联电容器组合成为大容量并联混 6 武汉理工大学硕士学位论文 合型有源电力滤波器，以增大系统总的补偿量容量，减小有源部分的容量。并 对单调谐无源滤波器、并联电容组和输出滤波器等部分进行设计，研究其参数 的选择方法。对系统的容量、不同控制方式下滤波特性和稳定性进行详细的理 论分析。 第5 章利用m a t l a b 仿真软件，对谐波源、谐波检测、不同控制方式下的并 联混合型有源电力滤波器及大容量并联混合型有源电力滤波器的补偿性能进行 仿真，并做出切合实际的理论分析。 第6 章对全文进行全面总结，指出了文章存在的不足。并提出今后在理论 和实践中需要进一步研究的内容。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章有源电力滤波器 传统的采用电力电容器和电抗器等无源器件构成的无源网络，既可补偿谐 波，又可补偿无功功率，且成本低，技术成熟，结构简单。但其无法克服滤波 特性受电网阻抗和运行状态影响较大，易与系统发生谐振；只能补偿固定频率 的谐波，补偿效果粗糙等自身固有缺点。有源电力滤波器是一种新型动态抑制 谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行 补偿，可以弥补传统补偿方法的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，已 成为目前电力系统“治污”的研究热点。本章首先介绍有源电力滤波器的原理、 组成，然后对其构成进行分类比较，对其检测方法、指令跟踪、主电路和控制 方式等作较为详细的分析。 2 1 有源电力滤波器组成、原理 最基本的并联有源电力滤波器的系统构成如图2 1 所示。图中e 表示交流电 源，负载为谐波源，产生谐波并消耗无功功率。它主要由两大部分组成，即指 令电流检测电路和补偿电流发生电路( 包括电流跟踪控制电路、驱动电路和主电 路三部分构成) 。 图2 - 1 有源电力滤波器的系统构成 指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波 无功电流，然后将其反极性作用后产生补偿电流的指令信号。 电流跟踪控制电路根据主电路产生的补偿电流应跟踪指令信号的原则，计 算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。 8 武汉理工大学硕士学位论文 主电路的p w m 变流器在驱动脉冲作用下产生可抵消谐波、平衡无功的补偿电 流。这样使电网电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功 补偿的目的。 综合起来，有源电力滤波器的基本原理是：通过指令运算电路检测系统的 电流或电压，产生补偿指令信号，该信号经跟踪、放大后作用于主电路，产生 可与负载谐波及无功相抵消的补偿电流，以得到期望的电源电流。 2 2 有源电力滤波器的分类及比较 近2 0 年来，不同种类的有源电力滤波器被相继提出，有些已进入实际应用 阶段。而关于它的分类可以从不同的角度出发“2 - 1 ”。 ( 1 ) 根据应用场合，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大 类。前者主要用来消除高压直流( i v d c ) 系统中换流器直流侧的电流、电压谐波； 后者则应用于交流电力系统。 ( 2 ) 根据逆变器直流侧储能元件的不同，a p f 又分为电压型( 图2 2 ) 和电 流型( 图2 3 ) 。与电流型a p f 相比，电压型a p f 效率高，可任意并联扩容，易于 单机小型化、经济，适用于电网级谐波补偿，因此目前实用装置9 0 以上是电压 型。但随着超导储能技术的不断发展，将会有更多的电流型a p f 投入使用。 图2 - 2 电压型主电路 图2 - 3 电流型主电路 ( 3 ) 根据与电网连接方式，a p f 可以分为并联型、串联型、混合型和串一并 9 武汉理工大学硕士学位论文 联型。图2 1 所示为并联型a p f 的基本结构，它主要适用于电流源型非线性负载 的谐波、无功及三相系统中的不平衡电流等的补偿。目前，并联a p f 在技术上已 经比较成熟，它也是当前应用最广泛的拓扑结构。 2 2 1 单独使用的有源电力滤波器 1 ) 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是最基本、目前应用最多的一种a p f 。其拓扑结构如 图2 4 所示n 6 1 ”。 图2 4 并联型a p f 其主电路主要由产生谐波并消耗无功的非线性负载、变流器及与变流器相 串接的输出电感、并接的直流侧贮能元件( 电容或电感) 组成，通过变压器( 或 电感、电容) 并接入电网，补偿电流源型的谐波源，如阻感负载的整流电路。 这里并联型a p f 被控制为一个补偿电流源，抑制负载引起的谐波电流，也可补 偿无功和平衡三相电流。与a p f 并接的小容量一阶高通滤波器( 或二阶高通滤 波器) ，用于滤除a p f 所产生的补偿电流中开关频率附近的高次谐波。 主要特点：只要采用适当的控制方法，该方式可以达到多种动态补偿的目 的，实现的功能最为丰富灵活。流过电流较小( 补偿电流和基波有功电流的一 部分) 。 存在不足：交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 加到了变流器上，a p f 承载的电压过大，且补偿电流基本由变流器提供，故要求有源部分具有较大容 量。 2 ) 串联型有源电力滤波器 图2 - 5 所示为串联型有源电力滤波器拓扑结构“，其主电路与并联型有源 电力滤波器基本相同。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 5 串联型a p f 串联型a p f 是作为电压源通过变压器串接在电源和非线性负载之间的，主 要用于补偿可以看作电压源的非线性负载，如电容滤波型整流电路。此时，串 联型a p f 被控制为一个补偿电压源，输出补偿电压以抵消负载产生的谐波电压 以及系统侧电压谐波和波动对敏感负载的不良影响，使供电点电压波形为正弦 波。 主要特点：可以平衡三相不平衡系统、消除闪变、调节三相系统电压。 存在不足：流过高的负载电流，损耗较大，稳定性较差，各种保护电路比较 复杂。目前研究不够充分，应用较少。 并联型a p f 适用于调节负荷注入电网的电流，以降低注入电网的无功和谐波 含量。串联型a p f 适用于调节电网供给负荷的电压，以保障负荷侧的电压质量。 2 2 2 混合使用的有源电力滤波器 单独使用的有源电力滤波器要满足大容量的补偿要求，不仅成本高，结构 复杂，而且受到电力电子器件容量的限制，实现比较困难。于是考虑到无源滤 波器结构简单、价格低廉等特点，可以与a p f 组合成混合型a p f 使用，以实现 优势互补。 1 ) 与l c 并联的并联混合型h o f 图2 - 6 所示为与l c 并联使用的并联混合型a p f “1 ，它是1 9 8 7 年由m t a k e d a 等人提出来的。这种方式中，无源滤波器包括与a p f 并联的多组单调谐滤波器 及高通滤波器，用于补偿绝大部分的电网谐波及无功。有源部分只需承担很小 的补偿任务，主要起拾遗补缺、调节整个系统性能和抑制l c 与电网阻抗之间可 能发生的谐振的作用。这样，系统总补偿量不变或增大，而a p f 的容量和造价 武汉理工大学硕士学位论文 被大大降低。 主要特点：主电路器件的开关频率要求不高，有源部分容量减小。 存在不足：电网与a p f 和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 补偿的谐波又流入l c 及系统中。 图2 - 6 与l c 并联使用的a p f 2 ) 与l c 串联的并联混合型a p f 图2 7 所示为与l c 串联使用的并联混合型a p f 。“嘲，它是1 9 9 0 年由h f u j i t 等 人提出来的。该方式中，l c 与a p f 串联后与电网并联，l c 滤波器同样包括多组单 调谐滤波器及高通滤波器，谐波和无功主要由l c 滤波器补偿，而有源滤波器的 作用主要是通过注入谐波电压而使l c 对谐波呈低阻抗，以改善无源滤波器的滤 波特性；调节系统性能，克服电网阻抗对无源滤波器的影响，抑制无源滤波器 与电网的谐振。 图2 7 与f 串联使用的a p f 主要特点：有源滤波器不承受电网的基波电压，容量小，系统性能较好。 存在不足：对电网的谐波电压非常敏感。 这种拓扑结构是目前有源电力滤波器研究的热点。 篙 雠 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 串联混合型a p f 图2 8 串联混合型a p f 图2 8 所示为串联混合型a p f 嘲，它是1 9 8 8 年由f z p e n g 等人提出来的。 这种方式是在并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，谐波基 本由l c 补偿，而有源滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。可将有源滤 波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为0 ，而对高次谐波却呈现高阻抗，抑 制谐波电流流入电网，并且迫使高次谐波电流流入l c 滤波器。与此同时，也阻 止了电源的谐波电压串入负载侧。有源滤波器不仅起到谐波隔离器的作用，而 且还可抑制电网阻抗对l c 滤波器的影响及电网与l c 滤波器这间可能发生的谐 振。 主要特点：在无源滤波器的调谐频率上，有源滤波器隔离作用明显。 存在不足：在非无源滤波器的调谐频率处，有源滤波器的隔离作用实效， 因此对电网的闪变等分量不能实现隔绝。摆脱不了串联型有源电力滤波器的固 有缺点。 4 ) 串并联型有源电力滤波器 图2 - 9 统一电能调节器( u p q c ) 图2 - 9 所示为串并联型有源电力滤波器的拓扑结构幽嘲。并联型有源电力 武汉理工大学硕士学位论文 滤波器侧重于对负载侧电流所引起的谐波、无功和负序等的补偿，而串联型有 源电力滤波器则更侧重于对电压谐波的补偿。针对这种情况，出现了将并联型 有源电力滤波器与串联型有源电力滤波器以开关模式并联的串并联型有源电力 滤波器，以实现优势互补。因其功能丰富，也称为通用电能质量控制器( u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ，u p o c ) 。 但是这种结构模式，控制非常复杂，实现价格很昂贵，所以目前很少投入 实际运用，也不是研究的热点。 2 3 谐波电流检测方法 ( 1 ) 模拟带通或带阻滤波器检测法。最早的谐波电流检测方法是采用模拟 滤波器来实现的，即采用陷波器将基波电流分量滤除，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。该检测方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。但该方法也有许多缺点，如 滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想 的幅频和相频特性。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出 的谐波电流中含有较多的基波分量，大大增加了有源滤波器的容量和运行损耗。 还有所采用的高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补偿效果， 因而极少采用。目前，即使采用微处理器等数字器件来实现滤波器，也很难达 到理想的检测效果。 ( 2 ) 基于傅里叶变换的检测法。这种方法由离散傅里叶变换过渡到快速 傅里叶变换的基本原理构成。模拟信号经采样，离散化数字序列信号后，经微 型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得 更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行各种统计和分析等。使用 此方法检测谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的 电流值，且需进行两次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长， 检测结果实时性较差。而且在采样过程中，即使采样频率满足了奈奎斯特定理， 但如果不是同步采样，就将带来泄漏效应以及栅栏效应，使算出的信号参数即 频率、幅值和相位等不准，尤其是相位误差很大，从而无法满足准确的谐波检 测要求。 ( 3 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法陬”1 。该检测法是目前a p f 中应用最广 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 的一种指令电流检测方法。该理论最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出，最 初仅适用于对称三相电路，后经不断改进现已包括p q ，i p - i 。以及d q 检测法等。 其中p q 检测法最早应用，仅适用于对称且无畸变的电网；而i ，- i 。检测法既对电 网电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转p a r k 变换的d q 检测法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸 变的电网。 ( 4 ) 基于现代控制理论的检测法啪。最早应用的有基于p i 控制器的检测方 法。因p i 控制器的特性不能适应负载及电网的变化，因此后来又提出了滑模控 制及模糊控制等现代控制方法。它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流， 求出所需电网电流的基波有功分量幅值，然后计算出所需补偿电流的值。 ( 5 ) 自适应检测法啪1 。该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理， 从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值。该方法的优点 是对电网电压畸变、频移及电网参数变化有较好的自适应调节能力，缺点是动 态响应较慢。 ( 6 ) 基于神经网络的检测法。该方法是随着神经网络理论在系统中的应 用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。人工神经网络自学功能性强，把 进化算法和反向传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复 杂计算，而且有广泛的适应性，可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线 性负载系统。 从目前应用于实际的情况看，基于瞬时无功功率理论的检测方法简单易行， 性能良好，并已经趋于完善和成熟，目前占主导地位。自适应检测法、基于神 经网络的检测法及基于小波变换的检测法等新型检测法是否能应用于工程实 际，还须进一步的研究验证。 2 4 系统控制方法 2 4 1 电流跟踪控制 ( 1 ) 三角波线性控制。它以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调制 信号，与高频三角波相比较，从而得到逆变器开关器件所需要的控制信号。其 优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单，缺点是开关损耗较大，且输出 武汉理工大学硕士学位论文 波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。 ( 2 ) 迟滞环比较控制”1 。它是将指令电流值与逆变器实际电流输出值之差 输入到具有迟滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从而 达到逆变器输出值实时跟踪指令电流值。与三角波线性控制相比，迟滞环比较 控制具有开关损耗小，动态响应快等特点。缺点是系统的开关频率，响应速度 及电流的跟踪精度会受迟滞环带宽影响。带宽固定时，开关频率会随补偿电流 变化而变化，从而引起较大的脉动电流和开关噪声。 ( 3 ) 无差拍控制。“。这是一种全数字化的控制技术，它利用前一时刻的指 令电流和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的 开关模式。优点是动态响应很快，易于计算机执行，缺点是计算量大，且对系 统参数依赖性较大。 以上控制方法中，基于模拟控制技术的三角波线性控制法和迟滞环比较控 制法是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，可以通过多重化技术、自适应滞 环等改进措施来克服固有的缺陷，提高其使用效率。基于全数字化控制技术的 无差拍控制法随着数字信号处理器( d s p ) 运算速度的不断提高，也将在有源电力 滤波器中得到广泛的应用。近年来，一些学者又提出了基于内模控制、滑模控 制及神经网络控制等非线性控制方法应用于补偿电流控制指令的产生。 2 4 2 并联有源电力滤波器的控制 1 ) 检测负载电流控制方式 图2 一1 0 检测负载电流控制方式原理图 图2